（通信与信息系统专业论文）多天线系统中预编码设计与用户选择问题研究.pdf

f f i i j p irffrlif l r f ll i l ti i j ii i i i ij 0 y 2 2 5 4 7 2 4 u n i v e r s i t yo f sc i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a ad i s s e r t a t i o nf o rd o c t o r ，sd e g r e e r e s e ar chorpr e c o din gd e s ign ，_一1_一 a n du s e rs e l e c t i o ni n mul t i a n t e nn a s y s t e m s a u t h o r sn a m e ：l i a n gli s p e c i a l t y ： c o m m u n i c a t i o n sa n di n f o r m a t i o ns y s t e m “ ：p r o f l i n gq i u ：s u p e r v l s o r l i n g ： f i n i s h e dt i m e ： 7 也j u l y2 0 12 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名：盈签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定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，可以将学位论文编入有 关数据库进检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 口公开口保密(年) 作者签名查歪： 导师签名： 签字日期：三壁瞧蚪签字日期：2 竺蛆乙 摘要 摘要 无线通信的发展面临用户速率需求越来越高而同频干扰越来越严重的问 题。m i m o 技术通过利用空间分集复用技术能实现更高的频谱效率，认知无线 电技术则通过对有限频谱资源的有效再利用进一步提高频谱效率，两种技术及 其结合已经成为未来无线通信中的关键技术。然而以上技术的有效使用，特别 是如何有效解决同频干扰问题仍然需要进一步的研究。 本文研究侧重于线性预编码和多用户选择技术研究。通过设计预编码矩阵 抑制多天线系统中的同频干扰，有效提高频谱效率。而根据干扰源的不同，预 编码设计可分为多小区m i m o 系统和认知无线电m i m o 系统中的预编码设计。 本文针对多用户m i m o 系统，通过多用户选择方法设计充分利用多用户分集增 益，以进一步提高频谱效率。本文工作按以下内容展开： 针对多小区m i m o 系统中的干扰问题，本文首先提出了基于两小区m i m o 系统的波束成型方案。不同于传统的最大化本小区信号的传输方案，本文联合 优化收发端波束成型矢量，在消除小区间干扰的同时最大化有效信号。本文进 一步研究了多小区m i m o 系统中分布式预编码设计问题。基于信道互易性，提 出了一种基于最大化信号与加权产生干扰噪声比的分布式预编码方案，在最大 化有效信号能量与最小化产生的干扰之间进行折中，获得了较好的性能提升， 并且简单易行。 针对认知无线电m i m o 系统中干扰问题，本文对基于不同频谱共享模式的 预编码设计问题进行了研究。首先针对主用户信息获取问题，不同于理想的信 道信息假设，本文提出了一种认知无线电帧结构以获得有效干扰信道信息。针 对基于机会频谱接入的认知无线电m i m o 系统，提出了一种基于有效干扰信道 感知的增强型最大化信号泄露噪声比的预编码方案，在不对主用户产生干扰的 同时有效提高次用户系统和容量；针对主用户和次用户性能受限的场景，本文 提出一种基于认知中继的协作频谱共享方案，并给出时隙优化分配方案和相应 的波束成形矢量设计，仿真结果表明，通过一定的协作，主、次用户的性能均 能得到极大提升。 最后针对多用户m i m o 系统，本文给出了用户选择方案以充分利用多用户 分集增益，从而进一步提高频谱效率。首先，基于单小区多用户m i m o 系统， 提出了两种次优的低复杂度用户选择方法，在低复杂度条件下获得了较好的系 统性能。本文进一步研究了认知无线电m i m o 系统中用户选择问题，基于主用 户和次用户信道的正交性提出了双参数用户选择算法。本文同时给出了所提算 摘要 法的复杂度以及渐近性能分析，仿真结果表明，所提算法复杂度较低，而性能 渐近最优，因此有着较好的实用性。 本文研究考虑多小区m i m o 系统和基于不同的频谱共享模式的认知无线 电m i m o 系统，对同频干扰问题以及用户选择问题进行了研究，提出了有效的 预编码设计和多用户选择方法以充分提高系统性能。这些研究提高了系统的性 能并且具有很好的实用性。 