（通信与信息系统专业论文）多用户机会波束性能研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g r e s e a r c ho nt h ep e r f o r m a n c eo f 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 g c a n d i d a t e ：l iy u m e i s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e e a p p l i e df o r s p e c i a l i t y ： d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： p m f z h a n gs h u m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s m a r c h , 2 0 1 0 m a r c h ，2 0 1 0 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y ，卜 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：罨玉褥 日期： 蚴年多月炒日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 回在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、 作者( 签字) ：夸五确 导师( 签字) ： 日期：2 , o 年；月d 扫讼，口年；月 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 摘要 为对抗多径衰落，改善无线链路性能，现代无线通信系统广泛使用各种 分集技术。无论是经典的还是现代的分集合并技术，原理都是将两条或多条 信道上携带同样信息的信号副本合并起来，以增加接收信号整体的信噪比。 多用户分集增益的大小由信道增益波动的分布决定，信道增益波动幅度 越大、速度越快越适于获得多用户分集增益。实际系统中，环境中散射体的 不足、视距路径的存在等会降低信道的波动幅度：如果信道衰落的速度同延 迟限制相比太慢，则会使传输等不及信道达到其峰值。 多天线阵列利用奇异值分解技术可形成独立的并行信道，提高吞吐量， 但要求发射端获得准确的信道状态信息，不易实现。机会波束技术利用多用 户分集达到与采用奇异值分解时相近的吞吐量，受到了广泛的关注。 本文在波束形成的基础上介绍了机会波束形成技术。机会波束形成技术 通过对用户的发射信号进行加权，使信道具有丰富的散射环境，各个信道之 间尽量独立，人为放大信道增益波动的速度和幅度，从而在小幅度慢衰落信 道中获得多用户分集增益，提高传输的可靠性。 为增强波束的选择性，提高波束与用户信道的匹配度，我们将微时隙的 概念引入机会波束形成系统中，进一步提高了系统性能。功率分配策略中， 注水原理功率分配是最优的，但注水功率分配过于复杂不适于实际应用。在 机会波束形成系统中，在为每个波束选择通信用户时进行了自适应的信道截 断，所以我们可以采用截断信道反演策略进行功率分配。此方案与注水原理 方案相比，信道容量稍有下降，但此算法仅需进行一个特征值分解运算，大 大降低了系统复杂度。 关键词：多径衰落；多用户分集：机会波束形成；功率分配；多天线 r 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 a bs t r a c t i no r d e rt oc o m b a tm u l t i p a t hf a d i n ga n di m p r o v ep e r f o r m a n c eo ft h er a d i o l i n k ，t h em o d e mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mu s e sav a r i e t yo fd i v e r s i t y t e c h n i q u e s t h ep r i n c i p l eo fc l a s s i c a la n dm o d e md i v e r s i t ya n dc o m b i n a t i o ni s t h a t ，t w oo rm o r ec h a n n e l sc a r r yc o p i e so ft h es i g n a lw h i c ha r et ob ec o m b i n e dt o i n c r e a s et h eo v e r a l lr e c e i v e ds i g n a l n o i s er a t i o m 