（信号与信息处理专业论文）多天线通信系统中有限反馈技术研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：m i m o 技术利用增加天线对而不是额外的带宽来成倍提高数据速率，能很 好解决无线频谱资源短缺的问题，成为下一代无线通信系统的关键技术。当发射 端已知信道状态信息( c s i ) 时，m i m o 系统能通过发射预处理来进一步提升性能， 在频分双工( f d d ) 系统中，发射端信道状态信息( c s i t ) 通过有限速率的反馈 链路获得，研究如何反馈并利用c s i 的有限反馈技术已成为多天线通信系统的热 点和重点。 在m i m o o f d m 系统及多用户m i m o 系统中，c s i 的反馈量随着天线数量、 子载波数量、用户数量急速增长，如何有效降低反馈量来提高系统吞吐量是一个 亟待解决的重要问题。本文围绕这一问题展开讨论，简单综述了m i m o 系统有限 反馈技术的基本原理及研究现状，并重点研究了时间相干m i m o 系统、 m i m o o f d m 系统和多用户m i m o 系统中的有限反馈技术，所作的主要创新工作 如下： 针对时间相干信道m i m o 系统，提出了三种有限反馈方法。首先，提出了一 种基于邻域的有限反馈方法，包括周期性反馈和自适应反馈两种方案，利用前一 帧码字的邻域内码字组成当前帧的新码书，从而大幅度降低反馈比特数，相比现 有的基于状态转移概率的反馈方法，该方法实现简单且性能近似。随后，提出了 一种基于树结构码书的有限反馈方法，将当前帧信道向量量化到前一帧码字的子 码字上，在信道相干性较强时该方法能有效提高c s i 量化精度并改善b e r 性能。 最后，提出了一种基于信道预测的有限反馈方法，每隔多个数据帧才反馈一次c s i ， 并以b e r 最小化准则选择最优c s i 码字，采用自回归预测模型来补偿反馈时延带 来的性能损失，在所提反馈方法中性能最优，同等反馈速率下性能优于现有的基 于马尔科夫链的反馈方法。 针对m i m o o f d m 系统，提出了三种有限反馈方法。首先，提出了一种基于 平均信道响应的分簇算法，将簇内平均c s i 进行量化，并给出了该算法与其他分 簇算法的计算复杂度比较，仿真结果表明信道均值分簇算法能在性能和复杂度之 间很好折中。随后，在分簇算法的基础上提出了两种反馈降低方法，能充分利用 相邻簇码字之间的相关性来进一步降低反馈量，包括递归反馈和基于格的反馈两 种方案，前者实现简单但有轻微性能损失，后者几乎没有性能损失但实现复杂。 最后，针对时间相干m i m o o f d m 系统，提出了一种在时频域二维分簇的有限反 馈方法，将分簇思想拓展到时间域，对整个时频资源块进行分簇，并给出了不同 优化准则下的二维分簇算法的性能比较。 北京交通大学博士学位论文 针对下行多用户m i m o 系统，比较了几种经典的s d m a 系统性能，并提出 了一种多用户调度算法和一种反馈方法。首先，介绍了多用户机会波束成形系统、 p u 2 r c 系统、多用户预编码系统及各自的多用户调度方法，比较及分析了这些有 限反馈系统的仿真结果，并得出一些重要的结论。其次，针对z f s d m a 系统，提 出了两种改进的贪婪调度算法，相比现有的半正交用户选择( s u s ) 调度算法，这 些调度算法能确保调度到最多的用户，且不存在参数设置的难题，在用户数较少 时改进的空间相关性最小化贪婪调度优于s u s 调度。最后，针对z f s d m a 系统， 提出了一种基于分级量化的多用户有限反馈方法，对用于多用户调度的c s i 采用 低级量化，对用于多用户预编码的c s i 采用高级量化，与传统z f s d m a 系统相 比，该反馈方法能有效降低反馈量或同等反馈速率下改善和速率性能。 关键词：m i m o ；m i m o o f d m ；s d m a ；有限反馈；反馈压缩；时间相干；树形 码书；信道预测；分簇算法；用户调度 分类号：t n 9 2 9 5 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g y , w h i c hu s ea n t e n n a a r r a y sr a t h e rt h a na d d i t i o n a lb a n d w i d t hf o rm u l t i p l y i n gd a t ar a t e s ，c a no v e r c o m et h e p r o b l e mo fs h o r tr a d i os p e c t r u mr e s o u r c e sw e l l ，a n dh a sb e e no n eo fk e yi s s u e si nt h e n e x t - g e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s w h e nc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) i sa v a i l a b l ea tt h et r