（通信与信息系统专业论文）单用户和多用户有限反馈系统中波束形成技术研究.pdf

摘要 1 l l l i 川i i l l l 川1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l 幽 y 19 2 0 9 8 2 摘要 无线通信技术和无线接入技术的快速发展，对先进传输技术提出了越来越高的要 求，如何提高系统频谱效率和链路容量已成为无线通信系统设计面临的一个巨大挑 战。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 ) 技术的使用已成为无线通信系统中一个最显 著的特点，它能在不增加带宽与功率的情况下成倍地提高无线通信系统的容量和频谱 效率。波束形成( b e a m f o 肿i n b f ) 则是m i m o 的一种关键技术，它即使在有限反馈条 件下，仍可以获得逼近m i m o 系统需要精确信道状态信息( c h a n n e ls i n 舶m a t i o n ， c s i ) 时才能达到的容量，使系统有效性与可靠性都得到显著地提高，可以满足第四代 移动通信系统所要求的高频谱效率和系统容量的要求。 本文主要研究了单用户和多用户有限反馈系统中的波束形成技术。首先回顾了无 线通信的基本知识：多径衰落和典型的无线信道模型、m i m o 系统介绍、多用户分集 技术和m i m o 系统中的波束形成技术、以及单用户和多用户有限反馈系统中的用户 调度算法：接下两章主要研究了单用户有限系统中的波束形成技术和多用户有限反馈 系统中的波束形成技术，并提出了几种有效的波束形成算法和方案。主要创新点在于： ( 1 ) 、针对随机波束形成( r a n d o mb e a m f o 咖i n g ，r b f ) 在少用户场景下系统性能下 降和特征波束形成( e i g e nb e 锄f o m i n g ，e b f ) 在多用户下需要大量反馈信息的问题，提 出基于环境感知的系统绝对值代价函数动态调度天线工作模式的波束形成方案。系统 在r b f 和e b f 形成两种天线模式下动态进行切换，在少用户下明显改善系统性能， 而在多用户时保证系统性能的同时减少反馈量，从而最优化无线通信系统性能。 ( 2 ) 、针对实际m l m o 系统无线信道存在的空域相关性，和发射端对反馈c s i 的 精度很敏感、需要存储大量瞬时变化信道信息等问题，提出了一种基于相关信道统计 的改进算法。基于此算法，并采用随机码本量化信道信息形成一种新波束形成方案， 解决了常规波束形成需要大量信道反馈信息和相干机会波束形成系统性能对信道瞬 时变化信息敏感的问题。提出方案在相关信道下相当有效，其性能超过常规波束形成， 即使在有限反馈限制条件下，其性能亦接近相干机会波束的性能。该方案不仅可以大 量降低系统反馈量，且对c s i 反馈具有更强的鲁棒性，同时能更好利用空域相关性。 ( 3 ) 、为了降低系统反馈量和提高系统性能，提出一种基于信道质量干扰比 ( q u a l i t y t o i n t e r f e r e n c er a t i o ，q i r ) 为量化标准的新波束形成方案。该量化准则可以同 时保证量化信道质量和使其子信道之间互干扰最小，它比传统量化准则具有更优良的 性能：并采用d f t ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o n n ) 基作为码本量化c s i 。最后仿真验证该 方案在有限反馈条件下，总体性能优于r b f ，且在低信噪比场景下优于e b f ，大大 改善了系统性能。因此，该方案在有限反馈条件下保证系统总体性能。 ( 4 ) 、针对目日i 存在的波束形成技术很少涉及同时兼顾系统容量和误码率性能， 摘要 以改善系统总体性能方案的研究。提出基于等效信道特征值积( e i g e nv m u e s p r o d u c t ，e v p ) 为量化准则的一种新波束形成方案，并给出了等效信道特征值积量化准 则的计算公式，它能同时兼顾系统信道容量和误码率，相比较于仅考虑信道容量或者 系统误码率的传统量化准则更具优势。通过计算机仿真验证该方案可以明显同时改善 系统误码率和信道容量，因此它是一种比较好的波束形成方案。 最后，还详细研究了多用户分集和精确c s i 对多用户有限反馈系统的影响，并从 实验角度对其详细仿真和验证，验证各个参数对系统性能的影响。此外，介绍和分析 了两种典型多用户有限反馈系统的波束形成技术：每用户速率控制( p e ru n i t a l 眵b a s i s s t r e 锄u s e ra n dr a t ec o n 仃o l ，p u 2 r c ) 和迫零波束形成( z e r o f o r c i n gb e 锄f o 册i n g ， z f b f ) ，借鉴目前研究成果，从理论和实验两方面进行了详细的分析。 总之，提出这些波束形成算法和方案有效解决了目f ；i 单用户和多用户有限反馈系 统中波束形成技术存在的一些问题，并通过仿真验证了其有效性，所研究和提出的波 束形成方案具有一定的理论和实际意义，具有广阔的应用前景和参考价值。 关键词：m i m o ；多用户分集；波束形成；有限反馈；单用户和多用户系统 ab s t r a c t a bs t r a c t t h ef a s td e v e l o p m e n t so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sh a v ep u tf o r w a r dh i 曲e r a n dh i g h e rd e m a n d so na d v a n c e dt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e 。