互连蜂窝系统中基于对齐的干扰管理关键技术研究

以第四代移动通信系统为背景，围绕如何降低干扰以提高蜂窝系统容量的科学问题，考虑现代蜂窝系统基于互连架构与多载波多天线的基本特征，针对已有干扰管理方法在性能上的不足，引入信息论领域新近提出的干扰对齐思想，探索如何将该思想应用于蜂窝系统中的方法，并深入开展互连蜂窝系统中基于对齐的干扰管理方案研究。具体来说，从能描述互连多载波多天线蜂窝系统中干扰现象的数学模型出发，以矩阵与优化理论为主要数学工具，按照从核心向外围逐步扩展的工作路线，研究设计基于码书的分布式自适应干扰对齐方案，研究设计相邻小区基站间接口协议，研究设计基于对齐的完整干扰管理方案，并对设计方案的性能与复杂度进行充分评估。通过上述研究工作，期望可以突破蜂窝系统中由于干扰造成的性能瓶颈，实现蜂窝系统容量的成倍提高，从而从根本上解决蜂窝系统中的干扰问题，并为新一代蜂窝系统设计开辟新思路提供可靠的理论基础与依据。

本课题围绕互联蜂窝系统中的干扰管理与无线资源分配问题开展研究工作，在分布式最大匹配、分布式最大独立集、多用户多天线调度等方面取得研究成果，共发表论文14篇，其中SCI检索论文2篇，EI检索论文12篇，申请发明专利3项，分别简介如下。首先，在分布式最大权匹配算法方面，分析了在一般图中运行信念传播算法可能有振荡与不确定两种现象，从而导致其无法收敛或收敛至不正确解。其中，振荡是由于计算过程中可能产生奇圈造成的，而不确定则一定会产生奇圈。基于上述分析，在信念传播算法基础上，提出了一种分布式检测奇圈并进行处理的改进新算法。仿真结果表明，新算法能够克服已有算法的振荡与不确定现象，能够收敛至最优解或非常接近于最优解的正确解，具有良好的性能。第二，在分布式最大权独立集算法方面，将前述最大权匹配分布式算法的思路应用于NP难解的最大权独立集问题，以基于最大乘信用传播的分布式算法为框架，利用相邻节点之间已知的局部拓扑信息，启发式地提出一种新的相邻节点间交换消息的计算方法以及相应的分布式最大权独立集算法。仿真结果表明，该算法摆脱了已有算法对图必须是树或者二部图的要求，且权和性能接近最优解，性能优于已有的分布式算法。第三，在多天线多用户调度方面，研究了只根据统计信道信息对下行多用户多天线系统进行用户分组调度和统计特征模式传输的方案，根据平均每组和速率最大准则，提出了基于Munkres的用户分配算法，以及顺序迭代分离方法将不适合多用户传输的用户切换为单用户传输模式。仿真结果表明该方法与传统的最大最小和穷举等方法相比，提高了平均每组和速率和加快了用户分组速度。第四，在多天线多用户调度方面，还考虑了下行异构高发送相关性信道的场景，提出了两种统计信道状态信息辅助的比例公平调度方案，即基于信噪比的比例公平调度方案，该方案利用统计信道信息决定波束成形矢量和比例公平系数，并且每时隙只反馈瞬时信道质量,不需要反馈其相应的预编码矩阵索引，只需要很少的反馈开销和较低的计算复杂度，但性能却接近于传统的基于码本的比例公平调度方案，可以很好的实现系统吞吐量和公平性的折中，然后又在该方案中引入门限机制，通过设置合理门限去限制信道质量差的用户反馈，并通过利用有序统计和概率统计推导了该方案的近似速率理论解析表达式。上述研究算法将为解决互联蜂窝系统中的分布式无线资源分配问题起重要作用。