本文選題：預(yù)編碼　切入點：多輸入多輸出　出處：《華南理工大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：在第四代移動通信方案中，OFDM和MIMO都被視為其中的核心技術(shù)之一。OFDM利用正交多載波的特點，較好地克服無線信道中的頻率選擇性衰落；而MIMO系統(tǒng)中，由于不同空間位置的多副天線可以并行通信，從而獲得了空間分集增益，增加了信道容量和提高了信道鏈路質(zhì)量。然而，要把OFDM技術(shù)和MIMO多天線技術(shù)高效地結(jié)合尚需要解決一些問題，其中在信號處理方面要解決問題包括：發(fā)端信號如何合理預(yù)處理、收端信號如何檢測、收發(fā)信號的組織方式、OFDM子載波分配、中繼轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)信號處理等問題，這些都是預(yù)編碼技術(shù)研究內(nèi)容，因此說基于MIMO-OFDM系統(tǒng)的預(yù)編碼也是新一代無線通信中的非常重要技術(shù)。 論文以MIMO-OFDM系統(tǒng)信號處理為基礎(chǔ)，按照空間分集、空間復(fù)用、協(xié)作中繼技術(shù)、多用戶技術(shù)、單向下行鏈路及雙向傳輸?shù)炔煌枨螅謩e考慮與不同場景，研究不同系統(tǒng)中預(yù)編碼設(shè)計，，在這些方面作了一些有益的嘗試，主要工作涉及以下方面： 第一，針對空間分集MIMO-OFDM下行系統(tǒng)，設(shè)計了一種波束形成向量和功率分配系數(shù)的雙量化空間分集預(yù)編碼方案。首先，按照系統(tǒng)最小總誤碼率的準(zhǔn)則，對波束形成向量和功率分配系數(shù)進(jìn)行全局聯(lián)合優(yōu)化，得到優(yōu)化的閉合解；然后通過利用波束形成碼本和一種均勻分布的功率量化碼本，對預(yù)編碼閉合解分別進(jìn)行量化；最后，通過利用OFDM相鄰子載波的相關(guān)性，設(shè)計了一種分組預(yù)編碼量化反饋及插值恢復(fù)的算法，從而進(jìn)一步降低了反饋比特。仿真實驗結(jié)果表明，在頻率選擇性信道的情況下，算法在反饋比特量、誤碼率等方面比現(xiàn)有算法具有更好的綜合性能。 第二，針對空間復(fù)用MIMO-OFDM下行系統(tǒng)，優(yōu)化了一種有限比特反饋的空間復(fù)用預(yù)編碼方案。首先，算法通過引入最小均方誤差的目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化設(shè)計了發(fā)端的預(yù)編碼矩陣和收端的解碼矩陣，并且改進(jìn)了功率分配關(guān)系式；然后，通過設(shè)計一種實用的功率量化碼本，實現(xiàn)了空間復(fù)用情況下的量化功率分配；利用拉格朗日乘數(shù)法改善了子載波功率分配；最后，通過采用一種適用于空間復(fù)用預(yù)編碼的插值恢復(fù)方法，實現(xiàn)了相關(guān)信道下的預(yù)編碼量化反饋和預(yù)編碼恢復(fù)。仿真實驗結(jié)果表明，在OFDM子載波相關(guān)的情況下，算法在反饋量和誤碼特性方面比現(xiàn)有算法具有更好的綜合性能。 第三，針對多天線單用戶OFDM下行中繼系統(tǒng)，優(yōu)化了一種包含單個源節(jié)點、單個中繼節(jié)點和單個目的節(jié)點的系統(tǒng)的有限反饋線性預(yù)編碼方案。算法通過信道矩陣的特征值分解和QR分解，設(shè)計了一種包含源節(jié)點-中繼節(jié)點-目的節(jié)點通道(S-R-D)和源節(jié)點-目的節(jié)點直接通道(S-D)的線性預(yù)編碼算法；該方案源節(jié)點預(yù)編碼矩陣與OFDM子載波的序號無關(guān)，每OFDM幀只需反饋一個源節(jié)點預(yù)編碼矩陣，從而減少了反饋比特量；通過對噪聲進(jìn)行白化處理，設(shè)計了目的節(jié)點預(yù)編碼矩陣；按照子信道互信息量最大化準(zhǔn)則，設(shè)計了中繼預(yù)編碼；最后，利用拉格朗日乘子法，按照系統(tǒng)的輸出可達(dá)速率最大化準(zhǔn)則，提出了OFDM子載波功率分配優(yōu)化方案。仿真實驗表明，該方案的和速率（sum-rate）較高、誤碼率較低，且反饋比特較少，具有實際應(yīng)用價值。 