（通信与信息系统专业论文）基于有限反馈预编码的小区间干扰抑制技术研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：蕉李孳 e l期：塑! 圣：曼：竺 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 敝储躲碑铷签番纽日期：墟! 弛 山东大学硕士学位论文 目录 摘要一l a b s t r a c t 3 英文缩写对照表4 符号说明6 第一章绪论7 1 1 研究背景7 1 2 小区间干扰抑制技术的研究现状8 1 3 本文研究的主要内容9 1 4 本文结构安排和支撑课题1 0 第二章多小区系统中小区间干扰及预编码技术概述1 l 2 1 多小区系统概述1 1 2 1 1 多小区系统模型1 2 2 1 2 多小区系统中无线信道模型1 8 2 2 小区间干扰l9 2 3 预编码技术2 0 2 3 1 预编码技术原理2 0 2 - 3 2 抑n d , 区间干扰的预编码技术2 2 2 4 本章小结2 5 第三章多小区系统中基于v s i n r 的分布式预编码研究2 6 3 1 多小区系统中的s i n r 和v s i n r 。2 6 3 1 1s i n r 和v s i n r 的基本概念2 6 3 1 2v s i n r 的应用2 7 3 2 基于v s i n r 的分布式预编码基本架构2 8 3 2 1 分布式预编码架构2 8 3 2 2 基于v s i n r 的分布式预编码2 9 3 3 性能仿真及分析3 2 3 4 本章小结4 1 山东大学硕士学位论文 第四章多小区系统中的t h p 预编码技术研究4 2 4 1 线性预编码4 2 4 1 1 线性预编码基本概念4 2 4 1 2 基于m m s e 准则的预编码4 2 4 2 非线性预编码- - t h p 预编码一4 4 4 3 基于v s i n r 的t h p 预编码4 5 4 3 1 基于v s i n r 的呻预编码框架介绍4 5 4 3 2 性能仿真和分析4 6 4 4 本章小结51 第五章总结与展望5 2 5 1 总结5 2 5 2 展望5 2 参考文献5 4 致谢6 0 攻读学位期间发表的论文6 1 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t l e n g l i s ha b s t r a c t 3 a b b r e v i a t i o n s 4 n o t a t i o n s 6 c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 7 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u d 7 1 2r e s e a r c hs t a t u so fi n t e r c e l li n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o ns c h e m e s 8 1 3r e s e a r c hc o n t e n t so f t h et h e s i s 。9 1 4s t m c t u r eo f t h et h e s i s 1 ( ) c h a p t e r2i n t e r c e l li n t e r f e r e n c ea n dp r e c o d i n gs c h e m e si nm u l t i c e l ls y s t e m s 1 1 2 1i n t r o d u c t i o no f m u l t i - c e l ls y s t e m s 1 1 2 1 1m u l t i c e l ls y s t e mm o d e l 。12 2 1 2c h a n n e lm o d e li nm u l t i - c e l ls y s t e m s 18 2 2i n t e r c e l li n t e r f e r e n c e 19 2 3p r e c o d i n gs c h e m e s 2 0 2 3 1p r i n c i p l eo f p r e c o d i n gt e c h n o l o g y 2 0 2 3 2p r e c o d i n gb a s e di n t e r c e l li n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o ns c h e m e s 。