（通信与信息系统专业论文）虚拟mimo系统用户配对算法研究.pdf

_ l 嚏 独创性( 或创新性) 声明 【irl iifllil lli l l l l l r l l i m ifli r l l l y 17 5 9 6 3 5 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：弓毳西扯 只期：翌! 里：! ：! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围， 本人签名：遗垡! 生 导师签名：-7垄磐掣鱼l 一 适用本授权书。 只期： 同期： ? ，汐、c ) ，l j ， 北京邮l 乜人学硕i ：学位论文 虚拟m o 系统用户配对算法研究 摘要 随着移动互联网和多媒体业务等多发展，世界范围内无线通信系 统的容量需求迅速增长。然而，由于目前可利用的时频资源已十分 有限，如何在有限的资源上实现更高效的数据传输速率始终是数字无 线通信系统领域中最活跃的研究课题之一。 科学研究成果已经证实：利用多输入多输出( m i m o ，m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ) 技术通过空间复用能够显著的提高通信系统的容量， 并可以很好的缓解时频资源日益紧张的现状。因此，该技术在l t e 标准中被列为必选项，并在下行链路上得以使用。同时，与之相对应 的用于上行链路的虚拟m i m o ( v i r t u a lm i m o ) 系统也得到了广泛的 关注。其中，针对v i r t u a lm i m o 系统中的关键技术一用户配对机制， 国内外的研究人员更是进行了大量研究工作，并提出了许多新的算法 或改进。 v i r t u a lm i m o 技术是指通过特定的选择算法将符合标准的用户分 成一组，利用相同的时频资源来传输数据的技术。由于组内的用户 同时通过各自的天线发送数据也就在上行方向上构成了类似于传统 m i m o 技术中的多天线发射阵列。但在具体的实现上，各终端用户仍 然采用单天线配置，仅是通过特定的调度算法实现了采用相同无线资 源的联合发送。由于该技术可以在没有增加用户终端设备的成本和发 射功率的情况下，在上行传输方向构成类似于m i m o 的传输系统。因 此，对于提高无线资源的利用率、改善上行链路传输容量具有积极的 作用。本论文本就是以v i r t u a lm i m o 系统中的用户配对算法为研究 对象。在国内外研究现状的基础上，针对具体算法的特点与系统性能， 通过理论分析与仿真相结合的方法，重点进行了如下的研究工作： 1 结合l t e 系统的性能要求与m i m o 系统的具体技术特点，对 v i r t u a lm i m o 系统的原理与各项技术进行了学习； 2 在国内外研究成果基础上，重点对v i r t u a lm i m o 系统中的四 种用户配对算法进行了分析与研究； 北京邮电人学硕i ：学位论文摘要 3 自主搭建仿真平台，通过仿真的方法对采用四种算法的系统平 均信道容量进行了比较与分析； 4 结合仿真结果中发现的o p s 算法性能较差的问题，针对性的提 出了两种改进方案。 通过以上研究工作，本论文除了对四种算法的性能进行了分析之 外，主要对o p s 算法存在的问题提出了两种改进方案，并进一步验证 了改进算法的有效性。 关键宇：l t e 虚拟m i m o 用户配对o f d mm i m o i i 北京邮电人学硕j ：学位论文 i n v e s t i g a t i o no f u s e rp a i i u n ga l g o r i t h m si n t h ev i r t u a lm i m os y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ei n t e r n e ta n dm u l t i m e d i as e r v i c e ，t h e r e q u i r e m e n to ft h ew i r e l e s ss y s t e m sc a p a c i t yi n c r e a s e dr a p i d l y , h o w e v e r , d u et ot h ea l r e a d yt i g h tt r a p p e dt i m e f r e q u e n c yr e s o u r c e ，h o wt oi m p r o v e t h ed a t at