环境反向散射蜂窝网络下行链路级联干扰对齐算法.pdf
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1、环境反向散射蜂窝网络下行链路级联干扰对齐算法李世宝*王晓莉孙明玉李佺玉崔学荣刘建航(中国石油大学(华东)海洋与空间信息学院青岛266580)(中国石油大学(华东)计算机科学与技术学院青岛266580)摘要:环境反向散射蜂窝网络能同时支持蜂窝网通信和环境反向散射通信,具有良好的应用前景,但环境反向散射的信号与蜂窝网络信号之间存在严重的互相干扰。针对这一问题,该文提出环境反向散射蜂窝网络的级联干扰对齐(CIA)算法。为了分别对齐基站信号对阅读器和用户的干扰,设计两层级联的预编码矩阵。充分考虑到反向散射节点计算能力弱,无法自主进行预编码矩阵设计的限制,结合基站到反向散射节点的信道状态信息对反向散射信
2、号进行了预编码。并设计了对应用户的两层级联干扰抑制矩阵和阅读器的3层级联干扰抑制矩阵,将不同来源的干扰分层消除。仿真结果表明,所提算法能够消除环境反向散射蜂窝网络中的复杂干扰,保证蜂窝网络信号和反向散射信号正常传输,提高了系统和速率。关键词:蜂窝网络;反向散射;干扰对齐中图分类号:TN929.53文献标识码:A文章编号:1009-5896(2023)07-2342-08DOI:10.11999/JEIT221534Cascade Interference Alignment Algorithm for AmbientBackscatter Cellular Networks DownlinkL
3、IShibaoWANGXiaoliSUNMingyuLIQuanyuCUIXuerongLIUJianhang(College of Oceanography and Space Informatics,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,China)(College of Computer Science and Technology,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,China)Abstract:Ambientbackscatterc
4、ellularnetworkcansupportbothcellularcommunicationandambientbackscattercommunication,whichhasabroadapplicationprospect,butthereisseriousinterferencebetweenambientbackscattersignalsandcellularnetworksignals.Tosolvethisproblem,aCascadeInterferenceAlignment(CIA)algorithmforambientbackscattercellularnetw
5、orksisproposed.Inordertoaligntheinterferenceofbasestationsignalstoreaderandusers,atwo-tierprecodingmatrixisdesigned.Consideringthelimitationthatthecomputingcapacityofthebackscatternodeisweakanditcannotdesigntheprecodingmatrixindependently,thebackscattersignalispre-codedbycombiningthechannelstateinfo
6、rmationfromthebasestationtothebackscatteringdevice.Atwo-tierinterferencesuppressingmatrixforusersandathree-tierinterferencesuppressingmatrixforreaderaredesignedtoeliminatetheinterferencefromdifferentsources.Thesimulationresultsshowthattheproposedalgorithmcaneliminatethecomplexinterferenceintheambien
