（通信与信息系统专业论文）多波束机会波束成形研究(1).pdf

南京邮电大学硕士学位论文 摘要 摘要 近年来，无线通信己经逐渐成为人们日常生活中所不可缺少的组成部分。人们对通 信的要求也越来越高，人们希望在任何地点任何时间都能实现高质量通信，而大量的用户 需求反过来又促进了无线通信的发展，使得通信系统向更高的目标发展。由于未来无线通 信是面向数据的，信息论研究结果表明，如果发射端和接收端均知道信道的状态信息，利 用时间域上的注水策略( 即信道较好时刻分配较多功率，信道较差时分配较少功率甚至不 分配功率) ，可提高衰落信道的容量，但遗憾的是，只有在低信噪比条件下，衰落信道容 量才高于a w g n 信道容量。然而，如果我们的观点从传统的“点对点”通信转向多用户系统 的“点对多点”通信，情况将发生很大的变化。信息论分析结果表明，如果多用户的信道衰 落相互独立，且某一时刻只服务于一个具有最好信道的用户，则系统总的吞吐量可以最大 化，而且，系统总容量与用户数成正比，几乎在所有用户数下，衰落信道的容量高于a w g n l 、厶 1 看逼。 本文研究了基于机会波束成形的机会通信技术，尤其是多波束机会波束成形。多波束 机会波束成形又分为两种情况，一种是导频阶段采用多波束，数据阶段仍采用单波束的方 法；另一种是在导频和数据阶段都采用多波束的方法，也即：在导频阶段生成多个波束， 然后选择多个最好的用户进行数据传输，选择的依据是信号干扰噪声比( s i n r ) 而非信道增 益( 因为可能存在波束间干扰) ，这种方法在时分多址( t d m a ) 的基础上同时又产生了空分 多址( s d m a ) 增益。本文集中对它们的性能作了全面的比较，仿真结果表明采用多波束机 会波束成形增加了空域自由度，将达到扩大未来无线通信系统的总容量的目的。 南京邮电大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sh a v eb e c o m eo n ei n d i s p e n s a b l ep a r to fo u rd a i l yl i f e p e o p l eh o p et h e yc a r lc o m m u n i c a t ew i t hh i g hq u m i t ye v e r y w h e r ea ta n yt i m e ，a n dt h i sk i n do f r e q u i r e m e n tc a l lh e r e b yp u s ht h ed e v e l o p m e n to fo u rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，s u c ht h a t c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sd e v e l o pt o w a r d sm u c hh i g h e ro b j e c t i v e s b e c a u s ef u t u r ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ni sd a t a - o r i e n t e d ，r e s e a r c hr e s u l t so fi n f o r m a t i o nt h e o r yi n d i c a t et h a ti fb o t ht h e t r a n s m i t t e ra n dt h er e c e i v e rk n o wc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n , w a t e r - f i l l i n gs t r a t e g yo ft i m e d o m a i nc a ni m p r o v ec a p a c i t yo ff a d i n gc h a n n e l s p i t i f u l l y , o n l yu n d e rt h el o w e rs n rc o n d i t i o n ， c a p a c i t yo ff a d i n gc h a n n e l sw i l lb eh i g h e rt h a na w g nc h a n n e l s w h i l ei fo u rv i e w p o i n tt u r n s f r o mt r a d i t i o n a l p o i n t - t o - - p o i n t c o m m u n i c a t i o nt o p o i n t - t o - m u l t i p o i n t c o m m u n i c a t i o no f m u l t i u s e rs y s t e m ，t h