本文關(guān)鍵詞：存在信道誤差的無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)健信號處理方法　出處：《西安電子科技大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：在無線通信中,多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)可以利用空間自由度,在不增加發(fā)射功率和系統(tǒng)帶寬的條件下,提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?已成為4G的關(guān)鍵技術(shù)之一。作為MIMO系統(tǒng)的一個重要技術(shù),波束成形可實現(xiàn)空分多址,干擾抑制,提高數(shù)據(jù)傳輸速率等,因而被廣泛應(yīng)用于各種無線通信網(wǎng)絡(luò)中。在傳統(tǒng)無線通信中,波束成形的實現(xiàn)是基于準(zhǔn)確的信道信息(Channel State Information,CSI)。但是,實際通信中的CSI往往不準(zhǔn)確,且波束成形的性能對CSI誤差敏感。為了保證用戶不同的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS),本文針對二階有界CSI誤差,二階無界CSI誤差和高階CSI誤差,研究了認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)、雙向中繼網(wǎng)絡(luò)、物理層安全網(wǎng)絡(luò)中穩(wěn)健波束成形設(shè)計。另外,作為5G的關(guān)鍵技術(shù)之一,大規(guī)模MIMO技術(shù)可以成數(shù)量級的節(jié)省發(fā)送功率、提高的通信可靠性和降低信號處理復(fù)雜度。但是,由于不同的小區(qū)共用相同的訓(xùn)練序列,導(dǎo)頻污染嚴(yán)重制約大規(guī)模MIMO網(wǎng)絡(luò)的性能。由于導(dǎo)頻污染與共享相同訓(xùn)練序列的用戶有關(guān),為了減小導(dǎo)頻污染的影響,本文研究大規(guī)模MIMO網(wǎng)絡(luò)中的最優(yōu)的訓(xùn)練序列分配問題。針對上述問題,本文主要研究了無線通信中的穩(wěn)健波束成形設(shè)計和大規(guī)模MIMO網(wǎng)絡(luò)中的最優(yōu)的訓(xùn)練序列分配問題。具體研究內(nèi)容和貢獻(xiàn)包括以下幾個方面:1.在MIMO認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中,針對限制干擾對齊性能的兩個因素:非準(zhǔn)確的CSI和有限的信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR),本文提出了穩(wěn)健的信號和干擾聯(lián)合對齊的方法,可以同時實現(xiàn)信號對齊和干擾對齊。具體的,考慮二階有界的CSI誤差,該方法以最小化信號泄露和干擾泄露總和為目標(biāo),先后利用S引理、正交松弛和半正定松弛(Semidefinite Relaxation,SDR)方法,將非凸的聯(lián)合優(yōu)化問題分解轉(zhuǎn)化為凸的半正定規(guī)劃(semidefinite programming,SDP)子問題,實現(xiàn)穩(wěn)健的信號和干擾聯(lián)合對齊。仿真驗證了所提出的方法可以提高在有限的SNR條件下的性能和對CSI誤差的穩(wěn)健性。2.在認(rèn)知無線電雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中,當(dāng)存在CSI誤差時,雙向中繼中的自干擾不能完全消除,嚴(yán)重影響雙向中繼的性能。針對二階有界的CSI誤差和殘余的自干擾,本文提出了一種先收縮后松弛(Restriction and Relaxation,RAR)的穩(wěn)健波束成形設(shè)計方法。具體的,該方法以最小化中繼發(fā)送功率為目標(biāo),同時滿足認(rèn)知用戶的信干噪比(Signal to Interference Plus Noise Ratio,SINR)要求和主用戶的IT要求。在收縮步驟,無限多的復(fù)雜約束被分解為有限數(shù)目的線性不等式(linear matrix inequalities,LMIs)。在松弛步驟,非凸的優(yōu)化問題松弛為凸問題,并用內(nèi)點法可以進(jìn)行有效求解。