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干擾的建模與評(píng)估

為了進(jìn)行干擾管理，首先應(yīng)準(zhǔn)確地刻畫干擾。在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，干擾有信息有特定的結(jié)構(gòu)，并具有功率、頻率和時(shí)間這些基本特征，隨著OFDM、MIMO、協(xié)作、認(rèn)知等技術(shù)的引入，干擾的頻譜特征復(fù)雜化的同時(shí)，還增加了空間、波束、極化方向等新的特征，因此干擾具有多維度的特點(diǎn)。例如：采用OFDM技術(shù)，需要刻畫干擾在多個(gè)子載波上的分布；MIMO技術(shù)的使用，增加了干擾波束的空間方向信息；協(xié)作場(chǎng)景中的干擾依賴于用戶之間的關(guān)系；認(rèn)知技術(shù)的引入將產(chǎn)生由于用戶優(yōu)先級(jí)不同而導(dǎo)致的非對(duì)稱干擾問(wèn)題。此外，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能的分析、優(yōu)化以及接入、調(diào)度和路由機(jī)制設(shè)計(jì)中，常常需要通過(guò)抽象對(duì)無(wú)線信道干擾進(jìn)行建模，而準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)干擾是進(jìn)行合理抽象的基礎(chǔ)。

對(duì)于無(wú)線傳輸鏈路，可以通過(guò)構(gòu)造干擾圖或干擾矩陣實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的建模。特定的通信技術(shù)和信號(hào)傳輸方式也會(huì)給干擾帶來(lái)新的特征，如MIMO，由于多天線及聯(lián)合處理導(dǎo)致的信號(hào)空間特征，需要根據(jù)不同的數(shù)據(jù)傳輸之間的空間相關(guān)度對(duì)共道干擾進(jìn)行定量評(píng)估。此外，在分層次的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，干擾的刻畫與建模也需要根據(jù)具體的干擾管理需求在不同的層面上進(jìn)行。采用上述干擾建模的思想，結(jié)合未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，從多個(gè)維度（時(shí)間、頻率、功率、用戶行為、業(yè)務(wù)流特性、網(wǎng)絡(luò)特性等）描述無(wú)線干擾的特征，并以不同的干擾參數(shù)作為不同的坐標(biāo)方向，研究人員建立了完善的網(wǎng)絡(luò)干擾表征與評(píng)價(jià)機(jī)制，并總結(jié)形成了具體的干擾空間描述以及干擾的運(yùn)算規(guī)則，為設(shè)計(jì)具體的干擾管理方法與管理結(jié)構(gòu)，改善網(wǎng)絡(luò)性能提供依據(jù)。

干擾與資源的聯(lián)合管理

資源的有效管理是現(xiàn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)技術(shù)。干擾管理與資源管理存在密不可分的聯(lián)系。干擾的產(chǎn)生源于資源分配的非理想性，并且干擾就是對(duì)資源的沖突使用。當(dāng)多組通信鏈路共享相同域（頻率、時(shí)間、空間）的資源時(shí)，它們之間的相互干擾將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)和網(wǎng)絡(luò)性能的惡化。傳統(tǒng)的干擾管理將干擾視為不利因素，通過(guò)設(shè)計(jì)各種資源規(guī)劃、分配及調(diào)度機(jī)制實(shí)現(xiàn)干擾的消除或抑制。雖然這些方式能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)干擾的管理，但同時(shí)也降低了資源的使用效率。

隨著研究的深入，人們考慮通過(guò)有效利用干擾，將其作為可用資源的一部分加以對(duì)待。例如，網(wǎng)絡(luò)編碼正是在重新認(rèn)識(shí)干擾的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種重要技術(shù)，通過(guò)巧妙地利用無(wú)線干擾，可以提高傳輸速率，改善網(wǎng)絡(luò)性能。文獻(xiàn)利用干擾信息設(shè)計(jì)調(diào)度、路由機(jī)制，獲得通信性能的提升。近幾年興起的認(rèn)知無(wú)線電和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，可以看作是對(duì)傳統(tǒng)的、固定的資源分配方式的動(dòng)態(tài)化、共享化演進(jìn)，其根本源于固定資源分配在規(guī)避干擾的同時(shí)降低了資源利用率。圖2描述了干擾管理與資源管理的關(guān)系。對(duì)于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，其資源分配策略存在非理想性，主要表現(xiàn)在會(huì)出現(xiàn)各種各樣的干擾問(wèn)題，以及以犧牲資源利用率為代價(jià)的干擾規(guī)避技術(shù)可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)容量的降低。因此，需要綜合研究資源的全局動(dòng)態(tài)利用和干擾的管理，在二者之間進(jìn)行合理折衷。一方面，從資源分配的角度，提升資源利用的合理性，抑制非合理因素，為網(wǎng)絡(luò)容量提供增量；另一方面，通過(guò)對(duì)干擾狀態(tài)信息的利用，對(duì)資源分配策略進(jìn)行新的設(shè)計(jì)，助益于網(wǎng)絡(luò)容量。為了進(jìn)行聯(lián)合管理，可以采用效用函數(shù)作為衡量指標(biāo)。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，將多種干擾管理機(jī)制帶來(lái)的效用納入到效用函數(shù)中，從而包含與傳統(tǒng)的傳輸容量相比更多的因素，這可以作為實(shí)現(xiàn)干擾與資源聯(lián)合管理的一種思路。