2 2 2 4c o n c l u s i o n s 2 5 c h a p t e r3d i s t r i b u t e dp r e c o d i n gs c h e m e sb a s e do nv s i n r m a x i m i z a t i o ni nm u l t i c e l l s y s t e m s 2 6 3 1s i n ra n ds i n r 2 6 3 1 1p r i c i p l eo fs i n ra n dv s i n r 2 6 ：；1 2a p p l i c a t i o no f v s i n r 2 7 3 2s t r u c t u r eo fd i s t r i b u t e dp r e c o d i n gs c h e m sb a s e do nv s i n rm a x i m i z a t i o n 2 8 ：；2 1b a s i cs t r u c t u r e 2 8 3 2 2d i s t r i b u t e dp r e c o d i n gs c h e m sb a s e do nv s i n rm a x i m i z a t i o n 。2 9 ：；3s i m u l a t i o na n da n a l y s i s 3 2 ：；4c o n c l u s i o n s 4 1 c h a p t e r4 t h p r e c o d i n gs c h e m e s i nm u l t i c e l ls y s t e m s 4 2 4 1l i n e a rp r e c o d i n g 4 2 4 1 1p r i c i p l eo fl i n e a rp r e c o d i n g 4 2 山东大学硕士学位论文 4 1 2p r e e o d i n gb a s e do nm m s ec r i t e r i o n 4 2 4 2n o n l i n e a rp r e c o d i i l g _ _ 1 hp r e c o d i n g 4 4 4 3t hp r e c o d i n gb a s e do nv s i n r 4 5 4 3 1i n t r o d u c t i o no ft hp r e c o d i n gb a s e do nv s i n r 4 5 4 3 2s i m u l a t i o na n da n a l y s i s z 1 6 4 4c o n c l u s i o n s 51 c h a p t e r5c o n c l u s i o n sa n df u t u r er e s e a r c h 5 2 5 1c o n c l u s i o n s 5 2 5 2f u t u r er e s e a r c h 5 2 b i b l i o g r a p h y 5 4 a c k n o w l e d g e m e n t 6 0 p u b l i s h e dp a p e r s 6 1 l v 山东大学硕士学位论文 摘要 随着移动通信技术的发展，未来蜂窝网络中的用户数量将会以飞快的速度急 剧膨胀，小区间干扰的影响也会越来越显著。由于小区间干扰的存在，现有通信 系统的性能受到了极大的限制。小区间干扰渐渐成为制约新一代无线通信系统发 展的关键因素。因此，对针对蜂窝系统中小区间干扰的高效抑制技术的研究势在 必行。预编码技术作为一种极具研究潜力的多小区干扰抑制方案，通过在发送端 对信号进行预均衡处理，使小区间干扰受到抑制或抵消，并能有效减少接收端的 复杂度，比较适合在移动终端较多的蜂窝系统中使用。 在各种预编码方案中，线性预编码算法实现简单，但性能很难达到最优；非 线性预编码性能较好，但算法复杂度较高。基于最大化v i r t u a ls i g n a li n t e r f e r e n c e p l u sn o i s er a t i o ( v s i n r ) 的预编码方案，简化了原先基于s i n r 的预编码方案的 算法，能有效提高系统性能，为基于预编码的干扰抑制方案提供了一个新的思路。 本文重点研究了基于有限反馈的基站间独立预编码，即分布式预编码，并结合功 率分配方案对系统性能进行了综合分析。各基站采用分布式预编码可以简化基站 间的通信负担，通过有效的预编码设计还可以降低将基站与移动终端间的信道信 息反馈。本文在最大化v s i n r 的预编码方案基础上，还研究了t h p 二次预编码， 将v s i n r 与t h p 非线性预编码结合，简化了t h p 算法，提升了预编码方案的抗 干扰性能，并仿真分析了二次预编码的性能。仿真结果表明，改进的预编码方案 性能在复杂度与系统误码率性能间得到了较好的折中。 此外，预编码方案可以与其他形式的干扰抑制方案有机融合，在不过分增加 系统负担的基础上，进一步提升系统容量。多小区系统中的干扰抑制方案还要综 合考虑基站间的协作程度、功率分配机制，以及传输方式。往往随着场景的不同， 预编码方案也有着不同的抗干扰性能。本文中主要考虑的场景是多小区m i m o 下 行链路，基站间进行分布式预编码，不共享信道信息。本文中研究的预编码方案 主要集中在基于有限信道信息反馈的方案，进一步减少基站与移动终端之间的通 信量，降低移动终端的复杂度，能适应新一代移动通信网络发展对移动终端便捷 性的要求。 本文首先介绍了多小区系统的基本结构，小区间干扰的影响，以及目前小区 山东大学硕士学位论文 间干扰抑制技术的研究现状。