低能耗双向AF MIMO中继系统收发处理研究

摘要

中继技术可以提高通信系统的覆盖范围，增强数据传输的可靠性;多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术可以提供空间自由度，进而提供空间复用增益和分集增益，提高数据传输的速率和可靠性;因此将二者结合起来的MIMO中继技术受到了学术界的广泛关注和研究。由于双向中继相对于单向中继可以提供更高的频谱效率，因此最近双向MIMO中继系统收发处理成为了研究的热点。目前学术界对于双向放大转发(Amplify and Forword，AF) MIMO中继系统收发处理的研究主要集中在满足功率约束的条件下最优化系统的性能，包括最大化速率，最小化均方误差(Mean Squared Error，MSE)等。然而随着节能减排的理念逐渐成为世界各国的共识，尽量减少通信过程中的能量消耗已经成为通信系统的一大要求，为此本文研究低能耗的双向AF MIMO中继系统收发处理设计问题。
　　针对多用户对双向AF MIMO中继系统，本文考虑通过联合优化设计用户预编码矩阵、中继预编码矩阵和用户接收矩阵，在满足每个用户接收信号MSE约束的条件下最小化所有用户和中继的总功率。由于所形成的优化问题是非凸的，难以直接求解，因此本文首先将原问题分解为三个子问题:分别是固定用户预编码矩阵和中继预编码矩阵，优化用户接收矩阵，该问题比较容易求解;固定用户预编码矩阵和用户接收矩阵，优化中继预编码矩阵，该问题可以转化为二次约束二次规划(Quadratically Constrained Quadratic Programming，QCQP)问题;固定中继预编码矩阵和用户接收矩阵，优化用户预编码矩阵，该问题也可以转化为QCQP问题。分别求解这三个子问题，在此基础上本文提出了一种基于交替优化的迭代算法来求解原问题。仿真结果表明本文所提算法是收敛的，并且可以有效地节省系统的功率消耗。
　　针对非对称蜂窝双向AF MIMO中继系统，本文通过联合优化基站预编码矩阵、中继预编码矩阵和基站接收矩阵来最小化基站和中继总的功率消耗，条件是满足基站和接收用户(Receive only User，RUE)接收信号的MSE约束。所形成的问题是非凸的，因此本文首先将原问题分解为三个子问题:固定基站预编码矩阵和中继预编码矩阵，优化基站接收矩阵，该问题可以比较容易解决;固定基站预编码矩阵和基站接收矩阵，优化中继预编码矩阵，该问题可以转化为一个半定规划(Semidef'nite Programming，SDP)问题;固定中继预编码矩阵和基站接收矩阵，优化基站预编码矩阵，该问题也可以转化为一个SDP问题。分别对这三个子问题进行求解，然后本文提出一种交替优化迭代的算法来求解原问题。仿真结果验证了本文所提算法的收敛性和在节省功率消耗方面的性能。

目录

声明

摘要

图表目录

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．3 本文的组织结构以及主要贡献

第2章 MIMO中继收发处理技术概述

2．1 MIMO技术简介

2．1．1 单用户MIMO系统

2．1．2 多用户MIMO系统

2．2 中继技术介绍

2．2．1 AF中继与DF中继

2．2．2 单向中继和双向中继

2．3 AF MIMO中继系统收发处理

2．3．1 单向AF MIMO中继系统收发处理研究

2．3．2 双向AF MIMO中继系统收发处理研究

2．3．3 蜂窝双向AF MIMO中继系统收发处理研究

2．3．4 非对称蜂窝双向AF MIMO中继系统收发处理研究

2．4 本章小结

第3章低能耗多用户对双向AF MIMO中继系统收发处理研究

3．1 引言

3．2 多用户对双向AF MIMO中继系统模型

3．3 低能耗的多用户对双向AF MIMO中继系统收发处理设计

3．3．1 用户接收矩阵优化

3．3．2 中继预编码矩阵优化

3．3．3 用户预编码矩阵优化

3．3．4 提出的迭代算法

3．4 仿真结果与分析

3．5 本章小结

第4章 低能耗非对称蜂窝双向AF MIMO中继系统收发处理研究

4．1 引言

4．2 非对称蜂窝双向AF MIMO中继系统模型

4．3 低能耗的非对称蜂窝双向AF MIMO中继系统收发处理设计

4．3．1 基站接收矩阵优化

4．3．2 中继预编码矩阵优化

4．3．3 基站预编码矩阵优化

4．3．4 算法流程

4．4 仿真结果与分析

4．5 本章小结

第5章 结束语

参考文献

致谢

攻读硕士期间的研究成果和经历