（通信与信息系统专业论文）多用户jt+mimo系统中的下行功率分配算法研究.pdf

重庆邮电大学硕十论文 摘要 摘要 近来的研究表明，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 e o u t p u t ) 技术可以显著提高无线通信系统的频谱利用率。然而，m i m o 技 术要求系统使用多个发射天线和接收天线同时同频地发射和接收数据，大 大增加了接收机的检测复杂度，从而限制了m i m o 理论研究成果的应用。 联合传输( j t ) 技术是一种面向接收的技术，其中接收端算法被优先 确定并且尽可能简单，发送端算法根据信道信息和接收端算法来选择。当 j t 技术与m i m o 技术结合时，不仅能带来系统容量和性能上的提高，还 能极大地降低接收端的计算量和复杂度。联合传输技术分为线性与非线性 两大类，非线性联合传输技术如非线性迫零( t x n z f ) 有着较好的能量效 率由于其较高的编码复杂度而不易实现。线性联合传输技术的编码复杂度 较低，容易实用化，因而成为人们研究的重点。但是，线性编码存在较大 的能量增益，使用户间的多址干扰增大，直接影响系统的总容量。同时由 于信道估计误差的影响，使整个系统的通信质量有较大的降低，这样需要 好的功率分配算法来克服这些问题。 目前，多用户m i m o 系统中用户间功率分配算法主要是“迭代注水算 法”。但是，关于“迭代注水算法”的研究都集中在上行链路以及非多径 信道的情况下，对于下行方向和多径时延信道，还没有给出较好的解决方 法。同时，在j tm i m o 系统中，由于其预编码的特性，天线上的发送功 率是无法调整的，因此，“迭代注水算法”不适合用于j t m i m 0 下行链路。 本文主要探讨多用户j tm i m o 系统下行链路的功率分配算法。首先， 给出j tm i m o 系统下行链路的干扰模型，然后在此基础上分析理想信道 信息和非理想信道信息分别对降低多用户m i m o 下行检测复杂性的联合 传输技术性能造成的影响。然后，借鉴基于归一化链路增益矩阵的最优】；c 率控制思想，提出一种适用于多用户j tm i m o 下行链路的最优功率分配 算法，通过调整每个用户的发送功率而不是每根天线上的发送功率，在满 足每个用户s i n r 相等的前提下，使所有用户的传输性能最好，从而提高 能量效率。另外，还给出了。种联合功率分配算法以改进最优传输功率分 配算法存在的缺陷。 关键词：多用户m i m o ，联合发送技术，干扰模型，最优功率分配，联合 重厌邮电人学硕十论文 摘要 功率分配 i i 重庆邮电大学硕十论文 摘要 a b s t r a c t r e c e n t l yt h er e s u l t si nl a b st e s t i f yt h a ts p e c t r a le f f i c i e n c yu s i n gm i m o t e c h n o l o g y c a nb ei n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y h o w e v e r , m i m ot e c h n o l o g ) ， t h o r o u g h l yr e q u i r e sm u l t i p l et r a n s m i ta n dr e c e i v ea n t e n n a st o t r a n s m i ta n d r e c e i v ed a t ai nt h es a m ef r e q u e n c ys i m u l t a n e o u s l y t h e r e f o r e ，t h er e c e i v e r s e a l c u l a t i v ec o s tf o rm i m 0s y s t e mi sm u c hh i g h e rt h a ns i s os y s t e ma n dt h i s d r a w b a c kl i m i tt h ea p p l i c a t i o no fm i m ot h e o r y an o v e lm u l t i u s e rt r a n s m i s s i o ns c h e m e w h i c hi sa na l t e r n a t i v er a t i o n a l e f o rt h ed o w n l i n ko fm i m os y s t e mt e r m e dj o i n tt r a n s m i s s i o n ( j t ) t h ej ti s r e c e i v e r ( r x ) o r i e n t a t i o n ，i nw h i c ht h er e c e i v e ra l g o r i t h m sa r eap r i o r ig i v e n a ss i m p l ea sp o s s i b l e ，a n dt h et r a n s m i t t e