存在信道誤差的無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)健信號處理方法.pdf

1、在無線通信中，多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）可以利用空間自由度，在不增加發(fā)射功率和系統(tǒng)帶寬的條件下，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩殉蔀?G的關(guān)鍵技術(shù)。作為MIMO系統(tǒng)的一個重要技術(shù)，波束成形可實現(xiàn)空分多址，干擾抑制等，因而被廣泛應(yīng)用于各種無線通信網(wǎng)絡(luò)中。在傳統(tǒng)無線通信中，波束成形的實現(xiàn)是基于準(zhǔn)確的信道信息（Channel State Information, CSI）。但是，實際通信中的C

2、SI往往不準(zhǔn)確，且波束成形的性能對CSI誤差敏感。為了保證用戶不同的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service, QoS），本文針對二階有界CSI誤差，二階無界CSI誤差和高階CSI誤差，研究了認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)、雙向中繼網(wǎng)絡(luò)、物理層安全網(wǎng)絡(luò)中穩(wěn)健波束成形設(shè)計。另外，作為5G的關(guān)鍵技術(shù)：大規(guī)模MIMO，可以成數(shù)量級的節(jié)省發(fā)送功率、提高的通信可靠性和降低信號處理復(fù)雜度。但是，由于不同的小區(qū)共用相同的訓(xùn)練序列，導(dǎo)頻污染嚴(yán)重制約大規(guī)模MIMO

3、網(wǎng)絡(luò)的性能。為了減小導(dǎo)頻污染的影響，本文研究大規(guī)模MIMO網(wǎng)絡(luò)中的最優(yōu)的訓(xùn)練序列分配問題。針對上述問題，本文的創(chuàng)新點和研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　1.在MIMO認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，針對限制干擾對齊性能的兩個因素：非準(zhǔn)確的CSI和有限的信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR），本文提出了穩(wěn)健的信號和干擾聯(lián)合對齊的方法，可以同時實現(xiàn)信號對齊和干擾對齊?？紤]二階有界的CSI誤差場景，該方法以最小化信號泄露和干擾泄露

4、總和為目標(biāo)，先后利用S引理、正交松弛和半正定松弛（Semidefinite Relaxation，SDR）方法，將非凸的聯(lián)合優(yōu)化問題分解轉(zhuǎn)化為凸的半正定規(guī)劃（semidefinite programming，SDP）子問題，實現(xiàn)穩(wěn)健的信號和干擾聯(lián)合對齊。仿真驗證了所提出的方法可以提高在有限的SNR條件下的性能和對CSI誤差的穩(wěn)健性。
　　2.在認(rèn)知無線電雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)存在CSI誤差時，雙向中繼中的自干擾不能完全消除，嚴(yán)重影響雙

5、向中繼的性能。針對二階有界的CSI誤差和殘余的自干擾，本文提出了一種先收縮后松弛（Restriction and Relaxation，RAR）的穩(wěn)健波束成形設(shè)計方法。具體的，該方法以最小化中繼發(fā)送功率為目標(biāo)，同時滿足認(rèn)知用戶的信干噪比（Signal to Interference Plus Noise Ratio，SINR）要求和主用戶的IT要求。在收縮步驟，無限多的復(fù)雜約束被分解為有限數(shù)目的線性不等式（linear matrix i

6、nequalities，LMIs）。在松弛步驟，非凸的優(yōu)化問題松弛為凸問題，并用內(nèi)點法可以進(jìn)行有效求解。仿真驗證了所提RAR方法的有效性和穩(wěn)健性。
　　3.在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，針對二階無界CSI誤差，本文提出了一種機(jī)會約束的穩(wěn)健波束成形設(shè)計方法，該方法以最小化所有認(rèn)知用戶的總功率為目標(biāo)，同時滿足認(rèn)知用戶SINR中斷率約束和主用戶的IT概率約束。首先，利用兩種Bernstein型不等式，分別將SINR概率約束和IT概率約束轉(zhuǎn)化為確定

7、性形式的約束，然后通過SDR將將不可求解的非凸問題轉(zhuǎn)松弛為可以求解的凸問題。仿真結(jié)果驗證與基于最差情況的穩(wěn)健波束成形設(shè)計方法相比，所提出的方法可以顯著降低發(fā)送功率。
　　4.針對物理層安全網(wǎng)絡(luò)中三種常見的二階無界CSI誤差，提出了一種物理層安全的機(jī)會約束穩(wěn)健波束成形設(shè)計框架。本文研究了在發(fā)送功率和安全速率中斷率約束條件下的物理層安全速率最大化問題。由于存在概率約束，問題是非凸且難以求解。為了解決這個難題，本文提出了一種先松弛后收縮

8、的兩步算法框架，可以獲得高質(zhì)量的波束成形設(shè)計解，而且在某些情況下可以獲得全局最優(yōu)解。與傳統(tǒng)的穩(wěn)健設(shè)計方法相比，所提出的算法顯著降低了穩(wěn)健設(shè)計的保守性。
　　5.針對高階無界CSI誤差，本文首次提出了可以處理高階CSI誤差的穩(wěn)健波束成形設(shè)計方法?？紤]四階高斯CSI誤差，穩(wěn)健中繼波束成形設(shè)計的目標(biāo)為最小化中繼發(fā)送功率，同時滿足合法用戶的SINR的中斷概率約束和竊聽用戶的SINR的中斷概率約束。對于涉及四階CSI誤差的概率約束，如何轉(zhuǎn)化

9、為確定性的約束，目前還是一個公開的難題。針對該問題，本文首次提出了Moment不等式，該不等式可以將涉及高斯隨機(jī)變量的概率約束保守的近似為確定性的形式，包括處理二階、三階、四階等CSI誤差。此外，本文對比分析Bernstein型不等式和Moment不等式的保守程度。仿真驗證了所提出Moment不等式的有效性和穩(wěn)健性。
　　6.為了緩解大規(guī)模MIMO網(wǎng)絡(luò)中的導(dǎo)頻污染，提高用戶的SINR，本章提出了低復(fù)雜度的聯(lián)合訓(xùn)練序列分配和用戶接入

10、方案。根據(jù)圖論理論，最優(yōu)訓(xùn)練序列分配問題可以等價轉(zhuǎn)化為最小權(quán)重多部圖匹配問題。針對該NP難問題，本文提出了一種迭代Hungarian算法可以獲得近似解。在聯(lián)合訓(xùn)練序列分配和用戶接入方案中，基站可以為空缺的訓(xùn)練序列直接接入用戶，不需要對所有的用戶重新進(jìn)行訓(xùn)練序列分配。具體的，用戶接入問題可以等價的轉(zhuǎn)化為集合基數(shù)約束的最小化Supermodular問題。盡管該類問題為NP難問題，本文提出了一種貪婪算法可以獲得次優(yōu)的用戶接入方案。同時，針對集