基于中繼的協(xié)作無線通信系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、中繼協(xié)作通信可以通過協(xié)作分集提高傳輸可靠性和擴(kuò)展通信覆蓋范圍:多天線技術(shù)可以利用空間資源提高無線通信系統(tǒng)的鏈路可靠性和數(shù)據(jù)傳輸速率。中繼協(xié)作與多天線技術(shù)兩者的結(jié)合是未來無線通信系統(tǒng)將要采用的關(guān)鍵技術(shù)。本論文針對(duì)MIMO中繼系統(tǒng)中放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)中繼策略,深入開展性能分析及無線傳輸理論和技術(shù)研究。研究內(nèi)容主要包括MIMO中繼系統(tǒng)的信道容量和誤符號(hào)率等系統(tǒng)性能分析以及MIMO多中繼系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化線性信號(hào)處理。論文的主要貢獻(xiàn)如下:
　　

2、 1.研究了已知完全信道狀態(tài)信息(CSI)時(shí)最大化兩跳中繼系統(tǒng)輸出信噪比(SNR)的最優(yōu)線性處理,并給出了系統(tǒng)的性能分析。針對(duì)一對(duì)多天線的信源信宿通過一個(gè)單天線的中繼進(jìn)行協(xié)作通信和一對(duì)單天線的信源信宿通過一個(gè)多天線的中繼進(jìn)行協(xié)作通信這兩種 AF中繼系統(tǒng),分析其最大輸出SNR及其上界在統(tǒng)計(jì)獨(dú)立同瑞利衰落信道下的統(tǒng)計(jì)特性,進(jìn)而推導(dǎo)出系統(tǒng)的遍歷容量和平均誤符號(hào)概率(SEP)等性能,并得到了系統(tǒng)的分集度和陣列增益。
　　 2.研究了M

3、IMO兩跳AF中繼波束成型系統(tǒng)輸出SNR的概率密度函數(shù),推導(dǎo)出系統(tǒng)的漸近平均SEP表示式,并通過在高SNR下的量化分析得到分集度和陣列增益,這個(gè)理論結(jié)果對(duì)該系統(tǒng)終端配置任意根天線和針對(duì)任何信道衰落模型都適用。分析表明該系統(tǒng)的性能主要由兩跳信道中性能較差的一跳決定,所得到的基于簡潔數(shù)學(xué)描述的結(jié)論為MIMO AF系統(tǒng)的性能分析和實(shí)際設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考。
　　 3.基于兩跳半雙工分布式MIMO多中繼網(wǎng)絡(luò)中的互信息最大化準(zhǔn)則,提出了

4、已知完全CSI時(shí)分別在中繼總功率約束和中繼各自功率約束下的中繼預(yù)編碼設(shè)計(jì)。利用矩陣特性和Hadamard不等式將原約束優(yōu)化問題對(duì)角化簡化為等價(jià)的關(guān)于標(biāo)量變量的形式,揭示出其目標(biāo)函數(shù)在所優(yōu)化的變量大于某一門限時(shí)才是凸函數(shù),且該門限由系統(tǒng)配置和信道條件決定。在此基礎(chǔ)上,研究了不同功率約束下的互信息最大化問題,提出了幾種優(yōu)化算法。仿真結(jié)果說明了所提方案的有效性。
　　 4.研究了兩跳半雙工MIMO多中繼網(wǎng)絡(luò)中的聯(lián)合線性收發(fā)處理方案。首

5、先采用均方誤差(MSE)最小化準(zhǔn)則,提出已知完全CSI時(shí)中繼與信宿的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。在得到最優(yōu)的信宿處理為維納濾波的基礎(chǔ)上,分析這時(shí)中繼總功率受限時(shí)的優(yōu)化中繼預(yù)編碼問題,將它簡化為等價(jià)的標(biāo)量優(yōu)化問題。深入分析這種關(guān)于中繼預(yù)編碼的標(biāo)量形式的約束優(yōu)化問題,揭示出在中繼功率或第二跳信噪比大于某一由系統(tǒng)配置決定的閾值時(shí)它才是凸優(yōu)化問題。另外,這個(gè)簡化的優(yōu)化問題可通過互補(bǔ)幾何優(yōu)化(CGP)的方法來解,以確保在第二跳信噪比適當(dāng)大時(shí)該問題獲得最優(yōu)解

6、。還將所提的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)問題推廣到實(shí)際系統(tǒng)中只獲知信道均值和方差矩陣的情況,并推導(dǎo)出了魯棒設(shè)計(jì)方案。
　　 5.研究了兩跳半雙工MIMO多中繼系統(tǒng)在Qos約束下的優(yōu)化收發(fā)聯(lián)合設(shè)計(jì)問題。在完全CSI假設(shè)時(shí)首先推導(dǎo)得到最優(yōu)信宿接收矩陣為維納濾波。然后研究在不同的QoS要求下通過最小化中繼總發(fā)射功率來設(shè)計(jì)中繼預(yù)編碼。原矩陣形式的優(yōu)化問題很復(fù)雜,且是非凸的,利用對(duì)角化方法、主導(dǎo)理論以及代價(jià)函數(shù)的合理近似,將它變成標(biāo)量變量的優(yōu)化問題,并由