（通信与信息系统专业论文）多用户mimo系统下行链路用户选择与调度机制研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a 打 a - o a t f a 】u d e t ( a ) ，l a i t r ( a ) l l a | l ： ， i 胛 l o g ( 口) l o ( 口) c x p ( ) 叫】 m a ) 日( ) ，( ) r 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 的第行于第_ ，列的元素 矩阵a 的行列式 矩阵a 的迹 向量a 的2 范数，l i 曩i l = 瓦 矩阵a 的2 范数，l i a l i ：= 云了i 可 矩阵a 的f 批范数， a 忆= = 丽 朋聊维单位矩阵 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 k 戳g 犍 b d b e r b s c d m a c l d c s i 缩略语简表 a l d i t i v ew h i t e ( ；a u s s i a nn o i s e b l o c kd i a 9 0 n a l 妇i b i ta 眦“l 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 e c 鹤s c r o s sl a y e rd e s i 萨 c h a n n e ls t a t ei n f o n n a 矗o n d l - b l a s t d i a g r o n a lb e l ll a b sl ，e 同s p a c e t i m e e d l g e f d d f 】d 1 诅a g p r s g s m h s d p a i i d 口 i s i i t u l s t c m 雕 m i m o m i s o m m s e 锄l 姗c e d l a ：t a 瑚l t ef 0 rg s me v o l u t i o n f e q u e n c yd i v i s i o nd l l p l e x f e q u a l c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e 豁 学e r a lp a c k e t 鞠d i os e r v i c e g l o b ms y s t e mf o rm o b i l e h i 曲印e e dd o 、砌i i l l ( p a c k e ta c c e 鼹 加性高斯白噪声 块对角化 误比特率 基站 码分多址 跨层设计 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 砌印饥d c i l _ ta n di d e n ! t i c a l l yd i s t r i b u t e d 独立同分布 i n t e m e tp 加c o l 网际协议 i n t * s y m b o l i n 锄f a r i 胁c e 符号间干扰 i n t i 洳a t i o n a lt e l c c o m m u n i c a t i o nu l l i o n 国际电信联盟 l a y e 捌印a c e - t i m ec o d i n g 分层空时码 m u l t i p l e a c c e s s 硫酬f e r 锄c e 多址干扰 m u l t i p l ei n p u tl n u l t i p l e 州 多输入多输出 m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t l ) u t 多输入单输出 蛐眦m e 趾s q u a 础e 仃0 r 最小均方误差 7 山东大学硕士学位论文 m s o 阳m q o s r f s d m a s i n r s i s o s n r s t b c s 耵c s v d t d d t d m a m d b i l e 鼬a t i 移动台 0 n h o g a l 丘弼u c yd i v i s i l i 砌t i p l e x i n g 正交频分复用 q 1 嘲i t ) ，0 f s e f v i 服务质量 髓d i o 尔掣朗c y 射频 印a c ed i v i s i o nn “廿p l ea c c e 鼯空分多址 s i 印a lt 0 诚e r 向即c cp l l i s 加i s er a t i o 信干噪比 s i n g l ei r l p u ts i l l 酉e 伽印u t 单输入单输出 s i 朗a lt o n o i s e 枷。 信噪比 s p a c l 瞳i n 圮b 1 0 c kc o d i n g空时分组码 印a c e - t i m e 仃e l l i s 溅 空时格码 s i n g u l 盯v a l u ed e 唧s i t i o l l 奇异值分解 t i l n ed i v i s i o nd u p l 懿 时分双工 t i i 鹏d i v i s i m l l l 卸l e c c 鹤 时分多址 t i l l l ed i v i s i o n 譬邺h r o n o 峭0 0 d ed i s i o n 1 d s c d m a 。 