7、tbackscatteringcellularnetwork,ensurethenormaltransmissionofthecellularnetworksignalandbackscatteringsignal,andprovidethebettersumrateperformance.Key words:Cellularnetworks;Backscatter;Interferencealignment收稿日期:2022-12-12;改回日期:2023-05-30;网络出版:2023-06-09*通信作者:李世宝基金项目:国家自然科学基金(61972417,61902431),山东省自然
8、科学基金(ZR2020MF005)FoundationItems:TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(61972417,61902431),TheNaturalScienceFoundationofShan-dongProvince(ZR2020MF005)第45卷第7期电子与信息学报Vol.45No.72023年7月JournalofElectronics&InformationTechnologyJul.20231 引言反向散射通信1无需节点自身供电,仅通过调制并反射射频源信号即可传输数据2,3,具有低功耗、低成本的优点,是物联网的关键使能
9、技术之一。环境反向散射使用无处不在的周边环境信号作为射频源,极大地拓展了应用场景,推动了无源物联网的发展。Liu等人4于2013年提出环境反向散射通信技术,使用电视信号作为射频源,摆脱了传统专用射频源的束缚。Bharadia等人5提出了使用Wi-Fi作为环境反向散射通信的射频源,并通过商用Wi-Fi接收机实现了高速的环境反向散射通信6。移动蜂窝网络覆盖范围广、信号连续稳定,非常适合作为环境反向散射通信的射频源,推动了反向散射通信与蜂窝网络的融合,在智能家居、智能交通、智慧农业等领域有广泛的应用前景。本文将环境反向散射通信与蜂窝网络融合共生的网络称为环境反向散射蜂窝网络。蜂窝网络下行信号由基站发
10、出,信号强度较高,一般将下行信号作为环境反向散射的射频源。环境反向散射蜂窝网络中蜂窝网信号和反向散射信号在时域、空域和频域多个维度重合,干扰极为复杂,使蜂窝网络和反向散射通信都不能正常工作79,环境反向散射蜂窝网络中的复杂干扰问题亟待解决。针对环境反向散射蜂窝网络中的干扰问题,文献10使用蜂窝网络中连续的LTE信号作为环境射频源,设计了周期性信号同步方案和定时信号的相位调制方案,避免了反向散射信号对原始LTE信号传输的影响,但并未对多个反向散射节点并发产生的信号间干扰问题进行研究。文献11考虑时分复用的反向通信网络,多个节点轮流进行反向散射,使节点既能从蜂窝信号中获得能量,又可以从反向散射信号
11、中回收能量,并联合优化传输时间、波束形成向量和反射系数,使系统的总能量效率最大化。时分复用11、频分复用12等正交技术将信道资源切分并分配给多个节点,能够解决多节点的并发干扰。但时间、频率等信道资源有限,随着系统内节点数量的增多,每个节点分得的资源会越来越少,造成通信质量和吞吐量的下降。通过协作,反向散射链路和蜂窝链路能够实现互惠。文献13使用连续干扰消除技术消除蜂窝信号对反向散射信号的干扰,将反向散射信号视为蜂窝信号的多径信号分量,设计波束形成方案来保证蜂窝信号的正常传输。文献14进一步考虑了硬件损伤下的互惠环境反向散射通信,为了最大化硬件损伤下协作环境反向散射网络中所有链路的加权和速率,推
12、导了最佳发射功率和最佳反射系数,但实现互惠过程中的干扰消除资源利用率仍有提升空间。文献15使用非正交多址接入技术解决反向散射信号和蜂窝网络原始信号互相干扰的问题,进行了功率域的资源分配,带来了吞吐量的提升,但其本质上与正交技术同属于信道复用技术,每个用户的通信质量仍旧受到系统中用户数量的影响。上述研究对环境反向散射蜂窝网络中的复杂干扰问题考虑不全面,且系统速率受到用户数量的限制,必须要寻求更加有效的干扰管理方案。干扰对齐技术16在发送端将干扰通过预编码矩阵对齐到低维的干扰子空间中,在接收端通过干扰抑制矩阵消除干扰,使期望信号对齐到期望子空间中,摆脱了用户数量的限制,可以在相同的资源量下显著提高
