（信号与信息处理专业论文）多天线mimo预编码传输技术的研究.pdf

多天线m i m o 预编码传输技术的研究 摘要 多输入多输出技术( m i m o ，m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 是一 种收发两端采用多天线传输的一种技术，相对于传统的单发单收系统 来说，具有更高的系统容量等优良特性，因此成为未来高速率传输的 移动通信中最具竞争力的技术之一。随着通信体制的发展与硬件设备 的更新，系统可以通过一定的开销使发送端获得用于传输的信道信 息，如：在频分复用( f d d ) 系统中，发送端可以通过接收端反馈而 获得信道状态信息；在时分复用( t d d ) 系统中，发送端通过下行信 道与上行信道所具有的互易性而获得信道状态信息。在发送端进行预 编码设计可以带来以下好处，一方面，发端进行预编码可以有效的避 免误码扩散；另一方面，系统进行预编码也可以大大的降低接收机的 复杂度。这样，如何设计m i m o 预编码来提高系统的频谱效率或者 获得更佳的误码性能成为现在通信领域中研究的热点问题。 在分别对单用户m i m o 预编码系统与多用户m i m o 预编码系统 进行了简要的介绍之后，我们提出了一种新颖的适用于单用户 m i m o 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 ) 系统的功率分配算法。在 传统的单用户m i m o t h p 系统中，利用矩阵分解将m i m o 系统划分 为多个独立并行的子信道。这些并行子信道之间的信道衰落差异不 同，带来的性能损失也不相同。系统总体的性能又是由性能最差的子 信道决定，因此，我们首先引入功率分配矩阵，在不改变发送总功率 的情况下，来降低子信道之间的性能差异，提升系统总体性能。其次， 在计算功率分配矩阵的过程中，我们考虑了t h p 算法中求模操作带 来的预编码损失。这样计算的发送功率更加精确，性能明显优于传统 的m i m o t h p 系统，提高了系统的可靠性。最终，通过用指数函数 对互补误差函数进行近似，得到了发送功率分配矩阵的闭式解。 接下来，在对实际应用环境进行考虑的基础上，我们又提出了应 用在更广泛的移动通信下行广播链路中的多用户m i m o t h p 收发系 统联合设计算法。在本算法中，首先给出了迫零( z f ) 准则和最小均方 误差( m m s e ) 准则下用户信干噪l l ( s r n r ) 的统一表达式。根据这个统 一的s i n r 表达式，我们得到了总功率约束下的最小误比特率算法。 其次，将预编码损失因素考虑进来，系统性能获得了一定的提升，最 后分析排序算法对性能的影响，最大化所有用户的信噪l l ( s n r ) 。综 合以上处理，提出的新算法相对于传统的t h p 算法带来较大的性能 提升。随后对所提出的算法进行了计算机仿真实验，仿真结果证明本 算法具有很好的性能。 关键词：多入多出系统、非线性预编码、最小平均误比特率、点对点 单用户传输、下行广播信道 r e s e a r c ho np r e c o d i n gt e c h e n o l o g i e sf o r m i m ot r a n s m i s s i o ns y s t e m a b s t r a c t t h e m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) s y s t e m h a sb e e n c o n s i d e r e da so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tt e c h n i q u e so w i n gt ot h e s i g n i f i c a n t l yh i g hc a p a c i t yi m p r o v e m e n tc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l s i n g l e - i n p u ts i n g l e - o u t p u t ( s t s o ) w i r e l e s sc h a n n e l w i t ht h ed e v e l o p m e n t o ft h et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s da t t h et r a n s m i t t e ri sp o s s i b l et ob eo b t a i n e dw i t ht h ec o s to fa l ls y s t e m i n s o m ec a s e s ，i ft h ec o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n ti ss l o w l yt i m ev a r y i n g