h o wt oi m p r o v et h ed a t ar a t e a j l dt h es p e c t r a le f h c i e n c yo ft h es y s t e mh a sb e c o m ead r a m a t i c a l l yc h a l l e n g et h a tn e x t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e md e s ig n i n ga r ef a c e dw i t h a d o p t i n gm 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 ) t e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s tn o t a b l e c h a r a c t e r so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i tc a ni m p r o v et h ec a p a c i t ya n d 行e q u e n c y s p e c t m me a e c t i v e l l e s so ft h es y s t e md o u b l e dw i t h o u ti n c r e a s i n gb a n d w i d t ha n dp o w e r b e 锄f ；引h n i n gi s ak i n do fk e yt e c h n i q u eo fm i m o e v e nu n d e rt h ef i n i t ef e e d b a c k c o n d i t i o ni tc a ns t i l lg e tt h en e a rc a p a c i t yt h a tm i m os v s t e mc a nr e a c hw h e ni th a s a c c u r a t ec h 锄e is t a t ei n f o n n a t i o n ( r c s i ) s oi tm a k e st h ee f f e c t i v e n e s sa n dr e l i a b i l i t yo f t h es y s t e me n h a n c er e m a r k a b l ya n dc o u l ds a t i s f yt h eh i g hd e m a n d sf o rf r e q u e n c ys p e c t m m e f l e c t i v e n e s sa n ds y s t e mc a p a c i t yo ft h ef o u r t hg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e sb e a m f o m l i n gt e c h n o l o g i e si nl i m i t e df e e d b a c ks y s t e mo f s i n g l e u s e ra n dm u l t i u s e r f i r s ti tr e v i e w st h eb a s i ck n o w l e d 2 eo f 州r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ： m u l t i - p a t hf a d i n ga n dt y p i c a lw i r e l e s s c h a n n e lm o d e l ，m i m os y s t e mi n t r o d u c t i o n ， m u l t i u s e rd i v e r s i t y ( m u d ) ，b e a m f o r m i n gt e c h n i q u ei nm i m os y s t e ma n du s e rs c h e d u l i n g a l g o r i t h mi nl i m i t e df e e d b a c ks y s t e mo fs i n g l e - u s e ra n dm u l t i - u s e r t h ef o l i o w i n gt w o c h a p t e r sm a i n l yr e s e a r c h e sb e 砌f o m i n gt e c h n o l o g i e si ns i n g l e - u s e ra n dm u l t i u s e r l i m i t e d f e e d b a c ks y s t e m sa n dp r o p o s e ss e v e r a le f 俺c t i v ea l g o r i t h m sa n dp r o p o s a l so fb e a m f o m l i n g s c h e m e s t h ec h i e fo r i g i n a l i t i e sa r el i s t e d2 l sf o l l o w s ： ( 1 ) an e wd y n a m i ca n t e n n am o d es c h e d u l e ri nm i m os y s t e m si sd e s i g n e dt od e a l 谢t h t h et h r o u g h p u td e g r a d a t i o nd u et ot h es m a l ln u m b e ro fu s e r si nt h er a n d o mb e a m f o m l i n g ( r b f )a n dt h ef e e d b a c ki