关键词：m i m o ，干扰抑制，预编码，均衡波束成形，多用户分集，认知 无线电，协作通信 a b s t r a c t 一_ - - _ _ _ _ _ - - _ a b s t r a e 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 ep r o b l e mo fh i g h e r d e m a i l do fu s e rr a t ea n dc o c h a n n e l i n t e r f e r e n c e h a sb e c o m em o r ea n dm o r e c h a l l e n g i n g m i m oh a s b e c o m et h ek e yt e c h n o l o g yo fm o d e mc o m m u n i c a t i o n s v s t e md u et oi t sa b i l i t yo fa c h i e v i n gh i g h e rs p e c t r u me f f i c i e n c y , a n dc o g n i t i v er a d i o a l s oi st h ek e yt e c h n o l o g yo ff u t u r ec o m m u n i c a t i o nd u et oe f f i c i e n tr e u s eo ft h e l i m i t e ds p e c t r u mr e s o u r c e s h o w e v e r , h o wt oe f f i c i e n t l yu s e rt h e s ek e yt e c h n o l o g i e s ， e s p e c i a l l yi nt h ec o c h a n n e li n t e r f e r e n c ep r o b l e m ，s t i l ln e e df u r t h e rs t u d y i nt b j s 也e s i sw ef o c u so nr e s e a r c ho fl i n e a rp r e c o d i n ga n dm u l t i u s e rs e l e c t i o n b yd e s i g np r e c o d i n gs c h e m et os u p p r e s sc 0 c h a n n e li n t e r f e r e n c ei n m u l t i a n t e n n a s y s t e m s ，a n dt h u se f f i c i e n t l ye n h a n c es p e c t r u me f f i c i e n c y a c c o r d i n g t os o u r c e so f i n t e r f e r e n c e ，t h ep r e c o d i n gd e s i g ni ss p e c i f i e d i n m u l t i c e l lm i m os y s t e m sa n d c o g n i f i v er a d i om i m os y s t e m f o rt h em u l t i u s e rm i m os y s t e m ，t h i st h e s i s f u l l y e x p l o r e st h em u l t i u s e rd i v e r s i t yb ym u l t i u s e r s e l e c t i o nd e s i g n ，a n dt h u sf u r t h e r e n h a n c e st h es p e c t r u me f f i c i e n c y f o rt h em u l t i c e l lm i m os y s t e m ，t h i st h e s i sm s tp r o p o s e si n t e r f e r e n c e a w a r e u p l i n kt r a n s m i s s i o ns c h e m e sf o rt w oc e l lm 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 ) s y s t e m u n l i k e c o n v e n t i o n a lt r a n s m i s s i o ns c h e m e s w i t h o u t c o n s i d e r i n g t h e i n t e f f e r e r i c ep r o b a b l yc a u s e dt oo t h e rc e l l ，t h i st h e s i sj o i n t l yo p t i m i z et h e t r a n s c e i v e r b e a m f o r m i n gv e c t o r st om a x i m i z et h ed e s i r e ds i g n a l s w h i l er e m o v i n gt h ei n t e r c e l l i m e r f e r e n c e m o r e o v e rw h e na s y m m e t r i ci n t e r f e r e n c ei sc o n s i d e r e d ，t h i st h e s i sg i v e s ab a l a