多用戶MIMO中繼系統(tǒng)中的聯(lián)合預(yù)編碼與功率分配研究.pdf

1、多用戶MIMO中繼通信系統(tǒng)能充分利用基站以及中繼的多天線優(yōu)勢(shì)特性，提供額外的空間增益（包括復(fù)用增益和分集增益），以及擴(kuò)大無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍、降低無線接入成本，等等。然而，要想充分發(fā)揮多用戶MIMO中繼通信系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)特性，必須依靠預(yù)編碼與功率分配等核心技術(shù)。因此，本文以下一代蜂窩無線通信系統(tǒng)中的多用戶MIMO中繼模型(Type-Ⅱ)為背景，圍繞其中的多接入信道、廣播信道以及雙向中繼信道中的預(yù)編碼設(shè)計(jì)與功率分配問題做深入的研究，主要目的是

2、為每一個(gè)信道模型設(shè)計(jì)一種可行的預(yù)編碼設(shè)計(jì)與功率分配方案以進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能，為下一代無線通信系統(tǒng)的研究與建設(shè)提供指導(dǎo)作用。
　　 本文主要做了以下幾點(diǎn)有價(jià)值的工作:
　　 1.對(duì)于多用戶MIMO中繼多接入信道中的預(yù)編碼設(shè)計(jì)與功率分配問題，已有文獻(xiàn)工作都是基于忽略信源與信宿之間的直接鏈路的中繼信道模型，從而使得模型問題簡(jiǎn)單化，但是由此所得的預(yù)編碼與功率分配策略并不能簡(jiǎn)單地推廣到存在直接鏈路的信道模型中以使得系統(tǒng)性能最大化。

3、為此，本文研究包括直接鏈路在內(nèi)的預(yù)編碼設(shè)計(jì)與功率分配，包括以系統(tǒng)容量最大化和以系統(tǒng)均方誤差最小化為標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)問題。由于該問題的非凸非線性特性，本文提出一種分步優(yōu)化聯(lián)合設(shè)計(jì)的嵌套迭代設(shè)計(jì)策略。對(duì)于不同標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)優(yōu)化問題，在本設(shè)計(jì)策略中，信源和中繼節(jié)點(diǎn)都分別擁有相同的預(yù)編碼結(jié)構(gòu)，只是其中的功率分配方式有所不同。數(shù)值仿真結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)策略與其他在設(shè)計(jì)時(shí)不考慮直接鏈路但是包括其貢獻(xiàn)在內(nèi)的策略相比，可以使系統(tǒng)性能獲得更大的提升。
　　

4、2.對(duì)于存在直接鏈路的多用戶MIMO中繼廣播信道而言，由于多用戶干擾信號(hào)的存在，如果采用已有文獻(xiàn)工作中的基于忽略直接鏈路模型所得的預(yù)編碼設(shè)計(jì)與功率分配策略，將會(huì)導(dǎo)致直接鏈路的貢獻(xiàn)幾乎等于零。為此，針對(duì)該信道模型，本文首先研究以系統(tǒng)容量最大化為標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)編碼設(shè)計(jì)與功率分配問題。為了解這個(gè)非凸非線性問題，本文首先建立一個(gè)等價(jià)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，然后提出一種聯(lián)合信源預(yù)編碼矩陣、中繼節(jié)點(diǎn)收發(fā)處理預(yù)編碼矩陣與信宿的接收處理矩陣一起設(shè)計(jì)的迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)算法，

5、去解等價(jià)優(yōu)化問題。在本算法的每一個(gè)迭代周期過程中，在給定中繼節(jié)點(diǎn)與信宿的收發(fā)處理預(yù)編碼矩陣后，通過建立一個(gè)凸優(yōu)化方程去解決信源的預(yù)編碼設(shè)計(jì)與功率分配問題;同理通過建立相應(yīng)的凸優(yōu)化方程去解中繼節(jié)點(diǎn)的收發(fā)處理預(yù)編碼矩陣設(shè)計(jì)與功率分配問題，最后交替迭代至收斂。然后，在上述迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)算法的基礎(chǔ)上，本文還提出一個(gè)改進(jìn)算法以解決以系統(tǒng)中最小用戶速率最大化為標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)編碼設(shè)計(jì)與功率分配問題。數(shù)值仿真結(jié)果表明，本文所提出的算法能夠綜合利用直接鏈路與中繼

6、鏈路增益，從而可以使系統(tǒng)性能獲得更大的提升。
　　 3.為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)頻譜資源利用率，本文進(jìn)一步研究多用戶MIMO雙向中繼信道中的預(yù)編碼設(shè)計(jì)與功率分配問題。在上述MIMO中繼廣播信道中的預(yù)編碼設(shè)計(jì)與功率分配算法的基礎(chǔ)上，首先提出一個(gè)改進(jìn)的聯(lián)合信源、中繼節(jié)點(diǎn)與信宿的收發(fā)處理預(yù)編碼一起設(shè)計(jì)的迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)算法。同樣，在本算法的每一個(gè)迭代周期過程中，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)的收發(fā)處理預(yù)編碼矩陣和雙向信宿的接收處理矩陣確定后，雙向信源的預(yù)編碼矩陣設(shè)

7、計(jì)與功率分配可以通過建立并解相應(yīng)的凸優(yōu)化問題而確定;而當(dāng)信源與信宿的收發(fā)處理矩陣確定后，最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)收發(fā)處理預(yù)編碼矩陣也可以通過相應(yīng)的凸優(yōu)化問題來確定，最后交替迭代至收斂。針對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)的天線個(gè)數(shù)僅僅等于基站或所有用戶天線個(gè)數(shù)的情形，本文提出一種計(jì)算復(fù)雜度相對(duì)較低的非迭代的預(yù)編碼設(shè)計(jì)與功率分配方案。在該方案中，中繼節(jié)點(diǎn)為了更好的處理來自用戶端的多用戶干擾信號(hào)，其收發(fā)處理預(yù)編碼矩陣設(shè)計(jì)僅僅是基于用戶與中繼節(jié)點(diǎn)之間的信道信息。在確定中繼節(jié)點(diǎn)

8、的收發(fā)處理矩陣后，基站（一端的信源）的預(yù)編碼矩陣設(shè)計(jì)可以依據(jù)一般的多用戶MIMO廣播信道中的預(yù)編碼設(shè)計(jì)原理而定;而用戶（另一端的信源）的預(yù)編碼矩陣設(shè)計(jì)，則可以根據(jù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)MIMO信道中的酉矩陣預(yù)編碼與功率分配方法而定。
　　 本文的研究主要是針對(duì)單蜂窩無線通信系統(tǒng)中的多用戶MIMO中繼模型，而且是在假定基站端完全知道所有信道信息的情況下得出的。而蜂窩無線通信網(wǎng)絡(luò)將會(huì)向多小區(qū)聯(lián)合協(xié)作通信方向發(fā)展。因此，在下一步工作可以考慮把本文所提