【摘要】：干擾是多用戶無線通信系統(tǒng)吞吐量提升的基本障礙。近年來,無線網(wǎng)絡(luò)在全局、瞬時(shí)發(fā)射端信道狀態(tài)信息(CSIT:channel state information at the transmitter)條件下的干擾對(duì)齊(IA:interference alignment)已取得重大研究進(jìn)展。然而,CSIT的嚴(yán)格約束使得實(shí)際通信系統(tǒng)難以獲得理論自由度(DoF:degrees of freedom)增益,尤其是在CSIT受限的分布式網(wǎng)絡(luò)中,自由度增益只有盲CSIT水平。一個(gè)疑問是,有限CSIT能否提升分布式干擾網(wǎng)絡(luò)的自由度增益?本文以多天線技術(shù)為基礎(chǔ),通過刻畫自由度與有限CSIT之間的折中關(guān)系,深入研究多輸入多輸出(MIMO:multiple input and multiple output)廣播信道(BC:broadcast channel)、X信道、干擾信道(IC:interference channel)的干擾對(duì)齊技術(shù),主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新貢獻(xiàn)概括如下:(1)針對(duì)對(duì)稱天線配置下的2?2用戶MIMO X信道,探尋CSI反饋時(shí)延與系統(tǒng)可達(dá)自由度之間的折中域。首先,研究2?2用戶MISO X信道的可達(dá)自由度,提出一種分布式預(yù)編碼方案。其次,針對(duì)2?2用戶MIMO X信道,提出一種基于適當(dāng)延時(shí)CSIT的分布式空時(shí)干擾對(duì)齊(DSTIA)方案,利用循環(huán)填零預(yù)編碼,給出多天線配置下可達(dá)自由度關(guān)于CSI反饋時(shí)延的折中域,對(duì)比分析不同方案下獲得的信道可達(dá)自由度和可達(dá)速率。結(jié)果表明,相比于僅利用過期CSIT的干擾對(duì)齊方案,該方案能獲得更高的自由度。進(jìn)一步,從交替CSIT角度,提出一種基于交替CSIT的DSTIA方案,研究不同天線配置下的系統(tǒng)可達(dá)自由度。結(jié)果表明,交替CSIT與適當(dāng)延時(shí)CSIT具有等效性,適用于分布式CSIT體系。(2)針對(duì)M?N用戶MIMO X網(wǎng)絡(luò),研究多節(jié)點(diǎn)、多天線配置下的系統(tǒng)可達(dá)自由度和干擾對(duì)齊方案。首先,針對(duì)2?2用戶MIMO X信道,提出一種基于符號(hào)消元(SE)的多階段干擾再生(MIR)方案,研究不同CSIT圖樣下MIMO X信道的可達(dá)自由度,解決自由度損失問題。研究表明,MIR方案能進(jìn)一步優(yōu)化可達(dá)自由度,且自由度隨天線配置變化逼近外界。然后,從發(fā)射端和接收端角度,研究MIMO X網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展干擾對(duì)齊(ME-IA)方案,突破收發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)限制。特別地,針對(duì)M?2用戶MIMO X信道,探討基于MIR的發(fā)射端ME-IA方案獲得的可達(dá)自由度;針對(duì)M?N用戶MISO X網(wǎng)絡(luò),提出一種接收端ME-IA方案,分析CSI反饋時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)和配置天線數(shù)對(duì)總自由度的影響。結(jié)果表明,接收端ME-IA方案能夠達(dá)到或逼近自由度外界。最后,針對(duì)M?N用戶MIMO X網(wǎng)絡(luò),提出一種基于混合CSIT的多階段分布式空時(shí)干擾對(duì)齊(MDSTIA)方案,通過設(shè)計(jì)鏈?zhǔn)浇獯a結(jié)構(gòu),彌補(bǔ)自由度損失以獲得更高自由度,縮小可達(dá)界與外界的差距,提高系統(tǒng)可達(dá)速率。(3)針對(duì)非合作式多用戶MIMO干擾網(wǎng)絡(luò),在有限CSI反饋條件下,分別探討K對(duì)用戶MIMO X、K用戶MIMO IC、K用戶MIMO BC的可達(dá)自由度和干擾對(duì)齊方案。首先,針對(duì)K對(duì)用戶MIMO X網(wǎng)絡(luò),提出一種基于適當(dāng)延時(shí)CSIT的分布式回溯干擾對(duì)齊(DRIA)方案,利用當(dāng)前和過期CSIT設(shè)計(jì)預(yù)編碼以創(chuàng)建新的邊信息,實(shí)現(xiàn)回溯干擾重構(gòu)與消除,突破DSTIA在MIMO X網(wǎng)絡(luò)中接收端個(gè)數(shù)(只能為2)的限制。結(jié)果表明,相比于TDMA,DRIA方案仍然能夠獲取系統(tǒng)自由度增益。其次,針對(duì)K用戶MIMO IC,提出一種基于有限反饋的DSTIA方案,分別給出MISO系統(tǒng)可達(dá)自由度關(guān)于CSI反饋時(shí)延和反饋頻率的折中域,分析MIMO節(jié)點(diǎn)天線數(shù)對(duì)系統(tǒng)自由度的影響,導(dǎo)出逼近自由度外界的條件,并給出保持系統(tǒng)可達(dá)自由度的CSI反饋時(shí)延范圍。結(jié)果表明,DSTIA方案比現(xiàn)有方案更具自由度優(yōu)勢(shì),且隨著天線數(shù)變化能逼近自由度外界。最后,針對(duì)非對(duì)稱天線配置的MIMO干擾網(wǎng)絡(luò),提出基于最小時(shí)隙準(zhǔn)則的廣義空時(shí)干擾對(duì)齊(GSTIA)方案,通過設(shè)計(jì)基站匹配發(fā)送和用戶無干擾解碼機(jī)制,分析系統(tǒng)可達(dá)自由度與基站和用戶天線數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系,突破非對(duì)稱天線配置下設(shè)計(jì)IA方案的瓶頸。研究表明,GSTIA方案獲取的自由度能夠隨天線數(shù)變化逼近自由度外界。
【圖文】：

