本文關(guān)鍵詞：異構(gòu)蜂窩網(wǎng)干擾分析及其管控方法研究

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【摘要】：異構(gòu)蜂窩網(wǎng),由傳統(tǒng)的宏蜂窩與疊加的小蜂窩網(wǎng)絡(luò)組成,能夠以較低的功耗提高蜂窩系統(tǒng)的覆蓋率與服務(wù)質(zhì)量(QoS)。其中,干擾管控問題是異構(gòu)蜂窩網(wǎng)面臨的主要挑戰(zhàn)之一。正交頻分多址接入(OFDMA)因其在頻譜分配的靈活性以及對多徑信道的健壯性,被廣泛用于異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)。然而,在OFDMA異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中,宏用戶(MU)信號受宏蜂窩基站(MBS)調(diào)度在MBS保持同步,其信號到達(dá)小蜂窩基站(SBS)就很難在時間上同步,這就會導(dǎo)致SBS接收機在快速傅立葉變換(FFT)解調(diào)時產(chǎn)生載波間干擾(ICI)與符號塊間干擾(IBI)。本文首先研究了ICI與IBI對小蜂窩系統(tǒng)性能的影響,并且根據(jù)兩層網(wǎng)絡(luò)用戶之間收發(fā)機設(shè)計有無協(xié)作,提出了新穎的緩解乃至消除ICI與IBI的方案。此外,本文還研究了OFDMA異構(gòu)蜂窩網(wǎng)中,小蜂窩最優(yōu)上行信道接入與下行分布式功率控制方案。本文的主要貢獻(xiàn)如下：(1)分析了單徑信道下由于MU信號不同步導(dǎo)致的ICI與IBI對小蜂窩上行性能的影響。首先,推導(dǎo)了MU信號到達(dá)小蜂窩時間的累積分布函數(shù)(CDF),仿真結(jié)果驗證了理論值推導(dǎo)的精確性�；贑DF,推導(dǎo)了在兩種同步方式下MU信號離散相對時延的分布律與小蜂窩上行ICI與IBI發(fā)生的概率。并據(jù)此在系統(tǒng)上行采用部分功率控制方案時,推導(dǎo)了小蜂窩上行受到的平均ICI與IBI功率,這一理論結(jié)果為分析小蜂窩各個子載波的信干噪比(SINR)、容量和誤符號率(SER)提供了便利。仿真結(jié)果與理論分析完全吻合,這些分析為評估ICI與IBI對不同位置小蜂窩性能的影響提供了堅實的理論基礎(chǔ)。(2)分析了多徑信道下小蜂窩上行由MU導(dǎo)致的ICI與IBI統(tǒng)計特性。首先,給出了在部分功率控制與多徑衰落信道下小蜂窩上行ICI與IBI表示式,并根據(jù)MU隨機分布函數(shù)與其到小蜂窩的信道分布信息推導(dǎo)了ICI與IBI的協(xié)方差矩陣閉合表達(dá)式,由此可以直接得到小蜂窩上行每個子載波上平均ICI與IBI的功率。其次,還推導(dǎo)了小蜂窩上行每個子載波的容量與SER的閉合表達(dá)式,仿真結(jié)果驗證了理論推導(dǎo)的準(zhǔn)確性。實驗結(jié)果還顯示,ICI與IBI導(dǎo)致小蜂窩上行性能產(chǎn)生了較大的降級,尤其在大SNR區(qū)域出現(xiàn)了嚴(yán)重的平臺效應(yīng)。(3)提出了一種緩解小蜂窩上行ICI與IBI對容量性能影響的方案,該方案中MU與SU之間沒有協(xié)作預(yù)編碼設(shè)計。提出的方案通過SU預(yù)編碼與SBS均衡器的聯(lián)合設(shè)計,使得小蜂窩各個子載波上的信號解相關(guān)。在三種不同反饋場景下,根據(jù)ICI與IBI的協(xié)方差矩陣與SU到SBS的信道狀態(tài)信息,設(shè)計了不同子載波維度的預(yù)編碼矩陣使小蜂窩的容量最大化。蒙特卡羅仿真表明：相比于沒有聯(lián)合收發(fā)機設(shè)計的情況,新方案可以顯著提高系統(tǒng)的容量性能。具體地,使用所有子載波維度進(jìn)行預(yù)編碼的設(shè)計方案可以獲得最好的性能,而且僅僅只有MU位置信息反饋時,提出的方案也呈現(xiàn)出較好的特性。(4)提出了一種基于干擾對齊技術(shù)完全消除小蜂窩上行ICI與IBI的方案,該方案可以確保兩層異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中所有的數(shù)據(jù)流沒有ICI與IBI。在新設(shè)計的方案中,通過在平行子載波上的預(yù)編碼設(shè)計,將ICI與IBI壓縮到一個不大于宏蜂窩總的發(fā)送數(shù)據(jù)流數(shù)目的子空間中,這樣在小蜂窩接收端通過簡單的迫零操作就可以完全消除ICI與IBI,且不影響小蜂窩總的發(fā)送數(shù)據(jù)流數(shù)目。仿真結(jié)果顯示,提出的方案可以消除小蜂窩上行容量的平臺效應(yīng),將系統(tǒng)自由度(無干擾傳輸數(shù)據(jù)流數(shù))提升到系統(tǒng)總的子載波數(shù)目。該方案使用了MU與SU之間協(xié)作預(yù)編碼設(shè)計來消除ICI與IBI,因此可以獲得比無協(xié)作時更好的性能。(5)提出了一種最優(yōu)的基于認(rèn)知小蜂窩上行信道接入方案來隨機避免同頻干擾,使OFDMA異構(gòu)蜂窩網(wǎng)的平均吞吐量最大化。該方案考慮了上行部分功率控制與自適應(yīng)傳輸技術(shù),推導(dǎo)了在不完美頻譜感知情況下兩層異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量,并據(jù)此推導(dǎo)了小蜂窩網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)的上行信道接入概率。仿真結(jié)果驗證了理論分析的有效性,且在推導(dǎo)過程中同時考慮了小蜂窩、MU與SU的空間隨機性,因此推導(dǎo)的結(jié)果相對于用戶位置的移動變化是健壯的。(6)提出了一種分布式自適應(yīng)功率控制算法來緩解異構(gòu)蜂窩網(wǎng)中下行同頻干擾。提出的方案包括三個步驟：首先,根據(jù)最大化使用相同信道資源小蜂窩之間距離的準(zhǔn)則,對使用相同子信道的小蜂窩進(jìn)行分簇來緩解同層干擾;其次,將MU劃分到小蜂窩簇中,根據(jù)最大最小MU與小蜂窩簇之間的距離準(zhǔn)則來緩解跨層干擾；最后,根據(jù)相鄰用戶SINR等級的反饋信息,自適應(yīng)分布式地調(diào)整每個小蜂窩的發(fā)送功率來進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。仿真結(jié)果顯示,提出的方案在保證宏蜂窩QoS的同時,可以顯著提高小蜂窩成功傳輸?shù)谋壤c中斷容量。
【學(xué)位授予單位】：南京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN929.5

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本文編號：1293344