a n s m i t t e r , t h ep e r f o r m a n c eo fm i m os y s t e mc a nb ef u r t h e r i m p r o v e dt h r o u g ht r a n s m i t t e rp r e - p r o c e s s i n g i nf e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x i n g ( f d d ) s y s t e m ，c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na tt h et r a n s m i t t e r ( c s i t ) c a nb eo b t a i n e dt h r o u g ha l i m i t e dr a t ef e e d b a c kl i n k t h el i m i t e df e e d b a c kt e c h n o l o g y , w h i c hr e s e a r c h e so nh o w t of e e d b a c ka n du t i l i z e c s i t , h a s b e e na h i g h l y a c t i v er e s e a r c ha r e ai n m u l t i p l e a n t e n n a sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i nm i m o o f d ms y s t e m sa n dm u l t i p l e u s e rm i m o s y s t e m s ，t h ef e e d b a c ka m o u n t o fc s li n c r e a s e sr a p i d l y 埘t l ln u m b e ro fa n t e n n a s ，n u m b e ro fs u b c a r r i e r s ，a n dn u m b e ro f u s e r s s oh o wt or e d u c ee f f i c i e n t l yt h ef e e d b a c kr a t et oi m p r o v et h es y s t e mt h r o u g h p u t i sa ni m p o r t a n tp r o b l e mt ob es o l v e d t h i sd i s s e r t a t i o na i m st or e s o l v et h ep r o b l e mb y s u m m a r i z i n gs i m p l yt h er e s e a r c h s t a t u sa n db a s i c p r i n c i p l eo fl i m i t e df e e d b a c k t e c h n o l o g ya n dr e s e a r c h i n ge m p h a t i c a l l yo nt h el i m i t e df e e d b a c kt e c h n o l o g i e si n t e m p o r a l l y - c o r r e l a t e d m i m os y s t e m s ，m i m o o f d m s y s t e m s a n dm u l t i p l e - u s e r m i m os y s t e m s t h em a j o ri n n o v a t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ed e s c r i b e da sb e l o w ： f o rt e m p o r a l l y c o r r e l a t e dm i m os y s t e m s ，t h r e el i m i t e df e e d b a c ka p p r o a c h e sa r e p r o p o s e d f i r s t l y , an o v e ll i m i t e df e e d b a c ka p p r o a c hb a s e do nn e i g h b o r h o o di sp r o p o s e d ， i n c l u d i n gt w os c h e m e so fb o t hp e r i o d i cf e e d b a c ka n da u t o a d a p t i v ef e e d b a c k t h en e w c o d e b o o kf o rc u r r e n tf l a m ec o n s i s t so ft h ec o d e w o r d sw i t h i nt