第四，針對由單源節(jié)點、單中繼節(jié)點和多個用戶節(jié)點組成的OFDM下行中繼系統(tǒng)，在利用了S-D直接通道的基礎(chǔ)上，分別設(shè)計了一種多天線的線性預(yù)編碼和一種凸優(yōu)化預(yù)編碼。在線性方案中，按照信漏比最大化準(zhǔn)則，設(shè)計了源節(jié)點的預(yù)編碼矩陣；通過MMSE準(zhǔn)則設(shè)計了接收預(yù)編碼矩陣；通過把中繼過程分解成S-R階段接收解碼和R-D階段發(fā)射預(yù)編碼的方法設(shè)計了中繼節(jié)點預(yù)編碼，該算法具有復(fù)雜度較低的特點。在凸優(yōu)化方案中，通過利用維納濾波器設(shè)計了接收解碼矩陣；然后基于加權(quán)總速率(Weighted Sum-Rate)設(shè)計目標(biāo)函數(shù)，采用凸優(yōu)化方法求解源節(jié)點預(yù)編碼；在此基礎(chǔ)上，采用對偶(Daulity)性原則推導(dǎo)了中繼節(jié)點預(yù)編碼。最后按照OFDM系統(tǒng)總的容量最大化準(zhǔn)則，設(shè)計了OFDM子載波優(yōu)化分配和功率分配方案。仿真實驗結(jié)果和分析表明，文中算法在誤碼率、總?cè)萘考斑\算復(fù)雜度等方面比現(xiàn)有算法有更好的性能。 第五，針對多點對多點的下行MIMO-OFDM中繼系統(tǒng)，優(yōu)化了兩種多天線多用戶OFDM預(yù)編碼。對第一種算法，按照系統(tǒng)速率之和最大化準(zhǔn)則，引入權(quán)矩陣，對加權(quán)MSE進(jìn)行最小化設(shè)計，構(gòu)造只含有單個變量的目標(biāo)函數(shù)，再經(jīng)過變換后轉(zhuǎn)化為一個典型的半正定松弛(SDR)優(yōu)化問題來解決，從而得到全局優(yōu)化的預(yù)編碼。對于文中的第二種算法，設(shè)計了一種僅僅在中繼節(jié)點進(jìn)行預(yù)編碼的簡易實用方案，通過信道的SVD分解，找到其零空間的向量基，以此設(shè)計中繼節(jié)點預(yù)編碼矩陣，從而達(dá)到共信道信號干擾自動消除。最后，按照OFDM容量最大化準(zhǔn)則設(shè)計目標(biāo)函數(shù)，在源節(jié)點和中繼節(jié)點功率分別受限條件下，利用凸函數(shù)的KKT條件，優(yōu)化了子載波功率分配。 第六，針對雙向MIMO-OFDM中繼系統(tǒng)，設(shè)計了兩種雙向傳輸模式下的預(yù)編碼算法。首先，設(shè)計了一種基于MSE總和最小化準(zhǔn)則的預(yù)編碼：通過把MSE之和分解成MA和BC兩個階段，在MA階段用梯度下降法設(shè)計了源節(jié)點預(yù)編碼矩陣；在BC階段通過構(gòu)造對偶項的方法，簡便地得到了中繼節(jié)點預(yù)編碼矩陣，在此基礎(chǔ)上通過迭代方法來逼近全局唯一極點。然后，設(shè)計了一種用戶均衡算法，算法基于最差用戶的MSE最小化準(zhǔn)則，通過利用Schur補(bǔ)的理論，使得目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為正半定PSD問題，利用現(xiàn)有的凸優(yōu)化程序包來解決預(yù)編碼優(yōu)化問題。最后，通過利用Lagrange對偶函數(shù)的優(yōu)化方法，對OFDM子載波資源進(jìn)行優(yōu)化分配。分析和仿真實驗表明，本算法在復(fù)雜度、誤碼特性和信道容量等方面比現(xiàn)有算法具有更好的綜合性能。
[Abstract]:OFDM and MIMO are considered one of the core technologies in the fourth generation mobile communication scheme . OFDM utilizes orthogonal multi - carrier characteristics to better overcome the frequency selective fading in the wireless channel ;
However , the MIMO - OFDM system based precoding is also a very important technology in the next generation wireless communication .

