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随着移动互联网数据共享业务的高速发展,多播技术由于具有点对多点的天然特性,正逐步得到业界的关注。然而,无线多播面临着复杂而恶劣的信道问题,多播组内任一用户接收失败均将导致重传,而重传意味着信道及能源的浪费。简而言之,整个多播组的服务质量取决于多播组内最差用户的服务质量及中断特性。因此,要提高无线多播的整体服务质量,研究在无线多播环境下的鲁棒性及中断特性具有重要意义。
通过调整在不同的天线方向上的天线增益,波束成形技术能有效改善信道较差用户的接收信噪比和中断特性,达到系统性能的平衡,进而有效的提升无线多播的整体服务质量,是实现鲁棒性传输的重要技术方案。然而要实现波束成形矢量的优化设计,需要已知完美的信道状态信息。事实上,基于完美信道状态信息下的波束成形设计方案,已经是非常成熟的研究成果。然而,在恶劣的无线环境中,获取完美信道状态信息并非易事。在实际系统中,所获取的信道信息不可避免的存在误差。例如,信道估计过程会产生估计误差;量化过程会带来量化误差;信道信息的反馈会带来反馈时延等。这些都是波束成形设计过程中,必须要考虑的因素。
本文的研究思路是在多播信道状态信息非完美的基础上,建立信道状态信息存在误差与延时的不同模型,通过调整波束成形矢量设计来实现多播传输的鲁棒性及高能效。围绕着该研究思路,主要工作分为如下三个部分:
量化误差下的多播波束成形设计:主要考虑由量化误差导致的非完美信道信息场景。设立基站下行功率最小化和用户最大最小公平性两个优化目标。针对长时间尺度下的信道信息相关矩阵,利用确定性边界误差矩阵建立数学模型。结合半正定松驰和半正定规划,将原优化问题转化为凸问题,进一步利用凸优化工具求解最优的波束成形矢量设计方案。
信道估计误差下的多播波束成形设计:主要考虑信道估计误差导致的非完美信道信息场景。针对长时间尺度下的信道信息相关矩阵,利用高斯随机变量建立误差模型,主要解决中断概率约束条件下的基站下行发射功率最小化问题。由于中断概率的约束表达式是非闭合的,本文分别从等效边界转化为确定边界问题和从概率角度直接优化两个方向出发,提出了最差边界法和高斯错误函数方案,完成在估计误差存在条件下的鲁棒性的波束成形矢量设计方案。
反馈延时下的多播波束成形设计:主要考虑频分双工系统中长时间尺度及信道信息反馈存在延时条件下的波束成形矢量设计。针对反馈延迟的信道信息,利用最小均方误差估计来预测当前的信道信息。设立基站下行功率最小化和用户最大最小公平性两个优化目标,利用信道信息的预测结果,结合半正定松驰和半正定规划,将问题转化为凸优化问题,进一步利用凸优化工具求解最优的波束成形矢量设计方案。
本文研究的基于多播信道状态信息非完美条件下的波束成形设计方案,讨论了信道状态信息存在误差与延时的不同场景,在实际系统中具有重要意义,能有效提升无线多播在信道信息不完美条件下的系统性能。