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 i s t r i b u t i o no ft h ef l u c t u a t i o n s o ft h ec h a n n e lg a i n , t h eg r e a t e ra n df a s t e ro ft h ef l u c t u a t i o n s ，t h em o r es u i t a b l ef o r a c c e s s i n gm u l t i - u s e rd i v e r s i t yg a i n i nt h ea c t u a ls y s t e m ，t h el a c ko fs c a t t e r i n gi n t h ee n v i r o n m e n ta n dt h ee x i s t e n c eo fs t r a i g h tp a t hw i l lr e d u c et h ef l u c t u a t i o n so f t h ec h a n n e l ；i ft h er a t eo ft h ec h a n n e lf a d i n gi st o os l o wc o m p a r e dw i t ht h ed e l a y c o n s t r a i n t s ，t h et r a n s m i s s i o nc a nn o tw a i tf o rt h ec h a n n e lr e a c h i n gi t sp e a k m u l t i - a n t e n n aa r r a yu s i n gt h es i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o nt e c o n o l o g yc a n f o r mi n d e p e n d e n tp a r a l l e lc h a n n e l st o i m p r o v et h r o u g h p u t , b u ti tr e q u i r e st h e t r a n s m i t t e rt oo b t a i na c c u r a t ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n , a n di ti sn o te a s yt oc a r r y o u 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 gu s e sm u l t i - u s e rd i v e r s i t yt oa c h i e v et h e s i m i l a rt h r o u g h p u tw i t ht h es i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o nt e e o n o l o g y ，a r n di th a s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eo p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n go nt h eb a s eo fb e a m f o r m 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 o n o l o g yw e i g h t st h et r a n s i m i s s i o ns i g n a l t og e tr i c hs c a t t e r i n gc h a n n e le n v i r o n m e n t ，a n da r t i f i c i a l l ya m p l i f yt h es p e e da n d m a g n i t u d eo ft h ef l u c t u a t i o nt og e ti n d e p e n d e n tc h a n n e l s ，r e s u l t i n gi nm u l t i - u s e r d i v e r s i t yg a i n i n t h e s l o w - f a d i n g c h a n n e le n v i r o n m e n t , a n d i m p r o v i n g t r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t y s e l e c t i v i t yo fb e a ma n di