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上海大学硕士学位论文机会通信和多用户分集新技术研究 摘要 多用户分集是无线通信系统中一种新的分集方式。不同用户在同一时刻所 经历的衰落不同，因此某个用户经历深衰落的同时，另外的用户可能有很好的 信道质量，对于信道质量良好的用户，以高速率进行数据传输，而对那些信道 质量较差的用户则以低速率传输甚至不传输，这就是机会通信的概念。机会通 信就是人为地制造出随机波动范围大的信道，采用多用户分集的方式来提高系 统总的吞吐量。多用户分集增益的大小与信道动态变化的快慢有关，因此在稀 少散射物和慢衰落的环境下，多用户分集增益将减小。因此当信道缓慢变化时， 就可以用机会波束形成技术使信道变化更加剧烈，从而提高多用户分集增益。 本文首先简单回顾了现有的机会波束成形技术，然后在传统机会波束成形 的基础上，提出了两种改进的机会波束成形技术。 机会特征波束成形算法始终使用最强的波束进行传输，相比传统的机会波 束成形算法，能有效地提高系统吞吐量，但该算法要求更多的反馈，系统反馈 量增加，本文在该算法的基础上，提出了一种改进算法，每个用户计算特征波 束向量和随机波束向量的相关性，那些相关性大于阈值的用户反馈它们的信噪 比。改进算法性能在与原算法性能非常接近的基础上，能有效减少系统反馈量。 本文还提出了一种自适应波束选择的宽带机会波束成形算法，现有的宽带 波束成形算法在每个子信道上利用多个波束进行传输，理论研究表明，当信道 条件很好时，并不需要使用所有的波束进行传输，本文提出的算法能根据信道 条件自适应地选择所需要的波束数量进行传输。并且利用反馈每簇子信道的中 央子信道的方法，进一步减少多载波系统中的机会波束成形的反馈量。 最后，本文将机会波束成形技术用于宽带无线通信w i m a x 系统中，传统 的m i m o 系统在发射端对信道作s v d 分解及采用注水法来使信道容量达到理 论容量极限，这样做要求大量的信道信息反馈，在实际系统中难以实现。而将 机会波束成形作为一种等效的预编码技术取代原来的s v d 分解，能减少系统反 馈量，同时当系统中用户足够多时，总吞吐量能接近m i m o 信道容量极限。 关键词：机会通信，机会波束成形，多用户分集，机会特征波束成形 v 上海大学硕士学位论文 机会通信和多用户分集新技术研究 a b s t r a c t m u l t i u s e r d i v e r s i t yi sa ni n h e r e n td i v e r s i t yf o r mi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k d i f f e r e n tu s e r se x p e r i e n c ed i f f e r e n tc h a n n e lf a d i n g s w h e no n e e x p e r i e n c e sad e e p f a d i n g ，o t h e r sm a yh a v eg o o dc h a n n e lq u a l i t y t h u sb yt r a n s m i t t i n ga th i g hr a t e sw h e n t h eu s e rc h a n n e li sg o o d ，a n da tl o wr a t e so rn o ta ta l lw h e nt h eu s e rc h a n n e li sp o o r , t h i si sc a l l e do p p o r t u n i s t i cc o m m u n i c a t i o n o p p o r t u n i s t i cc o m m u n i c a t i o nu s e m u l t i p l e t r a n s m i ta n t e n n a st oi n d u c el a r g ea n df a s tc h a n n e lf l u c t u a t i o n sa r t i f i c i a l l ys ot h a t m u l t i u s e rd i v e r s i t yc a ns t i l lb ee x p l o i t e d t h em u l t i u s e rd i v e r s i t yg a i ni sd e t e r m i n e db yt h ed y n a m i cr a n g eo ft h ec h a n n e l f l u c t u a t i o na n di st h u sl i m i t e db yt h ee n v i r o n m e n tw i t hl i t t l es c a t t e r i n ga n ds l o w f a d i n g i ns u c ha ne n v i r o n m e n t ，t h eo p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gi sp r o