無(wú)線(xiàn)雙向中繼系統(tǒng)中的預(yù)編碼技術(shù)研究.pdf

1、基于中繼的無(wú)線(xiàn)協(xié)作通信技術(shù)在提升系統(tǒng)吞吐量、擴(kuò)大小區(qū)覆蓋和節(jié)省發(fā)射功率等多方面都擁有優(yōu)勢(shì)，是下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)LTE-Advanced和WiMAX中較有前景的技術(shù)。近幾年提出的雙向中繼傳輸又使得協(xié)作通信的頻譜利用率得到了成倍提升。另一方面，多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）已被看做是近十年無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域最具突破性的技術(shù)之一。通過(guò)合理的預(yù)編碼設(shè)計(jì)，MIMO技術(shù)可顯著提高無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)目煽啃院陀?/p>

2、效性。本論文旨在研究MIMO雙向中繼系統(tǒng)中的預(yù)編碼設(shè)計(jì)，以同時(shí)挖掘雙向中繼和多天線(xiàn)所帶來(lái)的增益。一般來(lái)說(shuō)，雙向中繼系統(tǒng)中的預(yù)編碼設(shè)計(jì)問(wèn)題具有非凸性，最優(yōu)求解難度較大。其特有的雙向傳輸特性也使得傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、單向中繼系統(tǒng)中的預(yù)編碼設(shè)計(jì)方法和結(jié)論無(wú)法適用。因此，為將雙向中繼傳輸推廣至實(shí)際應(yīng)用，研究多天線(xiàn)雙向中繼系統(tǒng)中的預(yù)編碼設(shè)計(jì)不僅十分必要和迫切，還具有很強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。本論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括：
　　首先，針對(duì)單用戶(hù)對(duì)雙向中繼系統(tǒng)中的

3、線(xiàn)性聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計(jì)，提出了以最小化系統(tǒng)均方誤差之和為目標(biāo)的優(yōu)化問(wèn)題。通過(guò)對(duì)聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行子問(wèn)題分解，提出了交替迭代算法以獲得局部最優(yōu)解。同時(shí)，給出了能在性能和復(fù)雜度之間折中的低復(fù)雜度預(yù)編碼設(shè)計(jì)算法。仿真結(jié)果表明，所提出的源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計(jì)算法可獲得多天線(xiàn)分集增益，顯著改善系統(tǒng)傳輸可靠性。
　　第二，在非完備信道信息條件下，研究了有多個(gè)單天線(xiàn)中繼節(jié)點(diǎn)的單用戶(hù)對(duì)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的魯棒中繼預(yù)編碼優(yōu)化問(wèn)題。以最大化最差用戶(hù)速率為

4、設(shè)計(jì)目標(biāo)，本論文構(gòu)建了包含信道誤差的魯棒優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。通過(guò)使用S定理，將該魯棒優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為松弛半正定規(guī)劃問(wèn)題。利用特征向量近似方法，獲得了原問(wèn)題有效解。當(dāng)信道誤差較小時(shí)，該有效解可獲得接近最優(yōu)性能。
　　第三，針對(duì)單用戶(hù)對(duì)雙向中繼系統(tǒng)的非線(xiàn)性聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計(jì)，提出了兩種預(yù)編碼方案以最小化系統(tǒng)均方誤差之和。對(duì)于給定中繼預(yù)編碼矩陣的非線(xiàn)性源節(jié)點(diǎn)預(yù)編碼設(shè)計(jì)，本論文推導(dǎo)出了最優(yōu)預(yù)編碼結(jié)構(gòu)并給出最優(yōu)求解算法。對(duì)于非線(xiàn)性聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計(jì)，提出交

5、替迭代算法以獲得聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題的局部最優(yōu)解。仿真結(jié)果表明，非線(xiàn)性聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計(jì)要優(yōu)于線(xiàn)性聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計(jì)，但當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)天線(xiàn)個(gè)數(shù)遠(yuǎn)大于源節(jié)點(diǎn)天線(xiàn)個(gè)數(shù)時(shí)，線(xiàn)性中繼預(yù)編碼設(shè)計(jì)可優(yōu)于非線(xiàn)性源節(jié)點(diǎn)預(yù)編碼設(shè)計(jì)。
　　第四，針對(duì)蜂窩多用戶(hù)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)，在保證下行鏈路服務(wù)質(zhì)量的前提下，以最小化上行鏈路均方誤差之和或最大化和速率為目標(biāo)，分別研究了基站預(yù)編碼設(shè)計(jì)、中繼預(yù)編碼設(shè)計(jì)、以及基站和中繼聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計(jì)。通過(guò)利用和改進(jìn)二階錐規(guī)劃和松弛半正定規(guī)劃等優(yōu)化

6、理論，獲得了上述預(yù)編碼設(shè)計(jì)問(wèn)題的最優(yōu)解或局部最優(yōu)解。同單用戶(hù)對(duì)模型類(lèi)似，仿真結(jié)果再次論證了中繼預(yù)編碼在提升系統(tǒng)性能方面的優(yōu)勢(shì)。
　　第五，針對(duì)多用戶(hù)對(duì)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)，中繼預(yù)編碼設(shè)計(jì)的目標(biāo)旨在保證各用戶(hù)間可達(dá)速率公平性。通過(guò)將原優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一系列半正定規(guī)劃子問(wèn)題并使用隨機(jī)化方法，獲得了接近性能上界的近似最優(yōu)解。此外，通過(guò)提出一種可消除不同用戶(hù)對(duì)間干擾的塊對(duì)角中繼預(yù)編碼結(jié)構(gòu)，有效降低了預(yù)編碼設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出的中繼預(yù)編

7、碼設(shè)計(jì)方法在保證用戶(hù)公平性以及系統(tǒng)和速率方面具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。
　　最后，針對(duì)認(rèn)知雙向中繼網(wǎng)絡(luò)，在保證主用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量的前提下，以最大化次用戶(hù)傳輸速率為目標(biāo)，較全面地研究了次用戶(hù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)（即中繼節(jié)點(diǎn)）轉(zhuǎn)發(fā)策略選擇、功率分配和預(yù)編碼優(yōu)化問(wèn)題。通過(guò)利用Charnes-Cooper變換和半正定規(guī)劃等優(yōu)化理論，求解出了所有優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)解。當(dāng)廣播時(shí)隙信道部分或完全平行時(shí)，還推導(dǎo)出預(yù)編碼最優(yōu)閉式解。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)兩主用戶(hù)目標(biāo)速率對(duì)稱(chēng)時(shí)，比特異或