es i t u a t i o nw i l lb ec h a n g e dg r e a t l y a n a l y s i so fi n f o r m a t i o nt h e o r ys h o w e d t h a t ，i fm u l t i u s e rc h a n n e lf a d i n gi si n d e p e n d e n te a c ho t h e r , o n l yt h eu s e rw i t ht h eb e s tc h a n n e la t a n yo n et i m ei ss e r v e d ，t h e nt h et o t a lt h r o u g h p u to ft h i ss y s t e mc a nb em a x i m i z e da n di s p r o p o r t i o n a lt ot h en u m b e ro fu s e r s f u r t h e r m o r e ，t h ec a p a c i t yo ff a d i n gc h a n n e lw i l lb el a r g e r t h a nt h a to f a w g nc h a n n e l s t h i sp a p e rs t u d i e st h eo p p o r t u n i s t i cc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do no p p o r t u n i s t i c b e a m f o r m i n g ，e s p e c i a l l ym u l t i b e a mo p p o m m i s t i cb e a m f o r m i n g m u l t i b e a mo p p o m m i s t i c b e a m f o r m i n gc a nb ed i v i d e di n t ot w oc l a s s e s ：f i r s t l y ，u s i n gm u l t i b e a m sa tp i l o ts l o tw h i l eu s i n g as i n g l e - b e a ma td a t as l o t ；s e c o n d l y , u s i n gm u l t i - b e a m sa tb o t hp i l o ta n dd a t as l o t ，d e c i s i o n c r i t e r i ai s s i g n a l - - t 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 ob u tn o tc h a n n e lg a i n ( b e c a u s eo fi n t e r f e r e n c e b e t w e e nb e a m s ) ，t h i sm e t h o dc o m b i n e st i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s sa n ds p a c ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s t h i sp a p e rm a k e sp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n ss y s t e m a t i c a l l y s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tm u l t i b e a m o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gc a ni m p r o v et h et o t a lc a p a c i t yo ff u t u r e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 1 i 南京邮电大学硕士学位论文 英文缩略语 英文缩略语 a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) a w g n ( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ) b 3 g ( b e y o n d3g e n e r a t i o n ) c d f ( 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 ) c d m a ( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) f