t h ec s ia tt h et r a n s m i t t e ri sp o s s i b l et ob eo b t a i n e db yf e e d b a c ki n f r e q u e n c y - d i v i s i o nd u p l e x ( f d d ) s y s t e m so rt h er e c i p r o c a lp r i n c i p l ei n t i m e d i v i s i o nd u p l e x ( t d d ) s y s t e m s m e nc s ii sa c h i e v e da tt h e t r a n s m i t t e r , t h ed o w n l i n kp r e c o d i n ga l g o r i t h m sc a l lb ed e s i g n e dw i t h t h e s ea d v a n t a g e s ：f r o mo n eh a n d ，t h er e c e i v e re r r o rp r o p a g a t i o nc a l lb e a v o i d e d f r o mt h eo t h e rh a n d ，t h ec o m p l e x i t yo fu s e rm o b i l es t a t i o n sc a l l b eg r e a t l yr e d u c e d a sar e s u l t ，h o wt or e a l i z et h ep r e c o d i n ga l g o r i t h m si n m i m o s y s t e m sa r eh o t s p o ti nc o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h i n ga r e a i nt h i sp a p e r , w eb r i n gat r a n s m i tp o w e ra l l o c a t i o n ( t p a ) m a t r i x i n t ot h ec o n v e n t i o n a lm i m o t h ps y s t e mf o rp o i n t t o p o i n tt r a n s m i s s i o n i nt r a d i t i o nm i m o t h ps y s t e m ，t h em i m oc h a n n e li sd i v i d e di n t o m u l t i p l ep a r a l l e ls u b c h a n n e l sv i am a t r i xf a c t o r i z a t i o n t h ep e r f o r m a n c e s o fs u b c h a n n e l sa r ed i f f e r e n t t h e a v e r a g es y s t e mp e r f o r m a n c ei s d o m i n a t e db yt h ew o r s ts u b c h a n n e l a sar e s u l t w ef i r s ti n t r o d u c et h e t p ! f m a t r i xt ot h ec o n v e n t i o n a lm i m o 1 h ps y s t e ma n da ne f f e c t i v et p a m e t h o dt h a tm i n i m i z e st h eb i t e r r o rr a t e ( b e r ) p e r f o r m a n c eu n d e r s u m - p o w e rc o n s t r a i n t i s p r o p o s e d s e c o n d t h i sm e t h o di sc a p a b l eo f a c h i e v i n gf u r t h e rp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n tb e c a u s et h ep r e c o d i n gl o s s f a c t o ri sc o n s i d e r e di nt h ed e r i v a t i o n s 、h e ne m p l o y e dt oa l lu n c o d e d q a m ，at i g h t l ya p p r o x i m a t i o ne x p r e s s i o n o ft h e c o m p l e m e n t a r y