本文对几种常见的干扰抑制方案进行了分析对比， 并介绍了各自的优缺点；接下来分析了s i n r 和v s i n r 的区别和联系，论述了文 中所提方案以v s i n r 为基础的科学性和必要性；然后详细描述了本文对两种预编 码方案的改进和完善，并给出了相应的仿真结果。通过对仿真结果的分析，本文 证实了所提方案的优势和发展潜力。 2 关键词：小区间干扰；预编码；分布式；虚拟信干噪比 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r eh a sb e e ng r e a tg r o w t hi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si nt h el a s tf e wd e c a d e s a n dh i 曲s p e c t r a l e f f i c i e n c y i ss t i l lap r e s s i n gd e m a n dn o w a d a y s m u l t i p l e - i n p u t m u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) i sb yf a ro n eo ft h em o s tp r o m i s i n ge x i s t i n gw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ei n t e r f e r e n c ef r o ma d j a c e n tc e l l s w h i c hu s et h es a m ef r e q u e n c yb a n d ，t h es p e c t r a le f f i c i e n c yi ss t i l ll i m i t e da l t h o u g h u s i n gm i m oi nc e l l u l a rs y s t e m s s oi no r d e rt oo b t a i nt h ec a p a c i t yg a i n ，s o m ep o t e n t i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o nm e t h o ds h o u l db eu s e di nw i r e l e s sc e l l u l a rs y s t e m s t h et e c h n i q u e so fp r e c o d i n gi n c l u d i n gs o m el i n e a ra n dn o n l i n e a rp r e c o d i n g s c h e m e sa r eq u i t ee f f e c t i v et om i t i g a t ea d j a c e n ti n t e r f e r e n c e t h e r ea r ed i f f e r e n t p r e c o d i n gm a t r i xd e s i g n i n go p t i m i z a t i o nc r i t e r i o n sw h i c hm a yr e s u l ti nd i f f e r e n t p e r f o r m a n c e s i g n a l - t o i n t e r f e r e n c e - a n d n o i s er a t i o ( s i n r ) m a x i m i z a t i o ni so n eo ft h e m o s tc o m m o nc r i t e r i o n s b u tt h eo p t i m a ls o l u t i o no fs i n rm a x i m i z a t i o ni su s u a l l yh a r d t oo b t a i n 、v i t hc o u p l e dv a r i a b l e sp r o b l e m si nm u l t i c e l ls c e n a r i o s oi n p l e n t yo f i n v e s t i g a t i o ns o m es u b o p t i m a lm e t h o d sa r es t u d i e d ，t h e r e i n t oo n eo ft h em o s tp o p u l a ri s v i r t u a ls i g n a l t o i n t e r f e r e n c e a n d n o i s er a t i o ( v s i n r ) b a s e dp r e c o d i n g i nt h i sp a p e r , w e p r o p o s et w on o v e lp r e c o d i n gs c h e m e sb a s e do nv s i n ri nm u l t i - c e l ls c e n a r i o o n eo f t h e mi sc o m b i