d m a ( f f e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) g s m ( g l o b a ls y s t e m sf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) h s d p a ( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) i m t - 2 0 0 0 ( i n t e m a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s - 2 0 0 0 ) i s i ( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ) l d ( 1 i n e a rd i s p e r s i o nc o d e ) l o s ( 1 i n e o f - s i g h t ) m b w a ( m o b i l eb a n d w i d t hw i r e l e s sa c c e s s ) 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 ) 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 ) m r r c ( m a x i m a l - r a t i or e c e i v e rc o m b i n i n g ) 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 ) o f d m a ( 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 ea c c e s s ) p d f ( p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ) p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) s d m a ( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) s l n r ( s i g n a lt on o i s ep l u si n t e r f e r e n c er a t i o ) s i s o ( s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) s n r ( s i g n a lt on o i s er a t i o ) s t o b c ( s p a c e t i m eo r t h o g o n a lb l o c kc o d e ) 5 3 高级移动通信系统系统 加性高斯白噪声 超三代 累积分布函数 码分多址 数字用户环路 频分多址 通用分组无线业务 全球移动通信系统 高速下行分组接入 国际移动通信2 0 0 0 符号间干扰 国际电信联盟 线性分散码 视距传播 移动宽带无线接入 多输入多输出 多输入单输出 最大比值接收合并 正交频分复用 正交频分复用多址接入 概率分布函数 公共交换电话网 空分多址 信号干扰噪声比 单输入单输出 信噪比 时空正交码 南京邮电人学硕士学位论文 一j 墨墅塑旦 一tacs(t 一一 。 全接入通信系统otala c c e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 芏恹八遇1 一尔纨 t d m a ( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 时分多址 t d s d m a ( t i m e - d i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m a ) u w b ( u l t r a - w i d eb a j l d ) w c d m a ( w i d e b a n dc d m a ) w l a n ( w i r e l e s sl o c a la c c e s sn e t w o r k ) w w r f ( w i r e l e s sw o r l dr e s e a r c hf o r u m ) 时分同步码分多址 超宽带 宽带码分多址 无线局域网 无线世界研究论坛 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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 含为获得南京邮电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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：黑查釜 日期：羔盟逻：丝! 