MIMO無線通信系統(tǒng)中的ARQ傳輸技術(shù)研究.pdf

1、無線通信系統(tǒng)中由于衰落、干擾、噪聲等因素的影響，數(shù)據(jù)傳輸錯誤在所難免。自動重傳請求(ARQ)機制是現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中普遍采用的錯誤糾正技術(shù)。多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)提供了新的空間自由度，可以產(chǎn)生空間分集或空間復用增益，是提高系統(tǒng)容量的重要手段，已經(jīng)成為下一代無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。針對MIMO系統(tǒng)的ARQ技術(shù)研究是現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)一個亟待解決的問題。
　　 本文研究MIMO系統(tǒng)中的ARQ傳輸技術(shù)。由于ARQ本質(zhì)上是一種時間分

2、集技術(shù)，其會改變MIMO系統(tǒng)的分集和復用折中關(guān)系，因此，本文首先在發(fā)送端統(tǒng)計信道狀態(tài)信息(CSIT)場景下研究了MIMO ARQ系統(tǒng)的分集/復用模式切換問題。另外，當發(fā)送端具有完善或者部分CSIT時，預編碼技術(shù)可以進一步提高MIMO系統(tǒng)的性能，為此，本文研究了點對點MIMO系統(tǒng)中的ARQ預編碼設(shè)計問題，并擴展到基于中繼協(xié)作的多跳MIMO系統(tǒng)中，首次提出了MIMO放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)中繼系統(tǒng)的ARQ預編碼設(shè)計方法。
　　 首先，分集和

3、復用增益的開拓對信道特性以及信道信息的依賴程度不同，不同信道特性及信道信息下的分集和復用增益性能分析是進行分集/復用模式切換的基礎(chǔ)。但是，ARQ時間分集增益的不確定性導致不同模式下的MIMO系統(tǒng)性能分析面臨極大挑戰(zhàn)。在統(tǒng)計CSIT場景下，本文首次提出了MIMO ARQ系統(tǒng)的模式切換問題，綜合考慮了實際系統(tǒng)中影響模式切換的多個因素:發(fā)送信道相關(guān)，信道估計誤差，丟包率限制等，使用Gamma函數(shù)表達或近似不同MIMO模式下接收機的后驗信干噪比

4、分布，推導了不同模式下ARQ平均分集增益的表達式，提出了吞吐率最大化的MIMO分集/復用模式切換方法，分析了不同因素對模式切換點的影響。仿真結(jié)果表明，本文提出的模式切換算法具有較好的魯棒性，相對單一模式傳輸方法能獲得明顯性能提升。
　　 其次，當發(fā)送端可以獲得完善的或者部分CSIT時，預編碼技術(shù)是進一步提高系統(tǒng)性能的重要手段和關(guān)鍵技術(shù)。而ARQ技術(shù)由于采用了重傳，其預編碼設(shè)計與傳統(tǒng)單次傳輸?shù)念A編碼設(shè)計不同。因此，本文研究了完善C

5、SIT及信道估計誤差場景下的MIMO ARQ預編碼設(shè)計問題。
　　 在采用MIMO技術(shù)的LTE系統(tǒng)中，多個數(shù)據(jù)流以碼字的形式呈現(xiàn)，每個碼字可以進行獨立的自適應調(diào)制編碼，則自適應調(diào)制編碼等級較低的碼字需要較小的SINR門限即可以進行解碼，而等級較高的碼字需要較大的SINR門限才能正確譯碼。傳統(tǒng)不考慮調(diào)制編碼等級的重傳預編碼設(shè)計會因為過分提高低調(diào)制編碼等級碼字的SINR而造成功率浪費問題。為了解決上述問題，本文首先提出了新穎的重傳包

6、錯誤率最小化的優(yōu)化目標，進而提出了重傳預編碼結(jié)構(gòu)，利用該結(jié)構(gòu)，重傳預編碼設(shè)計問題等效為一個功率分配和信道配對的聯(lián)合優(yōu)化問題。通過遍歷信道配對并針對每個信道配對進行功率分配，可以獲得聯(lián)合優(yōu)化問題的最優(yōu)解。然而，給定信道配對時，功率分配是一個非凸優(yōu)化問題，本文提出了一種兩步功率分配算法，解決了重傳預編碼的功率浪費問題，有效提高了系統(tǒng)性能。
　　 另外，中繼技術(shù)是進一步提高系統(tǒng)覆蓋和吞吐量的重要手段，但是由于需要融合更多的信息，MIM

7、O AF中繼系統(tǒng)的重傳預編碼設(shè)計更為復雜，更具挑戰(zhàn)性。在學術(shù)界，本文首次研究了MIMO AF中繼系統(tǒng)的重傳預編碼設(shè)計問題。在完善CSIT場景下本文以最大化重傳容量為目標，利用矩陣理論和凸優(yōu)化理論提出了序貫最優(yōu)的中繼重傳預編碼算法;進而考慮聯(lián)合源和中繼的預編碼場景，通過在源端引入信道配對矩陣，提出了一種可擴展的預編碼結(jié)構(gòu)，進而把預編碼設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為一個聯(lián)合源/中繼功率分配和信道配對的聯(lián)合優(yōu)化問題。給定信道配對下，功率分配是一個多變量非凸優(yōu)

8、化問題，本文提出了一種次優(yōu)的迭代功率分配算法，并從漸進性能的角度提出了一種簡化的信道配對算法。另外，信道估計誤差會嚴重降低系統(tǒng)性能，本文推導了信道估計誤差對接收端信號均方誤差性能的影響，提出了魯棒的發(fā)送接收聯(lián)合優(yōu)化方法，獲得了最優(yōu)的檢測矩陣，然后利用矩陣對角化和信道配對提出了魯棒的聯(lián)合源和中繼的序貫重傳預編碼結(jié)構(gòu)，進而把預編碼結(jié)構(gòu)中的參數(shù)優(yōu)化等效為非凸功率分配和信道配對的聯(lián)合優(yōu)化問題。給定信道配對條件下，本文提出了一種最優(yōu)的功率分配算法

9、，再通過遍歷信道配對可以獲得聯(lián)合優(yōu)化問題的最優(yōu)解。由于最優(yōu)算法復雜度很高，為此，本文進一步提出了一種次優(yōu)的低復雜度迭代功率分配算法和一種簡化的信道配對算法。仿真結(jié)果表明，本文算法相對獨立預編碼設(shè)計方法具有很好的魯棒性和明顯性能提升，本文提出的低復雜度算法相對最優(yōu)算法可以顯著降低復雜度，但是性能損失很小。
　　 本文首先在統(tǒng)計CSIT場景下提出了MIMO ARQ系統(tǒng)的分集/復用模式切換算法，進而在完善和部分CSIT場景下提出了LT