向中继传输协议无线通信中的干扰对齐技术干扰对齐的基本原理自由度分析干扰对齐算法干扰对齐在基于扇区天线的蜂窝小区中的应用基于扇区天线的小区模型基于扇区天线的蜂窝小区干扰对齐算法基站动态功率分配性能仿真本章小结第三章基于压缩感知的双向中继信道估计引言压缩感知理论信号的稀疏表示信号的观测信号的重构信道估计信道估计概述传统信道估计算法基于压缩感知的双向中继信道估计双向中继网络的稀疏多径信道模型基于正交匹配追踪的稀疏信道重构性能仿真仿真条件仿真结果与性能分析本章小结第四章干扰对齐与网络编码在双向中继网络中的联合应用引言网络编码技术网络编码概述万方数据基于物理层网络编码的同步双向中继传输基于物理层网络编码的异步双向中继传输放大转发双向中继网络中干扰对齐设计系统模型传输过程发送与接收预编码矩阵设计中继处理矩阵设计与优化传统的迫零设计方法基于最大可达和速率的中继处理矩阵优化方案性能仿真自由度分析由于可以利用网络编码对多路数据进行编码合并，在频谱利用率上较单向中继传输协议体现出了更大的优势。为了获得更高的系统吞吐性能，很多研究都是在下展开的。目前，双向中继传输协议主要分为传统的双向中继协议，协议和协议。传统的双向中继协议实现最为简单，但传输效率最低。协议和协议通过利用技术对双向的数据流进行编码合并，可以获得比传统的双向中继协议更高的传输效率。由于编码方式的不同，在等人提出的网络编码方案中，协议通过将通信过程分为多址接入阶段和广播阶段，可以实现个时隙就完成两个端节点之间的次信息交换，而协议的信息交换的个周期为个时隙，因而协议较协议而言，系统传输效率的更高，双向中继通信系统的个经典模型是两节点通过中间的个半双工的中继节点实现信息的互换，两节点之间没有直达链路。如图所示，模型由端节点和，以及个中继节点组成。图双向中继系统经典模型其中，参数，分别表示终端和到中继的信道状态。根据以上假设，各条链路上的信道增益，。本文中，我们假设信道特性为准静态的，且具有互易性，即，。在双向中继系统的传输过程中，假设节点要发送的比特序列为，要发送的比特序列为，和的长度均为。经过信道编码和信号调制，和被映射成长度为的符号序列和后发送出去，其元素和都是满足均值为，方差为的复变量。万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线通信中的中继技术与干扰对齐双向中继传输协议解码转发协议协议的传输流程如图所示。图中继协议的传输示意图中继节点在时隙和时隙分别收到来自和的发送信号可以表示为𝒀𝒓𝟏𝑃𝑟𝒉𝟏𝑿𝟏𝑵𝒓𝒀𝒓𝟐𝑃𝑟𝒉𝟐𝑿𝟐𝑵𝒓其中，表示在中继端引入的加性高斯白噪声，每个符号的发送功率为。中继节点对收到的信号分别进行信号解调和信道译码后得到和。在第三时隙，中继节点先做异或操作⊕，再经过信道编码以及信号调制后将广播给和节点。那么，和节点接收到的信号分别为𝒀𝟏𝑃𝑟𝒉𝟏𝑿𝒓𝑵𝟏𝒀𝟐𝑃𝑟𝒉𝟐𝑿𝒓𝑵𝟐其中分别表示和端引入的加性高斯白噪声。和节点对收到的信号进行信号解调和信道译码后可以检测出中继发送的比特序列。由于节点知道自己发送的比特序列，因此通过计算可以得到节点发送给它的信息序列⊕，同理，节点也可以获得发送给它的信息序列⊕。以上三步就构成了协议的个周期。概括而言，在协议的传输过程中，和首先将自己的比特序列在前两个步骤内分别发送给中继节点，通过操作将检测到的万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线通信中的中继技术与干扰对齐两个比特序列合并后在第三个步骤内广播给和。由于和保存了自己发送的比特序列，因此可以通过计算得到对方发送的比特序列。协议用了个步骤来完成两个节点的信息交换，因此其传输效率为。放大转发协议协议的传输如图所示。图中继协议的传输示意图在第时隙和同时将符号序列和发送给中继，每个符号的发送功率分别为和。收到的信号可以表示为𝒀𝒓𝑃𝒉𝟏𝑿𝟏𝑃𝒉𝟐𝑿𝟐𝑵𝒓在第二时隙中继对接收的复信号进行倍放大后再广播给和。此时，和接收到的信号分别为𝒀𝟏𝛼𝒉𝟏𝒀𝒓𝑵𝟏𝒀𝟐𝛼𝒉𝟐𝒀𝒓𝑵𝟐假设所有的节点都知道所有的，接收端和从接收到的信号中消除自己发送的信号所带来的干扰，则接收到的对方发送的信号为𝒀̅𝟏𝛼𝑃𝒉𝟏𝒉𝟐𝑿𝟐𝛼𝑵𝒓𝑵𝟏万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线通信中的中继技术与干扰对齐𝒀̅𝟐𝛼𝑃𝒉𝟐𝒉𝟏𝑿𝟏𝛼𝑵𝒓𝑵𝟐最后，和节点经过信号解调与信道译码后可以分别获得符号序列和，如此便完成了协议的个周期。协议通过在中继端将两个节点同时发送的信号直接叠加后再广播出去，因而比协议少个步骤，即在个步骤内就完成节点之间的信息互换，因此其传输效率可以达到。无线通信中的干扰对齐技术干扰对齐的基本原理根据适用信道类型的不同，干扰对齐可以分为两大类类是基于信号空间的干扰对齐，适用于时变信道或频率选择性信道。