無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作波束形成技術(shù).pdf

1、無線接入需求的爆炸式增長(zhǎng)有效促進(jìn)了對(duì)新的高吞吐量，綠色和靈活的無線通信技術(shù)的研究。一般而言，信道衰落和干擾是實(shí)現(xiàn)可靠無線通信的主要障礙。在現(xiàn)有的技術(shù)中，空間分集技術(shù)是一種低成本，有效的消除干擾和對(duì)抗衰落的技術(shù)。傳統(tǒng)上，多輸入多輸出技術(shù)(Multiple-InputandMultiple-Output，MIMO)是依靠安裝在發(fā)送端和接收端的多個(gè)發(fā)射和接收天線來產(chǎn)生空間分集效果。然而在實(shí)際的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，雖然宏基站可以安裝多個(gè)基站，微蜂窩和移

2、動(dòng)終端由于尺寸，復(fù)雜度和成本的限制，往往難以安裝多個(gè)天線。因此通過協(xié)作的方式突破這些限制達(dá)到空間分集的效果便成為了一種有效的替代方案。
　　 在協(xié)作通信系統(tǒng)中，空間中分布式的節(jié)點(diǎn)可以通過協(xié)作形成一個(gè)虛擬的多輸入多輸出系統(tǒng)(VirtualMIMO)，以其巨大的潛力成為傳統(tǒng)MIMO技術(shù)的有效替代方案。通過中繼節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作，信宿可以收到信源發(fā)出信息的多個(gè)副本，從而達(dá)到分集效果，大大提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和能量效率。大量信息論的分析被用于評(píng)估

3、不同的協(xié)作架構(gòu)，然而由于在實(shí)際環(huán)境中實(shí)現(xiàn)這些理論性能將需要極大的復(fù)雜度與時(shí)間延遲。因此如何在設(shè)計(jì)時(shí)將實(shí)際系統(tǒng)的約束考慮在內(nèi)將是一項(xiàng)極大的挑戰(zhàn)并對(duì)工程應(yīng)用有著顯著的意義。
　　 協(xié)作波束形成是一種新的協(xié)作通信方式，其中同步的中繼節(jié)點(diǎn)可以通過放大轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)制形成一個(gè)協(xié)作波束，用來指向期望的接收端，從而獲得能量增益，抑制干擾，提高分集階數(shù)。由于其簡(jiǎn)單有效的特點(diǎn)而獲得了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)協(xié)作波束形成，我們?cè)诎l(fā)射端和接收端都需要一定

4、的信道狀態(tài)信息(ChannelStateInformation，CSI)。然而無線信道的內(nèi)在隨機(jī)性使得信道往往經(jīng)歷時(shí)間，頻率，空間的選擇性衰落。因此獲得無誤差的信道狀態(tài)信息成為工程上的難題。一般說來，我們可以大致認(rèn)為接收端可以通過訓(xùn)練序列獲得較為精確的信道狀態(tài)信息。對(duì)于發(fā)送端，可以通過反饋的方式（例如在慢衰落信道），或者利用上下行信道的互惠性（例如在時(shí)分多址系統(tǒng)中）獲得部分信道狀態(tài)信息。我們根據(jù)不同信道狀態(tài)信息的假設(shè)將其分為兩大類，1）

5、不需要發(fā)送端信道狀態(tài)信息的技術(shù)（如空時(shí)編碼技術(shù)），2）需要全部信道狀態(tài)信息的技術(shù)（如波束形成技術(shù)）。然而實(shí)際系統(tǒng)中更現(xiàn)實(shí)的情況是只有部分信道狀態(tài)信息。因此我們可以利用部分信息來提高原本發(fā)送端不需要信道狀態(tài)信息系統(tǒng)的性能。同時(shí)對(duì)于發(fā)送端需要完整信道狀態(tài)信息的技術(shù)，可以將信道誤差考慮在內(nèi)來使系統(tǒng)對(duì)信道狀態(tài)信息誤差魯棒。
　　 由于信道狀態(tài)信息的不確定性，如何使系統(tǒng)對(duì)參數(shù)誤差魯棒是協(xié)作波束形成中必須考慮的問題。參數(shù)誤差來自多個(gè)方面，如

6、低的訓(xùn)練信噪比，量化，有限的反饋，反饋時(shí)延。基于信道誤差的建模，我們有兩種不同的魯棒分布式波束形成技術(shù)。1）基于最差情況分析的魯棒波束形成技術(shù)。2）基于概率約束下的魯棒波束形成技術(shù)。通常最差情況分析魯棒波束形成技術(shù)不需要知道誤差的概率分布，只需要知道其分布區(qū)間，便可以提供可靠的服務(wù)質(zhì)量。然而由于實(shí)際上最差情況極少發(fā)生，使得這種設(shè)計(jì)往往過于保守，造成不必要的性能損失。另一方面，考慮到我們多通過訓(xùn)練序列的方式獲得信道狀態(tài)信息，受限的信道狀態(tài)

7、信息誤差往往不能反映誤差的真實(shí)分布，只能作為一種近似。為了克服這種缺陷，隨機(jī)模型被引入描述信道狀態(tài)信息的誤差。服務(wù)質(zhì)量可以被置為預(yù)先確定的置信區(qū)間而不是確定的值。然而后一種準(zhǔn)則需要知道CSI誤差的分布，并且與前者相比要復(fù)雜的多。兩種模型的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則都是根據(jù)誤差模型，在保證系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量前提下，最大程度降低系統(tǒng)的功耗。這一類問題一般可以通過凸優(yōu)化的工具解決。即使原問題不是凸問題，但是通過對(duì)優(yōu)化變量，目標(biāo)函數(shù)和約束條件的處理操作，我們往往能將

8、其變?yōu)橥剐问?。目前一個(gè)公認(rèn)的事實(shí)是，一旦一個(gè)問題轉(zhuǎn)換為凸形式，即使不存在閉式解，其也可以被有效最優(yōu)解決，例如通過內(nèi)點(diǎn)法(Interior-Point-Method)。
　　 另外現(xiàn)有的中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)多基于兩跳模型，我們還考慮一個(gè)三跳協(xié)作波束形成網(wǎng)絡(luò)，來對(duì)兩簇中繼節(jié)點(diǎn)的波束形成系數(shù)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。論文的主要貢獻(xiàn)及創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　 1.針對(duì)多中繼協(xié)作波束形成模型，考慮在第二跳鏈路存在高斯分布CSI誤差時(shí)的QoS約束等價(jià)條件。由

9、于原始的優(yōu)化問題不具備凸性，我們對(duì)約束條件進(jìn)行了松弛，進(jìn)而提出一種基于凸優(yōu)化的次優(yōu)解決方法。在此基礎(chǔ)之上，我們又提出了一種基于一維搜索(OneDimensionSearch)與凸優(yōu)化結(jié)合的近最優(yōu)的解法。
　　 2.針對(duì)三跳多中繼網(wǎng)絡(luò)模型，提出了一種基于模擬退火算法的協(xié)作波束形成技術(shù)。我們發(fā)現(xiàn)原始的優(yōu)化問題很難用傳統(tǒng)的優(yōu)化方法解決，因而我們轉(zhuǎn)而利用啟發(fā)式的優(yōu)化算法，即模擬退火(SimulatedAnnealing，SA)的方法來求