h en e i g h b o r h o o do ft h e e o d e w o r dc o r r e s p o n d i n gt op r e v i o u sf a m e ，a c c o r d i n g l y r e d u c i n g ag r e a td e a lo f f e e d b a c kb i t s t h i s a p p r o a c hc a no b t a i na l m o s ts i m i l a rp e r f o r m a n c ew i t hl o w c o m p l e x i t y r e l a t i v et o e x i s t i n g f e e d b a c k a p p r o a c h b a s e do ns t a t et r a n s i t i o n p r o b a b i l i t i e s t h e n , a n o t h e rn o v e ll i m i t e df e e d b a c ka p p r o a c hb a s e do nt r e e - s t r u c t u r e c o d e b o o ki sp r o p o s e d ，i nw h i c ht h ec h a n n e lv e c t o ro fc u r r e n tf a m ei s q u a n t i z e di n t o s o n c o d e w o r d so ft h ec o d e w o r dc o r r e s p o n d i n gt op r e v i o u sf r a m e t h i sa p p r o a c hc a l l r e m a r k a b l ye n h a n c et h eq u a n t i z e dp r e c i s i o no fc s ia n di m p r o v et h eb e rp e r f o r m a n c e u n d e rs t r o n gc o r r e l a t i o n f i n a l l y ，l a s tn o v e ll i m i t e df e e d b a c ka p p r o a c hb a s e do nc h a n n e l p r e d i c t i o ni sp r o p o s e d i nt h ea p p r o a c h ，c s ii sf e db a c ko n c ee v e r ym u l t i p l ed a t af r a m e s ， v 北京交通大学博士学位论文 a n dt h eo p t i m i z e dc s ic o d e w o r di ss e l e c t e dw i t hb e r m i n i m i z i n gc r i t e r i o nu s i n gt h e a u t o r e g r e s s i v ep r e d i c t i o nm o d e lt oc o m p e n s a t et h ee f f e c to ff e e d b a c kd e l a y t h i s a p p r o a c hi st h eb e s to n ei np r o p o s e df e e d b a c ka p p r o a c h e s ，a n de x c e e d st h ee x i s t i n g l i m i t e df e e d b a c kb a s e do nm a r k o vc h a i nw i t ht h es a m ef e e d b a c kr a t e f o rm i m o o f d ms y s t e m s ，t h r e ei i m i t e df e e d b a c ka p p r o a c h e sa r ep r o p o s e d f i r s t l y , an o v e lc l u s t e r i n ga l g o r i t h mb a s e do nm e a nc h a n n e lr e s p o n s ei sp r o p o s e d ，i n w h i c ht h em e a nc s lw i t h i nc l u s t e ri s q u a n t i z e d ，a n dt h ec o m p u t a t i o nc o m p l e x i t y c o m p a r i s o nw i mo t h e rc l u s t e r i n ga l g o r i t h m si sp r e s e n t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ec h a n n e lm