（通信与信息系统专业论文）无线mimoofdm通信系统中线性预编码技术研究.pdf

摘要 摘要 多天线( 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 ) 系统利用多根发射接收天线 来收发数据，可以有效地抑制信道多径衰落，在不增加系统带宽和天线发射功率 的前提下，使得信道容量随着天线数量( 最小发射，接收天线数) 线性增大，从 而提高频谱利用率。因此m i m o 技术已经成为下一代( b 3 g ) 或第四代( 4 g ) 移 动通信的核心技术。 但m i m o 技术只能抵抗信道的多径衰落，在面对频率选择性衰落时，不能抵 抗符号间干扰( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s l ) 。因此在在遭遇频率选择性衰落信 道时，多使用正交频分复用多载波调制技术( 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 ) 。因为o f d m 技术与m i m o 相比具有更高的频谱利用率， 以及抗多径衰落的能力，o f d m 技术已成为未来移动通信的另一项关键物理层技 术。 线性预编码技术( l i n e a rp r e e o d i n g ) 在信号发送之前，利用发射端获得的信道 信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) 对信号进行预处理，可对信道进行均衡， 甚至在发射端得到信道的完美信道信息时，能够将信道平行化，从而可有效地提 高系统容量、可靠性或小区天线的覆盖半径等。由于预编码技术多用于基站到用 户的下行链路，预编码算法只在基站使用，因此能够降低终端的解码复杂度，提 高其电池续航时间。因此在m i m oo f d m 系统中结合使用预编码技术已经作为第 三代移动通信伙伴计划( 3 耐g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ，3 g p p ) 中长期演进计 划( l o n g t e r me v o l u t i o n ，l t e ) 中的一项核心技术。 第二章介绍了预编码技术所使用信道信息的获取方式，预编码系统结构以及 预编码器的设计准则。但由于m i m o 系统的信道信息通常包含信道衰落矩阵的幅 值和相位信息，特别结合使用o f d m 技术之后，造成其反馈量巨大而无法在实际 系统中应用。因此本文着重介绍了能够使用较少反馈量的有限反馈的预编码算法。 第三章介绍了一种利用o f d m 系统中相邻子载波间频率响应相关性压缩反馈 量的子空间跟踪算法。在对子空间跟踪算法分析后，提出了一种旋转码本设计的 预编码码本设计方法。这种改进的码本设计方法可以有效地提高子空间跟踪算法 性能。 第四章在对子空间跟踪算法影响性能关键步骤进行数学分析，提出了一种新 摘要 型的跟踪距离，该距离可以使得子空间跟踪算法所包含的预编码矩阵更接近最优 的预编码矩阵，从而提高子空间跟踪算法的性能。 由于信道在相关时间内的同样具有相关性，因此将子空间跟踪算法加以改进， 提出了时域跟踪算法，并通过仿真证明了该算法具有反馈量低，性能增益大的特 点。在使用时域跟踪算法时，我们所提出的新型跟踪距离仍优于采用弦距离的时 域跟踪方法。 最后对全文进行了总结，提出了未来预编码技术的一些研究方向。 关键词：m i m o ，o f d m ，有限反馈预编码，子空间跟踪，空时码，空分复用 i l a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s sm 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 ，m i m o ) c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， w h i c hu s e sm u l t i p l et r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n ga n t e n n a st ot r a n s m i ta n dr e c e i v ed a t a , i s a b l et oc o m b a tm u l t i p a t hf a d i n gi nt h eh a s hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t m o r e o v e r , u n d e rt h eb a n dw i d t ha n dp o w e rc o n s t r a i n t ，t h ec a p a c i t yo fam i m os y s t e m i sl i n e a rp r o p o r t i o n a lt ot h em i n i m u mn u m b e ro f t h et r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n ga n t e n n a s s m c et h es p e c t r u me f f i c i e n c yi si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yb yt h em i m ot e c h n o l o g y , i th a s b e e nw