小小区网络中干扰对齐技术若干问题研究

摘要

近年来全球范围内移动业务量的爆炸式增长对当前无线网络提出了新的挑战。为了应对这样的数据洪流，设计新的网络架构以实现更高的无线网络容量变得迫在眉睫。基于该背景，在热点地区部署低成本、低功耗的小小区（Small Cell）来承载用户数据业务的方法应运而生。通过密集化地部署小小区，网络的频谱复用率大大增加，从而蜂窝网边缘用户的通信速率得以提升。然而，各小小区间无规划的频谱复用不可避免地带来了严重的干扰问题，极大地限制了网络容量的增长。 干扰对齐是一种新型干扰管理技术，其主要原理是通过对发射端进行预编码，使所有干扰在接收端被对齐到较小维度的子空间中，从而减小其对有用信号的影响，进而能够在不占用更多频谱资源的前提下支持更大数量的并发传输。因此，干扰对齐被视为解决密集小小区网络中干扰问题的重要技术方案之一。本文主要针对干扰对齐技术在小小区网络中应用的三个关键挑战展开研究，包括信道状态信息精确度与反馈开销量间的矛盾、理论自由度与实际频谱效率间的矛盾以及全双工场景下干扰对齐可行性分析的缺失。具体研究内容如下： 1.针对信道状态信息精确度与反馈开销量间的矛盾，提出了下行小小区网络中基于信道信息预测的干扰对齐实现方案，以较小的系统开销获得了高精确度的信道状态信息，有效提升了干扰对齐的实际性能。具体来说，首先定量地分析了噪声和信道时变特性联合对基于模拟反馈的信道状态信息获取方法的性能的影响，然后利用信道的时域相关特性对信道状态信息进行跟踪预测，并通过预测值对测量值进行修正，从而提高了基站获取信道状态信息的精确度。理论证明和仿真结果都显示，所提方案降低了基于模拟反馈所获得的信道状态信息的均方误差，有效地改善了干扰对齐的实际性能，提升了网络频谱效率。 2.针对理论自由度与实际频谱效率间的矛盾，提出了下行小小区网络中最大化平均有效自由度的干扰对齐分簇方案，将网络切分成若干个簇，并从中选取部分簇执行干扰对齐，最大程度地减弱了干扰对齐开销对系统性能带来的负面影响。具体来说，首先介绍了基于模拟反馈的干扰对齐信道状态信息获取方法并给出了系统开销的表达式。然后结合考虑干扰对齐的增益和开销，提出了新的性能度量指标――平均有效自由度。最后，以最大化平均有效自由度为目标，利用低复杂度的图论算法在所有候选干扰对齐分簇方案中找出了最佳方案。通过仿真对比表明，所提分簇方法取得了最优的频谱效率。 3.面向全双工场景下干扰对齐可行性分析的缺失问题，推导了单流情形下全双工小小区网络中保障干扰对齐可行性的充要条件，并揭示了该网络的最大可达自由度。具体来说，所谓全双工小小区网络，即所有小基站都借助全双工设备在同一频段上同时服务一个上行和一个下行用户。该网络是一类特殊的非对称系统，其与半双工对称场景的本质区别在于发射端包含下行基站和上行用户，二者的天线数目是非同一的。同样，接收端亦是如此。根据线性代数理论，把干扰对齐可行性问题刻画为寻找干扰对齐方程组中变量数与方程数最小差值的优化问题。再将原优化问题拆分为四个子问题，利用黑塞矩阵的性质找到每个子问题的最优解，最终得到该网络保障干扰对齐可行性的充要条件。基于该可行性条件，还计算了干扰对齐在全双工网络中能取得的最大自由度。分析结果表明，干扰对齐在全双工网络中的性能受限于用户端的天线数。 4.进一步，探索了全双工和半双工混合小小区网络中的干扰对齐实现方案，其中包括可行性条件分析、分簇方法研究以及预编码方案设计等三个主要内容。具体来说，首先利用线性代数理论分析了该网络中干扰对齐的可行性条件。然后，依据该可行性条件的限制，提出两种分簇方法：最小化频谱消耗分簇和最小化干扰泄漏分簇，其区别在于前者是基于每个簇都能占用独立信道的假设，而后者是基于所有簇都复用同一个信道的假设。接着研究了分簇后该网络的干扰对齐预编码方案，提出最大化信干噪比的迭代预编码算法。最后通过仿真表明，最小化频谱消耗分簇取得的网络吞吐量略低于最小化干扰泄漏分簇，但在频谱效率上却大大领先。

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