e a nc l u s t e r i n ga l g o r i t h mc a ng e tg o o dt r a d e o f fb e t w e e np e r f o r m a n c e a n dc o m p l e x i t y t h e n ，t w of e e d b a c kr e d u c t i o na p p r o a c h e sb a s e do nc l u s t e r i n ga r e p r o p o s e d t h e s ef e e d b a c ka p p r o a c h e sc a l lf u r t h e rr e d u c et h ef e e d b a c kr a t es u f f i c i e n t l y e x p l o i t i n gt h ec o r r e l a t i o na d j a c e n tc l u s t e r i n gc o d e w o r d si n c l u d i n gt w os c h e m e so fb o t h r e c u r s i v ef e e d b a c ka n dt r e l l i s - b a s e df e e d b a c k t h ef o r m e rh a ss l i g h tp e r f o r m a n c el o s s 、析ml o wc o m p l e x i t ym e a n w h i l et h el a t t e ra l m o s th a sl i t t l ep e r f o r m a n c el o s sw i ml a r g e c o m p l e x i t y f i n a l l y , f o rt e m p o r a l l y - c o r r e l a t e dm i m oo f d ms y s t e m s ，an o v e ll i m i t e d f e e d b a c ka p p r o a c hb a s e do nt w od i m e n s i o n sc l u s t e r i n gi nb o t l lt i m ed o m a i na n d f r e q u e n c yd o m a i ni sp r o p o s e d at i m e f r e q u e n c yr e s o u r c eb l o c ki sc l u s t e r i n gb y e x t e n d i n gt h ei d e ao fc l u s t e r i n gt ot i m ed o m a i n , a n dp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no ft w o d i m e n s i o n sc l u s t e r i n g sw i n ld i f f e r e n to p t i m i z a t i o nc r i t e r i o n si sp r o v i d e d f o rd o w n l i n km u l t i u s e rm i m o s y s t e m s ，p e r f o r m a n c e so f s e v e r a lc l a s s i c a ls d m a s y s t e m sa r ec o m p a r e d ，a n db o t han o v e ls c h e d u l i n ga l g o r i t h ma n dan o v e lf e e d b a c k a p p r o a c ha r ep r o p o s e d f i r s t l y , m u l t i u s e ro p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gs y s t e m , p u 2 r c s y s t e m ，m u l t i u s e rp r e c o d i n gs y s t e ma n dt h e i rm u l t i u s e rs c h e d u l i n ga l g o r i t h m sa r e i n t r o d u c e d s o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n sa r ee d u c e db yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h e s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h e s el i m i t e df e e d b a c ks y s t e m s t h e n ，t w oi