r a n s m i s s i o nr a t ei nam o r ee f f i c i e n tw a yh a sa l w a y sb e e no n eo f t h em o s ta c t i v es u b j e c t si nt h ed i g i t a lw 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 r e s e a r c h e s t h es c i e n t i f i cr e s e a r c hh a sc o n f i r m e dt h a t ：t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s c a p a c i t yc a nb ed r a m a t i c a l l yp r o m o t e db ys p a t i a lm u l t i p l e x i n gb ym i m o h e n c e m i m 0h a sb e e nu s e di nd o w n l i n kt r a n s m i s s i o na sam u s t o p t i o n i nm s y s t e m m e a n w h i l e t h er e s e a r c h e so ft h ev i r t u a lm i m 0s y s t e m f o ru p l i n ka r ea l s ov e r yh o t a m o n gt h e s e ，t h es t u d i e sf o c u s e do nu s e r p a i r i n ga l g o r i t h mw h i c hi st h ek e yt e c h n o l o g yi nv i r t u a lm i m 0s y s t e m h a v ea c h i e v e dp r o m i s i n gr e s u l t si ni n t r o d u c i n gn e wo ri m p r o v e d a l g o r i t h m s v i r t u a lm i m oi ss u c hat e c h n o l o g yt h a ts e l e c t sag r o u po fu e s b ya s p e c i f i ca l g o r i t h m a n dt h e nl e tt h e mt ot r a n s m i td a t au s i n gt h es a m e t i m e f r e q u e n c yr e s o u r c e b e c a u s et h em a n ya n t e n n a sc a nt r a n s m i t s i m u l t a n e o u s l y , s ot h et r a n s m i t t i n ga n t e n n aa r r a yi sf o r m e dj u s tl i k e i i i 北京邮1 1 1 人学硕l ：学位论义 m i m oi nu p l i n k h o w e v e rw h e ni ti si m p l e m e n t e d t h eu e ss t i l lo n l y e q u i po n ea n t e n n a ，t h ec o m b i n i n gt r a n s m i s s i o ni so n l yc o n d u c t e db ya s p e c i f i cs c h e d u l i n ga l g o r i t h m u s i n gt h i st e c h n o l o g y , t h em i m o l i k e s y s t e mc a nb ef o r m e d i nu p l i n kw i t h o u t a n ye x p e n d i t u r ee i t h e ri nu e s o r w i r e l e s sr e s o u r c e s t h e r e f o r e ，i th a sap o s i t i v ei m p r o v e m e n ti nr e s o u r c e e f