多用户MIMO系统中波束成形的优化研究

多用户MIMO系统中波束成形的优化研究多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术能够充分挖掘空间资源来实现空间分集和空间复用,有效提高频谱利用率。波束成形是多用户MIMO系统实现空分多址的主要技术,能有效地抑制小区间的干扰和用户间的干扰,是当前无线通信物理层技术的研究热点之一。

本文以多用户MIMO系统中波束成形技术为主要研究点,重点对多小区多播系统、协作多播系统和干扰信道的波束成形技术展开了深入的研究。主要工作可概括为以下几个方面:1)针对发送端有理想信道状态信息(Channel State Information,CSI)和非理想CSI这两种情况下的多小区多播系统,研究了加权总速率最大化问题,分别提出了相应的波束成形算法。

当发送端有理想的CSI情况时,每个基站功率约束下加权总速率最大化问题是非确定性多项式难题(Non-deterministic Polynomial-hard,NP-hard),难以直接求解。我们提出了一种低复杂度的迭代算法求解这一问题。

在每次迭代中,原优化问题通过连续凸近似(Successive Convex Approximation,SCA)表示成二阶锥规划(Second Order Cone Programming,SOCP)问题。当发送端仅有非理想CSI情况时,中断概率约束下加权总速率最大化波束成形问题也是非凸的。

此问题的困难就在如何处理中断约束。我们采用Bernstein类型不等式和半正定松弛(Semidefinite Relaxation,SDR)方法将原问题近似表示成一个交替优化问题,固定一组变量,关于另外一组变量是凸问题。

数值结果验证了上述两种情况下的算法有效性。2)针对协作多播系统,研究了多播速率最大化问题,提出了一种波束成形和中继选择联合优化算法。

在两阶段协作多播系统中,为了使得多播传输速率更高,研究波束成形、中继选择、时间分配因子和第一阶段成功解码用户集合联合优化问题。此问题相当复杂,即使第一阶段成功解码用户集合和中继已确定的情况下,此问题还是非凸的。

我们采取的思路是,先确定第一阶段成功解码用户集合,再进行中继选择,然后优化剩余变量。数值结果显示,相比于传统的多播方案,本文提出的方案仅以较少的代价(中继功率消耗)获得较大的性能提升。

3)针对发送端仅知道信道统计信息下干扰信道,研究了中断概率约束下加权总速率最大化问题,提出了一种性能和复杂度折中的波束成形算法。在K用户多输入单输出(Multiple Input Single Output,MISO)干扰信道中,中断概率约束下最大加权总速率问题是NP-hard,很难获得最优解。

我们提出了一种新的次优的迭代算法来求解它。在每次迭代中,通过引入松弛变量和使用SCA方法,将原优化问题近似成一个SOCP问题。

数值结果显示,提出的算法收敛很快,而且性能和复杂度都优于现有的算法在仿真中。