2.3 MIMO中继波束成形技术
2.3.1 从点对点系统到中继系统
中继技术能扩大系统的覆盖范围，提升传输性能，在现代通信中拥有广泛的应用，包括蜂窝通信系统中的中继节点、地面的微波接力通信、平流层通信中接续信号的无人机和飞艇、转接地面站信号的卫星、在太空中用激光链路互连5颗宽带卫星所组成的转型卫星通信系统等。
如图2-2所示，中继技术在蜂窝通信网中的应用。在以往的蜂窝通信系统中，移动台由于遮挡和阴影效应与基站的通信可能会中断，但是如果在小区中部署了中继，那么中继不仅可以连接受到遮挡的移动台和基站，还可以自己作为基站，连接两个移动台。
如图 2-3 所示，中继技术在无线电通信系统中的应用。在地面光纤被广泛应用于远距离干线传输之前，采用中继技术的中间站被大量地用于信息的干线传输，通常每隔几十公里就部署一个中间站中继信号。
图2-2 中继技术在蜂窝网中的应用
图2-3 采用中继技术的无线电接力通信系统
如图 2-4 所示，平流层通信系统。在平流层飞行的捕食者无人机和军用飞艇作为中继节点，接续地面站和通信卫星之间的通信。由于多个平流层中继平台的存在，因此可以进行中继选择，按照一定的规则选择最优的中继节点接续信号。
图2-4 平流层通信系统
图2-5所示为典型卫星通信场景。通信卫星作为地面通信设备的中继节点，既可以采用透明转发（放大转发方式），也可以采用星上处理（解码转发方式）转发。
图2-5 典型卫星通信系统
在互联网技术出现后，美军开始考虑将分组交换的理念应用于卫星通信系统，设计如图2-6所示的转型卫星通信（Transform Satellite Telecommunication，TSAT）系统，它由太空中的5颗同步轨道宽带卫星组成，任何地面通信设备接入转型卫星通信系统后，无须将信号注入地面关口站，直接通过卫星在太空中继信号后传输给地面的目的端。用中继技术连接的5颗卫星组成了环绕地球的信息高速公路，比传统的全球卫星通信系统效率高50%（既无须将信号下到源端的关口站，也无须将信号从目的端关口站上传到卫星）。
图2-6 美军的转型卫星通信系统
2.3.2 从单天线中继系统到多天线中继系统
在信息传输由点对点系统扩展到中继系统的同时，MIMO技术由于能够增加频谱效率并提高传输可靠性而受到广泛的关注[5]，因此在中继节点配置多天线的MIMO中继技术获得了学术界和工业界广泛而深入的研究和探索。中继技术可以按照不同的标准进行分类[6]，例如，按照中继端对接收到的信号的处理方式，可以分为放大转发（Amplify and Forward，AF）和解码转发（Decode and Forward， DF）；按照从源端到目的端经过的链路的数目可以分为双跳和多跳；按照传输信号所依赖的中继的数目可以分为单中继和多中继；按照传输信号的方向可以分为单向和双向；按照设备的双工方式可以分为半双工和全双工。AF方式在中继端对信号进行了线性处理，而 DF 方式在中继端进行了解码，实际上将两条链路分割成了两个独立的点对点MIMO链路，因此，在接下来的第3～5章中，集中讨论AF方式。按照不同的分类方式，我们对MIMO中继技术的研究现状进行分类。
（1）双跳、单中继、单向、半双工
主要研究的问题包括两类：一是在中继端和接收端进行功率约束的前提下对全局目标函数进行优化，例如，文献[7]和文献[8]以最大化容量为目标函数，文献[9]以最小化均方误差为目标函数；二是在满足服务质量（QoS）保证的前提下最小化功率消耗，例如文献[10]和文献[11]。
（2）多跳、单中继、单向、半双工
文献[12-15]研究了多跳MIMO中继系统。文献[12]中的渐进容量是以假设每个中继的波束成形矩阵是加权单位阵的前提下推导得出的；文献[13]计算了当跳数趋近于无穷大时系统容量的尺度规则；文献[14]研究了当中继的波束成形矩阵采用对角阵时系统的分集增益；文献[15]以不考虑中继噪声为前提求解最优的波束成形矩阵。
（3）双跳、多中继、单向、半双工
文献[16]将源端和目的端的波束成形矩阵设定为单位阵，在功率约束的前提下优化多个中继的波束成形矩阵以最小化系统的均方误差；文献[17]在约束信噪比的前提下设计多个中继的波束成形矩阵以最小化功率消耗；文献[18]对文献[17]进行了扩展，求解了最优的源端和目的端的波束成形矩阵。
（4）双跳、单中继、双向、半双工
文献[19]在约束终端和中继功率的条件下最大化可达速率或者最小化均方误差。文献[20]在约束中继波束成形矩阵的前提下最大化可达速率。
（5）双跳、单中继、单向、全双工
文献[21]研究了全双工条件下系统性能的上界和下界；文献[22]提出以时域波形进行反馈信道干扰的自适应抵消；文献[23]中假设采用全向天线，每根天线都可以发送和接收信号且自干扰可以完全抵消。文献[24]探讨了全双工中继系统的优化问题。
2.3.3 多天线中继系统的研究热点
目前有关MIMO中继系统波束成形技术的研究主要包括两个方面：MIMO中继系统波束成形优化设计和MIMO中继系统波束成形性能分析。我们关注采用波束成形技术的MIMO中继系统的优化问题，以提高通信系统的可靠性，即最大化信（干）噪比为准则，优化波束成形方案，并对方案下系统的各项指标进行性能分析。从不同的角度，中继系统也分为很多的类别，而本文聚焦于源端发射单个信号且信号单向流动，经过一个中继两跳到达目的端，采用半双工的工作方式的AF中继系统。首先，从理论出发，考虑了理想条件下MIMO中继系统的波束成形方案并进行了性能分析，具体内容将在第 3 章介绍；接着，为了贴近工程实践，研究了影响通信系统性能的两大关键因素：内因—获得的信道状态信息（Channel State Information，CSI）非理想和外因—同信道干扰（Co-Channel Interference， CCI）。分别在两种条件下分析了MIMO中继系统的优化问题并进行了性能分析，得出了一些有意义的结果和结论，具体内容分别在第4章和第5章中进行分析。在研究的过程中，采用了与MIMO波束成形对比研究的方法，目的在于通过对比， MIMO中继系统与MIMO系统的联系。