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针对K个用户MIMO干扰信道(IC),研究基于分布式空时干扰对齐(DSTIA)的信道可达自由度。利用分布式当前和过期发射端信道状态信息(CSIT)设计预编码,分别给出MISO系统可达自由度关于CSI反馈时延和反馈频率的折中域;分析发射端天线数对MISO系统可达自由度的影响,导出逼近系统自由度外界的条件。进一步研究 MIMO 系统接收端天线数对系统自由度的影响,给出保持系统可达自由度的 CSI 反馈时延范围。理论和数值分析表明,所提 DSTIA 方案能充分消除用户间干扰,获得更高的自由度增益,缩小可达界与外界的差距,提高系统的可达速率。
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2018 年 1 月 Journal on Communications January 2018
2018017-1
第 39 卷第 1 期 通 信 学 报 Vol.39
No.1
基于分布式空时干扰对齐的 MIMO 干扰信道自由度研究
应腾达,冯文江,蒋卫恒,刘国岭,姚楚楠,包涛涛
(重庆大学通信工程学院,重庆 400044)
摘 要:针对 K 个用户 MIMO 干扰信道(IC),研究基于分布式空时干扰对齐(DSTIA)的信道可达自由度。利
用分布式当前和过期发射端信道状态信息(CSIT)设计预编码,分别给出 MISO 系统可达自由度关于 CSI 反馈时
延和反馈频率的折中域;分析发射端天线数对 MISO 系统可达自由度的影响,导出逼近系统自由度外界的条件。
进一步研究 MIMO 系统接收端天线数对系统自由度的影响,给出保持系统可达自由度的 CSI 反馈时延范围。理
论和数值分析表明,所提 DSTIA 方案能充分消除用户间干扰,获得更高的自由度增益,缩小可达界与外界的差
距,提高系统的可达速率。
关键词:自由度;分布式空时干扰对齐;MIMO 干扰信道;CSI 有限反馈
中图分类号:TN919.1
文献标识码:A
doi: 10.11959/j.issn.1000-436x.2018017
Degrees of freedom of MIMO interference channel
with distributed space-time interference alignment
YING Tengda, FENG Wenjiang, JIANG Weiheng, LIU Guoling, YAO Chunan, BAO Taotao
College of Communication Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China
Abstract: In the context of K-user MIMO interference channel (IC), achievable degrees of freedom (DoF) were investi-
gated with distributed space-time interference alignment (DSTIA). By precoding with distributed current and outdated
channel state information at the transmitters (CSIT), new tradeoff regions between achievable DoF and CSI feedback de-
lay/frequency were achieved for MISO system. The impact of the number of transmit antennas on achievable DoF in the
MISO system was analyzed, revealing that DoF results approach to the outer bound as the number of transmit antennas
increases. Further, the impact of the number of receive antennas on achievable DoF was characterized, deriving the range
of CSI feedback delay that preserves achievable DoF in the MIMO system. Theoretical and numerical analyses show that,
the proposed DSTIA scheme can achieve better sum-DoFs by eliminating inter-user interference perfectly, tighten the gap
between achievable DoF and outer bound, as well as improve the achievable rate of the system.
Key words: degree of freedom, distributed space-time interference alignment, MIMO interference channel, limited CSI
feedback
1 引言
采用空时干扰对齐(STIA, space-time interfe-
rence alignment)的 MIMO(multiple input multiple
output)传输方案能大幅提高系统自由度(DoF,
degrees of freedom),因此,该方案受到了广泛关注
[1]
。
收稿日期:2017-05-24;修回日期:2017-10-30
通信作者:应腾达,tengdaying@cqu.edu.cn
基金项目:中央高校基本科研业务费基金资助项目(No.106112016CDJXY500002);重庆市基础科学与前沿技术研究重点基
金资助项目(No.cstc2017jcyjBX0047, No.cstc2015jcyjA40021)