p o s e dt o i n d u c el a r g ea n df a s tc h a n n e lf l u c t u a t i o n ss ot h a tm u l t i u s e rd i v e r s i t yc a nb es t i l l e x p l o i t e d i nt h i sp a p e r , w ef i r s tr e v i e ws o m ee x i s t i n go p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gs c h e m e s t h e nb a s e do nt h ec o n v e n t i o n a lo p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gt e c h n i q u e ，t w oi m p r o v e d o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n ga l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d o p p o r t u n i s t i ce i g e n b e a m f o r m i n g ( o e b ) a l w a y su s et h es t r o n g e s tb e a m f o r m e r sf o r t r a n s m i s s i o n ，t h u s c a l l e f f e c t i v e l yi m p r o v et h es y s t e mt h r o u g h p u t t h a nt h e c o n v e n t i o n a l o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n g ( o b ) t e c h n i q u e b u t t h i s a l g o r i t h m r e q u i r e sm o r ef e e d b a c k ，w h i c hm a k e st h es y s t e mf e e d b a c ki n c r e a s eg r e a t l y b a s e d o no e b ，w ep r o p o s e da ni m p r o v e da l g o r i t h m e a c hu s e rc o m p u t e st h ec o r r e l a t i o n f a c t o ro ft h eb e a m f o r m i n gv e c t o r sg e n e r a t e db yo ba n do e b t h o s eu s e r sw h o s e c o r r e l a t i o nf a c t o r sa r eg r e a t e rt h a nt h ep r e d e f i n e dt h r e s h o l df e e db a c kt h e i rs n r s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e p e r f o r m a n c eo f t h ep r o p o s e da l g o r i t h mi s a s y m p t o t i ct ot h a to fo e b w h i l et h eo v e r a l lf e e d b a c ki ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e d a na d a p t i v eb e a ms e l e c t i o nt e c h n i q u ef o rb r o a d b a n do p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gi s p r o p o s e di nt h i sp a p e r t h et r a n d i t i o n a lb r o a n d b a n db e a m f o r m i n gt e c h n i q u eu s e sm b e a m f o r m i n gv e c t o r sf o rt r a n s m i s s i o n0 ne a c hs u b c h a n n e l t h et h e o r e t i cr e s e a r c h v l 上海大学硕士学位论文机会通信和多用户分集新技术研究 s h o w st h a tt h e r ei sn on e e dt ou s ea l lt h eb e a m f o r m i n gv e c t o r sf o rt r a n s m i s s i o n w h e nt h