i d e l ya c c e p t e da st h ec o r et e c h n o l o g yo ft h eb 3 go r4 gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n h o w e v e r , d u et ot h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l ，t h ew i r e l e s sm i m o c o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a l ln o tc o m b a tt h ei s i ( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e , i s i ) t os o l v e t h ea b o v em e n t i o n e d p r o b l e m ，t h eo 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 n m u l t i p l e x i n g , o f d m ) i sa p p l i e di nt h es y s t e m ，w h i c hm a yf a c et h ef r e q u e n c ys e l e c t i v e f a d i n gc h a n n e l c o m p a r e dw i t hm i m o ，t h eo f d mt e c h n o l o g yh a sh i g h e rs p e c t r u m e f f i c i e n c ya n di ss t r o n g e ri nc o m b a t i n gc h a n n e lf a d i n gc a u s e db ym u l t i - p a t h ，t h e r e f o r e o f d mt e c h n o l o g yh a sb e e na c c e p t e da sa n o t h e rv e r yi m p o r t a n tt e c h n o l o g yo ft h e p h y s i c a ll a y e rf o r t h ef u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m l i n e a rp r e c e d i n gt e c h n o l o g y , w h i c hm a k e su s eo ft h ec s i ( c h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n , c m ) t oe q u a l i z et h ec h a n n e l ，e v e np a r a l l e lt h ec h a n n e li fp e r f e c tc s ii s a v a i l a b l ea tt h et r a n s m i t t e r , i sa b l et oi m p r o v et h ec a p a c i t yo rt h er e l i a b i l i t yo ft h e s y s t e m ，o re n h a n c et h ec o v e r a g eo fac e l l ，a n de t c t h ep r e c e d i n gt e c h n o l o g yi su s u a l l y i m p l e m e n t e di nt h eb a s es t a t i o nf o r t h ed o w n l i n k ，t h e r e f o r et h ec o m p l e x i t yo fd e c o d i n g a tt h et e r m i n a lc a l lb er e d u c e d ，a n dt h ee n d u r a n c eo ft h eb a t t e r yi se x t e n d e d f o rt h o s e b e n e f i t sc a nb ea c q u i r e db yp r e c e d i n g , t h ep r e c o d i n gt e c h n o l o g yc o m b i n e d 谢mm i m o o rm i m o o f d mt e c h n o l o g yh a sb e e nw r i t t e ni nt h es t a n d a r do ft h e3 g p p ( 3 帕 g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t , 3 g p p ) l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) i nc h a p t e rt w o ，w eb r i e f l yi n t r o d u c e dt h ew a yt r a n s m i t t e rg e t st h ec s i ，t h e f r a m e w o r ko fap r e