ra l g o r i t h m sh a v et ob eap o s t e r i o r i a d a p t e du n d e rc o n s i d e r a t i o no fc h a n n e lk n o w l e d g e w ec a nc o n c l u d et h a tt h e s y s t e mp e r f o r m a n c ea n dc a p a c i t yc a nb es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e db yj tm i m o s c h e m e a n dj tm i m oc a ng r e a t l yr e d u c er e c e i v e r se a l e u l a t i v ec o s tf o r m u l t i - u s e rm i m od o w n l i n k f i r s t i n v e s t i g a t i o nf o rj tm i m oc o n c e r n sl i n e a r t r a n s m i t t e ra l g o r i t h m sa n dn o n l i n e a rt r a n s m i t t e ra l g o r i t h m s t h en o n l i n e a r t r a n s m i t t e ra l g o r i t h m sh a v ep r e f e r a b l ee n e r g ye f f i c i e n tb u tr e s t r i c t e db y c o d i n gc o m p l e x i t y t h e l i n e a rt r a n s m i t t e ra l g o r i t h m sw h i c hh a v el d w e r c o m p l e x i t ya r em o r eu s a b l e ，s oi tb e c o m e st h ef o c u so ft h es t u d y h o w e v e r ， t h ee n e r g yg a i no fl i n e a rc o d i n gw i l li n c r e a s et h em a ia n di s lw h i c ha r et h e m a i ni m p a i r m e n t st h a td e g r a d et h ep e r f o r m a n c eo faw i r e l e s sl i n k m e a n w h i l e ， c h a n n e le s t i m a t i o ne r r o ra l s oi m p a c to nt h eq u a l i t yo ft h ew h o l es y s t e m t o c i r c u m v e n ta b o v e - m e n t i o n e dd r a w b a c k ，p o w e rc o n t r o la t t a i n e da t t r a c t i o n i nm u l t i - u s e rm i m os y s t e m ，t h eo p t i m u ms o l u t i o ni sw e l lk n o wa n di s b a s e do nd i a g o n a l i z i n gt h ec h a n n e lm a t r i xa n dt h ed i s t r i b u t i n gt h ep o w e ro v e r t h ec h a n n e le i g e n m o d e si na “i t e r a t i v ew a t e r f i l l i n g ”f a s h i o n t h ei t e r a t i v e w a t e r f i l l i n ga l g o r i t h mo p t i m i z e st h ep o w e rd i s t r i b u t i o no nt r a n s m i ta n t e n n a s o fe a c hu s e rt om a x i m i z et h es u mc a p a c i t y b u tu n f o r t u n a t e l y , i nm a n yc a s e s i nd o w n l i n ko fj tm i m os y s t e mt h et r a n s m i tp o w e ro na n t e n n a sc a nn o tb e a d j u s t e d s ot h ei t e r a t i v ew a t e r - f i l l i n ga l g o r i t h