m p r o v et h em a t c h i n go f b e a mw i t ht h eu s e r , w ei n t r o d u c e dt h ec o n c e p to fm i c r o - s l o t s o p p o r t u n i t y b e a m f o r m i n g ，a n df u r t h e ri m p r o v e dt h es y s t e mp e r f o r m a n c e w ek n o wt h ep o w e r j 哈尔滨下程大学硕十学位论文 d i s t r i b u t i o n 、i l ，i t l lw a t e rp r i n c i p l ei st h eb e s ts t r a t e g y ，b u ti ti st o oc o m p l i c a t e dt o a p p l i c a t e i nt h eo p p o r t u n i t yb e a m f o r m i n gs y s t e m ，t h ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e l s h a v eb e e nt r u n c a t e dw h e nt h eb a s es t a t i o ns e l e c tu s e r sf o re a c hb e a m ，s ow ec a n u 5 et r u n c a t e dc h a n n e li n v e r s i o nt oa l l o c a t ep o w e rf o rs y s t e m t h i sp r i n c i p l ew i l l d e c l i n et h ec h a n n e l c a p a c i t ya l i t t l e c o m p a r e dw i t hw a t e rp r i n c i p l ep o w e r a l l o c a t i o n , b u ti to n l yn e e d st oc a r r yo u ta l lo p e r a t i o no fe i g e n v a l u ed e c o m p o s i t i o n ， w i t hg r e a t l yr e d u c i n gs y s t e mc o m p l e x i t y k e yw o r d s ：m u l t i - p a t hf a d i n g ；m u l t i u s e rd i v e r s i t y ；o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n g ： p o w e ra l l o c a t i o n ：m u l t i - a n t e n n a 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 研究现状2 1 3 论文的主要工作及结构安排。6 第2 章多天线技术8 2 1 分集8 2 1 1接收分集9 2 1 2 发射分集1 1 2 2m i m o 信道模型1 4 2 2 1s i m o 信道。1 4 2 2 2 m i s o 信道1 4 2 2 3m i m o 信道15 2 3m i m o 信道的并行分解1 6 2 4m i m o 系统的容量17 2 4 1发射端已知信道的状态信息18 2 4 2 发射端未知信道状态信息1 9 2 5 本章小结1 9 第3 章多用户机会波束形成技术2 l 3 1 波束形成基本概念2 2 3 1 1 接收波束形成2 2 3 1 2 发射波束形成2 4 3 2 机会波束形成的基本概念2 4 3 2 1机会波束形成基本概念2 5 3 2 2比例公平调度算法2 7 3 3 接收端多天线的机会波束形成技术2 8 哈尔滨下稃大学硕十学位论文 3 4 性能分析与仿真3 0 3 5 本章小结3 4 第4 章基于微时隙波束选择的机会波束形成技术3 5 4 1 微时隙的基本概念3 5 4 2 基于微时隙的机会波束形成技术3 5 4 3 4 4 第5 章 5 1 5 2 5 3 5 4 4 2 1基于微时隙的机会波束形成技术3 5 4 2 2 微时隙数的选择3 7 4 2 3 接收端多天线情况3 8 性能分析与仿真3 9 本章小结4 2 m i m o 系统中的功率分配技术4 4 功率分配4 4 5 1 1 注水原理功率分配4 4 5 1 2 信道反演功率分配4 6 机会波束截断的信道反演4 7 性能分析和仿真5 0 本章小结5 2 结论5 3 参考文献5 5 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 0 致 射6 l 哈尔滨工程大学硕十学佗论文 第1 章绪论 无线通信是一个广阔又充满生机的领域，在过去几十年里涌现出无数令 人兴奋的研究成果，在未来也将是研究的前沿课题。