复杂无线通信环境下基于凸优化的自适应波束形成-信号与信息处理专业论文.docxVIP

Classified Index：TN911.7 School Code：10213 U.D.C：716.1 Secret Level：Open Dissertation for the Master Degree of in Engineering ADAPTIVE BEAMFORMING BASED ON CONVEX OPTIMIZATION IN COMPLEX WIRELESS COMMUNICATIONS ENVIRONMENT Candidate： Yin Guodong Supervisor： Associate Prof. Zhao Yinan Academic Degree Applied for： Master of Engineering Specialty： Signal and Information Processing Affiliation： School of Continuing Education Date of Defence： June, 2012 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -I- -I- 摘 要 由于移动通信用户数量的爆炸性增长和高速数据服务迅速增长，使得无线 通信环境越来越复杂。第三、第四代移动通信系统采用的是智能天线，为各种 波束形成技术的应用提供了条件。传统波束形成在对抗干扰时，不能对主波束 宽度、信噪比增益等进行灵活的控制，且稳健性差。凸优化波束形成方法克服 了上述缺点，且能利用内点算法快速得到全局最优解，这为解决移动通信的高 速发展带来的复杂无线通信环境问题提供了一种应对方法。 本文以均匀线性阵列为例，介绍了波束形成的理论基础与基本概念，探讨 了最小方差无畸变响应波束形成器和最小功率无畸变波束形成器，它们在理想 条件下是等价的。采样矩阵求逆(SMI)与对角加载采样矩阵求逆(LSMI)是常用 自适应波束形成器，它们需要通过对谱矩阵或是对角加载后的谱矩阵的最大似 然估计进行求逆来计算权矢量，其中 LSMI 波束形成器在对抗失配，有着较好 的性能。 凸优化问题是一类特殊的数学优化问题，它要求目标函数与不等式约束函 数是凸函数，等式约束函数是仿射函数。优化问题一旦转化为凸优化问题便可 用内点算法高效求解。由于无线通信干扰所造成的失配问题可建模为基于最差 情况下的优化问题，即导向矢量在球形不确定集中的最差情况下，对最小方差 波束形成器施加无畸变约束，该问题是无穷多非凸二次约束下的二次函数的最 小化。通过一系列的等价代换，该问题被转化为二次锥规划的凸形式，因而可 用内点算法高效解出。 在多种复杂移动通信环境下，对 SMI、LSMI 和凸优化稳健波束形成器做 了对比仿真，结果表明凸优化稳健波束形成器有着很好的适应性，它的性能与 最优的 SINR 很接近。在部分干扰环境下 LSMI 与凸优化稳健波束形成器具有 可比性，但由于加载量无法实现自适应调节因而在导向矢量失配、相干散射加 导向矢量失配和非相干散射加导向矢量失配的条件下，LSMI 的性能明显低于 基于最差情况下的凸优化稳健波束形成器。通过本课题的研究，表明了凸优化 方法在应对复杂无线通信环境问题上将发挥重要的作用。 关键词：波束形成；凸优化；稳健性；复杂无线通信环境； -II- -II- Abstract Due to the explosive growth of mobile communication users and the increase of high-speed data services, wireless communication environment has become increasingly complex. Third, fourth generation mobile communication systems are using smart antennas, which provid the conditions for the application of a variety of beam-forming technology. On the circumstance of anti-interference, traditional beamforming can not flexibly control the width of the main beam, the SNR gain and so on, and its robustness is poor. Convex optimization beamforming