无线通信系统中的自适应与协作波束形成技术研究

【摘要】：当前3G无线通信系统已经大规模商用,然而其性能仍然无法满足用户对无线业务日益增加的需求。频谱资源的稀缺给无线通信技术的发展提出了更迫切的要求。为满足用户多样性的无线数据业务要求,需要下一代4G无线通信系统具有更高的系统容量和频谱效率。多输入多输出(Multiple-Input and Multiple-Output, MIMO)技术通过在收发端装配多天线将无线信道拓展到空域,可以在不增加带宽和发射功率资源的前提下,极大的提高数据传输速率和频谱利用率,因此已经成为4G无线通信系统中的关键技术。但由于体积、能耗和成本等条件限制,很难在用户端装备多天线,因而提出协作通信的概念。协作通信系统中,各用户不但传输自己的数据,还同时作为中继节点辅助其它用户的任务。 本论文主要针对MIMO系统和协作通信系统中的波束形成技术进行研究,内容包括MMO系统中的自适应波束形成技术、多用户MISO系统中的自适应下行链路波束形成技术、多跳多中继无线通信系统中的协作波束形成技术和多源多目标中继通信系统中的鲁棒协作波束形成技术。 论文对无线通信技术的发展进行综述,分析了波束形成技术在无线通信系统中的应用需求,在给出了几种传统波束形成算法的实现过程后提出了不同的波束形成方案。论文的主要贡献： 1.针对MIMO系统中的特征波束形成问题,提出了一种基于子空间跟踪技术的自适应波束形成方法。新方法通过对随机初值进行迭代更新,在无需对信道矩阵进行特征值或奇异值分解的前提下,完成对MIMO系统中发射和接收特征波束形成矢量的精确估计,有效降低了系统耗费。此外,根据新方法的特点,结合子信道选择算法选取出使得累加信道容量最大的信道子集进行传输,进一步提高了MIMO系统的性能。仿真结果证实,新方法应用到MIMO系统中获得了比传统特征波束形成方法更高的系统容量和更好的误码率性能。 2.针对多用户MISO系统的下行链路波束形成进行研究,提出了一种低复杂度的自适应波束形成方法。文中提出的方法与用户选择策略相结合,在选取出合适的用户子集后,通过基于幂迭代法的子空间跟踪技术对信道矩阵的左右奇异矩阵和奇异值进行精确估计。从而在无需对信道矩阵进行奇异值分解或求逆运算的前提下,获得最优波束形成矢量。由于新方法仅仅需要包含矩阵乘和矩阵加等运算的迭代计算,较传统波束形成算法具有更低的复杂度。 3.对多跳多中继无线网络中的协作波束形成技术进行研究。在基于放大转发机制的三跳协作通信系统中,对两个中继节点簇的协作波束形成矢量进行联合设计,以求在目标节点获得最大的接收信噪比。在CSI完全已知的情况下,首先将联合优化的问题简化为单个变量的优化问题,然后提出了几种不同的协作波束矢量设计方法。一是将原始优化问题变化维实数域上的无约束最小化问题求得最优解,二是利用子空间平均技术对原始优化问题中的目标函数进行近似,然后求得次优的闭式解。三是应用半正定规划方法求解获得协作波束形成矢量的次优解,并结合对分搜索算法加以改进。仿真结果表明,提出的协作波束形成方法可以取得明显优于固定放大增益中继策略的接收信噪比。 4.对多源多目标节点中继通信系统中的协作波束形成技术进行研究。提出了CSI具有误差情况下的鲁棒协作波束形成方法。在给定CSI的误差模型后,以保证最差情况下的SINR为约束条件,通过最小化中继节点总发射功率实现了协作波束形成矢量的鲁棒性设计。仿真结果显示,在中继节点处付出一定能量代价的情况下,鲁棒协作波束形成技术有效保证了用户端的QoS,提高了系统的可靠性。 论文最后对波束形成技术在无线通信系统中的应用进行展望,并提出了后续的研究方向。