MIMO雙向中繼系統(tǒng)的預(yù)編碼設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化研究.pdf

1、多輸入多輸出(Multiple-Input and Multiple-Output，MIMO)技術(shù)能夠提升系統(tǒng)空間資源的利用率，增強(qiáng)鏈路傳輸?shù)目煽啃?，已廣泛應(yīng)用于無線通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。物理層網(wǎng)絡(luò)編碼(Physical Layer Network Coding，PNC)能夠擴(kuò)大小區(qū)覆蓋范圍，增強(qiáng)小區(qū)邊緣的服務(wù)質(zhì)量和抵抗多用戶間的干擾。將PNC與MIMO結(jié)合，能進(jìn)一步拓寬泛在服務(wù)，提升系統(tǒng)性能。而作為下一代無線通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一的雙向中繼技術(shù)

2、，也因其更高的頻譜利用效率，備受關(guān)注。鑒于此，本文主要圍繞多中繼、多用戶和高維度碼字的三個(gè)核心點(diǎn)，研究MIMO雙向中繼系統(tǒng)的預(yù)編碼算法及性能優(yōu)化問題。主要內(nèi)容歸結(jié)如下三個(gè)方面：
　　(1)基于目前對多輸入多輸出正交頻分復(fù)用(Multiple-Input and Multiple-Output-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，MIMO-OFDM)系統(tǒng)的功率優(yōu)化研究較多關(guān)注在子載波

3、層面上，提出一種雙向中繼信道的預(yù)編碼方案，能夠?qū)?fù)雜的雙向MIMO-OFDM信道劃分為多個(gè)獨(dú)立與對等空間上的PNC子信道。在此基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)擴(kuò)展至多中繼，提出在頻域子載波和空間子信道的最佳配對方案下，以最大化用戶接收信號信噪比為準(zhǔn)則，為每組配對方案分配合適的中繼來改善中繼網(wǎng)絡(luò)的性能。最后通過聯(lián)合優(yōu)化的中繼選擇策略，單節(jié)點(diǎn)功率約束條件以及拉格朗日對偶方法，獲取優(yōu)化的系統(tǒng)可獲取總速率。仿真結(jié)果顯示在30dB的信噪比與4個(gè)中繼的情況下，所提聯(lián)

4、合優(yōu)化方案較原有的只考慮子載波配對方案具有3.7bits/s/Hz的頻譜效率增益，而當(dāng)系統(tǒng)有16個(gè)中繼時(shí)，較4個(gè)中繼的情形更有1.1bits/s/Hz的頻譜效率增益，并且已經(jīng)接近系統(tǒng)的性能上界。
　　(2)針對多用戶MIMO(Multi-user MIMO，MU-MIMO)系統(tǒng)，考慮到多用戶間的干擾成為影響正確譯碼的重要因素，設(shè)計(jì)一種基于最小均方誤差(Minimum Mean Square Error，MMSE)接受準(zhǔn)則的雙向中繼

5、復(fù)格基規(guī)約(Complex Lattice Reduction，CLR)編碼算法。為分析方便，將所有用戶按照信息交互的方式分成對稱的兩組。在用戶發(fā)射端，先通過一種聯(lián)合信道求逆的方法來消除多用戶間的干擾，然后采用QR分解和復(fù)格基規(guī)約來取代傳統(tǒng)塊對角(Block Diagnoalization，BD)下的奇異值分解，旨在盡可能地降低預(yù)編碼算法的復(fù)雜度。性能分析證實(shí)，相比于MMSE與BD算法，所提CLR-MMSE方案不僅具有好的誤碼率性能，而

6、且能夠簡化用戶的接收端與極大地降低預(yù)編碼的復(fù)雜度。最后數(shù)值仿真給出當(dāng)系統(tǒng)存在6個(gè)用戶時(shí)，所提算法較MMSE亦有可獲取速率上的優(yōu)勢。
　　(3)考慮高維度碼字傳輸，傳統(tǒng)的正交幅度調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)與PNC技術(shù)相結(jié)合時(shí)，在中繼處的星座圖上極易產(chǎn)生重疊，造成譯碼錯(cuò)誤概率的加大，設(shè)計(jì)一種基于晶格編碼(Lattice Code，LC)和無線信息與能量協(xié)同傳輸(Simultaneou

7、s Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)技術(shù)相結(jié)合的預(yù)編碼算法，能夠?qū)⒃葱畔⒆髁炕c抖動處理后形成發(fā)射端的晶格模運(yùn)算，且在中繼處得到的模量依然是一一對應(yīng)于所構(gòu)造的碼本，避免重疊情況的發(fā)生。依據(jù)由臨界的誤碼率判定的速率區(qū)域表達(dá)式，得到凸優(yōu)化的約束條件，然后通過交替優(yōu)化和CVX工具箱處理，最終獲取優(yōu)化的功率分流因子和中繼節(jié)點(diǎn)的收發(fā)波束賦形矩陣。最后仿真結(jié)果表明，在滿足臨界誤碼率條件下，