Foundation Items: The Fundamental Research Funds for the Central Universities (No.106112016CDJXY500002), The Key Projec
t
of Chongqing Basic Science and Advanced Technology Research (No.cstc2017jcyjBX0047, No.cstc2015jcyjA40021)
·138· 通 信 学 报 第 39 卷
分布式空时干扰对齐(DSTIA, distributed STIA)是
分布式无线场景中获得自由度增益的有效手段之
一
[2~4]
。尽管近年来传统干扰对齐在其他网络场景
中被广泛研究
[5,6]
,但其实现受限于苛刻的理想(全
局、瞬时且无差错)发射端信道状态信息(CSIT,
channel state information at the transmitters)条件
[7]
。
此外,基于 DSTIA 的 K 个用户 MIMO 干扰信道(IC,
interference channel)自由度目前尚未研究。因此,
如何利用 DSTIA 使 MIMO IC 获得更高自由度是亟
待解决的问题。
研究人员对发射端利用理想 CSIT 和无任何 CSIT
条件下 MIMO IC 的自由度已开展了大量研究
[8~15]
。
在理想 CSIT 下,文献[8]分析了 2 个用户 MIMO(任
意天线配置)IC 的自由度外界,并给出了基于迫零
(ZF, zero forcing)的可达方案;文献[9,10]探讨了 K
个用户
M
N× MIMO(每个发射端
M
根天线,每个
接收端
N 根天线)IC 的自由度外界,结论表明,当
KR≤ 时,总自由度外界为 min( , )
M
NK;当 KR>
时,总自由度外界为
(,)
min
1
M
NKR
R +
,其中,
M
R
N
= 。
针对
K 个用户 MISO(multiple input single output)
IC,文献[11]给出了次优的协同迫零波束成型
(
CZFBF, cooperative zero-forcing beamforming)方
案,在无
CSI 反馈时延下能获得满复用增益。在无任
何
CSIT 下,文献[12~14]分析了 2 个用户 MIMO IC
或 K 个用户 MIMO IC 的外界,结果表明,当发射端
无法利用任何
CSIT 时,K 个用户
M
N× (
M
N> )
MIMO IC 的总自由度下降为 N 。进一步,针对未知
CSIT 的 K 个用户 MISO IC,文献[15]给出了一种盲
干扰对齐(
BIA, blind interference alignment)方案,
能获得高于
TDMA 方案的自由度。BIA 的优点是发
射端不需依据
CSIT 进行预编码,却能获得比一类干
扰对齐方案(如文献
[16,17])更高的自由度,但传输
机制复杂,且接收端需配置可重构天线。
从 CSIT 的实现角度出发,文献[16~21]进一步
考虑
CSI 反馈时延问题。文献[18,19]分别讨论了 K
个用户 SISO(single input single output)IC 和 2 个
用户
MIMO(任意天线配置)IC 在完全时延 CSIT
下的自由度域;文献[16,17,20,21]探讨了 K 个用户
MIMO/MISO IC 在分布式时延 CSIT 下的系统总自
由度。针对
K 个用户 1
M
× (
M
K≥)MISO IC,
文献
[18]导出了在分布式完全延时 CSIT 条件下的
自由度上下界。然而,多数可达方案获取的自由度
与发射端
/接收端天线数无关
[16,20]
或局限于特定的
发射端天线数
[17,21]
。因此,研究增加发射端或接收
端天线数对系统自由度的影响更有意义。此外,尽
管现有的
DSTIA 方案可使系统获得比传统传输方
案(如
TDMA)更高的自由度,但可达自由度与外
界之间往往是松弛的,且相差甚远。
本文研究 K 个用户 MIMO IC 的自由度。首先,
针对
K 个用户 MISO IC,设计 DSTIA 方案,并分
析可达自由度关于
CSI 反馈时延/反馈频率的折中
域,结果表明,自由度随发射端天线数的增加而逼
近外界;然后,将
DSTIA 扩展至 K 个用户 MIMO
IC
,分析 MIMO 系统发射端/接收端天线数对总自
由度的影响,进一步分析自由度关于
CSI 有限反馈
条件的顽健性,结果表明,当发射端与接收端天线
数比足够大时,可达自由度逼近相应外界,且
MIMO 系统自由度关于 CSI 反馈时延的顽健性随接
收端天线数的增加而提升;最后,结合理论和数值
分析比较不同方案的自由度,并分析相应的
CSI 有
限反馈时延条件。有别于正交传输技术,本文所提
DSTIA 方案通过在发射端充分利用本地(local)当
前和过期的
CSIT 进行预编码,实现接收端干扰信
号在时域前后相消,进而提取期望信号并成功解
码,最终获得自由度增益。其创新点主要体现在
3
个方面:1) 逼近外界的可达自由度;2) 采用分布
式
CSIT;3) 适用于 MIMO 系统。本文自由度实验
结果强调该类干扰网络总吞吐量取决于用户数
K 、
基站天线数
M
和终端天线数 N ,并非干扰受限。
2 系统模型
2.1 K 个用户 MIMO IC 模型
K
个用户 MIMO IC 可看成是多小区蜂窝链路
间干扰的抽象。例如,
K 个用户 MISO IC 是 K 个
邻近小区下行链路用户间干扰的抽象。如图
1 所示,
K 个用户 MIMO IC 由 K 对发射—接收节点组成。
发射端
i 配置
i
M
根天线,接收端
j
配置
j
N 根天线,
, Γ {1, 2 , , }ij K
∈
= " 。每个发射端 i 仅向相应的接收
端
j 发送单一信息
[]i
W 。其信号模型为
[] [ ] [] []
1
() () () ()
K
jjiij
i
nnnn
=
=+
∑
yHxz (1)
其中, n 表示时隙,
1
[]
()
j
N
j
n
×
∈y ^ 为接收端
j
的接
收信号;
[]
()
j
i
NM
ji
n
×
∈H ^ 为发射端 i 到接收端
j
的
信道矩阵;
1
[]
()
i
M
i
n
×
∈x ^ 为发射端 i 的发送信号向
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