基于干擾管理的多用戶MIMO無線通信系統(tǒng)收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì).pdf

1、隨著社會(huì)信息化進(jìn)程的持續(xù)快速發(fā)展，人們對(duì)無線通信的需求與日俱增。一方面，不斷提升的無線通信需求對(duì)無線通信性能提出了更高的要求。另一方面，無線通信系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升面臨著頻譜資源有限、干擾日益嚴(yán)重化、能量受限和可持續(xù)發(fā)展要求等多方面嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)在頻譜效率提升、干擾減小和能量效率提升等方面都具有較大的潛力，被公認(rèn)為未來通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。相應(yīng)地，多用戶MIMO通信網(wǎng)絡(luò)將成為未來典型通信場(chǎng)景。多用戶MIMO系

2、統(tǒng)性能的提升受限于干擾，因此，如何設(shè)計(jì)收發(fā)機(jī)減小甚至消除干擾成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題。與此同時(shí)，以無線能量傳輸為代表的新技術(shù)也將與無線通信不斷融合，并由此帶來系統(tǒng)傳輸結(jié)構(gòu)上的新變化。然而，傳統(tǒng)單用戶收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)方法無法有效抑制多用戶干擾，也難以適應(yīng)未來新型無線通信傳輸結(jié)構(gòu)上的改變。因此，如何針對(duì)多用戶MIMO系統(tǒng)來設(shè)計(jì)收發(fā)機(jī)以對(duì)抗多用戶干擾并適應(yīng)無線能量傳輸?shù)刃滦蛻?yīng)用需求是本文研究的關(guān)鍵問題。
　　本論文以多天線技術(shù)為核心，以提升頻譜

3、效率和改善能量效率為目標(biāo)，以干擾對(duì)齊、干擾抑制和干擾利用為技術(shù)手段，以挖掘空間傳輸維度和提高資源利用率為途徑，著重研究面向干擾抑制和能量收割的多用戶MIMO收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)理論與方法。所研究的多用戶網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景包括MIMO網(wǎng)絡(luò)包括干擾信道(IC)、廣播信道(BC)和干擾廣播信道(IBC)等代表性網(wǎng)絡(luò)。具體研究內(nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)簡述如下:
　　1)分析了MIMO IC網(wǎng)絡(luò)線性干擾對(duì)齊可達(dá)速率。針對(duì)MIMO IC網(wǎng)絡(luò)，分析了信道誤差對(duì)干擾對(duì)齊系統(tǒng)傳輸

4、性能的影響。首先，研究了非相關(guān)瑞利衰落信道條件下信道誤差對(duì)遍歷互信息的影響，推導(dǎo)了非完美信道狀態(tài)信息條件下干擾對(duì)齊系統(tǒng)遍歷互信息上下界解析表達(dá)式，并證明了上下界的緊致性。進(jìn)而利用所得到的互信息解析界，分析了信道誤差對(duì)系統(tǒng)自由度的影響。其次，研究了相關(guān)瑞利衰落信道條件下信道誤差對(duì)給定信道實(shí)現(xiàn)的可達(dá)速率影響，推導(dǎo)了給定信道實(shí)現(xiàn)的可達(dá)速率上下界解析表達(dá)式。該研究結(jié)果對(duì)MIMO線性干擾對(duì)齊實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有理論指導(dǎo)意義。
　　2)研究了MI

5、MO IC網(wǎng)絡(luò)魯棒收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)理論與方法。在創(chuàng)新點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)具有高斯信道誤差的MIMO IC網(wǎng)絡(luò)，分別提出了基于隨機(jī)統(tǒng)計(jì)和概率約束的魯棒收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)方案，并相應(yīng)地設(shè)計(jì)了收發(fā)機(jī)優(yōu)化算法。首先，利用信道的上下行互易性，提出了一種基于平均信號(hào)與干擾噪聲比(SINR)最大化的魯棒收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)算法。該算法屬于隨機(jī)統(tǒng)計(jì)的魯棒收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)，具有較低的運(yùn)算復(fù)雜度，但是所實(shí)現(xiàn)的性能仍有改進(jìn)空間。為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)傳輸性能，本文又提出了一種基于概率約束的魯棒收

6、發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)算法。所提概率約束魯棒設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)思路為在約束較大的干擾和噪聲功率出現(xiàn)概率的前提下，優(yōu)化收發(fā)機(jī)以最大化期望信號(hào)的平均功率。與傳統(tǒng)收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)方法相比，所提魯棒收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)方法可顯著改善MIMO IC系統(tǒng)的可達(dá)傳輸速率。
　　3)研究了MIMO IBC網(wǎng)絡(luò)干擾對(duì)齊收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)理論與技術(shù)。針對(duì)未來典型的多小區(qū)多用戶MIMO傳輸場(chǎng)景，研究了兼顧用戶公平性的IBC網(wǎng)絡(luò)干擾對(duì)齊收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)方法。以優(yōu)化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中最差用戶的均方誤差為目標(biāo)，本

7、文提出了一種最小化最大(Min-Max)均方誤差收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)方案，并提出了基于二階錐規(guī)劃(SOCP)的收發(fā)機(jī)交替迭代優(yōu)化算法。理論分析證明了所提算法的收斂性。仿真結(jié)果表明在強(qiáng)干擾對(duì)齊可行條件下，所提算法可獲得干擾對(duì)齊解。與已有算法相比，所提算法在犧牲少量和速率的前提下，可顯著改善用戶的公平性。此外，考慮到實(shí)際通信系統(tǒng)難以獲得完美信道狀態(tài)信息，本文還提出了一種魯棒式Min-Max均方誤差收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)算法。仿真結(jié)果表明所提魯棒式算法可有效改善非

8、完美信道狀態(tài)信息條件下系統(tǒng)的可達(dá)速率。
　　4)研究了多用戶MIMO無線信息與能量同傳（SWIPT）理論與技術(shù)。針對(duì)MIMO BC網(wǎng)絡(luò)，提出了具有用戶均方誤差和能量收割雙重服務(wù)質(zhì)量要求的聯(lián)合收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)和功率分割優(yōu)化方案。針對(duì)MIMO IC網(wǎng)絡(luò)，提出了以均方誤差準(zhǔn)則為優(yōu)化目標(biāo)的SWIPT系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。在給定能量收割需求和發(fā)送功率約束的前提下，分別構(gòu)建了以所有用戶的“和MSE”和所有用戶中的“最大MSE”為優(yōu)化目標(biāo)的聯(lián)合收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)和功