f i c i e n c ya n dc a p a c i t yi n c r e a s i n g t h i sp a p e rf o c u s e do nt h er e s e a r c ho f u s e rp a i r i n ga l g o r i t h mi nv i r t u a lm i m o o nt h eb a s i so ft h ec u r r e n t s t u d i e s o u ra i mi st oa n a l y z ed i f f e r e n ta l g o r i t h m s f e a t u r e sa n ds y s t e m p e r f o r m a n c eb yu s i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n t h em a i nw o r k h a sa c h i e v e da r el i s t e da sf o l l o w ： 1 w i t h i nt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n to fl t es y s t e ma n dt h es p e c i f i c t e c h n i c a lc h a r a c t e ro fm i m o s y s t e m ，s y s t e m a t i cs t u d yo ft h e o r ya n d t e c h n i c a lw a sc a r r i e da b o u tt h ev i r t u a lm i m o s y s t e m 2 b a s e do nt h er e s u l t so fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h e s ，p r i m a l a n a l y s i sa n dr e s e a r c hw e r ef o c u s e do n4u s e rp a i r i n ga l g o r i t h m i n v i r t u a lm i m o 3 b yp r o g r a m m i n g s i m u l a t i o np l a t f o r m ，s i m u l a t i o nr e s u l t sw e r eg o t t e n i ns y s t e m sa v e r a g ec h a n n e lc a p a c i t i e s ，f u r t h e rc o m p a r i s o na n d a n a l y s e sw e r ec a r r i e do u tb e t w e e nd i f f e r e n ta l g o r i t h m s 4 r e f e r r i n gt ot h eu n p l e a s a n tp e r f o r m a n c eo fo p s ，t w om o d i f i c a t i o n s a r ep r o p o s e d w i t ht h ea b o v er e s e a r c h e s ，b e s i d e st h ep e r f o r m a n c e a n a l y s i sb e t w e e n a l g o r i t h m s ，t w oa m e n d m e n t so fo p s w e r ep r o p o s e da n dt h e i re f f i c i e n c i e s w e r ea l s ov e r i f i e d k e yw o r d s ：l t e ，v i r t u a lm i m 0 ，u s e rp a i r i n g ，o f d m ，m i m o i v 北京邮电人学硕 ：学位论文日录 目录 第一章绪论i 1 1 选题背景、意义及目的。l 1 2 移动通信技术的发展概述2 1 3l t e 关键技术4 工3 工o f d mj 腻5 工3 2m i m o2 5 衣5 1 4 主要t 作与研究内容。7 1 5 论文组织结构b 第二章m i m o 与v i r t u a lm i m o 系统 2 1m i m o 系统模型1 0 2 2m i m o 系统特点。