中繼增強(qiáng)型MIMO通信系統(tǒng)中空時(shí)聯(lián)合處理與資源調(diào)度.pdf

1、多輸入多輸出（multiple-input multiple-output，MIMO）通信技術(shù)通過(guò)利用空間復(fù)用增益、空間分集增益和天線陣列增益能夠在不增加額外功率和帶寬的前提下顯著提升系統(tǒng)頻譜效率和可靠性，已被公認(rèn)為是未來(lái)蜂窩無(wú)線通信中實(shí)現(xiàn)高速率、高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵募夹g(shù)之一。中繼技術(shù)能夠有效克服路徑損耗和大尺度衰落影響，消除克服通信盲區(qū)，解決熱點(diǎn)區(qū)域的通信瓶頸問(wèn)題，快速恢復(fù)突發(fā)災(zāi)難地區(qū)的通信連通性等，它已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的廣

2、泛研究。中繼增強(qiáng)型MIMO技術(shù)能夠綜合利用上述兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步提高通信的有效性和可靠性。中繼增強(qiáng)型MIMO技術(shù)中的空時(shí)資源分配與調(diào)度明顯影響蜂窩無(wú)線通信的有效性和可靠性，所以本論文深入研究了“空時(shí)聯(lián)合處理與資源調(diào)度”課題。然而，由于中繼增強(qiáng)型MIMO系統(tǒng)包含前后兩跳無(wú)線信道，同時(shí)信源和中繼都配備多根天線，并且信源和中繼受到不同的功率峰值約束，該系統(tǒng)中的空時(shí)聯(lián)合處理和資源調(diào)度問(wèn)題變得十分復(fù)雜。本論文著重對(duì)中繼增強(qiáng)型MIMO系統(tǒng)中的聯(lián)合

3、功率分配、聯(lián)合波束形成、分布式雙向MIMO中繼協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)方案的最優(yōu)設(shè)計(jì)、多個(gè)雙向中繼協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)方案的分布式實(shí)行方式及其漸進(jìn)最優(yōu)性分析、基于格的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的中繼協(xié)作方案設(shè)計(jì)以及多基站協(xié)作方案的標(biāo)準(zhǔn)化等問(wèn)題進(jìn)行了全面深入的研究，具體研究?jī)?nèi)容和主要貢獻(xiàn)如下：
　　 1.提出了基于可達(dá)速率最大化的中繼增強(qiáng)型多輸入多輸出（multiple-inputmultiple-output，MIMO）系統(tǒng)中的聯(lián)合功率分配方案。首先，基于系統(tǒng)可達(dá)

4、速率最大化的準(zhǔn)則建立了數(shù)學(xué)模型，并證明了相應(yīng)的代價(jià)函數(shù)僅僅對(duì)于部分參數(shù)是凸函數(shù)，而對(duì)于全局參數(shù)是非凸函數(shù)。然后，通過(guò)推導(dǎo)系統(tǒng)可達(dá)速率函數(shù)的下界得到一個(gè)修正的代價(jià)函數(shù)，從而將非凸問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)聯(lián)合凸優(yōu)化問(wèn)題，進(jìn)而利用凸優(yōu)化方法獲得聯(lián)合功率分配系數(shù)。最后，通過(guò)利用代價(jià)函數(shù)的部分凸性設(shè)計(jì)了一個(gè)迭代算法，可獲得聯(lián)合功率分配問(wèn)題的最優(yōu)解：為了加快該迭代算泫的收斂速度，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)化的迭代算法。
　　 2.提出了基于均方誤差最小化的中繼增強(qiáng)

5、型多輸入多輸出系統(tǒng)中的聯(lián)合功率分配方案。首先，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。其次，證明了相應(yīng)的代價(jià)函數(shù)關(guān)于部分參數(shù)是凸函數(shù)而關(guān)于全局參數(shù)是非凸函數(shù)。最后，通過(guò)推導(dǎo)系統(tǒng)均方誤差函數(shù)的上界，把非凸問(wèn)題轉(zhuǎn)換為聯(lián)合凸優(yōu)化問(wèn)題，從而能夠使用高效的凸優(yōu)化方法獲得聯(lián)合功率分配系數(shù)。為了能夠充分利用所有可用自由度，基于代價(jià)函數(shù)的部分凸性設(shè)計(jì)了迭代算法一，該算法用于求解最優(yōu)功率分配系數(shù)；為了加快迭代算法一的收斂速度，利用不等式放大方法修正系統(tǒng)誤差函數(shù)以獲得更好的