n c i n gb e a m f o r m i n g ( b b f ) s c h e m ew h e r et h ei n t e r f e r i n gt r a n s m i t t e ri st os t r i k e ac o m p r o m i s eb e t w e e nm a x i m i z i n gt h ed e s i r e ds i g r l a ia n dm i n i m i z i n gt h eg e n e r a t e d i n t e r f e r e n c e f o rt h eg e n e r a lm u l t i c e l lm i m os y s t e m ，t h i s t h e s i sp r o p o s e sa d i s t r i b u t e dp r e c o d i n gs c h e m eb a s e do nm a x - s w g i n r c r i t e r i at ob a l a n c eb e t w e e n m a x i m i z i n gt h ed e s i r e ds i g n a lp o w e r a n dm i n i m i z i n gt h eg e n e r a t e di n t e r f e r e n c e t h e p r o p o s e ds c h e m e sg e tg o o dt r a d e o f fo f t h ec o m p l e x i t ya n dp e r f o r m a n c e s i m u l a t i o n r e s u l t sa l s ov e r i f yt h es u p e r i o r i t yo ft h ep r o p o s e ds c h e m e s f o rt h ei n t e r f e r e n c ep r o b l e mi nc o g n i t i v em i m os y s t e m ，t h i st h e s i sc a r r i e do u t f u l ls t u d yo fp r e c o d i n gd e s i g nb a s e do nd i f f e r e n tm o d eo fs p e c t r u ms h a r i n g d i f f e r e n tf r o mt h ei d e a lc s ia s s u m p t i o n ，t h i st h e s i sf i r s tp r o p o s eac o g n i t i v ef r a m e s n l l c t l l r e i nw h i c has e n s i n gp h a s ei se x p l o i t e dt oe s t i m a t et h ee f f e c t i v ei n t e r f e r e n c e i i i a b s i r a cl _ = , m 一i i i ii l l i im - _ _ _ c h a n n e li n f o r m a t i o n f o rt h eo p p o r t u n i s t i cs p e c t r u ms h a r i n gc o g n i t i v em o d e ，t h i s t h e s i sp r o p o s e sa l le n h a n c e ds l n r - b a s e dp r e c o d i n gs c h e m e t om a x i m i z et h e s e c o n d a r y s li mr a t ew h i l eg u a r a n t e e i n gz e r o i n t e r f e r e n c ea tt h ep r i m a r yr e c e i v e r f o r t h ep e r f o r m a n c el i m i t e dp r o b l e mo fp r i m a r ya n ds e c o n d a r yb s e r s ，t h i st h e s i sg i v e sa c o 鲥t i v er e l a yb a s e dt w o - s l o tc o o p e r a t i v es p e c t r u ms h a r i n gs t r a t e g y , t h es l o tt i m e a l l o c a t i o na n db e a m f o r m i n gv e c t o r sa r eg i v e n s i m u l a t i o nr e s e t sv a l i d a t et h e s u p e r i o r i t yo ft h ep r o o s e ds c h e m e s b o t hc o g n i t i v ea n dp r i m a r yu s e r sg e tl a r g