ec h a n n e lq u a l i t yi sg o o d w ep r o p o s ea i la l g o r i t h mt h a tc a l lc h o o s et h e n u m b e ro fb e a m f o r m i n gv e c t o r su s e df o rt r a n s m i s s i o na c c o r d i n gt ot h ec h a n n e l q u a l i t ya d a p t i v e l y a n dt h ea m o u n to ff e e d b a c ki sf u r t h e rr e d u c e db yf e e d i n gb a c k t h ec e n t r a ls u b c h a n n e l so f e a c hc l u s t e ro fs u b c h a n n e l s a tl a s t ，w eu s e o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gt e c h n i q u e i nb r o a d b a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m - w i m a xs y s t e m t h et r a n d i t i o n a lm u l t i p l ei 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 mm a k e su s eo fs i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ( s v d ) w i t h w a t e r - f i l l i n ga tt h et r a n s m i t t e rt oa c h i e v et h em i m oc h a n n dc a p a c i t y d o i n gs v d r e q u i r e st h ec 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 rw h i c hn e e d sal a r g ea m o u n t o fc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na n di ti sd i f f i c u l tt or e a l i z ei nt h er e a ls y s t e m s b yu s i n g o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gt e c h n i q u ea sa l le q u i v a l e n tp r e c o d i n gm e t h o di n s t e a do f t h eo r i g i n a ls v d ，t h es y s t e mf e e d b a c kc a l lb eg r e a t l yr e d u c e d w h e nt h e r ea r e e n o u g hu s e r si nt h es y s t e m ，t h et h r o u g h p u to ft h ep r o p o s em e t h o di sa s y m p t o t i ct o t h a to fw h a tc a l lb ea c h i e v e db yu s i n gm i m oc h a n n e l s k e y w o r d s ：o p p o r t u n i s t i cc o m m u n i c a t i o n ，o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n g ，m u l t i u s e r d i v e r s i t y , o p p o r t u n i s t i ce i g e n b e a m f o r m i n g v i i 上海大学硕士学位论文机会通信和多用户分集新技术研究 原创性声明 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。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：重生垒! 至日期：迦丛! 旦矿日 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：童虹导师签名：占鱼逝日期：乏竺她 玎 上海大学硕士学位论文机会通信和多用户分集新技术研究 第一章绪论 1 1 无线通信新技术发展概述 随着社会经济的发展，信息的交换和传递越来越占据重要的地位，通信已 经成为信息产业中发展最为迅速、进步最快的行业。同时，通信行业的发展也 极大的推动了经济的发展。