仿真驗證了所提rar方法的有效性和穩(wěn)健性。3.在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中,針對二階無界csi誤差,本文提出了一種機會約束的穩(wěn)健波束成形設(shè)計方法,該方法以最小化所有認(rèn)知用戶的總功率為目標(biāo),同時滿足認(rèn)知用戶sinr中斷率約束和主用戶的it概率約束。首先,利用兩種bernstein型不等式,分別將sinr概率約束和it概率約束轉(zhuǎn)化為確定性形式的約束,然后通過sdr將將不可求解的非凸問題轉(zhuǎn)松弛為可以求解的凸問題。仿真結(jié)果驗證與基于最差情況的穩(wěn)健波束成形設(shè)計方法相比,所提出的方法可以顯著降低發(fā)送功率。4.針對物理層安全網(wǎng)絡(luò)中三種常見的二階無界csi誤差,提出了一種物理層安全的機會約束穩(wěn)健波束成形設(shè)計框架。具體的,本文研究了在發(fā)送功率和安全速率中斷率約束條件下的物理層安全速率最大化問題。由于存在概率約束,問題是非凸且難以求解。為了解決這個難題,本文提出了一種先松弛后收縮的兩步算法框架,可以獲得高質(zhì)量的波束成形設(shè)計解,而且在某些情況下可以獲得全局最優(yōu)解。與傳統(tǒng)的穩(wěn)健設(shè)計方法相比,所提出的算法顯著降低了穩(wěn)健設(shè)計的保守性。。5.針對高階無界csi誤差,本文研究了物理層安全中繼網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健波束成形設(shè)計。具體的,考慮兩種常見的csi誤差場景:二階高斯csi誤差和四階高斯csi誤差,穩(wěn)健中繼波束成形設(shè)計的目標(biāo)為最小化中繼發(fā)送功率,同時滿足合法用戶的sinr的中斷概率約束和竊聽用戶的sinr的中斷概率約束。對于二階csi誤差,利用bernstein型不等式可以將概率約束保守的近似為確定性形式的約束。而對于涉及四階csi誤差的概率約束,如何轉(zhuǎn)化為確定性的約束,目前還是一個公開的難題。針對該問題,本文首次提出了moment不等式,該不等式可以將涉及高斯隨機變量的概率約束保守的近似為確定性的形式,包括處理二階、三階、四階等csi誤差。利用moment不等式和sdr,本文提出了一種可以處理高階csi誤差的穩(wěn)健波束成形設(shè)計方法。此外,本文還分析對了bernstein型不等式和moment不等式的保守程度。仿真驗證了所提出moment不等式的有效性和穩(wěn)健性。6.為了緩解大規(guī)模mimo網(wǎng)絡(luò)中的導(dǎo)頻污染,提高用戶的sinr,本章提出了低復(fù)雜度的聯(lián)合訓(xùn)練序列分配和用戶接入方案。為了保證用戶的公平性,所提出的方案使用調(diào)和sinr函數(shù)作為訓(xùn)練訓(xùn)練分配的效用函數(shù)。根據(jù)圖論理論,最優(yōu)訓(xùn)練序列分配問題可以等價轉(zhuǎn)化為最小權(quán)重多部圖匹配問題。盡管該問題一般為np難問題,但在兩個小區(qū)的場景中,該問題可用hungarian算法在多項式時間內(nèi)獲得最優(yōu)解。對于一般的多小區(qū)場景,本文提出了一種迭代hungarian算法可以獲得近似解。在訓(xùn)練序列分配后,如果某些用戶離開了網(wǎng)絡(luò),基站可以接入新用戶。在聯(lián)合訓(xùn)練序列分配和用戶接入方案中,基站可以為空缺的訓(xùn)練序列直接接入用戶,不需要對所有的用戶重新進(jìn)行訓(xùn)練序列分配。具體的,基于調(diào)和sinr效用函數(shù)的用戶接入問題可以等價的轉(zhuǎn)化為集合基數(shù)約束的最小化supermodular問題。盡管該類問題一般也為NP難問題,本文提出了一種貪婪算法可以獲得次優(yōu)的用戶接入方案。同時,針對集合基數(shù)約束的最小化非負(fù)Supermodular這一類問題,本文首次證明了貪婪算法可以達(dá)到性能理論界。結(jié)合用戶接入問題,本文給出了所提出的貪婪算法的結(jié)果與最優(yōu)解對應(yīng)結(jié)果的理論界。仿真驗證了與現(xiàn)有的方案相比,所提出方案可以顯著用戶的最小的SINR。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN919.3;TN911.7

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