时分同步码分多址 m u l t i p l ea c c 骼s 砌v e 】r s a lm a i b i l et c l o c o m m u n i c a t i o n 咖s 全球移动电信系统 s y s t e m v 二b l a s t w c d m a w i m 匕议 z f v e r t i c a lb e l ll a b sl 苟，e i e ds p a c 争t i m e w i d e b a n dc d m a w o d di n t 豇q 础i l i t yf 0 ri i l i c r o w a v e a c c e s s z e r of o r c i n g 垂直贝尔实验室分层空时 宽带码分多址 全球微波接入互操作性 迫零 z e r o - m 锄c u i a n ys m m e m cc 0 m p l e x z m c s c g 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，均已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：孟臣盏c 日期：塑叁：笙! 汐 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：盔星盘导师签名： 期：也肜 山东大学硕士学位论文 中文摘要 作为通信技术的发展趋势，无线通信已成为当今世界发展最快的技术之一， 并已成为社会发展的重要标志。时代的发展对未来的无线通信系统提出了更高的 要求，新一代移动通信系统要求实现宽带并能满足综合的业务需求，不仅能提供 高质量的语音业务，而且能提供高速率的数据传输业务和多媒体服务。 多输入多输出m i m o ( m u l 却l e 呻u tm u l t i p l eo 呻u t ) 技术是无线移动通信领域 的一项重大突破，能够成倍的提高系统的容量和频谱利用率，改善无线通信系统 的性能，因而受到广泛关注。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l 心链路，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。天线选择正是一种低成本低复杂度但又能较 好地保留多输入多输出系统优势的折衷技术。 鉴于对单用户m i m o 系统理论研究日益成熟，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 系统近来已成为研究的热点。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。t u 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 系统中匾待解决的问题。 多用户分集是多用户无线通信中固有的分集。不同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。基于这样的事实， 利用多用户分集可以有效提高系统性能。另外，通过利用空分复用，多用户m 蹦。 系统可以同时支持多个用户进行通信。但是所能同时服务的用户数严格受发射天 线及接收天线数的限制。通常情况下，为了保证一定的容量性能或者为了满足用 户的信号一干扰噪声比( s i n r ) 和公平性等服务质量( q o s ) 需求，需要对用户的资源 接入进行管理( 称之为调度) 。 本论文一方面研究单用户m i m o 中接收端的天线选择方案。另一方面，也是 本文的研究重点，针对多用户m i m o 系统中存在的用户选择与调度问题，分别考 虑移动终端配置单根和多根接收天线的情况，提出相应的解决方法。概括地讲， 山东大学硕士学位论文 本论文的主要研究内容为： ( 1 ) 基于矩阵的正交分解提出一种使信道容量最大化的天线选择算法，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容量。 ( 2 ) 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。在此基础上结合比例公平调度算法，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。 ( 3 ) 依照多用户m i m o 系统容量公式推导出一个上界作为优化的目标函数。提 出一种用户选择算法，并提出两个自适应准则用于自适应调整当前选择的用户数。 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m i m o 系统中天线选择方法以及多用户m i m o 系统 下行链路的用户选择与调度技术进行了研究。