13、吞吐量。文献17第1次将干扰对齐技术应用在蜂窝网络中,对多小区的上行链路和下行链路进行了研究,使用子空间干扰对齐来逼近蜂窝网络中理想的无干扰自由度。文献18提出了蜂窝网络的最小干扰泄露算法,利用信道互易性获取发射端信道状态信息,通过不断迭代达到干扰对齐算法的收敛。文献19针对蜂窝网络下行链路,提出了回溯干扰再生算法和分布式回溯干扰对齐算法两种迭代算法,使系统获得了更高的局部速率。文献20在单向强干扰的蜂窝网络中设计了连续干扰消除和对齐算法,通过迭代达到加权和速率最大化的目标,提升了系统和速率。文献21将干扰对齐算法的应用领域扩展到蜂窝异构网络中,针对网络的部分连接特性和多层的复杂干扰,提出了部
14、分干扰对齐算法,使用预编码矩阵将干扰部分对齐到几个干扰子空间中,利用干扰的零空间传输期望信号,实现了干扰对齐。本文首次将干扰对齐应用于解决环境反向散射蜂窝网络中的复杂干扰,在环境反向散射蜂窝网络中设计干扰对齐算法存在以下挑战:(1)与蜂窝网络相比,环境反向散射蜂窝网络中存在反向散射信号间干扰和蜂窝信号与反向散射信号间干扰,需要对齐并消除的干扰更多且更复杂。(2)反向散射节点计算能力弱,不具备独立的预编码能力,反向散射信号的预编码矩阵只能由基站代为设计,但节点的反射将信号的传输链路分成两段,使接收端设计对应的干扰抑制矩阵更困难。针对上述挑战,本文设计了环境反向散射蜂窝网络中的级联干扰对齐算法(C
15、ascadeInterferenceAlignment,CIA),贡献如下:(1)利用反射前后的信号相关性,在基站处设计了两层级联的预编码矩阵,其内层矩阵对反向散射信号预编码,外层矩阵对蜂窝信号预编码。与传第7期李世宝等:环境反向散射蜂窝网络下行链路级联干扰对齐算法2343统通信中的干扰对齐算法相比,所设计的预编码矩阵既能为蜂窝信号预编码,又能结合基站到反射节点的信道状态信息为反向散射信号预编码。(2)结合预编码矩阵设计了用户的两层级联干扰抑制矩阵和阅读器的3层级联干扰抑制矩阵,将不同来源的干扰分层消除,提高了系统容量。2 系统模型本文所考虑的系统为环境反向散射蜂窝网络下行链路,包括K个基站、
16、K个受到干扰的用户、L个无源反向散射节点、1个阅读器。基站发射的信号一部分直接被用户和反向散射阅读器接收,另一部分被反向散射节点调制并反射后到达用户和阅读器,到达同一接收端的信号之间互相干扰。节点使用来自基站的环境信号作为射频源,而不需要独立的射频源。节点处会接收到所有基站发射的信号,只有其中一个基站为期望的环境信号源,该基站的信号为阅读器的期望信号,其他基站为干扰环境信号源。图1为环境反向散射蜂窝网络下行链路的系统模型图,包括3个基站、3个用户、2个反向散射节点、1个阅读器。每个基站有M根天线,每个节点有X根天线,每个用户接收端有N根天线,阅读器有Q根天线。绿色实线表示反射信号从节点到阅读器
17、的传输链路,此链路不仅传输阅读器的期望信号,还传输来自干扰环境信号源的干扰信号。为避免线条杂乱,仅画出了基站1、用户1和节点1的全连接情况,但在接收信号的分析和干扰对齐算法的设计中,对所有节点的全连接情况都进行了充分的考虑。选择基站1为节点l的期望环境信号源,其发射s1yl信号为,则节点l接收到的信号 可以由式(1)来统一表示yl=tl1pHtl1V1s1+Kk=2tlkpHtlkVksk+zl(1)ylHtlk CXMVk CM1skzlylzl1,2,.,L1,2,.,Ktlk其中,表示节点l处的接收信号,表示基站k到节点l之间的信道矩阵。实际上,表示基站k所使用的预编码矩阵。表示基站k发
18、送的单数据流信号。p为基站的发射功率。表示节点l处的零均值单位方差的高斯白噪声向量。节点l的接收信号 受独立同分布的高斯白噪声向量的影响,其元素的均值为零,方差为1。其中l属于集合,k属于集合。是从基站k到节点l链路损失,是距离的函数。两者的关系可以表示为10lgtlk=40lgdlk+30lgf+49(dB)(2)dlk其中,为基站k到节点l的距离,单位km,f为载波信号频率,单位MHz。考虑理想情况,基站信号能够为反向散射节点提供充足的能量,保证其正常工作。节点对基站信号进行调制,使其携带节点信息并反射发出,忽略节点的反射损耗,则此时节点反射的信号为yl=tl1pHtl1V1sl1+Kk=
19、2tlkpHtlkVkslk+zl(3)slksk在式(3)中,信号产生变化,表示由原信号带有节点l信息的新信号。用户k接收到的信号由期望信号、其他用户的干扰信号、反向散射节点的干扰信号组成,如式(4)所示图1环境反向散射蜂窝网络下行链路模型2344电子与信息学报第45卷yuk=kkpHkkVksk+Km=1,m=klkpHmkVlsl+Ll=1Kj=1rklptljHrklHtljVjslj+zk(4)Hmk CNMHrkl CNXkl1,2,.,L1,2,.,K表示基站k到用户m之间的信道矩阵,表示节点l到用户k之间的信道矩阵,表示从节点l到用户k的链路损失,其中l属于集合,k属于集合。针