c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ( q - f u n c t i o n ) i si n t r o d u c e d f i n a l l y , a c l o s e d f o r me x p r e s s i o no ft p as c h e m ei sd e r i v e d a f t e rc o n s i d e r i n gt h eo u t d o o rm u l t i u s e rt r a n s m i s s i o ns c e n a r i o ，a t h ps t r u c t u r ef o rt h ed o w n l i n km u l t i u s e rm i m o t h ps y s t e mi s p r o p o s e d d u r i n gt h ed e r i v a t i o n ，u n i f i e de x p r e s s i o n so ft h eu s e rs i g n a lt o i n t e r f e r e n c e - p l u s n o i s er a t i o ( s l n r ) u n d e rz fa n dm m s ec r i t e r i o n sa r e a c h i e v e df r o mt h et h p s t r u c t u r e a c c o r d i n gt ot h eu n i f i e de x p r e s s i o n s ，a c l o s e d f o r ms o l u t i o no ft p am a t r i xi sd e t e r m i n e dw i t ht h em i n i m u mb i t e r r o rr a t e ( b e r ) c r i t e r i o nu n d e rs u m p o w e rc o n s t r a i n t i ti sr e f e r r e dt oa s 也em i n i m u mb e r t h p ( m b e r t h p ) a l g o r i t h m f u r t h e r m o r e a l l i m p r o v e dm b e r t h p ( i m b e r - t h p ) a l g o r i t h mi sp r o p o s e du n d e rt h e n o v e ls t r u c t u r e ，w h i c hi n v o k e st h ep r e c i s ep r e c o d i n gl o s sf a c t o rf o r p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t f i n a l l y , t h e i m b e r t h pa l g o r i t h mi s a p p l i c a b l et ot h eo r d e r e dm i m o t h ps y s t e mf o rm a x i m i z i n gt h es n ro f a l lu s e r sa n da c h i e v e sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nc o n v e n t i o n a lo r d e r e d m i m o t h ps y s t e m s k e yw o r d s ：m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) ，n o n l i n e a r p r e c o d i n g ，m i n i m u ma v e r a g eb i te r r o rr a t e ，p o i n t t o p o i n ts i n g l eu s e r t r a n s m i s s i o n ，d o w n l i n kb r o a d c a s t i n gc h a n n e l i v 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特) j j j j 3 n 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： ，幺之酗 日期：竺2 ：三二! 。7 4 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 ， 本人签名： 幺幽 日期： 1 2 ：主么堑 导师签名： 肇礁边日期：蛰通z ：主： 么 1 北京邮电大学硕士学位论文多天线m i m 0 预编码传输技术的研究 第一章绪论 随着人们对信息需求的不断增长，要求移动通信系统在提供传统语音业务的 同时，还要求提供数字、图像、音频、视频等多媒体业务。