本文關鍵詞：多用戶MIMO中繼系統(tǒng)中的收發(fā)機設計研究

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【摘要】：多輸入多輸出(MIMO)技術利用收發(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現(xiàn)更穩(wěn)定可靠的信息傳輸。它也因此被認為是能夠滿足日益增長的高速率、高質(zhì)量無線通信需求的關鍵技術之一。另一方面,中繼技術通過節(jié)點之間的協(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)射功率和擴大覆蓋范圍,已成為LTE-Advanced、IEEE802.16m等諸多無線標準中具有較好發(fā)展前景的技術。顯然,MIMO和中繼的結(jié)合將是未來無線通信系統(tǒng)的重要組成部分,而利用已知的信道狀態(tài)信息進行MIMO中繼的收發(fā)機設計可以充分發(fā)揮兩種技術的特點,進一步提高傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴Ｒ虼?本文以未來無線通信系統(tǒng)中的(點對多點)多用戶MIMO中繼模型為對象,針對不同信道狀態(tài)信息條件下的收發(fā)機設計展開深入研究,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)化準則的收發(fā)機設計。以總均方誤差最小化為準則,通過改進收發(fā)機結(jié)構,推導出Lagrange乘子和收發(fā)機信號處理矩陣的解析形式,并提出交替迭代算法進行收發(fā)機設計。它克服了傳統(tǒng)收發(fā)機結(jié)構下Lagrange乘子只能使用數(shù)值搜索計算,且解可能不唯一的缺點。與現(xiàn)有設計方案相比,新方案能夠以較低的計算復雜度得到相近的系統(tǒng)性能,更具實用性。以加權和速率最大化為準則,構造等價的加權總均方誤差最小化問題,并將其表示成關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)機的局部最優(yōu)解。研究結(jié)果表明,新方案的和速率性能要優(yōu)于現(xiàn)有設計方案。此外,假設節(jié)點以最大功率發(fā)射信號,通過分析加權和速率與加權總均方誤差的微分,建立了二者梯度算子間的轉(zhuǎn)換關系。推導出上述優(yōu)化準則下各矩陣變量的梯度算子,并使用梯度下降算法進行收發(fā)機設計。 2)在統(tǒng)計信道狀態(tài)信息條件下,研究以總均方誤差最小化為準則的魯棒收發(fā)機設計,提出了適合于不同應用場景的設計方案。第一種方案將優(yōu)化問題表示成關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)機的局部最優(yōu)解。第二種方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傳輸階段的收發(fā)機設計子問題。利用蓋(Majorization)理論對子問題的目標函數(shù)進行松弛處理,進一步得到標量形式的功率分配問題,并使用注水算法推導出閉式解。此外,分析比較了兩種設計方案的信令開銷和計算復雜度。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,但在開銷和復雜度上也要付出較大的代價。由此可知,第一種方案適用于信道變化較慢的場景,而第二種方案則可以用于信道變化較快的場景。 3)在統(tǒng)計信道狀態(tài)信息條件下,研究上下行鏈路的對偶問題,將多用戶MIMO中繼的對偶結(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偶性,進一步簡化了分析過程。同時,在節(jié)點發(fā)射功率獨立受限和系統(tǒng)總發(fā)射功率受限兩種情況下,推導出對偶鏈路收發(fā)機間的轉(zhuǎn)換關系。為了驗證結(jié)論的正確性,提出了一種基于總均方誤差最小化準則的上行鏈路魯棒收發(fā)機設計方案。 4)在有界信道誤差條件下,研究以總均方誤差和總發(fā)射功率最小化為準則的Worst-case魯棒收發(fā)機設計,提出了不同方案處理信道誤差以簡化問題的求解。第一種方案利用擴展的Sign-definiteness將優(yōu)化問題表示成關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)機設計子問題和收發(fā)機給定條件下的Worst-case信道計算子問題,通過子問題間的交替迭代求解來進行魯棒收發(fā)機設計。此外,分析比較了不同方案的計算復雜度,并討論了其擴展應用。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,且第二種方案在計算復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)化準則和信道狀態(tài)信息條件下,論文提出的收發(fā)機設計方案能夠顯著提升多用戶MIMO中繼系統(tǒng)的性能,實現(xiàn)高速可靠的信息傳輸目標。相關研究成果不僅適用于無線蜂窩網(wǎng)絡、無線局域網(wǎng)絡、Ad-hoc網(wǎng)絡和無線傳感器網(wǎng)絡,而且能夠為MIMO中繼與認知無線電、多小區(qū)協(xié)作、能量傳輸?shù)鹊慕Y(jié)合提供有效的理論指導。
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN919.3

【參考文獻】

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1 李景林;;面對挫折的神情[J];招生考試通訊(高考版);2007年04期

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本文編號：1145945