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新型MIMO系统中的资源分配

毛峻岭  
【摘要】:多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术作为提高无线通信系统频谱效率的一种重要手段,在过去十余年间得到了飞速的发展。近年来,为了应对当今无线网络特别是移动通信网络拓扑日益复杂、需求日益多样的发展趋势,在传统点对点MIMO无线通信系统的基础上,一些新的MIMO技术被提出,比如多用户MIMO技术、认知MIMO技术以及绿色MIMO技术等。由于这些新出现的MIMO传输技术相比传统的点对点MIMO传输技术,可以显著提升特定网络拓扑和网络需求下的MIMO无线通信系统的性能,适应未来无线通信系统发展的需求,因此近年来上述新型MIMO通信技术受到了研究者的格外关注 本论文主要针对多用户MIMO系统的调度技术,认知MIMO系统中的有限反馈传输技术以及绿色认知MIMO系统的功率控制和预编码技术展开研究,其主要贡献在于针对这些新型MIMO系统的实际需求,合理利用MIMO系统中天线映射、功率控制和用户调度等无线资源分配手段,提出更加简单高效的传输方案,并能够对方案的性能进行理论分析。 第一,论文针对多用户MIMO调度复杂度过高的问题,提出了种低复杂度的多用户MIMO调度算法。该算法以著名的半正交多用户MIMO调度算法为基础,根据运用矩阵论等数学方法推导出的用户调度参考变量的迭代关系化简得到。论文从理论上证明所提算法其性能与半正交的多用户MIMO调度算法一致,计算复杂度阶数降低一阶。 第二,论文针对信道状态信息误差对多用户MIMO调度性能影响严重的问题,提出了一种能够对信道状态信息误差鲁棒的多用户MIMO调度算法。该算法通过计算信道状态信息误差下的系统遍历容量,从而提高多用户MIMO调度算法的性能。基于推导得到的系统遍历容量下界,论文又进一步提出了一种信道修正因子,用于修正待调度的用户信道,从而使得传统的基于理想信道状态信息的多用户MIMO调度算法能够对信道状态信息误差鲁棒。仿真结果表明,所提信道修正因子能够有效提升信道状态信息误差下的多用户MIMO调度性能,其性能非常接近基于所提的基于系统遍历容量的调度算法。 第三,论文针对认知MIMO系统有限反馈传输的问题,提出了一种统计信道信息反馈下的认知MIMO系统传输方法,并对其性能进行了分析。该方法基于MIMO信道的衰落特性,在统计信道信息反馈的条件下通过最大化系统的遍历容量来设计预编码和功率分配策略。仿真结果表明所提传输方法可以接近理想信道状态信息反馈条件下的最优传输性能。 第四,论文针对绿色MIMO通信的高能效需求,提出了一种适用于绿色认知多用户MIMO系统的能效最优的功率分配算法。绿色认知MIMO系统的能效优化问题是一个非凸的多维优化问题,难于直接求解。论文将其转化为一个等效的一维优化问题,并证明其拟凹特性,从而构造出求解算法对其进行求解,并从理论上说明了所提算法的收敛性和最优性。仿真结果表明所提算法相比传统的认知多用户MIMO传输方法,能够显著提升系统的能量效率,适应绿色通信的需求。


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