20、对反向散射信道估计,目前已有研究22,当前系统模型考虑完美的信道状态信息阅读器接收到的信号由反射信号、基站干扰信号组成,其中反射信号又可分为来自期望环境信号源的反射信号和来自干扰环境信号源的反射信号,经过接收端同步,反射信号如式(5)所示yr=Kk=1kpHbkVksk+Ll=1Kj=1rlptljHrblHtljVjslj+zr=Kk=1kpHbkVksk+Ll=1(rlptl1HrblHtl1V1sl1+Kk=2rlptljHrblHtljVjslj)+zr(5)Hbk CQMHrbl CQXrl表示基站k到阅读器之间的信道矩阵,表示l到阅读器之间的信道矩阵,是从节点l到阅读器的链路损失。
21、每个用户的瞬时可达速率为Rk=log21+p?kkUkHkkVk?22+Ik(6)Uk CN1Ik表示接收端用户的干扰抑制矩阵。为第k个用户的干扰泄露值,可以表示为Ik=pKl=1,l=k?lkUkHHlkVl?2+pLl=1Kj=1?rkltljUkHHrklHtljVj?2(7)在阅读器端,每个节点信号的瞬时可达速率为Rrl=log21+p?rltl1WlHrblHtl1V1?22+Irk(8)Wl CQ1Irl表示阅读器端的干扰抑制矩阵,为接收端接收节点l反射的信号时的干扰泄露值,可以表示为Irl=pKk=1?kWlHbkVk?2+pLi=1,i=lKj=1?rltijWlHrbiHtl
22、jVj?2+pKk=2?rltljWlHrblHtljVj?2(9)3 算法设计VkUkWlVkUkWlVkUkWUl为实现蜂窝信号和反向散射信号的可靠传输,CIA算法在基站端设计预编码矩阵、在用户端设计干扰抑制矩阵、在阅读器端设计干扰抑制矩阵,根据需要对齐和消除的干扰种类来分层并级联。的设计考虑基站信号分别对阅读器和用户的干扰,分为两层。的分层设计则考虑用户端的干扰情况,将干扰信号分为来自反向散射节点的干扰信号和来自基站的干扰信号两种类型,使用两层干扰抑制矩阵分别消除。阅读器端接收到的信号干扰情况更为复杂,由来自基站的干扰信号、来自不同节点的反射信号、来自同一节点不同环境信号源的信号组成,根
23、据3种干扰类型,分为3层设计。,级联关系及分别设计为Vk=VikVok(10)Uk=UikUok(11)Wl=WiWmlWol(12)Uik(1)设计用户内层的干扰抑制矩阵HrklUik CNNiUikUik用户处收到的反向散射节点信号由K个基站信号经过L个节点反射形成的信号混合而成,每个节点的混合信号通过同一段信道传输到用户,这些信号已经天然对齐到同一个信道空间。利用从节点到接收端的信道的零空间,在每个用户处设计对齐来自L个节点的混合干扰,使需要考虑的干扰由KL个变为L个,降低了计算复杂度和的天线数要求。满足UikH=null(HrkH1,HrkH2,.,HrkHL)(13)根据齐次线性方程
24、组的求解条件可知,若要满足对齐条件,必须满足Ni L X1 Ni N(14)Vik(2)设计内层的预编码矩阵为了减小阅读器解码的压力,基站预先设计内第7期李世宝等:环境反向散射蜂窝网络下行链路级联干扰对齐算法2345Vik CMM层的预编码矩阵,把阅读器处来自多个基站的干扰信号对齐到一个空间T中,即T=span(Hbk1Vi1)=span(Hbk2Vi2)=span(HbkKViK)(15)VokUok(3)设计外层预编码矩阵和外层干扰抑制矩阵Vok CM1Uok CP1VokUokVikUikVokUok以蜂窝网络用户处的干扰泄露最小化为目标,通过迭代式干扰对齐算法14来设计和,对齐并消除蜂
25、窝网络中来自其他基站的非期望干扰。和需要级联和进行设计。当迭代算法收敛后,干扰泄露逼近0,和满足条件span(UokUikHk1Vi1Vo1)span(UokUikHk2Vi2Vo2)span(UokUikHkk1Vik1Vok1)span(UokUikHkk+1Vik+1Vok+1).span(UokUikHkKViKVoK)0(16)UokUikHkkVikVok=I(17)级联内层与外层的预编码和干扰抑制矩阵,由式(10)、式(11)、式(13)、式(15)、式(16)可得span(UkHHrk1)=span(UkHHrk2)=.=span(UkHHrkL)=0(18)span(Hbk1
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