多蜂窝MIMO无线网络的资源分配研究

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多输入多输出(MIMO)技术在不需要增加额外频带的基础上,能够使得信道容量增加几个数量级,这种显著优势促使其成为未来无线通信的关键技术。然而,多蜂窝MIMO技术在实际通信系统下行链路中,面临严重的用户间、蜂窝间的干扰。传统的分集技术和发射策略仅能提高链路水平的性能和可靠性,蜂窝中用户的QoS仍没有得到有效的改善。因此研究基于多蜂窝MIMO无线网络资源分配的干扰避免技术具有重要的现实意义。本文在充分分析多蜂窝MIMO无线网络资源分配问题领域的国内外研究现状和实际运用的基础上,针对其中MIMO多蜂窝干扰受限,基于协作预编码和解码技术信息处理和交互过于复杂导致现实系统难以实现等问题,做了以下研究内容和创新工作:(1)本文提出了如何在多蜂窝MIMO网络下行链路发射天线功率受限的情况下,通过多蜂窝协作寻求网络效用最大化的波束形成和功率控制问题。与传统问题模型相比,它的创新点体现在两方面,一方面考虑了发射天线组合功率受限的情况,另一方面考虑了同一蜂窝的同一子信道多用户并行通信的强干扰情形。(2)在用户功率平均分配的情况下,结合优化理论,从博弈论角度出发,引入价格机制将问题转换为单用户波束形成和功率分配的子问题。根据变量搜索方法的不同,本文提出了两个基于多蜂窝协作算法:(a)在不存在天线功率组合限制的情况下,优化问题仅有一个限制项(不考虑非零约束),提出了基于二分法搜索的协作算法,并且给出了算法收敛性证明。(b)当存在天线组合的限制时,优化问题存在多个限制项,提出了基于椭球算法搜索的协作算法,同时分析了算法的收敛性。该协作算法(基于二分法搜索的协作算法和基于椭球算法搜索的协作算法)时间复杂度较低,易于实现具有现实可行性。在仿真部分,通过Matlab仿真平台在各种场景下对协作算法与非协作算法的性能进行比较,结果显示,基站发射信噪比理想时,在各种网络场景下,基于协作的平均分配算法性能都优于非协作算法。(3)在基站发射天线功率和受限情况下,基于原始分解算法思想,将优化问题分解为主问题和子问题,对于主问题的功率限制变量采用快速投影算法进行更新,子问题采用类似于本文提出的用户功率平均分配情况下的协作算法求解。本文提出了基于快速投影的自适应功率分配算法,并对该算法的实现和自适应分配机制进行了详细的分析。该算法能够根据用户的信道特性自适应实现波束形成和功率控制。最后通过Matlab仿真平台在各种场景下对协作算法、非协作算法、基于快速投影的自适应功率分配算法进行多次仿真,结果显示:自适应算法尽管增加了算法和系统的复杂度,但网络效用得到了明显提高。
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