MIMO干扰网络中基于有限反馈的干扰对齐研究

发布时间：2020-05-04 10:55

【摘要】：干扰是多用户无线通信系统吞吐量提升的基本障碍。近年来,无线网络在全局、瞬时发射端信道状态信息(CSIT:channel state information at the transmitter)条件下的干扰对齐(IA:interference alignment)已取得重大研究进展。然而,CSIT的严格约束使得实际通信系统难以获得理论自由度(DoF:degrees of freedom)增益,尤其是在CSIT受限的分布式网络中,自由度增益只有盲CSIT水平。一个疑问是,有限CSIT能否提升分布式干扰网络的自由度增益?本文以多天线技术为基础,通过刻画自由度与有限CSIT之间的折中关系,深入研究多输入多输出(MIMO:multiple input and multiple output)广播信道(BC:broadcast channel)、X信道、干扰信道(IC:interference channel)的干扰对齐技术,主要研究内容和创新贡献概括如下:(1)针对对称天线配置下的2?2用户MIMO X信道,探寻CSI反馈时延与系统可达自由度之间的折中域。首先,研究2?2用户MISO X信道的可达自由度,提出一种分布式预编码方案。其次,针对2?2用户MIMO X信道,提出一种基于适当延时CSIT的分布式空时干扰对齐(DSTIA)方案,利用循环填零预编码,给出多天线配置下可达自由度关于CSI反馈时延的折中域,对比分析不同方案下获得的信道可达自由度和可达速率。结果表明,相比于仅利用过期CSIT的干扰对齐方案,该方案能获得更高的自由度。进一步,从交替CSIT角度,提出一种基于交替CSIT的DSTIA方案,研究不同天线配置下的系统可达自由度。结果表明,交替CSIT与适当延时CSIT具有等效性,适用于分布式CSIT体系。(2)针对M?N用户MIMO X网络,研究多节点、多天线配置下的系统可达自由度和干扰对齐方案。首先,针对2?2用户MIMO X信道,提出一种基于符号消元(SE)的多阶段干扰再生(MIR)方案,研究不同CSIT图样下MIMO X信道的可达自由度,解决自由度损失问题。研究表明,MIR方案能进一步优化可达自由度,且自由度随天线配置变化逼近外界。然后,从发射端和接收端角度,研究MIMO X网络多节点扩展干扰对齐(ME-IA)方案,突破收发节点数限制。特别地,针对M?2用户MIMO X信道,探讨基于MIR的发射端ME-IA方案获得的可达自由度;针对M?N用户MISO X网络,提出一种接收端ME-IA方案,分析CSI反馈时延、网络节点数和配置天线数对总自由度的影响。结果表明,接收端ME-IA方案能够达到或逼近自由度外界。最后,针对M?N用户MIMO X网络,提出一种基于混合CSIT的多阶段分布式空时干扰对齐(MDSTIA)方案,通过设计链式解码结构,弥补自由度损失以获得更高自由度,缩小可达界与外界的差距,提高系统可达速率。(3)针对非合作式多用户MIMO干扰网络,在有限CSI反馈条件下,分别探讨K对用户MIMO X、K用户MIMO IC、K用户MIMO BC的可达自由度和干扰对齐方案。首先,针对K对用户MIMO X网络,提出一种基于适当延时CSIT的分布式回溯干扰对齐(DRIA)方案,利用当前和过期CSIT设计预编码以创建新的边信息,实现回溯干扰重构与消除,突破DSTIA在MIMO X网络中接收端个数(只能为2)的限制。结果表明,相比于TDMA,DRIA方案仍然能够获取系统自由度增益。其次,针对K用户MIMO IC,提出一种基于有限反馈的DSTIA方案,分别给出MISO系统可达自由度关于CSI反馈时延和反馈频率的折中域,分析MIMO节点天线数对系统自由度的影响,导出逼近自由度外界的条件,并给出保持系统可达自由度的CSI反馈时延范围。结果表明,DSTIA方案比现有方案更具自由度优势,且随着天线数变化能逼近自由度外界。最后,针对非对称天线配置的MIMO干扰网络,提出基于最小时隙准则的广义空时干扰对齐(GSTIA)方案,通过设计基站匹配发送和用户无干扰解码机制,分析系统可达自由度与基站和用户天线数之间的内在关系,突破非对称天线配置下设计IA方案的瓶颈。研究表明,GSTIA方案获取的自由度能够随天线数变化逼近自由度外界。
【图文】：

从自由度角度给出本文研究模型（BC、XC、IC）的几个里程碑。图1.1 罗列了近年来三类网络利用理想 CSIT 和有限反馈 CSIT 获得的重要结论。[23]min( A, K)[23]min( , )kkA B[16]4 3[18]MN ( M N 1)[19]AMN ( M N 1) [19]min N , MNA ( N MA A)[15]K21 2 1 2[23]1 2 2 1min( , ,max( , ), max(

笔者在时间轴上忽略了 RIA 自由度结论，转而强调与本文更相关的适当延时 CSIT 下 STIA 方案的自由度结论。目前，STIA 主要应用于K 用户 MISOBC、2 2用户 SISO XC 和 3 3用户 SISO IC，在多用户 MIMO 干扰网络中尚无新的自由度结论。其次，从 CSIT 角度概括近年来研究的 CSIT 类型，如图 1.2 所示。交替 CSIT架构中的P 状态对应无误差且无反馈延时 CSIT，D状态对应完全延时 CSIT，N 状态对应盲 CSIT。为降低对 CSIT 的依赖性，历年来从理想 CSIT 精度、延时、反馈量角度发展为考虑有限精度、延时、部分 CSIT 下的 IA 方案。此外，，将不同类型的 CSIT 结合，针对混合 CSIT 条件的研究也是关注的热点。当考虑 CSI 的精度和延时时，主要关注过期和当前CSIT存在误差、完美过期CSIT和有限精度当前CSIT两种情况；当考虑 CSI 的延时和反馈量时，主要关注全局过期 CSIT、分布式适当延时 CSIT、分布式过期 CSIT 三种情况。不同于传统迫零波束赋形[148]，CSIT 类型支撑了 IA 方案设计的多样性，为 IA 实现奠定了理论基础[149-152]。近年来，衡量系统自由度与 CSIT 精度和时延之间的折中关系是 IA 研究的焦点。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN919.3


本文编号：2648434