m p r o v e dg r e e d y s c h e d u l i n ga l g o r i t h m sa r ep r o p o s e df o rz f s d m as y s t e m t h e s es c h e d u l i n ga l g o r i t h m s c a ni n s u r et h a tt h em o s tu s e r sa r es c h e d u l e dw i t h o u tt h ed i f f i c u l tp r o b l e mo fp a r a m e t e r s e t t i n gr e l a t i v et oe x i s t i n gs e m i o r t h o g o n a lu s e rs e l e c t i o n ( s u s ) s c h e d u l i n ga l g o r i t h m t h ei m p r o v e ds p a t i a lc o r r e l a t i o nm i n i m i z i n gs c h e d u l i n ga l g o r i t h mc a na c h i e v eb e t t e r s u mr a t et h a ns u ss c h e d u l i n ga l g o r i t h mu n d e rs m a l lu s e r s f i n a l l y , an o v e lm u l t i u s e r l i m i t e df e e d b a c ka p p r o a c hb a s e do ng r a d e dq u a n t i z a t i o ni sp r o p o s e df o rz f s d m a s y s t e m i nt h ep r o p o s e da p p r o a c h ，m u l t i u s e rs c h e d u l i n gu s e sc o a r s ec s iq u a n t i z a t i o n a n dm u l t i u s e rp r e c o d i n gd e s i g nu s e sp r e c i s ec s iq u a n t i z a t i o n t h i sa p p r o a c hc a l l r e m a r k a b l yr e d u c et h ef e e d b a c ka m o u n to ri m p r o v et h es u mr a t ep e r f o r m a n c ew i t ht h e a b s t r a c t s a m ef e e d b a c kr a t ec o m p a r e d 、杭lt r a d i t i o n a lz f s d m as y s t e m k e y w o r d s ：m i m o ；m i m o - o f d m ；s d m a ；l m i t e df e e d b a c k ；f e e d b a c k c o m p r e s s i o n ；t e m p o r a lc o r r e l a t i o n ；t r e e s t r u c t u r ec o d e b o o k ；c h a n n e lp r e d i c t i o n ； c l u s t e r i n ga l g o r i t h m ；u s e rs c h e d u l i n g c l a s s n 0 ：t n 9 2 9 5 致谢 光阴荏苒，在交大的学习生活即将结束，这些年的经历将成为我人生中最宝贵 的财富。值此论文完成之际，谨向多年来所有关心和帮助过我的人表达最衷心的 感谢! 首先由衷感谢我的导师裘正定教授多年来对我的悉心指导和关怀。从论文的选 题、研究方法、寻找创新思路以及论文的写作，裘老师都给予了建设性的指导和 宝贵的意见，使我博士阶段的学业能够顺利地进行。裘老师严谨求实的治学态度、 渊博的学识、敏锐的洞察力、对科研的执着以及忘我的工作精神永远值得我学习。 此外，裘老师在生活上也给予了我无私的关心和帮助，在此表示我最诚挚的敬意 和感谢。 衷心感谢我的班主任胡师舜老师，多年来她一直慈母般地关心着我的学习和生 活，并且给予了我诸多的帮助和鼓励，在此向她表示万分的谢意。 衷心感谢实验室的丁晓明教授、孙冬梅教授、章春娥老师和王升辉老师等对我 学习方面的支持和鼓励，他们在我的课程学习和课题研究中都给予了重要的指导 和深刻的启发。同时也一并感谢信息所领导袁保宗教授、阮秋琦教授、赵耀教授、 肖扬教授和胡绍海教授等老师的指导。 感谢博士生刘志、郭振滨、沈超、刘军、熊柯、张延强、牟大中、曾高荣、张 熊和李丹丹等对我的帮助，与他们的探讨和交流让我开阔了视野，增进了对专业 知识的理解。尤其感谢任娟博士和王含春博士对我的精神鼓励，与她们一次次的 倾心交谈让我如沐春风，她们是我的好姐妹，和她们在一起很快乐。 