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：昊第芬导师签名研究生签名：水飧分导师签名 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 无线通信系统发展状况 第一章绪论 传统通信以话音为主要业务，随着社会的发展，人们希望通信系统能够提供更丰富的 功能，支持例如i n t e r n e t 接入、图像传输、视频点播、数据互传、电话会议等数据和多媒 体等应用，这些应用要求通信系统有更高的数据速率和服务质量，由此促使通信网络结构 和接入技术不断发展。 无线通信，相对有线通信具有巨大的便利性和低廉的建设成本，是实现“任何人 ( w h o e v e r ) 在任何地方( w h e r e v e r ) 任何时间( w h e n e v e r ) 可以同任何对方( w h o m e v e r ) 进行任何 形式( w h a t e v e r ) 通信的重要保证，一直是通信领域的研究热点。无线通信系统大致分两 类：一类为移动通信系统，主要解决大范围的连接，在各种环境下的连接性是首先考虑的， 其次才是数据速率；另一类为无线宽带接入系统，作为有线系统的替代，用于特定环境下 的高速数据传输。 移动通信系统，一般指蜂窝移动通信系统，该系统大致经历了以下几个发展阶段： 第一代起源于2 0 世纪8 0 年代，提供频分多址( f d m a f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 的模拟语音通信，典型代表为美国的a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 系统。该 系统发展到9 0 年代初，面临用户容量不够的困境。 第二代( 2 g ) 起源于2 0 世纪9 0 年代初，开始致力于提升用户容量，这个阶段开始显 现数字通信相对模拟通信的优越性，是数字语音传输的重大变革时期。典型代表有欧洲基 于时分多址( t d m a - t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea d d r e s s ) 的g s m ( g l o b a ls y s t e m sf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) 系统和美国高通公司基于码分多址( c d m a ：c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 的i s 9 5 系统。 第三代( 3 g ) 起源于2 0 世纪9 0 年代末，致力解决第一代第二代系统仅能提供话音和 低速率数据业务、用户容量不足和频谱利用率低的缺点。通过美国高通和欧洲爱立信等公 司的推动，基于码分多址的技术成为标准【l 】，主要有三个代表：美国的c d m a 2 0 0 0 、欧洲 和日本的w c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 以及中国自主提出的 t d - s c d m a ( t i m ed i v i s i o n - s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 。 为实现从2 g 到3 g 的平稳过渡，保护现有的2 g 投资，中间还出现了2 5 代技术，如 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 用于减小从g s m 向w c d m a 过渡的成本，其最大的贡献 南京邮电大学硕：t 学位论文第一章绪论 是把分组交换引入了原先基于电路交换的g s m 系统；而c d m a 2 0 0 0 l x 用于基于i s 9 5 的 窄带c d m a 系统向宽带c d m a 系统演进。 几代蜂窝移动通信系统的简单比较见表1 1 。 表1 1 蜂窝移动通信系统比较 3 代以后及第4 第1 代系统第2 代系统第3 代系统 代系统 数字语音高速数据更高数据速率 业务模拟语音 低速数据多媒体多媒体、全i p c d m a ，c d m a 结合c d m a ， 多址方式f d m a t d m a t d m a o f d m a 主要频段8 0 0 m h z 8 0 0 + 19 0 0 m h z2 g h z2 g h z + 5 g h z g s m ，i s 一9 5 ， w c d m a ， 代表 a m p s ，t a c sc d m a 2 0 0 0 ， 单一的融合标准 p h s t d s c d m a 数据速率 1 9 k b p s 14 4 k b p s 2 m b p s1 0 0 m b p s 核心网 p s t np s t n 分组网分组网 跨入新世纪后，3 g 建设刚刚起步，第三代以后( b 3 g ) 及第四代( 4 g ) 技术己经开始了研 究。