MIMO系統(tǒng)傳輸優(yōu)化理論與算法設(shè)計(jì).pdf

1、近年來(lái)，隨著眾多新型移動(dòng)應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，人們對(duì)高質(zhì)量無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求也日益增長(zhǎng)。從通信物理層傳輸?shù)慕嵌葋?lái)看，由貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的多輸入多輸出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)是應(yīng)對(duì)這一需求的最有效途徑之一。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于利用空間資源提高系統(tǒng)的有效性和可靠性。為了進(jìn)一步提高傳輸性能，近期關(guān)于MIMO技術(shù)的研究熱點(diǎn)已經(jīng)從傳統(tǒng)的單用戶(hù)MIMO轉(zhuǎn)向一些更為復(fù)雜的場(chǎng)景，例如多用戶(hù)MIMO、多小區(qū)MIMO

2、和中繼MIMO等。
　　在各類(lèi)MIMO系統(tǒng)中，一個(gè)重要的課題是研究如何利用信道狀態(tài)信息(CSI，Channel StateInformation)設(shè)計(jì)性能優(yōu)異的收發(fā)信機(jī)，從而充分挖掘MIMO信道的潛在優(yōu)勢(shì)。實(shí)際系統(tǒng)中，由于信道估計(jì)、量化反饋以及反饋時(shí)延等因素，通常只能獲得非理想CSI，而這往往會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的性能損失。因此，在設(shè)計(jì)收發(fā)信機(jī)時(shí)必須將CSI誤差考慮在內(nèi)，從而提高系統(tǒng)在非理想CSI場(chǎng)景下的性能。本論文對(duì)幾類(lèi)MIMO系統(tǒng)的魯棒

3、收發(fā)信機(jī)優(yōu)化進(jìn)行了深入研究。具體而言，論文作出了以下主要貢獻(xiàn):
　　首先，針對(duì)存在非理想CSI的下行多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)，第二章提出了一種新穎的發(fā)射預(yù)編碼算法。利用信道在時(shí)域的相關(guān)性，將用戶(hù)的接收機(jī)信息融入傳統(tǒng)的信漏噪比(SLNR，Signal-to-Leakage-plus-Noise Ratio)預(yù)編碼設(shè)計(jì)中，獲得優(yōu)于SLNR方案的性能。之后，著重考慮提高該方案對(duì)非理想CSI的魯棒性。通過(guò)引入統(tǒng)計(jì)魯棒性(Statistical

4、Robustness)的設(shè)計(jì)思想，先后針對(duì)反饋時(shí)延和量化反饋這兩種CSI非理想因素探討了魯棒預(yù)編碼優(yōu)化。在上述工作的基礎(chǔ)上，本章又設(shè)計(jì)了一種高效的功率分配方法用于進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。此外，論文還將所提出的預(yù)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(yù)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(jī)優(yōu)化問(wèn)題。依據(jù)最小均方誤差(MMSE，Minimum Mean-SquareError)準(zhǔn)則，首先將魯棒設(shè)計(jì)問(wèn)題建模為一個(gè)最小化最大值問(wèn)題。接著，通過(guò)將原問(wèn)題分解為關(guān)于分別優(yōu)化中繼預(yù)編碼和信宿接收機(jī)的兩個(gè)子問(wèn)題，論文證明在一定條件下每個(gè)子問(wèn)題的最優(yōu)解都具有信道對(duì)角化結(jié)構(gòu)。隨后，利用這一發(fā)現(xiàn)將以復(fù)數(shù)矩陣為優(yōu)化變量的子問(wèn)題轉(zhuǎn)換為等價(jià)的標(biāo)量問(wèn)題，并設(shè)計(jì)了高效的數(shù)值求解算法。在此基礎(chǔ)上又提出一種迭代算法用于聯(lián)合優(yōu)化中繼

6、預(yù)編碼和信宿接收機(jī)，該算法只涉及簡(jiǎn)單的標(biāo)量運(yùn)算且收斂速度快。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提出的魯棒收發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)在性能上的優(yōu)勢(shì)。
　　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(biāo)函數(shù)，探討非再生中繼MIMO系統(tǒng)的最差情況魯棒預(yù)編碼優(yōu)化。首先對(duì)單數(shù)據(jù)流傳輸這一特殊情況進(jìn)行研究。針對(duì)乘性CSI誤差模型，通過(guò)直接求解魯棒優(yōu)化問(wèn)題得到了該問(wèn)題最優(yōu)解的閉合形式;對(duì)于加性CSI誤差，由于相應(yīng)的優(yōu)化問(wèn)

7、題難以直接求解，論文借助于馬鞍點(diǎn)(Saddle Point)理論獲得了問(wèn)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(duì)于更為復(fù)雜的多數(shù)據(jù)流傳輸場(chǎng)景，運(yùn)用矩陣分析技巧求解相應(yīng)的魯棒優(yōu)化問(wèn)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(dá)鏈路和非理想CSI的統(tǒng)計(jì)魯棒收發(fā)信機(jī)優(yōu)化，其中優(yōu)化目標(biāo)為最小化系統(tǒng)MSE。針對(duì)信源和中繼獨(dú)立功率約束的情況，首先在固