感谢我的父母，感谢他们的生育和养育之恩，是他们无私的关爱和辛勤的付出， 让我一路走到现在。感谢我的爱人杨延昭，在我求学的道路上他一如既往地支持 我，给我创造了良好的学习和生活环境，当我遇到挫折时，他给予了我勇气和信 心，他的关爱和鼓励让我感受到世间的挚爱和温情。同时也要感谢我亲爱的公公 和婆婆，感谢他们的理解和支持。 最后，对所有参加论文评审和对本文提出宝贵意见的专家教授们表示由衷的 感谢。 绪论 1绪论 无线通信系统中数据速率的需求一直激励着关键通信技术的发展，传统通信 系统中一般通过增加频带或其他资源利用率的方法来提高数据速率，但无线频带 和发射功率等资源都非常有限，那么如何利用有限的资源来满足飞速增长的通信 需求，是一个具有实际意义的研究课题。 1 1 引言 在过去2 0 多年中，移动通信技术得n t 快速的发展和广泛的应用【l 】。第一代 移动通信系统出现在上世纪8 0 年代，如美国的a m p s 和英国的t a c s 等，均为采 用频分多址的模拟通信系统，这类模拟系统具有频谱利用率低、抗干扰能力差和 保密性差等一系列缺点；第二代移动通信系统出现在上世纪9 0 年代初，如欧洲的 g s m 和美国的窄带c d m a 及i s 5 4 等，是目前正被广泛使用的数字蜂窝移动通信 系统，能够提供话音和低速率的数据业务，随着人们对业务速率和业务范围要求 的不断提高，现有的第二代移动通信系统已经很难满足新的业务需求；第三代移 动通信系统正逐步在全球范围内进入实施阶段，主流标准有t d s c d m a 、w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 ，相比第二代移动通信系统在通信容量和质量上有明显的提高，要 求速率在移动条件下达到1 4 4 k b i t s ，以3 8 4 k b i t s 为最佳，在固定条件下达到 2 m b i t s 。但随着各种无线新业务的不断涌现，如短信、彩信、手机电视、无线i n t e m e t 和多媒体等等，第三代移动通信的传输速率也不能满足日益增长的多媒体传输速 率的需求。 在未来移动通信系统中，实现任何人在任何地点、任何时间以任何方式和任 何人进行可靠的通信是追求的终极目标，由于无线信道的传输特性及频谱资源的 特点，实现这个目标非常困难。因此，如何提高无线通信系统的频谱利用率和无 线传输的可靠性是当前无线通信技术研究的难点和重点。 在传统的单天线通信系统中，香农定理 2 】给出了信道容量计算公式： c = 矽* l o g ，( 1 + s n r ) ，其中为信道带宽，s n r 为接收信噪比( s i g n a lt on o i s e r a t i o ，s n r ) 。根据香农定理，要想提高数据速率，可以通过增加频带或发射功率 等其他资源利用率的方法来达到，但无线频带资源非常宝贵且有限，不可能无限 制地增加带宽来提高数据速率。在目前广为应用的面向语音的移动通信系统中， 通信工程师们通过提高对时间和码资源的利用率来提高系统容量，同时现有的编 码、调制和调度等技术也都在不断升级，但这些技术仍无法满足未来移动通信系 北京交通大学博士学位论文 统的速率需求。因此，人们转向开发空间资源，空间资源( 天线资源) 也是无线 通信工程师们最后可挖掘的通信资源，多天线技术由此得到前所未有的重视。利 用信道空间资源的多天线技术通过增加天线对而不是额外带宽来提高数据速率 3 】，能很好解决无线通信系统中频谱利用率的瓶颈问题，能在有限的频谱资源上 传输更高速率的数据，能成倍提高无线通信系统容量来实现高速无线接入，成为 下一代移动通信系统的关键技术之一。 与前几代移动通信系统相比，下一代( b 3 g 4 g ) 移动通信系统的空中接口技 术产生了质的飞跃【4 5 】，采用了能高效利用频谱利用率和成倍提高系统容量的多 入多出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 技术，其他新一代移动通信系统 如w i m a x 、w l a n 等系统的物理层传输技术也都采用了这种技术。这些通信系统 一般都具备如下特点：第一，具有更高的数据传输速率，可高达1 0 0 m b p s 的数据 传输速率，能为用户提供高速无线i n t e m e t 接入、无线视频以及移动计算等无线多 媒体业务；第二，使用更高的工作频段，目前的通信系统多数工作在3 g h z 以下， 由于未来通信系统的宽带要求，导致系统频率向高频段发展；第三，支持更高的 移动速度，要求在高速运动中的用户能够实现可靠的数据传输。这些要求最终使 得m i m o 技术成为各种通信系统的最佳选择。 实际上m i m o 技术由来已久，它的提出最早可追溯到1 9 0 8 年的马可尼，当时 的用途是利用多天线来抑制信道衰落。在7 0 年代有人提出将m i m o 技术用于通信 系统，然而真正对无线移动通信系统的m i m o 技术产生巨大推动的奠基工作则是 由贝尔实验室的学者完成的。