基于信道时变性的MIMO系统性能优化问题研究

发布时间：2020-09-09 20:12

　　随着人们对高速通信网络需求的不断提升以及移动通信中数据量持续的增长,促使了如今5G通信网络以及相关技术的迅速发展。MIMO系统以及由其衍生的大规模MIMO系统因能够为通信系统提供可观的复用增益和分集增益,成为了在目前已有的5G通信网络的雏形中必不可缺的一环。近些年,为了使通信系统的服务质量得到进一步的提升,学术界持续地进行着MIMO系统的相关研究。一些具有创新性及实用性的MIMO系统模型不断地被研究者提出。其中具有代表性的是基于信道时变性的MIMO系统,其由于考虑到通信信道的时变性,选择对一段时间内不断变化的系统进行研究,并通过信道的时变演进模型及最优化算法,提出时变系统相关优化问题的解决方案。与传统对静态系统的研究相比,基于信道时变性MIMO系统的研究考虑了现实系统中的不确定性,使研究的结果更具有现实意义。而另一个备受关注的研究点是分布式MIMO系统,其因为能够为系统带来较高的频谱效率和良好的覆盖率被认为是迎合目前不断增长的网络需求的关键技术之一。同时与传统的集中式的天线部署方式相比,分布式的天线部署还可以为系统提供更好的边缘用户服务以及更低的天线间干扰的收益。本文将基于现实MIMO系统的时变性,分别在集中式天线结构和分布式天线结构下,对单用户MIMO系统和多用户MIMO系统中信道追踪问题和预编码设计问题进行详细的研究。本文主要的创新点包括:第一,针对于时变集中式MIMO系统,本文引入了一种用于研究的集中式MIMO信道的系统演进模型,进一步地,在该系统演进模型的基础上,本文提出了一种低开销的信道追踪策略,包括策略提出的基本思想,策略的详细描述以及策略中各个参数的分析,同时,为了更好地分析所提出的信道追踪策略的性能,本文考虑在系统采用不同的数据流数时以及不同的功率分配策略下的系统频谱效率表现,最后,本文还以接收端功率损耗为标准给出了在低开销信道追踪策略中系统的最佳反馈间隔。第二,针对于时变分布式单用户MIMO系统,本文引入了分布式单用户MIMO信道的系统模型以及时变演进模型,由于分布式系统的引入,分布式单用户MIMO系统的时变演进模型不再服从一阶马尔可夫链的形式。进一步地,在该系统模型的基础上,本文提出了时变分布式MIMO信道下单用户预编码矩阵的迭代搜索算法,其中包括算法的内容描述,算法中各参数的选择,算法的误差分析以及在时变分布式MIMO系统中功率分配的策略,同时,在与其它分布式MIMO系统中预编码矩阵设计算法相比中,本文所提出的迭代搜索算法体现出了更好的性能,以及对时变系统具有更好的适应性。第三,针对于时变分布式多用户MIMO系统,本文同样引入了分布式多用户MIMO信道的系统模型以及时变演进模型,由于引入了多用户系统,使得分布式多用户MIMO系统的时变演进模型变得更加复杂,以至于相邻信道时刻的信道矩阵之间并不存在显性的线性关系,必须借助若干个辅助矩阵,才能完成时变演进模型的构建。进一步地,在该系统模型的基础上,本文提出了以时变分布式MIMO信道下多用户系统的系统和速率为优化目标的两种优化算法,其中一维搜索算法可以得到更理想的优化效果,而循环MMSE搜索算法则拥有更快的计算速度。同时,仿真结果表明本文所提出的两种算法均能有效地改善时变分布式多用户MIMO系统中的信道容量。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN929.5
【部分图文】：

预编码,码本,矩阵,空间复用

将预编码矩阵的码本表示为，：Ｆｍ邋＝邋｛Ｆｍｆ＝ｉ，并有／＾邋＝邋２８和／＾－￡逡逑以（Ｓ为反馈比特数，符号表示Ｍｔ行，Ｍ列的酉矩阵）。其中下标逡逑ｍ表示码本：＾会随着信道时刻ｍ的演进发生改变。图２－１展示了有限反馈预编码逡逑系统的操作过程。如图２－１所示，在每个信道时刻，码本都会进行更新。而在接逡逑收端，预编码矩阵／＾￡＆则根据系统瞬时互信息进行选择，即，逡逑Ｆｍ邋＝邋ａｒｇｍａｘ／ＣＦ＾ｆ）逦（２－４）逡逑需要说明的是，式（２－４）中的选择标准等价于最小化系统ＭＳＥ矩阵行列式的逡逑标准［１５］。逡逑当考虑信道矩阵的奇异值分解为＝邋１／，？２；？１１＾１时，定义矩阵保留矩逡逑阵Ｖ７ｎ中的前Ｍ列生成的矩阵，则矩阵歹？１为能够实现系统中瞬时互信息最大化的逡逑最佳预编码矩阵。另外，为了衡量矩阵５１６！＾财￣财）和矩阵之间逡逑的角度差异，研究者定义了矩阵的弦距，其具体形式如下，逡逑ｄｃ（５ｉ

拓扑图,多用户,下行系统,拓扑

＾邋反馈信道邋ｊ邋逦逦逡逑＼Ｊ逡逑图２－２多用户Ｍ丨Ｍ０下行系统模型逡逑对于多用户ＭＩＭＯ系统，大多数研宄者均考虑了如图２－２所示的系统拓扑逡逑结构。在系统中有一个配置了邋根天线的基站，并通过个射频链路与／Ｖ个移逡逑动端相连并形成通信。而每个移动端则配置了邋Ｍ，．根天线，该系统具体的系统结构逡逑图如图２－３所示。同时，大部分研究者都会集中研究基站和每个移动端只通过一逡逑个数据流进行通信的多用户波束赋形情况，因此，该多用户系统中的总数据流为逡逑／Ｖｓ邋＝邋／Ｖ。进一步的，研宄者们往往假设基站可以同时为与其射频链路数相等的用逡逑户数进行服务，即有。同时，为了描述的简化，当系统中的用户数少于逡逑基站的射频链路数时，基站只启用ｙｖＲＦ个射频链路数中的／Ｖ个来服务系统中这Ｗ逡逑个移动端。逡逑１９逡逑

基站,多用户,预编码,下行链路

逦＾邋反馈信道邋ｊ邋逦逦逡逑＼Ｊ逡逑图２－２多用户Ｍ丨Ｍ０下行系统模型逡逑对于多用户ＭＩＭＯ系统，大多数研宄者均考虑了如图２－２所示的系统拓扑逡逑结构。在系统中有一个配置了邋根天线的基站，并通过个射频链路与／Ｖ个移逡逑动端相连并形成通信。而每个移动端则配置了邋Ｍ，．根天线，该系统具体的系统结构逡逑图如图２－３所示。同时，大部分研究者都会集中研究基站和每个移动端只通过一逡逑个数据流进行通信的多用户波束赋形情况，因此，该多用户系统中的总数据流为逡逑／Ｖｓ邋＝邋／Ｖ。进一步的，研宄者们往往假设基站可以同时为与其射频链路数相等的用逡逑户数进行服务，即有。同时，为了描述的简化，当系统中的用户数少于逡逑基站的射频链路数时

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