無(wú)線(xiàn)協(xié)作傳輸系統(tǒng)中新型干擾處理技術(shù)研究

無(wú)線(xiàn)協(xié)作傳輸系統(tǒng)中新型干擾處理技術(shù)研究本文以利用干擾提高頻譜效率和能量利用率為目標(biāo),面向未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的三大新型應(yīng)用場(chǎng)景——密集化小區(qū)、動(dòng)態(tài)時(shí)分雙工(TimeDivisionDuplex,TDD)系統(tǒng)和帶有能量收集節(jié)點(diǎn)的多小區(qū)協(xié)作系統(tǒng)，開(kāi)展了基于干擾對(duì)齊(InterferenceAlignment,IA)和速率分拆(RateSplitting,RS)的協(xié)作傳輸技術(shù)的研究，通過(guò)方案設(shè)計(jì)和理論推導(dǎo)，提升了IA和RS在新場(chǎng)景中的實(shí)用性和適應(yīng)性。主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:針對(duì)動(dòng)態(tài)TDD下非對(duì)稱(chēng)上下行干擾網(wǎng)絡(luò),本文提出了兩種分別基于速率分拆和干擾對(duì)齊的協(xié)作傳輸方案,利用干擾強(qiáng)度和方向等性質(zhì),實(shí)現(xiàn)了更為高效的干擾管理,獲得了更高的頻譜效率?；赗S的非對(duì)稱(chēng)上下行協(xié)作方案利用了新干擾源的性質(zhì)緩解干擾,聯(lián)合優(yōu)化傳輸方向、用戶(hù)配對(duì)和協(xié)方差矩陣以最大化平均和速率。研究結(jié)果表明與傳統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)上下行傳輸相比，基于RS的非對(duì)稱(chēng)上下行傳輸策略可以顯著提高小區(qū)邊緣用戶(hù)和密集小區(qū)的性能。基于IA的非對(duì)稱(chēng)上下行協(xié)作方案利用不同的干擾強(qiáng)度對(duì)部分干擾進(jìn)行對(duì)齊降低了干擾對(duì)齊閉式解對(duì)天線(xiàn)數(shù)的需求;提出了最小化加權(quán)均方誤差(MeanSquareError,MSE)之和的正則化IA收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì),進(jìn)一步提高了部分干擾對(duì)齊在中低信噪比(Signal-to-NoiseRatio,SNR)區(qū)域的性能。針對(duì)非理想回程鏈路下基于干擾對(duì)齊的多小區(qū)協(xié)作系統(tǒng),本文從性能分析和方案設(shè)計(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行了研究。利用解析表達(dá)式刻畫(huà)出平均和速率與回程時(shí)延、回程容量和量化比特?cái)?shù)之間的確定關(guān)系。首先,本文提出了一種新型的混合協(xié)作傳輸策略以緩解回程時(shí)延對(duì)協(xié)作性能的影響。該策略中,傳輸模式根據(jù)共享的用戶(hù)數(shù)據(jù)的到達(dá)情況和最新的信道狀態(tài)信息(ChannelStateInformation,CSI)進(jìn)行傳輸模式切換，縮短了信道估計(jì)到數(shù)據(jù)傳輸之間的時(shí)間，傳統(tǒng)聯(lián)合傳輸(JointTransmission,〕。的回程時(shí)延問(wèn)題在該框架下得到緩解。其次,為了評(píng)估容量受限的回程鏈路對(duì)系統(tǒng)性能的影響,本文給出了基于IA的平均和速率關(guān)于量化誤差和回程時(shí)延的解析表達(dá)式。利用該解析結(jié)果,對(duì)量化比特和和速率進(jìn)行了優(yōu)化。研究結(jié)果表明,相比于傳統(tǒng)多點(diǎn)協(xié)作(CoordinatedMulti-Point,CoMP)傳輸方案，提出的混合協(xié)作方案對(duì)于回程時(shí)延具有一定的魯棒性。最后，考慮回程時(shí)延,本文提出了兩個(gè)基于格萊斯曼流形的迭代IA算法的魯棒設(shè)計(jì)，并對(duì)提出算法進(jìn)行了評(píng)估。研究結(jié)果顯示,提出的算法可以提高IA對(duì)回程時(shí)延造成的CSI誤差的魯棒性。針對(duì)干擾對(duì)齊和速率分拆在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題,本文提出了一種基于信號(hào)和干擾聯(lián)合對(duì)齊的速率分拆方案,并推導(dǎo)得到其平均和速率、中斷概率和誤符號(hào)率的閉式表達(dá)式。通過(guò)對(duì)性能損失的漸近分析,得到了干擾對(duì)齊和速率分拆的關(guān)系。仿真給出了不同SNR、量化比特?cái)?shù)和功率分配因子下平均和速率、中斷概率和誤符號(hào)率的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明,RS相比于IA對(duì)不完美CSI具有更強(qiáng)的魯棒性，對(duì)CSI誤差敏感性較低,而對(duì)齊思想可以進(jìn)一步提高RS的SIC譯碼性能,帶來(lái)和速率性能上的提升。針對(duì)非理想CSI下帶有能量收集節(jié)點(diǎn)的多小區(qū)協(xié)作系統(tǒng)，本文提出了基于速率分拆的魯棒的協(xié)作傳輸方案。將速率分拆的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了進(jìn)一步擴(kuò)展,證明了速率分拆不僅適用于單一優(yōu)化目標(biāo)場(chǎng)景,而且在多目標(biāo)優(yōu)化場(chǎng)景中也可以獲得對(duì)不完美CSI的魯棒性增益?？紤]用戶(hù)進(jìn)行射頻能量收集的無(wú)線(xiàn)信息能量同傳系統(tǒng),提出的RS方案在目標(biāo)服務(wù)質(zhì)量和能量收集門(mén)限的約束下,以最小化發(fā)射功率為目標(biāo),優(yōu)化公共和私有波束賦形向量、功率分流(PowerSplitting,PS)比例和目標(biāo)公共速率。該問(wèn)題為無(wú)窮多約束條件下的非凸優(yōu)化問(wèn)題。為了求解該問(wèn)題,本文提出了相應(yīng)的轉(zhuǎn)化方法和基于梯度的聯(lián)合優(yōu)化算法。研究結(jié)果表明基于RS的魯棒設(shè)計(jì)相比于傳統(tǒng)的魯棒聯(lián)合波束賦形和PS設(shè)計(jì)可以獲得更高的性能增益。考慮基站收集能量在智能電網(wǎng)中共享的CoMP系統(tǒng)，本文提出了基于RS、對(duì)非理想CSI魯棒的協(xié)作傳輸方案，在連續(xù)干擾刪除(SuccessiveInterferenceCancellation,SIC)可譯碼性和最大發(fā)射功率的約束下，獲得最大化和速率。該優(yōu)化問(wèn)題同樣是帶有無(wú)窮多個(gè)約束條件的非凸問(wèn)題。首