有限回程链路系统下行链路逆定理的研究

摘要

随着无线通信网的快速发展和移动互联网时代的到来，蜂窝网的流量负载急剧增加，作为蜂窝通信系统重要组成部分的无线接入网由于缺少多基站协同服务的能力，愈发成为制约整个通信系统性能提升的瓶颈。解决该问题的一个有效手段为C-RAN架构，该架构被认为是未来网络的无线接入网架构，在解决基站间干扰和基站部署问题上具有重要意义。当连接中央处理单元和基站之间的回程链路容量无限时，基站之间能够以无限制合作的方式完成协同传输，然而当回程链路的容量有限时，如何利用回程链路完成基站之间协同传输的方法仍然是未知的。
　　本文从信息论的角度将C-RAN系统建模为有限回程链路系统，在该系统中回程链路被建模为相互独立的有限容量信道，连接基站和用户终端的无线链路被建模为高斯干扰信道。不同于相关文献对有限回程链路系统的研究集中在其正定理部分，本文为了得到有限回程链路系统性能的极限，主要研究该问题的逆定理部分。有限回程链路系统逆定理的研究已知的结果是割集上界，本文在割集上界的基础上解决其两个缺陷:1）系统的回程链路和无线链路被分离开来;2）缺少对回程链路上传输给不同基站的相关信号之间相关量的描述。
　　本文首先研究最简单的有限回程链路系统模型，即系统中有两个基站和两个接收端的情况，该模型实际上可以看成是多接入菱形信道在接收端的扩展，即将菱形信道中接收端从一个扩展成两个。针对割集上界的缺陷，本文提出相应的解决方案:在逆定理的研究中添加更多的切割使得回程链路和无线链路结合起来以及在逆定理中考虑回程链路上相关信号之间的信息量。该部分主要使用了多接入菱形信道逆定理和高斯多输入多输出广播信道逆定理的研究思路。本文经过推导将有限回程链路模型的容量上界表示为包含给定协方差约束下高斯多输入多输出广播信道容量的一个优化问题。
　　其次本文将两个基站的有限回程链路结果扩展到任意多个基站的情况，并且同样将系统容量的上界表示为包含高斯多输入多输出广播信道容量的一个优化问题。该部分主要创新点在于将两个基站情况下逆定理研究中的描述相关信号间相关量的方法拓展到任意多个基站的情况。最后，本文通过数值分析说明，得到的新的上界相较于已有的割集上界结果有了很大的改进。容量上界同已知的各种正定理编码方案确定的容量下界之间的间隔被大大减小。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 C-RAN系统信息论研究

1．3 本文主要研究工作

1．4 本文组织结构

1．5 本章小结

第二章 信息论基本概念

2．1 信息的度量和信息论中的基本概念

2．1．1 信息论中的基本概念

2．1．2 几个重要性质

2．2 单用户信息论

2．2．1 离散信道

2．2．2 高斯信道

2．3 网络信息论

2．3．1 高斯多输入多输出广播信道

2．3．2 割集上界

2．3．3 网络信息论逆定理证明的一般思路

2．4 本章小结

第三章 C-RAN系统的信息论研究

3．1 多基站协同传输系统

3．2 C-RAN模型上行链路研究现状

3．3 C-RAN模型下行链路研究现状

3．3．1 压缩脏纸编码

3．3．2 反向计算-传输方案

3．3．3 相关码字方案

3．3．4 逆定理研究现状

3．4 本章小结

第四章 两个基站的有限回程链路系统容量上限

4．1 系统模型

4．2 两个基站的有限回程链路系统和容量上界

4．3 两个基站的有限回程链路系统容量区域上界

4．4 和高斯MIMO广播信道的关系

4．5 数值结果

4．6 本章小结

4．A 附录：定理3的证明

4．B 附录：定理4的证明

第五章 多个基站的有限回程链路容量上界

5．1 N个基站有限回程链路系统模型

5．2 相关变量定义和说明

5．3 三个基站有限回程链路系统和容量上界

5．4 N个基站有限回程链路系统和容量上界

5．5 数值结果

5．6 本章小结

5．A 附录：定理5的证明

5．B 附录：定理6的证明

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

作者攻读硕士学位期间的研究成果