2 0 0 0 年1 0 月6 日，国际电信联盟( i t u ) 在加拿大蒙特利尔市成立了 i m t - 2 0 0 0 ( i n t e m a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s 2 0 0 0 ) a n db e y o n d 工作组，负责协调分布 在欧洲、美洲、亚洲等世界各地的无线通信技术研发机构和通信设备制造公司对b 3 g 的研 究与标准化工作。我国在2 0 0 2 年3 月正式宣布启动对b 3 g 通信系统的研究工作，并于2 0 0 4 年4 月正式启动b 3 g 移动通信技术的标准化进程。这些研究主要致力解决的问题有：3 g 系统缺乏全球统一标准；3 g 所采用的语音交换架构仍承袭了2 g 的电路交换，而不是纯i p 方式；由于受到多用户干扰，c d m a 难以达到很高的通信速率等。 再来看一下宽带无线接入系统的发展。与移动通信系统从解决广泛的移动性入手然后 向高速宽带发展不同，宽带无线接入系统一开始就侧重于解决高速的无线数据传输，对移 动性和覆盖范围的支持有限。按照作用范围和支持的移动性不同，宽带无线接入系统可以 大致分为以下几类： 1 ) 室内无线：包括无线局域网w l a n ( 8 0 2 1l a b g n ) 、超宽带u w b ( u l t r a - w i d eb a n d ) 、 蓝牙b l u e t o o t h 等。 2 ) 室外固定无线：包括无线广域网中的8 0 2 1 6 a d 、固定无线宽带m m d s l m d s 等。 2 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 3 ) 室外移动无线：包括无线广域网中的8 0 2 1 6 e 、移动宽带无线接入m b w a ( m o b i l e b a n d w i d t hw i r e l e s sa c c e s s ) 等。 对几种宽带无线接入系统的主要参数比较见表1 2 。 表1 2 几种常见的宽带无线接入技术比较 w i f iw i l 议w i m a xw i m a xm b w a 8 0 2 1 1 x8 0 2 1 6 a8 0 2 1 6 d8 0 2 1 6 e 8 0 2 2 0 1 0 m h z1 0 m h z5 m h z 1 2 5 m h z 数据10 8 - 3 2 0 m b p s 带宽最高带宽最高带宽最高带宽至少 速率( 1 l n ) 5 0 m b p s5 0 m b p s1 5 m b p s1 m b p s 主要2 4 g h z - t - 1 1 g h z2 - - 6 6 g h z o ) ( 2 其中仃2 为，的方差，a 是主信号的峰值，1 0 ( ) 是零阶第一类修正贝赛尔函数。贝赛尔分布 常用参数k 来描述，k = ；，定义为主信号的功率与多径分量方差之比，用d b 表示： 2 0 k ：1 0 l g 冬 ( 2 - 1 2 ) k 值是莱斯因子，完全决定了莱斯分布。当彳专0 ，k 寸哪如，此时在接收信号中没有 主导分量时，混合信号的包络从莱斯分布转变成瑞利分布。显然，强直射波的存在使得接 收信号包络从瑞利分布变成莱斯分布，当直射波进一步增强( k 1 ) 时，莱斯分布将向高斯 分布趋进。 南京邮电大学硕士学位论文第二章无线衰落信道的传播特性 莱斯分布的概率密度函数如图2 2 ： 0 7 0 6 0 5 o 。4 o 3 0 2 0 1 0 ：k 昌0 瑞利：分布： 一一j ，i l 。一一广- i 一 i ! o ：， k = 0 5 ： _ 气7 一 f o 、 k = 2 k ：8 k = 1 8 ，一、 ?上 _- 一一一弋飞 v 、 一一f ， ， 、， ， ， 、， f 、 、 ，、 f 、 、， 、 ，、 j 、 、 一 ? j ：_ i 、 一一一一。rt-x!：-ii ii ii ii ii i 一一、 ， ， 、j ，、 ，、， ，、， 一一一l 一一 j jj “、 ，7 j 一， i ，一乏j 一、 01234567891 0 r o 图2 - 2 莱斯分布的概率分布密度 注意：莱斯分布适应于一条路径明显强于其他多径的情况，但并不意味着这条路径就 是直射径。在非直射系统中，如果源自某一个散射体路径的信号功率特别强，信号的衰落 也服从莱斯分布。 2 5 3n a k a g a m i m 分布 n a k a g a m i m 分布由n a k a g a m i 在2 0 世纪4 0 年代提出，通过基于场测试的试验方法， 用曲线拟合，达到近似分布。研究表明，n a k a g a m i m 分布对于无线信道的描述具有很好的 适应性。 