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sm 蹦o ；空间复用；天线选择：多用户系统；用户选择与调度 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m 咖t e 瞰l c yo fc ( 腿m l l i l i c a d s w i 心l e 鼹c ( m m 删c a l i sh a s b c c o n 地 觚i m p o r t 跹ts i 萨 0 ft h es o c i a ld e v c l o p m 哑t h en 炯mc 0 删c 撕锄 s ) r s i 明璐a 豫a 咿t c dt o 鞠：t i s 黟h i 曲盯托q u 慨e n t i tn d st 0o 行醯n o to i l l yh i g h 掣融i t yv o i c e0 p 啪t i o 玛b u ta l h i g h 批腓a n dm u l t i i n e d i a i c 髂 m u l 卸l ei i l p u tm u l t i p l eo u q ) u t ( m i l o ) t i e c l l n i q 嬲a 伊e a lh e a g h 蠡醒 w i r e l 嚣sc 0 彻m “c 撕0 ns y ：s 蛔mc 缸锄h a n c et h cc a p 时锄di n 】p r o v e 也ep e r f i o 肌a n c e m n 订o r e l a 锄t o p i c sh 孙伦b 枷eac o n s i d c r a ：b l ep 暑l no ft o d a y s a d e m i cr 豁e a r c h h o w e v e r t h e 锄p l o y m e n to fm m t i p l ea n t 锄私a l 位如册i 价优c i v e 锄di n c r c 勰岱t 量l e a d d i t i a lh a m 啪m 觚dt h 鸺n 圮c o 或豫鼋u 砌i nt l l ef 0 1 腿o fr a d i o 尔x l u e y ( i 四 c h a i n s t oo 、，e 枷e 也髑ep m b l 锨s ，w k l e 砸l 幽gt l l ea d v m n a g 髓o f m u l t i p i e 勰t 髓n a s 也et l l i l i q u eo f 锄t e 锄as e l e c t i o nh 弱b e e nd e v e l o p o d p r 豁e n t l 弘t l l e 地骶嗣f c ho n 如酉争u s 贯m i m ot h n i q u 髓h a sb o e nm a t m 诵o n m m u l t i u s 盯m i m os y s t 锄sw i m eb a s t a t i o na n dm 锄y 加曲i l es t a l i 伪：l sh 孙，e a t 仃t e d 也e 代s e a r c ha t 删o i i ，s i l l c el 的e x 衄t i m es 1 0 t s 勰d 仔e q u e n c y 代s 0 l u r c 骼a 糟 雠c d e d 幻跚p p 砥麟鹏u s e 强nc 觚a c h i e v ch i g h e rc h 锄e lc a p a c 时c o m p 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b l eu s e 瑙i sl i l 】1 i t e db y 廿l em m l b e ro f 仃a n s m i ta n dr e c c i v e 肌t e m 勰g e n e r a l l 弘i no r d e rt 0 髓s u r ec a p a c 埘p e r f o 衄锄c e 0 rt 0 s a t i s 矽( 如s r e q u i r e m e n t ( s i n r 例妇e s se t c ) ，s c h e d u l i n gi sr e q u i r e dt 0m a l l a g em eu s e 璐a c c e s st o 3 山东大学硕士学位论文 廿l er c s o u n ：e s i i lt l l i sd i s 鞠n a t i o i l 删v e 锄曲跚i 硎o na i g o r i l h mi n 如酉eu s 盯m i m os 弘舡栅 i s 对u d i e d f 0 rm u l t i 1 l 瓣mim os y s ：t 锄s ，i l lc a o fs i n 西c 甜m l l l t i p l ef e i v c 越瞅殂n 鹪 砒m o b i l et e 棚1 i 1 1 a l s 代s p 蒯v c l 弘c 0 哪p c 唧如g 蜥。潞f 0 ru s 盯烈e c 6 0 na 陀p 即o s 。d h ig 锄e r a l ，m i sd i s 删疵i l l yd i s c 啦s 懿鹤f o l l o w s ： ( 1 ) as i m p l ea n t 锄a 鸵l t i o na l g o r i t _ l l l na t 也er e c c i v e f i sp r o p o s e d t l l i sa 1 9 0 r i t l l mi s b a s e do nm a t r i xd c c o m p o s i t i n l l i e 、，鹤a l m o s tt h cs 锄eo u t a g ec a p a c i 够鹪0 p t i m a l s e l c c ：t i i d nm e 吐l o dw l l i l e 