（通信与信息系统专业论文）mimo系统中的接收天线选择与用户选择技术研究.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 随着无线通信系统业务的快速发展，有限的无限资源与用户不断提高的服务 质量要求之间的矛盾日益突出。因此，如何有效地利用无线频谱受到了广泛的关 注。如今，多天线技术通常被认为是目前进一步提高频谱利用率的最有效的方法 之一。 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 ) 技术以其明显的优势受 到广泛的关注，是新一代移动通信的关键技术之一。m i m o 技术的实质就是为无 线系统提供空间分集增益和空间复用增益。分集技术是一种有效对抗无线链路 衰弱的技术，而空间复用增益可以在不增加额外大功率和带宽的情形下，提供与 天线个数成线性比例的容量增长，这就大大增强了系统的频谱利用率。然而， m i m o 系统性能的提高得益于发送端和接收端采用的多天线配置，但是这种配置 方式要求配备多个r f 链路，使得系统成本明显提高，同时加大了系统配置和维护 的难度。天线选择技术以一种非常有效的低成本低复杂度的技术，它能以很小的 性能损失换取射频成本的大幅度降低，使m i m o 系统不完全受射频成本的限制。 目前m i m o 系统的研究已经从点对点的单用户扩展到点对多点的多用户 m i m o 系统。它可以在不需要附加时隙和频谱资源的前提下同时与多个用户通信， 相比单用户系统能够达到更高的信道容量。但是，如何在不增加系统消耗功率和 不牺牲带宽的情况下优化资源配置，在保证可靠链接的前提下满足多用户系统中 不同用户的服务质量( q o s ) 需求都是多用户m i m o 系统中亟待解决的问题。 多用户m i m o 系统可以提供多用户分集，不同的用户经历的衰落不一样，当 某个用户经历深衰落时，另外的用户可能有很好的信道质量。用户选择技术是充 分利用多用户分级提高系统性能的一项重要技术。但用户选择技术通常选择信道 条件较好的用户，为了保证不同用户之间的公平性，需要对用户的资源接入进行 调度。 本论文一方面研究单用户m i m o 系统中的天线选择方案，另一方面研究多用 户m i m o 系统中的天线与用户选择技术以及调度方案。概括的讲，本论文的主要 贡献及创新点包括一下几个方面： 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 基于对信噪比下界的分析提出一种使信噪比最大化的接收天线选择算法， 建立相应的凸优化模型，使用凸优化工具实现，使系统获得了近似最优的容量。 ( 2 ) 基于最大化多用户m i s o 系统下行链路的s l n r 提出一种自适应的用户选 择算法，避免了s i n r 标准中用户之间的耦合问题。在此基础上结合加权口调度算 法，保证了不同用户之间的公平性，使信道条件一直较差的用户获得服务机会。 ( 3 ) 在上行多用户m i m o 系统中，提出了一种基于最大化s i n r 的自适应用户 与天线联合选择算法。该算法能选择合适的用户与天线数使信道容量达到最大。 算法在不同信噪比条件下既能保持较低的复杂度又能获得较好的系统性能。 综上所述，本论文针对单用户m i m o 系统中天线选择方法以及上下行多用户 m i m o 系统的用户选择与调度方案进行了研究。论文最后总结了该领域尚待解决 的问题以及下一步的研究重点。 关键词：多输入多输出；天线选择；凸优化；多用户系统；用户选择与调度；多 用户预编码 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，t h ec o n f l i c tb e t w e e nt h e l i m i t e dw i r e l e s sr e s o u r c ea n dt h ei n c r e a s i n gq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) r e q u i r e m e n to f u s e r sb e c o m e sm o r ea n dm o r eu r g e n t a sar e s u l t ，h o wt ou t i l i z ew i r e l e s sr e s o u r c e e f f i c i e n t l yb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t n o w a d a y sm u l t i a n t e n n at e c h n o l o g yi s r e g a r d e da so n eo f t h em o s te f f e c t i v em e t h o d st oi m p r o v et h es p e c t r u mu t i l i z a t i o n 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 e m o ) t e c h n i q u eh a sr e c e i v e de x t e n s i v ea t t e n t i o n f o ri t st e c h n i c a lp r e d o m i n a n c e sa so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ef u t u r e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h er e s e a r c hh a ss h o w nt h a tt h em i m ot e c h n o l o g yc o u l d p r o v i d es p