e e n h a n c e m e n td u et ot h ec o o p e r a t i o n a tl a s t f o rt h em u l t i u s e rm i m os y s t e m ，t h i st h e s i sg i v e sl a s e rs e l e c t i o n s c h e m e st o 觚l ye x p l o r et h eg a i no fm u l t i u s e rd i v e r s i t y f o rt h ep r o b l e mo f c o m p l e x i t y , t h et h e s i sf i r s tp r o p o s e st w ol o w - c o m p l e x i t y u s e rs c h e d u l i n ga l g o r i t h m s f o rs i n g l e c e l lm u l f i u s e rs y s t e m t h e nf 1 0 rt h eu s e rs e l e c t i o np r o b l e mi nc o g n i t i v e m i m os y s t e m ，t h i st h e s i sp r o p o s e sad o u b l e p a r a m e t e ru s e rs e l e c t i o na l g o r i t h m b a s e do nt h eo r t h o g o n a l i t yb e t w e e np r i m p a n ds e c o n d a r yc h a n n e l s 。t h i st h e s i s a l s og i v e st h ec o m p l e x i t ya n a l y s i sa n da s y m p t o t i cp e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e d a l g o r i t h m s s i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h es u p e r i o r i t yo f t h ep r o p o s e da l g o r i t h m s t h i st h e s i ss t u d i e st h ec o c h a n n e li n t e r f e r e n c ep r o b l e mo fm u l t i c e l lm i m o s y s t e ma n dc o g n i t i v em i m os y s t e mb a s e do nd i f f e r e n tm o d eo fs p e c t r u ms h a r i n g ， a n du s e rs e l e c t i o np r o b l e mi nm u l t i u s e rm i m os y s t e m ，t h e np r o p o s e se f f i c i e n t p r e c o d i n gs c h e m e sa n du s e r s e l e c t i o na l g o r i t h m st of u l l ye n h a n c et h es y s t e m p e r f o r m a n c e a n de x p l o r e g a i n o fm u l t i u s e rd i v e r s i t y t h e s es t u d i e si m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e ma n dh a v eg o o du s a b i l i t y k e yw o r d s ：m i m o ，i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n ，p r e c o d i n g ，b a l a n c e db e a m f o r m i n g ， m u l f i u s e rd i v e r s i t y , c o g n i t i v er a d i o ，c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 所有图和表的列表v i i i 主要符号对照表x 第1 章绪论1 1 1 本文的研究背景和意义1 1 2 多天线技术2 1 3 认知无线电技术5 1 4 本文的研究思路6 1 5 本文的研究内容8 1 5 1 研究内容和贡献8 1 5 2 本文结构8 第2 章m i m o 系统概述1 1 2 1 单用户m i m o 系统1 1 2 2 多用户m i m o 系统1 2 2 2 1 容量域问题1 2 2 2 2 预编码技术1 4 2 2 - 3 多用户选择1 6 2 3 多小区m i m o 系统1 7 2 3 1 干扰信道容量域问题1 8 2 4 认知无线电m i m o 系统2 0 2 5m i m o 系统中预编码和用户选择问题模型2 1 2 6 小结2 2 第3 章多小区m i m o 系统中预编码方法2 3 3 1 引言2 3 3 2 两小区m i m o 系统协同波束成型设计2 4 3 2 1 基于对称干扰的协同波束成型方案2 5 v a b s t r a c t 3 2 2 基于非对称干扰的均衡波束成型方案2 6 3 2 3 可行性分析2 7 3 2 4 仿真结果2 8 3 3 多小区m i m 0 系统分布式预编码设计3 1 3 3 1 系统模型与问题表示3 2 3 3 2 已有方案介绍3 3 3 3 3 基于最大化信号与加权产生干扰噪声比预编码设计。