基于干擾對(duì)齊的認(rèn)知MIMO頻譜共享機(jī)制與算法研究.pdf

1、隨著無(wú)線(xiàn)通信的飛速發(fā)展，與日劇增的智能終端以及不斷涌現(xiàn)的高速業(yè)務(wù)，導(dǎo)致頻譜資源稀缺及其利用率低等問(wèn)題日益突出。如何實(shí)現(xiàn)頻譜高度共享，滿(mǎn)足更多類(lèi)型高速業(yè)務(wù)的接入需求，成為無(wú)線(xiàn)通信亟待解決的現(xiàn)實(shí)任務(wù)。認(rèn)知 MIMO兼具認(rèn)知的智能靈活性和MIMO的空間傳輸能力，能夠顯著提升頻譜利用率，尤其是干擾對(duì)齊技術(shù)的引入，可突破傳統(tǒng)干擾管理方法的多業(yè)務(wù)容量限制，為實(shí)現(xiàn)大容量、高速率傳輸提供理論基礎(chǔ)。認(rèn)知MIMO干擾網(wǎng)絡(luò)具有用戶(hù)構(gòu)成復(fù)雜、頻譜使用權(quán)存在差異

2、等新特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)干擾對(duì)齊技術(shù)無(wú)法直接應(yīng)用于頻譜共享機(jī)制中。為此，本文在充分理解和挖掘干擾對(duì)齊相關(guān)物理意義的基礎(chǔ)上，根據(jù)主次用戶(hù)協(xié)作/非協(xié)作關(guān)系以及信道狀態(tài)信息的獲取狀況，分別從系統(tǒng)極限容量、網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化、魯棒設(shè)計(jì)等方面，對(duì)認(rèn)知MIMO頻譜共享機(jī)制與算法開(kāi)展層層深入的研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴為表征認(rèn)知MIMO干擾網(wǎng)絡(luò)的極限容量，理論分析了主次用戶(hù)協(xié)作條件下的網(wǎng)絡(luò)自由度上界，并提出了相應(yīng)的可達(dá)算法。首先，從復(fù)用主用戶(hù)干擾空

3、間的角度，兼顧MIMO空間維度的有限性，結(jié)合多元二次方程有解條件，依據(jù)代數(shù)幾何中Bezout’s定理，推導(dǎo)了基于用戶(hù)協(xié)作的自由度上界，論述了最大自由度與用戶(hù)數(shù)的非線(xiàn)性關(guān)系。然后，為驗(yàn)證上界的正確性和有效性，提出了一種基于用戶(hù)協(xié)作的聯(lián)合頻譜共享算法。該算法中設(shè)計(jì)了聯(lián)合干擾指標(biāo)，并以最小化該指標(biāo)構(gòu)建優(yōu)化模型，結(jié)合矩陣Frobenius范數(shù)理論和Rayleigh-Ritz定理，推導(dǎo)了發(fā)送預(yù)編碼和接收匹配濾波矩陣之間的關(guān)系。最后，證明了算法的全

4、局收斂性，并給出了迭代終止條件。理論分析和仿真結(jié)果表明，所推自由度上界突破了已有文獻(xiàn)所給結(jié)論，且可通過(guò)所提算法達(dá)到。⑵針對(duì)已有干擾消除類(lèi)算法由于涉及對(duì)高維矩陣的反復(fù)特征值分解，計(jì)算復(fù)雜度過(guò)高的問(wèn)題，引入共軛梯度自適應(yīng)濾波的思想，提出一種基于子空間跟蹤的低復(fù)雜度頻譜共享算法。該算法通過(guò)利用前后次交替迭代最優(yōu)矩陣的關(guān)聯(lián)性，以干擾信號(hào)到期望干擾空間的投影距離最小化為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合主用戶(hù)干擾正交化和收發(fā)矩陣列滿(mǎn)秩的雙約束條件，利用矩陣共軛梯度，