a t i a ld i v e r s i t ya n ds p a t i a lm u l t i p l e x i n gf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s s p a t i a ld i v e r s i t yt e c h n i q u ei sap o w e r f u lt e c h n i q u et om i t i g a t ef a d i n gi nw i r e l e s sl i n k s s p a t i a lm u l t i p l e xg a i nc a np r o v i d eal i n e a ri n c r e a s es c a l e dt o t h ea n t e n n an u m b e r w i t h o u ta d d i t i o n a lp o w e ro rb a n d w i d t h ，w h i c he n l a r g et h ef r e q u e n c ys p e c t r a le f f i c i e n c y h o w e v e r , t h ee m p l o y m e n to fm u l t i p l ea n t e n n a sa tt r a n s m i t r e c e i v ee n di n c r e a s e st h e a d d i t i o n a lh a r d w a r ea n dt h u st h ec o s tr e q u i r e di nt h ef o r mo fr a d i of r e q u e n c y ( r e ) c h a i n s a n t e n n as e l e c t i o ni sal o wc o s ta n dl o wc o m p l e x i t yt e c h n i q u et oc a p t u r em a n y a d v a n t a g e so fm i m os y s t e m st h a tc a nb a r t e rv e r yl i t t l el o s to fs y s t e mp e r f o r m a n c ef o r t h eg r e a td e c r e a s eo fr fc o s t ，m a k i n gm i m o s y s t e mn o tf u l l yl i m i t e db yr f c o s t h o w e v e r ，t h er e s e a r c he m p h a s i sh a st r a n s f e r r e df r o ms i n g l eu s e rt om u l t i u s e rm i m o s y s t e m t h em u l t i u s e rm i m os y s t e mc a nc o m m u n i c a t ew i t hm u l t i p l eu s e r sw i t h o u t e x t r at i m es l o t sa n df r e q u e n c yr e s o u r c e sa n dc a np r o v i d em u c hm o r ec h a n n e lc a p a c i t y c o m p a r e dw i t ht h es i n g l eu s e rm i m os y s t e m h o wt oo p t i m i z et h ea s s i g n m e n to f s y s t e m r e s o u r c e sw i t h o u ti n c r e a s i n gt h ec o n s u m p t i o no ft r a n s m i s s i o np o w e ra n d s a c r i f i c i n gt h eb a n d w i d t h ，a n dh o wt of u l f i l lt h eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) o fd i f f e r e n t u s e r si nam u l t i - u s e rs y s t e ma r et h ep r a c t i c a lp r o b l e m st ob es o l v e d m u l t i u s e rm i m os y s t e mc a np r o v i d em u l t i u s e rd i v e r s i t y d i f f e r e n tu s e r se x p e r i e n c e 3 山东大学硕士学位论文 d i f f e r e n tc h a n n e lf a d i n g w h i l eo n eu s e ri si nd e e pf a d i n g ，o t h e r sm a yh a v eg o o d c h a n n e lc o n d i t i o n u s e rs e l e c t i o ni sav e r yi m p o r t a n tt e c h n i q u ef o rm i m os y s t e m st h a t c a nu t i l i z em u l t i u s e rd i v e r s i t yt oi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e h o