協(xié)作波束成形及多用戶MIMO技術研究.pdf

1、多天線系統(tǒng)在現(xiàn)代無線通信網(wǎng)絡中得到了廣泛應用。而波束成形技術則是實現(xiàn)多天線系統(tǒng)增益的關鍵方法之一。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與多用戶下行鏈路多組多播波束成形技術已成為近年來通信、信號處理等多個領域的研究熱點。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)務規(guī)模的擴大，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(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，這一技術在近年來受到廣泛關注。
　　本論文圍繞上述三個重要的物理層技術展開，著重研究了:協(xié)作中繼波束成形技術在兩跳與分層多跳中繼網(wǎng)絡中基于接收信噪比準則的設計與性能分析問題;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計問題以及大規(guī)模天線多用戶MIMO系統(tǒng)中上行

3、鏈路導頻傳輸方案設計及相應的下行鏈路導頻污染預編碼方案的設計與系統(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)絡中的設計問題。我們首先考察當網(wǎng)絡中僅有單個信源節(jié)點的情形并在信宿節(jié)點接收信噪比最大化準則下給出了當多個中繼節(jié)點引入等效噪聲具有相關性且中繼節(jié)點受到獨立最大發(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、繼噪聲相關性總可以提升網(wǎng)絡平均傳輸速率。接下去我們考察當網(wǎng)絡中具有多個信源節(jié)點的情形并給出了該中繼網(wǎng)絡在采用協(xié)作波束成形方案時可達速率區(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計推廣至一個分層多跳中繼網(wǎng)絡中。此時，在信宿節(jié)點接收信噪比最大化準則和獨立中繼發(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)化設計是一個困難問題。我們給出了兩種多項式時間可解的逐層中繼波束成形優(yōu)化算法。第一種設計方法采用了交替優(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最優(yōu)的。第二個設計方法采用了逐層和速率最大化設計準則。在這一準則下，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)點的等效和速率為目標。在這一準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)值仿真驗證了所提出的設計方法能夠得到比現(xiàn)有方案更優(yōu)的網(wǎng)絡傳輸速率。
　　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計問題。在假設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-最小化波束成形設計準則。由于在一般情況下，單組多播波束成形設計問題已經(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行下行鏈路波束成形方案設計并提出一種具有魯棒性的聯(lián)合Alamouti空時編碼的秩-2波束成形方案以進一步提高波束成形方案設計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用于求解數(shù)學建模出的優(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)中一個最為關鍵的問題一一導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來獲得下行鏈路信道狀態(tài)信息。但是由于信道相關時間有限，用戶才能選擇的正交訓練序列的數(shù)目也相應受到限制。因此，系統(tǒng)中不同用戶可能會采用相同的導頻