下一代無線網(wǎng)絡(luò)的預(yù)編碼研究.pdf

1、隨著無線終端的增多以及無線業(yè)務(wù)量的爆發(fā)式增長，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將不能滿足未來用戶的需求，下一代無線網(wǎng)絡(luò)將結(jié)合新的無線傳輸技術(shù)以及新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同技術(shù)等，提供現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)1000倍的容量服務(wù)，構(gòu)成無所不在的網(wǎng)絡(luò)。下一代無線網(wǎng)絡(luò)會在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上不斷演進(jìn)，將結(jié)合如中繼，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，多天線技術(shù)等構(gòu)成超密集網(wǎng)絡(luò)，以增大容量。為提升頻譜利用率，也可能會采用全雙工方式進(jìn)行無線傳輸。密集網(wǎng)絡(luò)以及同頻復(fù)用等必定會給網(wǎng)絡(luò)帶來一定的干擾，因而，用戶的干擾消除以及網(wǎng)絡(luò)

2、間的協(xié)調(diào)傳輸?shù)仁窍乱淮鸁o線網(wǎng)絡(luò)所要解決的重要問題。本文將無線網(wǎng)絡(luò)的預(yù)編碼作為研究內(nèi)容，在國家自然科學(xué)基金“無線網(wǎng)絡(luò)的干擾管理與容量研究”(61231008)，973重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃課題“智能的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)資源管理模型與控制機(jī)制研究”(2009CB320404)，長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃資助(IRT0852)，國家自然科學(xué)基金(61301168)和111基地發(fā)展計劃(B08038)的支持下，從構(gòu)成未來網(wǎng)絡(luò)的不同網(wǎng)絡(luò)場景入手，包括單向中繼

3、輔助的小區(qū)網(wǎng)絡(luò)、雙向中繼輔助的小區(qū)網(wǎng)絡(luò)、基于干擾對齊和基于協(xié)作的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計相應(yīng)的預(yù)編碼，提升無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率及能量效率等。所做工作如下:
　　1.針對單向中繼輔助的小區(qū)下行傳輸，考慮有弱直接鏈路的網(wǎng)絡(luò)模型。為滿足用戶多樣化的業(yè)務(wù)需求，設(shè)計了一種支持不同數(shù)據(jù)流的傳輸方案，并在此方案下設(shè)計相應(yīng)的預(yù)編碼。在基站端設(shè)計了兩種預(yù)編碼，分別用于直接鏈路和中繼鏈路。由于直接鏈路上接收的信號比較弱，在基站端用于直接鏈路的預(yù)編碼用來消除直接鏈

4、路上的干擾。對于中繼鏈路，不同的階段使用不同的預(yù)編碼方案。在第一階段，為了防止干擾被中繼放大，基站端用于中繼鏈路的預(yù)編碼用以消除鏈路之間的干擾;對于第二階段，中繼節(jié)點上的預(yù)編碼用于最大化系統(tǒng)的頻譜效率。為了反映所設(shè)計的預(yù)編碼的特征，使用了不同的方法得到了預(yù)編碼的結(jié)構(gòu)。首先通過結(jié)合有用信號零空間向量或干擾信號正交空間向量獲得預(yù)編碼結(jié)構(gòu)，然后再去優(yōu)化預(yù)編碼結(jié)構(gòu)中引入的變量。所提出的結(jié)構(gòu)化預(yù)編碼，不僅可以應(yīng)用于頻譜效率最大化問題，也可以應(yīng)用于

5、能效最大化問題。仿真驗證表明，所提的結(jié)構(gòu)化預(yù)編碼能夠得到較好的頻譜效率或能量效率。
　　2.研究單小區(qū)雙向中繼系統(tǒng)的預(yù)編碼設(shè)計。因為小區(qū)中有多個用戶，預(yù)編碼的設(shè)計主要用于實現(xiàn)小區(qū)中用戶的能效平衡。由于這樣的能效平衡問題是一個NP-hard問題，使用凸近似和凸松弛等方法，將此問題變成易于求解的形式。首先采用了Dinkelebach方法來求解最大最小(max-min)分式優(yōu)化問題。因為變換后的問題仍然是非凸問題，然后使用輪詢迭代方法進(jìn)

6、行求解。當(dāng)基站端或中繼端的預(yù)編碼固定后，問題仍然非凸，因而采用凸近似和半正定規(guī)劃方法來求解基站和中繼的預(yù)編碼矩陣。所提出的預(yù)編碼設(shè)計算法不僅可以使用在小區(qū)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中，還可以使用在含有直接鏈路或單項中繼的網(wǎng)絡(luò)場景中。仿真結(jié)果表明，與現(xiàn)有的方法相比，所提出的算法能夠得到較高的平衡能效。
　　3.針對配有多天線的主次用戶相互干擾的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，提出一種低復(fù)雜度的干擾對齊算法用以消除主用戶及各個認(rèn)知用戶之間的干擾。所提算法的核心內(nèi)容在于所

7、設(shè)計的干擾對齊問題的構(gòu)建以及相應(yīng)預(yù)編碼的求解。與傳統(tǒng)干擾對齊方法不同，所提的算法不僅可以有效消除掉用戶之間的干擾，還能最大化有用信號的接收功率。仿真結(jié)果表明，所提的算法與現(xiàn)有的干擾對齊方法相比，能夠得到更高的系統(tǒng)和速率并能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)容量和干擾泄漏的均衡。
　　4.考慮基于頻譜共享的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼設(shè)計，用以最大化認(rèn)知用戶的加權(quán)和速率(WSR)。為提高無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率，次級用戶經(jīng)常被授權(quán)與主用戶共享頻譜資源。為確保主用戶和次級用戶有

8、效地傳輸，次級用戶對主用戶的干擾需要限制在一定范圍內(nèi)并且只有次級用戶達(dá)到一個給定的速率門限才可以通信。在速率和干擾約束下，為了選擇合適的次級用戶進(jìn)行傳輸且得到最大的加權(quán)和速率，提出了在只能獲得部分信道狀態(tài)信息的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的一種聯(lián)合接納和預(yù)編碼設(shè)計算法。首先根據(jù)信道的統(tǒng)計特性，采用凸近似和凸松弛方法構(gòu)建加權(quán)和速率最大化問題。然后引入罰因子，用來判斷含有速率約束的問題的可行性，并根據(jù)罰因子的值來進(jìn)行接納控制。在求解可行問題時，采用歸一化速率