多用戶MIMO中繼系統(tǒng)中的收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)研究.pdf

1、多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)利用收發(fā)端配置的多根天線，可以在不額外增加帶寬和功率的情況下以更高的頻譜利用率實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定可靠的信息傳輸。它也因此被認(rèn)為是能夠滿足日益增長(zhǎng)的高速率、高質(zhì)量無線通信需求的關(guān)鍵技術(shù)之一。另一方面，中繼技術(shù)通過節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)作完成信息傳輸，能夠有效地提升系統(tǒng)吞吐量、節(jié)省發(fā)射功率和擴(kuò)大覆蓋范圍，已成為L(zhǎng)TE-Advanced、IEEE802.16m等諸多無線標(biāo)準(zhǔn)中具有較好發(fā)展前景的技術(shù)。顯然，MIMO和中繼的結(jié)合將是未來

2、無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，而利用已知的信道狀態(tài)信息進(jìn)行MIMO中繼的收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)可以充分發(fā)揮兩種技術(shù)的特點(diǎn)，進(jìn)一步提高傳輸?shù)挠行院涂煽啃?。因此，本文以未來無線通信系統(tǒng)中的（點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)）多用戶MIMO中繼模型為對(duì)象，針對(duì)不同信道狀態(tài)信息條件下的收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)展開深入研究，以挖掘MIMO中繼能夠帶來的性能增益。主要工作和貢獻(xiàn)如下:
　　1)在理想信道狀態(tài)信息條件下，研究基于不同優(yōu)化準(zhǔn)則的收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)。以總均方誤差最小化為準(zhǔn)則，通過改進(jìn)收發(fā)機(jī)

3、結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)出Lagrange乘子和收發(fā)機(jī)信號(hào)處理矩陣的解析形式，并提出交替迭代算法進(jìn)行收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)。它克服了傳統(tǒng)收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)下Lagrange乘子只能使用數(shù)值搜索計(jì)算，且解可能不唯一的缺點(diǎn)。與現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案相比，新方案能夠以較低的計(jì)算復(fù)雜度得到相近的系統(tǒng)性能，更具實(shí)用性。以加權(quán)和速率最大化為準(zhǔn)則，構(gòu)造等價(jià)的加權(quán)總均方誤差最小化問題，并將其表示成關(guān)于不同矩陣變量的凸子問題，提出交替迭代算法得到收發(fā)機(jī)的局部最優(yōu)解。研究結(jié)果表明，新方案的和速率性能

4、要優(yōu)于現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案。此外，假設(shè)節(jié)點(diǎn)以最大功率發(fā)射信號(hào)，通過分析加權(quán)和速率與加權(quán)總均方誤差的微分，建立了二者梯度算子間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。推導(dǎo)出上述優(yōu)化準(zhǔn)則下各矩陣變量的梯度算子，并使用梯度下降算法進(jìn)行收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)。
　　2)在統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息條件下，研究以總均方誤差最小化為準(zhǔn)則的魯棒收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)，提出了適合于不同應(yīng)用場(chǎng)景的設(shè)計(jì)方案。第一種方案將優(yōu)化問題表示成關(guān)于不同矩陣變量的子問題并證明其凸性，通過交替迭代求解得到收發(fā)機(jī)的局部最優(yōu)解。第二種方

5、案通過證明總均方誤差的分解特性，將優(yōu)化問題近似表示成兩個(gè)傳輸階段的收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)子問題。利用蓋(Majorization)理論對(duì)子問題的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行松弛處理，進(jìn)一步得到標(biāo)量形式的功率分配問題，并使用注水算法推導(dǎo)出閉式解。此外，分析比較了兩種設(shè)計(jì)方案的信令開銷和計(jì)算復(fù)雜度。研究結(jié)果表明，第一種方案的系統(tǒng)性能優(yōu)于第二種方案，但在開銷和復(fù)雜度上也要付出較大的代價(jià)。由此可知，第一種方案適用于信道變化較慢的場(chǎng)景，而第二種方案則可以用于信道變化較快的場(chǎng)

6、景。
　　3)在統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息條件下，研究上下行鏈路的對(duì)偶問題，將多用戶MIMO中繼的對(duì)偶結(jié)論從理想信道狀態(tài)信息推廣到非理想信道狀態(tài)信息。不同于現(xiàn)有工作中使用的方法，利用優(yōu)化問題的KKT條件證明總均方誤差的對(duì)偶性，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了分析過程。同時(shí)，在節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率獨(dú)立受限和系統(tǒng)總發(fā)射功率受限兩種情況下，推導(dǎo)出對(duì)偶鏈路收發(fā)機(jī)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。為了驗(yàn)證結(jié)論的正確性，提出了一種基于總均方誤差最小化準(zhǔn)則的上行鏈路魯棒收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)方案。
　　4)

7、在有界信道誤差條件下，研究以總均方誤差和總發(fā)射功率最小化為準(zhǔn)則的Worst-case魯棒收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)，提出了不同方案處理信道誤差以簡(jiǎn)化問題的求解。第一種方案利用擴(kuò)展的Sign-definiteness將優(yōu)化問題表示成關(guān)于不同矩陣變量的半正定規(guī)劃子問題，并提出交替迭代算法得到收發(fā)機(jī)的局部最優(yōu)解。第二種方案基于割平面法將優(yōu)化問題表示成信道集合給定條件下的收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)子問題和收發(fā)機(jī)給定條件下的Worst-case信道計(jì)算子問題，通過子問題間的交替

8、迭代求解來進(jìn)行魯棒收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)。此外，分析比較了不同方案的計(jì)算復(fù)雜度，并討論了其擴(kuò)展應(yīng)用。研究結(jié)果表明，兩種方案均能夠減小信道誤差造成的性能損失，且第二種方案在計(jì)算復(fù)雜度上能夠得到較為明顯的改善。
　　研究發(fā)現(xiàn)，在不同優(yōu)化準(zhǔn)則和信道狀態(tài)信息條件下，論文提出的收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)方案能夠顯著提升多用戶MIMO中繼系統(tǒng)的性能，實(shí)現(xiàn)高速可靠的信息傳輸目標(biāo)。相關(guān)研究成果不僅適用于無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)絡(luò)、Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而且能夠?yàn)?/p>