这些业务对下一代的 无线通信系统提出了更高的要求，要求新的通信系统具有更大的信道容量，更高 的数据传输速率以及更好的传输性能。为了具备上述能力，新一代无线通信系统 在技术上必须有所突破。多输入多输出技术( m i m o ，m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 由于具有可以有效的提高系统的阵列增益、分集增益和复用增益，能够 得到比单发单收系统更高的系统容量等优良特性，因此成为未来高速率传输的移 动通信中最具竞争力的技术之一。 随着通信体制的发展与硬件设备的更新，发送端获得信道信息主要通过以下 两种方法：在频分复用( f d d ) 系统中，发送端可以通过接收端反馈而获得信道状 态信息；在时分复用( t d d ) 系统中，发送端通过下行信道与上行信道所具有的互 易性而获得信道状态信息。如何在发送端更好的利用信道信息，来提高系统的频 谱效率或者获得更佳的误码性能，使得预编码技术成为m i m o 系统中的热点研 究问题。 1 1m i m o 预编码技术的历史背景及国内外的研究现状 1 1 1m i m o 预编码技术的历史背景 最早的多天线概念由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出，他利用多天线来抑制信道衰 落。而现在的m i m o 技术是通过增加发射天线和接收天线的数目，在收发两端 之间形成多个并行传输信道，利用这些信道进行数据的并行传输来提高系统的容 量和频谱利用率。与单天线系统相比，m i m o 技术的引入对于系统容量和频谱效 率的提高主要体现在三个方面：阵列增益、复用增益和分集增益。阵列增益源于 发送端和接收端将发送和接收的多个天线信号进行相关合并而获得信干噪比 ( s i n r ) 的提高。分集增益源于通过将相同信号经过多个不相关信道传输，从而改 善等效信道的衰落特性。复用增益源于空间自由度的增大和空间并行传输通道的 增加，从而有效提高系统容量。 m i m o 技术的研究主要集中于最近1 0 余年。对m i m o 技术产生巨大影响的 奠基工作是上个世纪9 0 年代由a t & t b e l l 实验室学者完成的。1 9 9 5 年t e l a t a r 给 出了在衰落情况下的m i m o 容量【2 】。几乎与此同时，f o s c h i n i 和g a n s 也给出了 类似的结果1 3 】。他们的理论预言在丰富散射环境中，收、发信机利用多天线可以 北京邮电大学硕士学位论文多天线m i m 0 预编码传输技术的研究 取得可观的频谱效率，所取得的容量随收发天线数的最小值线性增长。之后， a l a m o u t i 提出了空时编码，进一步提高了系统的发送分集增型4 1 。这样，对于 m i m o 技术的研究基本上集中在以下两个方面：一方面是如何利用多根发送天线 的复用来有效的提高频谱利用率，使其接近多天线的信道容量，这可以称为空间 复用技术，有代表性的如d b l a s t ，v b l a s t 等【5 】。另一方面是如何在空间和时 间二维上进行编码，在不损失或少损失频谱利用率的前提下提高发送分集的增 益，使得系统具有更强的抗衰落性能，这可以称为空时编码技术，有代表性的如 空时块码( s t b c ) 和空时格码( s t t c ) 等。 对于m i m o 上行多址接入信道( m i m o m a c ) 的研究起步较早，相对研究的 比较成熟。利用上下行信道的对偶特性来研究的m i m o 下行广播信道 ( m i m o b c ) ，为研究空域通道的多用户传输提供了理论基础。m i m o 下行广播 信道中的多用户预编码技术，是当前研究的一个热点。对多用户预编码技术的研 究开始于对m i m o b c 系统容量的分析，现已证明多用户m i m o b c 的和容量在 较高信噪比下正比于用户总天线数和基站天线数的最小值，由此克服了单用户和 基站天线数目不对称造成的系统容量的受限。同时，实用化多用户预编码技术的 研究也得到了广泛的重视，一大批的线性算法和非线性算法被提出。 1 1 2m i m o 预编码技术国内外的研究现状 在欧美等国际标准化组织中，为支持更高的传输速率，在系统设计中会采用 m i m o 技术。在3 g p pl t e 演进中【6 】考虑到如果让u e 反馈每个天线信道系数需 要极大的信令开销，于是决定在应用m i m o 技术时，把所有可能的m i m o 信道 情况对应的系数预先设计成码本( c o d c b o o k ) 的格式。码本是预先定义的，由所有 可能反映信道特征的系数矩阵构成。这样，u e 在估计m i m o 信道系数后，只需 要反馈对应的矩阵及列的标号，这种方法减轻了信令开销，但相应降低了信道系 数的估计精度。另外，m i m o 技术的应用也会在上下行信道之间、控制信道与业 务信道之间、广播多播业务与单播业务之间存在差异。目前标准化组织中，主要 研究的多为单用户m i m o 系统。 