（通信与信息系统专业论文）多跳中继网络虚拟mimo上行配对策略研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 随着无线通信技术的飞速发展和广泛应用，用户要求大幅度地提高无线通信速率 的愿望变得越来越强烈，多输入多输出( m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 技 术可突破传统无线通信系统的容量界限，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，成 倍提高频谱利用率。但由于在用户终端( u s e re q u i p m e n t ，u e ) 不易配置多根天线，而 限制了其在上行方向的应用。虚拟m i m o ( v i r t u a lm i m o ，v m i m o ) 系统由多个具有 单天线的u e 配成一组，占用相同的时频资源传输信息，从而提高上行系统容量，因 此得到广泛关注。而正交频分多址接入( 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 ea c c e s s ， o f d m a ) 技术通过为每个用户分配一个( 或一组) 子载波来实现多址接入，是实现正交 频分复用( 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 , o f d m ) 系统中多用户复用和接 入的有效方式。将v m i m o 和o f d m a 技术的优势相结合，非常适合下一代无线通信 系统对高速数据传输速率的要求。 未来通信网络不仅需要提供更大的系统容量，也要保证高速率、广覆盖的需求。 在蜂窝网络现有设施的基础上引入中继( r e l a ys t a t i o n ，r s ) 技术，在改善小区边缘用 户的服务质量、降低网络投资和运营成本、改善小区覆盖范围等方面发挥着重要作用。 因此，本文将v m i m o 系统的用户配对调度算法作为本文的研究重点，并考虑其扩展 到多跳中继网络中的应用。 论文首先介绍了v m i m o o f d m a 系统的基本原理，归纳总结了在该系统下无线 资源管理的研究方法，包括用户配对、分组调度、功率控制和自适应技术。然后对 v m i m o 系统容量进行了分析，并对v m i m o 用户配对算法进行了广泛深入的研究。 搭建了v m i m o o f d m a 系统仿真平台，对现有基本的用户配对算法，如随机配对算 法、正交配对算法、行列式配对算法、自适应行列式配对算法进行了分析和性能仿真 评价。通过深入研究，基于传统的配对算法无法兼顾到配对用户间远近效应与系统吞 吐量问题，本文提出了一种基于信噪比( s i g n a lt on o i s er a t i o ，s n r ) 门限融合比例公 平调度算法的上行v m i m o 配对方案。仿真结果表明，本文所提算法在保证低s n r 用 户服务质量的基础上提高了系统吞吐量，同时可以降低对相邻小区的干扰，减小系统 丢包率，更适合实际系统的应用。 其次，考虑到低s n r 用户( 如小区边缘用户) 采用基于s n r 门限的用户配对算 法不能提高吞吐量，将v m i m o 配对算法扩展到中继网络，提出了一种基于协作增益 的v m i m o 中继系统协作配对策略。通过理论分析和仿真，得出该算法不仅提高了小 区边缘用户的吞吐量，降低了对相邻小区用户的干扰，更进一步提高了上行系统容量。 关键词：m i m o ；v m i m o ；o f d m a ：用户配对；调度；中继协作 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s tr a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dt h ew i d e l ya p p l i c a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , t h e d e s i r ef o ru s e r st ol a r g e l yi m p r o v et h et r a n s m i s s i o nr a t eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni sg e t t i n g m u c hs t r o n g e rt h a ne v e rb e f o r e m u l t i p l ei n p u ta n dm 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 yc a n b r e a kt h r o u g ht h et r a d i t i o n a l c a p a c i t yl i m i t 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 s t h e s p e c t r u me f f i c i e n c yc a l lb eg r e a t l yi m p r o v e db ys e t t i n gm u l t i p l ea n t e n n a sw i t h o u ti n c r e a s i n g t h er e q u i r e db a n d w i d t ha n dt r a n s m i t t i n gp o w e r h o w e v e r , i ti sn o te a s yt od e s i g nm u l t i p l e a n t e n n a si nau s e re q u i p m e n t ( u e ) ，w h i c hl i m i t si t sa p p l i c a t i o ni nt h eu p l i n kt r a n s m i s s i o n i n t h ev i r t u a lm i m o ( v m i m o ) c o n c e p t ，m u l t i p l es i n g l e a n t e n n au e sc a l lb eg r o u p e dt o g e t h e r t ot r a n s m i ts i g n a l sa tt h es a m et i m e f r e q u e n c yr e s o u r c e st oi m p r o v et h eu p l i n ks y s t e m c a p a c i t y t h e r e f o r e ，i ta t t r a c t st h em o s ta t t e n t i o n b ya l l o c a t i n ge a c hu s e ro n eo rag r o u po f s u b c a r r i e r st or e a l i z em u l t i p l ea c c e s ss c h e m e ，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 a c c e s s ( o f d m a ) i st h em o s te f f e c t i v ew a yt or e a l i z em u l t i u s e rm u l t i p l e x i n ga n da c c e s si n 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 ( o f d m ) s y s