基于干擾對(duì)齊的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自由度研究.pdf

1、作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能最基本的指標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)容量對(duì)各種無(wú)線傳輸技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)均具有十分重要的指導(dǎo)意義。因此，針對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)容量的漸進(jìn)性分析一直是信息論領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。進(jìn)一步的，決定多用戶干擾網(wǎng)絡(luò)容量的因素眾多且各因素間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，因此信息理論界引入了自由度（Degrees of Freedom,DoF）這一概念來(lái)界定各因素間的制約與促進(jìn)關(guān)系，進(jìn)而度量網(wǎng)絡(luò)容量。自由度可看作為網(wǎng)絡(luò)容量的一種一階近似，其在高信噪比條件下對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量衡量的準(zhǔn)確度可

2、達(dá)到100％。同時(shí)，干擾對(duì)齊（Interference Alignment,IA）作為一種可有效提升網(wǎng)絡(luò)自由度的新興干擾管理技術(shù)，自誕生至今一直受到學(xué)術(shù)界的高度重視。進(jìn)一步的，基于干擾對(duì)齊的多用戶干擾網(wǎng)絡(luò)自由度研究已成為近幾年來(lái)的研究熱點(diǎn)且相關(guān)研究?jī)?nèi)容可歸結(jié)為以下兩個(gè)主要方面：第一，對(duì)自由度外界的研究，即對(duì)多用戶干擾網(wǎng)絡(luò)客觀存在的最大自由度的證明；第二，對(duì)自由度內(nèi)界的研究，即對(duì)能夠最大程度逼近多用戶干擾網(wǎng)絡(luò)自由度外界的可達(dá)方案的設(shè)計(jì)。雖

3、然相關(guān)研究取得了一定進(jìn)展，但成果十分有限。因此，本文研究的主要目的就是證明現(xiàn)有的幾種典型多用戶干擾網(wǎng)絡(luò)，例如異構(gòu)雙層干擾網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知中繼協(xié)作干擾網(wǎng)絡(luò)、多小區(qū)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的自由度外界；同時(shí)，基于干擾對(duì)齊技術(shù)構(gòu)造相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)于或可最大程度逼近于自由度外界的自由度內(nèi)界方案。本文在歸納總結(jié)了當(dāng)前最新研究成果的基礎(chǔ)之上，分別從以下三個(gè)方面逐步展開了課題的研究。
　　首先，論文對(duì)宏蜂窩小區(qū)與小小區(qū)并存的異構(gòu)雙層干擾網(wǎng)絡(luò)的自由度進(jìn)行了深入的研究。文

4、中不但構(gòu)建了在宏蜂窩小區(qū)內(nèi)部覆蓋多個(gè)小小區(qū)的廣義異構(gòu)雙層干擾網(wǎng)絡(luò)模型，而且通過(guò)對(duì)該網(wǎng)絡(luò)模型下自由度外界的證明和自由度內(nèi)界可達(dá)方案的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了該網(wǎng)絡(luò)模型下自由度“緊”性的論證。其中，在對(duì)自由度內(nèi)界可達(dá)方案的構(gòu)建過(guò)程中，充分利用干擾對(duì)齊互惠性原則簡(jiǎn)化了構(gòu)建過(guò)程，并利用基站端異構(gòu)天線數(shù)目的特征，在發(fā)射端聯(lián)合設(shè)計(jì)干擾對(duì)齊預(yù)編碼矩陣，使得小小區(qū)和宏小區(qū)基站端分別實(shí)現(xiàn)一對(duì)一和多對(duì)多的干擾對(duì)齊，從而最大程度壓縮了干擾信號(hào)所占信號(hào)空間維度。同時(shí)，為驗(yàn)

5、證所構(gòu)建的基于干擾對(duì)齊的可達(dá)方案的正確性，論文分別重點(diǎn)證明了可達(dá)方案中小小區(qū)基站端和宏基站端接收信號(hào)空間內(nèi)期望信號(hào)空間與干擾信號(hào)空間的獨(dú)立性。論文相關(guān)論證所得的自由度結(jié)論具有普適性，對(duì)宏蜂窩小區(qū)與小小區(qū)并存的異構(gòu)雙層干擾網(wǎng)絡(luò)的宏基站和小小區(qū)基站發(fā)射數(shù)據(jù)流數(shù)目的協(xié)同設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。
　　其次，為進(jìn)一步提升多用戶干擾網(wǎng)絡(luò)容量，論文深入研究了認(rèn)知中繼協(xié)作對(duì)干擾網(wǎng)絡(luò)自由度的提升問(wèn)題。首先，論文具體研究了在多天線認(rèn)知中繼協(xié)作下的兩用

6、戶MIMO（Multiple Input Multiple Output）干擾信道，從研究該信道的自由度內(nèi)界入手，提出了基于干擾中和思想的認(rèn)知中繼協(xié)作波束賦形方案。研究結(jié)果表明通過(guò)認(rèn)知中繼協(xié)作，該干擾信道的總自由度相比于無(wú)中繼及傳統(tǒng)中繼情況可得到有效提升。其次，論文重點(diǎn)研究了在多天線認(rèn)知中繼協(xié)作下的多用戶干擾網(wǎng)絡(luò)，提出并證明了該網(wǎng)絡(luò)模型下的自由度外界。同時(shí)，通過(guò)聯(lián)合應(yīng)用信道對(duì)角化、干擾中和以及干擾對(duì)齊的思想給出了該網(wǎng)絡(luò)在用戶數(shù)和認(rèn)知中繼

7、天線數(shù)之和為偶數(shù)時(shí)的自由度外界可達(dá)方案。最后，通過(guò)與傳統(tǒng)中繼及無(wú)中繼方案在自由度及可達(dá)速率等方面的比較分析，驗(yàn)證了通過(guò)認(rèn)知中繼的協(xié)作可有效提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率和自由度的結(jié)論。
　　最后，論文引入了拓?fù)涓蓴_管理的思想來(lái)探索在無(wú)限擴(kuò)展的六邊形多小區(qū)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，基站端僅已知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的拓?fù)涓蓴_管理方案。具體的來(lái)說(shuō)，論文首先針對(duì)傳統(tǒng)6/7自由度對(duì)齊頻率復(fù)用方案對(duì)干擾過(guò)于敏感的問(wèn)題，建立了新的具有L層干擾結(jié)構(gòu)的無(wú)限擴(kuò)展的六邊形蜂窩網(wǎng)絡(luò)模型，基

8、于該模型提出了對(duì)應(yīng)于各干擾層結(jié)構(gòu)的自由度內(nèi)外界，并設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)各干擾層連接結(jié)構(gòu)的對(duì)齊頻率復(fù)用方案。進(jìn)一步的，論文重點(diǎn)分析了與傳統(tǒng)3頻率復(fù)用方案具有相同干擾距離的單層干擾六邊形蜂窩網(wǎng)絡(luò)模型，建立了該模型下潛在的自由度外界可達(dá)的最優(yōu)方案，并提出了具有正交化特性的、更易于實(shí)現(xiàn)的1/2自由度對(duì)齊頻率復(fù)用方案。最后，通過(guò)仿真對(duì)比了論文所提的1/2自由度對(duì)齊頻率復(fù)用方案、傳統(tǒng)的6/7自由度對(duì)齊頻率復(fù)用方案以及3頻率復(fù)用方案在理想用戶分布和非理想用戶分