無線雙向中繼系統(tǒng)中的預(yù)編碼技術(shù)研究.pdf

1、基于中繼的無線協(xié)作通信技術(shù)在提升系統(tǒng)吞吐量、擴大小區(qū)覆蓋和節(jié)省發(fā)射功率等多方面都擁有優(yōu)勢，是下一代移動通信系統(tǒng)LTE-Advanced和WiMAX中較有前景的技術(shù)。近幾年提出的雙向中繼傳輸又使得協(xié)作通信的頻譜利用率得到了成倍提升。另一方面，多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）已被看做是近十年無線通信領(lǐng)域最具突破性的技術(shù)之一。通過合理的預(yù)編碼設(shè)計，MIMO技術(shù)可顯著提高無線傳輸?shù)目煽啃院陀?/p>

2、效性。本論文旨在研究MIMO雙向中繼系統(tǒng)中的預(yù)編碼設(shè)計，以同時挖掘雙向中繼和多天線所帶來的增益。一般來說，雙向中繼系統(tǒng)中的預(yù)編碼設(shè)計問題具有非凸性，最優(yōu)求解難度較大。其特有的雙向傳輸特性也使得傳統(tǒng)點對點、單向中繼系統(tǒng)中的預(yù)編碼設(shè)計方法和結(jié)論無法適用。因此，為將雙向中繼傳輸推廣至實際應(yīng)用，研究多天線雙向中繼系統(tǒng)中的預(yù)編碼設(shè)計不僅十分必要和迫切，還具有很強的挑戰(zhàn)性。本論文的主要工作和創(chuàng)新點包括：
　　首先，針對單用戶對雙向中繼系統(tǒng)中的

3、線性聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計，提出了以最小化系統(tǒng)均方誤差之和為目標(biāo)的優(yōu)化問題。通過對聯(lián)合優(yōu)化問題進行子問題分解，提出了交替迭代算法以獲得局部最優(yōu)解。同時，給出了能在性能和復(fù)雜度之間折中的低復(fù)雜度預(yù)編碼設(shè)計算法。仿真結(jié)果表明，所提出的源節(jié)點和中繼節(jié)點聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計算法可獲得多天線分集增益，顯著改善系統(tǒng)傳輸可靠性。
　　第二，在非完備信道信息條件下，研究了有多個單天線中繼節(jié)點的單用戶對雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的魯棒中繼預(yù)編碼優(yōu)化問題。以最大化最差用戶速率為

4、設(shè)計目標(biāo)，本論文構(gòu)建了包含信道誤差的魯棒優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。通過使用S定理，將該魯棒優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為松弛半正定規(guī)劃問題。利用特征向量近似方法，獲得了原問題有效解。當(dāng)信道誤差較小時，該有效解可獲得接近最優(yōu)性能。
　　第三，針對單用戶對雙向中繼系統(tǒng)的非線性聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計，提出了兩種預(yù)編碼方案以最小化系統(tǒng)均方誤差之和。對于給定中繼預(yù)編碼矩陣的非線性源節(jié)點預(yù)編碼設(shè)計，本論文推導(dǎo)出了最優(yōu)預(yù)編碼結(jié)構(gòu)并給出最優(yōu)求解算法。對于非線性聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計，提出交

5、替迭代算法以獲得聯(lián)合優(yōu)化問題的局部最優(yōu)解。仿真結(jié)果表明，非線性聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計要優(yōu)于線性聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計，但當(dāng)中繼節(jié)點天線個數(shù)遠大于源節(jié)點天線個數(shù)時，線性中繼預(yù)編碼設(shè)計可優(yōu)于非線性源節(jié)點預(yù)編碼設(shè)計。
　　第四，針對蜂窩多用戶雙向中繼網(wǎng)絡(luò)，在保證下行鏈路服務(wù)質(zhì)量的前提下，以最小化上行鏈路均方誤差之和或最大化和速率為目標(biāo)，分別研究了基站預(yù)編碼設(shè)計、中繼預(yù)編碼設(shè)計、以及基站和中繼聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計。通過利用和改進二階錐規(guī)劃和松弛半正定規(guī)劃等優(yōu)化

6、理論，獲得了上述預(yù)編碼設(shè)計問題的最優(yōu)解或局部最優(yōu)解。同單用戶對模型類似，仿真結(jié)果再次論證了中繼預(yù)編碼在提升系統(tǒng)性能方面的優(yōu)勢。
　　第五，針對多用戶對雙向中繼網(wǎng)絡(luò)，中繼預(yù)編碼設(shè)計的目標(biāo)旨在保證各用戶間可達速率公平性。通過將原優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為一系列半正定規(guī)劃子問題并使用隨機化方法，獲得了接近性能上界的近似最優(yōu)解。此外，通過提出一種可消除不同用戶對間干擾的塊對角中繼預(yù)編碼結(jié)構(gòu)，有效降低了預(yù)編碼設(shè)計的復(fù)雜度。仿真結(jié)果驗證了所提出的中繼預(yù)編

7、碼設(shè)計方法在保證用戶公平性以及系統(tǒng)和速率方面具有較強優(yōu)勢。
　　最后，針對認(rèn)知雙向中繼網(wǎng)絡(luò)，在保證主用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下，以最大化次用戶傳輸速率為目標(biāo)，較全面地研究了次用戶發(fā)送節(jié)點（即中繼節(jié)點）轉(zhuǎn)發(fā)策略選擇、功率分配和預(yù)編碼優(yōu)化問題。通過利用Charnes-Cooper變換和半正定規(guī)劃等優(yōu)化理論，求解出了所有優(yōu)化問題的最優(yōu)解。當(dāng)廣播時隙信道部分或完全平行時，還推導(dǎo)出預(yù)編碼最優(yōu)閉式解。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)兩主用戶目標(biāo)速率對稱時，比特異或