在学术研究领域，m i m o 技术作为研究的热点已经持续了相当长的时间，其 中的预编码方向也已经进行了比较深入的研究。欧洲、日本等国的研究机构、大 学和企业也不甘落后，纷纷启动了m i m o 预编码相关的一系列研究项目。，从最 初的单用户点对点m i m o 传输，到点对多点的下行虚拟m i m o 系统( 每用户一根 天线) ，以及点对多点的多用户协作m i m o ，m i m o 预编码技术的研究越来越实 用化。应用范围也从w l a n 领域扩展到更加广阔的移动蜂窝通信领域。 在多用户m i m o 技术优势的驱动下，不少公司也逐渐将其推向市场【7 】。例如， 2 北京邮电大学硕上学位论文多天线m i m o 预编码传输技术的研究 a i r g o n e t w o r k s 、a r r a y c o m m 和v i v a t o 公司在8 0 2 1 1 无线网络中发展了多天线技 术。当与多个无线用户通信时，这种多天线接入点具备多用户m i m o 的提高吞 吐量、增强分集度以及减少干扰的潜力。 目前，虚拟m i m o 技术已逐渐向着商品化的方向迈进。2 0 0 6 年1 0 月，北电 网络进行了业界首次利用虚拟m i m o 技术的无线传输试验。这一技术可以帮助 移动运营商大幅度增加宽带用户。对于4 g 运营商来说，这一技术意味着同样的 投资可以换来更大的收入。2 0 0 7 年5 月，诺基亚西门子合资公司目前已经与德 国f r a u n h o f e r 电信研究所共同完成了虚拟多入多出技术( v l r t u a l m l m o ) 的测试， 大大提高手机数据传输速度，下一代无线高速l t e ( 长期演进) 手机的数据上传速 度能够达到1 0 8 m b s 。这些无疑都为运营商向4 g 移动通信技术演化提供了更加 明确的途径。 我国也紧紧跟随着m i m o 预编码前进的脚步，国家自然科学基金和“8 6 3 ”计 划已开始广泛的支持这方面的研究和开发工作，并已取得了一些进展。我国提出 的有自主知识产权的t d s c d m a 系统的长期演进就融合在t d dl t e 的长期演 进计划中，每年为l t e 的相关标准和规范做出贡献，推动我国无线通信领域产 业化的发展，以便在激烈的国际市场竞争中取得应有的地位。 1 2m i m o 预编码技术的优点及应用前景 1 2 1m i m o 信道模型 五【1 ，】 【y 】 j j l l 。 v 】刀。i v 】 j ，i v 】 【1 ，】 图1 - 1m i m o 信道模型 在本文中，我们假设m i m o 信道发送端有坼根发送天线，接收端有心根接 收天线，并且每个发送天线和接收天线之间是平坦的，也就是说不存在弥散衰落 信道。这样，在等效复基带的离散时间系统模型如图1 1 所示 信道输入五【v 】，l = 1 ，坼在空间和时间上也假设为非相关的，其协方差为 = e y 】1 2 o 在时刻y 和坼根发送天线上同时发送的数据组合为向量 3 北京邮电大学硕士学位论文多天线m i m o 预编码传输技术的研究 x v 】- l 五【v 】，【v 玎，对应的j 个接收天线上组合为向量 y v 】_ i 咒【v 】，蜘。【y 盯，m i m o 信道输入和输出对应的关系为 y 【v 】= 驯v m v 卜“v 】 ( 1 - 1 ) 维数为m 坼的信道矩阵h 【y 】= 【y 】 包括了从第，个发送天线到第七个 接收天线的衰落因子【y 】o 接收天线的加性白高斯噪声表示为 “v 】_ i ，l i 【v 】，k 【v 盯。噪声分量【v 】，k = l ，m 为互不相关的零均值高斯随 机变量， e 训删= 悟i e l s f k e = 胪。 ( 1 - 2 ) 因为我们考虑平坦衰落信道，在每个时隙，只有空间均衡，也就是说每个时 间的操作是独立的。再者，我们假设在每次传输过程中信道是静态的。因此，为 方便起见。在下文中忽略离散时1 9 索引，。 1 2 2m i m o 预编码技术的优点 与单天线系统相比，m i m o 技术的引入对于系统容量和频谱效率的提高主要 体现在三个方面：阵列增益、复用增益和分集增益。阵列增益源于发送端和接收 端将发送和接收的多个天线信号进行相关合并而获得信干噪比( s i n r ) 的提高。分 集增益源于通过将相同信号经过多个不相关信道传输，从而改善等效信道的衰落 特性。复用增益源于空间自由度的增大和空间并行传输通道的增加，从而有效提 高系统容量。 m i m o 预编码技术要求发送端能够获得与信道状态信息相关的信息。目前发 送端获得信道信息主要通过以下两种方法：在频分复用( f d d ) 系统中，发送端可 以通过接收端反馈而获得信道状态信息；在时分复用( t d d ) 系统中，发送端通过 下行信道与上行信道所具有的互易性而获得信道状态信息。通过在发送端进行预 编码，首先，可以在发送端提前消除m i m o 信道的临道干扰，提升系统性能。 其次，可以完全避免接收端检测带来的误码传播，降低差错概率。