人们要求无论何时何地都能及时可靠地将信息传递 到所想要到达的地方，这也是未来通信的发展方向。在整个通信行业中，发展 最活跃，也最受人瞩目的就是无线移动通信。因为只有无线移动通信，才能实 现：能在任何时间、任何地点向任何人提供快速可靠的通信服务。 无线移动通信一般分为两大类，一类是3 g p p 标准引领的移动宽带化，移 动通信从上世纪7 0 年代发展至今，经历了三个阶段：第一代( 1 g ) 和第二代( 2 g ) ， 现正向第三代( 3 g ) 平滑演进。另外一类是i e e e 标准引领的宽带移动化，从在 无线局域网( w l a n ，w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 领域获得成功的i e e e 8 0 2 1 1 系列标准发展到适应于无线城域网( w m a l q ，w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ) 领域的i e e e 8 0 2 1 6 系列标准。相比而言，基于移动宽带化的系统，如3 g 技术， 强调的是地域上的全覆盖和高速的移动性，侧重“无处不在 的服务。而基于 宽带移动化的系统，如8 0 2 1 6 则牺牲了全覆盖，仅保证在一定区域内实现连续 覆盖，强调的是数据传输能力的提高。从某种意义上，它是解决“最后一公里 通信接入的一个很有效的技术。根据地域位置划分，下图1 1 显示了无线移动 技术的演进。由图可见，无线移动技术历经了两条清晰的发展轨迹，但他们的 目的都是第四代移动通信系统( 4 gt h ef o u r t hg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 最终实现全网融合。 无论是基于移动宽带化思想的蜂窝无线通信系统，还是基于宽带移动化思 想的宽带通信系统，其发展过程中面临最大的问题都是无线信道的衰落特性。 众所周知，无线信道的传输条件非常恶劣，要想实现高质量的宽带通信，往往 要求系统的发射接收设备非常复杂，较难实现。尤其随着计算机网络的飞速发 展，无线通信系统都会引入无线因特网和多媒体业务，人们对于通信质量和传 输速率提出了更高的要求，这就需要采用更先进的技术来满足人们的需求。 上海大学硕士学位论文机台通信和多用户分集新技术研究 无线移动技术演进 移动 6 5 、i d m “o q t i 2g- w w i 1 ，, v t v i 数据速 l o k b p s 乜0 0 妯p s3 0 0 k b p s - l o m b p s 1 0 0 v l b p s1 0 0 v l i g k b p s 图1 1 无线移动技术演进示意图 f i g 珊e1 1w k e l e s s 姐d m o b i 】e * 曲d o 科a 删o n 无线通信之所以成为既富有挑战性又能引起研究人员兴趣的课题，其主要 原因有两个，首先是衰落现象：由于多径衰落的小尺度效应，以及诸如由距离 衰减引起的路径损耗和障碍物引起的阴影等大尺度效应，导致信道的对变特性 增强。其次，与有线通信中各发射机一接收机对通常看成相互隔离的点对点链 路不同，无线用户是在空中进行通信，因此彼此之间存在严重的干扰。这里所 说的干扰可以是与同一台接收机通信的发射机之问的干扰( 例如蜂窝系统的上 行链路) ，也可以是一台发射机发送给多台接收机的信号之间的干扰( 例如蜂窝 系统的下行链路) ，还可以是不同发射机一接收机对之间的干扰( 例如不同小区 中用户之间的干扰) 。如何处理上述衰落和干扰对于无线通信系统的设计是非常 重要的，是研究人员要考虑的重点问题。 传统的无线通信系统设计关注于提高空中接口的可靠性，在这个前提下。 衰落和干扰都被看成是必须抑制的有害因素。近期的研究焦点n 1 更多地转向了 提高频谱效率，与此相伴出现了一种新的颠覆传统思想的观点是将衰落看成一 种可以利用的机会，不同用户在同时刻所经历的衰落不同，因此某个用户经 历深衰落的同时，另外的用户可能有根好的信道质量，对于信道质量良好的用 上海大学硕士学位论文机会通信和多用户分集新技术研究 户，以高速率传输，而对那些信道质量较差的用户则以低速率发射甚至不发射， 由此机会通信( o p p o r t u n i s t i cc o m m u n i c a t i o n ) 的概念被提出。基于这样的事实， 利用机会通信可增加多用户环境中的系统容量。在大型网络中，任何时刻都会 有一个用户的信道以高概率处于其峰值的附近，允许这样的用户在该时刻发射， 就可以达到多用户总容量。 1 2 研究的目的和意义 回顾无线通信的发展历程，在将要应用和未来的通信系统中，如3 g ， w i m a x ，最终都要求能够实现无线因特网和多媒体的应用，这会导致人们对 宽带高速数据通信服务提出越来越高的要求。然而可以利用的无线频谱资源是 有限的，无线信道的信道条件比较复杂和恶劣。在此需求背景下，如何在高速 率系统中正确有效接收处理信号，或者提高通信的频谱效率，满足通信容量的 需求，都是现在和未来通信中必须解决的问题。 无线信道的特征之一就是由多径干扰引起的信道衰落。弥补信道衰落的一 种有效方法就是利用分集技术，分集技术可以在时间( 编码码元在不同相干时 间周期的交织) 、频率( 采用比信道相干带宽大的带宽) 和空间( 利用多幅发射 天线和接收天线) 上实施，但其基本思想是一致的。