智能動(dòng)態(tài)的干擾管理機(jī)制

目前可用于4G標(biāo)準(zhǔn)的干擾管理技術(shù)包括頻率復(fù)用、功率控制以及智能天線等。歐盟啟動(dòng)了FP7項(xiàng)目ARTIST4G，深入研究未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的干擾問(wèn)題。對(duì)于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，單一的干擾管理模式無(wú)法獲得最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能，因此聯(lián)合使用多種干擾管理方式才能最大化網(wǎng)絡(luò)性能。美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)的ThomasHou教授研究了通過(guò)聯(lián)合使用串行干擾消除和干擾避免的方式提升多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能。美國(guó)麻省理工學(xué)院的DinaKatabi教授通過(guò)聯(lián)合使用干擾協(xié)調(diào)和干擾消除技術(shù)提高了802.11n網(wǎng)絡(luò)的性能。歐盟FP7項(xiàng)目ARTIST4G的研究人員也提出了將干擾避免與干擾利用相結(jié)合的理論。

3GPP對(duì)小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(ICIC)進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，在Release8-11中均提出了不同的增強(qiáng)技術(shù)，從ICIC到eICIC再到FeICIC等，如表1所示。此外，從Release12的發(fā)展動(dòng)態(tài)中可以看出，在干擾管理方面一個(gè)很有潛力的研究領(lǐng)域就是收發(fā)端的聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的干擾環(huán)境具有動(dòng)態(tài)特征，一方面源于網(wǎng)絡(luò)本身，另一方面可能來(lái)自干擾管理行為。干擾環(huán)境的改變作用于干擾模型，而后者對(duì)接入、調(diào)度、路由等算法的性能有重要影響；反過(guò)來(lái)干擾管理機(jī)制的執(zhí)行又會(huì)導(dǎo)致干擾的動(dòng)態(tài)性和不確定性。因此，干擾管理與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的關(guān)系不是靜態(tài)、單向的，而是存在著反饋與互動(dòng)。干擾環(huán)境作為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的組成部分影響了可獲得的干擾信息，干擾模型是通過(guò)對(duì)干擾信息的加工處理得到的，不同層次的干擾模型決定了相應(yīng)的管理策略，而干擾管理行為又會(huì)導(dǎo)致干擾環(huán)境的變化，進(jìn)而重新作用于干擾管理策略的設(shè)計(jì)。因此，從這一相互關(guān)系出發(fā)，結(jié)合協(xié)作、認(rèn)知、資源管理等技術(shù)手段，設(shè)計(jì)智能動(dòng)態(tài)的干擾管理機(jī)制或?qū)⒊蔀槲磥?lái)研究的重點(diǎn)。

圖3給出了智能的動(dòng)態(tài)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)干擾管理體系。干擾感知模塊負(fù)責(zé)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)干擾環(huán)境進(jìn)行感知，從而獲得干擾的分布特征，并利用干擾的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，形成描述干擾狀態(tài)的具體信息。干擾管理決策在干擾管理方法庫(kù)和干擾管理融合策略的支持下實(shí)現(xiàn)，前者包含了若干可采用的干擾管理方式，如干擾避免、干擾拒絕、干擾消除、干擾協(xié)調(diào)等，后者通過(guò)智能算法，產(chǎn)生融合的干擾管理策略，并對(duì)采用該策略后的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。執(zhí)行模塊根據(jù)決策在網(wǎng)絡(luò)和/或終端側(cè)進(jìn)行資源配置和信號(hào)處理等。干擾管理行為作用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，影響干擾感知模塊開展新一輪的狀態(tài)感知，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行評(píng)估。我們需要進(jìn)一步利用學(xué)習(xí)機(jī)制，獲得當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)性能與預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)性能的差異，以此作為干擾管理融合策略或管理方式的更新與修正依據(jù)，從而使干擾管理具有動(dòng)態(tài)環(huán)境適變的特點(diǎn)。在各種干擾管理機(jī)制中，干擾協(xié)調(diào)（IA）是一種比較新穎并受到廣泛關(guān)注的方法，它借助信號(hào)處理手段，在發(fā)射端構(gòu)造發(fā)射向量，將接收機(jī)收到的干擾信號(hào)協(xié)調(diào)到特定的子空間中，從而使更多的自由度用于傳輸期望信號(hào)。IA最初是由Maddah-Ali等在研究MIMOX信道的自由度時(shí)給出，隨后Cadambe和Jafar在由K對(duì)用戶組成的干擾信道中應(yīng)用了IA技術(shù)，并得到了相應(yīng)的自由度結(jié)論。

