MIMO中继系统中发送和接收预编码矩阵的联合优化

发布时间：2017-07-14 19:16

  本文关键词：MIMO中继系统中发送和接收预编码矩阵的联合优化

  更多相关文章： MIMO 双向中继 服务质量 最小均方误差 非再生中继

【摘要】：在无线通信系统中,MIMO中继作为一项关键技术,可以有效的增加系统容量和小区覆盖能力。MIMO中继根据转发协议不同可以分为放大转发,译码转发,编码协作,压缩转发等。其中,放大转发中继由于其较低的复杂度和成本,被认为是最具潜力的中继转发方式之一,近年来受到了广泛的关注和研究。现有的对于放大转发中继的研究主要是基于单向通信系统,即信号从一端通过中继转发到另一端,而实际的多天线中继在多数情况下要应用在双向通信的场景中,也就是中继需要同时接收基站和移动台的信号然后进行转发。所以基于该实际应用场景,我们建立了双向链路模型。另一方面,我们发现现有的文献大多以功率作为约束条件,然后基于不同的准则优化,比如最小化均方误差准则,最大互信息准则等,很少有将QoS作为约束考虑在内的,由于QoS和用户体验的直接相关性,本文将QoS作为约束条件,以MSE作为衡量QoS的标准。 本文建立了QoS约束下求最小系统发射功率的双向链路模型,提出了一种三步迭代算法,将有五个矩阵变量的优化问题分解为三个凸的子问题分别进行求解,然后进行循环迭代直至达到收敛。具体方法为第一步选择合适的初始点,根据该点优化两个接收矩阵为维纳矩阵。第二步优化转发矩阵,但由于该问题不是凸问题所以很难进行求解,我们提出了一种方法通过利用克罗内克积和舒尔补充(Schur complement)将其转化为SDP问题,然后利用CVX工具包求解。第三步通过推导变换将原问题转化为可以使用拉格朗日乘子法进行求解的形式,再利用二分法解出两个发送矩阵。通过以上步骤我们将原问题分解为了三个凸的子问题从而对五个矩阵进行了一次迭代优化,然后我们可以对以上步骤进行多次迭代直至得到收敛解,由于每次迭代只会使目标函数值保持或者减小而不会使该值增大,所以目标函数最终必会达到收敛。 在仿真结果中可以看到,本算法具有很快的收敛速度,因此在实际应用中只需要很少的迭代次数就可以获得良好的性能,这也意味着本文所提的算法具有很低的复杂度和处理时延,这对于双向链路MIMO中继系统的实际应用是很重要的。另一方面我们对比了所提迭代算法和直接放大转发算法、基于奇异值分解算法的性能,结果表明本文所提迭代算法的性能远远优于奇异值分解算法和直接放大转发算法。并且我们还对比了不同中继天线数量和不同发送／接收天线数量下的系统性能,结果表明当天线数越多时,收敛后所需的系统发送功率越低,也即性能就越好,这正体现了性能和算法复杂度之间的权衡,并且由于发送／接收天线对整体系统复杂度影响不大,一种较好的方法是可以简单的通过提高发送／接收天线个数来提高系统性能。
【关键词】：MIMO 双向中继 服务质量 最小均方误差 非再生中继
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN919.3
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 缩略语11-13
• 第一章 绪论13-20
• 1.1 课题研究背景13-14
• 1.2 国内外研究现状及本文研究意义14-18
• 1.3 论文主要内容18-19
• 1.4 论文的组织结构19-20
• 第二章 MIMO中继系统20-30
• 2.1 引言20
• 2.2 MIMO通信系统20-26
• 2.2.1 MIMO系统信号模型20-22
• 2.2.2 MIMO技术的研究方向22-23
• 2.2.3 MIMO在宽带移动通信系统中的应用23-26
• 2.3 中继系统26-28
• 2.3.1 中继系统概述26-27
• 2.3.2 中继系统的优势27
• 2.3.3 中继系统的转发协议27-28
• 2.4 向中继28-29
• 2.5 小结29-30
• 第三章 QoS约束的双向MIMO中继30-50
• 3.1 引言30
• 3.2 双向链路系统模型30-34
• 3.2.1 模型建立30-32
• 3.2.2 优化问题建立32-33
• 3.2.3 等价问题33-34
• 3.3 优化接收矩阵34-37
• 3.4 优化中继矩阵37-44
• 3.4.1 CVX工具集及其使用37-40
• 3.4.2 转换为半正定规划问题40-44
• 3.5 优化发送矩阵44-49
• 3.5.1 拉格朗日乘子法及KKT条件44-46
• 3.5.2 拉格朗日乘子法求解46-49
• 3.6 小结49-50
• 第四章 迭代算法仿真及分析50-57
• 4.1 引言50-51
• 4.2 算法收敛速度51-53
• 4.3 与AF和SVD-AF算法的性能对比53-54
• 4.4 不同中继转发天线情况对比54-55
• 4.5 不同发送/接收天线情况对比55-56
• 4.6 小结56-57
• 第五章 总结与展望57-60
• 5.1 全文总结57-58
• 5.2 工作与展望58-60
• 参考文献60-64
• 致谢64-65
• 攻读学位期间发表的学术论文目录65

【参考文献】

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1 石光明;刘丹华;高大化;刘哲;林杰;王良君;;压缩感知理论及其研究进展[J];电子学报;2009年05期

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本文编号：542329