w e v e r ，u s e r s e l e c t i o nu s u a l l ys e l e c t su s e r sw i t hb e t t e rc h a n n e lc o n d i t i o n i no r d e rt oe n s u r ef a i m e s s a m o n gd i f f e r e n tu s e r s ，s c h e d u l i n gi sr e q u i r e dt om a n a g et h eu s e r s a c c e s st o t h e r e s o u r c e s a n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h mi ns i n g l em i m os y s t e m si s f i r s t l ys t u d i e di n t h i s d i s s e r t a t i o n ，t h e nf o rm u l t i u s e rm i m os y s t e m s ，t h eu s e ra n da n t e n n as e l e c t i o na n d s c h e d u l i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e d i ng e n e r a l ，t h em a i na c h i e v e m e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o n a r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) as i m p l er e c e i v ea n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d t h i sa l g o r i t h mi sb a s e d o nt h ea n a l y s i so ft h el o w e rb o u n do fs n ra n dt h es o l v e db yc o n v e xo p t i m i z a t i o nt o o l s i tc a na c h i e v ea l m o s tt h es a m ep e r f o r m a n c ea st h eo p t i m a ls e l e c t i o na l g o r i t h m ( 2 ) a ne f f i c i e n tu s e rs e l e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h em a x i m i z a t i o no fs l n rf o r m u l t i u s e rm i s od o w n l i n ks y s t e mi sp r o p o s e dw h i c hc a na v o i dt h ec o u p l ep r o b l e m a m o n gd i f f e r e n tu s e r s b a s e do nt h em e t h o d ，af a i rs c h e d u l i n gs c h e m ei sf u r t h e rg i v e nt o e n s u r ef a i rs e r v i c et oa l lu s e r sm a k i n gu s e r sw i t hw o r s ec h a n n e lc o n d i t i o nh a v ec h a n c e t ob es e r v e d ( 3 ) p r o p o s eaj o i n tu s e ra n da n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h mf o ru p l i n km u l t i u s e rm i m o s y s t e m s t h ea l g o r i t h mc a ns e l e c tt h er i g h tn u m b e ro fu s e ra n da n t e n n at om a x i m i z et h e c h a n n e lc a p a c i t y t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sn e a rt ot h eo p t i m a l m e t h o di nd i f f e r e n ts n r sa n dw i t hd i f f e r e n tn u m b e ro fu s e r s b a s e do na b o v ea n a l y s i s ，a n t e n n as e l e c t i o nm e t h o d sf o rt h es i n g l eu s e rm i m o s y s t e m sa n du s e rs e l e c t i o nm e t h o dw i t hs c h e d u l i n gt e c h n i q u ef o rt h eu p l i n ka n d d o w n l i n km u l t i u s e rm i m os y s t e m sa r es t u d i e di n t h i s d i s s e r t a t i o n f i n a l l y , t h e p r o b l e