【摘要】：移動終端和數(shù)據(jù)流量的高速增長推動著移動通信技術的持續(xù)發(fā)展。到2019年,全球移動數(shù)據(jù)流量將增長到每月24.3艾字節(jié)。目前移動通信網(wǎng)絡已經(jīng)無法滿足高速增長的業(yè)務需求,因此部署5G通信網(wǎng)絡勢在必行。5G網(wǎng)絡通過三個基本技術來實現(xiàn)性能和效率上的大幅提升:毫米波、大規(guī)模天線和異構網(wǎng)絡。此外,為了保證安全性,可以考慮在5G網(wǎng)絡中應用物理層安全技術。本文以通過MIMO技術提升物理層安全和毫米波通信的性能為目標,圍繞有限字符輸入下的MIMO預編碼設計展開以下研究:首先,本文研究了一類新的優(yōu)化問題,它涵蓋了任意輸入分布下各種MIMO信道的線性預編碼設計問題。這類新的優(yōu)化問題被稱為廣義二次矩陣優(yōu)化。由于廣義二次矩陣優(yōu)化問題的目標函數(shù)和約束都是非凸的,它屬于非凸優(yōu)化問題。本文設計了一個數(shù)值優(yōu)化算法求解廣義二次矩陣優(yōu)化問題,該算法能夠保證收斂到問題的KKT點。最后,我們將廣義二次矩陣優(yōu)化應用到下行認知安全網(wǎng)絡。本文考慮了安全多播場景和安全廣播場景下的網(wǎng)絡平均安全和速率最大化問題。這兩個場景下的最優(yōu)線性預編碼可以通過廣義二次矩陣優(yōu)化求解。仿真結果從各個方面展示了我們提出的算法的有效性。第二,針對認知多址竊聽信道模型,本文研究該模型在統(tǒng)計信道信息下的平均安全和速率最大化問題。為了解決該問題,本文提出了一個雙層優(yōu)化算法設計最優(yōu)預編碼。該算法的主要思想是將平均安全和速率寫成一個凸差函數(shù),然后用一系列凸集的并集從外部逼近非凸可行域。最后我們通過凹凸逼近算法在每個凸集上最大化平均安全和速率。仿真結果表明我們提出的算法在中高信噪比下的性能超越了基于高斯輸入分布的預編碼算法。第三,針對毫米波MIMO信道的全連接混合預編碼模型,混合預編碼設計問題可以被建模成一個矩陣分解問題。本文首先給出了混合預編碼能夠達到無約束最優(yōu)預編碼性能的一個充分條件和一個必要條件。然后證明了在不影響局部和全局最優(yōu)性的前提下可以將該矩陣分解問題中的功率約束直接去掉。最后,本文給出了混合預編碼設計問題中目標函數(shù)的梯度和海森矩陣的閉合表達式,并根據(jù)這些信息設計了一個基于BFGS的混合預編碼算法。仿真結果表明我們提出的算法性能超過了已有的一些混合預編碼算法。最后,考慮毫米波MIMO系統(tǒng)的部分連接混合預編碼模型,其中每個射頻鏈路可以動態(tài)地與部分天線相連接。本文利用統(tǒng)計信道信息設計天線與射頻鏈路間的連接方案,并根據(jù)統(tǒng)計信道信息或混合信道信息設計混合預編碼。本文先給出了統(tǒng)計信道信息下天線與射頻鏈路間連接方案的最優(yōu)準則,并基于該準則提出了一個低復雜度算法求解最優(yōu)連接方案。然后推導了毫米波MIMO信道下平均互信息的下界。該下界加上一個給定常數(shù)后能非常精確的近似平均互信息,且它的復雜度要比平均互信息低若干數(shù)量級。為了進一步降低復雜度,我們還給出了平均互信息下界的一個精確近似。最后,本文提出了一個基于流形的梯度上升算法設計混合預編碼。仿真結果表明利用混合信道信息下的混合預編碼性能接近于基于瞬時信道信息設計的混合預編碼性能。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.5

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