n e d 晰t hc o o p e r a t i v ep o w e r a l l o c a t i o n ，t h eo t h e ro n ei sc o m b i n e dw i t ht h p r e c o d i n g i nt h e s et w os c h e m e s ，a l lb s sp r e c o d es e p e r a t e l yi n s t e a do fs h a r i n ga n y c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo fm u l t i - c e l ls c e n a r i oa n di n t e r c e l li n t e r f e r e n c e f i r s t t h e nw ed e s c r i b et h et e c h n o l o g yo fp r e c o d i n gt os u p p r e s si n t e r c e l li n t e r f e r e n c ei n t h ed o w n l i n kc o m m u n i c a t i o na n ds i m u l a t et h ep r o p o s e ds c h e m e sa tl a s t k e yw o r d s ：i n t e r - c e l li n t e r f e r e n c e ，p r e c o d i n g ，d i s t r i b u t e d ，v s i n r 3 山东大学硕士学位论文 英文缩写对照表( 按字母顺序排序) 英文缩写英文全称中文解释 b db l o c k d i a g o n a l i z a t i o n块对角化 b sb a s es t a t i o n 基站 c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 码分多址 c o m p c o o r d i n a t e dm u l t i p l ep o i n t协作多点传输 c s ic h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n 信道状态信息 d f ed e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r 判决反馈均衡器 i c ii n t e r - c e l li n t e r f e r e n c e 小区间干扰 i m t s i m p r o v e dm o b i l et e l e p h o n es y s t e m改进的移动电话服务 i s i i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e 码间干扰 j p j o i n tp r o c e s s i n g 联合传输 m a i m u l t i p l e - a c c e s si n t e r f e r e n c e多址干扰 m i m o m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e o u t p u t多输入多输出 m m s em i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r 最小均方误差 m sm o b i l es t a t i o n移动终端 p ap o w e ra l l o c a t i o n 功率分配 p f 6 汛cp e ra n t e n n ar a t ec o n t r o l每天线速率控制 s i n r s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o信干噪比 s i r s i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i o信干比 s os u c c e s s i v eo p t i m i z a t i o n 连续优化 t d - s c d m at i m ed i v i s i o n - s y n c h r o n o u sc o d e 时分同步码分多址 d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t 肿 v s i n r 4 t o m l i n s o n h a r a s h i m ap r e c o d i n g 汤姆林森哈拉希玛预编码 v i r t u a ls i g n 甜i n t e r f e r e n c e p l u sn o i s e 虚拟的信干噪比 r a t i o 山东大学硕士学位论文 z f 1 g 3 g 3 g p p z e r of o r c i n g 迫零 t h e1s tg e n e r a t i o no fw i r e l e s sm