t e m s t h ec o m b i n a t i o no ft h e a d v a n t a g e so fv m i m o a n do f d m a t e c h n i q u ei ss u i t a b l ef o rt h eh i g l ld a t ar a t et r a n s m i s s i o n f o rt h en e x tw 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 f u t u r ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sn o to n l yp r o v i d eg r e a t e rs y s t e mc a p a c i t y , b u ta l s o e n s u r et h en e e d so fh i 曲- s p e e da n dw i d ec o v e r a g e t h ei n t r o d u c t i o no fr e l a ys t a t i o n ( r s ) t e c h n o l o g yt ot h ec u r r e n tc e l l u l a rs y s t e m ，c a ni m p r o v et h ec e l l - e d g eu s e r s q o s ，r e d u c et h e n e t w o r ki n v e s t m e n ta n do p e r a t i o nc o s t a n di ta l s op l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei ne n h a n c i n gt h e s y s t e mc o v e r a g e t h e r e f o r e ，t h eo b j e c t i v eo ft h i st h e s i si st oi n v e s t i g a t et h eu s e rp a i r i n g s c h e d u l i n ga l g o r i t h m s f o rv m i m os y s t e m , a n dc o n s i d e ri t se x t e n d i n ga p p l i c a t i o n si n m u l t i - h o pr e l a yn e t w o r k s i nt h i st h e s i s ，t h ep r i n c i p l e so fv m i m o - o f d m aa r ei n t r o d u c e df i r s t l y , a n dt h e nt h e m e t h o d st or e s e a r c hr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ，e s p e c i a l l yt h eu s e rp a i r i n ga l g o r i t h m sa r e i n v e s t i g a t e di nd e t a i l s t h es i m u l a t i o np l a t f o r mf o rv m i m o - o f d m as y s t e mi sb u i l tu p t h e ns e v e r a lt y p i c a lu s e rp a i r i n ga l g o r i t h m si ns i n g l e - h o p ，s u c ha sr a n d o mp a i r i n ga l g o r i t h m ， o r t h o g o n a lp a i r i n ga l g o r i t h m ，d e t e r m i n a n tp a i r i n ga l g o r i t h ma n da d j u s t a b l ed e t e r m i n a n t p a i r i n ga l g o r i t h ma r ei n v e s t i g a t e da n ds i m u l a t e dt oc o m p a r et h ea l g o r i t h m s p e r f o r m a n c e c o n s i d e r i n gt h et r a d i t i o n a lp a i r i n ga l g o r i t h m sw h i c hc a n ta c h i e v et h et r a d e o f fb e t w e e n p a i r e du s e r s n e a rf a re f f e c ta n ds y s t e mt h r o u g h p u t ，w ep r o p o s ean o v e lp a i r i n gs c h e d u l i n g s c h e m eb a s e do nt h es n rt h r e s h o l dc o m b i n e dw i mt h ep r o p o r t i o n a lf a i rs c h e d u l i n gs c h e m e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ei m p r o v e st h es y s t e mc a p a c i t yw i t h o u t r e d u c i n gt h eq o sf o rt h eu s e r sa tt h ec e l l se d g e m e a n w h i l e ，i ta l s or e d u c e st h ei n t e r f e r e n c e o ft h ea d j a c e n tc e l l sa n ds y s t e ml o s er a t e t h e r e f o r e ，i ti s s u i t a b l ef o rt h er e a ls y s t 弧 a p p l i c a t i o n s s e c o n d l y d u et ot h eu s e rw h i c hh a sl o w e rs n r ( s u c ha st h eu s e ra tt h e c e l l se d g e ) c a l l ，ta c h i e v eh i g ht h r o u g h p u t ，i nt h i st h e s i s ，b ya n a l y z i n gt h ee x i s t e dp a i r i n ga l g o r i t h m s ，w e c o n s i d e rt h ed e t e r m i n a n tp a i r i n gs c h e m ef o rt h er e l a ys y s t e m ，a n dp r o p o s eac o o p e r a t i v e r e l a yp a i r i n ga l g o r i t h m s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a to u ra l g o r i t h mc a np r o v l d e1 1 1 9 h e r t h r o