超密集无线网络空域协同波束形成研究

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针对移动互联网业务的迅猛发展对未来移动通信系统所提出的更高传输质量与系统容量的要求,未来无线通信网络需要研究新的网络体系架构,来满足日益增长的移动互联业务量。而在宏基站覆盖区域内,高密度地部署各类低功率无线节点的超密集网络(Ultra-Dense Networks,UDN)通过减小覆盖小区半径来显著的提高频谱资源的空间复用率,成为支持移动互联业务量不断增长的关键技术。但UDN无线网络的密集部署使得网络节点更接近用户端,导致小区结构微型化并带来更严重的区间干扰。因此,干扰成为限制UDN通信系统吞吐量的主要因素,为有效抑制干扰提高UDN系统容量,并进一步改善系统性能,本文主要研究以下几个方面的内容:  首先,为更好的分析UDN无线网络的性能,本文以用户为中心创建动态协作基站簇,并在该动态协作簇的基础上提出一种抑制干扰的空域协同波束形成方法。通过对UDN协同波束形成优化模型的分析,采用凸优化方法从理论上获得最优协同波束形成器的通用表达式;进一步,针对此最优协同波束形成器在工程中难以实现的局限性,提出由信号泄漏噪声比(SLNR)波束形成导向矢量和最优功率分配构成的次优波束形成器来逼近理论最优容量。仿真结果表明,所提出的UDN次优空域协同波束形成器能够实现小区间干扰消除与系统容量的提升。  然后,基于对空域协同波束形成方法的研究,将其推广到多载波系统中,进一步提升UDN无线通信系统的抗干扰能力和频谱率用率。首先,通过对多载波通信系统的分析构建协同波束形成数学模型;然后,根据提出的线性次优波束形成器求解多载波系统的有效波束形成矢量。仿真结果表明,所提出的UDN空域协同波束形成方法同样适用于多载波系统,且进一步提高了UDN无线通信网络的抗干扰能力和系统容量。  最后,为进一步改善UDN无线网络性能,考虑实际波束形成系统中收发信机射频损伤对UDN性能的影响,提出一种同时考虑收发信机射频损伤的协同波束形成方法。基于此建立了UDN协同波束形成模型,并利用凸优化方法求解得到其最优解;进一步,针对此最优解的结构特征,结合其在实际波束形成系统中难以实现的局限,由设计的线性次优波束形成器求得次优解。仿真结果表明,计及收发信机射频损伤的协同波束形成器能够有效地降低干扰提高超密集网络的系统容量。
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