下一代無線網(wǎng)絡的預編碼研究.pdf

1、隨著無線終端的增多以及無線業(yè)務量的爆發(fā)式增長，現(xiàn)有的網(wǎng)絡系統(tǒng)將不能滿足未來用戶的需求，下一代無線網(wǎng)絡將結(jié)合新的無線傳輸技術以及新的網(wǎng)絡協(xié)同技術等，提供現(xiàn)有網(wǎng)絡1000倍的容量服務，構成無所不在的網(wǎng)絡。下一代無線網(wǎng)絡會在現(xiàn)有網(wǎng)絡的基礎上不斷演進，將結(jié)合如中繼，認知網(wǎng)絡，多天線技術等構成超密集網(wǎng)絡，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行無線傳輸。密集網(wǎng)絡以及同頻復用等必定會給網(wǎng)絡帶來一定的干擾，因而，用戶的干擾消除以及網(wǎng)絡

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

3、輔助的小區(qū)網(wǎng)絡、雙向中繼輔助的小區(qū)網(wǎng)絡、基于干擾對齊和基于協(xié)作的認知網(wǎng)絡，設計相應的預編碼，提升無線網(wǎng)絡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)絡模型。為滿足用戶多樣化的業(yè)務需求，設計了一種支持不同數(shù)據(jù)流的傳輸方案，并在此方案下設計相應的預編碼。在基站端設計了兩種預編碼，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)點上的預編碼用于最大化系統(tǒng)的頻譜效率。為了反映所設計的預編碼的特征，使用了不同的方法得到了預編碼的結(jié)構。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編碼結(jié)構，然后再去優(yōu)化預編碼結(jié)構中引入的變量。所提出的結(jié)構化預編碼，不僅可以應用于頻譜效率最大化問題，也可以應用于

5、能效最大化問題。仿真驗證表明，所提的結(jié)構化預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)的預編碼設計。因為小區(qū)中有多個用戶，預編碼的設計主要用于實現(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

6、行求解。當基站端或中繼端的預編碼固定后，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編碼矩陣。所提出的預編碼設計算法不僅可以使用在小區(qū)雙向中繼網(wǎng)絡中，還可以使用在含有直接鏈路或單項中繼的網(wǎng)絡場景中。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知網(wǎng)絡，提出一種低復雜度的干擾對齊算法用以消除主用戶及各個認知用戶之間的干擾。所提算法的核心內(nèi)容在于所

7、設計的干擾對齊問題的構建以及相應預編碼的求解。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知網(wǎng)絡預編碼設計，用以最大化認知用戶的加權和速率(WSR)。為提高無線網(wǎng)絡的頻譜效率，次級用戶經(jīng)常被授權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行傳輸且得到最大的加權和速率，提出了在只能獲得部分信道狀態(tài)信息的網(wǎng)絡環(huán)境下的一種聯(lián)合接納和預編碼設計算法。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建加權和速率最大化問題。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)罰因子的值來進行接納控制。在求解可行問題時，采用歸一化速率