最后，在移动 通信系统中，从基站到移动台的下行链路中采用预编码算法可以大大降低移动台 的复杂度，为用户和手机设备商降低成本。 1 2 3m i m o 预编码技术的应用前景 随着目前应用频段的不断提升，通信系统的载波频率在不断加大，对应的发 送波长也变小了。这样，为m i m o 系统的应用奠定了坚实的基础，在现在越来 越小的手机上实现多根天线也成为了可能。并且，由于现在移动终端定义的扩展， 4 北京邮电大学硕士学位论文多天线m i m o 预编码传输技术的研究 对于笔记本电脑或者车载系统来说，多天线的配置极易实现。 目前，l t e 协议中规定的预编码方式为基于码本的预编码，这种方式在t d d 、 f d d 系统中具有通用性，并且反馈的比特数目较少，但是对系统带来的性能提 升不是特别理想。在f d d 系统中，随着反馈信道的带宽的提升以及反馈信道更 新速度的加快，发送端可以获得越来越精确的信道信息。在t d d 系统中，由于 上下行信道的对称性，发送端更易获得信道信息，这种基于t d d 情况下的预编 码设计往往能够充分的发挥预编码算法的优势。在多用户的情况下，典型应用就 是多天线基站的无线通信，即多天线基站同时和多个移动台进行通信。另外，向 多个移动台发送数据的多个蜂窝小区基站的协调也受到关注。 1 3 论文的研究价值及主要安排 1 3 1 论文的研究价值 m i m o 预编码技术具有以上所提到的诸多优点和用途，因而吸引了越来越多 的学者进行研究，取得了丰硕的成果。但同时还存在一些问题，所研究的算法受 到种种限制，制约了它们在m i m o 无线通信系统中的性能，所以对m i m o 预编 码技术进行更加深入的研究是很有必要的。 本论文针对以上问题，主要对带有功率分配模块的非线性预编码算法进行了 深入的研究。我们提出了一种新颖的适用于单用户m i m o - t h p 系统的功率分配 算法和应用在更广泛的移动通信下行广播链路的多用户m i m o t h p 收发系统联 合设计方法。第一种算法将功率分配矩阵与传统单用户m i m o - t h p 结构有机的 结合起来，形成了具有功率分配功能的单用户m i m o t h p 系统。在传统的单用 户m i m o t h p 系统中，利用矩阵分解将m i m o 系统划分为多个独立并行的子信 道。然而，不同子信道之间的信道衰落差异较大，带来的性能损失也不相同。系 统总体的性能往往由性能最差的子信道决定，因此，我们引入功率分配矩阵，在 不改变发送总功率的情况下，来降低子信道之间的性能差异，提升系统总体性能。 其次，在计算功率分配矩阵的过程中，我们分析t h 预编码中特有的求模操作， 对求模操作带来的预编码损失进行了计算。考虑预编码损失计算的发送功率更加 精确，在较低的调制方式下，性能明显优于传统的m i m o t h p 系统。最后，对 提出的算法进行了误比特率( b e r ) 的计算机仿真，在z f 和m m s e 的条件下，相 对于传统方法带来了较大的性能提升。第二种方法在全面的考虑了更广泛的移动 通信下行广播链路情况，提出了两类应用于多天线下行广播信道的m i m o t h p 系统设计方案。其优化的标准是在总的发送功率的约束下，在接收端获得最小的 误比特率( b e r ) 。在提出的算法中，发送功率分配矩阵( t p a ) 也作为预编码矩阵的 5 北京邮电人学硕士学位论文多天线m i m o 预编码传输技术的研究 一部分与传统的t h p 滤波矩阵进行了联合的设计。这样，相对于传统的t h p 算 法来说，引入的基于子信道数据流的功率分配操作会带来一定的误码性能提升。 最终，考虑m i m o t h p 系统的预编码损失参量进行功率分配，系统性能还会有 进一步的提升。 1 3 2 论文的主要安排 论文的主要结构为：第二章对目前经典的单用户m i m o 预编码进行了简要 的介绍，包括线性预均衡算法、基于码本的有限反馈m i m o 线性预编码、基于 s v d 分解的m i m o 线性预编码、基于q r 分解的m i m o 非线性t h 预编码以及 基于g m d 分解的m i m o 非线性t h 预编码。第三章对应用于多用户情况下的 m i m o 预编码进行了简介，其中包括多用户线性预编码块对角化( b d ) 算法、基 于q r 分解的多用户非线性t h 预编码、基于l d l 分解的多用户m i m o 非线性 t h 预编码以及基于b d g m d 分解的多用户m i m o 非线性t h 预编码。第四章 根据已有的基于q r 分解的单用户m i m o t h p 算法，提出了一种考虑预编码损 失的带有功率分配功能的单用户m i m o t h p 预编码算法，既提高了系统的可靠 性，又降低了系统的复杂度。第五章在考虑了多用户的实际移动通信系统情况， 提出了应用在更广泛的移动通信下行广播链路的多用户m i m o - t h p 收发系统联 合设计算法，包含了预编码损失和多用户排序两部分，并进行了计算机仿真实验。 第六章对本论文进行了总结。 6 北京邮电大学硕士学位论文 多天线m i m o 预编码传输技术的研究 第二章单用户m i m o 预编码设计 2 1 线性预均衡 线性预均衡是预编码技术中比较简单的一类预编码方法【8 】。