上世纪9 0 年代中期，贝尔实验室的f o s c h i n i 提出了 对角贝尔实验室分层空时( d i a g o n a lb e l ll a b sl a y e r e ds p a c e t i m e ，d - b l a s t ) 系统f 6 】；w o l n i a n s k y 等人提出了垂直贝尔实验室分层空时( v e r t i c a lb e l l l a b s l a y e r e ds p a c e t i m e ，v - b l a s t ) 系统 7 】；t a r o k h 等人提出了m i m o 系统的空时 编码技术8 9 1 ；f o s c h i n i 和t e l a t a r 从信息论角度证明了，点对点m i m o 系统通过 在发射端和接收端分别配置多根天线，在不增加系统带宽和总发射功率的条件下， 能显著提高系统的传输速率和链路可靠性，系统容量随着发射天线数和接收天线 数的最小值线性增力i 1 0 1 1 】，这些研究成果受到了无线通信工程师们的极大关注， 使得m i m o 技术的研究工作得到了迅速发展。 1 2m i m o 系统概述 与传统的单入单出( s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ，s i s o ) 系统相比，m i m o 系 统利用了额外的空间自由度，同时提供了空间复用增益( 在给定传输可靠性的情 况下提高传输速率) 和空间分集增益( 在给定传输速率情况下提高可靠性) ，对应 2 绪论 的传输技术为传输分集技术和空分复用技术。传输分集技术是利用多个空间信道 传递多个信号副本，提高信号传输的可靠性，从而改善接收信号的信噪比；空分 复用技术是在多个空间信道上传递不同的数据流，从而提高数据传输的峰值速率。 在低信噪比时，一般倾向于使用传输分集技术来有效提高接收信号的信噪比，从 而提高传输速率或覆盖范围；而在高信噪比区域，再提高信噪比也无法明显改善 传输速率，此时倾向于使用空分复用技术来提高传输速率。研究表明m i m o 系统 的信道容量能随着收发天线数的增长成倍提高，从而大幅度提高频谱利用率，虽 然m i m o 技术从空间域角度为提高频谱利用率提供了一种新的思路，但由此也带 来了一系列比较复杂的空时信号处理问题。 1 2 1m i m o 系统模型 图1 1 给出了配置r 根发射天线和月根接收天线的点对点( p o i n t - t o - p o i t ) m i m o 系统示意图。对应i 拘m i m o 信道共包含坼个收发天线对组成的s i s o 信 道，各接收天线上的接收信号为r 根发射天线所发送的信号经衰落信道后的叠加 并受到加性噪声的污染。 图1 - 1m i m o 系统模型示意图 各s i s o 信道根据不同的散射环境，如非视距传播( n o n - l i n eo f s i g h t ，n l o s ) 和视距传播( l i n eo f s i g h t ，l o s ) 条件下，所经历的衰落对应为瑞利( r a y l e i g h ) 衰落和莱斯( r i c i a n ) 衰落。这里只考虑平坦的瑞利衰落，即没有频率选择性，那 3 北京交通大学博士学位论文 么在离散基带等效模型下，第咒时刻从发射天线i 到接收天线_ 间的信道响应可表 示为一复衰落系数g ) ，假定发射天线间信道及接收天线间信道均独立不相关， 即h o o ) 服从独立同分布，均服从零均值单位方差的复高斯分布c n ( o ，1 ) ，那么 m i m o 信道可表示为如下xn r 维矩阵： h ( n ) = 扛，( 刀) 呜。( r ) 。( 以) 啊：( , ) ：( 疗) ：( 疗) 扛r ( ，z ) 坼( 力) 坼( ，z ) 假定信道为块衰落信道，即在一个数据块内准静止，则可忽略时间参数珂。且 jh 0 ( n ) 简化为，h ( ，z ) 简化为h 。 发射的数据流数可以是一路或多路，发射一路数据流称为传输分集m i m o 系 统，系统可获得满分集增益，发射多路独立数据流称为空分复用m i m o 系统，对应 的发射数据表示为一个复数s 或一个复向量s = 【s 1 ) ，】( s m 为空间复用的数 据流数，且1 s m n r ) ，当1 s m n r 时，系统可同时获得复用和分集增益， 而当s m = n r 时，系统获得满复用增益。 发射数据经过信号处理后得到发射信号为坼1 维向量x = i x l ，岛， 7 ，假 定各天线上发射的信号相互独立，且各信号均值为零，总发射功率受限于尸并在 多根发射天线上等功率分配，则x 满足e x ) = o 和疋= e x x h j = ( p i n r ) i 。 发射信号经过平坦衰落m i m o 信道后，虬根接收天线接收到m xl 维信号向量 y = m ， 2 ，则m i m o 系统的传输关系可表示为： y = h s + n 这里虬1 维向量1 1 = ，r 1 2 ) ，r i n a 为加性白高斯噪声，其中每个元素均独立服 从均值为零方差为h o 的复高斯分布c n ( o ，n o ) ，其期望和自相关矩阵分别为 e n = o 和r = e n n = o k ，那么系统的发射信噪比可定义为尸o 。接收端 对接收到的信号通过信号处理后可去除加性噪声和其他路数据流的干扰，并恢复 发射数据。 