m st ob es o l v e di nt h i sr e s e a r c hf i e l da n df u t u r er e s e a r c ht o p i c sa r es u m m a r i z e d k e yw o r d s ：m i m o ；a n t e n n as e l e c t i o n ；c o n v e xo p t i m i z a t i o n ；m u l t i u s e rs y s t e m ；u s e r s e l e c t i o na n ds c h e d u l i n g ；m u l t i u s e rp r e c o d i n g 4 山东大学硕士学位论文 a “ a 一1 a t 眦， d e t ( a ) ，i a i t r ( a ) | i a | i l l a l 2 i i a t t ， i 。 l o g ( a ) 1 0 9 c ( 口) e x p ( ) e 【】 m a x ( ) h ( ) ，( - ) f 1 符号说明 矩阵a 的共轭转置 矩阵a 的逆 矩阵a 的伪逆 矩阵a 的第f 行第_ ，列的元素 矩阵a 的行列式 矩阵a 的迹 向量a 的2 模值，i | a i | = 历 矩阵a 的2 模值，i i a i i ：= x j l , _ _ ( a x a ) 矩阵a 的f r o b 饥i u s 模值， i i a i i ，= 圻丽 聊m 维单位矩阵 口的自然对数 以c 为底的口的对数 指数运算 求数学期望 取最大值运算 随机变量的熵 随机变量各分量的互信息 数值上取整操作 5 山东大学硕士学位论文 缩略语简表 k ng ra d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b d b e r b s c d m a c q i c s i b l o c kd i a g o n a l i z a t i o n b i te r r o rr a t e b a s es t a t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c h a n n dq u a l i t yi n f o r m a t i o n c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d - - b l a s t d i a g o n a lb e l ll a b sl a y e r e ds p a c e - t i m e e d g ee n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n f d d f d m a g p r s g s m h s d p a i i d i p i s i i t u l s t c m a i m i m o m i s o m m s e m s f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f r 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 e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e l l 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 n d e p e n d e n ta n di d e n t i c a l l yd i s t r i b u t e d i n t e m e tp r o t o c o l i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e 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 nu n i o n l a y e r e ds p a c e t i m ec o d i n g m u l t i p l e - a c c e s si n t e r f e r e n c e 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 u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t m i n i m u mm e a ns q u a r e de r r o r m o b i l es t a t i o n 加性高斯白噪声 块对角化 误比特率 基站 码分多址 信道质量信息 信道状态信息 贝尔实验室对角分层空时 增强数据速率的g s m 演 进技术 频分双工 频分多址 通用分组无线业务 全球移动系统 高速下行分组接入技术 独立同分布 网际协议 符号间干扰 国际电信联盟 分层空时码 多址干扰 多输入多输出 多输入单输出 最小均方误差 移动台 7 山东大学硕士学位论文 o f d m q o s r f s d m a s i n r s l n r s i s 0 s n r s t b c s t t c s v d t d d t 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 e x i n g 正交频分复用 q u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 r a d i of r e q u e n c y 射频 s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 空分多址 s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o 