無線中繼網(wǎng)絡(luò)的同頻干擾問題研究.pdf

1、隨著移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)步入4G時(shí)代，以及面向5G研究的逐步開展，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)溲刂芗采w的趨勢(shì)發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也沿著異構(gòu)方向演進(jìn)，增加了各類功耗較低、提供熱點(diǎn)覆蓋的新型節(jié)點(diǎn)，如Pico-cell、Femto-cell以及中繼節(jié)點(diǎn)(Relay Node)。由于這些變化，加之為提高頻譜效率而采取的各小區(qū)頻率完全復(fù)用，節(jié)點(diǎn)間的同頻干擾問題凸顯，并成為當(dāng)前限制移動(dòng)接入網(wǎng)絡(luò)容量進(jìn)一步提升的主要瓶頸之一;其中，中繼節(jié)點(diǎn)面臨的干擾是整個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)干擾

2、問題的重要組成部分，也是無線中繼技術(shù)當(dāng)前面臨的主要難題之一。
　　本文圍繞無線中繼網(wǎng)絡(luò)中的同頻干擾這一主題，從三個(gè)方面展開具體研究工作。首先，對(duì)同頻干擾環(huán)境下的雙向中繼系統(tǒng)的性能進(jìn)行了理論分析，在接受干擾存在、且未嘗試克服之的情況下，進(jìn)行中繼系統(tǒng)性能的初步探究。接著，出于緩解干擾的目的，本文的第二項(xiàng)工作研究了抑制干擾的中繼協(xié)作策略設(shè)計(jì)，在信道時(shí)變波動(dòng)的環(huán)境中，提出了一種根據(jù)過時(shí)及統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息(Channel StateInfo

3、rmation，CSI)建立干擾控制的中繼備選子集方法，減輕中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)周圍同頻通信節(jié)點(diǎn)造成的干擾;并與中繼選擇方法結(jié)合以提高中繼系統(tǒng)本身的抗干擾能力。最后，作為最終消除中繼系統(tǒng)某些形式干擾的一種嘗試，在第三部分內(nèi)容中考察了一種近期提出的特殊干擾消除技術(shù)，稱為“盲已知干擾消除”(BlindKnown Interference Cancellation，BKIC)，研究了該方法用于中繼網(wǎng)絡(luò)傳輸方案設(shè)計(jì)以提高頻譜效率的問題，并針對(duì)實(shí)際傳

4、輸系統(tǒng)探討了方法本身的改進(jìn)問題。
　　針對(duì)雙向中繼系統(tǒng)在干擾環(huán)境下性能分析問題未有妥善解決的研究現(xiàn)狀，本文避免了現(xiàn)有研究多采取簡(jiǎn)化模型以簡(jiǎn)化分析難度、但造成適用范圍受限的缺點(diǎn)，采用了具有一般性的干擾場(chǎng)景模型，考慮所有節(jié)點(diǎn)均受到多個(gè)節(jié)點(diǎn)干擾的情形，對(duì)于兩種常用的雙向中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式，即2時(shí)隙/3時(shí)隙物理層網(wǎng)絡(luò)編碼(2-TimeSlot/3-Time Slot Physical layer Network Coding，2TS/3TS P

5、NC)，求解了兩種方式的端到端信干噪比(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio，SINR)的統(tǒng)一表達(dá)式;根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率關(guān)系，為其建立一對(duì)簡(jiǎn)化分析的上下界，分別對(duì)應(yīng)于功率較高的專用中繼站及功率較低的用戶協(xié)作兩類應(yīng)用背景;根據(jù)理論上下界求出了瑞利（Rayleigh）衰落信道下的中斷概率及調(diào)制差錯(cuò)概率閉式解。通過數(shù)值仿真驗(yàn)證了所提理論界與仿真值的吻合程度;同時(shí)，針對(duì)若干系統(tǒng)參數(shù)的考察揭示