n c r e a s ed u et ot h el a r g en u m b e ro fu s e r si nt h e e 噜e n b e a m f o r m i n g ( e b f ) i n s p i r e db yg 锄et h e o 巧，as y s t e mc o s tm n c t i o ni sp m p o s e d i nt h en e ws c h e m ea n de n a b l e st h es y s t e md y n a m i c a l l yt os w i t c hb e t w e e nt h ee b fa n d r b fa n t e n n am o d et oo v e r c o m et h e d i s a d v a n t a g e so ft h et w om e t h o d s s y s t e m p e 晌r m a n c ec a nb ei m p r o v e dw h e nt h en u m b e ro fu s e r si ss m a l i ，a n db eg u a r a n t e e dt h e p e 而舯a n c ew i t hl e s sf e e d b a c kq u a n t i t yf o rl a r g en u m b e ro fu s e r s ，t h u so p t i m i z i n g w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mp e r f o r n l a n c e ( 2 ) d u et ot h es p a t i a ic o r r e l a t i o no ft h er e a lm i m oc h a n n e l s ，a ni m p r o v e dn n i t e r a t e f e e d b a c kb e 锄f b 肿i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h ec o r r e l a t i o nc h a n n e ls t a t i s t i cw a sp r o p o s e d b yt h eu s e0 fr a n d o mv e c t o rc o d e b o o kt oq u a n t i z et h ec s i t h en o v e lb e a m f o 肿i n g s c h e m eo n l yn e e d sl i m i t e df b e d b a c kc s ia n dc a ne x p l o i tm u l t i u s e rd i v e r s i t yg a i na n d a r r a yg a i ns i m u i t a n e o u s i y s u p e r i o r t ot h ec o n v e n t i o n a i b e a m f o m l i n ga n dc o h e r e n t o p p o n u n i s t i cb e a m f b n l l i n g ( c o b f ) ，t h en o v e lb e a m f o 肿i n gi sn e i t h e ri nn e e do fl o t so f f e e d b a c ki n t o r m a l i o nn o rs e n s i t i v et oi n s t a n t a n e o u sc h a n g eo fc h a n n e l t h es i m u l a t i o n a b s t r a c t r e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o 肿a n c eo ft h ep r o p o s e ds c h e m ei sb e t t e rt h a nt h a to ft h e c o n v e n t i o n a lb e a m f o 咖i n ga n da p p r o x i m a t e st ot h a to fc o b fw i t ho n l y0 2 b p s h z p e r f o n n a n c el o s s s ot h ep r o p o s e dp r o p o s a li nt h i sp a p e rc a nn o to n l yp e d u c es y s t e m f e e d b a c k 伊e a t l y ，b u ta l s oh a ss t r i o n g e rr o b u s t n e s sf o rc s if e e d b a c ka n dm a k eu s eo fs p a t i a l c o r r e l a t i o no ft h er e a lm i m oc h a n n e l sb e t t e r ( 3 ) t br e d u c es y s t e mf e e d b a c ka n di m p r o v es y s t e mp e r f o r n l a n c ew ep r o p o s ean e w b e a m t o n n i n g s c h e m eb a s e do nc h a n n e i q u a l i t ) ， i n t e r f e r e n c er a t i o ( q i r )w h i c hi s q u a n t i 6 c a t i o ns t a n d a r d t h i sq