MIMO無(wú)線通信系統(tǒng)中的ARQ傳輸技術(shù)研究.pdf

1、無(wú)線通信系統(tǒng)中由于衰落、干擾、噪聲等因素的影響，數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤在所難免。自動(dòng)重傳請(qǐng)求(ARQ)機(jī)制是現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中普遍采用的錯(cuò)誤糾正技術(shù)。多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)提供了新的空間自由度，可以產(chǎn)生空間分集或空間復(fù)用增益，是提高系統(tǒng)容量的重要手段，已經(jīng)成為下一代無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)MIMO系統(tǒng)的ARQ技術(shù)研究是現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。
　　 本文研究MIMO系統(tǒng)中的ARQ傳輸技術(shù)。由于ARQ本質(zhì)上是一種時(shí)間分

2、集技術(shù)，其會(huì)改變MIMO系統(tǒng)的分集和復(fù)用折中關(guān)系，因此，本文首先在發(fā)送端統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息(CSIT)場(chǎng)景下研究了MIMO ARQ系統(tǒng)的分集/復(fù)用模式切換問(wèn)題。另外，當(dāng)發(fā)送端具有完善或者部分CSIT時(shí)，預(yù)編碼技術(shù)可以進(jìn)一步提高M(jìn)IMO系統(tǒng)的性能，為此，本文研究了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)MIMO系統(tǒng)中的ARQ預(yù)編碼設(shè)計(jì)問(wèn)題，并擴(kuò)展到基于中繼協(xié)作的多跳MIMO系統(tǒng)中，首次提出了MIMO放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)中繼系統(tǒng)的ARQ預(yù)編碼設(shè)計(jì)方法。
　　 首先，分集和

3、復(fù)用增益的開拓對(duì)信道特性以及信道信息的依賴程度不同，不同信道特性及信道信息下的分集和復(fù)用增益性能分析是進(jìn)行分集/復(fù)用模式切換的基礎(chǔ)。但是，ARQ時(shí)間分集增益的不確定性導(dǎo)致不同模式下的MIMO系統(tǒng)性能分析面臨極大挑戰(zhàn)。在統(tǒng)計(jì)CSIT場(chǎng)景下，本文首次提出了MIMO ARQ系統(tǒng)的模式切換問(wèn)題，綜合考慮了實(shí)際系統(tǒng)中影響模式切換的多個(gè)因素:發(fā)送信道相關(guān)，信道估計(jì)誤差，丟包率限制等，使用Gamma函數(shù)表達(dá)或近似不同MIMO模式下接收機(jī)的后驗(yàn)信干噪比

4、分布，推導(dǎo)了不同模式下ARQ平均分集增益的表達(dá)式，提出了吞吐率最大化的MIMO分集/復(fù)用模式切換方法，分析了不同因素對(duì)模式切換點(diǎn)的影響。仿真結(jié)果表明，本文提出的模式切換算法具有較好的魯棒性，相對(duì)單一模式傳輸方法能獲得明顯性能提升。
　　 其次，當(dāng)發(fā)送端可以獲得完善的或者部分CSIT時(shí)，預(yù)編碼技術(shù)是進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能的重要手段和關(guān)鍵技術(shù)。而ARQ技術(shù)由于采用了重傳，其預(yù)編碼設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)單次傳輸?shù)念A(yù)編碼設(shè)計(jì)不同。因此，本文研究了完善C

5、SIT及信道估計(jì)誤差場(chǎng)景下的MIMO ARQ預(yù)編碼設(shè)計(jì)問(wèn)題。
　　 在采用MIMO技術(shù)的LTE系統(tǒng)中，多個(gè)數(shù)據(jù)流以碼字的形式呈現(xiàn)，每個(gè)碼字可以進(jìn)行獨(dú)立的自適應(yīng)調(diào)制編碼，則自適應(yīng)調(diào)制編碼等級(jí)較低的碼字需要較小的SINR門限即可以進(jìn)行解碼，而等級(jí)較高的碼字需要較大的SINR門限才能正確譯碼。傳統(tǒng)不考慮調(diào)制編碼等級(jí)的重傳預(yù)編碼設(shè)計(jì)會(huì)因?yàn)檫^(guò)分提高低調(diào)制編碼等級(jí)碼字的SINR而造成功率浪費(fèi)問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題，本文首先提出了新穎的重傳包