c o d i n gs y s t e m ，a n dh o wt od e s i 印t h ep r e c o d e r d u et om i m o s y s t e mt h ec s ia l w a y sc o n t a i n st h ea m p l i t u d ea n d t h ep h a s ei n f o r m a t i o n ，t h ea m o u n to f f e e d b a c kf o rp r e c o d i n gi st o oh u g et oo v e r w h e l mt h ef e e d b a c kl i n k ，e s p e c i a l l yw h e n l i i a b s t r a c t o f d mi su s e d s ot h a t ，p r e c o d i n gb e c o m e sh a r dt oi m p l e m e n ti nt h ep r a c t i c a lw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n b a s e do nt h eo b s e r v a t i o n ，i nt h i sd i s s e r t a t i o nw em a i n l yf o c u s e do n r e d u c i n gt h ed a t ar a t eo ft h ef e e d b a c k ，f o ri n s t a n c et h el i m i t e df e e d b a c kp r e c o d i n g t e c h n o l o g y i nc h a p t e rt h r e e ，s u b s p a c et r a c k i n ga l g o r i t h mi si n t r o d u c e dt of u r t h e rr e d u c et h e a m o u n to ff e e d b a c kb i t s ，w h i c hb a s e do nt h ec o r r e l a t i o no ff i e q u e n c yr e s p o n s eb e t w e e n a d j a c e n ts u b c a r r i e r si nt h eo f d ms y s t e m a f t e ra n a l y z i n gt h es u b s p a c et r a c k i n g m e t h o d ，w ep r o p o s e dan o v e lw a yt og e n e r a t ep r e c o d i n ge o d e b o o k , w h i c hi sr o t a t i o no f t h eb a s em a t r i xw h e ng e n e r a t i n gp r e c o d i n gc o d e b o o k i nc h a p t e rf o u r , w eu s em a t hw o r k st oa n a l y z et h em o s ti m p o r t a n ts t e pi ns u b s p a c e t r a c k i n ga l g o r i t h m b a s e do nt h ea n a l y s i s ，w ep r o p o s e dan o v e ld i s t a n c e , t h em a t r i x e u c l i d i a nd i s t a n c et ob et h em e t r i cu s e di ns u b s p a c et r a c k i n g t h en o v e ld i s t a n c e o u t p e r f o r m st h eo r i g i n a lo n ep r o v e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s d u et ot h ec o r r e l a t i o no fc h a n n e l ，w h e nt h ec h a n n e li sw i t h i nt h ec o h e r e n c et i m e ， w ei m p r o v et h es u b s p a c et r a c k i n gt oi m p l e m e n ti nt h et i m ed o m a i n t h ep r o p o s e dt h e t i m ed o m a i nt r a c k i n ga l g o r i t h mh a sl o w e rf e e d b a c kr a t ea n db e t t e rp e r f o r m a n c ew h e n t h ea m o u n to ff e e d b a c ki ss a m e f i n a l l y , s o m ec o n c l u s i o no ft h ew h o l ed i s s e r t a t i o ni sd r a w n ，a n dt h ef u r t h e r