、砘t l l1 0 1 i 盯c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i 哆 ( 2 ) p r o l ，0 趾e 衔c i 咖u s e r 烈e c t i o na 1 9 0 r i t i l ma i l l ：l i i l gt 0m 觚i n i 眈也es 啪r a t e c a p i 桫氨叶m u l t i u s 盯m i s od o w n l i n ks y s t 删略b a s c d 也i sm e m o d a 黼r s c h e d u l i l l gs c h e m ei sf i i r t l l 盯g i v t 0 翱s u 他f a i r 妣协a l lu s e 璐i nn l es y 哦e i n u s 懿埘t l lp 0 0 rc h 粕n dc 0 蒯t i c 觚a l b c 删w h n ek e 印i i l g 他l a t i v d yh i 曲纰 m t e ( 3 ) b yc s i d 耐n gm u l t i - l i s e rm i m od o w l l l i l l l 【s y s t 锄s ，w eg i v e 觚u p p e r b 0 硼do f 辩蛐剃ec a p a c i 劬觚df h 肌p p 0 as u _ b o p t i m a la d a p t i v eu 蝌l e c t i o na 1 9 0 r i t l l 】咀 r e g a r dc l m e n tc a p a c i 锣a n d 也cu 卵啜b o u n d 瑟m ea d a p t i v c c r i t e r i o 璐t h e 时0 r m a n c eo f t i l ep l d p o s c da l g 嘶t l l mi s 玳跚t 0t l l e0 p t 证l a lm e t h o di nd i 岱删s n r s 雒d 、 ，i 也d i a 讶tn l l m b e ro fu s e i 鬣 h ls 啪，砸l t 锄as d e c 6 0 nm d f 0 rm i m os y s t 伽嘧锄d 鸺c rs e l e c t i o nm 如o dw i m s c i i l gt e c i m i q u ef o rm u l t i 一髑e fm i m os y s t e i 】陷a 他i n v e s t i g a t e di n 也i sd i s r t a t i o n f i n a l l 弘缸l cp r o b l 锄st 0b es o l v e di nm i s 坞s e a r c hf i e l d 锄dm t u 陀a r c ht o p i c sa f e n h n m a r i z e d k e yw o r d s ：m i m o ；s p a t i a l 舢l t i p l e x i n g ；锄t 饥舱s e l c c t i o n ；m u l t i 潞e rs y s t e m ；髑c r s c l e c t i o na n ds c h e d u l i n g 4 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 无线通信发展现状 作为通信技术的发展趋势，无线通信已经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，并成为社会发展的重要标志。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。移动通信业务满足了人们 在任何时间、任何地点与任何个人进行通信的愿望，是实现未来理想的个人通信 服务的必由之路。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，呈现出以下几大趋势：网络业务数据化、分组化，网络 技术宽带化，网络技术智能化，更高的频段，更有效的频带利用率，各种网络趋 于融合。 时代的发展对未来无线通信系统提出了更高的要求。中国社会经济的全面发 展，对于通信行业来说既面临机遇，又迎接挑战。在现今传统电信业务趋于饱和 的背景下，寻找新的经济增长点，变得尤为迫切。满足既能提供话音业务又能支 持数据业务等多种客户业务需求将成为市场发展的主流。而移动通信领域正处于 第三代移动通信( 3 g ) 技术的完善过程中，能否把3 g 技术做到满足客户的需求是该 技术能否得到发展的关键。而且，具有更优性能和更高频谱利用牢的第四代移动 通信( 4 g ) 也已经成为人们关注的焦点。 目前世界上得到广泛应用的第二代移动通信系统( 2 g ) ，数字信号处理技术是其 最基本的技术特征，主要有全球移动系统( g s m ) 、i s 1 3 6t d m a 系统和i s 9 5 c d m a 系统。以g s m 系统为例，它只能提供2 4 l 6 k b p s 以及1 4 4 k 1 ) p s 的电路 交换语音业务，其增强技术通用分组无线业务( g p r s ) 和增强数据速率的g s m 演进 技术( e d g e ) 可以分别提供1 4 4 k b p s 和3 8 4 l 曲p s 的分组交换数据业务。