mi sn o ts u i t a b l ef o rj tm i m o i nt h i sp a p e rw ep r e s e n tap o w e rd i s t r i b u t i o na l g o r i t h mf o ri m p r o v i n gt h e p e r f o r m a n c ei nm u l t i - u s e r j tm i m os y s t e m f i r s t ，w ep r e s e n tai n t e r f e r e m o d e lf o rj tm i m od o w n l i n ka n da n a l y s e st h ei m p a c tb yc h a n n e le s t i m a t i o n 1 1 1 重庆邮电大学硕+ 论文摘要 e r r o r 。t h e n ，w ec o n s i d e ro p t i m u mt r a n s m i t t e rp o w e rd i s t r i b u t i o na n dp r e s e n ta j o i n tp o w e rd i s t r i b u t i o na l g o r i t h mf o rj tm i m od o w n l i n k i nt h i sp o w e r d i s t r i b u t i o na l g o r i t h m ，r i o tt h ep o w e ro na n t e n n a sb u tt h et r a n s m i t t e rp o w e r s o fa l lt h eu s e r sa r ea d j u s t e dj o i n t l yt oi n s u r et h a tt h et a r g e ts i n ro fe a c hu s e r i sa c h i e v a b l ew h i l et h ea g g r e g a t et r a n s m i s s i o np o w e ri sm i n i m i z e d k e yw o r d s ：m u l t i u s e rm i m o ，j o i n tt r a n s m i s s i o n ( j t ) t e c h n o l o g y i n t e f e r e m o d e l ，o p t i m u mp o w e rd i s t r i b u t i o n ，j o i n tp o w e rd i s t r i b u t i o n 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，也不包含为获得重麽壑直太差或其他教育机构 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己 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 缮舅 签字日期：工d 卯年s 月1 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重迭邮电太堂有关保留、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，允许论文被查阋 和借阅。本人授权重庆壑豆塞堂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适用本授权书) 学位论文作者签名： 鸳霪 导师签名 忍破 f 签字日期：工一4 7 年f 月，9 日 签字日期：莎b 夕年厂月石日 1 1 重庆邮电人学硕十论文第一章绪论 1 1 m i m o 技术概述 第一章绪论 随着蜂窝移动通信，因特网和多媒体业务的发展，人们对通讯的质量 提出了越来越高的要求，宽带高速数据通信服务的需要正在不断增长。但 是，有限的频谱资源严重制约了通信和网络的发展。这是因为在传统的无 线通信系统中，发射端和接收端通常都只有一根天线，这种系统被称为单 输入和单输出( 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。根据s h a n n o n 于 1 9 4 8 年在“通信的数学理论”一文给出的信道容量公式，确定了它在噪 声信道中进行可靠通信的速率上限，以后的电信工作者无论使用怎样的调 制方案和信道编码方法，都无法超越它，只能一点一点地接近它。这似乎 成了一个公认的，不可逾越的界限，也成了现代无线通信发展的一大瓶 颈。 多输入多输出( 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 ) 技术的出现， 从根本上打破了人们以往对无线频谱效率认识上的桎梏，它将经典的 s h a n n o n 信息论扩展到更加广义的m i m o 信息论，是信息理论的一次重大 飞跃，对无线通信的系统结构，调制解调技术编译码方法信号检测技 术以及信道估计等各个方面都产生了极其深远的影响。 