干擾對(duì)齊及其在多小區(qū)多用戶MIMO系統(tǒng)中的應(yīng)用.pdf

1、近年來,干擾對(duì)齊(Interference Alignment,IA)作為一種新穎的干擾處理方法,受到廣泛的關(guān)注并成為重要的研究課題。干擾對(duì)齊是通過壓縮干擾信號(hào)所占的信號(hào)維度,為期望信號(hào)提供更多的無干擾信號(hào)維度進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該技術(shù)的產(chǎn)生不僅使無線干擾網(wǎng)絡(luò)的容量有了突破性增長(zhǎng),而且為未來無線通信系統(tǒng)在多用戶干擾條件實(shí)現(xiàn)大容量和高數(shù)據(jù)速率傳輸提供了理論基礎(chǔ)。因此,研究實(shí)際無線通信系統(tǒng)的IA算法和應(yīng)用方案設(shè)計(jì)有著非常重要的意義。近期的研究無論

2、在干擾網(wǎng)絡(luò)理論分析還是對(duì)不同類型系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)都取得突出的進(jìn)展。然而,由于多小區(qū)多用戶多輸入多輸出(Multiple Input and Multiple Input,MIMO)系統(tǒng)復(fù)雜的干擾結(jié)構(gòu)及實(shí)際系統(tǒng)所能提供空間信號(hào)維度受限的制約,相關(guān)的IA算法設(shè)計(jì)及其在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用研究還極為有限。
　　本論文即針對(duì)干擾對(duì)齊及其在多小區(qū)多用戶MIMO系統(tǒng)下行場(chǎng)景即MIMO干擾廣播信道(Interference Broadcast Chann

3、el,IBC)的算法和應(yīng)用方案設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。主要從IA算法設(shè)計(jì)和信號(hào)維度受限條件下IA應(yīng)用方案設(shè)計(jì)兩方面展開研究。具體的,針對(duì)現(xiàn)有MIMO IBC信道迭代IA算法的不足,對(duì)現(xiàn)有算法設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。同時(shí)根據(jù)IA可行性條件分析,在系統(tǒng)提供有限信號(hào)維度條件下通過引入用戶選擇機(jī)制、無線通信鏈路的部分連接性(Partially Connectivity)分別設(shè)計(jì)兩類IA方案并有效應(yīng)用于多小區(qū)多用戶MIMO系統(tǒng)(即確保 IA方案的可行性),其

4、中基于部分連接信道的IA方案甚至可以突破有限信號(hào)維度的制約應(yīng)用于大規(guī)模部分連接多小區(qū)網(wǎng)絡(luò)并獲得隨小區(qū)數(shù)線性增長(zhǎng)的系統(tǒng)容量。此外,針對(duì)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Radio Network,,CRN)也提出了可行的IA應(yīng)用方案設(shè)計(jì)。全文主要研究?jī)?nèi)容概括如下:
　　第二章,對(duì)多小區(qū)多用戶MIMO系統(tǒng)下行場(chǎng)景即MIMO IBC信道的IA算法設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。首先分析多小區(qū)MIMO IBC信道IA的可行性條件和自由度。進(jìn)而

5、討論現(xiàn)有兩種MIMO IBC信道的多小區(qū)迭代IA算法,即采用最小干擾泄漏準(zhǔn)則(Minimum Interference Leakage,Min-IL)準(zhǔn)則的多小區(qū)Min-IL算法和基于最大信干噪比準(zhǔn)則(Maximum Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio,Max-SINR)的Max-SINR算法。通常后者具有比前者更好的系統(tǒng)和速率性能。然而由于多小區(qū)Max-SINR算法采用流的優(yōu)化而未考慮系統(tǒng)實(shí)

6、際應(yīng)用對(duì)正交化預(yù)編碼矩陣和濾波矩陣的要求,且在多數(shù)據(jù)流條件下性能并不理想,因此基于廣義特征分解對(duì)多小區(qū)Max-SINR算法進(jìn)行了優(yōu)化,同時(shí)給出基于最大信泄噪比(Maximum Signal-to-Leakage-plus-Noise Ratio,Max-SLNR)準(zhǔn)則多小區(qū)Max-SLNR優(yōu)化算法。
　　第三章,針對(duì)系統(tǒng)所能提供的空間信號(hào)維度受限(每基站和用戶收發(fā)對(duì)天線數(shù)受限)條件下的多小區(qū)多用戶MIMO系統(tǒng)IA方案的應(yīng)用問題,在

7、討論現(xiàn)有基于用戶選擇的迭代IA方案基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。優(yōu)化方案通過對(duì)現(xiàn)有方案的IA算法或迭代結(jié)構(gòu)、選擇用戶集的優(yōu)化,進(jìn)一步提升了系統(tǒng)容量。用戶選擇機(jī)制的引入,不僅使系統(tǒng)獲得了多用戶分集增益,而且使多小區(qū)迭代IA算法能有效應(yīng)用于任意用戶數(shù)規(guī)模的多小區(qū)系統(tǒng),但整個(gè)系統(tǒng)可獲得自由度仍受限于有限的信號(hào)維度。
　　第四章,針對(duì)有限信號(hào)維度條件下的多小區(qū)多用戶MIMO系統(tǒng)IA方案的應(yīng)用問題,利用無線通信鏈路的部分連接性,首先基于部分連接

8、MIMO IC信道提出一種新穎的串行迭代IA方案。進(jìn)而聚焦于多小區(qū)MIMO系統(tǒng),提出基于部分連接MIMO IBC信道可行的迭代IA方案。在基站和用戶收發(fā)對(duì)天線數(shù)受限條件下,所提IA方案能有效應(yīng)用于任意大規(guī)模的部分連接多小區(qū)網(wǎng)絡(luò),并獲得隨小區(qū)數(shù)線性增長(zhǎng)的系統(tǒng)總自由度。這意味著通過部分連接性,IA能突破有限信號(hào)維度的限制應(yīng)用于大規(guī)模多小區(qū)網(wǎng)絡(luò),因此基于部分連接信道的IA方案對(duì)IA在大規(guī)模多小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用具有重要意義。
　　第五章中,研

9、究了認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Radio Network,CRN)IA方案的應(yīng)用問題。由于認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)帶來的干擾結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,首先基于次網(wǎng)絡(luò)是MIMO干擾信道(Interference Channel,IC)的場(chǎng)景,提出結(jié)合用戶選擇的迭代認(rèn)知干擾對(duì)齊方案。進(jìn)而將該方案擴(kuò)展到次網(wǎng)絡(luò)為MIMO IBC信道的場(chǎng)景,提出能同時(shí)有效消除多種類型干擾,結(jié)合用戶選擇的可行的迭代認(rèn)知干擾對(duì)齊擴(kuò)展方案。本章的研究進(jìn)一步拓寬了干擾對(duì)齊在實(shí)際復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景的