显然，2 g 已无法满足多媒体业务的需求。3 g 可以在无线蜂窝网络中提供更加丰富的多媒体 服务，提供最高达2 m b p s 的接入速率。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 ，其中w c d m a 和c d l l l a 2 0 0 0 早已投入商 用，而t d s c d m a 也已进入试商用阶段，很快将颁发3 g 牌照。作为3 g 下一阶 9 山东大学硕士学位论文 段的3 5 g 技术一高速下行分组接入技术( h s d p a ) ，其下行链路的数据率理论上 可以达到1 4 m b p s 。而可以提供7 5 m b p s 通信速率的无线城域网技术全球微波 接入互操作性( 晰m a x ) 也正异军突起。无线通信保持着快速健康的发展势头。 全球范围内的移动通信用户数每2 0 个月翻一番，每天有2 5 万人成为移动业 务新用户。2 0 0 2 年底全球移动用户已经超过了固定用户，而在2 0 0 3 年底时已经 有三分之一的国家其移动用户超过固定用户数。国际电信联盟( i t i j ) 2 0 0 4 年1 2 月 公布，2 0 0 4 年全球的移动通信用户数已超过1 5 亿，其中中国的移动通信用户数约 为3 3 亿。从以上这些数字，我们不难发现移动通信正以前所未有的速度发展着。 如今在我国1 6 2 亿网民中，有4 4 3 0 万人以手机为终端进入互联网，占我国网民总 数的2 7 3 。移动通信与互联网结合已成新趋势，这必将更深刻影响我们未来的工 作和生活。 1 2 无线通信面临的主要问题和解决的方法 新一代移动通信系统要求实现宽带并能满足多种综合业务需求，不仅能提供 高质量的语音业务，而且能提供高速率的数据传输业务和多媒体服务。 从演化的角度，新一代无线通信系统将是多标准共存的异质网络，该系统应 当具备全球漫游、接口开放、反向兼容、终端多样化、能跟多种网络互联和能平 稳演化的特点。新一代无线通信系统将提供良好的覆盖、可靠的传输、高的数据 传输率和频谱效率。未来整个电信网朝着i p 化发展的趋势非常明显，但其中还有 大量的问题需要研究，特别是有关保证未来的4 g 移动通信系统服务质量的要求要 比3 g 更高，这里面涉及传输时间更短、服务质量更高、用户的体验更好等条件。 要满足这些需求，现有3 g 体制就要做一些比较大的改变，在网络体系结构上进行 改变，使网络更加扁平化，便于网络能够更加直接地接入到i p 网络。 从数据牢的要求方面，预计2 0 l o 年后对数据率的需求为：当终端在高速移动、 多用户和多蜂窝环境下，达到2 m b p s ；在中等移动速度下( 如汽车速度) 达到 2 0 m b p s ；在低速移动环境下达到5 0 1 0 0 m b p s 。3 g 和4 g 最终将支持高达 1 0 0 m b p s l g b p s 的多媒体宽带数据业务。 由此可见，随着社会发展步伐的不断加快，人们对无线服务的要求也变得更 i o 山东大学硕士学位论文 加苛刻，对通信的质量和速度提出了更高的要求。然而，实际的通信系统面临诸 多复杂的问题：多径衰落、信道的时变性、噪声、多址干扰、符号间干扰( i s i ) 以及带宽的限制等问题都严重地影响和制约着通信链接的质量和系统容量另外， 移动终端的天线尺寸、实现复杂度和功率等问题：多输入多输出( m i m o ) 系统的多 信道参数估计问题；多用户m i m o 系统中用户间干扰消除问题；实际系统的性能 和实现复杂度的折衷问题等都是制约移动通信业务发展的重要因素。 总之，未来的移动通信系统还有许多问题需要解决，如何在不增加功率和不牺 牲带宽的前提下，优化资源配置，有效克服多径衰落和多址干扰等因素对基站和 移动台的影响，保证可靠的通信链接，提高传输速率以及满足多用户系统中不同 用户的服务质量( q o s ) 需求等都是急待解决的实际问题。 近年来，新兴的利用多天线技术的空时处理方法为解决以上问题提供了新的 途径。空时处理技术通过在空间域和时间域联合处理信号，可以充分利用空间信 号处理技术和时间信号处理技术的优势，抵抗i s i 、减小m m 、增加分集增益以及 提高阵列增益。它所达到的效果是单天线单时间处理方法无法实现的。 m i m o 技术是典型的空时信号处理技术，它的研究掀起了无线通信的一场革 命。从无线通信系统的结构来看，m 蹦。技术与通信系统内的各个关键部分相结 合可以改善系统的整体性能，例如，和编码技术结合形成空时码技术；与调制技 术结合形成m i m o o f d m 技术；与天线技术结合形成多天线的智能天线系统。 m i m o 技术使传统的时域信号处理转变成为空时二维信号处理，从而极大地增强 了系统容量性能和误码率性能。实践证明，m i m o 无线通信系统在以下一些方面 具有巨大的潜力，如频谱的高效利用、带宽的动态分配、安全的无线应用、更好 的服务质量和高性能的信号调制传输技术等。 具体来讲，多天线空时信号处理理论属于信息科学领域的一个新的分支学科， 涉及时域信号处理、空域信号处理、自适应信号处理和盲信号处理等诸多学科。 其丰要研究方向为空时估计，空时检测，空时编码，空时均衡，空时分集和空时 波束形成等。其中，空时分集和空时波束形成技术是空时信号处理技术的重要组 成部分。分集技术通过收发多个不相关的信号，可以有效抵抗信号的空间选择性 衰落；波束形成技术是智能天线技术的基础，通过调整权值，可以有效地利用空 山东大学硕士学位论文 问波束聚焦目标用户，从而达到抑制干扰和提高链接可靠性的目的。 