r e s e a r c hi s s u e sa n dp o s s i b l ed i r e c t i o na r ep o i n t e do u t k e y w o r d s ：m i m o ，o f d m ，l i m i t e df e e d b a c kp r e c o d i n g ，s u b s p a c et r a c k i n g ，s p a c e - t i m eb l o c kc o d e ，s p e c i a lm u l t i p l e x i n g i v 图目录 图目录 图1 1m i m o 信道模型2 图1 2o f d m 系统框图3 图2 1 采用信道对等方式获取信道信息6 图2 2 采用反馈方式获取信道信息一7 图2 3 单用户预编码系统模型7 图2 - 4 空分复用编码器结构8 图2 5 空时编码器结构8 图2 - 6 线性预编码器结构模型9 图2 7 完美信道信息下预编码平行化信道ll 图2 8 完美信道信息预编码容量与m i m o 系统容量比1 2 图2 - 9 完美信道信息预编码容量与m i m o 系统容量增益一1 3 图2 1 0 完美信道信息g 2 预编码误码率1 3 图2 1 1m i m o o f d m 系统中有限反馈预编码框图1 5 图2 1 2m i m o o f d m 系统中有限反馈预编码设计流程1 6 图2 1 3 空时码系统有限反馈预编码误符号率2 3 图2 1 4 空时码系统有限反馈预编码误符号率一2 4 图2 一1 5 空分复用系统有限反馈预编码误符号率2 5 图3 1 分簇示意图2 6 图3 2 分簇有限反馈预编码误码率性能比较2 7 图3 3 子空间跟踪算法流程图2 8 图3 - 4 子空间跟踪算法示意图2 9 图3 5 子空间跟踪误码率31 图3 - 6 多比特子空间跟踪误码率3 2 图3 。7 万4 旋转码本高相关性误码率一3 6 图3 8z r 4 旋转码本中等相关性误码率3 7 图3 - 9 石4 旋转码本高相关性多跟踪比特误码率3 8 图3 1 0 石8 旋转码本高相关性误码率一3 9 图3 1 1 多角度旋转码本高相关性误码率3 9 图4 - l 新型跟踪距离高相关度误码率4 5 图4 2 高相关度等效信道增益差4 6 图4 32 比特跟踪新型跟踪距离中等相关度误码率4 7 图4 43 比特跟踪新型跟踪距离高相关度误码率4 7 图4 5 新型跟踪距离高相关度z f 解码误码率4 9 图4 - 6 新型跟踪距离高相关度m l 解码误码率5 0 图4 7 时域跟踪算法示意图5 l 图4 81 比特时域跟踪误码率p = 0 9 5 3 v i i 图日录 图4 - 9l 比特时域跟踪误码率p = 0 7 。5 4 图4 102 比特时域跟踪误码率p = 0 9 5 4 图4 - l l 不同打孔长度误码率比较5 5 图4 一1 2 空分复用系统2 比特时域跟踪z f 解码误码率5 6 v i i i 表目录 表目录 表3 1c o s t2 0 7 多径衰落信道参数3 0 表3 2 不同码本大小的最小距离3 4 表3 33 g p pc a s ec 多径衰落信道参数3 5 表3 - 4o f d m 系统参数3 5 表4 1 不同跟踪距离邻域计算复杂度4 4 表禾2 邻域计算复杂度举例4 4 i x 缩略词表 1 g 2 g 3 g 3 g p p 4 g k n g r b 3 g b e r b l a s t b p s c d m a c s i c s i t d f t e v d f d d f d m a g s m g p r s i c i i i d i s i m i m o m m s e q a m o f d m q o s t h e1 负g e n e r a t i o n t h e2 i l dg e n e r a t i o n t h e3 i dg 即e r a t i o n 缩略词表 3 一g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t n e4 t l lg e n e r a t i o n a d d i t i v e 嘶t eg a u s s i a nn o i s e b e y o n d3 f dg e n e r a t i o n b i te r r o r r a t i o b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e b i tp e rs e c o n d c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s c h a n n e ls a t ei n f o r m a t i o n c h a n n e ls a t ei n f o r m a t i o na tt r a n s m i t t e r d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r l n e i g e nv a l u ed e c o m p o s i t i o n f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x i n g f 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 ga c c e s s g l o b es