由于更高级多样化服务 的需要，对通信系统的通信数据速率提出了更高的要求，在完善3 g 通信系 统的同时，发展了4 g 通信系统。多发射天线多接收天线的m i m o 技术是4 g 中的关键技术，充分利用信号的空域信息，大大提高了传输数据速率。 1 1 研究背景及意义 无线通信技术在短短几十年里经历了从模拟通信系统到数字通信系统、 从频分多址接入( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，f d m a ) 到码分多址接 入( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 的迅速发展。第一代的模拟通信 系统受到信号传输带宽的限制，只能提供语音业务，只能在特定的区域内通 信；第二代数字通信系统主要是采用码分多址和时分多址的接入技术，性能 优于第一代通信系统，但仍然受到传输带宽的限制。第三代通信系统是全球 移动通信领域的一场变革，可以提高通信能力和数据传输速率，能够实现多 媒体通信和全球覆盖，可达2m b i f f s 的数据传输速率，但3 g 系统可用的数 据速率将很快饱和。 快速增长的无线通信需求，使得传统的采用单天线的收发的无线通信系 统正面临严峻考验，必须寻求新技术从根本上解决无线通信的频谱利用率和 通信质量的问题。目前出现的以正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 、多输入多输出( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ，m i m o ) 天线 等为核心的新技术，比以c d m a 为核心的第三代移动通信技术更加完善，作 为“后三代或第四代移动通信技术 被广泛关注。 传统的无线通信技术对信号频域、时域和码域信息的利用已经达到了很 高的高度，但是仍然满足不了无线互联网多媒体通信对数据速率的需求。对 信号空域信息的研究及探索为这些问题带来了新的解决方案，多天线分集技 术、智能天线技术以及最终演进到的多输入多输出( m i m o ) 技术都是从一 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 个全新的角度对信号信息的利用。 m i m o 技术是无线通信领域中智能天线技术的重大突破，m i m o 技术可 以在不用增加系统的带宽的情况下提高频谱利用率和信道容量。无线通信中 的多径效应，频率选择性衰落和其它干扰使得无线通信的高速率数据传输有 很大困难，而m i m o 技术从多用户共享资源的角度出发，不再把多径信道中 的干扰和衰落作为不利因素加以抑制，而是通过各种技术手段加强这些影响 的变化强度和速度，加强多用户系统中的多用户分集增益，使多径效应作为 有利因素加以利用。 另外，作为多天线技术的典型应用，波束形成技术通过调整阵列天线阵 元激励的权值，使阵列方向图波束主瓣指向有用信号，在干扰信号方向形成 较低旁瓣或零陷，从而从空间上分离信号或不同的用户，起到“空间滤波 的作用，可以提高接收端的信噪比。但要实现真正意义的波束形成，需要接 收端向发射端反馈大量的信道状态信息，这样会引起很大的频谱资源的开销， 使得系统复杂度提高。最近研究中，将多用户分集与发射波束形成相结合， 提出了机会波束形成技术( 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 f ) 。机会波束形成 技术只需反馈用户的信道质量，而不用反馈信道系数，降低了反馈量。当小 区内有很多用户时，机会波束形成方案的性能逼近理想获得信道状态信息时 的发射波束形成技术的性能。 1 2 研究现状 目前无线通信系统中的多天线技术主要包括分集合并技术、智能天线技 术、与编码结合的m i m o 技术。其中，分集合并技术可以抵抗无线衰落信道 中多径传播带来的衰落：智能天线技术通过信号的空间特征来增强期望、抑 制干扰；m i m o 技术则利用了充分的散射环境中的丰富多径，与编码技术结 合提高了信道容量。 除了利用空间独立支路进行分集合并技术对抗衰落以外，多天线阵列提 供的自由度还可以用来抵销干扰的影响，进行空间滤波。通过调节不同阵元 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 上信号的相位、幅度增益，在特定方向形成波束，通过波束指向增强期望信 号，抑制干扰。阵列天线的重要特点是可以灵活调整天线阵元加权值形成特 定波束方向图，将主波束对准期望信号，零陷对准干扰信号，一个零陷或一 个波束都会占用一个空间自由度。 除了传统的基于智能天线的波束形成以外，近年来研究较多的是多输入 多输出( m i m o ) 波束形成。