【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,無線網絡在全局、瞬時發(fā)射端信道狀態(tài)信息(CSIT:channel state information at the transmitter)條件下的干擾對齊(IA:interference alignment)已取得重大研究進展。然而,CSIT的嚴格約束使得實際通信系統(tǒng)難以獲得理論自由度(DoF:degrees of freedom)增益,尤其是在CSIT受限的分布式網絡中,自由度增益只有盲CSIT水平。一個疑問是,有限CSIT能否提升分布式干擾網絡的自由度增益?本文以多天線技術為基礎,通過刻畫自由度與有限CSIT之間的折中關系,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)的干擾對齊技術,主要研究內容和創(chuàng)新貢獻概括如下:(1)針對對稱天線配置下的2?2用戶MIMO X信道,探尋CSI反饋時延與系統(tǒng)可達自由度之間的折中域。首先,研究2?2用戶MISO X信道的可達自由度,提出一種分布式預編碼方案。其次,針對2?2用戶MIMO X信道,提出一種基于適當延時CSIT的分布式空時干擾對齊(DSTIA)方案,利用循環(huán)填零預編碼,給出多天線配置下可達自由度關于CSI反饋時延的折中域,對比分析不同方案下獲得的信道可達自由度和可達速率。結果表明,相比于僅利用過期CSIT的干擾對齊方案,該方案能獲得更高的自由度。進一步,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)可達自由度。結果表明,交替CSIT與適當延時CSIT具有等效性,適用于分布式CSIT體系。(2)針對M?N用戶MIMO X網絡,研究多節(jié)點、多天線配置下的系統(tǒng)可達自由度和干擾對齊方案。首先,針對2?2用戶MIMO X信道,提出一種基于符號消元(SE)的多階段干擾再生(MIR)方案,研究不同CSIT圖樣下MIMO X信道的可達自由度,解決自由度損失問題。研究表明,MIR方案能進一步優(yōu)化可達自由度,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網絡多節(jié)點擴展干擾對齊(ME-IA)方案,突破收發(fā)節(jié)點數(shù)限制。特別地,針對M?2用戶MIMO X信道,探討基于MIR的發(fā)射端ME-IA方案獲得的可達自由度;針對M?N用戶MISO X網絡,提出一種接收端ME-IA方案,分析CSI反饋時延、網絡節(jié)點數(shù)和配置天線數(shù)對總自由度的影響。結果表明,接收端ME-IA方案能夠達到或逼近自由度外界。最后,針對M?N用戶MIMO X網絡,提出一種基于混合CSIT的多階段分布式空時干擾對齊(MDSTIA)方案,通過設計鏈式解碼結構,彌補自由度損失以獲得更高自由度,縮小可達界與外界的差距,提高系統(tǒng)可達速率。(3)針對非合作式多用戶MIMO干擾網絡,在有限CSI反饋條件下,分別探討K對用戶MIMO X、K用戶MIMO IC、K用戶MIMO BC的可達自由度和干擾對齊方案。首先,針對K對用戶MIMO X網絡,提出一種基于適當延時CSIT的分布式回溯干擾對齊(DRIA)方案,利用當前和過期CSIT設計預編碼以創(chuàng)建新的邊信息,實現(xiàn)回溯干擾重構與消除,突破DSTIA在MIMO X網絡中接收端個數(shù)(只能為2)的限制。結果表明,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)可達自由度關于CSI反饋時延和反饋頻率的折中域,分析MIMO節(jié)點天線數(shù)對系統(tǒng)自由度的影響,導出逼近自由度外界的條件,并給出保持系統(tǒng)可達自由度的CSI反饋時延范圍。結果表明,DSTIA方案比現(xiàn)有方案更具自由度優(yōu)勢,且隨著天線數(shù)變化能逼近自由度外界。最后,針對非對稱天線配置的MIMO干擾網絡,提出基于最小時隙準則的廣義空時干擾對齊(GSTIA)方案,通過設計基站匹配發(fā)送和用戶無干擾解碼機制,分析系統(tǒng)可達自由度與基站和用戶天線數(shù)之間的內在關系,突破非對稱天線配置下設計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）的幾個里程碑。圖1.1 羅列了近年來三類網絡利用理想 CSIT 和有限反饋 CSIT 獲得的重要結論。[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(

筆者在時間軸上忽略了 RIA 自由度結論，轉而強調與本文更相關的適當延時 CSIT 下 STIA 方案的自由度結論。目前，STIA 主要應用于K 用戶 MISOBC、2 2用戶 SISO XC 和 3 3用戶 SISO IC，在多用戶 MIMO 干擾網絡中尚無新的自由度結論。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架構中的P 狀態(tài)對應無誤差且無反饋延時 CSIT，D狀態(tài)對應完全延時 CSIT，N 狀態(tài)對應盲 CSIT。為降低對 CSIT 的依賴性，歷年來從理想 CSIT 精度、延時、反饋量角度發(fā)展為考慮有限精度、延時、部分 CSIT 下的 IA 方案。此外，，將不同類型的 CSIT 結合，針對混合 CSIT 條件的研究也是關注的熱點。當考慮 CSI 的精度和延時時，主要關注過期和當前CSIT存在誤差、完美過期CSIT和有限精度當前CSIT兩種情況；當考慮 CSI 的延時和反饋量時，主要關注全局過期 CSIT、分布式適當延時 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 方案設計的多樣性，為 IA 實現(xiàn)奠定了理論基礎[149-152]。近年來，衡量系統(tǒng)自由度與 CSIT 精度和時延之間的折中關系是 IA 研究的焦點。
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN919.3


本文編號：2648434