MIMO系統(tǒng)傳輸優(yōu)化理論與算法設計.pdf

1、近年來，隨著眾多新型移動應用不斷涌現(xiàn)，人們對高質(zhì)量無線數(shù)據(jù)業(yè)務的需求也日益增長。從通信物理層傳輸?shù)慕嵌葋砜矗韶悹枌嶒炇野l(fā)明的多輸入多輸出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)技術是應對這一需求的最有效途徑之一。該技術的優(yōu)點在于利用空間資源提高系統(tǒng)的有效性和可靠性。為了進一步提高傳輸性能，近期關于MIMO技術的研究熱點已經(jīng)從傳統(tǒng)的單用戶MIMO轉(zhuǎn)向一些更為復雜的場景，例如多用戶MIMO、多小區(qū)MIMO

2、和中繼MIMO等。
　　在各類MIMO系統(tǒng)中，一個重要的課題是研究如何利用信道狀態(tài)信息(CSI，Channel StateInformation)設計性能優(yōu)異的收發(fā)信機，從而充分挖掘MIMO信道的潛在優(yōu)勢。實際系統(tǒng)中，由于信道估計、量化反饋以及反饋時延等因素，通常只能獲得非理想CSI，而這往往會導致嚴重的性能損失。因此，在設計收發(fā)信機時必須將CSI誤差考慮在內(nèi)，從而提高系統(tǒng)在非理想CSI場景下的性能。本論文對幾類MIMO系統(tǒng)的魯棒

3、收發(fā)信機優(yōu)化進行了深入研究。具體而言，論文作出了以下主要貢獻:
　　首先，針對存在非理想CSI的下行多用戶MIMO系統(tǒng)，第二章提出了一種新穎的發(fā)射預編碼算法。利用信道在時域的相關性，將用戶的接收機信息融入傳統(tǒng)的信漏噪比(SLNR，Signal-to-Leakage-plus-Noise Ratio)預編碼設計中，獲得優(yōu)于SLNR方案的性能。之后，著重考慮提高該方案對非理想CSI的魯棒性。通過引入統(tǒng)計魯棒性(Statistical

4、Robustness)的設計思想，先后針對反饋時延和量化反饋這兩種CSI非理想因素探討了魯棒預編碼優(yōu)化。在上述工作的基礎上，本章又設計了一種高效的功率分配方法用于進一步提高系統(tǒng)性能。此外，論文還將所提出的預編碼算法推廣至多小區(qū)MIMO系統(tǒng)中。仿真結(jié)果表明，該發(fā)射預編碼可以提供比傳統(tǒng)方案更優(yōu)的性能。
　　然后，第三章從最差情況魯棒性（Worst-Case Robustness）的角度研究了非再生(Nonregenerative)中繼

5、MIMO系統(tǒng)的魯棒收發(fā)信機優(yōu)化問題。依據(jù)最小均方誤差(MMSE，Minimum Mean-SquareError)準則，首先將魯棒設計問題建模為一個最小化最大值問題。接著，通過將原問題分解為關于分別優(yōu)化中繼預編碼和信宿接收機的兩個子問題，論文證明在一定條件下每個子問題的最優(yōu)解都具有信道對角化結(jié)構(gòu)。隨后，利用這一發(fā)現(xiàn)將以復數(shù)矩陣為優(yōu)化變量的子問題轉(zhuǎn)換為等價的標量問題，并設計了高效的數(shù)值求解算法。在此基礎上又提出一種迭代算法用于聯(lián)合優(yōu)化中繼

6、預編碼和信宿接收機，該算法只涉及簡單的標量運算且收斂速度快。最后通過仿真驗證了所提出的魯棒收發(fā)信機設計在性能上的優(yōu)勢。
　　與前一章工作不同的是，論文第四章以系統(tǒng)互信息量(MI，Mutual Information)為目標函數(shù)，探討非再生中繼MIMO系統(tǒng)的最差情況魯棒預編碼優(yōu)化。首先對單數(shù)據(jù)流傳輸這一特殊情況進行研究。針對乘性CSI誤差模型，通過直接求解魯棒優(yōu)化問題得到了該問題最優(yōu)解的閉合形式;對于加性CSI誤差，由于相應的優(yōu)化問

7、題難以直接求解，論文借助于馬鞍點(Saddle Point)理論獲得了問題的最優(yōu)解。在單數(shù)據(jù)流情況下獲得的結(jié)果表明，特征模式傳輸是一種最優(yōu)的傳輸策略。對于更為復雜的多數(shù)據(jù)流傳輸場景，運用矩陣分析技巧求解相應的魯棒優(yōu)化問題，最終得到了與單數(shù)據(jù)流情況相似的結(jié)論。
　　最后，本論文第五章研究非再生中繼MIMO系統(tǒng)中存在直達鏈路和非理想CSI的統(tǒng)計魯棒收發(fā)信機優(yōu)化，其中優(yōu)化目標為最小化系統(tǒng)MSE。針對信源和中繼獨立功率約束的情況，首先在固