1 3 2 2 工犀增蔷工， 2 2 2 分：；章增益1 3 2 2 32 倒复劈学席妇 2 2 4 予说，；乡膳工4 2 3m i m o 系统信道容景1 4 2 3 】s i s o 膨詹重豁骨工4 2 3 2s i m o 膨蔗堂秽骨】4 2 3 3m i m o 膨詹查裕屁。工5 2 3 4 詹z 擀屏z 岁；枣。1 6 2 4m i m o 系统关键技术1 6 2 4 工v - b l a s t 掰岳矽技术1 7 2 4 工z f ( 7 五堂智零夕煮宣0 明雾! j 盏皇工7 2 4 2m m s e 强小均方堤著j 检删第弦船 2 5v i r t u a lm i m o 技术1 9 2 6 ，j 、 目；：! ( ) 第三章用户配对算法原理。2 2 3 1v i r t u a lm i m o 系统容疑。2 2 3 2v i r t u a lm i m o 的四种配对算法2 3 3 2 i 随机用户配对调度算法( r p s ) 2 3 3 2 2 正交国户配对调度算法( o p s ) 。2 4 3 2 3 行魏式用户配对调度算法( d p s 2 s 3 3 4 基丁s i n r 的用户就对调度算法( s i n r p s ) 2 5 v 北京邮电人学顶l ：学位论文 目录 3 3 小结。2 7 第四章用户配对算法比较分析2 8 4 1 系统仿真基本原理2 8 4 2 物理层仿真传输方案2 9 4 3 链路仿真关键技术3 l 4 3 1 鳙华垂琴彦g 瓒3 工 4 3 2 黜锣谚3 3 4 3 3v - b l a s t 编正争3 5 4 3 4 在啵豹9 譬珙3 6 4 3 5 露# 定舀枣苫枣3 7 4 4 仿真参数3 8 4 4 1 条绕彩防箕塞搴参辫3 8 4 4 2 衡掰历名国参t 掰。3 9 4 5 仿真结果与分析3 9 4 6 ，j 、1 2 ；1 1 第五章o p s 算法改进与验证4 2 5 1o p s 算法性能4 2 5 2o p s 算法的改进方案4 3 5 2 1o p s 改进配对算法1 ( o p s i m p r o v e d1 ) 4 3 5 2 2 _ 0 p s 成迸虎刃舅兹2 ( o p s i m p r o v e d2 ) 4 3 5 3 改进算法仿真分析4 4 5 4 ，j 、结4 5 第六章总结与展望4 6 6 1 全文总结4 6 6 2 下一步研究t 作4 7 参考文献 4 9 致谢5 2 攻读硕士学位期间发表的学术论文s 3 v i 北京邮i 乜人学硕l ：学位论文绪论 1 1 选题背景、意义及目的 第一章绪论 随着移动通信技术的发展，在无线资源同益紧张的现实趋势下，对系统的容 量提出了更高的要求。如何使用有限的无线资源更有效的提高系统的容量，不断 为研究人员提出新的课题。3 g p p 在2 0 0 5 年启动了3 g 长期演进研究项目( l t e ， l o n g t e r me v o l u t i o n ) ，其中将多输入多输出( m i m o ，m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ) 技术作为实现的一项关键技术。研究表明，通过采用m i m o 技术可以明显提高 系统性能。 m i m o 技术的主要优点之一i l j ，是在接收端与发送端通过采用多根天线的配 置来传输用户数据，进而实现在相同时频信道上的资源复用。在接收端，通过 多根不同的接收天线可以将混杂在一起的无线信号进行区分。研究表明1 2 】，在采 用m i m o 的无线通信系统中，系统的容量可与接收或发送的天线数量成比例， 并且明显的高于采用单根天线的单输入单输出( 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 ) 系统。 在m i m o 技术的实现上，由于在基站采用多根天线的配置受到的限制较小， 且各接收天线问可具有较好的隔离度。因此，在下行链路的传输方向上m i m o 技术的优势得到了很好的发挥。然而在用户( u e ，u s e re q u i p m e n t ) 端，如果要 安装多个天线。一方面会受到系统成本以及功耗要求等方面等限制，另一方面由 于多根天线来自同一个终端。所以，每个天线上的大尺寸衰落基本变化不大，系 统的容量并不能显著的提高。 为了解决这个问题，研究人员提出了虚拟m i m o ( v i r t u a lm i m o ) 的概念。 在具体的实现方式上，每个终端只配有一根天线，由于每个用户的信道情况差别 很大，所以不同天线上的大尺寸衰落差别很大。