大规模分布式MIMO系统的干扰协调技术研究

摘要

随着现代移动通信技术的不断发展，移动通信业务对数据传输速率的要求越来越高。目前各种各样通信技术的研究，都是为了进一步提高移动通信系统的传输容量，使其不断逼近香农信道容量公式所给出的信道容量极限值。原先制约移动通信系统传输容量的主要因素是信道噪声和信道衰落，但随着Turbo码、低密度奇偶校验码(LDPC)、多输入多输出系统(MIMO)、正交频分复用(OFDM)等一系列通信技术的提出和发展，这些因素的制约作用相对变小了。另一方面，由于如今移动通信网络规模不断增大，为了迸一步提高信道容量，小区间采用完全频率复用，即频率复用因子为1。因此，越来越多的小区间和小区内干扰成为移动通信系统传输容量进一步提升的严重阻碍。如何针对干扰问题进行有效的处理，成为了理论研究的热点问题。
　　在近年来的理论研究中，人们提出了一种称为干扰对齐的干扰协调方案。它可以在接收用户端将干扰信号变换到有效信号的正交空间当中，从而被有效分离，不会对待接收的有效信号产生干扰。该理论一经提出，立刻引起了广泛关注。本文针对基于最小干扰泄漏的干扰对齐、基于排序QR分解的干扰对齐、基于功率控制的干扰对齐、基于最大信干噪比的干扰对齐、基于最小均方误差的干扰对齐和基于中继的干扰对齐等多种分布式干扰对齐技术展开了讨论和仿真研究。结果表明，分布式干扰对齐技术可以显著提高系统的信道容量。
　　在干扰对齐计算过程中，信道状态信息对算法性能有着重要影响。因此，本文对信道状态信息的含义和获取方式进行了介绍，尤其是针对有限比特反馈的量化和反馈过程进行了总结和分析，并讨论了在干扰对齐过程中使用该技术时需要考虑的问题。在此基础上，本文提出了一种基于单位圆量化的有限比特反馈方案。通过仿真分析表明，在特定的系统条件下，相比于经典的有限比特反馈方案，采用本文提出的反馈方案，干扰对齐算法仅需很低的计算复杂度，就能获得良好的信道传输容量和性能。本文还就信道状态信息的不确定性对干扰对齐算法性能产生的影响进行了研究和讨论。仿真结果显示，信道状态信息的不确定性越大，干扰对齐算法所获得的传输容量越低，系统性能也就越差。
　　IEEE802.11协议规定了无线移动网络WIFI的传输标准。由于该标准采用带有冲突避免的载波侦听多路访问技术，所以在接入基站的移动终端数量较大的情况下，各个用户之间就会产生严重的相互干扰，大大降低系统的接入率和传输效率。因此，本文在原有IEEE802.11协议的基础上，提出了下行链路采用近似时分复用的改进方案，来减小用户之间的干扰，提升系统的传输效率。本文介绍了这种改进方案的相关概念和具体实现，并采用OpenWRT平台进行了硬件测试。测试结果表明，在用户数较多的情况下，相比于协议中的标准方案，采用本文提出的下行链路近似时分复用的改进方案，可以在一定程度上提升系统整体的传输速率。

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摘要

本论文专用术语的注释表

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表格目录

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 干扰对齐技术简介

1．3 研究生阶段主要工作

1．4 本文内容及章节安排

第二章 MIMO系统中的干扰对齐技术

2．1 引言

2．2 MIMO系统模型及干扰对齐相关概念

2．2．1 MIMO系统模型

2．2．2 发射端预编码矩阵

2．2．3 接收端干扰抑制矩阵

2．2．4 干扰对齐的可行性

2．2．5 干扰对齐的互易性

2．3 常见干扰对齐技术介绍

2．3．1 基于最小干扰泄漏的干扰对齐

2．3．2 基于排序QR分解的干扰对齐

2．3．3 基于功率控制的干扰对齐

2．3．4 基于最大信干噪比的干扰对齐

2．3．5 基于最小均方误差的干扰对齐

2．3．6 基于中继技术的干扰对齐

2．3．7 干扰对齐技术对比

2．4 本章小结

第三章 非理想信道状态信息下的干扰对齐

3．1 引言

3．2 信道状态信息

3．2．1 信道状态信息的含义

3．2．2 接收端获取信道状态信息

3．2．3 发送端获取信道状态信息

3．3 信道状态信息的反馈

3．3．1 有限比特反馈

3．3．2 矢量量化有限比特反馈

3．3．3 单位圆量化有限比特反馈

3．3．4 LBG矢量量化与单位圆量化的比较

3．4 非理想信道状态信息的影响

3．4．1 非理想信道状态信息对干扰对齐容量和的影响

3．4．2 非理想信道状态信息对干扰对齐误比特率的影响

3．5 本章小结

第四章 IEEE802．11协议下干扰协调技术的研究

4．1 引言

4．2 研究背景

4．3 OpenWRT系统简介

4．4 OpenWRT源码的主要结构

4．5 OpenWRT内核机制

4．5．1 OpenWRT无线网络驱动结构

4．5．2 OpenWRT内核启动过程和驱动加载

4．5．3 OpenWRT数据接收过程

4．5．4 OpenWRT数据发送过程

4．6 基于OpenWRT实现近似时分多址

4．6．1 标准IEEE802．11协议

4．6．2 近似时分多址的实现

4．7 本章小结

第五章 全文总结

5．1 论文内容总结

5．2 进一步研究方向

致谢

研究生阶段参与的科研项目

参考文献