無(wú)線通信系統(tǒng)中的自適應(yīng)與協(xié)作波束形成技術(shù)研究.pdf

1、當(dāng)前3G無(wú)線通信系統(tǒng)已經(jīng)大規(guī)模商用，然而其性能仍然無(wú)法滿足用戶對(duì)無(wú)線業(yè)務(wù)日益增加的需求。頻譜資源的稀缺給無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展提出了更迫切的要求。為滿足用戶多樣性的無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要求，需要下一代4G無(wú)線通信系統(tǒng)具有更高的系統(tǒng)容量和頻譜效率。多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)通過(guò)在收發(fā)端裝配多天線將無(wú)線信道拓展到空域，可以在不增加帶寬和發(fā)射功率資源的前提下，極大的提高數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜利用率，因此已經(jīng)成為4G無(wú)線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。但由于體積、能耗

2、和成本等條件限制，很難在用戶端裝備多天線，因而提出協(xié)作通信的概念。協(xié)作通信系統(tǒng)中，各用戶不但傳輸自己的數(shù)據(jù)，還同時(shí)作為中繼節(jié)點(diǎn)輔助其它用戶的任務(wù)。
　　 本論文主要針對(duì)MIMO系統(tǒng)和協(xié)作通信系統(tǒng)中的波束形成技術(shù)進(jìn)行研究，內(nèi)容包括MIMO系統(tǒng)中的自適應(yīng)波束形成技術(shù)、多用戶MISO系統(tǒng)中的自適應(yīng)下行鏈路波束形成技術(shù)、多跳多中繼無(wú)線通信系統(tǒng)中的協(xié)作波束形成技術(shù)和多源多目標(biāo)中繼通信系統(tǒng)中的魯棒協(xié)作波束形成技術(shù)。
　　 論文對(duì)無(wú)線

3、通信技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行綜述，分析了波束形成技術(shù)在無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用需求，在給出了幾種傳統(tǒng)波束形成算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程后提出了不同的波束形成方案。論文的主要貢獻(xiàn)：
　　 1.針對(duì)MIMO系統(tǒng)中的特征波束形成問(wèn)題，提出了一種基于子空間跟蹤技術(shù)的自適應(yīng)波束形成方法。新方法通過(guò)對(duì)隨機(jī)初值進(jìn)行迭代更新，在無(wú)需對(duì)信道矩陣進(jìn)行特征值或奇異值分解的前提下，完成對(duì)MIMO系統(tǒng)中發(fā)射和接收特征波束形成矢量的精確估計(jì)，有效降低了系統(tǒng)耗費(fèi)。此外，根據(jù)新方法的特

4、點(diǎn)，結(jié)合子信道選擇算法選取出使得累加信道容量最大的信道子集進(jìn)行傳輸，進(jìn)一步提高了MIMO系統(tǒng)的性能。仿真結(jié)果證實(shí)，新方法應(yīng)用到MIMO系統(tǒng)中獲得了比傳統(tǒng)特征波束形成方法更高的系統(tǒng)容量和更好的誤碼率性能。
　　 2.針對(duì)多用戶MISO系統(tǒng)的下行鏈路波束形成進(jìn)行研究，提出了一種低復(fù)雜度的自適應(yīng)波束形成方法。文中提出的方法與用戶選擇策略相結(jié)合，在選取出合適的用戶子集后，通過(guò)基于冪迭代法的子空間跟蹤技術(shù)對(duì)信道矩陣的左右奇異矩陣和奇異值進(jìn)

5、行精確估計(jì)。從而在無(wú)需對(duì)信道矩陣進(jìn)行奇異值分解或求逆運(yùn)算的前提下，獲得最優(yōu)波束形成矢量。由于新方法僅僅需要包含矩陣乘和矩陣加等運(yùn)算的迭代計(jì)算，較傳統(tǒng)波束形成算法具有更低的復(fù)雜度。
　　 3.對(duì)多跳多中繼無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作波束形成技術(shù)進(jìn)行研究。在基于放大轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的三跳協(xié)作通信系統(tǒng)中，對(duì)兩個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)簇的協(xié)作波束形成矢量進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，以求在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)獲得最大的接收信噪比。在CSI完全已知的情況下，首先將聯(lián)合優(yōu)化的問(wèn)題簡(jiǎn)化為單個(gè)變量的優(yōu)化問(wèn)

6、題，然后提出了幾種不同的協(xié)作波束矢量設(shè)計(jì)方法。一是將原始優(yōu)化問(wèn)題變化維實(shí)數(shù)域上的無(wú)約束最小化問(wèn)題求得最優(yōu)解，二是利用子空間平均技術(shù)對(duì)原始優(yōu)化問(wèn)題中的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行近似，然后求得次優(yōu)的閉式解。三是應(yīng)用半正定規(guī)劃方法求解獲得協(xié)作波束形成矢量的次優(yōu)解，并結(jié)合對(duì)分搜索算法加以改進(jìn)。仿真結(jié)果表明，提出的協(xié)作波束形成方法可以取得明顯優(yōu)于固定放大增益中繼策略的接收信噪比。
　　 4.對(duì)多源多目標(biāo)節(jié)點(diǎn)中繼通信系統(tǒng)中的協(xié)作波束形成技術(shù)進(jìn)行研究。提出