o b i l e 第一代移动通信系统 c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e3 r dg e n e r a t i o no fw i r e l e s sm o b i l e 第三代移动通信系统 c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e4 t hg e n e r a t i o no fw i r e l e s sm o b i l e 第四代移动通信系统 c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e3 r dg e n e r a t i o no fp a r t n e r s h i p 第三代合作伙伴计划 p r o j e c t 5 6 山东大学硕士学位论文 符号说明 ( ) t ( ) 日 c 人f ( o ，仃2 ) a r gm a x a r gm z 7 1 l 矩阵的转置 矩阵的共轭转置 均值为0 ，方差为仃2 的循环对称复高斯分布 复数的模 矢量的2 范数 矩阵的秩 以2 为底的对数 m m 的单位矩阵 数学期望 返回使目标函数最大的参数 返回使目标函数最小的参数 ，j_一 j 洲吼h刚 山东大学硕士学位论文 第一章绪论昴一早殖下匕 随着全球移动无线通信网络的飞速发展，未来的通信系统将朝着高速无线宽 带、个人移动宽带的方向发展。全球无线通信系统用户数量将会以飞快的速度增 长，电话会议、视频、图像等多媒体无线通信业务也会持续增加。现有的通信网 络提供的服务将从原有的单一话音服务向多维度高数据率的多媒体服务转变，相 应的，有限的频谱资源会变得越来越稀缺，现有的蜂窝网络很难满足如此高速率 超宽带的需求。 1 1 研究背景 目i j ，第三代移动通信系统( 3 g ) 在我国的发展已到相对成熟的阶段，运 营商能够提供的数据传输速率最高可达至i j 2 m b p s ，大大提高了通信业务的服 务范围和服务质量。我国的用户上网渠道从原有的单一利用计算机电脑平台，扩 展到利用各种便携式终端接入网络，呈现出越来越丰富的多样性。目前我国手机 上网用户已经高达两亿多人次，人们对网络的依赖性同益增强，因此，网络服 务提供商要面对用户对通信网络更高的要求和期待。 第三代移动通信系统显然已经无法满足同益增长的业务需求，必然要向 第四代移动通信系统( 4 g ) 发展。目# f 4 g 标准已经在国外某些地区商用，通信 网络提供的数据率可达到1 0 m b p s 2 0 m b p s ，最高甚至可以达到1 0 0 m b p s 下行峰 值传输速率，这样的性能将会很乐观的满足多种高数据率多媒体业务。而随 着无线通信技术的发展，无线通信系统的一些内在矛盾也不断显现出来：频 谱资源的有限性无法满足繁重的通信业务；无线通信信道的时变、衰落、色 散和干扰特性也在极大地考验着无线传输的可靠性。移动通信系统要想全面 向4 g 快速迈进，先要克服现有通信系统的一些固有问题，进一步完善和改进 多种无线通信关键技术。 为了节省频率资源，现有的蜂窝网络都采用了频率复用技术，与此同时， 由于邻近的小区使用相同的频率资源，不同小区内的同频用户之间存在不可 避免的相互干扰，这种小区间干扰( i c i ) 成为了蜂窝通信系统的一个固有问 题。多输入多输出( m i m o ) 技术在提高频谱效率和系统容量方面具有极大 的优势 1 儿2 】【3 】，是新一代移动通信的关键技术。但是由于小区间干扰的存在， 7 山东大学硕士学位论文 m i m o 的高频谱优势被大大削弱了，系统的容量和性能，尤其是小区边缘用 户的性能受到了严重的制约【4 1 1 5 】。蜂窝网络中的干扰与噪声的主要区别在于 干扰是由其他终端设备产生的，并且主要是那些使用同一频率资源的终端设 备。通过增加发射功率，噪声的影响可以变得微乎其微，但干扰却会随着发 射功率的增加而增加。面对干扰受限的蜂窝网络以及未来越来越多的接入用 户，多小区系统中的干扰抑制技术受到了集中的关注，也成为一个极具挑战 意义的问题。 1 2 小区间干扰抑制技术的研究现状 过去很多年间，干扰抑制技术集中在对抗干扰接收机的研究上。而由于干扰 抑制技术较高的复杂度，目前很多接收机依然简单的将干扰视为背景噪声进行处 理，如何进一步提高上行链路和下行链路中的干扰处理能力，使得基站在上行链 路能处理多个非同步用户信息，移动终端在下行链路能处理其他基站带来的小区 间干扰，成为亟待关注和解决的问题。 现今已有的降低小区间干扰的方案主要有扩频、功率控制等传统方法，还有 干扰随机化，干扰协调，联合检测，宏分集，预编码等技术【6 】 7 】。预编码是其中 一种效果显著的干扰抑制技术 8 1 1 9 1 0 。预编码技术利用系统的信道状态信息在 接收端根据一定的准则对发送数据进行预处理，使用户之间的干扰降低，达到抑 制小区间干扰的目的，从而提高系统的性能和容量。 在一些干扰源较少但干扰强度比较大的系统中，干扰随机化是比较简单可行 的干扰抑制方法。干扰随机化利用数学统计的方法，通过给干扰信号加扰使其随 机化为白噪声，但这种方案却不能降低干扰的能量。该方法虽然简单，但需要面 对由于统计特性不同而带来测量误差的问题。 在干扰协调方案中，频率资源被分为多个频率复用集。