y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c r i n t e rc a r r i e ri n t e r f e r e n c e i n d e p e n d e n ti d e n t i c a l l yd i s t r i b u t e d i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t m i n i m i z em e a ns q u a r ee r r o r q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n 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 q u a l i t yo fs e r v i c e x 第一代 第二代 第三代 第三代移动通信伙 伴计划 第四代 加性白高斯噪声 超三代，下一代 误码率 分层空时编码 比特每秒 码分多址 信道信息 发射端信道信息 离散傅立叶变换 特征值分解 频分双工 频分多址 全球移动通信系统 通用无线分组服务 子载波间干扰 独立同分布 符号问干扰 多输入多输出 最小均方误差 正交幅度调制 正交频分复用 服务质量 缩略词表 q p s k s d m a s e r s i s 0 s m s n r s v d t d d t d m a w i m a x z f q u a d r a t u r ep h a s e s h i f tk e y i n g s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s s y m b o le r r o rr a t i o s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t s p a f i mm u l t i p l e x i n g s i g n a l - - t o n i o s er a t i o s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s z e r o - f o r c i n g x i 正交相移键控 空分多址 误符号率 单输入单输出 空间复用 信噪比 奇异值分解 时分双工 时分多址 全球微波互联接入 迫零 符号表 符号数学含义 变量 常量 向量 向量元素 矩阵 矩阵元素 单位阵 转置 共轭转置 矩阵求逆 数学期望 方差 服从分布 复高斯分布 求和 求积 求最小值 矩阵求秩 矩阵行列式 不等于 约等于 远大于 硬判决 取实部 取虚部 虚数单位 符号表 x l l 字体和说明 小写斜体 大写 小写粗体 向量a 的第f 个元素 大写粗体，m 行n 列 矩阵a 第f 行第列所对应的元素 n 维单位阵 矩阵不可逆时取伪逆 随机变量服从某种分布 均值为0 ，方差为伊2 j = 打 哪 k k 。， 妒一， 硎口a a”附矿一吣d n叫州嘶刚嘶嘶， 符号表 整数域 高斯函数 求最大值 求取最大值自变量 求最小值 求取最小值自变量 组合数 f r o b e n i u s 范数 属于集合 并集 z o ，1 ，2 g ( ) m a x ( ) a r g m a x ( ) m i n ( ) a r g r a i n ( ) c ： i i | l f u x i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它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 说明并表示谢意。 签名： 玉盥喳匕日期：2 j d o 子年牛月c 牛日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 主亟缸 导师签名 日期 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本论文的研究背景及意义 1 1 1 无线通信发展趋势 自从第一代模拟移动通信系统商用开始至今，在短短十几年间第二代数字移 动通信系统( 2 g ) 就发展成熟；从如今如火如荼的第三代移动通信系统( 3 g ) ， 到正在研发过程中的第四代移动通信系统( 4 g ) ，可以说人们在追求任何时间、任 何地点，以任何方式和任何人进行通信的愿望从来没有停止过。同时随着无线通 信技术的飞速发展，无线通信技术已经深入到国民生产生活之中，成为经济发展 的一个重要支撑力量。 在移动通信的发展史中，第一代移动通信为模拟系统，采用频分多址i l 儿2 j ( f d m a ) 模拟调制方式，仅能提供语音服务。由于其频谱资源利用率低，保密性 差等缺点很快就被第二代移动通信所代替。 第二代移动通信为数字通信系统，以采用时分多址【l 】( t d m a ) 的陆地蜂窝移 动通信系统( g s m ) 为代表，与第一代相比具有频谱利用率高，保密性好，提供 多种服务等优点；但其数据传输速率仅为1 4 4 k p s ，不能适应信息时代的话音、图 像等数据结合多媒体业务。因此迫切需要一种能够提高传输速度的通信方式，基 于此种需求第三代移动通信技术应运而生。 第三代移动通信以码分多址( c d m a ) 为核心【2 】，并且采用了r a k e 接收机， 功率控制等关键技术，其数据传输速率可达2 m b i t s ，能都支持多媒体业务，同时 向下兼容第二代移动通信技术，达到了平稳过渡。