通过不同的路径发送载有 相同信息的信号，在接收端就可以得到数据码元的多个相互独立的副本，从而 实现更为可靠的检测，改善系统的性能。 以上这些传统的分集模型被广泛地用于点对点通信中。现在，另一种形式 的分集被提出，即利用无线网络中的多个用户进行多用户分集。当网络中存在 大量衰落相互独立的用户时，在任意时刻都将有很高的概率存在一个用户拥有 强信号信道。如果仅允许该用户发射信号，那么会以最高效的方式利用信道资 源，从而使总的系统吞吐量最大化，用户数量越多，多用户分集增益也就越大。 传统的分集技术的主要目的是改善慢衰落信道中通信的可靠性，多用户分 集的作用则是增加快衰落信道中的总的吞吐量；传统分集技术是为了抵消衰落 的负面影响，但多用户分集则是利用信道衰落来改善系统性能；传统分集技术 适用于点对点链路，但多用户增益的好处是系统级的，惠及网络中的所有用户。 机会通信就是利用多用户分集增益，人为地制造出随机波动范围大的信道，来 上海大学硕士学位论文机会通信和多用户分集新技术研究 提高系统总的吞吐量。所以研究机会通信是非常有理论探索意义和实用价值的。 1 3 宽带无线通信关键技术 在全球范围内，伴随着微电子技术和计算机技术的发展，无线移动通信技 术也经历了和正在经历着它有史以来发展最快的时期。蜂窝移动通信自上世纪 7 0 年代发展起来，走过3 0 几年，经历了第一代模拟通信系统，第二代窄带数 字通信系统，现正向第三代宽带数字通信系统平滑演进，并在探索4 g 的应用 前景。为了实现4 g 的宽带无线通信性能要求，两大无线通信系统物理层技术 正交频分复用o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术和 多输入多输出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 ) 技术被提出。 多载波正交频分复用o f d m 技术是对抗i s i ( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ) 的 一种高速传输技术，近年来其相关研究和应用引起了业界的广泛关注。o f d m 提出已有近4 0 年历史，第一个实际应用是军用的无线高频通信链路。由于数字 信号处理技术的飞速发展，使得o f d m 可以被广泛应用到各个通信系统中。目 前已成功地应用于非对称数字用户环路a d s l 、无线本地环路w l l 、数字音频 广播d a b 、高清晰度电视h d t v 、w l a n 等系统中。 另外，多输入多输出m i m o 技术是近年来无线通信技术上的又一个重大突 破。它综合了分集技术和现代信号处理技术，可以得到极高的频谱利用率。它 的主要理论基础是在复杂的环境下，多径信道中不同的径彼此不相关。理论研 究表明：当信道传输矩阵满足独立同分布条件时，m i m o 系统的容量是随着发 送接收天线数目最小值的增加而线性增加。因此有可能通过信号处理技术，将 不同天线发出的同频、同时、同码的不同信号在接收端区分开来，从而把一条 无线信道变为多条，提高了频谱利用率。理论分析和实验系统表明，在室内环 境下，利用m i m o 技术可以得到2 0 - - 4 0 b i t s h z 的频谱利用率，远远高于目前 无线通信系统中o 5 - - 4 b i t s h z 的水平，是一种很有前景的宽带无线通信技术。 在o f d m 的子频带中使用m i m o 技术，就可以满足m i m o 技术的应用要求， 实现高速宽带无线通信。m i m o 和o f d m 技术结合后，m i m o o f d m 系统， 在发射端和接收端均采用多个天线，在每个发射天线上使用o f d m 调制技术。 m i m o o f d m 具有比单纯的o f d m 、单纯的m i m o 、更强的抗干扰能力、更 4 上海大学硕士学位论文机会通信和多用户分集新技术研究 高的系统容量。在无线通信的频率选择性衰落信道中，m i m o o f d m 可以赢 得高数据速率和大系统容量而不必增加额外的功率或者带宽，所以m i m o - - o f d m 被认为是下一代宽带无线移动通信系统的关键技术之一。 1 3 1 正交频分复用o f d m 技术 o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ，正交频分复用，作 为新一代的宽带无线通信系统的关键技术之一，被人们广泛研究与应用。o f d m 是一种并行传输技术，它在指定频带上设置k 个等间隔的子载波，每个子载波 被单独调制，符号周期是同速率单载波系统的k 倍，对符号间串扰的敏感性较 单载波系统低，从而能够有效的对抗多径干扰。同时，o f d m 系统可在各个符 号间插入保护间隔来消除i s i 。o f d m 信号的调制和解调可采用快速傅立叶逆 变换i f f t 和快速傅立叶变换f f t 实现。 图1 2 是o f d m 系统的发射与接收框图。首先调制后的信号进行串并转换， 然后再经过i f f t 变换，将频域信号转变为时域信号。为了消除无线通信中多 径效应产生的码间干扰，在时域信号上加上循环前缀c p 进行时域上的扩展。 