m i m o 技术适用于散射丰富的无线环境，通过 多天线发射端编码以及接收波束形成，构成空间并行信道传输信息，提高了 数据传输速率。m i m o 与波束形成结合技术的研究最早由t e h r a n i 提出，之 后便受到学术界的广泛重视【l 训。 m i m o 无线通信能够在多用户蜂窝通信系统中，通过多天线实现同时向 多用户发送数据，提高了系统的吞吐量。近年来在m i m o 广播信道中的研究 表明，脏纸编码( d i r t yp a p e rc o d i n g ，d p c ) 技术可以获得接近、甚至达到理 想信道容量的性能【5 ，倒。但这种方法需要基站通过某种方式获得完整的信道状 态信息，而且计算量很大，构成复杂，所以在实际中较难实现。一种简化策 略是应用t o m l i n s o n h a r a s h i m a 非线性预编码技术【7 1 们。此技术借用脏纸编码 的思想，在发射端采用非线性预消除干扰来实现空间复用增益的目的。虽然 这种算法的复杂度比脏纸编码技术有一定程度降低，所以在实用角度方面来 说还是有很大限制。几种代替策略是使用波束形成或者是块对角化技术，但 是通过空分多址技术向不同用户发送并行数据流，仍然需要发射端知道每个 用户的完整信道状态信息【i l - ”】。 基站获得每个用户的信道状态信息的方法主要有下面几种：一是在时分 复用系统中，基站利用上下行信道的互易性，通过对上行信道的测量来估计 下行信道的状态信息【1 6 1 。但时分复用系统不仅需要特殊的硬件系统，而且需 要特殊的协议【1 7 , i s 】。对波束形成或空分多址系统，一般的反馈信道可以通过 有限的反馈发送信道状态到基站【1 9 - 2 4 1 ，尽管有限的反馈可以有效降低反馈复 杂度，但需要高分辨率的码本，因为此系统对量化噪声比单用户情况更敏感。 一个有效的能够降低反馈量的方法是通过均值或方差信道信息计算波束形成 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 或预编码权值，因为均值和方差为信道的统计量，变化比较慢，反馈较容易。 基于均值和方差的波束形成技术在信道没有直视路径或空间相关性较低时， 效果不是很理想。 一种有效的降低反馈的方法是利用多用户通信系统中固有的机会均等特 性。最好的方法是采用机会波束形成( 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 f ) 技 术【2 5 2 9 】。通过机会波束形成技术，基站随机选择一个波束发送训练序列，每 个用户都将此波束的接收信噪比反馈回发射端。基站根据用户反馈的信噪比 采用一定的调度策略选择信道最好的用户进行通信。当小区内用户很多时， 机会波束形成策略能够获得与理想波束形成策略相同的性能。 2 0 0 2 年d a v i d 、p r a m o db i s w a n a t h 和r a j i vl a r o i a 在论文“o p p o r t u n i s t i c b e a m f o r r n i n gu s i n gd u m ba n t e n n a s 一中首次提出“机会波束形成 的概念。 之后几年内，国内外出现了很多研究机会波束形成技术的文献。文献【3 0 】和 文献 3 1 】是简单的机会波束形成的扩展，d t s e 提出的机会波束形成只有基站 为多天线，而接收端是单天线，根据信息论知道获得信道总容量的最优方法 是把所有的系统资源都分配给信道条件最好的用户。而文献【3 l 】中，作者将 机会波束形成技术扩展到接收端多天线的情况，通过酉矩阵将用户信道分解 为多个并行子信道，发送并行的子数据流，文章提出有效信干噪比来代替信 干噪比反馈回基站，并以此为参量计算信道容量选择通信用户。但此方法仍 然是每个时隙只跟一个用户通信，所有功率都分配给此用户，这并不是最佳 的方案。 文献 3 2 】提出了在接收端单天线情况下，将每个时隙发送训练序列时间 分成多个小的微时隙，提高酉矩阵的可选择性，进一步提高分集增益。每个 微时隙基站生成一个随机波束，选择信道条件最好的一个用户计算信道容量， 最后比较每个微时隙的信道容量，选择信道容量最大的酉矩阵作为加权矩阵 进行通信。此方法使酉矩阵与信道的匹配度增强，提高了系统性能。此方法 称为o b f s ( o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n g s e l e c t i o n ) 。o b f 与o b f s 的主要区 别在于用户选择最好的波束进行数据通信，所以o b f s 更快的收敛到理想波 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 束形成方案的信道容量。o b f 和o b f s 都只发送一个数据流，所以不能充分 利用m i m o b c 的容量增益。