若信号的包络，服从n a k a g a m i 1 1 1 ，则其概率密度函数为： p = 而2 m m r 矿2 m - ie x p ( 鲁) ( r o ) ( 2 - 1 3 ) 其中m ：磊e 2 ( r 2 ) ，n a k a g 锄i 衰落参数，为不小于1 2 的实数；q ：e ( r 2 ) ；r ( m ) ：l 川p 一，出 v a t ( r i! 是g a m m a 函数。 1 2 南京邮电大学硕士学位论文 第二章无线衰落信道的传播特性 n a k a g a m i m 概率密度函数见图2 - 3 ： 图2 3 净1 ，n a k a g a m i - m 分布莱斯分布的概率分布密度 对于功率j = ，2 2 的概率密度函数，则有 p = ( 忘面( 一争 协 式中，j = e ( s ) = 叫2 ，为信号的平均功率。 当m = 1 时，有 肿，= 告e x p ( 一毒 ：三e x p ( 一垒) ( 2 1 5 ) 1 5 2 = e x p 【一= 一) ( 2 一 则n a k a g a m i - m 分布成为瑞利分布。 另外，n a k a g a m i m 分布- - i 以用m ( 一般称为形状因子) 和莱斯因子k 之间的关系来 确定近似，即 聊= 筹 ( 2 - 1 6 ) 2 k + 1 当m 较大时，n a k a g a m i - m 分布接近高斯分布。 南京邮电大学硕士学位论文第二章无线衰落信道的传播特性 2 6 本章小结 电波传播的主要方式是空间波，即直射波、折射波、散射波以及它们的合成波，再加 之移动台本身的移动性，使得移动台与基站间的无线信道呈现多种衰落特性。本章简单介 绍了无线信道的几种基本传播特征，包括大尺度衰落，阴影衰落，多径衰落和多普勒频移。 然后介绍了多径衰落的几种衰落模型，包络瑞利分布，莱斯分布和n a k a g a m i - m 分布。 1 4 南京邮电大学硕士学位论文 第三章多用户分集和比例公平调度 第三章多用户分集和比例公平调度 3 1 多用户分集 如何提高频谱效率和数据传输速率成为下一代无线通信系统的关键问题之一。提高无 线通信系统有效性和可靠性的办法之一就是使用多个发送天线和多个接收天线，也就是多 输入多输出( m i m o ) 的通信系统，这一点已经得到了理论和实践的证吲3 】【8 】【9 】。另外一种提 高系统容量的办法就是多用户分集【l m ”j 。 实现多用户分集的途径就是公平调度( s c h e d u l i n g ) ，以平坦衰落信道为例，在多用户系 统中，基站到用户之间的衰落信道是独立随机波动的。调度的目标就是使得那些瞬时信道 增益接近峰值状态的用户获得基站当前的服务，而数据业务对有限时延的不敏感性使得这 种调度成为可能。这种利用信道的随机波动而带来的好处，就是多用户分集。 多用户分集在两个方面获得好处：一是可以使用户在好的信道条件下提高前向链路的 网络吞吐量，一是可以通过多用户分集来减少反向链路上的反馈需求。 3 1 1 单输入单输出( s i s o ) 系统中的多用户分集 从无线通信系统下行链路的一个简单例子开始：一个只有一根发射天线的基站( 发射 端) 和k 个用户( 接收端) 的系统。基带时限块衰落信道模型为 y t ( f ) = h k ( t ) x t ( t ) + z i ( f ) ， k = 1 ，2 ，k ( 3 1 ) 这里x ( t ) c 7 是时隙t 时的丁个传输符号向量，y k ( f ) c r 是时隙f 时用户k 的丁个接收符号 向量，魂( f ) c 是时隙f 时发射端到接收端k 的衰落信道增益， z 。( f ) ，是独立同分布的零 均值循环对称高斯随机向量，满足c ( 0 ，盯2 ) 。这是一个块衰落模型，在长度为r 个抽样 的时隙上信道不变。这个模型提前假定了带宽足够窄，这样信道响应在整个带宽上是平坦 的。我们假定传输功率在所有的时刻都固定为p ，即e r i i x o ) 0 2l - p t ，这对于基站而言是 一个允许接收的功率限制值。 假定发射端和接收端能够完全追踪衰落过程 h k ( t ) ) ，那么就可以把下行信道看成是一 组平行的高斯信道，每个信道对应于一个衰落状态。这个信道的总容量由发送给所有用户 的长期平均数据速率的最大可能和决定，通过一个简单的t d m a 策略就可以实现：在每个 衰落状态，总是发送给信道最强的用户【1 6 】。 15 雨京邮电大学硕士学位论文第三苹多用户分集和比例公平调厦 图3 1 ，画出了下行信道的总容量( 总的b s h z ) 对于用户数的函数图，用户满足独立 瑞利分布，平均接收s n r = o d b 。我们发现系统中总容量随用户数增加。相比而言，非衰 落信道( 每个用户有一个固定的a w g n ，s n r = o d b ) 的总容量是一个常量，与用户数无 关。值得注意的是，当用户数适当时，衰落信道的总容量要大于非衰落信道的总容量。这 就是多用户分集效应：系统中有多个信道独立变化的用户，任何时刻都存在一个用户，它 的信道要比平均s n r 大很多。