多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)中波束成形的優(yōu)化研究.pdf

1、多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術(shù)能夠充分挖掘空間資源來(lái)實(shí)現(xiàn)空間分集和空間復(fù)用，有效提高頻譜利用率。波束成形是多用戶(hù) MIMO系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空分多址的主要技術(shù)，能有效地抑制小區(qū)間的干擾和用戶(hù)間的干擾，是當(dāng)前無(wú)線通信物理層技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。本文以多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)中波束成形技術(shù)為主要研究點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)多小區(qū)多播系統(tǒng)、協(xié)作多播系統(tǒng)和干擾信道的波束成形技術(shù)展開(kāi)了深入的研究。主要工作可概括為以下幾

2、個(gè)方面：
　　1）針對(duì)發(fā)送端有理想信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）和非理想CSI這兩種情況下的多小區(qū)多播系統(tǒng)，研究了加權(quán)總速率最大化問(wèn)題，分別提出了相應(yīng)的波束成形算法。
　　當(dāng)發(fā)送端有理想的CSI情況時(shí)，每個(gè)基站功率約束下加權(quán)總速率最大化問(wèn)題是非確定性多項(xiàng)式難題（Non-deterministic Polynomial-hard，NP-hard），難以直接求解。我們提出了一種低復(fù)雜度

3、的迭代算法求解這一問(wèn)題。在每次迭代中，原優(yōu)化問(wèn)題通過(guò)連續(xù)凸近似（Successive Convex Approximation，SCA）表示成二階錐規(guī)劃（Second Order Cone Programming，SOCP）問(wèn)題。當(dāng)發(fā)送端僅有非理想CSI情況時(shí)，中斷概率約束下加權(quán)總速率最大化波束成形問(wèn)題也是非凸的。此問(wèn)題的困難就在如何處理中斷約束。我們采用Bernstein類(lèi)型不等式和半正定松弛（Semidefinite Relaxat

4、ion，SDR）方法將原問(wèn)題近似表示成一個(gè)交替優(yōu)化問(wèn)題，固定一組變量，關(guān)于另外一組變量是凸問(wèn)題。數(shù)值結(jié)果驗(yàn)證了上述兩種情況下的算法有效性。
　　2）針對(duì)協(xié)作多播系統(tǒng)，研究了多播速率最大化問(wèn)題，提出了一種波束成形和中繼選擇聯(lián)合優(yōu)化算法。
　　在兩階段協(xié)作多播系統(tǒng)中，為了使得多播傳輸速率更高，研究波束成形、中繼選擇、時(shí)間分配因子和第一階段成功解碼用戶(hù)集合聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題。此問(wèn)題相當(dāng)復(fù)雜，即使第一階段成功解碼用戶(hù)集合和中繼已確定的情況

5、下，此問(wèn)題還是非凸的。我們采取的思路是，先確定第一階段成功解碼用戶(hù)集合，再進(jìn)行中繼選擇，然后優(yōu)化剩余變量。數(shù)值結(jié)果顯示，相比于傳統(tǒng)的多播方案，本文提出的方案僅以較少的代價(jià)（中繼功率消耗）獲得較大的性能提升。
　　3）針對(duì)發(fā)送端僅知道信道統(tǒng)計(jì)信息下干擾信道，研究了中斷概率約束下加權(quán)總速率最大化問(wèn)題，提出了一種性能和復(fù)雜度折中的波束成形算法。
　　在K用戶(hù)多輸入單輸出（Multiple Input Single Output,M