将时域上产生的多个正弦波通过并串转换叠加起来进行发送，接收端的过程与 发射端的过程相反即可接收到发送信号。 图1 2o f d m 系统收发机框图 f i g 1 2 t h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r ss t r u c t u r eo fa no f d ms y s t e m 显然，o f d m 有以下几个优点【2 】： ( 1 ) 把高速率数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长 度相对增加，从而有效地减少由于无线信道的时间弥散所带来的码间干扰 ( i s i ) ，减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，而仅仅 上海大学硕士学位论文机会通信和多用户分集新技术研究 通过采用插入循环前缀的方法消除i s i 的不利影响。 ( 2 ) o f d m 系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相 互重叠，因此与常规的频分复用系统相比可以最大限度地利用频谱资源。 ( 3 ) 各个子信道的正交调制和解调可以简单地通过离散傅立叶反变换 i d f t 和离散傅立叶变换d f t 的方法来实现。 ( 4 ) o f d m 系统可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路 中不同的传输速率。 ( 5 ) o f d m 易于和其他多种接入方法结合使用，构成o f d m a 系统，其 中包括多载波码分多址m c - - c d m a ，跳频o f d m 以及o f d m t d m a 等等。 但是o f d m 系统由于存在多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子信 道的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下缺点： ( 1 ) 易受频率偏差的影响。 ( 2 ) 存在较高的峰值平均功率比。这就对发射机内放大器的线形度提出了 很高的要求，因此可能带来信号畸变，使信号的频谱发生变化，从而导致各个 子信道间的正交性遭到破坏，产生干扰，使系统的性能恶化。 1 3 2 多输入多输出m i m o 技术 由于无线信道所固有的特点，移动通信所必须依赖的无线频谱资源是受限 的，从移动通信系统所用的关键技术来看，第一代基于f d m a ，第二代基于 t d m a ，第三代基于c d m a ，无线传输技术越来越向复杂化、多维化发展。也 只有这样，才可能充分利用有限的频谱资源，给人们提供语音、图像和数据通 信，并支持高速数据、高质量视频和交互式操作的无线多媒体业务。然而，随 着无线用户的膨胀和通信业务的增加，无线传输所需的频谱资源还是日趋紧张。 因此，寻求频谱利用率高的传输技术已成为移动通信的研究热点。同时，无线 信道的衰落是影响系统性能主要因素之一。未来宽带移动通信系统的信号和信 道条件将变得更为复杂，如何增强系统的抗衰落能力，提高系统性能，都是有 待解决的理论问题和关键技术。 相对与已有的频域、时域和码域技术，m i m o 技术充分开发空间资源，利 6 上海大学硕士学位论文机会通信和多用户分集新技术研究 用多个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下， 可以成倍地提高信道容量【3 】。最近的研究表明，m i m o 技术可以显著提高无线 系统的频谱利用率，实验室的研究证明，采用m i m o 技术在室内传播环境下的 频谱效率可以达到2 0 - - 4 0 b i t s h z ；而使用传统无线通信技术在移动蜂窝中的频 谱效率仅为1 5b i t s h z 。m i m o 技术作为提高数据传输速率的重要手段得到 人们越来越多的关注，已经被认为是新一代无线传输系统的关键技术之一。 m i m o 无线通信系统可以简单地如图1 3 所示，它是在发射端和接收端分 别使用多个发射天线和接收天线，从而抑制信道干扰。传统的通信系统是单输 入单输土i ( s i s o ，s i n g l ei n p u ts i g n a lo u t p u t ) 系统。基于发射分集和接收分集的多 输入单输出( m i s o ，m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 方式和单输入多输出( s m o ， s i n g l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 方式也是m i m o 的一部分。 s ( i ) ：传输信息滚c ( 詹) ：发送俯息予诡詹( 丘) ：接收信息于漉 图1 3m i m o 无线通信系统框图 f i g u r e1 3 t h em i m ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m b e l l 实验室的t e l a t a r 的关于m i m o 系统容量的研究工作表明了m i m o 系 统可以使系统容量获得成倍的提高。