信干噪比 s i g n a lt ol e a k a g ep l u sn o i s er a t i o信漏噪声比 s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t s i g n a lt on o i s er a t i o s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g s p a c e - t i m et r e l l i sc o d i n g 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 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 单输入单输出 信噪比 空时分组码 空时格码 奇异值分解 时分双工 时分多址 t l m ed l v l s l o ns y n c r t r o n o u sc o q en 1 v l s l o n t d s c d m a 。 时分同步码分多址 m u l t i p l ea c c e s s u m t s v 二b l a s t u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n 全球移动电信系统 s y s t e m v e r t i c a lb e l ll a b sl a y e r e ds p a c e t i m e垂直贝尔实验室分层空时 w c d m aw i d e b a n dc d m a w i m a x 宽带码分多址 w 。r l di n t e r o p e r a b i l i 够f o rm i c r o w a v e 全球微波接入互操作性 a c c e s s z f z e r of o r c i n g z m c s c g 8 迫零 z e r o m e a nc i r c u l a r l ys y m m e t r i cc 。m p l e x 零均值循环对称复高斯 g a u s s i a n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 塑：! 驾一一 e l 期：善阻垒上趋一 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：圣竖皇! 翌! l导师签名： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 无线通信技术是人们实现随时随地通信的基础，是当今通信领域中最为活跃 的研究热点之一。最近十年来，无线通信取得了前所未有的发展，已成为当今世 界发展最快、技术最新、市场潜力最大、前景最广阔的业务之一，这种发展的势 头还在延续。无线通信具有可移动性、自由性及真正三维物理空间的无缝覆盖能 力；具有广域复杂网络拓扑的构成能力；具有良好的灵活性与普遍服务能力。在 信息支撑技术、市场竞争和需求的共同作用下，移动通信技术的发展更是突飞猛 进。 无线通信可以说是从无线电通信发明之日就开始了。第一代移动通信( 1 g ) 系统只能提供模拟话音业务。目前世界上得到广泛应用的是以g s m 、i s 一1 3 6t d m a 和i s 9 5c d m a 为代表的第二代移动通信系统( 2 g ) ，它实现了话音的数字化，并用 时分多址替代了频分多址接入方式，大幅度增加了系统的容量，但还不能满足用 户日益增长的对多媒体业务的需求。第三代移动通信系统( 3 g ) 可以在无线蜂窝 网络中提供更加丰富的多媒体服务。目前，其主要标准有欧洲的w c d m a 、北美 的c d m a 2 0 0 0 以及中国的t d s c d m a ，它们都可以在无线蜂窝网络中提供更加 丰富的因特网业务和多媒体业务。 随着各种无线通信系统业务和宽带数据业务的不断发展，人们对无线通信系 统的容量需求正在迅速增长，但是可利用的无线频谱却是有限的。因此，无线资 源尤其是频谱资源，变得越来越紧张，如何更高效地利用这些有限的通信资源， 逐渐成为无线通信新技术发展的焦点所在。信息理论的研究结果表明：在存在丰 富散射的无线信道中，通过在无线通信系统的发射端和接收端均采用多根天线， 得到的多输入多输出技术m i m o 能够充分利用空间资源，在不增加系统带宽和天 线发射总功率的情况下，可以有效地对抗无线信道衰落的影响，大大提高系统的 频谱利用率和信道容量，是高速数据传输的优选技术之一。m i m o 系统在信道容 量和分集增益等方面的卓越性能使其成为一个研究热点，被认为是未来无线通信 9 山东大学硕士学位论文 系统的发展方向。 目前人们对m i m o 技术在点对点的单用户系统中有了深入的研究，单用户 m i m o 系统中的研究可以分为两大类：开环技术和闭环技术。在开环技术中不需 要利用任何信道信息，因此不需要从接收端反馈信息给发射端，而在闭环的设计 方案中则利用了一定的信道信息。事实上，在一些诸如x d s l 、无线局域网等通信 系统的具体的应用中，一个基站需要同时与多个用户进行通信，每个用户配备有 单根或多根天线，多个用户可以利用空间信道的差异共享同一信道资源，这就是 多用户m i m o 系统。多用户m i m o 技术虽然还不是很成熟，但有其明显的多用户 分集优势，可以预计在不远的将来，就可以利用m i m o 技术实现高速的无线通信。 总之，m i m o 多天线技术的巨大潜力使得m i m o 技术成为无线通信研究领域的研 究热点。 1 2m i m o 技术的发展现状和面临的主要问题 m i m o 技术的提出是无线移动通信领域智能天线技术的一项重大突破，是在 空间分集和智能天线技术基础上发展起来的一种新的信号空间处理技术。