協(xié)作波束成形及多用戶MIMO技術(shù)研究.pdf

1、多天線系統(tǒng)在現(xiàn)代無線通信網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛應(yīng)用。而波束成形技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)多天線系統(tǒng)增益的關(guān)鍵方法之一。隨著協(xié)作通信及多用戶MIMO(multiple-inputmultiple-output)系統(tǒng)的提出，協(xié)作中繼波束成形技術(shù)與多用戶下行鏈路多組多播波束成形技術(shù)已成為近年來通信、信號處理等多個領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。同時，隨著系統(tǒng)用戶數(shù)目的增多及移動數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)規(guī)模的擴(kuò)大，傳統(tǒng)多用戶MIMO系統(tǒng)面臨著巨大挑戰(zhàn)。而大規(guī)模天線技術(shù)(massive MIM

2、O)則成為解決這些挑戰(zhàn)最為有效的方法。在大規(guī)模天線多用戶MIMO系統(tǒng)中，我們可以通過增加基站配置的天線數(shù)目使得通信系統(tǒng)具有更高的頻譜和功率效率。因此，這一技術(shù)在近年來受到廣泛關(guān)注。
　　本論文圍繞上述三個重要的物理層技術(shù)展開，著重研究了:協(xié)作中繼波束成形技術(shù)在兩跳與分層多跳中繼網(wǎng)絡(luò)中基于接收信噪比準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)與性能分析問題;多用戶MIMO系統(tǒng)下行鏈路中基于用戶公平性和傳輸魯棒性的波束成形設(shè)計(jì)問題以及大規(guī)模天線多用戶MIMO系統(tǒng)中上行

3、鏈路導(dǎo)頻傳輸方案設(shè)計(jì)及相應(yīng)的下行鏈路導(dǎo)頻污染預(yù)編碼方案的設(shè)計(jì)與系統(tǒng)性能分析。本文的主要工作可以概括為以下四個部分:
　　第一部分，我們研究了基于放大一轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)作波束成形在兩跳中繼網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)計(jì)問題。我們首先考察當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中僅有單個信源節(jié)點(diǎn)的情形并在信宿節(jié)點(diǎn)接收信噪比最大化準(zhǔn)則下給出了當(dāng)多個中繼節(jié)點(diǎn)引入等效噪聲具有相關(guān)性且中繼節(jié)點(diǎn)受到獨(dú)立最大發(fā)送功率約束條件下的最優(yōu)協(xié)作波束成形方案。理論證明顯示當(dāng)中繼采用所得到的最優(yōu)協(xié)作波束成形方案時，中

4、繼噪聲相關(guān)性總可以提升網(wǎng)絡(luò)平均傳輸速率。接下去我們考察當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中具有多個信源節(jié)點(diǎn)的情形并給出了該中繼網(wǎng)絡(luò)在采用協(xié)作波束成形方案時可達(dá)速率區(qū)域的完整刻畫方法。
　　第二部分，我們將協(xié)作中繼波束成形方案的設(shè)計(jì)推廣至一個分層多跳中繼網(wǎng)絡(luò)中。此時，在信宿節(jié)點(diǎn)接收信噪比最大化準(zhǔn)則和獨(dú)立中繼發(fā)送功率約束下建立出的多層聯(lián)合協(xié)作波束成形優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個困難問題。我們給出了兩種多項(xiàng)式時間可解的逐層中繼波束成形優(yōu)化算法。第一種設(shè)計(jì)方法采用了交替優(yōu)化的思想

5、。在該算法的每一步迭代中，多層中繼波束成形聯(lián)合優(yōu)化問題被限制成一個單層中繼波束成形優(yōu)化問題。該問題可以被等價轉(zhuǎn)化為一個凸二階錐規(guī)劃在多項(xiàng)式時間內(nèi)求解。理論證明顯示該方案在廣義高信噪比域下是漸進(jìn)最優(yōu)的。第二個設(shè)計(jì)方法采用了逐層和速率最大化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在這一準(zhǔn)則下，每一層中繼波束成形方案的選擇以最大化其相鄰下層節(jié)點(diǎn)的等效和速率為目標(biāo)。在這一準(zhǔn)則下建立出的單層中繼波束成形優(yōu)化問題可以通過一種連續(xù)凸近似的迭代算法近似求解。理論證明表明連續(xù)凸近似算

6、法可以收斂至逐層和速率最大化問題的一個局部最優(yōu)解。最后，數(shù)值仿真驗(yàn)證了所提出的設(shè)計(jì)方法能夠得到比現(xiàn)有方案更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率。
　　第三部分，我們著重研究了蜂窩通信中多用戶MIMO下行鏈路多組多播波束成形設(shè)計(jì)問題。在假設(shè)基站完全已知所有下行鏈路信道狀態(tài)信息時，我們采用基于用戶公平性的最大-最小化波束成形設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。由于在一般情況下，單組多播波束成形設(shè)計(jì)問題已經(jīng)被證明是NP-困難的。因此，我們給出了一種基于半定松弛的Dinkelbach

7、-型算法與一種基于凸二次約束二次規(guī)劃的連續(xù)凸近似算法近似求解所建立的多組多播波束成形優(yōu)化問題。當(dāng)基站無法完全獲得信道狀態(tài)信息時，我們采用用戶接收SINR約束下系統(tǒng)發(fā)送總功率最小化模型進(jìn)行下行鏈路波束成形方案設(shè)計(jì)并提出一種具有魯棒性的聯(lián)合Alamouti空時編碼的秩-2波束成形方案以進(jìn)一步提高波束成形方案設(shè)計(jì)的自由度并獲得更高的分集增益。S-Lemma與半定松弛的方法被應(yīng)用于求解數(shù)學(xué)建模出的優(yōu)化問題。最后，我們給出了通過求解半定松弛方法得

8、到的優(yōu)化問題能夠得到秩-2最優(yōu)解的充分條件。數(shù)值仿真展示了所提出方案較傳統(tǒng)方案在相同SINR門限值下有更高的系統(tǒng)可行比例。
　　第四部分，我們研究了大規(guī)模天線多用戶MIMO系統(tǒng)中一個最為關(guān)鍵的問題一一導(dǎo)頻污染問題的解決方案。通過時分雙工操作，基站可以利用上下行鏈路信道對稱性由上行鏈路信道估計(jì)來獲得下行鏈路信道狀態(tài)信息。但是由于信道相關(guān)時間有限，用戶才能選擇的正交訓(xùn)練序列的數(shù)目也相應(yīng)受到限制。因此，系統(tǒng)中不同用戶可能會采用相同的導(dǎo)頻