u a n t i 行c a t i o n s t a n d a r dc a n g u a r a n t e e t h e q u a l i t y o f q u a n t m c a t i o no fc h a n n e la j l dm i n i m i z et h ei n t e r f e r e n c e sb e t w e e ni t ss u b c h a n n e l s i th a s m u c hb e t t e rp e r f o m l a n c et h a nt m d i t i o n a lq 咖t i f i c a t i o np r i n c i p l ea n du s e sd f t ( d i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o n n ) b a s ea sc o d e b o o kq u a n t i 6 c a t i o nc s i a ti a s tw es i m u i a t i o ni nl i m i t e d f e e d b a c kc o n d i t i o no u rp r o p o s a l so v e r a l lp e r f o 肿a n c e sa r eb e t t e rm a i lr b fa n di nl o w s i g n a l t on o i s er a t i oc o n d i t i o na r eb e t t e r t h a ne bf i ti m p r o v e ss y s t e mp e r f b 肌a u l c eal o t t h e r e f o r et h i sp r o p o s a lg u a r a n t e e st h ew h o l ep e 墒m l a n c eo ft h es y s t e mu n d e rl i m i t e d f e e d b a c kc o n d i t i o n ( 4 ) w ep r o p o s e s an o v e lb e a m f o m i n gp r o p o s a lb a s e do n e q u i v a l e n tc h 籼e l e i g e n - v a l u e sp r o d u c t ( e v p )w h i c h i s q u a n t i z i n gc r i t e r i o nc o n c e m i n go nr e s e a | 广c ho f i m p r o v i n gs y s t e mw h o l ep e 娟d m l a n c ep r o p o s a lt h a t t h en o we x i s t i n gb e a m f o m l i n g t e c h n i q u eb a r e l yi n v o l v ea j l dg i v ea t t e n t i o nt os y s t e mc a p a c i t ya n db i te r m rr a t e ( b e r ) p e r f o m l a n c e a tt h es a m et i m e 、v eg i v et h ef o 咖u l ao fe v pq u a n t i z i n gc r i t e r i o nw h i c h j o i n t l yc o n s i d e rt h ec h a n n e lc a p a c i t ya n dt h eb e rp e r f o r n l a j l c eo ft h eo v e r a l ls y s t e m c o m p a r e dw i t ht h e t m d i t i o n a lq u a n t i f i c a t i o ns t a n d a r dw h i c ho m yc o n s i d e r sc h a n n e l c a p a c i t yo rs y s t e mb e r ，i th a sm o r ea d v a n t a g e s t h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i n gt h i s p r o p o s a lc a no b v i o u s l yi m p r o v es y s t e mb e ra n dc h 绷l 1 1 e ic a p a c i t y t h e r e f o r ei ti sak i n do f g o o db e 锄f - o 肿i n gp r o p o s a l a tl a s t 、 ，es t u d yt h ei n n u e n c eo fm u da n da c c u r a t ec s io nm u l t i u s e r1 i m i t e df e e d b a c k s y s t e mi nd e t a i l a n dw ed e t a i l e d l ys t i m u l a t e2 u l dt e s ti t 丘o mt h ee x p e m e n t a lp e r s p e c t i v e ， v e 一矽i n gt h ee f r e c to fe a c hp a r 踟e t e ro ns y s t e mp e r f o 咖a n c e i na d d i t i o n ，w ei n t r o d u c e a n da n a l y z et 、v ot y p i c