目前国际电联接受的3 g 标准共 有4 个，我国提出的t d s c d m a ，美国提出的c d m a2 0 0 0 和w i m a x ，以及日本 欧洲提出的w c d m a 。目前第三代移动通信已经在欧洲、日本等国家使用，中国 也进入了试验阶段。 人类对数据传输速率的要求从来都是没有上界的，下一代( b 3 g ) 或成为第四 代移动通信( 4 g ) 的关键性技术已经开始研究，其主要的要求是将数据传输速率 达到1 0 0 m b i t s 。而我国的f u t u r e 计划已成功实现了1 0 0 m b i t s 的高速数据传输目 标，可以提供包括高清视频点播在内的众多需要高速数据支撑的实时性业务。 电子科技人学硕十学位论文 在第四代移动通信中为了提高频谱利用率，采用了众多的物理层技术，诸如 多输入多输出( m i m o ) 和j 下交频分复用多载波调制技术( o f d m ) d i 4 】【5 【6 】技术。 1 1 2m i m o 基本理论 由于全球移动通信用户的规模不断扩大，除对无线通信系统所能提供的语音 服务要求不断增长外，同时对高速的数据传输业务的需求也逐年递增，因此迫切 的需要对无线通信系统的频率利用率进行提高。在这种背景下，9 0 年代中后期由 a t & tb e l l 实验室所提出的一种全新的通信系统结构，即m i m o 通信系统应运而 生。 m i m o 通信系统采用多根发送接收天线对多个子数据流同时发送和接收，由 于各个发射信号占用同一个频段，并未增加系统所需的带宽。如果发射天线与接 收天线间的信道互不干扰，则m i m o 系统可使得信号可在并行的空间同时传播， 大幅度的提高频谱利用率。在理想情况下，m i m o 系统的复用增益为收发天线间 最小数目，其容量与复用增益成线性关系【7 l 。 图1 1m i m o 信道模型 图1 1 表示为发射天线数为砰，接收天线数为凡的m i m o 系统，其信道衰落 矩阵为h 舢l 。在该系统中，每根接收天线接收到的信号为而根发射天线所发射 的信号和。 接收信号可表示为： y = h s + n ( 1 1 ) 其中，s = s l ，s ：，s h 为发射向量；y - - y 。，y ：，y 如 为接收向量；n 为加性 2 第一章绪论 高斯白噪声( a d d i c t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ，a w g n ) ， h = 即中表示第， 根发射天线到第f 根接收天线的信道增益，各项独立同分布。 1 1 3o f d m 基本理论 _ _ _ _ _ j - 图i - 2o f d m 系统框图 o f d m 具有有效地抵抗信号多径传输所造成的符号间干扰，且能提高系统带 宽的自身特性，而被3 g p p 的长期演进计划采用为新型的无线接口技术，同时也成 为第四代移动通信的核心技术【引。 o f d m 的基本原理是将高速的数据流通过串并变换，并将相对低速的数据流 分配到若干相互正交的子信道并行传输。对于单个子信道中的符号在时域上周期 可以得到增加，因此可以减轻由于无线信道的多径衰落所引起的时延扩展。同时 在o f d m 符号间插入了循环前缀( c i r c l ep r e f i x ，c p ) ，只要所插入的保护间隔大 于无线信道的最大多径时延即可消除多径所带来的符号间干扰。 o f d m 技术，首先在频域上将一个宽带信道分成个相互正交的子信道进行 传输，其次对于每一个子信道使用一个子载波进行调制。由于个子载波总是并 行的窄带传输，因此尽管信道具有频率选择性衰落，对于每个子信道都可认为是 平坦衰落。因此o f d m 技术可以克服频率选择性衰落。 综上，使用o f d m 技术可以抵抗由于多径产生的符号间干扰和信道的频率选 择性衰落。 3 电子科技人学硕十学位论文 1 2 本论文的主要研究内容和创新 1 2 1 课题来源 本课题来源于与d o c o m o 公司北京实验室的两个合作项目： 2 0 0 7 9 与d o c o m o 公司合作项目：p r e c o d i n gf o rm u l t i u s e rm i m o s y s t e m sw i t hl i m i t e dr a t ef e e d b a c k ，m i m o o f d m a 下行信道多用户有限反馈 预编码研究； 2 0 0 6 7 q 0 0 7 7 与d o c o m o 公司合作项目：m i m o 系统下的预编码技术 研究； 在上述项目中，作者参与了对o f d m 中空时码和空分复用两种系统结构有限 反馈预编码技术的创新性研究。 1 2 2 论文研究的核心问题 本论文研究了如何在m i m o o f d m 系统中使用预编码技术以提高通信系统性 能。预编码技术使用的必要条件是发射端能够获得信道信息，由于m i m o 系统的 信道信息同时包含幅度信息和相位信息，因此在实际系统中，特别是o f d m 系统 中存在反馈量巨大而无法实际应用的问题。 因此如何在反馈速率受限制的条件下使用预编码技术是一个非常具有价值的 核心问题。本文就此问题做了较深入的研究。 1 2 3 主要内容及创新 为了在实际系统中使用预编码技术。本文主要研究了无线m i m o o f d m 通信 系统中有限反馈预编码技术。在进一步压缩预编码算法所需反馈量的子空间跟踪 算法基础上，针对m i m o o f d m 系统的特点，提出了： 基于旋转的新型预编码码本设计算法； 采用新型距离的子空问跟踪算法； 利用时间相关性的时域跟踪算法； 新型距离的子空间跟踪算法和时域跟踪算法在空分复用系统中的应用。 