该技术 能在不增加带宽的前提下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是下一代移 动通信系统的核心技术之一。 实际上m i m o 技术由来己久，早在1 9 0 8 年马可尼就提出来用它来抵抗衰落， 2 0 世纪7 0 年代早期更是将m i m o 技术用于解决高容量电缆中由干扰引起的带宽 受限问题，然而由于成本太高，m i m o 技术在当时并没有在实际中得到应用。真 正对m i m o 技术产生巨大推动作用，具有里程碑意义的工作实在上世纪9 0 年代的 贝尔实验室完成的，1 9 9 5 年在t e l a d a r 给出了在瑞利衰落信道下的m i m o 系统容 量【1 1 。1 9 9 6 年f o s c h i n i 提出了m i m o 系统的d b l a s t 分层空时结构，得出了一 些对m i m o 技术发展具有重要值的结论【2 1 。1 9 9 8 年，t a r o k h 等人提出了用于m i m o 的空时编码方案【”，这一开创性工作具有很大的理论意义和应用价值。同年， w o l n i a n s k y 等人采用v - b l a s t 结构搭建了一个m i m o 实验系统，在室内实验中 达到了2 0 b p s h z 的频谱利用率。这些工作受到各国学者的极大注意，并使得m i m o 技术的研究工作得到迅速的展开，从此，m i m o 技术成为国内外无线通信学术界 l o 山东大学硕士学位论文 的研究热点。国内外学者对m i m o 的理论、性能、算法和实现等方面已经进行了 广泛的研究。例如，各种信道状态下m i m o 系统的容量问题【4 。8 】，m i m o 系统的均 衡问题【9 - 1 1 1 ，m i m o 系统中的空时处理技术【1 2 15 1 ，m i m o 系统的调制技术【2 , 1 6 - 1 7 】等。 在此基础上一些学者针对如何充分利用m i m o 信道容量的问题，提出了不同的空 时处理方案。空时处理技术主要包括空时编码和空间复用技术。1 9 9 8 年，t a r o k h 提出空时码( s t c ) 的概念_ 信号在时间域和空间域上同时引入编码。空时码集多 天线发射分集和编码技术于一身，具有较好的频率有效性和功率有效性。t a r o k h 还用格状编码调f l ； j ( t c m ) 构造了一种分集阶数不高的空时码，称为空时格码( s t t c ) 1 3 1 。与此同时，s m a l a m o u t i 1 8 1 发现了一种简单的发射分集方案，后来t a r o k h 将 其拓展并归纳为空时分组码( s t b c ) 1 9 1 。因为s t b c 构造容易，译码简单，已被列 入3 g 标准。 以上各项研究成果具有划时代的意义，它们极大地激发了人们的研究热情， 多天线方案也开始被普遍地应用到无线通信领域。而鉴于对单用户m i m o 系统理 论研究曰益成熟，为了充分利用m i m o 系统提供的空间复用增益，多用户m i m o 系统近来成为研究的热点。例如，为解决多用户系统中的干扰问题，下行波束形 成技术得到了广泛的研究。1 9 9 8 年，c f a r s a k h 和j a n o s s e k 研究了空分多址 ( s d m a ) 系统中基于空间协方差矩阵的多用户下行波束形成问题【2 0 】。在多用户系统 中基站和移动台都使用多天线的情况下，r m i n j o o n g 提出了一种基站端实现的下 行波束形成算法【2 。m s c h u b e r t 和h b o c h e 研究了多用户系统在信干噪l k ( s i n r ) 限制下的功率有效性上行和下行波束形成方案【2 2 】，而在文献2 3 】中全面的分析了多 用户系统的下行波束形成问题，针对系统发射功率和各用户s i n r 需求之间的关系 建立了两种求解模型，同时分析了两种模型之间的关系。 结合波束形成，人们在此基础上研究更为实际的问题。例如，通信中收发机 的联合设计2 4 ，2 5 1 ，联合波束形成和调度策略【2 6 2 7 1 ，下行链路的用户选择与调度【2 7 。2 9 】 等。另外，克服最大化系统容量的用户调度中理想的假设条件，考虑高层的用户 信息，从而达到最优全局性能的跨层设计( c l d ) 研究【3 0 。2 】也引起了人们极大的兴 趣。同时，为了增加问题求解的效率和灵活性，很多有效的数学工具和信号处理 方法被应用于通信领域，例如凸优化技术1 3 3 , 3 4 ，矩阵的正交分解等。 山东大学硕士学位论文 目前，全世界有很多的研究机构和公司正在对m i m o 技术展开深入的研究， 推动这项技术向实用化方向发展。对于3 g 通信系统而言，m i m o 及其相关的技术 可以看作是用于提高数据流量、系统性能和频谱效率的有力补充，具有很强的吸 引力。 尽管m i m o 技术在理论、实验性研究方面已经取得了较大的进展，但是距离 m i m o 技术的大规模应用，还有较大的距离，因为还有许多的实际问题需要解决。 首先，m i m o 技术通过在收发两端同时配置多条天线来改善系统性能，但同 时却增加了系统实现的复杂度以及由此带来的高额成本。因为多天线需要多条射 频r f 电路，而r f 链路又非常昂贵。因此寻找一种低价格、低复杂度的最优天线 自己选择技术是非常具有吸引力的。天线选择技术能以较小的代价换取性能的提 高，降低m i m o 系统的射频r f 电路的成本以及功耗，是当前的研究热点之一。 其次，m i m o 系统的性能在很大程度上受到所处环境多径信号的影响，因此 了解和掌握无线m i m o 信道的特性，对实现系统预期的性能至关重要，为此必须 深入研究m i m o 信道特性。但是，目前对m i m o 系统的研究都是假定在理想信道 估计条件下进行的，而实际上在接收端无线传播环境中是不可能知道信道冲激响 应的，因此要进行信道估计。