3 4 3 3 4 算法对比。3 6 3 3 5 性能仿真及分析3 7 3 4 小结4 0 第4 章认知无线电m i m o 系统中预编码方法4 3 4 1 引言4 3 4 2 基于机会频谱共享的预编码设计4 4 4 2 1 系统模型及基本问题研究4 5 4 2 2 有效干扰信道的感知方案4 7 4 2 3 预编码设计5 0 4 2 4 仿真结果及分析5 2 4 3 基于协作频谱共享的预编码设计。5 5 4 3 1 认知无线电系统中的协作技术。5 5 4 3 2 基于协作频谱共享的预编码设计一5 8 4 3 3 仿真结果及分析6 2 4 4 小结6 5 第5 章m i m o 系统中用户选择方法6 7 5 1 引言6 7 5 2 单小区多用户m i m o 系统6 8 5 2 1 系统模型6 8 5 2 2 基于改进遗传算法的用户选择6 9 5 2 3 基于范数的贪婪用户选择一7 1 5 2 4 异质用户的选择方案7 3 5 2 5 复杂度分析7 5 5 2 6 数值仿真7 7 5 3 认知无线电多用户m i m o 系统7 9 5 3 1 系统模型8 0 5 3 2 双参数用户选择方案8 1 5 3 3 仿真结果及分析一8 3 5 4 小结8 4 第6 章总结：8 5 参考文献8 7 攻读博士学位期间的研究成果9 7 攻读博士学位期间的项目经历9 9 致谢1 0 1 v i i 所有图和表的列表 所有图和表的列表 图1 - 1m i m o 系统原理图2 表1 1 通信标准协议对多天线技术的支持5 图2 1 多用户m i m o 系统 1 2 图2 2 预编码方法分类1 4 图2 4 认知无线电系统：( a ) i n f r a s t r u c t u r e b a s e d ；( b ) a dh o c2 0 图3 1 两小区干扰模型2 4 图3 2 平均吞吐率v s i n r2 9 图3 3 平均吞吐率v s s n r3 0 图3 4 用户吞吐率v s s n r ，i n r = s n r ，n r = n r = 2 ，非对称干扰场景 3 0 图3 5 用户吞吐率v s s n r ，i n r = s n r ，胪2 ，n r = i ，非对称干扰场景 3l 图3 6 多小区m i m o 干扰系统模型 3 2 图3 7m = 2 ，_ 2 ，k = 3 ，s n r = 2 0 d b ，不同预编码算法的性能对比3 8 图3 8m = 4 ，n = i ，s n r 亍2 0 d b ，不同预编码算法的性能对比3 8 图3 9 m = 2 ，n = 2 ，k = 3 ，i n r = s n r ，不同预编码算法的性能对比3 9 图3 1 05 4 = - 4 ，n = 2 ，k = 4 ，i n r = s n r ，不同预编码算法的性能对比3 9 图3 1 1m = 2 ，n = i ，k = 4 ，i n r = s n r ，不同预编码算法的性能对比4 0 图4 2o i a 认知无线电系统模型4 5 图4 3c r 帧结构示意图 4 7 图4 4 文献 8 3 】 8 4 1 c r 帧结构示意图 5 0 图4 - 5 次用户传输机会，伽与主用户天线配置以及s n r 的关系 5 3 图4 6 预编码方案在不同系统天线配置下的性能比较 5 4 图4 7 预编码方案在不同主用户发送方案条件下的性能比较5 4 图4 8c r 无线网络：三节点认知网络和一对主用户链路示意图5 6 图4 - 9c r 无线网络系统模型( a ) 基于传统机会频谱共享方案；( b ) 基于中继协 作的频谱共享方案5 8 图4 1 0 p u 可达速率v s s n r ，m e = l6 2 所有图和表的列表 图4 1 ls u 可达速率v s s n r ，膨p ：1 图4 1 2p u s u 可达速率v ss n r ，m e = m s = 2 图4 1 3p u 可达速率vs 时隙分配口 图4 1 4s u 可达速率vs 时隙分配口 图4 1 5p u s u 可达速率v s d s i ；, p t 图5 1 上行多用户m i m o 系统示意图 图5 2 遗传算法种群初始化示意图，k = 8 ，凰比= 4 图5 3 遗传算法进化示意图 表格5 1 典型矩阵运算的浮点计算复杂度 表格5 ，2 算法复杂度对比 图5 4g a 调度算法的系统和速率v s 用户数，s n r = 1 0 d b 图5 5n b g 调度算法的系统和速率v s 用户数，s n r = 1 0 d b 图5 6n b g 算法的渐近性能，n n = 4 ，n f l 图5 7 可达和速率v s 用户数以及不同的( 觚，坼) ，s n r = 1 0 