無(wú)線物理層多播中的預(yù)編碼技術(shù)研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)和無(wú)線業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，無(wú)線通信系統(tǒng)的用戶數(shù)目以及服務(wù)需求迅猛增長(zhǎng)。然而，無(wú)線通信系統(tǒng)中可用的頻譜資源卻非常有限。用戶服務(wù)需求與頻譜資源之間日益突出的矛盾，促使人們研究和發(fā)展高頻譜利用率的傳輸技術(shù)。在這種背景下，無(wú)線物理層多播技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。無(wú)線物理層多播是指利用無(wú)線信道的廣播特性，由源節(jié)點(diǎn)使用同一無(wú)線資源將相同信息同時(shí)傳遞給多個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的傳輸方式。相對(duì)于傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方式，物理層多播技術(shù)大大節(jié)約了傳輸資源，因此它有效

2、地提高了系統(tǒng)的吞吐量和頻率效率，近年來(lái)，逐漸引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的普遍關(guān)注。
　　在采用多天線技術(shù)的無(wú)線通信系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)送端和接收端都已知信道狀態(tài)信息時(shí)，預(yù)編碼能夠提高物理層多播系統(tǒng)的頻譜效率和鏈路傳輸可靠性。因此，本文主要研究無(wú)線物理層多播系統(tǒng)中的預(yù)編碼技術(shù)。首先，基于最大化最小用戶信噪比準(zhǔn)則，研究了支持單路數(shù)據(jù)流傳輸?shù)亩嗖ゲㄊx形方法。然后，對(duì)于用戶配備多根接收天線的情形，研究了支持雙路數(shù)據(jù)流傳輸和多路數(shù)據(jù)流傳輸?shù)亩嗖ヮA(yù)編碼方

3、法。本文的主要工作和貢獻(xiàn)如下:
　　1)針對(duì)無(wú)線物理層多播系統(tǒng)中的單路數(shù)據(jù)流傳輸問(wèn)題，分別提出了適合于發(fā)送端配備兩根發(fā)送天線和多于兩根發(fā)送天線的波束賦形方法。
　　當(dāng)發(fā)送端配備兩根天線時(shí)，通過(guò)刻畫(huà)出用戶的信噪比矢量的可行域，將復(fù)矢量?jī)?yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化成了一個(gè)實(shí)矢量?jī)?yōu)化問(wèn)題，從而可以采用假設(shè)檢驗(yàn)的方式搜索到全局最優(yōu)的波束賦形矢量。與此同時(shí)，為了減小窮舉搜索的復(fù)雜度，提出了一種高效的剪枝搜索算法，并給出了它的復(fù)雜度分析。
　　當(dāng)

4、發(fā)送端配備多于兩根天線時(shí)，提出了一種優(yōu)化波束賦形矢量的迭代算法。在每一步迭代中，將原波束賦形矢量?jī)?yōu)化問(wèn)題降維成一個(gè)兩發(fā)送天線問(wèn)題，從而可以利用剪枝搜索算法求解，最終獲得接近最優(yōu)的波束賦形矢量。
　　仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，本文提出的波束賦形方法具有性能接近最優(yōu)、且復(fù)雜度較低的特點(diǎn)。
　　2)針對(duì)無(wú)線物理層多播系統(tǒng)中的雙路數(shù)據(jù)流傳輸問(wèn)題，分別提出了適合于迫零判決反饋均衡(ZF-DFE)接收機(jī)和最小均方誤差判決反饋均衡(MMSE-D

5、FE)接收機(jī)的高效預(yù)編碼方法。
　　對(duì)于多播用戶采用ZF-DFE接收機(jī)的場(chǎng)景，為保證所有數(shù)據(jù)流的接收質(zhì)量，采用最大化所有用戶的數(shù)據(jù)流的最小信噪比準(zhǔn)則設(shè)計(jì)酉預(yù)編碼矩陣。通過(guò)刻畫(huà)出兩個(gè)數(shù)據(jù)流的信噪比矢量的可行域和相互關(guān)系，將矩陣優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化成了一個(gè)實(shí)矢量?jī)?yōu)化問(wèn)題，并且采用梯度迭代算法獲得酉預(yù)編碼矩陣。
　　對(duì)于多播用戶采用MMSE-DFE接收機(jī)的場(chǎng)景，采用最大化所有用戶的數(shù)據(jù)流的最小信干噪比準(zhǔn)則設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣。在這個(gè)問(wèn)題中，預(yù)編

6、碼矩陣可寫(xiě)成轉(zhuǎn)換矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣的乘積。因此，該問(wèn)題可分成兩步進(jìn)行處理。首先，基于最大化多播信道的可達(dá)速率這一準(zhǔn)則，求出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣。然后，在給定轉(zhuǎn)換矩陣后，采用基于梯度更新的迭代算法求解旋轉(zhuǎn)矩陣。特別的，對(duì)于兩個(gè)用戶的特殊場(chǎng)景，可以利用兩個(gè)數(shù)據(jù)流的信干噪比特性直接構(gòu)造出旋轉(zhuǎn)矩陣。
　　理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)了所提出的預(yù)編碼方法不僅實(shí)現(xiàn)了較優(yōu)的多播可達(dá)速率，而且其誤符號(hào)率低于現(xiàn)有的方法。
　　3)針對(duì)無(wú)線物理層多播系統(tǒng)中的多

7、路數(shù)據(jù)流傳輸問(wèn)題，分別提出了適合于平坦衰落多播信道的酉預(yù)編碼方法和適合于頻率選擇性衰落多播信道的FIR預(yù)編碼方法。
　　對(duì)于平坦衰落的多播信道，研究了基于最大化所有用戶的數(shù)據(jù)流的最小信噪比準(zhǔn)則的酉預(yù)編碼設(shè)計(jì)問(wèn)題。基于這個(gè)問(wèn)題的特殊結(jié)構(gòu)，采用Givens旋轉(zhuǎn)的方式迭代更新酉預(yù)編碼矩陣。在每一步迭代中，將多路數(shù)據(jù)流傳輸問(wèn)題轉(zhuǎn)化成雙路數(shù)據(jù)流傳輸問(wèn)題，從而可以利用雙路數(shù)據(jù)流時(shí)的算法進(jìn)行求解，最后獲得接近最優(yōu)的酉預(yù)編碼矩陣。
　　對(duì)于