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《山东大学》 2011年
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无线通信系统中的预编码和功率分配研究

江冬梅  
【摘要】:随着无线通信网络的飞速发展,有限的无线资源难以满足各种无线通信业务的需求,未来无线通信系统将面临高速率、高可靠性以及多元化服务的挑战。因此如何提高无线资源的使用效率对未来无线通信系统的发展至关重要。预编码和功率分配是两种抵抗信道衰落的影响,抑制多用户干扰从而提高无线资源使用效率及系统性能的有效手段。本论文重点研究线性预编码和功率分配,包括特征失量、迫零、最小均方误差以及最大比传输预编码,通过优化系统性能参数将预编码与功率分配进行联合优化从而提高系统性能。本论文针对未来无线通信网络中不同的网络架构,从研究协作中继网络中的基于协方差信道状态信息的预编码入手,进而将预编码设计与功率分配相结合进行联合优化设计,详细探讨了中继网络、认知无线电网络以及认知中继网络中的联合预编码和功率分配技术,分析了当前无线通信网络中的研究难题,提出可行的解决方案,为未来无线通信网络的设计和实现提供一定的理论依据和技术基础。具体来说,本论文的主要工作和创新包括如下几点: 研究了三点协作通信网络和多用户两跳中继网络中基于协方差信道状态信息的预编码设计。对于三点协作通信网络,预编码的设计基于直传信道和中继信道的协方差信道状态信息。本文详细推导了相关的信号模型并以最小均方误差预编码器为例得出相应的预编码矩阵。对于多用户两跳中继网络,本文分别研究了放大转发(Amplify and Forward, AF)和解码转发(Decode and Forward, DF)中继模式下的预编码设计。多用户采用码分多址方式接入。其中对于AF中继网络,预编码的处理在源点,其设计基于源点到中继节点以及中继节点到用户的协方差信道状态信息。而对于DF中继网络,在源点和中继节点分别进行预编码处理。源点的预编码设计基于源点到中继节点的协方差信道状态信息,中继节点的预编码设计基于中继节点到用户的协方差信道状态信息。以最小均方误差预编码器为例得出相应的预编码矩阵并对AF和DF中的预编码性能进行了比较。 研究了多用户中继网络中的联合预编码和功率分配。首先研究了单向AF中继网络中的联合预编码和功率分配。假设基站和用户间没有直传信道。预编码和功率分配在基站完成,中继站只进行放大转发。在基站和中继站各自功率限制条件下,本文得出三种预编码方案,迫零、最小均方误差以及最大比传输。针对不同的预编码方案推导出相应的功率分配算法。其中对于采用迫零预编码器的系统,最大化用户总速率的功率优化问题是一个凸优化问题,而对于采用最小均方误差及最大比传输预编码器的系统,该优化问题是非凸的问题,本论文找到将其转化为凸优化问题的方法并利用凸优化理论求解。然后采用双向中继网络以提高系统频谱效率。该网络模型中,考虑到用户间的公平性,优化问题规划为在满足用户信干比条件下最小化用户和中继站的总功率。针对双向中继网络提出一种迭代算法对中继处理矩阵和功率进行联合优化。首先固定功率得到中继处理矩阵。中继处理矩阵由上行链路的接收处理矩阵、信息交换矩阵和下行链路的预编码矩阵组成,其优化准则为最大化各用户信干比,根据上行-下行链路对偶性理论得到。然后再固定中继处理矩阵得到功率分配算法。论文分析得出系统总功率是中继站放大倍数的凸函数,因此可以利用凸优化方法得到系统最小发送功率以及相应的功率分配策略。最后通过迭代求解得到原优化问题的解。 研究了多个次要用户和多个主要用户并存的认知无线电网络中的联合预编码和功率分配。首先研究了普通认知无线电网络中的相应算法,提出两种预编码算法消除或抑制次要用户对主要用户的干扰,并且对次要用户采用最优功率分配以提高次要用户性能。将功率分配的优化问题转化为凸优化问题并利用凸优化理论求解。为了进一步提高次要用户的频谱效率,继而将认知网络与双向中继网络相结合,次要用户采用双向中继协议通信。基于迫零、迫零-最大比传输和最小均方误差得出了三种中继处理算法以抑制中继站对主要用户的干扰、次要用户间的干扰以及完成次要用户间的信息交换。相应于不同的中继算法,本文得出了次要用户端的最优功率分配算法以最大化次要用户的总速率并抑制次要用户对主要用户的干扰。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TN92

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