为解决此问题，可以采用机会s d m a ( o s d m a ) 【3 l 】，基站利用随机酉矩阵同时生成多个随机波束，同时发送给多个用户，最 后为每个波束选择信干噪比最大的用户通信。生成的波束数m 固定时，随用 户数的力的增加，此方案的总容量为m l o g ( 1 0 9 ( n ) ) ，这与发射端精确知道信 道状态信息时所获得的容量一致。 文献【3 3 】将微时隙的概念引入到o s d m a 系统中，即每个徼时隙基站都 生成多个正交波束，每个用户向基站反馈最大的信干噪比和相应的波束标号 到基站，基站为每个波束选择信干噪比最大的用户，计算系统总容量，最后 比较每个微时隙的信道容量，选择使系统总容量最大的酉矩阵形成多个正交 波束进行数据通信。我们把这种系统称为o s d m a s 。此方法将o b f s 推广 到多个用户的情况，产生多个波束发送多个数据流，同时，又通过波束选择 提高了文献1 3 1 中的系统的信道容量。相比于其它m i m o b c 策略，此方案 仅需要很少的信道信息( 波束标号和量化信干噪比) 。 功率分配技术既可以抵抗衰落，又能够将用户间干扰控制在可接受的范 围，是提高通信质量的重要技术手段。传统的固定资源分配，也就是等功率 分配下，系统的性能受到信道条件最差的用户的影响。目前，最优的功率分 配方案为注水原理功率分配，信噪比大的用户分配较多的功率，信噪比小的 用户分配较少的功率，从而达到使系统容量最大。但此功率分配策略需要迭 代运算，势必会造成时延并提高复杂度。 如果我们调整发射机功率使得接收机信噪比保持一恒定值，则称为信道 衰落反演( c h a n n e li n v e r s i o n ) 。经过信道反演后的衰落信道等效于一个时变 的a w g n 信道，所以信道反演技术常用于固定速率调制和固定编码设计中。 针对固定传输速率的完全信道反演具有实现的简易性，但由于需要大量的发 射功率来补偿信道的深衰落，相比于其他技术有较大的容量损失，所以比较 好的方法是使用改进的信道反演策略。 哈尔滨下程大学硕士学位论文 1 3 论文的主要工作及结构安排 本文主要研究多用户m i m o 系统中的机会波束的性能。简单分析了机会 波束的原理及对系统性能的影响，同时针对机会波束对用户具有自适应的截 断，引入了截断信道反演功率分配策略，在对系统容量损失不大的情况下， 大大简化了系统复杂度。 论文首先对无线通信的发展进行了回顾和概述，指出了多天线技术对未 来通信的重要性，尤其是其中的m i m o 技术，由于在阵列增益，分集增益及 空间复用方面的优势，是未来高速率通信的关键技术之一。 在第二章中，简单介绍了多天线技术，多天线技术主要包括。分集技术， 智能天线技术，及多输入多输出的m i m o 技术。论文从接收分集和发射分集 两方面讨论分集对系统性能带来的影响。m i m o 技术，起源于天线分集技术 与智能天线技术，它是多输入单输出( m i s o ) 和单输入多输出( s i m o ) 的结合， 集合了两者的特性。 在第三章中，首先介绍了波束形成及机会波束形成的基本概念。机会波 束形成引用波束的概念，通过酉矩阵在发射端对信号进行加权，形成正交的 发射波束。多用户系统中，每个用户都反馈回最大的信干噪比及其对应的波 束标号，基站收集所有用户的反馈信息，为每个波束选择信干噪比最大的用 户进行通信。此方法充分利用了信号的空域信息，降低了多用户通信形成的 共信道干扰，从而提高系统性能。此方案采用比例公平调度算法进行通信用 户的选择，每个时隙都选择信道条件接近其自身峰值的用户，也就是选择统 计意义上条件好的用户进行通信，保证了通信的公平性。本章仿真了机会波 束形成对m i m o 系统性能的提高。 在第四章中，介绍了基于微时隙波束选择的机会波束形成技术。微时隙 技术是增强形成正交波束的酉矩阵的选择性，也就是增强波束的选择性，这 样就能使波束与用户的匹配更高，提高通信性能。同时将微时隙技术扩展到 接收端多天线的情况。本章还对最优微时隙数的选择进行了讨论，波束的选 择性与数据通信时间之间是相互矛盾的，我们从数据分析和蒙特卡洛仿真两 6 哈尔滨丁程大学硕士学何论文 方面给出了最优的微时隙数。最后论文还仿真了采用微时隙波束选择后的系 统性能的提高。 在第五章中，介绍了注水原理功率分配和截断信道反演策略功率分配对 系统性能的影响。传统的等功率分配，使系统性能受限于信道条件差的用户。 注水功率分配是最优的功率分配策略，能使系统性能更好，但此注水分配方 案需要迭代运算，由此带来时延和系统复杂度的提升。所以基于机会波束形 成能对通信用户进行自适应的截断，我们可以采用截断的信道反演策略对功 率进行分配。此功率分配策略虽然比注水功率分配使系统容量有很小的损失， 但却大大降低了系统的复杂度。本章最后仿真了注水策略功率分配和截断信 道反演功率分配策略对系统性能带来的影响，最后还对这两种策略的性能进 行了对比。 最后，全面总结本文的工作，并指出了今后需要继续研究的方向和重点。 