d b 图5 8 可达和速率v s 用户数以及不同的路径损耗衰减因子a 图5 9 可达和速率v s 用户数以及不同的( ，n r ) 图5 1 0 认知无线电系统调度模型 图5 1 1 算法性能v s ( e ，) ，s n r = 1 0 d b ，k = 6 4 ，n r = 6 ，忙2 ，肛2 图5 1 2 算法性能v s 用户数，s n r = 1 0 d b ，n r = 6 ，牌，卿 图5 1 3 n x = l 时算法渐近性能 i x 臼 甜 “ 酷 醯 加 加 乃 镏 强 侈 力 踟 昭 酣 主要符号对照表 - l - - - i _ _ _ _ _ - - _ _ - _ - i - - _ l l - - - _ - l _ - _ - - - _ - _ _ _ _ - - _ - _ _ _ 3 g p p 陋 k n g n b c b d b f b s c r c s i c s s d f d p c e v d f d d m m a c m i m o m i s o m m s e 主要符号对照表 第三代移动通信合作伙伴计划 a m p l i f y a n d f o r w a r d ( 放大转发) 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 r o a d c a s tc h a n n e l ( 广播信道) b l o c kd i a g o n a l i z a t i o n ( 块对角化) b e a m f o r m i n g ( 波束成型) b a s es t a t i o n ( 基站) c o g n i t i v er a d i o ( 认知无线电) c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( 信道信息) c o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n g ( 协作频谱感知) d e c o d e d 。a n d f o r w a r d ( 解码转发) d i r t yp a p e rc o d i n g ( 脏纸编码) e i g e n v a l u ed e c o m p o s i t i o n ( 特征值分解) f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ( 频分双工) l o n gt e r me v o l u t i o n ( 长期演进) m u l t i p l e x a c c e s sc h a n n e l ( 多址接入信道) m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( 多入多出) m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ( 多入单出) m i n i m u mm e a ns q u a r e de r r o r ( 最小均方误差) m m s e s i cm i n i m u mm e a ns q u a r e de r r o r s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( 最小均方误差串行干扰抵消) m r c i c p u q o s s b s m a x i m u mr a t i oc o m b i n a t i o n ( 最大比合并) i n t e r f e r e n c ec h a n n e l ( 干扰信道) p r i m a r yu s e r ( 主用户) q u a l i t yo fs e r v i c e ( 服务质量) s e c o n d a r yb a s es t a t i o n ( 次级基站) 主要符号对照表 l - _ _ _ _ _ _ l - - i _ - _ l _ l _ l i - - i - l l l l _ _ _ _ - l i - - _ _ - 一一 s d m a s p a t i a ld 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 n r 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 ( 信号干扰噪声比) s g i n r s i g n a lt og e n e r a t e di n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o ( 信号产生干扰噪声 比) s l n r s i g n a lt ol e a k a g ep l u sn o i s er a t i o ( 信号干扰泄露比) s n r s i g n a lt on o i s er a t i o ( 信噪比) s s s p e c t r u ms e n s i n g ( 频谱感知) s u s e c o n d a r yu s e r ( 次用户) s v d s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ( 