a lb e a m f o r m i n gt e c h n i q u e so fm u l t i u s e rf i n i t ef e e d b a c ks y s t e m ：p e r u n i t a d rb a s i ss t r e 锄u s e ra n dr a t ec o n t r o l ( p u 2 r c ) a n dz e r o f o r c i n gb e a m f o r m i n g ( z f b f ) ，m a k i n gd e t a i l e da n a l y s i sf 沁mb o t ht h et 1 1 e o r e t i ca n de x p e r i m e n t a la s p e c t sw i t h t h ep r e s e n tr e s e a r c h i n ga c h i e v e m e n t s 1 naw o r d ，t h e s eb e a m f o 肌i n ga l g o r i t l m l sa n dp r o p o s a l se f r e c t i v e i ys o l v et h ee x i s t i n g p r o b l e m so fb e a n ：1 f 1 0 r r i l i n gt e c h n i q u e si nt h ep r e s e n ts i n g l e u s e ra n dm u l t i u s e rl i m i t e d f e e d b a c ks y s t e m sa n dv e r i 矽i t se f l e c t i v e n e s sb ys i m u l a t i o n o u rr e s e a r c h i n ga n dp r o p o s e d b e a r n f o 丌n i n gs c h e m e sh a v es o m et h e o r e t i ca n da c t u a im e a n i n g s i ta l s oh a sb r o a d a p p l i c a t i o np e r s p e c t i v e sa i l dv a l u e sf o rr e f e r e n c e k e yw o r d s ：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 u s e rd i v e r s i t y ；b e 锄f o n n i n g ；l i m i t e d f e e d b a c k ；s i n g l e - u s e ra n dm u l t i - u s e rs y s t e m s i v 缩略词表 缩略词表 3 g ：m e3 r dg e n e r a t i o n第三代 3 g p p ：3 坩g e n e r a t i o np a i t n e r s h i pp r 0 1 i e c t第三代合作伙伴计划 4 g ：t 1 1 e4 t hg e n e r a t i o n 第四代 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加性高斯白噪声 b s ： b a s es t a t i o n基站 b e r ：b i te n o rr a t e误码率 c d i ：c h a n n e ld i r e c t i o ni n d i c a t o r 信道方向指示 c p b f ：c o h e r e n to p p o m m i s t i cb e 锄f o 肌i n g相干机会波束形成 c q i ： c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r 信道质量指示 c s i ：c h 籼e ls t a t ei n f o m a t i o n信道状态信息 c t ：c o h e r e n c et i m e相干时问 d f t ：d i s c r e t ef o u r i e rt r a l l s f o 肌离散傅罩叶变换 d p c ： d i r t yp a p e rc o d e脏纸编码 e b f ： e i g e nb e a m f o m i n g特征波束形成 e s n r ：e 妇陪c t i v es i g n a l t on o i s er a t i o有效信噪比 e v p ： e i g e nv a i u e sp r o d u c t特征值之积 e v p - b f ： e i g e nv a l u ep r o d u c tb e a r l l f o r n l i n g特征值积波束形成方案 f d d ： f r e q u e n c y d i v i s i o nd u p l e x e d频分双工 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通用分组无线服务 g s m ：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全球通移动通信系统 h r r ： h i 曲r e s o l u t i o nr e g i m e高分辨率状态 h s r ： h i g hs n rr e g i m e高s n r 状态 h s d p a ： h i g hs p e e dd o 、v n l i n kp a c k e ta c c e s s高速下行分组接入 l t e ： l o n gt e 肌e v o l u t i o n长期演进 l u r ： l