4 第一章绪论 1 3 本论文的结构安排 第二章介绍了预编码技术信道信息的获取方式，预编码系统结构以及预编码 器的设计准则。但由于m i m o 系统的信道信息通常包含信道衰落矩阵的幅值和相 位信息，特别结合使用o f d m 技术之后使得反馈量巨大而无法在实际系统中应用。 因此本文着重如何压缩反馈量，使用有限反馈的预编码算法。 第三章介绍了一种利用o f d m 系统中相邻子载波问频率响应具有相关性压缩 反馈量的子空间跟踪算法。在对子空间跟踪算法分析后，提出了一种旋转码本设 计的预编码码本设计方法。这种改进的码本设计方法可以有效地提高子空间跟踪 算法性能。 第四章在对子空问跟踪算法影响性能关键步骤进行数学分析，提出了一种新 型的跟踪距离，该距离可以使得子空间跟踪算法所包含的预编码矩阵更接近最优 的预编码矩阵，从而提高子空间跟踪算法的性能。 由于在相关时间内的信道同样具有相关性，因此将子空间跟踪算法加以改进， 提出了时域跟踪算法。通过仿真证明了新型的跟踪距离使得该算法具有反馈量低， 性能增益大的特点。 最后对全文进行了总结，并提出了未来预编码技术的一些研究方向。 5 电子科技人学硕+ 学位论文 第二章预编码技术 在无线通信系统中使用多天线技术能够带来明显的系统增益，例如，在多天 线系统中的数据传输速率随收发两端天线最小天线数目成线性递增关系；除此之 外，多天线系统还能提高系统的可靠性和天线的覆盖范耐9 1 。 但是上述系统只是利用了接收端信道信息( c s i r ) ，如果发射端也能获得信道 信息( c s l t ) ，并加以利用，系统性能将得到更大幅度的提高【l o 】。例如，在一个4 发2 收的多天线系统中，若发射端利用信道信息，能在信噪比为一5 d b 时提高一倍 信道容量，在信噪比为5 d b 时信道容量能增加1 5 b p s h z 。发射端利用已知的信道 信息对将要发送的信号进行预先处理的技术称为预编码技术。信息论的角度可证 明采用线性预编码技术可以使得系统性能最优【1 1 】【1 2 】1 1 3 】。 本章将对信道信息分类、如何获取发射端信道信息，以及在完美信道信息条 件推导最优预编码算法进行讨论。 2 1 信道信息及其建模 2 1 1 信道信息获取 在传统无线通信过程中，在接收端可以采取信道估计的方式直接获取信道信 息。而信号一旦进入信道，发射端只能通过间接的方式获取该状态下的信道信息。 幸运的是，现在的通信系统为全双工系统，因此发射端可以利用信道的对等性获 得信道信息，或者通过接收端反馈的方式获取。 信道对等的含义是，从天线a 到天线b 与天线b 到天线a 所经历的信道完全 或者近似相同，如图2 1 所示。但由于前向链路与反向链路不可能同时使用同一频 率，使用这种方法只能获得近似相同的信道信息。采用信道对等方式获取信道信 息通常在时分双工( t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g , t d d ) 的系统中应用。 图2 1 采用信道对等方式获取信道信息 6 第二章预编码技术 另一种获取信道信息的方式是通过反馈机制，如图2 2 所示，接收端b 将通 过信道估计方式获得信道信息，并通过反向链路回传给发送端a 。这种方式不受 需采用同种频率和天线空问分布相同等苛刻条件的限制，且所获取的信道信息更 加精确但是会占用一定的反向链路资源，同时还会带来反馈延迟。在频分双工 ( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x i n g , t d d ) 系统中通常使用反馈的方式获取信道信息。 h 2 1 2 信道信息模型 图2 2 采用反馈方式获取信道信息 在本论文中，我们假定接收端采用理想信道估计，可以得到无延迟、无错误 信道矩阵h = ih 。i 。发射端获取的无误、无延迟的信道信息h 称为完美信道 l - ，j k x x - x 信息。 而由于接收端反馈时存在误差和延迟，发射端所获得信道信息豆称为部分信 道信息。 由= p n + 0 - p ) n ( 2 一1 ) 其中p 为时间相关因子，是反馈延迟s 和信道多普勒频移石决定，p = j 。( 2 碱) 。 而为一类零阶贝赛尔函数【1 4 】；为错误信息。 2 2 线性预编码 图2 3 单用户预编码系统模型 7 电子科技人学硕+ 学位论文 图2 3 描述存在预编码器通信系统的结构框图。发射端由编码器和预编码器构 成。编码器将数据比特进行信源编码和信道编码，并将信息比特映射为星座点。 预编码器利用所获得的信道信息，在信号发送前进行处理。接收端将通过信道后 的信息进行解调，并将预编码器和信道结合起来视为等效信道。在下面小节中将 对以上结构进行仔细介绍。 2 2 1 编码器结构 编码器由信道编码模块、交织模块和符号映射模块构成。编码器主要由空分 复用编码器和空时编码器构成。在空分复用编码器将经过信道编码模块和交织模 块处理后的数据流直接导入到预编码器。每一路的数据流都是相互独立的，可以 使用不同的星座点调制。结构图如图2 4 所示： 数 星座点映射 鲁茎i 信道编码，l 交织器 _ 据 比特7i 旧旭剁h 分 配叫星座点映射 图2 4 空分复用编码器结构 使用空时编码器，如图2 5 所示，则先将经信道编码和交织模块处理后的数据 比特首先映射成星座点，再进行空时编码。使用空时编码后带来一定的编码增益， 即使得可靠性得到提升。但由于加入了冗余信息使得该方法在信道容量上有一定 的损失。 2 2 2 线性预编码器结构 图2 5 空时编码器结构 一个线性预编码器，如图2 - 6 所示，在数学上可以表达为波束成型矩阵，功率