5、推導(dǎo)了待優(yōu)化矩陣間的遞歸更新關(guān)系，通過(guò)矩陣乘加只求解關(guān)心的低維矩陣，避免了已有算法反復(fù)的矩陣特征值分解過(guò)程，從而達(dá)到降低復(fù)雜度的目的。理論分析和仿真結(jié)果表明，所提算法的收斂速度快、容量性能好，避免了不利于硬件實(shí)現(xiàn)的非線(xiàn)性運(yùn)算，且線(xiàn)性計(jì)算復(fù)雜度降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。⑶針對(duì)已有干擾抑制類(lèi)算法采用半正定松弛方法處理干擾溫度約束，無(wú)法保證最優(yōu)性能的問(wèn)題，提出一種基于Lagrange部分對(duì)偶的最優(yōu)頻譜共享算法。該算法采用交替迭代結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)發(fā)送預(yù)編碼

6、矩陣解耦，利用凸優(yōu)化Lagrange對(duì)偶原理，通過(guò)將干擾溫度約束變換到Lagrange目標(biāo)函數(shù)中，使得最優(yōu)頻譜共享問(wèn)題轉(zhuǎn)化為兩個(gè)易處理的子優(yōu)化問(wèn)題，進(jìn)而采用次梯度投影法，實(shí)現(xiàn)Lagrange變量以及最優(yōu)預(yù)編碼矩陣的迭代更新。理論分析和仿真驗(yàn)證了算法的有效性，結(jié)果表明所提算法可快速收斂，且獲得的網(wǎng)絡(luò)容量明顯優(yōu)于已有半正定松弛的干擾抑制類(lèi)算法，能夠有效實(shí)現(xiàn)干擾網(wǎng)絡(luò)容量最大化。⑷針對(duì)干擾信道狀態(tài)信息缺失下主次用戶(hù)頻譜共享問(wèn)題，提出一種基于信道

7、學(xué)習(xí)的正交迭代頻譜共享算法。該算法將空間譜分析理論應(yīng)用于頻譜共享機(jī)制中，將其分為信道學(xué)習(xí)階段和數(shù)據(jù)傳輸階段：在信道學(xué)習(xí)階段，次用戶(hù)利用接收的協(xié)方差矩陣，結(jié)合最小描述長(zhǎng)度方法，估計(jì)出主用戶(hù)的維度和干擾信道的正交矩陣，以實(shí)現(xiàn)與主用戶(hù)無(wú)干擾傳輸；在數(shù)據(jù)傳輸階段，次用戶(hù)利用信道學(xué)習(xí)結(jié)果，構(gòu)建等效信道，并采用交替迭代的方式，推導(dǎo)出認(rèn)知傳輸參數(shù)的調(diào)整策略，來(lái)獲得網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)傳輸性能。理論推導(dǎo)了信道學(xué)習(xí)時(shí)間和主用戶(hù)殘留干擾的閉式關(guān)系式，并給出了算法對(duì)天

8、線(xiàn)配置的要求。仿真結(jié)果表明，通過(guò)信道時(shí)間的合理選擇，所提算法可以在保證主用戶(hù)通信質(zhì)量的同時(shí)，有效提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。此外，算法能夠通過(guò)調(diào)整信道學(xué)習(xí)時(shí)間使網(wǎng)絡(luò)適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，具有一定的靈活性。⑸為增強(qiáng)所提最優(yōu)頻譜共享算法在干擾信道狀態(tài)信息缺失下的魯棒性，采用歐幾里得球形信道不確定性刻畫(huà)信道學(xué)習(xí)誤差，提出一種基于最差條件最優(yōu)的魯棒頻譜共享算法。該算法通過(guò)worst-case準(zhǔn)則來(lái)保證主用戶(hù)正常通信需求，將無(wú)窮維的半無(wú)限規(guī)劃轉(zhuǎn)化為確定性的二