從自由度角度給出本文研究模型（BC、XC、IC）的幾個(gè)里程碑。圖1.1 羅列了近年來三類網(wǎng)絡(luò)利用理想 CSIT 和有限反饋 CSIT 獲得的重要結(jié)論。[23]min( A, K)[23]min( , )kkA B[16]4 3[18]MN ( M N 1)[19]AMN ( M N 1) [19]min N , MNA ( N MA A)[15]K21 2 1 2[23]1 2 2 1min( , ,max( , ), max(

筆者在時(shí)間軸上忽略了 RIA 自由度結(jié)論，轉(zhuǎn)而強(qiáng)調(diào)與本文更相關(guān)的適當(dāng)延時(shí) CSIT 下 STIA 方案的自由度結(jié)論。目前，STIA 主要應(yīng)用于K 用戶 MISOBC、2 2用戶 SISO XC 和 3 3用戶 SISO IC，在多用戶 MIMO 干擾網(wǎng)絡(luò)中尚無新的自由度結(jié)論。其次，從 CSIT 角度概括近年來研究的 CSIT 類型，如圖 1.2 所示。交替 CSIT架構(gòu)中的P 狀態(tài)對(duì)應(yīng)無誤差且無反饋延時(shí) CSIT，D狀態(tài)對(duì)應(yīng)完全延時(shí) CSIT，N 狀態(tài)對(duì)應(yīng)盲 CSIT。為降低對(duì) CSIT 的依賴性，歷年來從理想 CSIT 精度、延時(shí)、反饋量角度發(fā)展為考慮有限精度、延時(shí)、部分 CSIT 下的 IA 方案。此外，，將不同類型的 CSIT 結(jié)合，針對(duì)混合 CSIT 條件的研究也是關(guān)注的熱點(diǎn)。當(dāng)考慮 CSI 的精度和延時(shí)時(shí)，主要關(guān)注過期和當(dāng)前CSIT存在誤差、完美過期CSIT和有限精度當(dāng)前CSIT兩種情況；當(dāng)考慮 CSI 的延時(shí)和反饋量時(shí)，主要關(guān)注全局過期 CSIT、分布式適當(dāng)延時(shí) CSIT、分布式過期 CSIT 三種情況。不同于傳統(tǒng)迫零波束賦形[148]，CSIT 類型支撐了 IA 方案設(shè)計(jì)的多樣性，為 IA 實(shí)現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)[149-152]。近年來，衡量系統(tǒng)自由度與 CSIT 精度和時(shí)延之間的折中關(guān)系是 IA 研究的焦點(diǎn)。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN919.3


本文編號(hào)：2648434