发 送 端 接 收 端 图1 1m i m o 系统信道模型 重庆邮电大学硕七论文第一章绪论 多输入多输出m i m o 技术就是在无线链路的发送端和接收端都使用 多根天线。图1 1 为一个基本的m i m o 系统模型，有k 。个发送天线和k 。 个接收天线，传输信息流d 经过空时编码形成个信息子流，这个信息 子流由k 。个天线发送出去，经空间信道后由足，个接收天线接收。多天线 接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现 最佳的处理。特别是这个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频 带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线问的通道响应独立，则多入多 出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空闽信道独立地传输信 息，数据率必然可以提高。m i m o 将多径无线信道与发射、接收视为一个 整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优 的空域时域联合的分集和干扰对消处理。 系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传 输率。对于发射天线数为k 。，接收天线数为k 。的多入多出( m i m o ) 系统， 假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设置。、“很大，则信道容量c 近似 为： ，、 c = im i n ( k 8 ，“) i b l 0 9 2 l i ( 1 j 1 ) 、一， 其中口为信号带宽，为接收端平均信噪比，r a i n ( k b ，如) 为如，匕的较 小者。上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上 限随最小天线数的增加而线性增加。因此，多入多出对于提高无线通信系 统的容量具有极大的潜力。 可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是 说可以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发 送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。利用m i m o 技术可以提高 信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。目前，m i m o 已经被列为第四代移动通信的关键技术。 1 9 9 5 年，t e l a t a r l 2 1 首次推导了在高斯噪声存在时多个发射天线系统的 容量表达式。之后，f o s c h i n i 和g a n s 3 1 推导出在假设衰落准静止( 在一段 长时间里保持不改变，然后以相互独立的方式变化) 时的截至容量。1 9 9 6 年，f o s c h i n i 提出了分层空时码【4 】，它利用天线之间的不相关性，在各天 线上发送不同的信息。1 9 9 8 年，t a r o k h t s l 提出的空时格形编码( s p a c e t i m e t r e l l i sc o d e ，s t t c ) 是把多天线发射分集和编码联合考虑，提出了构造准 静念瑞利衰落信道下满分集增益和高编码增益的系列准则。但是，当发射 天线固定时，其接收机复杂度随着传输速度的增大成指数形式增长。1 9 9 8 2 重庆邮电大学硕十论文第一章绪论 年，a l a m o u t i 6 】提出了空时分组码( s p a c e t i m e b l o c kc o d e s t b c ) 的结构， 由于其j 下交结构使得译码非常简单，但a l a m o u t i 的编码方案只是针对发送 端为2 天线时提出的。1 9 9 9 年，t a r o k h 按正交设计理论拓展了空时分组 编码理论，构造了发射天线数大于2 的芷交空时分组码。1 9 9 8 年， w o l n i a n s k y 等人采用垂直一贝尔实验室分层空时( v b l a s t ) 编码建立了 一个m i m o 试验系统博j ，在室内试验中达到了2 0 b i t s h z 以上的频谱利用 率。这些工作引起了人们的极大关注，并使得m i m o 的研究工作得到了迅 速的发展。 虽然m i m o 系统的研究已经取得了较大的进展，但是距离m i m o 技 术大规模投入商用还需要很长一段时间，因为还有许多实际问题需要解 决，这些问题包括下几个方面： ( 1 ) 天线的数量和间距 天线的数量和天线之间的距离是m i m o 系统设计的关键参数，要实现 m i m o 系统的高频谱效率，需要较多的天线。但是，在基站安装大量的天 线，会对周围的环境造成定的损害，因此天线的数量应限制在中等的水 平。为了保证天线阳j 的相关性较小，天线间的问距应足够大，一般选择为 1 0 个波长。