a 唱eu s e rr e g i m e 多用户限制状态 i l r ：i n t e 艉r e n c e l i m i t e dr e g i m e 干扰限制状态 i i d ： l n d e p e n d e n ti d e n t i c a l l yd i s t r b u t e d独立同分布 m i m o ： m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t多输入多输出 m m s e ：m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r最小均方误差 m u d ：m u i t i u s e rd i v e r s i t y多用户分集增益 m u m i m o ：m u l t i u s e rm i m o多用户多天线 m ui l r ： m u l t i u s e r i n t e r f e r e n c e l i m i t e dr e g i m e多用户干扰受限 i 缩略词表 高斯 x n l r ： n o i s el i m i t e dr e g i m e噪声限制状态 ns n r ：n o r n l a ls n r普通s n r o b f ： o p p o n u l l i s t i cb e 舢f o n n i n g机会波束形成 o r b f ： o n h o g o n a lb e 锄f o m i n g正交波束形成 o r v c ： o n h o g o n a ll 洳d o mv e c t o rc o d e b o o k正交随机矢量码本 p a r c ：p e r - a n t e i u l ar a t ec o n 们l每天线速率控制 p d f ： p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u i l c t i o n 概率密度函数 p f ： p r o p o r t i o nf a i m e s s比例公平 p u 2 r c ：p e ru n i t a qb 商ss 舵a mu s e ra n dr a t ec o m r o l每用户酉速率控制 q b f ：q u a n t i z a t i o nb f量化波束形成 q o s ：q u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 q i r ：q u a l 时t o i n t e r f e r e n c e 胁i o质量干扰比 q u b ：q u a n t i z a t i o n c e l lu p p e rb o u i l d量化区域上界 i m f ：r a n d o mb e a m f o m i n g随机波束形成 r v q ： r a n d o mv e c t o rq u a n t i z a t i o n随机矢量量化 s c m ： s p a t i a lc h a m l e lm o d e l空域信道模型 s d m ： s p a c ed i v e r s i t ym u l t i p l e x i n g空分复用 s d m a ： s p a c ed i v e r s i t ym u l t i p l e x i n ga c c e s s空分多址 s i s o ： s i n g l e - i n p u ts i n g l e o u t p u t单输入单输出 s i m 0 ： s i n g l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t单输入多输出 s n r ： s i g n a lt on o i s er a t i o信噪比 s q b f ： s t a t i s t i cq u 2 u l t i z a t i o nb e 锄f o 锄i n g统计量量化波束形成 s v d ： s i n g u l a rv a i u ed e c o m p o s i t i o n 奇异值分解 s u i ：s t a n f o r du n i v e r s i t yi n t e r i m斯坦福大学临时模型 s u m i m 0 ： s i n g l e u s e rm i m o单用户m i m o s u s ： s e m i o n h o g o n mu s e rs e l e c t i o n半正交用户调度 s t c ： s p a c et i m ec o d i n g空时码 t d d ：t i m e d i v i s i o nd u p l e x e d时分双工 t f r ： t i m e f r e q u e n c yr e s o u r c e时频资源 u l a ： u n i f o 咖l i n e a r 加t a y均匀线阵 z f b f ： z e r 0 f o r c i n gb e 锄f o m i n g迫零波束形成 z m c s c g ：z e r om e 锄c i r c u l a u r l ys y m m e t r i cc o m p l e xg a u s s i 锄零均值循环对称复 数学符号表 “ 口 4 ( 4 ) ( 4 ) 7 ( 爿) ( 彳) r e ( 爿) ，i i n ( 彳) l 0 9 2 ( x ) 护 4 ) 0 【爿l e 【】 么( ，c ) 厂( x ) f ( x ) lm 五 数学符号表 标量口 矢量口 矩阵4 4 的复共轭 4 的转置 爿的共轭转置 月的伪逆 4 的实部和虚部 x 的以2 为底的对数 彳的矩阵的秩 彳的模值 4 的欧几罩德范数；矩阵的范数 彳的矩阵的第f 行，第，列 对表达式中的所有随机变量求期望 向量 与c 之问的夹角 求和 随机变量x 的概率密度函数 随机变量x 的累积分布函数 朋所的单位矩阵 厅的量化值 x i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 在近几十年，无线通信技术得到了迅速的发展和广泛的应用，在世界上大多数国 家，无线通信产业已成为信息基础建设的一个不可缺少的部分。