新型协同无线通信网络中多层协作处理技术的研究

摘要

无线通信中采用MIMO链路技术可成倍提高系统容量,而基于多基站、多中继和多用户的协作通信技术又可克服传统通信网的若干缺陷而显著提高性能。将两者有效结合,可将现有通信网络演化成以基站控制为主、中继站控制为辅的多层协作、分布式调度新型网络结构。本论文针对MIMO中继系统,开展性能分析及无线传输理论和技术研究。研究内容包括基于中继选择的联合优化线性信号处理、多基站干扰消除以及误符号率等系统性能分析。论文的主要贡献如下:
　　 1.研究了己知完全信道状态信息(CSI)时应用最优波束成型的多天线放大转发(AF)中继选择模型。给出了任意终端天线数和不同调制方式下该系统的渐近误符号率(SER)表达式。研究揭示了系统分集度不仅与备选中继个数相关,并且由中继两跳信道中较差的那一跳信道的分集度所决定,所得到的SER闭合表达式为实际多天线小区中考虑选择分集的AF中继模型提供了有价值的参考。
　　 2.研究了保留直达路径的MIMO多中继辅助通信模型中信源发射预编码与AF中继选择的联合优化设计。提出了完全己知CSI时优化目标函数修正后的预编码解析表达式,并分析出计算复杂度随着天线数的增加而成倍降低,用在大尺度衰落的场景下获得了与最优迭代算法十分逼近的误码率性能。同时给出部分己知CSI时量化码本作为发射预编码的中继选择方案以及SNR性能损失,该方案在保证误码率性能的同时尽可能的减少反馈量以降低系统开销。从分集增益的角度揭示出,在多个中继中选择性能增益较大的中继来辅助通信,可提高系统总的吞吐量。
　　 3.研究了总的平均发送功率约束下利用平均互信息准则的代价函数获得线性中继预编码的鲁棒性设计问题。给出了仅获知第二跳信道均值和方差时并给定总中继发送功率的条件下如何获得系统最优速率的中继预编码。另一方面,由于多中继模式的分布特性,总的中继预编码矩阵是对角块阵,使得最优化问题不容易求解。因此首先求解了基于平均互信息速率的中继预编码鲁棒性设计问题,然后利用矩阵的一些特性将关于中继预编码块对角阵的原始约束优化问题简化为等价的标量形式,并揭示出当中继总功率大于某一门限时,该约束优化问题为凸优化。
　　 4.研究了干扰受限网络下基于联合信号空间干扰配准的中继选择方案。为改进传统半双工中继分两时隙传输信息的方案,可在每时隙通过导频获得联合两跳信道信息并选出最优中继转发信息,同时信源在每时隙广播发送次时隙转发信号到各中继。并采用干扰漏功率和信号漏功率之间如何折衷的权系数优化问题,来消除中继转发的信号以及相邻小区基站广播信号对各非被选中继所产生的干扰,在干扰信号移除的同时保证了系统“和速率”的最大化。仿真结果表明该算法不仅迭代收敛,同时其单时隙传输的高效性和较小的反馈量使得该方案更适用于工程应用。
　　 5.研究了MIMO中继单/多用户多数据流场景下的联合优化设计。由于数据流通过中继等效信道后产生了流间干扰,在保证每个数据流服务质量(QoS)前提下同时最小化中继发射功率。为了使得原优化问题成为凸优化问题,采用将代价函数和约束条件等价为标量优化问题,从而得到了最优的中继预编码矩阵和信宿接收机。同时给出了MIMO多用户中继系统模型下QoS最优的中继预编码矩阵设计。由于多用户的分布式特性使得信宿端无法进行联合接收,在中继功率给定下的QoS优化目标函数为非凸优化问题,因此不能像单用户那样得到中继预编码的最优联合收发设计方案。为此,对代价函数采用近似表达并简化成广义瑞利商形式,从而得到了中继功率约束下QoS最优的中继次优预编码。