放大转发型MIMO中继系统优化设计算法研究

摘要

由于多输入多输出（MIMO）无线信道的卓越性能，其早已成为无线通信领域的研究热点。无论是在理论研究方面还是实际系统应用方面，MIMO技术都已得到充分、深入的研究。随着无线通信网络架构的异构化进展，MIMO技术相关研究的热点也从端到端一跳通信网络向两跳或多跳协作中继网络发展。而系统收发机的设计（特别是中继节点的设计）则是MIMO中继技术研究的核心。本文以放大转发（AF）型 MIMO中继系统优化设计为主题进行深入研究。特别地，在存在干扰的多用户AF MIMO多中继系统优化设计方面做了大量的工作。
　　首先，针对AF MIMO中继优化设计相关研究的已有成果进行总结，讨论了多种AF MIMO中继系统模型、不同的优化算法及其不足之处。第二，在信道状态信息（CSI）精确已知的假设下，讨论存在用户间干扰的多用户 AF MIMO多中继系统优化设计问题。为了简化系统模型以及更加专注于中继链路，直接链路在这部分的工作中被假设为不可用。提出了一个基于最小化均方误差（MMSE）的数值迭代优化算法，同时优化源节点波束成形矩阵、中继节点预编码矩阵以及目标节点接收矩阵。针对这个不能求得全局最优解的非凸优化模型，通过把其分解为分别求解源节点波束成形矩阵最优解、中继节点预编码矩阵最优解以及目标节点接收矩阵最优解三个凸优化子问题，得到整个优化问题的高质量次优解。第三，对第二项工作进行进一步深入，讨论考虑直接链路的多用户AF MIMO多中继系统的优化设计问题，提出两个基于最小化 MSE数值迭代优化算法。第一个算法为第二项工作所提算法的直接拓展，把各个相关矩阵看成独立的个体，分别进行优化；第二个算法分别把各个源节点波束成形矩阵和各个中继节点预编码矩阵看成一个整体，同时进行优化。
　　通过仿真分析知道，本文所提算法都能以较少的迭代次数达到收敛状态，且在MSE以及BER等指标上优于已有的基于最小化泄漏功率的优化算法。无论是采用独立优化算法还是采用整体优化算法，直接链路的使用都能大幅度提高 MIMO中继系统的性能。另一方面，整体优化算法的高计算复杂度并未能带来比独立优化好很多的性能表现。

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缩略语对照表

数学符号表

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究概况

1.3 论文的主要研究内容

2 无线中继系统关键技术及其相关研究

2.1 引言

2.2 无线中继系统基本原理

2.3 无线中继系统的关键技术

2.4 无线中继系统分类

2.5 AF MIMO中继系统优化设计的相关研究

2.6 本章小结

3 多用户AF MIMO多中继系统优化设计I：不考虑直接链路

3.1 引言

3.2 系统建模

3.3 基于MSE的优化算法

3.4 一个基于最小化泄露功率的优化算法

3.5 仿真分析

3.6 本章小结

4 多用户AF MIMO多中继系统优化设计II：考虑直接链路

4.1 引言

4.2 系统建模

4.3 基于MSE的优化算法

4.4 一个基于MSE的矩阵整体优化的算法

4.5 仿真分析

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 未来研究展望

致谢

参考文献