通过采用特定的调度机制，选择 符合规定的用户并归为一组，从而分组成功的用户天线就构成了虚拟的多天线阵 列在相同的时频资源上发送数据，进而形成了无线信号的在空间上的复用，通 过这种方式可有效的提高系统的容量。因此，配对用户的选择就成为v i r t u a l m i m o 系统的一个核心问题，这也是传统m i m o 系统不曾遇到的问题，同时， 北京邮i 【i 人学硕i ：学位论义绪论 配对方法的好坏直接决定着系统的吞吐量情况。一个好的用户配对算法对于有效 的提高系统有十分显著的作用。 然而，如何选择不同的用户进行配对并使用相同的时频资源发送数据以提 高系统的吞吐量，在不同方面对配对算法提出了不同的要求。一方面，如果信道 情况好的用户和信道情况不好的用户配对成v i r t u a lm i m o 系统，在信道非正交 的情况下，好的用户会对不好的用户产生很强的干扰。另一方面，用户配对算法 的采用也对系统的吞吐量有十分明显的影响。 当f i f 关于用户配对算法的研究已取得了很多有益的研究成果，并且新的配对 算法不断的被提出。在已有的用户配对算法中较早被提出的有随机用户配对 ( r p s ) 、正交用户配对( o p s ) 、行列式用户配对( d p s ) 、基于s i n r 的用户配 对( s i n r p s ) 等，针对新用户配对算法的研究与改进也大多是在以这几种算法 为基础所进行的。在本课题的研究中也是针对n o r t e l 提出的虚拟m i m o 系统中 的这四种基本的用户配对算法进行研究，通过仿真对不同算法的性能进行比较分 析后，对正交用户配对( o p s ) 算法提出两种改进方案。 1 2 移动通信技术的发展概述 自m a r c o n i 首次无线通信取得成功以来，人们对无线通信的研究就一直在不 懈地努力着，但直到2 0 世纪6 0 年代，随着蜂窝概念的引入和7 0 年代超大规模 集成电路技术的进步，移动通信才丌始得到真正的应用。近年来，移动通信的发 展十分迅速，移动通信用户的数量迅猛增长，移动通信已发展成为现代社会人们 生活中不可缺少的一种通信手段。 移动通信是指通信中的移动一方通过无线的方式在移动状态下进行的通信， 这种通信方式可以借助于有线通信网，通过通信网实现与世界上任何国家任何地 方任何人进行通信，因此，从某种程度上说，移动通信是无线通信和有线通信的 厶士厶 ；日口。 截止目前，回顾移动通信发展的历史，其技术发展大致经历了六个阶段。 第一阶段属于移动通信的初步发展阶段，时间大体从2 0 世纪2 0 年代持续到 4 0 年代。在这一阶段，移动通信设备主要采用电子管，其终端设备的体积和重 量都较大，基本以车载为主，典型应用为1 9 2 1 年于美国开通的底特律警用车载 移动通信系统。 第二阶段可划分为移动通信的初期发展阶段，在时间的划分上可从2 0 世纪 4 0 年代中期到6 0 年代初。在这一阶段，专用移动通信系统开始向公共移动通信 发展，通过人工方式进行接续，因此其系统容量较小，主要工作于1 5 0 m h z 的 2 北京邮i 乜人学硕l ：学位论文绪论 v h f 频段。典型应用为美国b e l l 在圣路易斯于1 9 4 6 年建立的世界上第一个公用 汽车电话系统。 第三阶段可被称为移动通信的改进和完善阶段，在时间的划分上可从2 0 世 纪6 0 年代中期到7 0 年代中期。其特点在于，公用移动通信系统规模的进一步扩 大，通过采用大区制组网，系统容量得到扩大。工作频段为4 5 0 m h z ，频率问隔 缩d , n2 5 k h z 一3 0 k h z 。并且实现了信道的自动选取和自动接续，开始出现便携 式移动终端。 第四阶段是属于蜂窝移动通信系统从无到有的阶段，从2 0 世纪7 0 年代中期 到8 0 年代中期，蜂窝移动通信系统经历了从诞生到蓬勃发展的进程。随着移动 通信业务的发展，有限的无线资源与用户数量间的矛盾也变的尤为突出。此时， 在7 0 年代初由贝尔实验室提出了蜂窝移动通信系统的概念。伴随该理论的诞生， 8 0 年代初期a m p s 系统首先在美国投入商用。随后，英国制定了t a c s 标准， 并被许多国家所采用。至此，第一代移动蜂窝通信系统诞生。 第五阶段是数字蜂窝移动通信系统诞生的阶段，其时间段为2 0 世纪8 0 年代 中期到9 0 年代中期，在该阶段移动通信产业也步入成熟期。数字移动通信系统 的发展是在模拟蜂窝移动通信网络的技术上发展而来的。在模拟的蜂窝移动通信 发展过程出，伴随其成功，也同样暴露出了特定的问题，如频率资源利用率低、 移动终端设备复杂、成本较高、业务种类受限等。