奇异值分解) q o s q u a l i t yo fs e r v i c e ( 服务质量) t d dt i m ed i v i s i o nd u p l e x ( 时分双工) w i m a xw o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s ( 微波接入全球互 通) z f z f b f x i x r x h z e r of o r c i n g ( 迫零) z e r o f o x i n gb e a m f o r m i n g ( 迫零波束成型) 黑体表示矩阵和向量 单位阵 矩阵x 的转置 矩阵x 的共轭转置 d e t ( x )矩阵x 的行列式 仃( x )矩阵x 的迹 r a n k ( x )矩阵x 的秩 l i x l l f r 矩阵x 的f r o b e n i u s 范数 d i a g ( ) 多个标i _ i t 子矩阵按顺序对角排列形成的新矩阵。 l 口j 1 取不大于a 的最大整数 取不小于a 的最小整数 x i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本文的研究背景和意义 在过去的二十多年里，移动通信系统已经经历了从模拟通信到数字通信再 到即将投入商用的l t e 等宽带无线通信的几代通信系统的发展。而随着无线通 信的发展，移动用户数及其业务也呈爆炸性增长。据爱立信于2 0 1 2 年6 月发布 的市场报告称，全球移动用户数将由2 0 11 年的6 0 亿增长到2 0 1 7 年的9 0 亿。 同时用户对移动通信的要求越来越高，通信的内容也从语音业务扩展到数据业 务。特别是随着移动互联网的发展，智能手机和视讯服务等使得数据业务呈爆 炸性增长。这对于无线通信系统也提出更高的要求，因此如何提高现有频谱的 利用率一直是工业界和学术界的研究重点。 而与此同时，同频干扰日益成为制约系统性能的关键因素。由于用户数以 及相应业务量的快速增长，为服务更多的用户，通信系统的规划也趋于小型化 以及多样化，如更密集的小区结构，无线通信系统快速的更新换代导致的多模 终端和多种无线通信系统的叠加覆盖，以及各种基于覆盖扩展的微型小区结构， 如f e m t o c e l l ( 家庭基站) 等与传统蜂窝系统构成了分层异构网络结构。而在目 前有限的频谱资源条件下，无法实现所有小区使用的频率资源完全正交化，特 别对于未来无线通信系统如l t e 等，基本采用频率复用因子为1 的频谱规划方 案，同频干扰变得更为严重并且成为无线通信系统性能的制约因素。 因此无线通信系统的发展已经面临着频谱资源紧缺的瓶颈，而如何在有限 的资源下提高系统频谱效率是目前以及未来无线通信系统的关键问题。m i m o 和认知无线电技术正是在这一背景下发展起来的新型无线通信技术，并被公认 为是有效的提高频谱效率和频谱利用率的关键技术f l 】- 【6 1 【4 5 】_ 【5 。其中m i m o 技 术以其能够充分利用空域维度提供更高的频谱效率和更可靠的传输性能受到学 术界和工业界的高度重视【l 刀【1 8 】，并且已经在l t e 等下一代无线通信系统中得到 应用，而认知无线电技术可以通过在多级网络结构中对有限的频谱资源实现有 效再利用，同样得到广泛关注【5 5 】，并且已有大量的学术研究和相关工作组致力 于认知无线电技术的标准化工作。m i m o 和认知无线电技术在有效提高频谱效 率和频谱利用率的同时，也是解决同频干扰的有效手段，因此可以进一步提高 频谱效率，这也是本文的出发点。 第1 章绪论 1 2 多天线技术 多天线技术最早可追溯到上世纪初，马可尼在1 9 0 8 年使用了4 个6 l 米高 的天线塔构成阵列，用于抵抗衰落，并成功的实现了跨大西洋的摩尔斯电码的 传输。真正具有奠基性的工作是上世纪九十年代后期由a t & tb e l l 实验室学者 完成的。其中1 9 9 5 年e t e l a t a r 给出了在衰落信道下的m i m o 容量，证明了在 丰富散射信道环境下，m i m o 系统的容量和收发天线数中的最小值成正比；1 9 9 6 年19 9 6 年g j f o s c h i n i 给出了一种能有效利用m i m o 容量的算法一d b l a s t ( 对角b l a s t 算法) ，验证了m i m o 的性能优势。以上这些开创性的成果掀起 了多天线技术研究和应用的热潮。相比于单天线系统，m i m o 系统在发射端和 接收端的通信链路部署多根天线，运用先进的信号处理技术，充分利用空域自 由度，在不增加带宽与发射功率的情况下，成倍提高无线通信的质量与数据速 率。图1 1 所示为m i m o 系统的原理图。对于一个必根发送天线，坛根接收 天线的m i m o 系统，传输数据流经过空时编码等处理，经由必根天线发送， 然后经空间信道后由坛根天线进行接收。 x l 州 y i x 2 h y 2 h 州j ，坼 图1 - 1m i m o 系统原理图 一般地，m i m o 系统在研究和实际应用中主要有两种模式：空间分集( s p a t i a l d i v e r s i t y ) 与空间复用( s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ) 。分集的主要思想则是通过多天线为