位于小区中心的用户 由于距离本小区基站最近且离相邻小区较远，它们受到的i c i 影响较小，因此将其 安排在复用系数为l 的频率复用集中，并使其中的用户采用较低功率发射信号。 小区边缘的用户受到i c i 影响较大，需要采用较高的功率发送信号，将其分配在频 率复用系数高的复用集。由于在这种方案中，小区边缘的频率资源要受到限制， 无法提供过多的用户服务和高数据速率。 8 山东大学硕士学位论文 联合检测技术在t d s c d m a 系统中的应用取得了较好的效果。联合检测技术 利用所有存在m a i 干扰的用户信号和它们这些多径的先验信息，在传统检测方法 的基础上，把对用户信号的分离视为统一的联合检测过程完成，抑制m a i 干扰。 该技术有效利用了上行链路的频谱资源，降低了对功率控制的精度要求。但该方 案也有明显的缺点，联合检测技术是在接收端进行的，检测过程极大增加了接收 端的复杂度，加剧了便携式终端的负担，不利于终端朝向日益便捷性方向的发展。 宏分集技术利用终端与多个基站之间的联系来加强接收信号的强度，从某种 角度上来看，宏分集技术类似于软切换。宏分集过程将多个小区基站发射或接收 的信号进行合并，利用多径链路的独立性获得分集增益，提高终端接收链路的质 量。宏分集多用于多小区系统基站的扇区服务交叠区内。然而宏分集技术在下行 链路中的使用存在不可忽视的同步问题，而在上行链路中要求移动终端对多路信 号进行合并，这些都无疑大大加剧了终端的复杂度。因此，通过宏分集技术获得 的干扰抑制效果是以复杂度为代价的。 预编码技术是在发送端根据对信道状态信息的分析来补偿信号的衰落与失 真，以达到降低系统误码率、提高系统性能的目的【1 1 】。在多小区系统中，预编码 技术可以通过对发送信号进行预处理来抑制小区间干扰。由于预编码处理在发送 端进行，在多小区下行链路中可以极大地解放移动终端的复杂度。尤其在多小区 m i m o 系统中，预编码技术可以通过对多条发送天线依据一定的准则( 如m m s e ， z f 准则) 进行加权处理，达到抑制干扰的目的。预编码可以按照不同的准则达到 不同的性能提升效果，可以有针对性的地提高小区边缘用户的信干比。预编码技 术还可以较为灵活的与其他干扰抑制技术合用，在多小区系统中可以同时起到抑 制小区内干扰和小区间干扰的作用。 1 3 本文研究的主要内容 本文在多小区m i m o 的场景下，主要研究基于有限反馈的预编码技术以抑制 小区间干扰，包括联合预编码和分布式预编码方案。本文讨论了联合预编码和分 布式预编码的区别和联系，在理论上对比分析了两种方案，并给出了两种方案在 相同条件下的仿真分析。 本文重点研究了基于最大化虚拟信干噪比( v s 烈r ) 的预编码方案，讨论了 9 山东大学硕士学位论文 该思路的优异性能，在理论上分析了基于s i n r 和v s i n r 的区别和联系，并给出 了两者相同条件下的仿真分析。 本文还研究了多种常见的线性预编码和非线性预编码方案，提出了一种新的 改进的耵口( t o m l i n s o n h a r a s h i m ap r 以z o d i n g ) 预编码方案，展示了该方案的性能增 益，并引入了二次预编码的概念。 本文还将预编码技术与基站协作和功率分配结合使用，对比了不同的基站协 作方式和功率分配方案，综合分析了多种不同的基于有效反馈预编码的小区问干 扰抑制方案。 1 4 本文结构安排和支撑课题 本论文各部分安排如下： 第一章：绪论。本章主要介绍了针对多小区系统中小区间干扰处理的背景和 现实意义，介绍了干扰抑制技术尤其是预编码技术的研究现状和本文的研究内容。 第二章：多小区系统中小区间干扰及预编码技术概述。本章主要介绍了多小 区系统的主要概念以及无线信道模型，介绍了小区间干扰引起的主要问题，描述 了预编码技术的基本原理和抑制小区间干扰的预编码方案。 第三章：多小区系统中基于v s i n r 的分布式预编码研究。本章主要介绍多小 区系统中的s i n r 和v s i n r 概念、基于v s i n r 的分布式预编码基本架构、实现过 程和性能仿真分析。 第四章：多小区系统中的t h p 预编码技术研究。本章主要介绍了线性预编码 和非线性预编码的概念和特点，介绍了基于m m s e 准则的线性预编码方案的设计 过程，详细阐述了t h p 预编码方案的实现原理，提出了一种新的基于v s i n r 的 t h p 二次预编码方案。 第五章：结论与展望。本章节的内容是对本论文的工作进行了总结，简单归 纳了本文提出方案的优缺点，并对下一步的研究做了展望，提出了将来工作的主 要研究方向。 本文受到国家自然科学基金认知无线电系统中功率控制算法的研究的支 持。 l o 山东大学硕士学位论文 第二章多小区系统中小区间干扰及预编码技术概述 2 1 多小区系统概述 1 9 7 9 年，日本建成了全球第一个蜂窝无线服务系统；1 9 8 3 年，北美完成了 第二个蜂窝无线服务系统。虽然当时的系统依然主要为电话业务服务，但与先前 的i m t s 等无线电话服务系统相比，每个基站的发射功率变得很小，覆盖面积也相 应变小，使得每个基站服务的小区像一个个“蜂窝 ，系统内的频率资源可以得到 重复使用 1 2 】。我们可以这样理解蜂窝系统：系统允许大量的移动用户准确、同时 的以占用有限无线电资源的形式接入小区内的固定基站。