1 3 国内外研究现状 国内外学者对m 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【阁，m 】【m o 系统的均衡问题瞰】， m i m o 系统中的空时处理技术f 乳脚，m 玎订。系统的调制技术f 1 3 - 1 5 】等。空时处理技术 主要包括空时编码和空间复用技术。1 9 9 6 年，贝尔实验室的gj f 0 s c 蛳【1 6 】提出， 在无线通信中使用多元天线阵构造分层空时结构可以明显提高信道容量，并把这 种多发射和多接收的信道模型称为m 蹦。信道。在此基础上一些学者针对如何充 分利用m m o 信道容量的问题，提出了不同的空时处理方案。1 9 9 8 年，t a m 姓提 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 l 【l l 还 用格状编码调制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 ) 【忉。与此同时，s m 越锄。砸【1 8 】发现了一种简单的发射分集方案，后来 t a r o l 【l l 将其拓展并归纳为空时分组码( s t b c ) 【嘲。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 论研究日益成熟，为了充分利用m i m o 系统提供的空间复用增益，多用户删。 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 八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f 2 0 j 。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 迅i o 伽g 提出了一种基站端实现的下 行波束形成算法【2 1 1 。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比( s r ) 限制下的功率有效性上行和下行波束形成方案【2 2 1 ，而在文献【2 3 1 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 1 2 山东大学硕士学位论文 的联合设计阱2 5 l ，联合波束形成和调度策略【拍明，下行链路的用户选择与调度田铡 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【则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【3 3 州，矩阵的正交分解等。 然而，由于无线移动通信m i m o 信道是一个时变、非平稳多输入多输出系统， 将已有方法应用到实际系统中，尚有大量问题需要研究。另外必须结合具体通信 体制( 多址方式、调制方式等) 进行性能研究和系统设计。 1 4 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 蹦。系统，提出一种低成本低复杂度但同时又能较好的保持系统性能的接收 天线选择方案；另一方面，也是本文的研究重点，针对多用户m 蹦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三个部分： ( 1 ) 本文基于矩阵的正交分解提出一种信道容量最大化的天线选择算法。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 用户时则需要在所有用户中选出数目有限的用户予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 基础上结合比例公平调度算法，保证整个系统对所有用户服务的公平性，在保持 1 3 山东大学硕士学位论文 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。 ( 3 ) 移动终端接收天线数目较多时，系统容量公式相对m i s o 系统更复杂。为 了降低用户选择算法的复杂度，本文依照容量公式推导出一个上界作为优化的目 标函数。提出一种用户选择算法，并提出两个自适应准则用于依据信道状态自适 应调整当前选择的用户数。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 5 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。 第三章讨论了基于矩阵正交分解的接收天线子集选择方案。 第四章分别讨论了多用户m i s o 和m i m o 系统中的用户选择与调度算法。 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 第二章无线通信中的多天线技术 2 1 多天线技术概述 m i m o 或称为多发射多接收天线m 嗍a ) 技术是无线通信领域的重大突破， 是新一代移动通信系统中采用的关键技术之一。它通过在发射端和接收端同时使 用多个天线，使系统容量随最小天线数目线性增长【3 5 1 。发射端的信号经过编码， 调制及交织等空时处理后，同时从多个天线发射出去，信号经过多径传输到达接 收端，由多个天线同时接收。