如果使用4 根双极化天线，在2 g h z 的频率上，占用的空间约 为1 5 米。而对于移动终端，半个波长的天线间距足以保证有相当数量的 不相关衰落，天线的最大数量预计为4 根，占据7 5 c m 的空间，这对于蜂 窝手机是比较困难的，即使是安装2 根天线也成问题。因此，天线间距要 求成为一个非常严重的问题。 ( 2 ) 接收机的复杂度 m i m o 接收机与s i s o 接收机相比，复杂度明显增加，这是由于多用 户，多天线的存在，消除空间干扰的空时合并器和信号检测器的设计变得 异常复杂；m i m o 接收机受周围环境的散射影响，存在角度扩展和时延扩 展，在均衡和干扰抵消方面需要一些附加的处理：由于整个信道矩阵的每 一条路径延时都需要及时跟踪和更新，而不是只跟踪和更新单个系数，这 使得m i m o 信道估计十分复杂；额外的复杂性还来自增加的r f 链和相应 的基带运算单元等。对于蜂窝手机，电池的寿命长短与复杂度密切相关。 ( 3 ) m i m o 信道模型 m i m o 系统的性能，在很大程度跟所处环境的多径信号的性质有关， 特别要受各条路径之间的相关度、时延扩展和角度扩展的影响，因此，了 解和掌握户内和户外环境中，无线m i m o 信道的特性，对实现潜在的巨大 信道容量、取得预期的性能、选择合适的系统结构和设计优良的信号处理 重庆邮电大学硕十论文第一耄绪论 算法至关重要为此除了一些必要的实际测量外，必须建立合适的信道模 型，用于预测系统的性能和评估算法的优劣。为了适应无线信道的时变特 性，不仅需要建立m i m o 信道的静态模型，还要建立特定的动态模型，因 为提出新的和更具体的信道模型，可用于分析现有的传输算法是如何影响 系统的性能的，同时为适应这些更具体的模型要求，是否能提出一些新的 算法。传统的无线系统的传播模型己成为了标准，不过到目前为止，i t u 还未制定相应的m i m o 信道模型标准，3 g p p 已制定出了有关m i m o 的信 道模型标准。 ( 4 ) 信道状态信息( c s i ) 估计 m i m o 信道的识别、对于己知信道应如何设计最佳发送信号一设计出 适合于大多数信道模型的通用信号、接收端信号处理如何对应信号设计， 这些都是实际可用的m i m o 系统必须考虑的闯题。使用最优的发送信号方 案，可以大大简化对接收信号的处理。一旦发送方案确定，就可以确定各 种接收端的结构，当前的研究热点是考虑信号处理结构在性能和处理复杂 性两者之间折衷。 ( 5 ) 系统集成和信号设计 在未来的4 g 系统中，m i m o 技术将发挥巨大的作用，但还有很多工 作需要广大学者进行：研究开发适合蜂窝网络的m i m o 链路；设计利用 m i m o 信道实现在降低干扰和提高速率之间最优的折衷算法；m i m o 算法 如何应用在由于用户移动造成的快速时变信道中；减少附加天线所带来的 干扰；基于m i m 0 的物理层和m a c ( 媒体接入控制) 层主要功能的分析及 两者之间的相互作用；多用户情况下所引入的多址干扰等。 其中，接收机的高复杂度，是阻碍m i m o 技术商用化的最主要的因素。 特别是在下行链路方向，高复杂度直接导致了移动终端的高成本和高耗电 量，这对用户以及设备商来说，都是难以接受的。幸运的是，联合传输( j o i n t t r a n s m i s s i o n j t ) 技术的出现，很好的解决了这一问题。 1 2 联合传输技术的提出 与联合检测技术( j o i n td e t e c t i o n ，j d ) 相对，p w b a i e r 等人在文献f 9 1 提出了一种新的适用于m i m o 系统下行链路的多用户传输技术，联合传输 技术( j t ) 。它是一种面向接收的技术，在这种技术中，接收端算法是优 先确定的，并且为发送端已知，发送端在考虑了信道信息和接收端算法的 情况下，随后确定出与之匹配的发送端算法【9 】【1 3 1 。它可以充分的利用t d d 蕾 4 重庆邮电大学硕十论文第一章绪论 上下行信道冲激响应近似相等的特性，下行不需要利用训练序列估计信 道，可以将训练序列的部分用来传送有用数据，因此提高了m i m o 下行链 路的有用数据速率，提高了系统容量。联合传输技术最重要的优点是：优 先确定接收端算法，而且与传统的以j d 为特征的m i m o 系统相比，接收 端不需要做信道估计，每个移动台只需一个线性滤波器来完成数据检测， 因此大大的降低了接收机的计算量，从而可以实现手机处理简化，进一步 可以达到小型化、低功耗、低价格的用户要求。 图1 2 说明了基于传输迫零( t x z f ) 准则的联合传输技术的基本原理。 口“( b b “) 一 图1 2 基于t x z f 准则的联合传输技术基本原理图 联合发送的基本原理就是联合检测的反过程，在联合检测中，一个到 达所有用户的共同的接收信号在接收端通过j d 算法获得各自的发送端传 来的数据，联合发送应用于下行链路基站发送端，一个共同的发送信号在 发送端进行预均衡，通过信道后，由接收端用户各自解扩自己的有用信号。 