多小區(qū)無線蜂窩通信系統(tǒng)中的魯棒波束成形算法研究.pdf

1、在無線通信系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)更大范圍的覆蓋和更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，各小區(qū)均采用全頻率復(fù)用。然而，全頻率復(fù)用導(dǎo)致相鄰小區(qū)使用同樣頻率資源的用戶彼此間產(chǎn)生較大干擾，降低了用戶服務(wù)質(zhì)量，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。因此，小區(qū)間干擾抑制技術(shù)是多小區(qū)系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了實現(xiàn)小區(qū)間干擾抑制，多小區(qū)的基站可以通過相互協(xié)調(diào)或協(xié)作的方式來消除或降低相鄰小區(qū)的干擾。其中，協(xié)作波束成形技術(shù)是多小區(qū)協(xié)作傳輸?shù)囊环N典型方法。協(xié)作基站之間根據(jù)共享的信道狀態(tài)信息，尋找合

2、理的信號處理和編碼技術(shù)以達(dá)到理想的協(xié)作增益。由于實際系統(tǒng)中，基站獲得的是存在未知誤差的非理想信道信息，針對不同的信道誤差模型，設(shè)計魯棒的波束成形算法是多小區(qū)協(xié)作傳輸?shù)囊粋€關(guān)鍵研究內(nèi)容。本文根據(jù)不同的通信場景，深入研究多小區(qū)理想與非理想信道條件下協(xié)作傳輸?shù)牟ㄊ尚嗡惴ā?br>　　在理想信道條件下，表征兩小區(qū)的多輸入單輸出（MISO）干擾信道的可達(dá)速率界的Pareto界能夠通過線性波束成形算法實現(xiàn)。達(dá)到Pareto界的最優(yōu)波束成形向量是迫

3、零波束成形和最大比傳輸波束成形向量的線性組合?；赑areto界，本文研究每個基站功率約束條件下的信漏噪比最大化問題，給出了一種分布式的波束成形算法?；緝H利用本地的信道狀態(tài)信息，通過一系列的分析與轉(zhuǎn)化，推導(dǎo)出一種實數(shù)參量化算法。該實數(shù)參量化算法可以從兩小區(qū)擴展到多小區(qū)MISO干擾信道的場景。仿真結(jié)果表明：本文的分布式參量化算法是Pareto最優(yōu)的；與已有文獻(xiàn)提出的迭代算法相比較，該算法具有更低的算法復(fù)雜度。
　　在非理想信道條件

4、下，本文針對多小區(qū)MISO系統(tǒng)設(shè)計魯棒的預(yù)編碼算法。假設(shè)在多小區(qū)MISO系統(tǒng)中，協(xié)作基站僅共享信道狀態(tài)信息，研究有界誤差存在條件下的最壞情況的性能優(yōu)化問題。在多小區(qū)MISO干擾信道中，把有基站功率約束的加權(quán)總均方誤差最小化問題作為優(yōu)化目標(biāo)，提出了一種分布式預(yù)編碼方法。通過重新描述均方誤差的上確界并采用Lagrangian方法獲得了優(yōu)化問題的最優(yōu)解。仿真結(jié)果表明，該魯棒性算法保證了最壞情況的總速率性能，與已有的基于信干噪比的算法相比，具有

5、更低的計算復(fù)雜度。
　　在此基礎(chǔ)上，本文研究了多小區(qū)MISO干擾廣播信道中最壞情況的性能優(yōu)化問題。基于泄漏準(zhǔn)則，總均方誤差最小化問題可以改寫成一系列子問題，其中每個子問題均可轉(zhuǎn)化成僅利用本地信道狀態(tài)信息的半正定規(guī)劃問題，提出了一種分布式的預(yù)編碼方法。在此基礎(chǔ)上，通過修正均方誤差，引入小區(qū)間泄漏項代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均方誤差中的小區(qū)間干擾，構(gòu)造了最小化最大均方誤差優(yōu)化問題的分布式解法。仿真結(jié)果表明，對于每個用戶而言，小區(qū)間泄漏與小區(qū)間干擾相當(dāng)

6、，誤比特率性能驗證了該分布式預(yù)編碼的魯棒性。
　　在非理想信道條件下，本文針對多小區(qū)多輸入多輸出（MIMO）干擾信道，研究了魯棒的收發(fā)機設(shè)計方法。首先，考慮信道狀態(tài)信息存在有界誤差的情況，本文設(shè)計了魯棒的波束成形算法。在基站發(fā)送單流數(shù)據(jù)的情況下，考慮基站功率約束的最大化最小信干噪比，設(shè)計基于用戶公平性的波束成形算法。首先提出了一種塊對角化輔助的魯棒波束成形算法（BDA算法）。利用塊對角化預(yù)編碼簡化初始的優(yōu)化問題，然后推導(dǎo)出了一種交

7、替優(yōu)化的迭代算法求解簡化后的優(yōu)化問題，并分析了BDA算法的收斂性和計算復(fù)雜度。通過仿真驗證了BDA算法的收斂性，并從誤碼率和最小信干噪比角度展示了該設(shè)計方案的魯棒性。由于BDA算法要求每個基站發(fā)送天線的數(shù)目都不小于所有用戶天線數(shù)目的總和，其應(yīng)用場景受到限制。通過把非凸的最大化最小信干噪比問題轉(zhuǎn)化成存在線性矩陣不等式約束的優(yōu)化問題，設(shè)計了一種廣義的魯棒波束成形算法。由于轉(zhuǎn)化后的問題包括兩組變量，本文采用交替優(yōu)化方式把該問題變成凸優(yōu)化問題，

8、從而得到一種迭代優(yōu)化算法。針對該算法的分析發(fā)現(xiàn)，最小信干噪比效用函數(shù)隨迭代次數(shù)單調(diào)增加且收斂到某個局部最優(yōu)解。
　　另一方面，針對信道狀態(tài)信息存在統(tǒng)計誤差的多小區(qū)MIMO干擾信道，本文分別基于用戶公平性和系統(tǒng)總均方誤差性能設(shè)計魯棒的波束成形算法。基于用戶公平性，本文考慮信道不匹配的條件和基站功率約束，把最小信干噪比最大化作為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計魯棒的波束成形算法。根據(jù)交替優(yōu)化方案，首先固定發(fā)送波束成形向量，將最大最小公平性問題轉(zhuǎn)化成一系