目前對(duì)于IA的研究已經(jīng)擴(kuò)展到“X”網(wǎng)絡(luò)、蜂窩網(wǎng)等。IA本質(zhì)上是利用特定發(fā)射方式導(dǎo)致的干擾的結(jié)構(gòu)化特征，并通過(guò)適當(dāng)?shù)男畔⒔换?shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)流的傳輸，相關(guān)設(shè)計(jì)可以嘗試在多個(gè)域（如時(shí)間、空間、碼字等）中獨(dú)立或聯(lián)合進(jìn)行。通過(guò)將IA與其他干擾管理方法相結(jié)合，如干擾消除（IC），網(wǎng)絡(luò)通信性能可以得到進(jìn)一步提升。此外，在協(xié)作多點(diǎn)傳輸（CoMP）方面，基于IA（IC）的設(shè)計(jì)也能夠?yàn)榻鉀Q小區(qū)間干擾，改善小區(qū)邊緣用戶的性能提供新穎的設(shè)計(jì)思路。對(duì)于認(rèn)知通信，IA(IC)技術(shù)同樣可以為干擾的有效管理，資源使用效率的提升提供幫助。

干擾管理與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量

干擾管理作為改善網(wǎng)絡(luò)性能的重要手段，其與網(wǎng)絡(luò)容量的關(guān)系具有十分重要的研究意義，相關(guān)工作可以對(duì)具體的干擾管理方法設(shè)計(jì)與評(píng)估起到指導(dǎo)作用。在未來(lái)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，頻譜利用和用戶決策行為的動(dòng)態(tài)性，通信業(yè)務(wù)種類及其性能需求的多樣性，以及多用戶之間存在競(jìng)爭(zhēng)、協(xié)作、信息交互等行為都將使網(wǎng)絡(luò)容量的分析變得復(fù)雜并具有挑戰(zhàn)性。經(jīng)典的信息理論在通信發(fā)展過(guò)程中起到了巨大的推進(jìn)作用，但隨著通信技術(shù)的不斷進(jìn)步和新型無(wú)線通信系統(tǒng)的出現(xiàn)，無(wú)法使用經(jīng)典信息理論去分析這些新型網(wǎng)絡(luò)的容量。為了進(jìn)行基于干擾管理的容量域分析，一方面需要準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)容量定義，可以參考近年來(lái)出現(xiàn)的注水容量、安全/行為容量、后香農(nóng)容量以及認(rèn)知干擾信道容量等；另一方面需要借助有效的分析方法。以無(wú)線AdHoc網(wǎng)絡(luò)為例，文獻(xiàn)[8]建立了經(jīng)典的自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型，給出了用于分析無(wú)線AdHoc網(wǎng)絡(luò)容量的理論基礎(chǔ)，提出了無(wú)線AdHoc網(wǎng)絡(luò)的兩種容量定義，其中傳送容量的定義首次將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量與傳輸距離聯(lián)系起來(lái)，在自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)容量研究領(lǐng)域具有里程碑意義。在容量域分析方面，多用戶信息論中的干擾信道容量域問(wèn)題已經(jīng)提出了近50年，目前為止已知的最佳速率域由Han和Kobayashi在1981年提出，Tse等人對(duì)干擾信道信息傳輸限以及協(xié)作體制下的干擾管理和容量域也進(jìn)行了深入探索。此外，博弈理論以其在處理多用戶的資源競(jìng)爭(zhēng)與分配方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，受到了廣泛關(guān)注。上述理論與方法可以為干擾管理與網(wǎng)絡(luò)容量關(guān)系的研究提供思路。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，干擾問(wèn)題已成為制約網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素。利用干擾的結(jié)構(gòu)化特征，實(shí)現(xiàn)干擾的多維度建模，探索干擾管理與資源管理的有機(jī)融合，設(shè)計(jì)與無(wú)線環(huán)境相適配的智能的動(dòng)態(tài)管理機(jī)制，獲得干擾管理與網(wǎng)絡(luò)容量關(guān)系，將成為緩解資源供需矛盾、有效規(guī)避或利用干擾、實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)性能持續(xù)改進(jìn)的重要思路，能夠?yàn)闊o(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供支持。

作者：李建東李釗單位：西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室