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)計與功率分配問題做深入的研究，主要目的是

2、為每一個信道模型設(shè)計一種可行的預(yù)編碼設(shè)計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有價值的工作:
　　 1.對于多用戶MIMO中繼多接入信道中的預(yù)編碼設(shè)計與功率分配問題，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單化，但是由此所得的預(yù)編碼與功率分配策略并不能簡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)計的嵌套迭代設(shè)計策略。對于不同標(biāo)準(zhǔn)的兩個優(yōu)化問題，在本設(shè)計策略中，信源和中繼節(jié)點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)計策略與其他在設(shè)計時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)計與功率分配策略，將會導(dǎo)致直接鏈路的貢獻(xiàn)幾乎等于零。為此，針對該信道模型，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)計與功率分配問題。為了解這個非凸非線性問題，本文首先建立一個等價優(yōu)化設(shè)計問題，然后提出一種聯(lián)合信源預(yù)編碼矩陣、中繼節(jié)點收發(fā)處理預(yù)編碼矩陣與信宿的接收處理矩陣一起設(shè)計的迭代優(yōu)化設(shè)計算法，

5、去解等價優(yōu)化問題。在本算法的每一個迭代周期過程中，在給定中繼節(jié)點與信宿的收發(fā)處理預(yù)編碼矩陣后，通過建立一個凸優(yōu)化方程去解決信源的預(yù)編碼設(shè)計與功率分配問題;同理通過建立相應(yīng)的凸優(yōu)化方程去解中繼節(jié)點的收發(fā)處理預(yù)編碼矩陣設(shè)計與功率分配問題，最后交替迭代至收斂。然后，在上述迭代優(yōu)化設(shè)計算法的基礎(chǔ)上，本文還提出一個改進(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)計與功率分配算法的基礎(chǔ)上，首先提出一個改進(jìn)的聯(lián)合信源、中繼節(jié)點與信宿的收發(fā)處理預(yù)編碼一起設(shè)計的迭代優(yōu)化設(shè)計算法。同樣，在本算法的每一個迭代周期過程中，當(dāng)中繼節(jié)點的收發(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。針對中繼節(jié)點的天線個數(shù)僅僅等于基站或所有用戶天線個數(shù)的情形，本文提出一種計算復(fù)雜度相對較低的非迭代的預(yù)編碼設(shè)計與功率分配方案。在該方案中，中繼節(jié)點為了更好的處理來自用戶端的多用戶干擾信號，其收發(fā)處理預(yù)編碼矩陣設(shè)計僅僅是基于用戶與中繼節(jié)點之間的信道信息。在確定中繼節(jié)點

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)計原理而定;而用戶（另一端的信源）的預(yù)編碼矩陣設(shè)計，則可以根據(jù)點對點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