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《中国科学技术大学》 2017年
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非正交多址系统中下行链路预编码技术研究

除志勇  
【摘要】:随着现代信息社会的飞速发展,高速率移动多媒体业务成为除传统语音和低速率数据传输业务之外最主要的移动通信业务之一。为了应对高速增长的移动数据流量,第五代(5G)移动通信系统面临着众多挑战,这些挑战包括,在有限的频谱资源下提供更好的用户体验,更高的数据传输速率,以及更优的用户服务质量。而在这些挑战中,最关键的在于提高通信系统的频谱利用率。近年来,已有的大量研究表明,使用多输入多输出(MIMO,Multiple Input Multiple Output)技术可以提高系统频谱效率,改善系统通信质量。在假设信道状态信息(Channel State Information,CSI)已知的条件下,采用合适的预编码方法,可以使系统的性能得到进一步的提升。另一方面,不同于传统的正交多址技术(Orthogonal Multiple Access,OMA),采用非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术可以进一步的提高系统的频谱利用率,因此也受到了研究人员的广泛关注,并被认为是5G系统中富有前景的多址技术之一。本文以5G的应用需求为背景,结合目前两大可以提升频谱效率的主流技术,MIMO技术和NOMA技术,研究MIMO广播信道(BC,Broadcast Channels)系统的预编码策略及其低复杂度实现算法。具体研究工作可以概括如下:1)在误符号率(SER,Symbol Error Rate)性能的约束下,研究两用户MIMO BC系统的预编码优化设计。首先利用格理论(Lattice Theory)和递归构造的思想,设计MIMO单播系统的最小欧氏距离(MED,Minimum Euclidean Distance)预编码器;然后,结合 GSVD(Generalized Singular Value Decomposition)和交替优化的思想,将MIMO单播系统的MED预编码算法扩展到两用户MIMO BC系统中,得到两用户MIMO BC系统的NOMA-MED预编码器。2)在可达传输速率性能的约束下,研究两用户MISO(Multiple Input Single Output)BC系统的预编码优化设计。首先,基于优化对偶理论,设计两用户MISO系统的最优NOMA预编码器,并分析研究其性质和性能;其次,通过分析对比两用户MISO BC的最优NOMA预编码和DPC(Dirty Paper Coding)预编码的性能,提出准退化信道(Quasi-Degradation)的概念;再次,基于准退化的概念和性质,设计两用户MISO BC系统的低复杂度H-NOMA预编码器(Hybrid NOMA Precoder);最后,深入分析H-NOMA预编码器的性能,并与最优NOMA预编码器以及传统的ZFBF(Zero-Forcing Beamforming)和 DPC 比较。3)分别在SER性能和可达传输速率性能的约束下,研究多用户混合多址MIMO BC系统的预编码优化设计。在混合多址系统中,用户被分成多个小簇,簇内采用NOMA技术,而簇间采用OMA技术来消除簇间干扰。分别在给定所有用户的最低传输速率约束和最差SER性能约束的条件下,以最小化总发射功率为目标,设计混合多址MIMO BC系统的预编码策略。本工作的主要内容包括以下两个方面,其一是,针对基于SER性能约束的预编码器设计问题,在簇内采用两用户MIMOBC系统的NOMA-MED预编码器,通过研究相应的用户配对算法,得到多用户混合多址MIMO BC系统的预编码方法;其二是,针对基于传输速率约束的预编码器设计问题,在簇内采用两用户MISOBC系统的H-NOMA预编码器,通过研究用户配对算法,得到多用户混合多址MISO BC系统的预编码方法。
【关键词】:多输入多输出技术 非正交多址 广播信道 预编码 混合多址系统
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN929.5
【目录】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-12
  • 表格索引12-13
  • 插图索引13-14
  • 算法索引14-15
  • 主要符号对照表15-17
  • 第一章 绪论17-35