通过总是发送给最强的信道，整个系统的频谱效率就会很高， 比平均s n r 相同的非衰落信道大很多。 a w g n 信道 一瑞利衰落信道 ，+ _-_-_-， 一 7 ， 二孑 ，一 ： i 一i ， 一一 。一一一一。r 厂一一 i t j | 0246 81 0 1 21 4 1 6 用户数 图3 - 1 瑞利衰落和a w g n 信道的总容量，平均s n r = o d b 获得多用户分集对系统的要求如下： 每个用户都要通过一个下行导频信号追踪自己的信道s n r ，然后将瞬时信道质量反 馈给基站。 基站要具有根据瞬时信道质量对用户进行调度和对数据进行调节的能力。 这些特性在现有的许多3 g 系统中已经存在了，如i s 8 5 6 1 3 】。 3 1 2 多输入单输出( m i s o ) 系统中的多用户分集 a s t o b c ( s p a c e t i m eo r t h o g o n a lb l o c kc o d e ) 的多用户分集【1 7 】 1 6 2 2 8 6 4 2 1 1 1 1 1 nh，占删茸晦蘧 南京邮电大学硕士学位论文 第二蕈多_ h 】尸分集布l 比例公平调度 我们考虑在多个发送天线单个接收天线的系统中不同信号发送形式时的多用户分集 问题，首先看2 个发送天线1 个接收天线的情形。当发送端没有信道信息，而接收端具有 完全的信道信息时，最佳的单用户发送信号结构是a l a m o u t i 提出的时空正交码( s t o b c ) 。 这个码字占用两个连续的时刻，并且假定信道保持不变。于是，发送码字构成的矩阵为 x = 臆书 2 ， 这里是为了归一化发送能量，使得接收天线的平均信噪比为p 。此时这种码字的构 造形成了两个子信道黾，s 2 。这两个子信道具有相同的信道容量，调度的时候它们分配给 同一个用户。此时用户尼单次信道使用( c h a 衄e 1u s e ) 的信道容量为 掣礼g ( ，+ 铷1 1 2 i 岷| 2 ) ) 3 ， 记= 陬，。1 2 + k ：1 2 服从自由度为4 伸缩( s c a l e d ) 的宏分布，于是调度器选定用户k 的概率 为 p r ( 忌) = p rg k 毋，j = 1 ，k ，_ k i g , ) = ( 么( 2 ) ) “1 ( 3 - 4 ) 调度后单次信道使用的平均吞吐量为 酽( p ) = k f f l 。g ( 1 + o 2 5 比( x ) ( ( z ) ) 纠级( 3 - 5 ) 没有调度时单次信道使用的平均吞吐量为 酽( p ) = f l 。g ( 1 + o 2 5 p x ) 厶( x 协 ( 3 6 ) b 轮流发送的多用户分集【1 7 1 另外一种发送信号形式，也就是两个子流& ，j ：轮流通过发送天线1 和发送天线2 发 送出去，也就是在连续的两个信道使用中，第一个时刻使用第一个发送天线，第二个时刻 使用第二个发送天线，这样也形成了两个子信道。发送信号构成的矩阵为 脚 矧 ( 3 第一行表示两个时刻在天线l 上依次发送的信号，第二行表示两个时刻在天线2 上依 次发送的信号。于是这两个子信道的信道容量分别为 掣1 = l 。g ( 1 + p 2 ) ( 3 - 8 ) 1 7 南京邮电大学硕士学位论文 第三覃多用尸分集和比例公3 f 调度 掣2 = l o g ( 1 + 夕叫2 ) ( 3 9 ) 对于用户k ，容易得到下面的关系式 c 严1 + 掣2 2 口丑 ( 3 1 0 ) ( 掣”一掣2 ) ( 掣”一掣1 ) o ( 3 1 1 1 ) 从式( 3 1 0 ) ，( 3 1 1 ) 可以看出，这种轮流发送方式导致两个子信道的容量不等，一个子 信道容量大于s t o b c 的容量，另一个小于s t o b c 的信道容量，并且导致了容量损失。从 另外一方面看，采用这种信号结构之后，导致了子信道信噪比分布的尾部衰落更大，这对 于多用户分集是有利的。如果两个子信道独立调度，两个子信道可以选择各自最强的用户， 从而提高了整个系统的吞吐量。由于两个子信道具有对称性，可以只求第一个信道调度后 的吞吐量。记颤，。= 陬，。1 2 ，瓯，：= 恢，：1 2 ，是均值为1 ，服从指数分布的随机变量，按照类似 式( 3 5 ) ，( 3 6 ) 的步骤，可以得到调度后系统在子信道1 上的平均吞吐量为 r ( p ) = kj c 6 l 。g ( 1 + p x ) e - x ( 1 _ e - x ) 卜1 d x ( 3 - 1 2 ) 也即系统单次信道使用的平均吞吐量为 甲( p ) = k j c o l 。g ( 1 + 0 5 p x ) l ；( x ) ( ( x ) ) 肛1d x(3-13) 当用户数为1 的时候，由于没有调度增益，轮流发送的吞吐量小于s t o b c ，但是当用 户数多于1 个时，其吞吐量大于采用s t o b c 信号结构的吞吐量。因此，采用s t o b c 对于 多用户分集是有害的。可以预见，由于线性分散码( l d ：l i n e a rd i s p e r s i o nc o d e ) 是单用户最 优化的，因此，其信号结构形式对于多用户分集也是有害的。