同时，面对r 益增长的用户需 求，数字蜂窝移动通信系统的解决方案被随之提出。1 9 9 1 年g s m 系统首先被投 入使用，截止目前，该系统已成为全球用户数量最多的移动通信系统。除此以外， 还有i s 9 5 等其他数字蜂窝移动通信系统标准接续诞生，采用这些标准移动通信 系统被统称为第二代移动通信系统。 第六阶段是第三代移动通信系统从诞生到广泛应用的阶段。这一阶段始于 2 l 世纪初。第三代移动通信系统与前两代移动通信系统的区别在于，它能实现 全球的无缝漫游、并可以支持更高速度的数据业务，最高可达到2 m b s 。3 g 在 我国的大规模商用始于2 0 0 8 年，截止目前包括具有我国自主支持产权的 t d s c d m a 与w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 三个3 g 标准均以建设了大规模的商用 网络并开展了成熟的业务。 从移动通信技术经历的这六个阶段可以看出，其发展不仅具有巨大的跨越性 与取得了巨大的成功。从第一代只能提供全部模拟的语音业务的蜂窝模拟通信技 术到第二代实现了语音数字化的蜂窝数字通信技术是通信史上的一次巨大的飞 跃。在第二代移动通信技术中将频分多址( f 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 ， f d m a ) 1 3 j 变为时分多址( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，t d m a ) 或码分多址 ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，c d m a ) ，大大提高了通信信道中的用户的数量， 3 北京邮i 乜人学硕i ：学位论文绪论 其中技术最成熟的要以g s m 和i s 9 5 c d m a 为代表。第三代移动通信技术则主 要以w c d m a ，c d i v l a 2 0 0 0 ，t d s c d m a 为代表。 截止今日，随着移动通信新技术的不断应用与对移动通信系统性能要求的不 断提高，也不断的推进着移动通信系统的发展与改进。可是，国际上对于3 g 通 信系统并不看好，这主要是因为3 g 技术标准并没有在2 g 2 5 g 的基础上有很大 的技术突破，这也就为其进一步发展造成了巨大的限制。现在，全球u m t s 的 运营商为获得更高的传输速率已经将网络升级为h s p a 技术，在r e l e a s e7 版本 中，引入了h s p a + 从频率利用率、峰值速率、延时等方面提升了h s p a 的性能【4 1 。 为了保持u m t s 的未来的持续竞争力，u m t s 的长期演进l t e ( l o n gt e r m e v o l u t i o n ) 的概念随之被提出。其目标是为了提高更好的高数据传输速率，低 时延以及更优化的无线数据接入网。在物理层的技术方面瞳1 ，l t e 在空中接口上 采用了全新的多址接入技术，其目标是为了在2 0 m h z 的带宽上，在下行方向上达 到l o o m b s ，上行方向上达到5 0 m b s 的传输速率。同时希望能够在5 m h z 带宽上 至少能够实现对2 0 0 个用户的支持。 在下行方向上，l t e 建议采用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 n m u l t i p l e a c c e s s ) 技术。通过使用该技术可在1 5 k h z 频率间隔的情况下达到2 0 4 8 个子载波。除此以外，还可以同时支持单用户和多用户m i m o 。在上行链路方向， 基于对功率放大器支持的便利性与成本考虑，采用s c f d m a ( s i n g l ec a r r i e r f 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 ) 技术。并且将m i m o 技术( m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ) 作为l t e 中的必选技术【6 。 1 3l t e 关键技术 在l t e 系统中，所采用的最为关键的两个物理层技术为0 f d m 的调制技术和 m i m 0 多天线技术。在高速宽带无线通信技术方案中，0 f d n m i m o 技术被公认为 当前对于缓解资源紧张、提高系统效率的最有效解决方案。