在我国，无线通信业 发展迅速，无论从通信技术发展和使用普及率都十分迅猛，并带动了整个通信产业向 前迈进，并逐渐成为国民经济发展的支柱产业【1 1 。 然而，无线通信技术和无线接入技术的快速发展，对先进传输技术提出了越来越 高的要求，如何提高系统频谱效率和链路容量也已成为l t e ( l o n gt e 啪e v o l u t i o n ) 系 统设计面临的一个巨大挑战【2 1 。多入多出( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，m i m o ) 技术【3 l 可以很容易地获得无线信道的空间分集增益、空间多路复用增益和多用户分集 ( m u l t i u s e rd i v e r s i t y m u d ) 增益等，提高无线系统的容量，因而m i m o 已成为l 1 e 系 统中的关键技术。脏纸编码( d i r t y - p a p e rc o d i n g ，d p c ) 是最佳的m i m o 传输方案，它所 达到的容量是m i m o 系统能获得的容量上限，但它计算量大、复杂度高，难以实现【4 】： 而波束形成( b e 锄f o r l l l i n b f ) 技术过程简单，且当用户数趋于无穷时，其容量接近 d p c ，目前已吸引很多研究者的关注【5 】。 总之，波束形成技术作为m i m o 技术的典型应用，充分的利用系统空域资源， 有效的提高了系统的传输速率，同时已被3 g 系统应用，并被l t e 等先进下一代通信 系统采用，具有广泛的研究价值和发展前景。而本论文主要针对有限反馈系统中的波 束形成技术展丌研究，期望研究成果在l t e 及其演进系统中具有较好的应用前景， 同时也能够为4 g 移动通信系统的发展提供理论依据。 1 2 波束形成技术及其发展 目前，针对波束形成研究主要集中于以下两大类，m i m o 系统中的点到点通信， 即基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给同一个用户，即单用户 m i m 0 ( s i n g l e - u s e rm i m o ，s u - m i m o ) ，也称为空分复用( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g s d m ) ：另一类是空分多址( s p a c ed i v e r s i t ym u l t i p l e x i n g a c c e s s ，s d m a ) 方案，即多用 户m i m o ( m u l t i p l e - u s e rm i m 0 ，m u - m i m o ) 方案，系统可以使用空域资源，基站将占 用相同时频资源的多个数据流同时发送给多个不同的用户。下面将简要介绍和分析目 前已提出波束形成方案的国内外动向、发展状况。 文献【6 】针对慢衰落信道，采用多入单出( m i s 0 ) 天线配置方式，提出了机会波束 形成( o p p o n u n i s t i cb e 锄f 0 硼i n g ，o b f ) 技术，其波束形成矢量是随机生成的，系统只 需要部分信道状态信息( c h a j l n e is t a t ei n f o r n l a t i o n ，c s i ) ，即可充分获取系统多用户分集 西安邮电学院硕士学位论丈 增益。当用户数趋于无穷时，o b f 可获得接近相干机会波束形成( c o h e r e n t o p p o r t u n i s t i cb e 锄f o m l i n g ，c o b f ) 的容量。然而，在快变的瑞利衰落信道，o b f 不能 带来任何性能改善，因为信道的波动已经很大很快。文献【7 】提出了c o b f 技术，利 用用户归一化的信道矢量作为最优的波束形成矢量，该技术在低信噪比 ( s i g n a l t o n o i s e ，s n r ) 时可以获得接近d p c 的系统性能，但在高s n r 时因缺少空间复 用增益而不能获得更大的性能改善：为此，【7 】中也提出了多波束方案，但它采用的 多波束足依次生成的，每一个波束矢量与前一个用户信道矢量讵交，因此不会造成用 户间干扰，可以使系统有效地获取空间复用增益。但是依次生成的多个波束会存在时 延问题，故只适合于低速移动环境，在高速移动环境下性能较差。 文献 8 】针对m i m o 系统提出的随机波束形成( 1 沁d o mb e 锄f o r n l i n g ，r b f ) 天线模 式，将与信道服从相同分布的随机矩阵进行奇异值( s i n g u l a r v a l u ed e c o m p o s i t i o n ，s v d ) 分解，利用其左奇异矢量作为波束形成矢量，该模式仅仅要求用户反馈有效信噪比 ( e 髋c t i v e s n r ，e s n r ) ，可以进一步提高系统性能；但是在少用户场景时，系统有时 可能找不到最优的用户，因此系统性能将下降。相应地，特征波束形成( e i g e n b e 锄f o r n l i n e b f ) 天线模式利用用户真正的信道矩阵奇异值分解得到的左奇异矢量 作为波束形成矢量，进而获得多路复用增益，但该模式需要系统活动用户同时反馈 c s i 和e s n r ，可以在少用户场景下改善系统的性能，但是随着用户数增加，系统的 反馈量增加很快，系统代价( 丌销) 增大。因此，如何同时兼顾系统性能和反馈