[论文解读] Interference Steering to Manage Interference

Zhao Li, Fengjuan Guo+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 12被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新型干扰管理技术——干扰波束成形（Interference Steering, IS），使受害发射机能够通过同时利用信道状态信息（CSI）和干扰信号中的数据，调节干扰信号的空间特性，从而实现干扰抑制。与干扰对消（Interference Neutralization, IN）等现有方法相比，IS通过降低功率开销，在存在重叠接入点的密集WLAN中显著提升了频谱效率。

ABSTRACT

To enable densely deployed base stations (BSs) or access points (APs) to serve an increasing number of users and provide diverse mobile services, we need to improve spectrum utilization in wireless communication networks. Although spectral efficiency (SE) can be enhanced via smart and dynamic resource allocation, interference has become a major impediment in improving SE. There have been numerous interference management (IM) proposals at the interfering transmitter or the victim transmitter/receiver separately or cooperatively. Moreover, the existing IM schemes rely mainly on the use of channel state information (CSI). However, in some communication scenarios, the option to adjust the interferer is not available, and, in the case of downlink transmission, it is always difficult or even impossible for the victim receiver to acquire necessary information for IM. Based on the above observations, we first propose a novel IM technique, called interference steering (IS). By making use of both CSI w.r.t. and data carried in the interfering signal, IS generates a signal to modify the spatial feature of the original interference, so that the steered interference at the victim receiver is orthogonal to its intended signal. We then apply IS to an infrastructurebased enterprise wireless local area network (WLAN) in which the same frequency band is reused by adjacent basic service sets (BSSs) with overlapping areas. With IS, multiple nearby APs could simultaneously transmit data on the same channel to their mobile stations (STAs), thus enhancing spectrum reuse. Our in-depth simulation results show that IS significantly improves network SE over existing IM schemes.

研究动机与目标

• 解决在共信道干扰限制频谱复用的密集部署无线网络中的干扰问题。
• 克服现有干扰管理（IM）方案的局限性，这些方案需要交换CSI、调整波束成形或在收发端使用多天线硬件。
• 在干扰源无法控制的场景中实现实际可行的干扰抑制，例如固定接入点的下行链路传输。
• 提出一种机制，使受害发射机仅依赖本地获取的CSI和干扰信号数据，主动管理干扰。
• 在具有任意干扰拓扑结构和重叠基本服务集（BSSs）的企业WLAN中提升频谱效率。

提出的方法

• 提出干扰波束成形（IS），即受害发射机生成一个波束成形信号，以改变到达接收机的干扰信号的空间特征，使其与期望信号正交。
• 利用相对于干扰源的CSI以及干扰信号所携带的数据来设计波束成形信号，从而在空间域中实现有效干扰对消。
• 在基于基础设施的WLAN中实现IS，其中多个接入点（APs）在重叠的BSS中复用同一频段，支持在相同信道上并发传输。
• 采用分布式、非协作的IS方案，每个受害AP根据本地CSI和干扰数据独立计算其波束成形信号，最大限度减少信令开销。
• 通过干扰的空间分量和数据分量的线性组合，构造波束成形信号，以最小化受害接收机处的有效干扰功率，同时保持期望信号不受影响。
• 将IS集成到包含K个AP的系统模型中，支持随机干扰图和可变干扰密度（由pb控制），从而在真实网络条件下进行评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖干扰发射机控制或协作的情况下，在受害接收机处有效管理干扰？
• RQ2 在密集WLAN中，干扰波束成形与干扰对消（IN）在频谱效率和功耗方面相比如何？
• RQ3 干扰密度和干扰AP数量对IS与IN性能的影响是什么？
• RQ4 在干扰抑制链中，干扰处理的顺序是否会影响频谱效率？
• RQ5 IS是否能在比现有IM技术更低的发射功率和更简单的硬件条件下，实现更高的频谱效率？

主要发现

• IS相比现有IM技术（如IN）显著提升了频谱效率（SE），尤其在高干扰密度场景下表现更优。
• 协作式IS的性能劣于非协作式IS，原因在于功率开销增加；而协作与非协作式IN在SE上无统计学差异。
• IS优于IN，因其功率开销更低——仅需极少部分发射功率用于波束成形，从而为数据传输保留更多功率。
• 当干扰密度（pb）固定时，IS下的系统SE随AP数量（K）增加而提升，这是由于IS能有效抑制干扰，即使面临更高的同信道干扰。
• 当每个受害节点的干扰源数量（η）增加时，IS与IN的SE均下降，但IS因对干扰强度的敏感度更低而更具鲁棒性。
• 在干扰抑制链中，处理阶段的先后顺序不影响受害节点的SE，因为干扰功率在统计上保持不变，与计算顺序无关。