这两种技术的结合不 仅使得移动通信在原来一定的频谱上获得了更高的信道带宽，传输速率和更多的 用户数目，而且可以达到更高的频谱利用率，并且m i m 0 和o f d m 的结合也充分发 挥了两者各自的技术优势。因此，也逐渐成为当前l t e 物理层传输技术的研究热 点。这些技术的使用为l t e 移动通信系统带来了有更大的生机并拓展出了更为广 阔的发展空问。下面将分别就这两个技术的研究现状进行简单介绍。 4 北京邮i 【1 人学颀l ：学位论文 绪论 1 3 1o f d m 技术 l t e 系统的最基本要求是实现高速率的数据传输。所以，需要很高的频带范 围。然而在这样的系统带宽下，需要分辨的多径的数量是非常大的，同传统的 c d m a 系统在这方面的处理能力相比，采用j 下交频分复用( o f d m ) 可以很好 的解决这个问题i7 。 o f d m 是一种特殊的多载波传送方案，单个用户的信息流经过串并变换为多 个i o o h z 5 0 h z 的低速率码流，每个码流通过其中一个载波传送。同时，在o f d m 的周期中增加一个符号的周期可以远大于信道的时延扩展并降低由于瑞利衰落 引起的i b i ( i n t e rb l o c ki n t e r f e r e n c e ) 。o f d m 技术放弃了传统方式中采用带通滤 波器来分隔载波频谱的做法，而是改用跳频的方式选用那些即使频谱混叠也能够 保持正交的波形。对于o f d m 技术来说，既可以用来作为调制技术，也可以用来 作为复用技术。因此，采用o f d m 技术可以增强抵抗频率选择性衰落和窄带干扰 的能力。 传统的频分复用的载波频率之间有一定的保护间隔，通过滤波器接收所需信 息。这样的系统是利用保护频带分隔不同载波频率，因而由于保护频带的存在， 使得频谱的利用率很低。但是，o f d m 技术允许各载波间频率互相混叠，采用 了基于载波频率正交的f f t 调制，各个载波的中心频点处没有其他载波的频谱 分量，因此能够实现各个载波的正交。这与传统的f d m a 所采用频分复用有了 很大的不同，它直接在基带进行处理的，这也是o f d m 系统的优点之一。o f d m 的数据速率与子载波的数量有关，增加子载波数目就能提高数据的传送速率。 o f d m 每个频带的调制方法可以不同，这也增加了系统的灵活性，所以o f d m 适 用多用户、高灵活度、高资源利用率的通信系统。 除此以外，o f d m 还可以在不同信道上根据传输载荷实现可边的负载分配以 达到最优的传输速率1 9 j 。并且由于o f d m 的长符号周期，其还能很好的降低突发 的噪声。 因此，可以看出o f d m 技术的采用可以很好的满足l t e 系统所提出的高速率、 低延时的要求。 1 3 2m i m o 技术 一随着w l a n 及移动通信网络的出现，如何在无线通信中实现更高数据传输 速率不断为科学研究提出新的挑战。而在接收与发送两端多采用多天线的配置往 往是一种成本可接受的提高无线通信系统吞吐量的方法。 而采用多天线的m i m o 技术，对它的研究已经在有线与无线系统中进行了多 5 北京邮i 乜人学硕l ：学位论文 绪论 年。m i m o 最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的，他最初的提出这一概念目的是 为了抵抗衰落。在2 0 世纪7 0 年代有人提出将m i m o 技术用于通信系统，但是对 无线移动通信系统m i m o 技术产生巨大推动的奠基工作则是9 0 年代由a t & tb e l l 实验室学者完成的。1 9 9 5 年t e l a d a r 给出了在衰落情况下的m i m o 容量；1 9 9 6 年f o s h i n i a 给出了一种多入多出处理算法对角一贝尔实验室分层空时 ( d - b l a s t ) 算法；1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了用于多入多出的空时码：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 ) 算法建立了一个m i m o 实验系统，在室内试验中达到了2 0b i t s h z 以上的频谱利用率，这一频谱利用 率在普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大注意，并使得m i m o 的 研究工作得到了迅速发展n 引。 作为l t e 中的必选技术，采用m i m o 技术可以提供较u m t s 系统和h s d p a 更高的数据传输速率。