1 3 选题意义 目前，j t 技术分为线性与非线性两大类，非线性联合传输技术，如 t h p l l 4 1 和传输非线性迫零( t x n z f ) 【l 5j 等，可以在保证传输质量的同时将 发送功率控制在一个较低的水平，但其编码复杂度较高。线性联台传输技 术【拍l 的编码复杂度较低，容易实用化，是一个十分值得研究的领域。但是 线性预编码存在较大的能量增益，使用户间的多址干扰增大，直接影响系 统的总容量。同时，由于信道估计误差及信道衰落的影响，使整个系统的 通信质量有较大的降低。因此，为克服以上不利因素，在线性联合传输技 术中，功率分配是个必不可少的环节。 e t e l a t a r 在文献【1 7 】提出了适用于单用户m i m o 系统的“注水算法”， 通过合理调整每根天线上的发送功率，也就是在对于较好的信道分配较大 的发送功率，较差的信道分配较小的功率，来提高系统容量。在此基础上。 w e i y u 等人在文献i l8 j 中给出了“迭代注水算法”，将注水功率分配算法扩 5 重庆邮电火学硕十论文第一章绪论 展到了多用户m i m o 系统。目前，关于“迭代注水算法”的研究都集中在 上行链路以及非多径信道的情况下，对于下行方向和多径时延信道，还没 有给出较好的解决方法。同时，在j tm i m o 系统中，由于其预编码的特 性，天线上的发送功率是无法调整的，因此，“迭代注水算法”不适合用 于j tm i m o 下行链路。 本文主要讨论下面三个问题： ( 1 ) 建立基于多用户i tm i m o 系统下行链路的干扰模型，并分析信 道估计误差及噪声对系统性能的影响。 ( 2 ) 提出一种适用于多用户j tm i m o 系统下行链路的功率分配算 法，通过调整每个用户的发送功率而不是每根天线上的发送功率，在满足 每个用户s i n r 的前提下，使所有用户的发送总功率最小。因而可以较大 的提高系统的能量效率，从而提高系统容量。 ， ( 3 ) 在多径时延信道环境中对功率分配算法进行性能仿真分析。 1 4 论文结构 本文主要研究了适用于多用户j tm i m o 下行链路中信道估计误差以 及噪声对系统性能的影响，并在此基础上提出一种适用的功率分配算法， 全文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章首先介绍了m i m o 系统以及联合传输技术产生的原因、发展以 及基本原理。 第二章首先给出了多用户m i m o 下行链路模型，在此基础上详细推导 了降低多用户m i m o 下行检测复杂性的联合传输技术的矢量模型，讨论了 调制矩阵和解调矩阵的选择。 第三章给出多用户j tm i m o 下行链路的干扰模型，并在此基础上分 析了信道估计对多用户j tm i m o 下行链路传输性能的影响， 第四章针对给出的链路干扰模型，提出一种可以较好的改善信道估计 误差带来的影响并能提高系统能量效率的多用户j tm i m o 下行链路功率 分配算法。在多径时延信道环境中对其进行仿真分析。 第五章概括性地总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 6 重庆邮电大学硕十论文第二章多用户m i m o 系统下行链路联合传输技术 第二章多用户m i m o 系统下行链路联合传输技术 信息论结果说明，在无线信道中使用m i m o 系统能在不增加信道带宽 的情况下，显著地提高通信系统的容量和频谱利用率。由于m i m o 系统的 巨大容量潜力和频谱效率，使它成为解决无线高速数据传输的重要技术。 然而，m i m o 系统的巨大容量潜力带来了巨大的计算复杂度，目前m i m o 的检测算法( 信道估计加联合检测) ，它不仅有复杂的检测算法，而且还 需要信道估计，而这些都要由移动终端来完成，极大的增加了移动终端的 计算量。 近年来，m i m o 系统的研究已经取得了较大的进展，特别是联合发送 ( j t ) 技术的出现，为解决了m i m o 系统的高接收复杂度问题提供了新的 途径。j t 是一项相对于联合检测( j d ) 技术的发送预编码技术，它利用 t d d 模式上下行链路无线信道冲击响应近似相同的特点，将j d 系统中需 要在移动终端进行的复杂检测运算搬到基站完成。j t 技术与多用户m i m o 系统相结合( 简称j tm i m o ) ，不仅能极大地降低接收端的计算量和复杂 度，还能带来系统容量和性能上的提高。本章首先给出了多用户j t m i m o 下行链路模型，在此基础上详细推导了降低多用户m i m o 下行检测复杂性 的联合传输技术的矢量模型，并在此基础上导出了数据检测算法。 2 1 多用户j tm i m o 下行链路联合传输模型 ，b , k m t ， ： 孑值 二 7 图2 1 多用户m i m o 下行链路联合传输模型 图2 1 给出了多用户m i m o 下行链路联合传输模型，假定一个基站服 务k + f 副s 终端。基站采用根发送天线阵，每个移动终端采用如根接 重庆邮电大学硕十论文第二章多用户m i m o 垂丝：! 堑壁堕壁盒焦堑壁查 收天线阵。因此，基站和每个移动终端间的链路都建立了一个m i m o 结构， 总的系统是一个多用户的m i m o 结构。 基站为每个移动终端发送个数据符号： d = ( 研d ) ， k = 1 ，k ( 2 1 ) 将发送给足个移动终端的数据表示成总的数据矢量： d = ( 1 d 。