多径衰落在s i s o 系统中是影响通信的不利因素，但 在m m o 系统中却能充分利用多径携带的信息提高系统性能。 m i m o 技术通常可以分为三类f 蚓。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，如v 二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，实现接近最优的容量。9 0 年代贝尔实验室 ( b e ul a b s ) 的学者所做的工作为m i m o 的产牛和发展产生了巨大的推动作用。1 9 9 5 年，t e l a d 甜给出了在衰落情况下的m i m o 信道容量【3 5 】：1 9 9 6 年，f o s c l l i 】【l i 提出了 一种分层空时码( l s t c 卜对角一贝尔实验室分层空时( d b l a s t ) 结构【1 6 】；1 9 9 8 年，t a r o l d l 等人提出了一种基于编码调制技术的空时格型编码方案s t t c 【1 7 1 ； 同年，朋锄o u t 发现了一种简单的发射分集方法【嘲，t a r 0 姓将其拓展并归纳为 s t b c 【1 9 1 。 m l m o 技术利用了无线信道多径传播的固有特性：在无线通信中，如果在发 送端与接收端同时采用多天线系统，只要各天线单元间距足够大，无线信道传播 的多径分量足够丰富，各收发天线对间的多径衰落就趋于独立。假设一个m i m o 系统，传输信息流经过空时编码形成脚个信息予流，这，l r 个予流由刀r 个天线发射 出去，经空间信道传输后由个接收天线接收。多天线接收机能够分开并解码这 些数据子流，从而实现最佳接收。 由于这脚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。若各发射接收天线间的信道响应独立，则m i m o 系统可以建立多个并行空 山东大学硕士学位论文 间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然得到提高。 图2 1m i m o 传输系统示意图 r _ i 信宿i i 一 m i m 0 将多径无线信道与发射、接收机视为一个整体进行联合优化，可以有 效提高信息传输速率和频谱利用率；或者也可以通过增加信息冗余度来提高信号 传输的可靠性，降低误码率；同时也可以在两者之间寻求一种合理的折衷。因此， 多天线方案可以很好地提高无线系统的整体性能。 2 2 多天线通信系统中的预编码技术 m i m o 空间复用技术可以大大地提高系统容量。但在点对多点广播信道中， 由于各用户在地理位置等方面的差异，不能协同接收。每个用户都会受到同道用 户的干扰。 因此，为了解决无线多用户m 蹦o 下行链路中多用户干扰问题，丰要可以通 过发射端的预编码。该方法有三个主要的优势：一是通过发射端的预编码处理， 可以有效地消除下行链路的多用户干扰，从而大大提高系统容量；二是可以大大 简化接收机的算法，解决移动台的功耗和体积问题；三是由于发射端准确知道各 用户数据，所以在发射端采用反馈干扰抵消的方法不存在误码扩散问题，性能更 优。由以上分析看出，预编码影响到发射端独立发送数据流的能力，是解决把 m i m o 技术应用于新一代蜂窝系统或无线局域网的关键。预编码的方法分为两大 类【3 7 1 ，一类是线性预编码，一类是非线性预编码。下面重点介绍线性预编码方法， 典型的线性预编码方法包括基于迫零准则和最小均方误差( m m s e ) 准则的方案1 3 引。 基于z f ( z e 胁f i n g ) 迫零的线性预编码是最简单也是最常用的线性预编码方 式。在z f 的预编码中，发射端的预编码信号为： 1 6 h道信 厂 山东大学硕士学位论文 x = f 其中f = 卢h ，为了保证一般性，h 非方阵。 a c = = = 鲁宅， 图2 2 线性预编码结构框图 通过预编码矩阵f ，在接收端的接收数据矢量y 为 y = 去( h x + n ) = 吉( h 印a + n ) ( 2 1 ) = - + 喜n ( 2 2 ) = + 一nl = z z ， 9 、 j 在( 2 2 ) 式中的参数为缩放因子，其作用是为了保证发射的预编码信号矢量x 的功率恒定。 的取值为： p = 函 ( 2 3 ) 其中k 表示发送端发送信号个数。在接收端，接收信号通过乘以缩放因子的 1 倒数圭进行补偿。 p 由此可以看出，在发送端根据信道状态信息矩阵h 构建一个预编码矩阵，发 送信号通过和预编码矩阵相乘实现在发端的线性预编码，针对当前信道特性构成 的预编码矢量通过信道后不需要检测就可以直接通过解调得到发送信号。 由于z f 的预编码虽然使各个天线间的干扰为零，但这种方法同时增加了噪声 干扰，因此为了提高系统性能，引入了基于最小均方误差的m m s e 预编码算法。 1 7 ， p b = j _ 1 = ，b 山东大学硕士学位论文 在构建预编码矩阵f 时采用m m s e 法则，即在接收端使得接收信号的误差均 方值最小： f = 鼍产f 杪( 肿a + n ) 一a i l 2 ) 2 4 ) 同样，在发射端预编码后的发送信号矢量的发射功率恒定，功率值为常数： 日i f a l | 2 ) = k 一 ( 2 5 ) ( 2 5 ) 式中为缩放因子，确保发送的预编码信号功率为常数，k 表示发送信号 数目，以表示发送信号功率。 根据m m s e 算法准则【3 9 】得到最优化的预编码矩