6、凸性，進(jìn)而利用這些更好的凸性修正算法一，得到收斂速度更快的迭代算法二。分析表明，上述兩個(gè)迭代算法的收斂性都得到了保證。計(jì)算機(jī)仿真表明，所提兩個(gè)迭代算法獲得了明顯的性能增益，并且以很快的速度收斂。
　　 3.研究了多個(gè)中繼共同輔助多輸入多輸出系統(tǒng)的波束形成的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先推導(dǎo)出接收信噪比的下界，并基于該下界建立了聯(lián)合波束形成的數(shù)學(xué)模型；然后推導(dǎo)出所有中繼的分布式波束形成的最優(yōu)方案；最后設(shè)計(jì)出多天線信源的波束形成優(yōu)化算法，并且設(shè)

7、計(jì)出信源與中繼之間的聯(lián)合波束形成優(yōu)化算法。所提方案充分利用系統(tǒng)的所有自由度，從而獲得明顯的性能增益。
　　 4.針對(duì)雙向中繼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，深入研究了并行多輸入多輸出中繼系統(tǒng)中的協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)方案最優(yōu)設(shè)計(jì)。首先，基于均方誤差（MMSE）最小化的準(zhǔn)則，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)上下行鏈路進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化得到最優(yōu)的并行MIMO中繼協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)方案，該方案能夠獲得系統(tǒng)最優(yōu)MMSE性能；然后，基于該最優(yōu)方案，分別針對(duì)移動(dòng)用戶和游移中繼的通信場(chǎng)景，利用部分信道信息提出了魯棒

8、的多個(gè)雙向中繼協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)方案。所提最優(yōu)方案獲得了明顯的誤碼性能增益和可達(dá)速率增益，并且所設(shè)計(jì)的兩個(gè)魯棒性實(shí)現(xiàn)方案在實(shí)際通信場(chǎng)景中具有很好的信道適應(yīng)性。
　　 5.研究了多個(gè)雙向中繼協(xié)作傳輸?shù)姆植际綄?shí)現(xiàn)方案及其漸進(jìn)最優(yōu)性分析。首先，通過(guò)高信噪比近似推導(dǎo)出系統(tǒng)均方誤差函數(shù)的上界.并且利用該上界建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；其次，通過(guò)矩陣變換和公式推導(dǎo)得到該數(shù)學(xué)模型的最優(yōu)解；最后得到相應(yīng)的分布式實(shí)現(xiàn)方案。該方案避免了集中式處理方案中需要“每個(gè)中

9、繼必須獲知整個(gè)系統(tǒng)的全部信道信息”這一苛刻條件，而只需要“每個(gè)中繼獲知各自的前后信道信息”就能達(dá)到多個(gè)雙向中繼協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)的效果。所提方案不但避免了集中式處理所需要的中央控制器和很大的反饋開(kāi)銷，而且獲得了明最明顯性能增益；理論分析表明該方案具有漸進(jìn)最優(yōu)性。
　　 6.針對(duì)基于格的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，利用整數(shù)優(yōu)化理論設(shè)計(jì)出基于可達(dá)速率最大化的中繼轉(zhuǎn)發(fā)方案。首先，利用均方誤差最小化準(zhǔn)則推導(dǎo)出中繼站最優(yōu)的信道歸整化因子，該因子使得中繼站的

10、等效噪聲功率最小化：然后，基于該最優(yōu)的信道歸整化因子，利用混合整數(shù)規(guī)劃理論優(yōu)化出中繼解調(diào)后的消息方程（the equation of messages）對(duì)應(yīng)的整數(shù)系數(shù)，這些系數(shù)用于接收端的信號(hào)檢測(cè)；計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)表明，所提方案獲得了明顯的可達(dá)速率增益。
　　 7.針對(duì)3GPP LTE-Advanced提案中的多個(gè)基站共同服務(wù)于一個(gè)用戶的多點(diǎn)協(xié)作MIMO預(yù)編碼技術(shù)，利用相位擾動(dòng)理論提出了一種基于部分信道狀態(tài)信息的多基站協(xié)作方案。該