  • 1.1 研究背景17-24
  • 1.1.1 5G基本概念18-19
  • 1.1.2 5G部分关键技术简介19-22
  • 1.1.3 无线多址技术22-24
  • 1.2 研究现状24-30
  • 1.2.1 PD-NOMA技术24-26
  • 1.2.2 MIMO技术26-28
  • 1.2.3 MIMO-NOMA技术28-30
  • 1.3 本文工作30-31
  • 1.4 本文贡献31-32
  • 1.5 论文结构32-33
  • 1.6 主要数学符号说明33-35
  • 第二章 相关理论基础35-55
  • 2.1 优化理论基础35-39
  • 2.1.1 优化问题35-36
  • 2.1.2 对偶性36-37
  • 2.1.3 KKT方程37
  • 2.1.4 QCQP37-39
  • 2.2 MIMO基本理论39-45
  • 2.2.1 MIMO单播系统39-44
  • 2.2.2 MIMO广播系统44-45
  • 2.3 NOMA基本理论45-51
  • 2.3.1 NOMA基本原理46-48
  • 2.3.2 NOMA的优越性48-51
  • 2.4 混合多址系统基本理论51-54
  • 2.5 本章小结54-55
  • 第三章 基于SER约束的两用户MIMO BC预编码55-71
  • 3.1 引言55-56
  • 3.2 MIMO单播系统的MED预编码56-64
  • 3.2.1 系统模型与问题描述56-58
  • 3.2.2 问题分析与求解58-61
  • 3.2.3 数值仿真61-64
  • 3.3 两用户MIMO BC的NOMA-MED预编码64-69
  • 3.3.1 系统模型与问题描述64-67
  • 3.3.2 问题转化与求解67
  • 3.3.3 数值仿真67-69
  • 3.4 本章小结69-71
  • 第四章 基于可达速率约束的两用户MISO BC预编码71-87
  • 4.1 引言71-72
  • 4.2 最优NOMA预编码72-75
  • 4.2.1 系统模型与问题描述72-74
  • 4.2.2 问题分析与求解74
  • 4.2.3 数值仿真74-75
  • 4.3 准退化信道75-80
  • 4.3.1 准退化介绍76-77
  • 4.3.2 准退化性质77-78
  • 4.3.3 准退化仿真78-80
  • 4.4 H-NOMA预编码80-86
  • 4.4.1 H-NOMA预编码原理80-81
  • 4.4.2 H-NOMA预编码理论性能分析81-84
  • 4.4.3 数值仿真84-86
  • 4.5 本章小结86-87
  • 第五章 多用户混合多址MIMO BC系统的预编码87-101
  • 5.1 引言87-89
  • 5.2 基于SER约束的预编码89-93
  • 5.2.1 问题建模89-90
  • 5.2.2 簇内预编码90
  • 5.2.3 用户配对算法90-91
  • 5.2.4 数值仿真91-93
  • 5.3 基于可达速率约束的预编码93-99
  • 5.3.1 问题建模93-94
  • 5.3.2 簇内预编码94-95
  • 5.3.3 用户配对算法95-96
  • 5.3.4 理论性能分析96-98
  • 5.3.5 数值仿真98-99
  • 5.4 本章小结99-101
  • 第六章 总结与展望101-105
  • 6.1 本文总结101-103
  • 6.2 研究展望103-105
  • 参考文献105-115
  • 附录A 数学证明115-129
  • A.1 定理4.2.1的证明115-117
  • A.2 定理4.3.1的证明117-118
  • A.3 定理4.3.2的证明118
  • A.4 定理4.3.3的证明118-119
  • A.5 定理4.3.4的证明119-121
  • A.6 定理4.4.1的证明121
  • A.7 定理4.4.2的证明121
  • A.8 定理4.4.3的证明121-122
  • A.9 定理4.4.4的证明122-123
  • A.10 定理4.4.5的证明123-125
  • A.11 定理5.3.1的证明125-128
  • A.12 定理5.3.2的证明128-129
  • 致谢129-131
  • 在读期间的学术论文与科研项目131-132

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