他的结论是：对于一个有m 个发射天线， n 个接收天线的情况下，如果准确消除各种干扰，而且各发射天线一接收天线 之间的衰落相对独立，那么在相同频谱带宽和发射功率的条件下，该系统的容 量可以达到单天线的m i n ( m ，n ) 倍【4 】。 而a l a m o u t i 的研究结果表明，在适当的编码下，2 个发射天线一m 个接收 天线的m i m o 系统的传输质量和1 个发射天线一2 m 个接收天线是相同的【5 1 。 也就是说，在对发射信息做适当的编码，可以提高接收分集的性能，即提高了 系统的传输质量。 7 上海大学硕士学位论文 机会通信和多用户分集新技术研究 m i m o 不仅能提供上述的复用增益和分集增益，还可以结合空时编码技术。 空时码是适合于多天线阵信道的一种编码方案。它综合了空间分集和时间分集 的优点，同时提供分集增益和编码增益，大大提高了系统的频带利用率。空时 编码主要有：分层空时码，网格空时码和分组空时码等等。 1 , 4 论文的主要贡献 本文主要研究机会通信及多用户分集中的波束成形算法，在对现有的波束 成形技术分析讨论基础上，对波束成形技术中的不足之处进行了改进，本文的 主要贡献是： 一，对机会特征波束成形算法作了改进，机会特征波束成形算法始终使用 最强的波束进行发射，相比传统的机会波束成形算法，能有效地提高系统吞吐 量，但该算法要求更多的反馈，系统反馈量增加，本文在该算法的基础上，提 出了一种改进算法，能有效减少系统反馈量，首先用户不需要反馈他们的特征 波束成形向量，其次只有部分用户需要反馈他们的信道响应l 以( f ) 1 2 或信道信噪 比( s n r ) 给基站，仿真结果证明，当用户数比较多时，改进算法的性能与原 算法性能非常逼近，而系统反馈量大大减少。 二，对宽带机会波束成形算法作了改进，现有的宽带波束成形算法在每个 子信道上利用多个波束进行发射，理论研究表明，当信道条件很好时，并不需 要使用所有的波束进行发射，本文提出了一种自适应波束选择的宽带机会波束 成形算法，该算法能根据信道条件自适应地选择每次发射所需要的波束数量。 并且利用反馈每簇子信道的中央子信道的方法，进一步减少多载波系统中的机 会波束成形的反馈量。 三，给出了机会波束成形技术在宽带无线通信w i m a x 系统中的具体应用， 传统的m i m o 系统在发射端对信道作s v d 分解及采用注水法来获取信道容量， 这样做要求大量的信道信息反馈量，在实际系统中较难实现。而将机会波束成 形作为一种等效的预编码技术取代原来的s v d 分解，能减少系统反馈量，同时 当系统中用户足够多时，总吞吐量能达到m i m o 信道容量。 上海大学硕士学位论文机会通信和多用户分集新技术研究 1 5 论文的篇章结构 本文的主要目标是研究改进的机会波束成形技术及其在w i m a x 系统中的 应用。 第一章介绍了本论文的研究背景、研究意义、主要研究内容和贡献及论文 的结构安排。 第二章介绍了机会通信和多用户分集的概念以及研究现状，并且讨论了现 有的几种机会波束成形技术，包括传统的机会波束成形技术，单波束机会波束 成形技术，多波束机会波束成形技术，以及基于信道记忆的机会波束成形技术 等。 第三章基于机会特征波束成形，提出了一种改进的反馈减少的算法。该算 法通过让每个用户计算随机波束成形向量与特征波束成形向量之间的相关系数 来决定哪些用户需要反馈它们的信噪比，有效减少系统反馈量，仿真结果证明， 当用户数比较多时，改进算法的性能与原算法性能非常逼近。 第四章首先介绍了宽带机会波束成形技术，现有的宽带波束成形算法在每 个子信道上利用多个波束进行发射，然后从理论上证明了，当信道条件很好时， 并不需要利用所有的波束进行发射，于是本文提出了一种自适应波束选择的宽 带机会波束成形算法，该算法能根据信道条件自适应地选择每次发射所需要的 波束数量。并且我们利用反馈每簇子信道的中央子信道的方法，进一步减少多 载波系统中的机会波束成形的反馈量。 第五章给出了机会波束成形技术在宽带无线通信w i m a x 系统中的具体应 用，传统的m i m o 系统在发射端对信道作s v d 分解及采用注水法来使信道容 量达到容量极限，这样做要求大量的信道信息反馈量，在实际系统中难以实现。 而将机会波束成形作为一种等效的预编码技术取代原来的s v d 分解，能减少系 统反馈量，同时当系统中用户足够多时，总吞吐量能达到m i m o 信道容量。 第六章对全文作了总结并对下一步工作进行了展望。 9 上海大学硕士学位论文 机会通信和多用户分集新技术研究 第二章机会通信和多用户分集技术的研究现状 2 1 多用户分集技术的基本概念 无线信道的一个本质特性就是信道的衰落特性。分集作为对抗衰落的一种 主要手段得到了广泛而且深刻的研究。分集可以分为时间、频率、空间的分集， 其核心思想就是通过在收发机之间产生多个独立的信号通道来改善性能，这些 分集都属于点对点链路的范畴。近年的研究提出一种新的分集形式，这种分集 是多用户无线通信系统所具有的。这种分集就叫做多用户分集。多用户分集的 概念最早是由k n o p p 和h u m b l e t 5 】提出的，他们关注的是单小区上行链路，多 个用户与基站进行通信，且这些用户经历时变的衰落信道，假设接收端能够跟 踪信道信息并将这些信息反馈给发送端。