《MIMO無線網路中基於禮貌注水的分散式最佳化理論與算法》是依託北京大學，由羅武擔任負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：MIMO無線網路中基於禮貌注水的分散式最佳化理論與算法
- 項目負責人：羅武
- 項目類別：面上項目
- 依託單位：北京大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
無線通信業務的快速增長要求無線網路達到接近最優的傳輸性能，因此迫切需要解決無線網路中的發射機與資源最佳化問題。其挑戰在於：節點通常無法獲得全局的網路狀態信息，因此無法執行中心式的最佳化；該問題往往屬於非凸最佳化問題，缺乏有效的算法。本項目研究多入多出（MIMO）網路中的分散式最佳化理論和算法。很多現有的MIMO網路最佳化方法都沒有利用問題最優解的結構，因而具有複雜度高，對非凸問題性能欠佳，且不利於分散式實現等問題。我們最近發現了MIMO網路中一大類可達區域的最優輸入協方差矩陣都滿足一種禮貌注水結構，這一重大突破為解決MIMO網路的非凸最佳化難題奠定了基礎。由於禮貌注水能將網路分解為多個等效的單用戶信道，因此適用於分散式算法的設計。本項目將基於禮貌注水建立一套系統的MIMO網路分散式非凸最佳化理論與算法，其研究成果將為未來的無線通信網路提供高性能的設計方案，進一步推動無線通信技術的發展。
結題摘要
本項目研究MIMO網路中的分散式最佳化理論與算法，包括網路狀態信息獲取機制，分散式算法設計以及性能分析。原計畫重點研究傳統小規模MIMO網路中的分散式最佳化理論與算法。考慮到目前學術界研究重點是5G無線通信系統，並且大規模MIMO已成為了5G系統核心技術，因此本項目後半期，我們對原有研究內容進行了擴展。利用已有研究成果，解決了大規模MIMO系統中的若干關鍵技術問題。因此本課題不僅完成了原有研究任務，還取得了比更廣泛和重要的研究成果： 1. 提出了一套基於禮貌注水的分散式最佳化理論與算法，包括（1）多線性約束下的禮貌注水算法；（2）多跳MIMO中繼網路中的對偶性與禮貌注水算法；（3）基於局部信道估計和訊息傳播的分散式禮貌注水算法；（4）基於禮貌注水算法的收斂性分析。分析和仿真驗證表明所設計的算法在性能、複雜度、信令開銷、收斂速度以及對信令時延的魯棒性上都優於現有算法 2. 提出了一種MIMO網路中基於局部信道估計的網路狀態信息獲取方法。其特點在於：網路節點間無需進行信息互動，僅靠局部信道估計就可獲得各節點的網路狀態信息，進行分散式最佳化，因而大大降低了信令開銷。此外，還提出了一種大規模MIMO系統中多時間尺度的網路狀態信息獲取機制。該方法將狀態信息劃分為變化快、時延敏感的短期狀態信息，以及變化慢、時延不敏感的長期狀態信息。其中，網路中各節點只需獲取局部的短期網路狀態信息，而全局長期狀態信息則通過一個中心節點進行收集。因而這種狀態信息獲取機制具有信令開銷低且對節點間信令傳播時延不敏感等優點 3. 基於1和2中的分散式最佳化理論與算法，以及網路狀態信息獲取方法，解決了大規模MIMO系統中的一系列關鍵技術。包括（1）大規模MIMO系統中分層干擾抑制方案；（2）大規模C-RAN網路中天線選擇、用戶調度與功率分配的聯合最佳化；（3）多用戶大規模MIMO系統下行傳輸最佳化方案；（4）雙層大規模MIMO網路的導頻復用和波束成形；（5）分散式多用戶大規模MIMO能量效率的分析與最佳化等。這些關鍵技術的解決對大規模天線系統的套用具有重要的理論和實際意義 基於上述成果，已發表(或錄用)多篇頂級國際期刊和重要國際會議論文。其中，包括IEEE TSP 4篇，IEEE TWC 1篇，SCI論文10篇。此外，培養了3名博士生。
