两簇多用户MIMO中继干扰信道干扰中和传输

张博为，吴维农，肖静薇，黄 杰，王 健，冯文江

(1. 国家电网重庆市电力公司 信息通信分公司，重庆 400012；2. 重庆大学 通信工程学院，重庆 400044)

无线中继作为提高网络覆盖和传输速率的有效工具已被广泛应用于各种无线网络中．香农最早在文献[1]中研究了两用户中继信道的信道容量．结果表明，中继能够有效地提高网络容量．随后，文献[2-5]基于中继网络编码技术研究了多用户中继信道的信道容量与系统可达自由度(Degrees of Freedom， DoF)．最近，多用户中继信道已被扩展为多簇多用户中继信道[6]．在多簇多用户中继干扰信道中，用户通过中继与簇内的其他用户进行信息交互且不同簇之间的用户链路为干扰链路．

针对两簇两用户中继干扰信道，文献[7]中提出了干扰中和技术并分析了该信道的自由度．干扰中和的核心思想是利用多个中继的天线资源使干扰信号在传播时相互中和，从而使用户只接收到期望信号．文献[8]将干扰中和应用于两跳干扰网络中并分析了系统可达自由度，将干扰中和技术应用于两簇两用户中继干扰信道中并获得了该信道的自由度上界，但是仍无法应用于多用户中继干扰信道．文献[9]利用连续网络编码技术分析了多用户中继干扰信道的系统可达自由度．文献[10]将混合型干扰管理技术应用于两小区上行多进多出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)蜂窝网络．

笔者分析和研究了两簇多用户中继干扰信道的系统自由度，提出一种基于中继波束矩阵设计的干扰中和方案．该方案包含两个阶段：在第1阶段，中继构造接收波束矩阵将中继接收信号进行信号重构；在第2阶段，中继构造发送波束矩阵以消除簇间干扰．分析了所提干扰中和方案的适用条件和系统可达自由度，并将所提方案与连续网络编码方案和时分多址(Time Division Multiple Access， TDMA)方案进行对比分析．结果表明，所提基于中继波束矩阵设计的干扰中和方案能够获得更多的自由度．

图1 两簇多用户多进多出中继干扰信道

1 系统模型

两簇多用户中继干扰信道模型如图1所示，记为(M，N，K)．其中，中继R1和R2分别为簇1和簇2的K个用户提供服务，用户集记为K∈ {1， …，K}．在该模型中，假设直传链路存在严重的路损和衰落，每个簇内的用户仅通过中继与簇内用户完成信息交互．用户簇表示中继服务用户所构成的集群．每个用户配置M根天线，每个中继配置N根天线，且N≥M．假设全网内所有节点共享相同的频谱资源，当每个簇内的用户同时交互信息时，中继将接收到其他簇内用户的干扰．在该信道模型中，中继采用放大转发传输模式，且所有用户不具备信道状态信息．此外，假设系统工作在完美全双工模式(不存在自干扰)且中继已知全局状态信息．用户和中继信息交互分为上行阶段和下行阶段．

在上行阶段，所有用户同时上传信息至服务中继．由于同频同时传输，每个中继将接收到来自服务用户的期望信号和非服务用户的干扰信号．第i个中继接收信号为

(1)

中继接收到上传信号后，利用N×N维波束矩阵Pi产生新的信号:

xRi=PiyRi，i∈{1，2} ，

(2)

其中，xRi为中继Ri的N×1维发送信号向量．

在下行阶段，各中继将处理后的信号广播给用户，用户[l，k]的接收信号为

(3)

假设所有节点以相同功率P发送信号，定义系统自由度为

(4)

其中，Zsum为系统自由度;dl，k为用户[l，k]的自由度，表示在每个时隙用户[l，k]发送给用户[l，k′] (k′∈K{k})的无干扰数据流数；Rl，k(P)为用户[l，k]的传输无干扰信息的可达速率．

2 干扰中和方案

所提干扰中和方案的关键在于如何联合设计用户发送机制和中继波束矩阵以消除所有簇间干扰，从而获得系统的可达自由度．首先，设计用户在K-1 个时隙内重传相同的数据流，使用户在下行阶段的不同时隙接收到相同信号，从而解码所有期望信号；其次，中继利用天线资源构建中继接收波束矩阵，将接收信号进行重构，使得接收信号成为相同的线性组合；最后，中继构造发送波束矩阵以消除用户间的簇间干扰．该方案包含3个步骤:用户发送机制设计，信号重构和簇间干扰中和．其信号传输及处理框图如图2所示．

图2 干扰中和方案信号传输及处理框图

(5)

(2) 中继波束矩阵设计．设计中继波束矩阵Pi使K个用户的多维簇间干扰信号能被抵消．中继波束矩阵等于信号重构矩阵Vi和簇间干扰中和矩阵Ui的乘积:

(6)

(3) 信号重构矩阵设计．中继Ri设计信号重构矩阵Vi，使两个中继接收信号变为相同的线性组合，即

(9)

将式(9)代入式(8)，可得

(10)

(11)

基于式(7)和式(8)，中继接收信号经过信号重构处理后可得

(14)

(15)

(5) 解码．中继R1和中继R2分别将处理后的信号P1yR1和P2yR2广播给所有用户．以用户[1，1]为例，其接收信号为

定理1 对于两簇多用户中继干扰网络(M，N，K)，其系统自由度如下:

(18)

3 仿真分析

首先分析所提干扰中和方案下系统和速率．根据式(17)，用户[l，k]在K-1个时隙的输入输出关系为

(19)

(20)

(21)

图3所示为不同配置下两簇多用户中继干扰信道的系统和速率与自由度随信噪比的变化曲线．图中任意数值点的值为 1 000 次蒙特卡罗仿真平均值．由香农公式可知，在高信噪比下系统和速率曲线的斜率为FDoF/ (10 lg 2)，FDoF为系统可达自由度．仿真系统配置参数选择分别针对定理1中N>KM和N≤KM两种情况进行选取．观察图3可知，当系统配置为(M，N，K)=(5， 9， 2)，(5， 12， 3)，(6， 19， 3)和(10， 21， 2)时，系统自由度分别为17， 23， 36和40．仿真结果与定理1的结论一致．

针对两簇多用户中继干扰信道，将笔者提出的干扰中和方案获得的系统可达自由度与时分多址方案和文献[9]提出的SNC方案进行对比．图4给出了所提干扰中和(Interference Neutralization， IN)方案、时分多址方案和SNC方案下系统的可达自由度比较．SNC方案需满足M=N，选取M=12，N=12，K的取值范围为[3，10]，其系统可达自由度为KM/ (K-1)．由图可知，随着K的增加，SNC方案获得的自由度逐渐减少，且逐渐逼近时分多址方案获得的12个自由度，而干扰中和方案获得的自由度恒定为23．因此，干扰中和方案比SNC方案更优．

4 结 束 语

针对两簇多用户多进多出中继干扰信道的自由度进行了分析研究，笔者提出一种基于中继波束矩阵设计的干扰中和方案．该方案首先通过在中继构造接收波束矩阵将中继接收信号进行信号重构；其次，在中继构造发送波束矩阵以消除簇间干扰．导出了所提干扰中和方案的适用条件和系统可达自由度，并将所提方案与连续网络编码方案和传统时分多址方案进行对比分析．结果表明，所提基于中继波束矩阵设计的干扰中和方案能够获得更多的自由度．