除此以外，由于多个收发天线对所构成的信道间的差异性， 也可以提供更可靠的传输性能。并且，由于采用多个天线，系统可同时处理多个 天线上的信号变为可能，又进一步提高了系统的完整性与吞吐量1 1 1 l 。 因此，相对于采用单根天线的s i s o ( s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 系统，m i m o 系统可以具有两个显著的优势： 1 、显著的提高了系统的容量和频谱效率。其系统容量同收发端天线数较少 的一方成正比。通过空间上的复用，可以在不消耗更多的频率资源和发射能量的 情况下，大大的提高系统的传输速率。 2 、可以有效的抵抗多径衰落效应。尤其是在多条传输信道相互独立的情况 下。 由于m i m o 技术在信道带宽和频谱利用率等诸多方面的优点，m i m o 技术 一经被引入到移动通信领域就得到了更加广泛的关注，各个研究机构、运营商、 通信公司对于m i m o 技术表现了浓厚的兴趣，这也使得m i m o 技术得到了更快 的发展。 ( 1 ) 单发多收( s i m o ) 结构 s 1 m o 结构就是在通信系统的接收端采用多个天线。只要接收端被分集的几 个信号之间是统计独立的，那么经过适当的合并后就能使系统性能大为改善。 ( 2 ) 多发单收( m i s o ) 结构 m i s o 结构就是在通信系统的发送端采用多个天线。由于在移动通信中存在 着严重的多径衰落，它影响传输的可靠性，为了提高可靠性往往在接收端引入分 集技术。 ( 3 ) 多发多收( m i m o ) 结构 m i m o 结构就是在通信系统中的发送端和接收端都采用多个天线。m i m o 结 6 北京邮电人学硕i ：学位论文绪论 构不仅能够获得空间分集增益，提高信道的可靠性，降低系统的误码率，而且能 够获得空间复用增益来提高通信信道的容量。 理论上已经计算了多天线发送系统在衰落信道中的信道容量，得出多天线系 统容量远大于单天线系统，且当接收端天线数目大于或等于发送端天线数目时， 系统容量至少随发端天线数目呈线性增长。这就是说可以利用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。理论研究也已证明，随着接收天线数目的增加，在相同的信噪比条 件下得到的接收端的信号的误比特率可以成倍的减少，这样可以在一定的误比特 率的条件下减小发射端的发射功率，这对于终端降低电耗是很好的条件1 1 2 1 。 目前，各国学者对于m i m o 的理论、性能、算法和实现的各方面正广泛进行 研刭1 3 】前面提到的b e l l 实验室的b l a s t 系统是最早研究m i m o 的实验系统， 它采用d b l a s t 检测算法，天线8 发1 2 收，得到信道的频谱利用率高达2 5 9 b i t s ( h z s ) 。2 0 0 3 年8 月，a i r g on e t w o r k s 推出了a g n l 0 0w i f i 芯片组，并称其 是世界上第一款集成了多入多丑( m i m o ) 技术的批量上市产品。a g n l 0 0 使用该 公司的多天线传输和接收技术，将现在、m f i 速率提高到每信道1 0 8 m b p s ，同时 保持与所有常用w i f i 标准的兼容性。使用a i r g o 芯片组的无线设备可以和以前 的8 0 2 1 1 设备通讯，甚至可以在以5 4 m b p s 的速度和8 0 2 1 l a 设备通讯的同时还 可以以1 0 8 m b p s 的速度和a i r g o 的设备通讯。 这些理论的提出和相应产品的出现正说明了m i m o 技术f 在走向成熟，相信 随着m i m o 技术的使用和发展，移动通信领域会有更大的生机和更广阔的发展 空间。 1 4 主要工作与研究内容 本论文的主要工作是在对l t e 系统上行链路方向所使用的v i r t u a lm i m o 系 统的原理、关键技术等所做的大量基础性研究的基础上，采用仿真的方法，以 l t e 系统上行信道容量平均吞吐量为评价标准，以用户配对算法的研究与改进为 目的进行的。本论文的主要工作有： 在对l t e 系统关键技术，尤其是m i m o 技术的研究基础上，对l t e 上 行链路中的v i r t u a lm l m o 技术进行了研究。 在大量阅读文献的基础上，对l t e 系统中的关键技术及新技术进行了基础性 调查研究。在对m i m o 系统的各项技术深入研究后，结合对m i m o 系统的理解