6、錯(cuò)誤率最小化的優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)而提出了重傳預(yù)編碼結(jié)構(gòu)，利用該結(jié)構(gòu)，重傳預(yù)編碼設(shè)計(jì)問(wèn)題等效為一個(gè)功率分配和信道配對(duì)的聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題。通過(guò)遍歷信道配對(duì)并針對(duì)每個(gè)信道配對(duì)進(jìn)行功率分配，可以獲得聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)解。然而，給定信道配對(duì)時(shí)，功率分配是一個(gè)非凸優(yōu)化問(wèn)題，本文提出了一種兩步功率分配算法，解決了重傳預(yù)編碼的功率浪費(fèi)問(wèn)題，有效提高了系統(tǒng)性能。
　　 另外，中繼技術(shù)是進(jìn)一步提高系統(tǒng)覆蓋和吞吐量的重要手段，但是由于需要融合更多的信息，MIM

7、O AF中繼系統(tǒng)的重傳預(yù)編碼設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，更具挑戰(zhàn)性。在學(xué)術(shù)界，本文首次研究了MIMO AF中繼系統(tǒng)的重傳預(yù)編碼設(shè)計(jì)問(wèn)題。在完善CSIT場(chǎng)景下本文以最大化重傳容量為目標(biāo)，利用矩陣?yán)碚摵屯箖?yōu)化理論提出了序貫最優(yōu)的中繼重傳預(yù)編碼算法;進(jìn)而考慮聯(lián)合源和中繼的預(yù)編碼場(chǎng)景，通過(guò)在源端引入信道配對(duì)矩陣，提出了一種可擴(kuò)展的預(yù)編碼結(jié)構(gòu)，進(jìn)而把預(yù)編碼設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)聯(lián)合源/中繼功率分配和信道配對(duì)的聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題。給定信道配對(duì)下，功率分配是一個(gè)多變量非凸優(yōu)

8、化問(wèn)題，本文提出了一種次優(yōu)的迭代功率分配算法，并從漸進(jìn)性能的角度提出了一種簡(jiǎn)化的信道配對(duì)算法。另外，信道估計(jì)誤差會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)性能，本文推導(dǎo)了信道估計(jì)誤差對(duì)接收端信號(hào)均方誤差性能的影響，提出了魯棒的發(fā)送接收聯(lián)合優(yōu)化方法，獲得了最優(yōu)的檢測(cè)矩陣，然后利用矩陣對(duì)角化和信道配對(duì)提出了魯棒的聯(lián)合源和中繼的序貫重傳預(yù)編碼結(jié)構(gòu)，進(jìn)而把預(yù)編碼結(jié)構(gòu)中的參數(shù)優(yōu)化等效為非凸功率分配和信道配對(duì)的聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題。給定信道配對(duì)條件下，本文提出了一種最優(yōu)的功率分配算法

9、，再通過(guò)遍歷信道配對(duì)可以獲得聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)解。由于最優(yōu)算法復(fù)雜度很高，為此，本文進(jìn)一步提出了一種次優(yōu)的低復(fù)雜度迭代功率分配算法和一種簡(jiǎn)化的信道配對(duì)算法。仿真結(jié)果表明，本文算法相對(duì)獨(dú)立預(yù)編碼設(shè)計(jì)方法具有很好的魯棒性和明顯性能提升，本文提出的低復(fù)雜度算法相對(duì)最優(yōu)算法可以顯著降低復(fù)雜度，但是性能損失很小。
　　 本文首先在統(tǒng)計(jì)CSIT場(chǎng)景下提出了MIMO ARQ系統(tǒng)的分集/復(fù)用模式切換算法，進(jìn)而在完善和部分CSIT場(chǎng)景下提出了LT