4 绪论 1 2 2 利用c s i t 的闭环m i m o 系统 在上节所述的m i m o 系统模型示意图1 1 中，如果发射端己知信道矩阵h 或 其统计信息，那么发射端信号处理模块就能充分利用这些信息为系统带来极大好 处，如提高系统容量及改善误码率性能等等。将此类利用了发射端信道状态信息 ( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na tt r a n s m i t t e r ，c s i t ) ，并在收发两端建立一个用于反 馈c s i 的通信链路的系统称为闭环m i m o 系统。与开环m i m o 系统不同，闭环 m i m o 系统能充分利用c s i t 或其相关信息来提高系统性能，成为当前一大研究热 点，在具体实现上主要包括以下几类： 第一类是预编码技术，即将发射信号乘以一个预编码矩阵( 或向量) ，使原始 信号转变为适合当前信道传输的信号波束，预编码矩阵( 或向量) 一般由发射端 根据c s i 设计得到，按所获得的增益类型又可分为基于发射分集的预编码技术和基 于空分复用的预编码技术。 基于发射分集的预编码技术包括天线选择和波束成形两种，天线选择技术 1 2 1 是指多个发射天线中选择信道质量最佳的天线进行发射，以获得空间分集增益， 对应的预编码向量是很简单的单位向量，如在2 根发射天线中选择一根，预编码向 量则为f 10 1 。或01 1 。；波束成形技术 1 3 是指将发射信号对准信道向量方向或信 道矩阵的主特征方向，在单用户多入单出( m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ，m i s o ) 系统中，波束成形向量是归一化信道向量的共轭转置，在发射一路独立数据流的 点对点m i m o 系统中，波束成形向量是信道矩阵最大奇异值对应的右奇异向量，此 时等价于最大比发射技术，系统可获得满发射分集增益。 基于空分复用的预编码技术就是很多文献中提到的狭义预编码技术，目的是将 多路独立数据流对准信道的多个特征子空间或预先将多路数据流间干扰消除。例 如在点对点m i m o 系统，收发两端分别乘以信道矩阵奇异值分解的左右奇异矩阵， 就可以将m i m o 信道转换为多个相互独立的并行子信道【1 4 】，以便对各子信道实现 功率注水技术，这里的右奇异矩阵即为发射端的预编码矩阵，左奇异矩阵为接收 端的检测矩阵。在下行多用户m i m o 系统中，基站通过预编码技术将用户间干扰在 发射端预先消除，包括线性预编码技术和非线性预编码技术两类，线性预编码技 术 1 5 1 6 有e f 、m m s e 和块对角化( b l o c kd i a g o n a l i z a t i o n ，b d ) 等设计准则，其 中b d 是z f 在每移动台配置多根天线系统中的拓展 1 7 1 ，这类预编码技术实现简单， 性能适中；非线性预编码技术有脏纸编码( d i r t yp a p e rc o d i n g ，d p c ) 1 8 和t h p ( t o m l i n s o n h a r a s h i m ap r e c o d i n g ) 【1 9 等，这类预编码技术性能较好，但计算复杂 度巨大，很难应用于实际系统。 第二类是功率分配技术，在总发射功率受限的情况下，发射端根据注水定理在 5 北京交通大学博士学位论文 多个等效子信道上进行功率分配 2 0 ，各子信道的等效增益可用信道矩阵的多个特 征值表示，那么对等效信道增益较大的子信道分配较强的发射功率，对等效信道 增益较小的子信道分配较弱的发射功率，就能避免发射功率浪费在信道的零空间 或其他信道增益较差的子信道上，以将有限的发射功率集中用于最佳的子信道， 从而使得系统性能最优。 第三类是信道自适应技术，m i m o 信道通过信道奇异值分解转换为多个独立的 并行s i s o 信道，发射端可在每个子信道上使用自适应编码调制技术( a d a p t i v e m o d u l a t i o nc o d i n g ，a m c ) 2 1 。即根据每个子信道上的等效增益和所分配的功率 自适应选择合适的调制阶数和编码方式，一般通过查表的方式实现。a m c 技术能 在满足系统服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 的前提下，使系统吞吐量达到最优。 第四类是多用户调度技术，在服务区域拥有多个用户的m i m o 通信系统中，根 据不同用户的信道条件对用户进行调度，这样系统可获得多用户分集增益 2 2 】。在 单用户m i m o 系统中，发射端选择信道质量最好的一个用户来激活通信，从而提高 系统吞吐量；在下行多用户m i m o 系统中，发射端调度的是一组用户，这组用户间 干扰最小且信道质量最好，从而提高系统的和速率。 在闭环m i m o 系统中，利用c s i t 是实现上述技术的前提，那么发射端是如何利 用c s i 并得到哪些好处呢? 下面两节将对此作出回答，并从单天线和多天线两个方 面来详细阐述c s i t 对当前无线通信系统的重要作用。 1 3c s i t 对单天线系统的作用 在相干检测通信系统中，接收端信道