基于干扰对齐的无线网络自由度研究

发布时间：2019-08-03 17:04

【摘要】：作为无线网络性能最基本的指标,网络容量对各种无线传输技术的设计与实现均具有十分重要的指导意义。因此,针对无线通信网络容量的渐进性分析一直是信息论领域的热点问题。进一步的,决定多用户干扰网络容量的因素众多且各因素间的关系错综复杂,因此信息理论界引入了自由度(Degrees of Freedom,Do F)这一概念来界定各因素间的制约与促进关系,进而度量网络容量。自由度可看作为网络容量的一种一阶近似,其在高信噪比条件下对网络容量衡量的准确度可达到100%。同时,干扰对齐(Interference Alignment,IA)作为一种可有效提升网络自由度的新兴干扰管理技术,自诞生至今一直受到学术界的高度重视。进一步的,基于干扰对齐的多用户干扰网络自由度研究已成为近几年来的研究热点且相关研究内容可归结为以下两个主要方面:第一,对自由度外界的研究,即对多用户干扰网络客观存在的最大自由度的证明;第二,对自由度内界的研究,即对能够最大程度逼近多用户干扰网络自由度外界的可达方案的设计。虽然相关研究取得了一定进展,但成果十分有限。因此,本文研究的主要目的就是证明现有的几种典型多用户干扰网络,例如异构双层干扰网络、认知中继协作干扰网络、多小区蜂窝网络的自由度外界;同时,基于干扰对齐技术构造相应网络的可达于或可最大程度逼近于自由度外界的自由度内界方案。本文在归纳总结了当前最新研究成果的基础之上,分别从以下三个方面逐步展开了课题的研究。首先,论文对宏蜂窝小区与小小区并存的异构双层干扰网络的自由度进行了深入的研究。文中不但构建了在宏蜂窝小区内部覆盖多个小小区的广义异构双层干扰网络模型,而且通过对该网络模型下自由度外界的证明和自由度内界可达方案的设计,进行了该网络模型下自由度“紧”性的论证。其中,在对自由度内界可达方案的构建过程中,充分利用干扰对齐互惠性原则简化了构建过程,并利用基站端异构天线数目的特征,在发射端联合设计干扰对齐预编码矩阵,使得小小区和宏小区基站端分别实现一对一和多对多的干扰对齐,从而最大程度压缩了干扰信号所占信号空间维度。同时,为验证所构建的基于干扰对齐的可达方案的正确性,论文分别重点证明了可达方案中小小区基站端和宏基站端接收信号空间内期望信号空间与干扰信号空间的独立性。论文相关论证所得的自由度结论具有普适性,对宏蜂窝小区与小小区并存的异构双层干扰网络的宏基站和小小区基站发射数据流数目的协同设计具有重要的指导意义。其次,为进一步提升多用户干扰网络容量,论文深入研究了认知中继协作对干扰网络自由度的提升问题。首先,论文具体研究了在多天线认知中继协作下的两用户MIMO(Multiple Input Multiple Output)干扰信道,从研究该信道的自由度内界入手,提出了基于干扰中和思想的认知中继协作波束赋形方案。研究结果表明通过认知中继协作,该干扰信道的总自由度相比于无中继及传统中继情况可得到有效提升。其次,论文重点研究了在多天线认知中继协作下的多用户干扰网络,提出并证明了该网络模型下的自由度外界。同时,通过联合应用信道对角化、干扰中和以及干扰对齐的思想给出了该网络在用户数和认知中继天线数之和为偶数时的自由度外界可达方案。最后,通过与传统中继及无中继方案在自由度及可达速率等方面的比较分析,验证了通过认知中继的协作可有效提高网络传输速率和自由度的结论。最后,论文引入了拓扑干扰管理的思想来探索在无限扩展的六边形多小区蜂窝网络中,基站端仅已知网络拓扑结构的拓扑干扰管理方案。具体的来说,论文首先针对传统6/7自由度对齐频率复用方案对干扰过于敏感的问题,建立了新的具有L层干扰结构的无限扩展的六边形蜂窝网络模型,基于该模型提出了对应于各干扰层结构的自由度内外界,并设计了对应各干扰层连接结构的对齐频率复用方案。进一步的,论文重点分析了与传统3频率复用方案具有相同干扰距离的单层干扰六边形蜂窝网络模型,建立了该模型下潜在的自由度外界可达的最优方案,并提出了具有正交化特性的、更易于实现的1/2自由度对齐频率复用方案。最后,通过仿真对比了论文所提的1/2自由度对齐频率复用方案、传统的6/7自由度对齐频率复用方案以及3频率复用方案在理想用户分布和非理想用户分布条件下的可达速率及抗干扰能力,充分验证了各方案的优缺点及适用范围。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN92

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