岬= ( d l ) 7 ( 2 2 ) 长度为k n 的数据矢量d 通过调制矩阵m 完成线性调制，被映射为一个 k 。s l 的空自 扩频信号( s = n $ o ，& 为扩频因子) ： f = ( f 刷) 7 = “t x n s ) 7 = m d ( 2 3 ) t ( k s ) 是由第( = 1 ，k 8 ) 根发射天线发送的s x l 维的空间信号，m 是一个 k b b k n 阶矩阵，调制矩阵的设计在第2 4 节给出。 基站第k 。根发射天线和第七个移动终端肌的第“根接收天线间的信 道冲激响应为： 缸h ，= ( 耐k , k s “磁k s 4 j t ) ) 7 ( 2 4 ) 可构成( s + w - i ) x s 信道卷积矩阵： k = ( 卅凡) ，i = 1 ，s + w hj = 1 ，s ( 2 5 ) 日终k ，) ： 钨，1 f 一，+ 1 形 “。 0 ， 其他 ( 2 6 ) k = 1 ，k ；= 1 ，k s ；= 1 ，k m 也就是： h 蚀k 8 j m k p 0 p 咖 p 山 寥七日，锄 o ( i ，) w l 矗妒山 。b ， h ( 。k , k s , 叫( s + 矿1 ) s 由此可以推导出基站和第女个用户间的信道冲击响应( ) s 重庆邮电人学硕十论文第二章多用户m i m o 系统下行链路联合传硷i 堑壁 f ( 圳) 日( k k a , 1 ) 1 。 日：l !； l ( 2 7 ， 【日( “j 日( 蹦幽，j j 则第个移动终端的接收信号为： 一”= 胃仙f( 2 8 ) 设n ( t 为第t 个移动终端处的噪声，则第k 个移动终端的接收信号变为： r ( ) ；p 陆+ 珂) = + 玎)( 2 9 ) k 个用户的总的接收信号为： ，= ( r 1 7 ，。r ) 7 = ( 1 r ，) 7 f + ( 刀“，) = 胁+ 行( 2 1 0 ) 是一个艇。( s + w - 1 ) x l 的向量。 2 2 数据检测 假设在无噪声的情况下，移动终端肌接收的数据r a ) 经过解调矩阵d ” 后可以得到期望的无符号间干扰( i s i ) 和用户间多址干扰( m a i ) 的用户 数据： 0 f t ) ：d 似) ，( t ) ：d ( 女f 2 ，1 1 ) 其中，解调矩阵的选择方法有很多 1 9 1 ，如何选择合适的解调矩阵，既 能达到低误码率和有效的能量传输，又可以使接收端尽可能的简化，是联 合传输技术研究的一个关键。 本文基于尽可能地简化接收机结构的设计思想，采用直接解扩进行数 据检测。也就是说，接收端只需要装备一个与分配给该用户的c d m a 扩频 码相匹配的线性滤波器就可以获得所需要的有用用户数据。 令d ( ) = c ( ) n ，c ( 为分配给用户肌的c d m a 扩频码 c ( k ) = ( 4 蠼) 7 组成的扩频码矩阵： c ：c “c ， ” ( 2 1 2 ) lj c ，k m 是对应于用户段的第k ( = 1 ，翰) 根接收天线的子扩频码矩 阵，它们相等 = ( c 嚣) i = 1 ，s + w - 1 ；j = l ，n ( 2 1 3 ) 9 重庆邮电大学硕十论文第二章多用户m i m o 系统下行链路联合传输技术 其结构为 c k m ) = 1 f s o ( j 一1 ) & 4 l 其他 w l o ( s + 矿一1 ) n x 个用户的总扩频码矩阵为c = b l o c k d i a g e c c ) 。则总的解调矩阵为 d = c “= b l o c k d i a g d m d 。其中用户以的解调矩阵d 的结构如下： = ( 解调后的数据为： g u ( s o + 1 ) 0 忙) = d ( t ) ，( ) ：d ( 月( f k 个用户总的解调数据为： d = 斜 ： 0 ( 芷) ) 二= ( 2 15 ) ( 2 1 6 ) 可以看出，采用联合传输技术，在下行链路接收端解调时，移动终端 不需要进行信道估计，而只需要装备一个与各自的c d m a 扩频码相匹配的 线性滤波器就可以完成数据检测。 l o 锄 鹊o ，【 = n j c 重庆邮电大学硕十论文第二章多j j 户m i m o 系统下行链路联合传输技术 2 3 调制矩阵的确定 联合传输技术是一种面向接收端的技术，也就是它优先确定接收端的 解调矩阵d ，然后根据己确定的解调矩阵d 和由信道估计得到的信道矩阵 日，随后确定与之相匹配的调制矩阵m 。 由图2 2 所示的信道传输概念可以引入调制矩阵肘的确定方法。 b t r ： 卦d 州 mhd t = m d，= h td = d r 。d = d h t = d h m d d h m = i 幽3 4 信道传输概念 在没有噪声的情况下，发送数据可以在接收端被完美的恢复出来，也 就是： d = d = d r = d h t = b a 纠( 2 17 1 其中，b = d h = c “h 为系统矩阵，大小为k n k 。s ，一般来说有 k 咖。，tr a c e r ：1 ” 成立时，才能找到一个非理想信道信息情况下的伪信噪比尹，。