多用戶MIMO中繼系統(tǒng)中的收發(fā)機設計研究.pdf

1、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和中繼的結合將是未來

2、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，進一步提高傳輸的有效性和可靠性。因此，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

3、結構，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)機結構下Lagrange乘子只能使用數值搜索計算，且解可能不唯一的缺點。與現有設計方案相比，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。研究結果表明，新方案的和速率性能

4、要優(yōu)于現有設計方案。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

5、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

6、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)機間的轉換關系。為了驗證結論的正確性，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)

7、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

8、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，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絡、無線局域網絡、Ad-hoc網絡和無線傳感器網絡，而且能夠為