事实上在室外环境下尤其是移动台高速移动时，很 难获得准确的信道估计，例如延迟反馈、反馈错误、接收端的估计错误等都会产 生信道估计错误。再者由于天线间距的限制，缺乏充分的散射环境或者收发之间 存在视距，这些都会造成信道空间相关，在这种情况下m i m o 系统只能提供分集 增益而没有空间复用增益。 最后，早期关于m i m o 技术的研究主要集中在点对点的单用户m i m o 系统中， 但是在一些具体的应用中，通常需要考虑一个基站支持多个用户的多用户m i m o 系统，这就需要考虑其他用户的共信道干扰问题。在多用户m i m o 系统的下行链 路中采用空分多址可以明显提高系统的吞吐量，其技术难点在于预编码矩阵的设 计来消除用户间的共信道干扰。 以上这些问题极大地限制了m i m o 系统在移动通信中的大规模应用，同时也 是m i m o 技术推广的关键问题，不解决它们，就无法使m i m o 技术真正走向实用 化。因此，我们必须全面深入的研究上述因素对系统性能的影响，进而找到解决 1 2 山东大学硕士学位论文 上述问题的有效措施。 1 3 本论文的研究内容和主要贡献 m i m o 系统可以提供分集增益和复用增益，如何充分利用m i m o 系统的性能 优势，又要满足系统对复杂度的要求是一项具有挑战性的任务。本论文一方面研 究单用户m i m o 系统，提出一种能较好的保持系统性能的接收天线选择方案；另 一方面，针对多用户m i m o 系统中存在的用户选择与调度问题，在用户终端配置 不同接收天线数的情况下，提出相应的解决方法。具体来说，本论文的研究内容 和主要贡献分为以下两个个部分： ( 1 ) 本文基于凸优化理论提出了一种信噪比最大化的天线选择方案。多天线 技术具有提高系统容量和抵抗多径衰落的优点。系统性能随发射和接收天线数目 的增多而大大提高，但是无论在发射端还是接收端，天线数目的增加将需要更多 的射频电路，会造成硬件复杂度和成本的提高以及运算量的大幅增加。天线选择 正是一种低成本低复杂度但同时又能较好的保留多输入多输出( m i m o ) 系统优势 的折衷技术。所提算法在保持较低的运算复杂度的同时，使系统获得了近似最优 的系统容量。 ( 2 ) 多用户m i m o 系统可以在不增加时隙和频率资源的前提下同时与多个用 户通信，从而达到更高的系统容量。当系统中用户数大于基站端所能同时支持的 用户数时，则需要用户选择，在所有用户中选出数目有限的用户子集以最大化系 统容量。本文基于最大化多用户m i s o 下行链路的系统容量提出一种自适应用户 选择算法。在此基础上结合公平调度算法，保证整个系统对所有用户服务的公平 性，在保持一定用户速率的同时使得信道状态一直比较差的用户也能得到服务机 会。同时利用上下行链路的对称性，在上行多用户m i m o 系统中实现低复杂度的 自适应的用户选择，该方案可以根据信道状况自适应调整选择的用户数是信道容 量达到最大。此外，考虑到移动终端配置多根天线增加了实现复杂度的情况，在 进行用户选择的同时实现了每个用户自适应的天线选择，最终在不同信噪比条件 下既保持较低的复杂度又能获得较好的系统性能。 1 3 山东大学硕士学位论文 1 4 论文的章节安排 第一章为绪论，主要介绍了无线通信技术的研究现状，论文的研究背景及主 要研究内容。 第二章介绍了无线通信中的多天线技术，预编码方式以及多天线系统的信道 容量。根据发射接收天线的不同配置情况，对具体应用环境下的信道容量进行了 分析。 第三章讨论了基于对m i m o 系统信噪比s n r 下界的分析，以凸优化工具实现 的天线选择算法。 第四章分别讨论了下行多用户m i s o 中的用户选择与调度算法以及上行多用 户m i m o 系统中的用户与天线的联合选择算法。 第五章总结了本论文，提出了下一步的研究重点，并对研究方向进行了展望。 1 4 山东大学硕士学位论文 第二章m i m o 与多用户m i m o 技术 2 1 单用户m i m o 系统 无线通信系统的设计要求是提高频谱利用率和链路的可靠性。同传统的单输 入单输出s i s o 系统相比，m i m o 系统是在发射端和接收端均采用多天线，利用环 境丰富的散射条件在收发两端建立起多个相互独立的传输信道，同时进行数据传 输，因此可以提供更大的通信容量和更高的传输速率。 根据收发两端的天线数量，m i m o 系统还可以包括单输入多输出s i m o 系统 和多输入单输出m i s o 系统。对于m i m o m u ( m i m o 多用户) 系统是指由基站 和多个用户构成的系统。对于以上的通信系统可以统称为x l x o 系统。 m i m o 或称为多发射多接收天线( m t m r a ) 技术是无线通信领域的重大突破。 该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的和频谱利用率，是将在新 一代移动通信系统中采用的关键技术之一。 m i m o 系统的核心思想是空时信号处理，即在原来时间维的基础上，通过使 用多幅天线来增加空间维，从而实现多维信号处理，获得空间复用增益或者空间 分集增益。因此，m i m o 技术可以看作是智能天线的一种扩展，使m i m o 技术获 得了传统智能天线的优点。因为m i m o 系统的数据经过的是矩阵信道而不是矢量 信道，这就为改善性能或者提高速率提供了更大的可能。 m i m o 技术通常可以分为三类【”】。第一类通过分集克服衰落的影响，实现系 统可靠性能的改善，包括接收分集与空时编码技术等。第二类利用分层结构来提 高系统的容量，其中最著名的例子就是v - b l a s t 等。第三类则是发射机利用预知 的信道信息，通过信道矩阵奇异值分解( s v d ) 获得复用增益，并利用所得到的酉矩 阵在发射与接收机处作为滤波器实现接近最优的容量。 通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究表明，对于m i m o 系统而言，多径可以作为一种有利因素加以利用。m i m o 系统有效的