他们的理论分析显示，在任意时刻， 将所有信道资源都分配给拥有最强信道的用户时，信道容量能被最大化。 通常情况下，信道衰落被视为一种不可靠的因素，是需要避免的。而从多 用户分集的角度来看，衰落却被视为一种有利的随机化因素，是可以被利用的， 并通过调度信道质量最好的用户来实现。信道波动的动态范围越大，峰值越高， 多用户分集增益也就越大。 下面对多用户分集性能做一个简单分析。首先给出一个简单的无线通信系 统的下行链路模型，即只有一个基站( 发送端) 与k 个用户( 接收端) 进行通 信。那么基带块衰落信道模型由下式给出： y k ( t ) = h 女( o x ( t ) + 乙( f ) k = l ，2 ，k ( 2 - 1 ) 其中石( f ) 是时隙t 的发送符号，儿( f ) 是用户k 在时隙t 内的接收符号，h k ( t ) 时隙t 内发送端到接收端k 的衰落信道增益，z k ( t ) 是独立同分布的零均值圆周 对称高斯随机变量。假设信道衰落是符合块衰落的，那么信道响应在长度为t 的时隙内是恒定不变的。这样定义就能保证该模型的带宽足够窄，信道响应是 服从平坦衰落的。 如果假设发送端和接收端都能够完全跟踪信道的衰落过程 缸( f ) ，那么这 些下行链路可以被视为一系列并行的高斯信道，每个信道都有其独立的衰落状 l o 上海大学硕士学位论文 机会通信和多用户分集薪技术研究 态。总的信道容量，可以用所有用户长时间平均传输速率的和来定义，若采用 t d m a 方式，也就是在每个衰落状态下，始终发给拥有最强信道的用户。 在图2 1 中，我们给出总的下行信道容量( 每8 每h z 总的比特数，b i t s s h - i z ) 与用户数的关系图，且用户分别历经独立的瑞利衰落信道和a w g n 信道。 2 搴 望2 窖 皇 誊1 。s 誓 竺 暑， & 竺 暑 卜a 5 口 _ _ ， 一 - 一焉 ? ；i _ - _ ：毹l i n g j、薹j a w g n c_ l a n n e l n u m b e ro fu s e r s 图2 1r a y l e i g h 衰落信道和a w g n 信道的系统总容量( 平均s n r = 0c t b ) f i g2 1s u mc a p a c i t yo ft w oc h a n n e l s ，r a y l e i g hf a d i n ga n da w g n 。w i t ha v e r a g es n r = 0d b 从图2 1 中可看出，瑞利衰落信道的容量随着用户数的增加而增加，丽 a w g n 信道的容量与用户数量没有关系，于是可得出如下的结论：当系统中存 在一定数量的用户时，衰落信道的容量要比非衰落信道容量大。这就是多用户 分集效应：在一个多用户系统中，各用户之间的信道是独立变化的，在任何时 刻总有一个用户，它的信道质量大于系统的平均s n r ，在所有时刻都让拥有最 强信道的用户发送信息，那么系统总的频谱利用率增加，显然要比具有相同平 均s n r 的非衰落信道的频谱利用率高。 为了获取多用户分集增益，蜂窝系统需要满足如下两个要求： ( 1 ) 基站能够进行信道质量的测量：在下行链路中，要求接收机利用下行链 路公共导频信号跟踪其各自信道的信噪比，并将瞬时信道质量反馈给基 站；在上行链路中，需要来自用户的发射信号，从而能够对他们的信道 质量进行跟踪。 上海大学硕士学位论文机会通信和多用户分集新技术研究 ( 2 ) 基站不仅能够根据瞬时信道质量调整数据速率，而且能够安排不同用户 的发射顺序。 除了以上两个问题之外，在实现多用户分集增益之前，还要考虑以下几个 方面的问题： ( 1 ) 公平性与时延 在用户衰落统计量相同的理想情况下，与最佳信道用户通信的策略不仅使 得系统的总吞吐量最大，而且也使各个用户的吞吐量最大。而实际的数据量是 不对称的，存在距离基站较近平均信噪比较高的用户，既有静止的用户又有运 动的用户，既有周围散射环境复杂的用户又有周围无散射体的用户。而且，该 策略关注的仅是最大化长期平均吞吐量，实际上还存在对时延的要求，满足时 延尺度上的平均吞吐量最大化是该策略的另一个性能测度。 ( 2 ) 信道测量与反馈 控制多用户分集的主要系统要求之一是基站根据用户的信道状态顺序地做 出判决。在上行链路中，基站可以接入用户的传输( 通过用于传递控制信息的 信道) 并对用户信道进行估计。在下行链路中，用户可以利用其信道状态，但 需要将这些值反馈给基站。信道状态测量时的误差以及反馈的时延构成了获取 多用户增益时不可忽略的瓶颈。 ( 3 ) 慢波动与有限波动 多用户分集增益取决于信道波动的分布，尤其是更希望信道中出现更大更 快的波动而不是慢波动。然而在传播环境中很多可能出现仅有一条视距路径而 不存在散射路径的情况，于是，信道波动的动态范围就会很小。而且，与应用 的时延约束相比，信道衰落可能非常缓慢，这样就不能等到信道达到其峰值再 进行传输。实际上，慢波动与有限波动的动态范围在我们研究的时间尺度内是 较小的，两者都是在实际系统中实现多用户分集的重要干扰源。 2 1 1 比例公平调度算法( p r o p o r t i o n a l f a i rs c h e d u l i n g ) 为了应对控制多用户分集时所面临的时延与公平性约束的挑战，我