这类干扰对齐算法的原理是通过将多个用户的干扰信号对准到同个接收信号的子空间称为干扰子空间，并保持干扰子空间与期望信号子空间的线性独立，从而减少对期望信号的干扰。另类是基于信号编码级的干扰对齐，考虑在编码处直接将信号校准对齐，这类算法主要应用于恒参信道。假设干扰信号与有用信号具有相同的强度，此时想要消除干扰必须通过信道正交化来实现，比如或。传统的干扰消除方法，当不存在干扰时，信道容量为，自由度为。如果存在个用户，容量就将会减小到，自由度也变成。然而基于信号空间的干扰对齐，对于个用户的情况，总的自由度将变为。自由度分析文献给出了干扰网络的定义目前，许多文献已经研究得出了各种无线场景下的，文献与中分析了两用户干扰信道在用户间不共享信息的情况下的。文献和指出了在共享部分信道信息条件下信道的。在不共享信道信息条件下，文献给出了用户干扰信道模型的。文献研究了干扰信道中个用户总的自由度，得出干扰对齐技术在高信噪比情况下，用户数量越多，系统的自由度越高。万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线通信中的中继技术与干扰对齐干扰对齐算法干扰对齐可以分为空域干扰对齐时域干扰对齐频域干扰对齐和码域干扰对齐等各种形式。基于时延的干扰对齐基于时延的用户干扰信道模型如图所示，在每个信道都对时延进行了调整，令期望信号的时延为个符号周期，而干扰信号的时延等于两个符号周期。此时在第个接收端接收到的信息可以表示为其中，表示在第个符号周期发送端传输的符号，接收端引入了均值为，方差为的加性高斯白噪声，所有的信号数据均为复数。每个发送端的发送功率满足，，。我们以接收端为例，在偶数时隙接收到的是发送端发送的数据，在奇数时隙则是发送端和发送的信号的叠加，对于接收端而言，这个叠加信号就是干扰信号。因此，只需要在偶数时隙进行解调解码就可以获取自己期望的信号。因此，每个用户可以在半的时间内得到完全无干扰的信号。此时，按照定义，每个用户的可以传输速率为。系统总的可达和速率可以达到，其中为发射功率。图基于时延的干扰对齐万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线通信中的中继技术与干扰对齐基于空域的干扰对齐空域的干扰对齐般是通过波束成形将干扰信号对齐到同个信号空间。考虑个，即小区的场景。在个符号扩展中可以获得的自由度为，则每个符号的自由度达到，当足够大时，可以达到自由度的上界。图基于空域的干扰对齐用户由两个相互独立的波束成形向量𝒗𝟏𝟏和𝒗𝟐𝟏得到两维的数据流，用户和用户分别通过波束成形向量𝒗𝟐和𝒗𝟑得到维数据流。在接收端，将来自用户和的信号即干扰信号进行对齐，得到𝑯𝟏𝟐𝒗𝟐𝑯𝟏𝟑𝒗𝟑令𝒗𝟐为维的单位向量，则通过计算可以求得𝒗𝟑𝒗𝟑𝑯𝟏𝟑−𝟏𝑯𝟏𝟐𝑰𝟑𝟏在接收端处，将来自用户的干扰和用户的其中维干扰信号进行对齐，即𝑯𝟐𝟑𝒗𝟑𝑯𝟐𝟏𝒗𝟏𝟏万方数据单位代码密级硕士学位论文论文题目双向中继网络中干扰对齐及压缩感知技术研究袁文文郑宝玉教授信号与信息处理无线通信与信号处理技术工学硕士年月学号姓名导师学科专业研究方向申请学位类别论文提交日期万方数据万方数据南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担切相关的法律责任。南京邮电大学学位论文使用授权声明本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档允许论文被查阅和借阅可以将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扫描等复制手段保存汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相致。论文的公布包括刊登授权南京邮电大学研究生院办理。涉密学位论文在解密后适用本授权书。研究生签名日期研究生签名导师签名日期万方数据摘要无线中继是在不增加基站数目的前提下，有效扩大覆盖范围的种技术。通过利用网络编码，双向中继协议可获得比单向中继协议更高的频谱效率。考虑到放大转发双向中继传输的低复杂度和高效的传输效率，本文研究的场景建立在放大转发双向中继网络，之上。为了在中追求更高的信道容量，需要有效地降低乃至消除用户间的干扰这个制约容量的重要因素。干扰对齐，作为干扰管理研究的新方向，可以有效降低网络中用户间的干扰，提高系统性能。要实现，各节点需要知道信道状态信息，这点可以通过信道估计来获得。基于压缩感知，的稀疏多径信道估计方法相比于传统的信道估计方法，可以充分利用放大转发双向中继信道，的稀疏多经结构，大大提高系统资源利用率。论文的主要内容如下第，利用对进行信道估计。首先将的信道估计问题转换到点到点的信道估计问题上来。然后对转换后形成的级联卷积信道用正交匹配追踪算法，进行信道估计。文中设计的方法相比于传统的信道估计方法，可