本论文主要完成的工作如下： ( 1 ) 将微时隙技术扩展到接收端多天线的情况 微时隙技术加强了机会波束的选择性，每个微时隙，系统都从由码本产 生的酉矩阵集中选择一个酉矩阵生成多个波束发送给用户，发送端和接收端 的多天线配置和加权酉矩阵使基站与用户间形成多个独立的并行子数据流， 每个用户都将所有子信道的有效信干噪比反馈回发射端，基站计算每个用户 的信道总容量，最后选择容量最大的用户。训练符号阶段结束之后，基站选 择使信道容量最大的酉矩阵及其对应的用户进行通信。 ( 2 ) 提出基于机会波束截断的信道反演策略的功率分配方案 最优注水功率分配需要不断反馈信道状态信息和迭代计算才能得到各子 信道发射功率，不适于高速数据通信。基于此，提出了截断的信道反演策略 功率分配方案。因为机会波束形成阶段，系统对用户进行了自适应截断，将 信道条件差的用户截断不进行数据通信，然后系统对功率进行信道反演策略 分配，使被选中的通信用户的信干噪比相等。此方案与注水策略功率分配相 比，在系统容量下降很小的情况下大大降低了系统的复杂度。 7 哈尔滨下程大学硕十学位论文 第2 章多天线技术 为适应现代通信对数据速率的要求，多天线技术应运而生。多天线技术 具有抵抗信道衰落，抑制干扰，提高系统容量等优点，受到越来越多的关注。 本章主要介绍多天线技术中的分集和m i m o 技术。分集技术用来抵抗信道衰 落引起的损耗，通过多径信道传输相同的信息，适用于可能存在深度衰落引 起信噪比严重恶化的场合。m i m o 技术通过在发射端和接收端使用多天线， 充分利用空间的资源，不用增加系统的带宽和总的发送功率，却能对抗无线 衰落的影响，大大提高信道的容量和系统的频谱利用率【3 4 ，3 5 1 。 2 1分集 无线通信系统中，由于多径的影响，多普勒效应严重影响通信质量。对 多径衰落信道来说，小规模衰落的空间驻波效应使接收信号的平均信噪比大 大下降，频率选择性衰落引起的符号间干扰会使接收机的性能更加恶化。对 多普勒信道来说，除了多径信道的影响以外，多普勒扩展可能影响到锁相环 的正常工作，使得通信质量进一步恶化。为对抗多径衰落，改善无线链路性 能，现代无线通信系统广泛使用各种分集技术。无论是经典的还是现代的分 集合并技术，原理都是将两条或多条信道上携带同样信息的信号副本合并起 来，以增加接收信号整体的信噪比。分集的基本思想是：利用两个或更多个 以不相关的模式衰落的独立副本。例如，一些信号的样本可能经历了深衰落， 而同时另外一些副本没有经历深衰落，即衰减得较少。也就是说所有样本信 号同时经历深衰落的概率很小。所以，采用合理的方式将这些样值进行合并 就会大大降低衰落的影响，同时也能提高系统传输的可靠性【3 6 如。 分集的基本出发点是多径信道的各个分集路径上传输相同的信息。如果 两条或多条衰落信道上接收包含相同信息的信号，接收机就可以通过不同策 略对信号进行合并，使得合并后的信号的信噪比能够提高，最终达到更好地 从信号中解调出有用的信息的目的。所以分集对于可能出现深衰落导致信噪 比严重恶化的场合，具有非常重要的意义。信息副本在衰落信道中通过不同 8 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 的路径传输，理论上可以通过不同的方法来获取这些信息的副本。常用的获 取信息副本的方法有：( 1 ) 在空间上使用多根接收天线，即空间分集：( 2 ) 在频率上使用多个不同频率，即频率分集；( 3 ) 在时间上使用多个不同时隙， 即时间分集，等等。时间分集的缺点是在时间域引入了冗余，同样，频率分 集在频率域上引入了冗余，使带宽利用率降低。空间分集也称作天线分集， 是无线通信中抗衰落的强有力的技术。典型的空间分集方案是在接收端或发 射端由空间上分开排列的多个天线阵列来实现，获取空间分集的方案的本质 取决于天线的配置即s i m o ，m i s o 或m i m o 。天线阵列中天线间隔使得各 接收天线的信号互不相关。发射的信号副本以空间域冗余的形式到达接收端， 与频率分集和时间分集相比，空间分集不会在带宽利用率上带来损失。这一 特性使数据能更高速率地传输。空间分集能为系统带来阵列增益和分集增益。 根据发射端或接收端是否使用多根天线，我们把空间分集分为两类：发 射分集和接收分集。接收分集是在接收端利用多根天线接收多个信号的独立 副本。合理合并接收的发射信号的多个副本能大大降低多径衰落影响，提高 系统总的接收信噪比。发射分集是在发射端利用多根天线，发射信号经过发 射机处理之后由多根天线辐射出去。 2 1 1 接收分集 接收分集在将信号送给解调器之前先将多个接收天线上独立的信号副本 合并为一路信号。合并的策略有很多种，它们的性能和复杂度互不相同。大 部分合并策略都是线性合并：合并输出信号是各个衰落支路加权求和。对多 个支路进行合并需要让它们彼此同相。如果只是第f 个支路的相位，那么可 以将此之路乘以= a t e 们( a l 0 ) 来使各支路同相。这需要各支路进行相干 检测得到各自的相位毋。如果不是同相信号进行合并，那么各支路信号合并 相加可能增强也可能被减弱。 分集的主要目的是对独立的衰落信号进行合并，减小多