6、了一些重要因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響，包括:中繼-源功率比、中繼節(jié)點(diǎn)位置及中繼為雙向轉(zhuǎn)發(fā)分配的功率比例。
　　在實(shí)際的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，信道狀態(tài)往往存在隨時(shí)間的波動(dòng)性，因此本文的第二項(xiàng)工作研究了在信道經(jīng)歷時(shí)間相關(guān)性衰落的條件下，根據(jù)過時(shí)及統(tǒng)計(jì)CSI進(jìn)行中繼選擇的性能，分析了兩種現(xiàn)有的中繼選擇方案，即最大化過時(shí)SINR與最小化條件中斷概率，在存在同頻干擾情況下的端到端中斷概率性能。緊接著，為減輕中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)周圍同頻通信節(jié)點(diǎn)的干擾，本文提出一種

7、干擾控制的中繼備選子集建立方法，根據(jù)過時(shí)及統(tǒng)計(jì)CSI，將可能造成附近同頻節(jié)點(diǎn)中斷性能嚴(yán)重下降的中繼節(jié)點(diǎn)排除出中繼選擇范圍;再結(jié)合前述選擇策略，實(shí)現(xiàn)了中繼子系統(tǒng)與周圍同頻子系統(tǒng)的性能折中，以及整體系統(tǒng)的性能優(yōu)化。相比現(xiàn)有的基于SINR或中斷概率絕對(duì)門限值的方法，所提方法的關(guān)鍵參數(shù)為一個(gè)適用于任意場(chǎng)景的相對(duì)門限值。最后，為克服單中繼選擇方法在CSI誤差條件下的分集增益損失，這一部分的研究?jī)?nèi)容還涉及在信道波動(dòng)與干擾雙重因素影響下，多中繼轉(zhuǎn)發(fā)策

8、略的初步研究，證明了該類方法在重新獲得滿分集增益方面的優(yōu)勢(shì)，以及過時(shí)CSI在維持較低的中繼重傳次數(shù)中的重要作用。
　　本文的第三項(xiàng)工作內(nèi)容將重點(diǎn)放在中繼網(wǎng)絡(luò)干擾消除方法上，研究了BKIC在中繼網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用問題。首先針對(duì)半雙工中繼需要占用額外的信道用于轉(zhuǎn)發(fā)這一缺點(diǎn)，提出了一種基于BKIC的中繼網(wǎng)絡(luò)上行傳輸方案，對(duì)于中繼協(xié)作的接入網(wǎng)絡(luò)，在基站執(zhí)行BKIC可以調(diào)度中繼協(xié)作用戶與非協(xié)作用戶使用相同的信道，而由基站實(shí)現(xiàn)二者信號(hào)的分離與干擾消

9、除，相比現(xiàn)有的正交傳輸方案，以及在可獲得非理想干擾CSI條件下采用串行干擾消除(Successive InterferenceCancellation, SIC)的方法，所提方案可獲得顯著的性能提升。接著考慮了BKIC方法在面向4G系統(tǒng)傳輸技術(shù)時(shí)存在的應(yīng)用問題，因原BKIC方法不適用于子信道長(zhǎng)度較短的并行信道傳輸系統(tǒng)如正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency-DivisionMultiplexing，OFDM)——因處理長(zhǎng)

10、度不足將導(dǎo)致過強(qiáng)的輸出殘余誤差;亦不適于存在多路干擾的多輸入多輸出（Multiple-Input and Multiple-Output，MIMO）系統(tǒng)——因逐路的BKIC不能完全消除所有干擾成分而同樣產(chǎn)生較強(qiáng)的殘余誤差。為此，在該部分研究?jī)?nèi)容中，我們先后提出了一種并行信道聯(lián)合BKIC方法，以及一種基于空時(shí)塊編碼(Space-Time Block Code，STBC)的BKIC方法，分別解決上述問題。仿真結(jié)果表明，所提方法在很大程度上能