如果信道是各态历经的，则 这种轮流发送的方式得到的平均吞吐量和单发单收相等。 c 选择发送分集的多用户分集1 7 】 和s t o b c 相比，轮流发送的方式需要反馈两个子信道的数据速率，这是一个不利的 方面。此时，可以采用选择式发送分集方式，将具有最大速率的子信道号和相应的数据速 率反馈给基站。此时信道等效为一个s i s o 信道，其信道增益变为 g k = m a x ( g k , 1 , g k 2 ) ( 3 - 1 4 ) 如果发送端有m 个发送天线的时候，可以得到等效的s i s o 信道，其信道增益为 g = m a x ( g k , i , 既2 ，g k ，m ) ( 3 - 1 5 ) 这里甑，。= 恢。1 2g k 。：= 恢：1 2 ，g 。m = k m 1 2 。由于瓯l ，2 ，g 。m 是独立分布，均值 为l 的指数随机变量序列，于是的概率分布函数为 雨京邮电大学硕士学位论文第三章多用户分集和比例公平调度 矗( g ) = ( 1 一e x p ( 一g ) ) m ，g - o ( 3 1 6 ) 对( 3 - 1 6 ) 式求导数，得到g 。的概率密度函数为 矗( g ) = m ( 1 一e x p ( 一g ) ) n , - e x p ( 一g ) ，g o ( 3 - 1 7 ) 按照( 3 5 ) ，( 3 6 ) 的步骤，可以得到调度后平均吞吐量为 掣( p ) = k f l 。g ( 1 + p x 比( x ) ( x ) r d x( 3 1 8 ) = k n , f l 。g ( 1 + p x ) o e x p ( - x ) ) k n t - 1e x ix ) 出 ( 3 1 9 ) 和( 3 1 3 ) 相比，整个系统相当于k n l 个用户的单发单收系统的调度性能。 选择式发送分集的调度性能优于轮流发送方式，因为它等效的用户数为k n , ，而轮流 发送的用户数为k 。从另外一个角度看，当发送天线为m 的时候，选择式分集可以看成具 有m 一1 比特信道信息反馈( 不包括信道速率信息) 。当f = 2 时，需要一个比特来指示哪 个天线信号强。 d 波束成形的多用户分集【1 7 】 由文献 1 8 】可以知道，1 比特的反馈信息还可以构成另外一种发送信号形式，也就是2 相位加权的方式 x = 出乏 2 。， 第一行表示两个时刻在天线1 上依次发送的信号，第二行表示两个时刻在天线2 上依次发 送的信号。可以证明，这种发送信号结构形式和轮流发送形式具有一样的调度性能，而选 择式的2 相位加权和选择发送分集具有相同调度性能。 如果多分配一个比特的反馈信息，对于相位型的选择式发送分集，这一个额外的比特 可以采用两种方式加以利用，一种是4 相位加权，发送信号形式为 趟- 万h l - s , 乏袁别s 2 2 ， 如果可以使用的比特数进一步增加，这种方式可以继续扩展下去，其极限的形式就是绝对 相位补偿的形式。这是波束成形( b e 锄f o 咖i n g ) 【1 1 】的一种特例。于是可以得到绝对相位加权 的瞬时信道容量为 c = 。g ：( ( + 詈( 1 l + l ，乞i ) 2 ) c 3 2 2 ， 由于各个子信道之间是相关的，采用相位型选择所带来的增益是有限的。此时最好采 南乐邮电人学硕士学位论文弟二草多用尸分集和比例公平调度 用幅度相位加权相结合的形式。当比特数为2 时，可以采用的发送信号结构为 脚 三傩b s 2 ：嘲b s l 乏 2 3 ， 这里h 2 + l b l 2 = 1 ，口，b 需要对系统进行优化。当信道满足遍历性时，整个调度的性能只 与a ，b 的绝对值有关。因此，这里只分析a 为非负实数的情况。由于对称性，实际上只 需要分析0 口，其中a = 0 就是选择发送分集方式。因此，采用口，b 加权时各个子 信道的瞬时信道容量分别为 c l = l 。g ( 1 + p ( i 口 一坎i ) 2 ) ( 3 - 2 4 ) c 2 = l 。g ( 1 + p ( 1 b h , + 口彬) ( 3 - 2 5 ) c 3 = l 。g ( 1 + p ( i b 啊一吐i ) 2 ) ( 3 - 2 6 ) c 4 = l o g ( 1 + p ( i 硝+ b h ：1 ) 2 ) ( 3 - 2 7 ) 这里假设接收端知道口的值。于是，接收端通过选择一个最大的子信道号，并反馈给发送 端。我们称这种方式为加权a b 方式。 当发送端具有完整的信道信息的时候，此时最佳的发送方式就是波束成形。于是，当 发送天线为m 时，每一个用户接收端的信噪比服从自由度为2 r 伸缩( s c a l e d ) 的也分布， 如式( 3 - 2 8 ) 所示 l 知( x ) - - 南锄p 鸣 ( 3 - 2 8 ) 使用选择最大的公平调度算法后，整个系统的平均吞吐量为 = k c o l 0 9 2 ( + u - s p o l ；m ( x ) m ( x ) r 出 ( 3 - 2 9 ) 而没有调