数学理论证明，在正六 边形网格平面中，以相同半径的圆去覆盖平面，当圆心位于每个正六边形的圆心 处时，所用的圆的数量最少。因此，由于成本的需要，通常将基站放置在小区中 心，为小区内用户提供通信服务。理论上，通过使蜂窝变小，蜂窝系统可以容纳 的用户就变多。 到了上世纪9 0 年代，蜂窝电话系统开始从模拟调频发射方式向数字化的2 g 系统转变，促使无线通信业务井喷式的发展。这个时期的数字电话对电源的要求 变得更低，使得移动终端的便携性更强，极大地提高了数字电话的通信质量。数 字化方式使得频谱资源利用率大大提升，通信射频频率很快从8 0 0 9 0 0 m h z 提高到 了1 8 0 0 m h z 。显而易见的，频率变高加大了空间传播损耗，使得基站覆盖范围减 少了三分之一的距离。因此对无线服务的主要限制从原先的射频频谱资源转变到 了如何提高信号传输距离、降低误码率。 邻小区干扰的抵抗能力受到严重的影响， 一个亟待解决的问题。 基站覆盖范围的减少使得小区内用户对 如何通过提高小区间干扰抑制技术成为 2 0 0 0 年初，无线网络运营商开始部署第三代无线通信网络，从2 g 到3 g 的网 络转变更多的关注移动终端的使用。这时候，虽然电话语音等传统业务仍占据无 线通信服务的主要份额，但移动终端已经可以通过无线网络实现手机上网，随时 可以接入i n t e m e t ，其功能得到很大的扩展，不再仅仅起到通话的作用了。 此时，人们很快发现，通过无线终端设备进行的网上冲浪等数据应用，需要 的带宽比单纯的语音通话要多得多，但这些数据应用需求对时间的依赖性不是很 山东大学硕士学位论文 强，往往以一种比较随机偶然的状态发生。也就是说，这些新型的数据应用与语 音通话相比，对时间的敏感度要求不高。对于语音通话，轻微的延迟就会给用户 带来很不舒适的感受，而数据应用却对这方面的容忍度较高。因此，延迟的影响 对利用移动终端登陆网站及其他数据应用处于相对比较次要的位置，而带宽的高 需求，频谱资源的有限性再次成为无线网络服务中需要解决的主要问题。 2 1 1 多小区系统模型 图2 1 简单的正六边形多小区模型 图2 1 是一个简单的正六边形网格多小区模型，基站位于各小区中心位置， 每个基站在本小区范围内服务。图中系统采用了7 小区模式，频率复用系数为1 ， 各小区采用相同的频率。图中所示的中心小区在本文中被称为选定小区。在通信 过程中，选定小区内的某个用户除了接收到本小区基站发送的信号，还可以接收 到其他基站发送的信号。 如图2 2 ( a ) 和( b ) 所示，在现实情景中，天线辐射范围不会像图2 1 中展示 的正六边形这么精确，无线通信系统中的小区往往呈现不规则形状，小区相互之 间会有辐射范围的重叠。当移动终端在多小区系统中移动的时候，还会进行着中 心用户与边缘用户两种角色之间的转变。由于每台基站的发射频率都比较小，可 以在相对较短的距离内对工作的频率资源进行再利用。理论分析中经常用到3 小 区复用模式，而现实生活中更常见的频率复用模式还有1 2 小区重复使用和7 小区 重复使用【1 2 】。 1 2 山东大学硕士学位论文 图2 2 ( a ) 多小区系统中的天线辐射范围示意图 甓尊鬯誊童卷卷毫卷 图2 2 ( b ) 多小区系统中的辐射范围交叠示意图 往往在铺设蜂窝网络之前，我们首先需要明确系统采用的复用模式，只有这 样才能更好的估计相邻小区带来的干扰情况。在一般的干扰抑制研究中，通常先 假设所有的信号要大大高于噪声电平，保证工作于相同频率的其他小区内的基站 造成的干扰能受到距离的限制。 在本文的研究中，我们假设只有与选定小区工作于同一频段且离选定小区最 近的邻小区才会造成严重的干扰，距离再远的小区由于信号衰落的因素，使得干 扰信号可以衰减到忽略不计。 如下面的图2 3 所示，每个小区依然用正六边形来表示，基站位于每个小区的 中心。图中的所有小区都已用字母a 、b 、c 标注，标注相同字母的小区使用相同 的频率资源。 山东大学硕士学位论文 c l u s t e rs i z en = 3 图2 3 小区簇数量n = 3 时的多小区分布图 在上图2 3 中我们可以看到，任意一组相邻的a 、b 、c 小区成为一簇，簇的 大小= 3 ，频率重利用距离用d n 表示。我们可以这样理解，每一簇将频率资源 分为了份，簇里面的成员各一份。如果整个频率资源可以用m 个信道来表示的话， 那么每个成员占用的频率为m 个信道。显而易见的，我们可以得出每一簇内的 成员之间没有同频干扰。图中用虚框表示的两层，分别为干扰小区的两层。以标 注a 的小区为例，第一层是离选定小区最近的6 个小区，第二层是离选定小区次 近的1 2 个小区，干扰效果往往随着距离的增大而衰减，在研究中通常只考虑第一 层干扰。小区间的干扰是相互交错的，对于每个小区的干扰都可以这么划分。 从图2 3 中我们可以得出，相互干扰的小区间最短距离也就是频率重利用距离 d n ，通过几何知识，可以得n d n = 、3 j v r ，r 是小区最大半径。由此可见，簇 的容量越小，d n 越小，小区间同频干扰就越剧烈。而在不增加带宽的前提下要想 使小区内用户数量增大，一种重要的方法就是减少簇的大小。因此，由于小区间 干扰的存在，系统容量的扩展受到了严重的制约，小区间干扰抑制技术的研究势 在必行。 如图2 4 、2 5 、2 6 和2 7 所示