非理想CSI情形下中繼-多小區(qū)MIMO系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、中繼 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多輸入多輸出）技術(shù)結(jié)合 MIMO技術(shù)和中繼技術(shù)的優(yōu)勢，能夠進一步提高系統(tǒng)頻譜效率、鏈路可靠性和小區(qū)覆蓋范圍，是未來無線通信提供熱點覆蓋的一種有效手段。多小區(qū)MIMO技術(shù)通過多個M IM O節(jié)點在backhaul鏈路上協(xié)作，能夠有效抵抗小區(qū)間干擾、提高系統(tǒng)和邊緣用戶頻譜效率，并能夠擴大系統(tǒng)覆蓋范圍，是未來無線通信提供廣域覆蓋的一種有效手段。上述兩種增強覆蓋技術(shù)已

2、經(jīng)成為無線通信領(lǐng)域的重要研究熱點?；诎l(fā)送端獲取的信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI),中繼/多小區(qū)MIMO系統(tǒng)性能可以得到顯著提升。然而，由于無線信道的時變性、信道估計的準(zhǔn)確性和反饋信道的可靠性等因素，發(fā)送端并不能獲得理想的CSI。因此，對非理想C S I情形下中繼/多小區(qū)M IM O系統(tǒng)中的相關(guān)技術(shù)進行深入研究不僅是必要的，而且具有實際應(yīng)用價值。論文具體研究內(nèi)容和主要貢獻如下：
　　針對頻

3、分雙工（Frequency Division Duplex，F(xiàn)DD)單用戶空分復(fù)用放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify-and-Forward，AF) MIMO中繼系統(tǒng)中的有限反饋聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計問題，提出了包括性能優(yōu)化準(zhǔn)則、碼字選擇方案和碼本設(shè)計方法等一整套實際解決方案。該方案中提出的最大化最小后處理信干噪比（Signal-to-Interference and Noise Ratio，SINR)性能優(yōu)化準(zhǔn)則能保證獲得最佳的BER(Bit Erro

4、r Rate,誤比特率）性能。在該優(yōu)化準(zhǔn)則基礎(chǔ)上，提出了一種最優(yōu)和一種次優(yōu)聯(lián)合預(yù)編碼結(jié)構(gòu)，并基于次優(yōu)結(jié)構(gòu)提出了一種實用的有限反饋聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計方案。針對碼字選擇方案需計算所有子流SINR最小值所帶來的高復(fù)雜度問題，推導(dǎo)出了該SINR的下界，并基于該SINR下界提出了依賴于兩跳信道、位于目的節(jié)點的聯(lián)合碼字選擇方案，該方案具有最優(yōu)的性能。針對聯(lián)合碼字選擇方案復(fù)雜度高和反饋時延大的問題，提出了位于中繼和目的節(jié)點可同時執(zhí)行的獨立碼字選擇方案，該

5、方案在顯著降低反饋時延和運算復(fù)雜度的同時具有與聯(lián)合碼字選擇方案相近的BER性能。為進一步提高系統(tǒng)BER性能，提出了一種相比GSP(Grassmannian Subspace Packing，Grassmannian子空間包裝）具有更好弦距性質(zhì)的GLA(Generalized Lloyd Algorithm,廣義 Lloyd算法）碼本構(gòu)造方法。
　　針對時分雙工（Time Division Duplex，TDD)多用戶AF MIMO

6、中繼下行鏈路系統(tǒng)中的魯棒聯(lián)合收發(fā)機設(shè)計問題，為適用于基站僅知第一跳CSI而中繼已知兩跳CSI的實際應(yīng)用場景，提出了一種能有效對抗信道估計誤差和TDD互易延遲影響的次優(yōu)SVD-SMSE聯(lián)合魯棒設(shè)計方案。針對基站預(yù)編碼器設(shè)計，采用了基于第一跳信道奇異值分解（Singular Value Decomposition，SVD)的波束成形方案和對CSI誤差魯棒的等功率分配方案，避免了第二跳CSI的反饋開銷。針對中繼轉(zhuǎn)發(fā)矩陣和用戶均衡器的設(shè)計，建立

7、了給定中繼總發(fā)送功率約束下最小化和均方誤差（Sum Mean Square Error，SMSE)的聯(lián)合魯棒設(shè)計問題，并利用KKT(Karush-Kuhn-Tucker)條件給出了閉式解。仿真驗證了所提次優(yōu)方案的有效性和魯棒性。
　　針對TDD分布式AF MIMO中繼輔助多用戶對等通信系統(tǒng)中的魯棒中繼波束成形設(shè)計問題，基于SINR性能度量，首先提出了能有效對抗統(tǒng)計CSI誤差影響的兩種最優(yōu)魯棒設(shè)計方案：（1)從公平性角度出發(fā)，在中繼

8、總發(fā)送功率約束下實現(xiàn)多個目的節(jié)點間的SINR平衡；（2)從有效性角度出發(fā)，在保證目的節(jié)點QoS(Quality of Service,服務(wù)質(zhì)量）需求（SINR大于門限）條件下最小化中繼總發(fā)送功率?；诎攵ㄋ沙冢⊿emidefinite Relaxation，SDR)思想，將上述NP-hard問題轉(zhuǎn)化為能應(yīng)用內(nèi)點法有效求解的半定規(guī)劃（SemidefiniteProgram，SDP)問題?？紤]到上述SDP問題的運算復(fù)雜度與中繼天線數(shù)目呈4次

9、冪增長關(guān)系，通過將迫零(Zero-Forcing，ZF)約束應(yīng)用到波束成形矢量設(shè)計中，進一步提出了與上述最優(yōu)設(shè)計相對應(yīng)的、能顯著降低運算復(fù)雜度的兩種次優(yōu)魯棒設(shè)計方案。仿真驗證了所提設(shè)計方案的魯棒性和有效性。此外，仿真結(jié)果提供了選擇具體魯棒波束成形設(shè)計的指導(dǎo)方針，該方針由中繼天線數(shù)目和CSI誤差大小決定。
　　針對FDD有限反饋分簇協(xié)作多小區(qū)傳輸系統(tǒng)，提出了一種聯(lián)合用戶反饋比特分配和基站功率分配策略，解決了傳統(tǒng)反饋比特分配策略僅使用

10、等功率分配而無法獲得宏分集的問題?？紤]到平均和速率表達式不易于分析，采用了一個修正性能度量一虛擬和速率來減輕推導(dǎo)和分析的困難?；谕茖?dǎo)得到的虛擬SINR下界，在每用戶總反饋比特數(shù)目一定和每基站總發(fā)送功率一定的約束下，建立了一種最大化虛擬和速率下界的聯(lián)合反饋比特分配和功率分配優(yōu)化問題。針對反饋比特分配和功率分配之間的緊密耦合問題，提出利用協(xié)調(diào)上升搜索方法來交替迭代求解反饋比特分配子問題和功率分配子問題，并針對兩個子問題分別給出了一種注水閉