依据所选用的均 衡准则不同，可分为基于迫零( z f ) 的线性预均衡和基于最小均方误差( m m s e ) 的 线性预均衡两类。基于迫零z f 的线性预均衡的原理是将m i m o 子信道间的所有 的干扰项约束为0 ，实现的方法则是以信道矩阵日的左伪逆作为预编码矩阵。这 种方法也叫做信道伪逆法。信道矩阵日的左伪逆的列表示不同子信道的s i n r 。 然而，在处理的过程中有急剧放大噪声的可能，会影响系统的性能。基于最小均 方误差的线性预均衡允许子信道之间存在一定的临道干扰，但它的目标是使接收 信号与发端数据间的均方误差最小，性能比较稳定，实现相对z f 方式复杂。下 面是线性预均衡的系统框图。 图2 - 1线性预均衡系统 2 1 1z f 线性预均衡 在z f 准则下的预均衡中，发射端的预编码信号为： 工= f a ( 2 - 1 ) 其中p = 日，通过预均衡矩阵户，在接收端数据y 为 y = 去( 胁+ 刀) = 口+ 万1 刀 ( 2 - 2 ) 其中= x 的功率恒定。 ，参数为缩放因子，其作用为保证发射的预编码信号 2 1 2m m s e 线性预均衡 同理，根据m m s e 准则得到的预编码矩阵为 f = p f 鼽砌r ( h h r + 甜咖 7 ( 2 - 3 ) ，式中彰表示发射信号的功率。 北京邮电大学硕士学位论文多天线m i m o 预编码传输技术的研究 这种线性预均衡技术着眼于在发端完成对信号的处理，收端只需要知道缩放 因子就可以完成对信号的检测，这样可以最大限度的简化收端。但是，由于这 种线性预均衡技术对信道的能量不能充分的利用，其性能较差，一般只是用来作 为与其他预编码技术进行性能对比的一种方案。 2 1 3 仿真比较与分析 图2 2 给出了z f 与m m s e 线性预均衡算法的性能比较。作为线性预编码方 式中最简单的方式之一，可以达到一定的性能。在误码率为1 0 - 2 时，采用m m s e 准则的预均衡方式要比z f 准则的预均衡方式获得将近6 d b 的性能增益。 图2 - 2 基于z f m m s e 准则的线性预均衡算法性能比较图 2 2 基于码本的有限反馈m i m o 线性预编码 2 2 1 基于码本的有限反馈预编码设计思想 在f d d 系统中，由于上下行信道的不存在互易性，因此，发端得到信道状 态信息的方法只有通过收端向发端反馈这一种方式。利用预先设计码本的方法来 减少反馈信息量，这就是有限反馈预编码的设计初衷。 8 北京邮电人学硕士学位论文多天线m i m o 预编码传输技术的研究 s y m b o s t r e a m 图2 3有限反馈预编码系统框图 有限反馈预编码技术主要包括两方面的设计，其一是如何构建码本的问题； 其二是如何选择码本构成预编码矩阵。针对第一个问题，d a v i dj l o v e 在他的论 文中给出了一种称为格拉斯曼子空间装箱( g r a s s m a n n i a ns u b s p a c ep a c k i n g ) 的算 法来对码本进行设计的方案；在未来宽带无线通信标准，如3 g p pl t e 中，也给 出来基于d f t 和h o u s e h o l d e r 变换进行码本设计的方案。针对第二个问题，一般 依据不同接收准则( m l ，m s v ，m s e ) 和定义矩阵空间中两点之间的距离测度( 弦 距离、g e o d e s i c 距离、f u b i n i s t u d y 距离) 来进行解决的。 这种基于有限反馈的预编码设计，可以解决在f d d 系统中进行预编码设计 时如何在发端得到信道状态信息的问题，其预编码的过程一般可以分为两个步 骤。首先，接收端通过对下行信道的检测，从已有的预编码矩阵中找出一种和检 测到的信道信息相匹配的预编码矩阵，然后将这种预编码矩阵的编号通过上行信 道反馈到发端。然后，发端根据反馈的信息找出对应的预编码矩阵，并按照既定 的方案进行数据传输。从中不难看出，有限反馈预编码需要在收发两端都存储大 量的预编码矩阵，且已经证明，预编码矩阵的数量和所获得的预编码增益有着直 接的关系。此外，在预编码矩阵的选择上，一般都采取轮询的办法，这样势必增 加处理的时延，再加上反馈时延，对于信道变化较快的情况，这种预编码的性能 也不容易得到预期的提高。 这种码本的预编码设计方案也可以应用于t d d 系统，但是在t d d 系统中， 完全可以根据上下行信道的互易性，通过发端的信道估计来获得信道状态信息。 把有限反馈的预编码设计方法应用于t d d 系统中将不能够发挥t d d 系统的这 一优点，因此研究一种更适合t d d 系统的预编码方案必将得到比有限反馈预编 码更高的系统增益。 现有的文献中对于有限反馈预编码的研究，主要集中在码本的设计和码本的 选择这两个方面。d j l o v e 在其文章【9 】、f l o 】、 1 1 1 中，对有限反馈的预编码设计中所 9 北京邮电大学硕士学位论文多天线m i m o 预编码传输技术的研究 涉及的码本设计和码本选择技术进行了详细的论述，为有限反馈预编码设计提供 了有力的理论依据。 