，它 能与在理想信道信息情况下的伪信噪比以。具有相同的误比特率。 关系式3 4 5 的推导可以说是本节的主要目的。因为通过式3 4 j 可以 计算出当发送端采用的是非理想信道信息时，为了达到与理想信道信息相 同的传输性能，应增加的允。，换句话说，可以计算出在噪声相同的情况下， 系统需要多大的传输能量来抵消非理想信道信息带来的影响。它量化了由 子非理想的信道信息系统所要付出的代价。 重庆邮电大学硕士论文第四章下行信道功率分配算法 第四章下行信道功率分配算法 通过3 1 小节的讨论，我们知道在没有信道估计误差的情况下，t x z f 能够达到对于。的最佳性能。但是，它付出的代价是，可能使发送端的 符号传输能量品变得非常大，这是线性联合传输算法不能避免的。而通过 3 2 小节，我们知道，非完美的信道信息会劣化系统的传输质量，而要抵 消这种性能的劣化，只能进一步提高符号传输能量。对于c d m a 之类的干 扰受限通信系统来说，符号传输能量的提高，会使用户间的多址干扰增大， 直接影响系统的总容量。因此，我们需要一种适用于传输端的功率分配算 法，可以降低非理想信道信息带来的性能劣化，并使符号传输能量保持在 较低的水平。 目前，m i m o 系统中讨论得较多的是e t e l a t a r 在文献i ”】提出的适用于 单用户m i m o 系统的“注水算法”，这种算法把信道日分成r a n k ( h 1 个相 互之间独立并行的子信道，根据各个子信道的好坏来分配不同的发送功 率：信道好，全力发送；差一些，相应的减小发送功率；当某一信道太恶 劣时，再分配给它功率无助于容量的增加，那么只好关闭这个信道。在此 基础上，w e iy u 等人在文献【i8 l 中给出了“迭代注水算法”，将注水功率分 配算法扩展到了多用户m i m o 系统，对每个用户k ，把其他用户的信号看 成是加性噪声。此时可以对其运用单用户的“注水算法”，反复迭代，直 到取得问题的最优解。目前，关于“迭代注水算法”的研究都集审在上行 链路以及非多径信道的情况下，对于下行方向和多径时延信道，还没有给 出较好的解决方法。同时，在j tm i m o 系统中，由于其预编码的特性 天线上的发送功率是无法调整的，因此，“迭代注水算法”不适合用于j t m i m o 下行链路。 本章首先给出了改进的多用户j tm i m o 下行链路联合传输模型，以 此为基础，借鉴文献 2 4 1 中基于归一化链路增益矩阵的最优功率控制思想， 提出一种适用于多用户j tm i m o 下行链路的最优传输功率分配算法，通 过调整每个用户的发送功率而不是每根天线上的发送功率，在满足每个用 户s i n r 的前提下，使所有用户的传输性能最好，从而提高能量效率。另 外，还给出了一种联合功率分配算法以改进当用户数较多时最优传输功率 分配算法存在的缺陷。 重庆邮电人学硕十论文 第四章下行信道功率分配算法 4 1 最优传输功率分配 4 1 1 非理想信道信息下的s i n r 由第三章的讨论可知，完美的信道估计是不可能存在的，同时，由于 某些预处理算法的局限性，矩阵d h m 不可能为一个单位矩阵，用户的干 扰来自 s i 、m a i 以及加性噪声。为了方便后面的讨论，我们给出用户女在 非理想信道信息下的s i n r 。 首先，我们将系统矩阵按用户数分解成k 个子矩阵，则对应于第k 个 用户的子系统矩阵为： = ( p 甚州+ ，) 7 - ， 由此可以构造用户k 的调制矩阵： 扩k p ”( 卧阻 ( 4 ：) 于是，就可以对每个用户的数据d 恤) 分别进行调制： ；m ( 。彬。f 4 3 1 总的发送信号为所有用户信号之和： f ：y 一( 4 ，4 ) 篙 这时，式2 9 可以改写为： 这样，我们将多用户j tm i m o 信道分解成了丘个相互平行的单用户 j t m i m o 信道，对于第 个用户来说，其他k 一1 个用户的信号可以看成是 加性噪声。传输模型如下图。 5 似 i 即+r 。盛 日+ i f 阿 = i r 重庆邮电大学硕七论文第四章下行信道功率分配算法 日( 1 ) 、 _ 。h 姻一。? ，一 | “，。 ( 2 f，、 ，7鼍 - ，。k m 。一 h f ) t i 图4 1 改进的多用户j tm i m o 下行链路联合传输模型 通过把多用户j tm i m o 信道进行分解，我们可以分别对每个用户的 发送能量进行调整，这也是基于用户的功率分配算法的基础。现在，我们 仿照3 1 小节，重新推导用户k 的s i n r 。 已知基站为每个移动终端每帧发送的个数据符号z ”h = l ，属 于一个有限符号集，并且是广义平稳的，均值为零，协方差矩阵为： 彤= 辱渺d 州 = 磷 ( 4 6 ) 通过式3 2 和式3 3 ，可以得到用户k 的数据符号研”的平均发送能量为： ”= p 玎”砑= p ” 。掣，川， ， 和该用户在这一帧中的平均符号发送能量： 批土n 勃# - i ) = 譬肋卯眇叫 s ， 设影响用户k 的噪声信号打冲是高斯，零均值的广义平稳随机过程，它 与d 是相互独立的，其协方差矩阵为： 群) - e 渺万耻， = 仃耻7 ，( 制5 一啪 ( 4 9 ) 由上一章的讨论可知，在非理想信道信息的情况下，脚中的所有 元素不都为零，