異構(gòu)蜂窩網(wǎng)干擾分析及其管控方法研究.pdf

1、異構(gòu)蜂窩網(wǎng)，由傳統(tǒng)的宏蜂窩與疊加的小蜂窩網(wǎng)絡(luò)組成，能夠以較低的功耗提高蜂窩系統(tǒng)的覆蓋率與服務(wù)質(zhì)量(QoS)。其中，干擾管控問題是異構(gòu)蜂窩網(wǎng)面臨的主要挑戰(zhàn)之一。正交頻分多址接入(OFDMA)因其在頻譜分配的靈活性以及對多徑信道的健壯性，被廣泛用于異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)。然而，在OFDMA異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，宏用戶(MU)信號受宏蜂窩基站(MBS)調(diào)度在MBS保持同步，其信號到達小蜂窩基站(SBS)就很難在時間上同步，這就會導(dǎo)致SBS接收機在快速傅立葉變

2、換(FFT)解調(diào)時產(chǎn)生載波間干擾(ICI)與符號塊間干擾(IBI)。本文首先研究了ICI與IBI對小蜂窩系統(tǒng)性能的影響，并且根據(jù)兩層網(wǎng)絡(luò)用戶之間收發(fā)機設(shè)計有無協(xié)作，提出了新穎的緩解乃至消除ICI與IBI的方案。此外，本文還研究了OFDMA異構(gòu)蜂窩網(wǎng)中，小蜂窩最優(yōu)上行信道接入與下行分布式功率控制方案。本文的主要貢獻如下：
　　(1)分析了單徑信道下由于MU信號不同步導(dǎo)致的ICI與IBI對小蜂窩上行性能的影響。首先，推導(dǎo)了MU信號到達

3、小蜂窩時間的累積分布函數(shù)(CDF)，仿真結(jié)果驗證了理論值推導(dǎo)的精確性。基于CDF，推導(dǎo)了在兩種同步方式下MU信號離散相對時延的分布律與小蜂窩上行ICI與IBI發(fā)生的概率。并據(jù)此在系統(tǒng)上行采用部分功率控制方案時，推導(dǎo)了小蜂窩上行受到的平均ICI與IBI功率，這一理論結(jié)果為分析小蜂窩各個子載波的信干噪比(SINR)、容量和誤符號率(SER)提供了便利。仿真結(jié)果與理論分析完全吻合，這些分析為評估ICI與IBI對不同位置小蜂窩性能的影響提供了堅

4、實的理論基礎(chǔ)。
　　(2)分析了多徑信道下小蜂窩上行由MU導(dǎo)致的ICI與IBI統(tǒng)計特性。首先，給出了在部分功率控制與多徑衰落信道下小蜂窩上行ICI與IBI表示式，并根據(jù)MU隨機分布函數(shù)與其到小蜂窩的信道分布信息推導(dǎo)了ICI與IBI的協(xié)方差矩陣閉合表達式，由此可以直接得到小蜂窩上行每個子載波上平均ICI與IBI的功率。其次，還推導(dǎo)了小蜂窩上行每個子載波的容量與SER的閉合表達式，仿真結(jié)果驗證了理論推導(dǎo)的準確性。實驗結(jié)果還顯示，ICI

5、與IBI導(dǎo)致小蜂窩上行性能產(chǎn)生了較大的降級，尤其在大SNR區(qū)域出現(xiàn)了嚴重的平臺效應(yīng)。
　　(3)提出了一種緩解小蜂窩上行ICI與IBI對容量性能影響的方案，該方案中MU與SU之間沒有協(xié)作預(yù)編碼設(shè)計。提出的方案通過SU預(yù)編碼與SBS均衡器的聯(lián)合設(shè)計，使得小蜂窩各個子載波上的信號解相關(guān)。在三種不同反饋場景下，根據(jù)ICI與IBI的協(xié)方差矩陣與SU到SBS的信道狀態(tài)信息，設(shè)計了不同子載波維度的預(yù)編碼矩陣使小蜂窩的容量最大化。蒙特卡羅仿真表

6、明：相比于沒有聯(lián)合收發(fā)機設(shè)計的情況，新方案可以顯著提高系統(tǒng)的容量性能。具體地，使用所有子載波維度進行預(yù)編碼的設(shè)計方案可以獲得最好的性能，而且僅僅只有MU位置信息反饋時，提出的方案也呈現(xiàn)出較好的特性。
　　(4)提出了一種基于干擾對齊技術(shù)完全消除小蜂窩上行ICI與IBI的方案，該方案可以確保兩層異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中所有的數(shù)據(jù)流沒有ICI與IBI。在新設(shè)計的方案中，通過在平行子載波上的預(yù)編碼設(shè)計，將ICI與IBI壓縮到一個不大于宏蜂窩總的發(fā)

7、送數(shù)據(jù)流數(shù)目的子空間中，這樣在小蜂窩接收端通過簡單的迫零操作就可以完全消除ICI與IBI，且不影響小蜂窩總的發(fā)送數(shù)據(jù)流數(shù)目。仿真結(jié)果顯示，提出的方案可以消除小蜂窩上行容量的平臺效應(yīng)，將系統(tǒng)自由度(無干擾傳輸數(shù)據(jù)流數(shù))提升到系統(tǒng)總的子載波數(shù)目。該方案使用了MU與SU之間協(xié)作預(yù)編碼設(shè)計來消除ICI與IBI，因此可以獲得比無協(xié)作時更好的性能。
　　(5)提出了一種最優(yōu)的基于認知小蜂窩上行信道接入方案來隨機避免同頻干擾，使OFDMA異構(gòu)蜂

8、窩網(wǎng)的平均吞吐量最大化。該方案考慮了上行部分功率控制與自適應(yīng)傳輸技術(shù)，推導(dǎo)了在不完美頻譜感知情況下兩層異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量，并據(jù)此推導(dǎo)了小蜂窩網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)的上行信道接入概率。仿真結(jié)果驗證了理論分析的有效性，且在推導(dǎo)過程中同時考慮了小蜂窩、MU與SU的空間隨機性，因此推導(dǎo)的結(jié)果相對于用戶位置的移動變化是健壯的。
　　(6)提出了一種分布式自適應(yīng)功率控制算法來緩解異構(gòu)蜂窩網(wǎng)中下行同頻干擾。提出的方案包括三個步驟：首先，根據(jù)最大化使用相