2 2 2 码本设计准则 在有限反馈预编码设计中，码本的设计是一个十分重要的组成部分。现有文 献q 口t g - l l 】，对码本的设计主要分为两类：一类是基于对信道矩阵进行量化来设计 码本；另一类是对信道矩阵对应的预编码矩阵进行量化来设计码本。所涉及的码 本设计准则一般包括g r a s s m a n n i a ns u b s p a c ep a c k i n g ( 格拉斯曼尼子空间装箱原理1 和d f t 两种。无论是使用那一种码本设计准则来设计码本，其设计目标都是在 保证全分集阶数的条件下，使得反馈比特数尽可能的小。 利用g r a s s m a n n i a ns u b s p a c ep a c k i n g 来设计码本，首先需要设计n 个矩阵， 然后最大化它们之间的最小子空间距离。假设f 1 和f 2 为两个预编码矩阵，p 。 和只分别为这两个矩阵的列向量，通常用来计算子空间距离的三种方法如下： ( 1 ) 弦l 三( c h o r d a ld i s t a n c e ) - p 和尼之间的弦距表示为： ，厂了一 吃b 耐( 互，e ) = 去0 巧巧一最e i l ，= m 一彳 e 互 ( 2 - 4 ) ( 2 ) p r o j e c t i o nt w o - n o r md i s t a n c e ： ( 互，e ) = m 一e 矾= f 酾( 2 - 5 ) ( 3 ) f u b i n i s t u d yd i s t a n c e ： ( 互，e ) = a r c , c o sd e t ( 曩e ) l ( 2 - 6 ) 利用弦距进行的距离最大化选择等价于最小化e 互e e 的特征值之和，也就 是怍e 旺的最小化；p r o j e c t i o nt w o - n o r m 距离最大化等价于最小化互最的最小 奇异值；f u b i n i s t u d y 距离最大化等价于最小化只e 的奇异值的乘积。定义最小 距离为万，则其公式如下： 万= 震弧，d 【e ，巧) ( 2 - 7 ) 塔恬描| v 、j ， 基于格拉斯曼尼子空间装箱原理的码本设计通过最大化最小距离万来得到 码本矩阵。 文献中【9 】提到的不同码本设计方案通常对应不同码本选择方案。基于 p r o j e c t i o nt w o n o r m 距离设计的码本，通常在接收端利用m l s c ，m s v - s c 和 m s e s c ( 基于迹的代价函数) 等准则来进行码本的选择。基于f u b i n i - s t u d y 距离设 计的码本，通常用于接收端利用m s e - s c ( 基于行列式的代价函数) 和c a p a c i t y - s c 等码本选择准则时。对于基于o s t b c 码的有限反馈预编码，在接收端采用最大 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 多天线m i m o 预编码传输技术的研究 似然译码，预编码矩阵的选取准则如下： f = f ( h ) = a r g m a xh h f 忆 ( 2 - 8 ) f “e f 通过对信道矩阵h 进行奇异值分解日= v , z v ；，可得令0 职，。忆最大化的最 优预编码矩阵为= 咋，其中是由矩阵的前m 列所组成的矩阵，m 是信 道矩阵不为零的奇异值的个数。 利用d f t 进行码本设计的方案，类似于前面提到的格拉斯曼尼子空间装箱 原理的码本设计，首先也是先产生如下形式的n 个码本。 ，= k ，o f d 丌，o m l f d 丌 ( 2 - 9 ) 其中尼啊为一个维度为丝x m 的矩阵，并且其下标为( 尼，) 的元素可表示为： ( 1 万) p “2 帆弦。 o 是一个对角矩阵， o = 为： e l ( 2 石7 h 00 0( 2 f ) u 2 0 0 0童q 氟n 1 “蚝 ( 2 1 0 ) 其中，0 “i ，u m ，一i 。u i “2 ，的值是从集合： z = “z 虬i v 七，o 咋 矗 胛 轰( 2 - 2 1 ) l s s 埘 彳 ， 其中 胛 为h f 的最小奇异值。 通过上式，可以得到选择预编码矩阵f 的一个标准，m s v - s c ( m i n i m u m s i n g u l a rv a l u es e l e c t i o nc d t e r i o n ) ，选择f 矩阵使其满足， f = a r g m a x 螂 ( 2 2 2 ) 1 2 北京邮电大学硕士学位论文多天线m i m o 预编码传输技术的研究 对于最优非量化预编码( o p t i m a lu n q u a n t i z e dp r e c o d e r ) ，得到最优的预编码矩 阵f o p t ，使其能够满足最大化总的最小奇异值，即m a x i m i z ek 峨t 。最 优的预编码矩阵巳并不是唯一的。 对信道矩阵h 进行奇异值分解得到： h =