Based on the signal processing of MIMO - OFDM system , according to different needs of spatial diversity , spatial multiplexing , cooperative relay , multi - user technology , unidirectional downlink and bi - directional transmission , different scenarios are considered , the precoding design in different systems is studied , and some useful attempts have been made in these aspects .

First , according to the minimum total error rate criterion of the system , the beamforming vector and the power allocation coefficient are combined with the global joint optimization to obtain the optimized closed solution .
then quantizing the precoding closed solution by utilizing a beam forming codebook and a uniformly distributed power quantization codebook ;
Finally , by using the correlation of the adjacent sub - carriers of OFDM , a kind of algorithm for pre - coding quantized feedback and interpolation is designed , which further reduces the feedback bit . Simulation results show that in the case of frequency selective channel , the algorithm has better comprehensive performance than the existing algorithm in the aspects of feedback bit quantity , error rate and so on .

Secondly , aiming at the spatial multiplexing MIMO - OFDM downlink system , a spatial multiplexing precoding scheme with limited bit feedback is optimized . First , by introducing the objective function of the minimum mean square error , the algorithm optimizes the pre - coding matrix and the decoding matrix of the receiver , and improves the power distribution relation ;
Then , by designing a practical power quantization codebook , the quantization power allocation in the case of spatial multiplexing is realized ;
The Lagrange multiplier method is used to improve the sub - carrier power distribution .
Finally , by adopting an interpolation recovery method suitable for spatial multiplexing precoding , precoding quantization feedback and precoding recovery in the related channel are realized . Simulation results show that , in the case of OFDM subcarrier correlation , the algorithm has better comprehensive performance than the existing algorithm in terms of feedback amount and error code characteristic .

Thirdly , aiming at the multi - antenna single - user OFDM downlink relay system , a finite - feedback linear precoding scheme for a system containing a single source node , a single relay node and a single destination node is optimized , and a linear precoding algorithm is designed which comprises a source node - relay node - destination node channel ( S - R - D ) and a source node - destination node direct channel ( S - D ) through eigenvalue decomposition and QR decomposition of the channel matrix ;
the scheme source node precoding matrix is independent of the serial number of the OFDM sub - carriers , only one source node precoding matrix needs to be fed back per OFDM frame , so that the feedback bit amount is reduced ;
By whitening the noise , the pre - coding matrix of the destination node is designed .
according to the mutual information quantity maximization criterion of the sub - channel , a relay precoding is designed ;
Finally , based on the Lagrange multiplier method , the optimal scheme of OFDM subcarrier power allocation is proposed according to the output of the system . The simulation results show that the sum - rate of the scheme is higher , the bit error rate is low , and the feedback bit is less , which has practical application value .

Fourthly , aiming at an OFDM downlink relay system consisting of a single source node , a single relay node and a plurality of user nodes , a multi - antenna linear precoding and a convex optimized precoding are respectively designed on the basis of utilizing the S - D direct channel . In the linear scheme , a precoding matrix of the source node is designed according to the signal leakage ratio maximization criterion ;
designing the received precoding matrix through the MMSE criterion ;
By decomposing the relay process into S - R phase receive decoding and the R - D phase transmit precoding method , the relay node precoding is designed , and the algorithm has the characteristics of low complexity . In the convex optimization scheme , the receive decoding matrix is designed by using the Wiener filter ;
then designing a target function based on the weighted sum - rate , and adopting a convex optimization method to solve the precoding of the source node ;
In the end , according to the total capacity maximization criterion of OFDM system , the optimal allocation and power allocation scheme for OFDM sub - carriers is designed . Simulation results and analysis show that the proposed algorithm has better performance than the existing algorithm in terms of bit error rate , total capacity and operation complexity .

Fifth , aiming at multi - point - to - multipoint downlink MIMO - OFDM relay system , two kinds of multi - antenna multi - user OFDM precoding are optimized . In the first algorithm , according to the sum maximization criterion of system rate , the weight matrix is introduced , and the weighted MSE is minimized .

Sixth , aiming at the two - way MIMO - OFDM relay system , the pre - coding algorithm of two kinds of bidirectional transmission modes is designed . First , a precoding method based on the MSE sum minimization criterion is designed : by dividing the MSE into two stages of MA and BC , the pre - coding matrix of the source node is designed by the gradient descent method in MA phase ;
In the BC phase , by constructing the dual key method , the pre - coding matrix of the relay node is simply obtained . On the basis of this , the global unique pole is approximated by an iterative method . Then , a user - balancing algorithm is designed to solve the problem of pre - coding optimization based on the MSE minimization criterion of the worst user . Finally , the optimization of the OFDM sub - carrier resources is solved by using the optimization method of the Lagrange pair . The analysis and simulation experiments show that the algorithm has better comprehensive performance than the existing algorithm in terms of complexity , error code characteristics and channel capacity .

【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TN929.5

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號：1686593