无线通信中多小区多用户干扰消除–综述

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所属分类:通信家园

1.多小区干扰消除有两种思路:a)采用空间复用/用户beamforming/频率复用等在干扰信道进行协作传输,降低或消除干扰,在保证用户QoS(一定的SINR),最大化MIMO系统的并行共存信道,也成为信道复用增益;b) 采用中继来增强链路的可靠性,减小链路的路损和多径多衰落,却无法解决小区边缘用户的QoS和严重干扰(低SINR)问题。

2.当前CDMA和跳频扩频技术使得单个小区全频使用成为可能,但是CDMA和扩频技术苛刻的同步要求,小区边缘的用户速率可能会有很大下降。除此之外,还可以user scheduling或者软交换 来消除多小区干扰。以上都是将用户受到的干扰视为噪声,通过相关编码或者MIMO技术来消除,是一种被动的干扰处理方法。

3.主动干扰处理方法:多小区的BS交换backhaul 链路信息后统一进行参数调整(发送功率,占用时间,子载波分配,beamforming系数等),多BSs之间的协调协议复杂度也会很大,可以借鉴当前802.16 WiMax和4G LTE 有限容量回传链路的协议设计。

4. 在传统CDMA的软交换网络中,每个用户同时链接多个BS并选择其中衰落最小链路进行信息传送,并进行功率控制,可以在单小区实现全频复用。如此,通过BS选择获得覆盖范围和通信容量的额外增益。

5.BS全局协调:所有BS都连接到一个processing center,进行信息交换和统一调整。在多用户多小区MIMO系统中,以上行链路为例,将BSs接收到的信号进行MRC合并-->MF解调-->MMSE检测后,平均每个小区的容量=单一小区(无干扰邻近小区)容量。

6.在没有物理层和网络结构等先验信息情况下,实际的BS全局协调技术能实现的有限容量依然有待解决。Wyner模型(六边形蜂窝结构+线性排布的BS)相关结果显示:高SNR下,系统容量随着小区内频率重用因子而直接增加。

7.理想情况下,M个BS(每个BS J根天线)能server MJ个单天线用户,采用空间编码(spatial precoding)能一定程度上实现上述目标。

8.多小区MIMO面临的技术难点:即使假设理想的回传信道,多小区MIMO系统能实现的理论容量依然未知。通过简化干扰模型,能够获得直观的容量结果,但却很难推广到一般的干扰模型。第二,多小区MIMO天线数目和用户个数较多,BS全局合作计算复杂度很大,并且非线性编解码对复杂度十分敏感。在有限信息交互时,推理协作式MIMO的容量极限十分困难。但系统级仿真结果显示通过采用多小区MIMO技术,系统容量和fairness across cell locations会明显改善。在实际协作式MIMO系统中,BS可能难以同步、信道估计不准确、网络存在时延等,都对系统容量评判造成影响,需要加以解决。可以从如下思路进行一定分析:

  • BS之间信息交互的模式、网络已收发信道模型的分类。
  • 研究特定/简化干扰模型、网络结构下系统和速率的极限bound。
  • 设计在理想回传信道/有限回传信道下,多小区MIMO信号处理的方法,比如:分布式优化、部分信息反馈、Turbo编码及分簇等。
  • 再给定各种参数条件下,进行系统级试验仿真,分析结果并给出指导和建议

9.  Wyner 模型考虑干扰只发生在部分邻近小区之间,所有的小区或者排成一列(高速公路),或者按照特定的结构排布(i.e., 六边形蜂窝)。

10. 传统的Multi Cell Processing MCP)假设理想的无线容量的回传链路链接到BSs center,然而实际情况中回传受限,并且衰落信道MCP会有时延。

11. 描述MCP性能优劣的一个参考标准:平均每小区的可实现容量。干扰分布、受限回传链路、路损和用户位置相关性、小区中心和边缘QoS变化等,都是分析时的关注点。

12. 考虑上行链路M个小区,每个小区BSJ个天线并服务K个单天线的用户。当前的Wyner 模型研究主要分为这么四类:

l  对称的Gaussian Wyner模型:每个小区收到左右两边对称小区的干扰,干扰只与小区间的距离有关(同一个小区内不同用户到另外一个小区的干扰是相同的),并且信道是准静态的(与时间t无关)。

l  单边的Gaussian
Soft-handoff
模型:每个小区假设只受到某一侧其他小区的干扰(i.e., 小区边缘的用户只受到一侧邻近小区的干扰)。

l  衰落的“对称Gaussian
Wyner
”模型:信道衰落与各个用户k相关(不再是同一个小区内的用户衰落相同),并且可以是准静态的(Quasi-static),也可以时变的(ergodic

l  衰落的“单边Gaussian
Soft-handoff
”模型

13. 上行链路(uplink)考虑MBS接收到的实际信号,下行链路(downlink)考虑各个小区内K个用户(total MK个用户)接收到的实际信号。Downlink模型按照BS之间的链接方式分为两种:无限回传的Center Processing CP)模型,有限回传的邻近局域BS模型。

14.  容量分析:

      l  单小区处理(single
cell processing
SCP)时,在高SNR下,空间重复因子F=单边小区个数L时是一个无小区干扰的模型,但是每个小区的平均容量与1/L而衰落;在低SNR下,频谱效率呈2/F衰减(在无干扰时是2)。

      l  无限反馈链路下,每小区平均和速率能写成积分形式(小区个数M很大),并且最小的每比特能量只和每个小区的信道衰落相关。

      l  在有限回传到CP时,如果BS不知道MS使用的codebook,在低信噪比下,可实现的信道容量会有一定的损失,且最小每比特能量也会有损失;如果BS知道MS使用的codebook并(部分)反馈给CP,则能实现更高的sum rate

      l  BS没有连接到CP,只和邻近的BS连接并共享信道衰落信息。这种情况下能实现的复用增益在1/21之间。MS之间也能互相感知信息(合作),选择合适的codebook进行发送

l  基于MCP无限回传链路的容量公式,讨论不同参数变化情况下的容量,包括:准静态环境,动态衰落环境,单小区SCPMCP容量对比,MCPBSMS

是多天线情况,信道不确定性(想干时间)。

【总结】:小区干扰模型大致可以这么分类:按照空间排列方式,线性、圆形、六边形;每个小区收到两边(多个方向)其他小区干扰,或只受到单一方向某几

个邻近小区干扰;干扰链路是否有用户区分度(同一个小区的多个用户,对另外一个小区的干扰信道相同/不相同); BS是否连接到CP或者只是邻近BS互相连

接;BS之间或者BSCP之间反馈信道是否理想,都会影响平均每小区能实现的容量(衡量标准),并且给出了SCPBS不连接到CP,每个BS把其他小区的干扰

多做噪声处理)、在不同回传链路质量、不同方向干扰(双向/单向干扰模型)、及不同参数(准静态/时变,空间重用因子,M小区数)下的MCPBS连接到CP

进行信息的共享和统一处理,利用干扰信息)
容量表达式和仿真结果。

【reference】

Gesbert D, Hanly S, Huang H, et al. Multi-cell MIMO cooperative networks: A new look at interference[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 

2010, 28(9): 1380-1408.

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