基于随机波束成形和干扰对齐的多小区传输方法研究

发布时间：2020-03-20 00:03

【摘要】：随着智能终端的普及和移动宽带业务的高速发展,全球移动流量一直呈现指数级增长的趋势,与此同时,包括物联网设备在内的移动设备和连接数也在迅速增长。为了满足迅猛增长的移动数流量和移动连接数的需求,蜂窝网络呈现异构化和密集化的形态,多种类型网络接入点并存,多层异构小区重叠覆盖,用户灵活选择接入手段。网络的异构化和密集化部署,使用户的干扰环境更加复杂,给网络干扰管理和数据传输带来了挑战,制约了网络容量的提升。需要针对网络部署场景、干扰特征以及业务特点,选择合适的干扰管理和数据传输方法,提高网络吞吐量,保障用户服务质量。多小区干扰场景是蜂窝网最基本的干扰管理和协作传输单元,其中随机波束成形(Random Beamforming)和干扰对齐(Interference Alignment)技术分别由于利用多用户增益和自由度最大化的优势,适用于多小区干扰环境中。然而,这两种技术的应用还存在不少挑战,现有的随机波束成形速率分析方法不适用于一般性的多小区用户部署场景,机会干扰对齐的速率分析方法尚属空白,基于信道信息有限反馈和前馈的干扰对齐有效速率的精确分析方法匮乏,并且实际场景中链路的强干扰特征未得到充分利用。为解决上述问题,分析不同技术在多小区干扰场景中的性能,选择合适的传输策略,本文主要进行了以下研究工作:1.针对现有随机波束成形分析方法适用场景有限的问题,提出了多小区随机波束成形速率性能普适性分析方法。首先在多小区MISO和MIMO广播干扰信道的用户差异化部署场景中,利用用户SINR和SIR的分布特性,证明用户在中低SNR域的可达速率和高SNR域的极限速率都可以用耿贝尔型随机变量进行有效地近似,将现有基于极限吞吐量分布定理的速率分析方法的适用范围扩展到用户差异化部署场景。接着,在多小区用户差异化调度场景中,利用构造的用户等效SINR和SIR的分布特性,证明用户在全SNR域的速率都可用耿贝尔型随机变量来近似,将现有速率分析方法的适用范围扩展到用户差异化调度场景。所提出的多小区随机波束成形速率性能分析方法,普适于用户差异化位置部署、用户差异化调度概率以及全SNR域,形式简洁。利用该方法得到的理论值与仿真结果有很好的匹配,可以有效地评估多小区随机波束成形传输性能。2.针对缺乏机会干扰对齐闭式和速率分析方法的问题,提出了基于用户干扰子空间弦距的机会干扰对齐速率性能分析方法,得到了速率闭式表达式,精确地刻画机会干扰对齐在全SNR域的速率性能与部署参数的关系。首先,在多小区MIMO广播信道场景中,建立了用户干扰空间对齐度量与条件可达速率的关系,设计了一般性的机会干扰对齐可达速率分析框架。然后,在一类特殊的场景中,即每个用户的接收天线数N和基站j发射的数据流数dj满足∑j=1Idj=N+1时,得到了用户可达速率的闭式表达式,并证明其可以被近似为耿贝尔随机变量,简化了计算。最后,根据可达速率的表达式,验证了机会干扰对齐的自由度性能与用户增长的关系。仿真结果表明,所提出的机会干扰对齐速率性能分析方法与仿真值有很好的近似精确度,且该方法具有形式简洁、计算简单的优点,适用于多小区干扰场景中机会干扰对齐的传输性能评估。3.针对基于有限反馈的干扰对齐有效速率分析方法匮乏的问题,提出了基于随机矢量量化和矩阵元素标量量化的干扰对齐速率性能分析方法,建立了量化比特数与干扰对齐可达速率的精确关系式。首先在基于随机矢量量化的信道信息反馈方法中,把量化误差转化为等价的高斯信道误差,得到了其量化比特与可达速率的关系式。其次,在基于标量量化的信道信息反馈方法中,利用对信道矩阵元素的均匀量化与反馈,得到了标量量化比特数、量化误差分布以及干扰对齐可达速率的关系式。最后,在基于随机矢量量化的解码信息前馈方法中,分析量化误差对可达速率的影响,得到了量化比特数与干扰对齐可达速率的精确关系,并用仿真结果验证了不同量化方法中量化开销与干扰对齐可达速率关系的正确性。根据所提出的量化开销与干扰对齐可达速率的分析方法与精确关系式,可以根据实际环境确定最优的量化开销比例。此外,理论分析和仿真结果表明,标量量化比随机矢量量化更适用于一般的干扰对齐场景中的信道信息量化。4.针对单向强干扰部署环境,提出了联合干扰叠加与对齐方法,把传输的数据流分为叠加流和对齐流两类,其中叠加流在受强干扰的用户处被先解调并删除,对齐流在受干扰的用户处对齐到干扰子空间。根据该原理,首先把联合干扰消除与对齐方法中的收发机联合设计问题用加权和速率最大化(WSR)问题建模,接着证明了该问题与加权最小均方误差问题(WMMSE)的最优解等价条件,并利用该等价条件,设计了迭代优化求解方法来得到局部最优解。为了进一步提升叠加流上的速率增益,提出了改进的联合干扰叠加与部分对齐方法,允许叠加流在部分用户处对齐到干扰子空间,并采用WSR优化问题建模,证明其与WMMSE的最优等价条件,设计了迭代优化求解方法。最后用仿真结果表明,所提出的联合干扰消除与对齐方法,既充分利用了链路强干扰特性,在中低SNR域提高了可达速率,也在高SNR域取得了和传统干扰对齐相同的自由度性能。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5

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