u g h p u tf o rt h eu s e ra tt h ec e l l se d g ec o m p a r e d t ot h et r a d i t i o n a lp a i r i n ga l g o r i t h m sa n di t a l s or e i i u c em ei n t e r f e r e n c eo f t h ea d j a c e n tc e l l sa n dg a i nm o r eu p l i n ks y s t e mc a p a c a y k e yw o r d s ：m i m o ；v m i m o ；o f d m a ；u s e r p a i r i n g ；s c h e d u l i n g ；c o o p e r a t i v et e l a y 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 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 权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名：秘、请 指导老师签名：嘞邮 日期： o l o 6 中 日期： 文0 ，口6 乒 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 详细介绍了现有的v m i m o 配对策略，对无线单跳网络中的用户配对算法，包括 随机配对算法、正交配对算法、行列式配对算法、自适应行列式配对算法进行了比较 分析，然后搭建了系统级仿真平台，包括场景模型、站点模型、信道模型、业务模型。 2 提出了一种基于s n rf - j 限的融合比例公平调度算法的配对策略，对高s n r 用户 采用虚拟m i m o 配对传输，对低s n r 用户采用直接传输。该算法除考虑信道条件和配 对用户间干扰因素的影响外，还结合话音业务特性，将话音业务的系统吞吐量、最大 接入用户数及系统服务丢包率作为性能评价指标，充分考虑了调度算法对配对用户质 量的影响。算法仿真结果表明，本文所提的算法在满足一定b e r 的传输要求下，可以 进一步提高系统吞吐量性能，降低终端能耗。 3 考虑到系统整体的公平性，让处于边缘位置的用户也能很好的提高上行吞吐量， 将虚拟m i m o 系统配对算法扩展到中继网络，提出一种虚拟m i m o 中继系统协作配对 策略。仿真表明该算法不仅提高了小区边缘用户的吞吐量，降低了对相邻小区用户的 干扰，更进一步提高了上行系统容量。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 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 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：劭、涌 日期： 卯d 6 牛 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 随着目前移动通信技术的飞速发展和广泛应用，加上未来i n t e m e t 要求无线接入， 用户要求大幅度地提高无线通信速率的愿望变得越来越强烈，而传统的单输入单输出 ( s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ，s i s o ) 无线通信系统在信道容量上具有一个通信上不可突 破的瓶颈s h a n n o n 容量限制，必须设法突破上述传统无线通信系统的容量界限。因 此，多输入多输出( m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 系统应运而生，它通过 采用空时编码( s p a c et i m ec o d i n g ，s t c ) 技术，利用多天线阵列实现空分复用【i 捌。根 据s h a n n o n 信息论结果，m i m o 信道容量【3 】随着天线数量的增加而线性增大，也就是 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，成倍提高频谱利用率。而正交频分多址接入( 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 ea c c e s s 。o f d m a ) 技术采用正交频分复用( 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 x i n g ，o f d m ) 技术将宽带无线信道在频域上划分为多个相互正交的子载波，具 有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力【4 j 。研究表明，将m i m o 和o f d m a 技 术结合，可以充分利用时间、频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、 多径的容限大大增a n t 5 1 。因此，m i m o 和o f d m a 技术成为w i m a x 、l t e 、8 0 2 1 l n 以及其他未来热门的无线通信系统所必不可少的关键技术。 尽管m i m o 技术具有明显优势，但其主要缺点是部署多根天线而导致的高复杂度 以及高成本。在蜂窝网络中，这个缺点在基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 处还能够克服，但由 于一般要求用户设备( u s e re q u i p m e n t ，u e ) 具有复杂度低、体积小、成本低、功耗低 等特点，使得在用户端的设计变得尤为棘手，成为m i m o 技术在上行应用中的一个瓶 颈。因此，虚拟多输入多输出( v i r t u a lm i m o ，v m i m o ) 技术【6 j 作为一种特殊的多用户 m i m o ( m u l t i u s e rm i m o ，m u m i m o ) 技术受到广泛关注。v m i m o 技术可以动态的 将多个单天线的用户终端配成一对，进行v m i m o 传输，这样多个具有较好正交性的 u e 可以共享相同的时频资源，利用空间复用传输信息，从而提高上行系统的容量【7 】。 v m i m o 技术是w i m a x 工业标准的一部分，也由3 g p pw c d m a 长期演进计划l t e 和3 g p p 2c d m ae v - d o 版本c 标准所规范【s 】j 在m u m i m o 技术优势的驱动下，不 少公司也逐渐将其推向市场，并使v m i m o 技术向着商品化的方向迈进。例如，a i r g o n e t w o r k s 、a r r a y c o m m 和v i v a t o 公司在8 0 2 1 l 无线网络中应用了虚拟多天线技术。实 验表明，当与多个单天线无线用户通信时，这种虚拟多天线接入点具备m u m i m o 的 提高吞吐量、增强分集度以及减少干扰的潜力。2 0 0 6 年1 0 月，北电网络首次完成了采 用上行链路v m i m o 技术的无线传输实验，向运营商展示了当前无线技术所允许实现 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 的网络传输能力，使得一个蜂窝站点上能够支持的移动宽带用户数量增加一倍。2 0 0 7 年5 月，诺基亚西门子公司与德国f r a u n h o f e r 电信研究所共同完成了v m i m o 技术的 测试，测试表明，v m i m o 技术大大提高了手机的数据传输速度，对于下一代l t e 手 机的数据上传速度能够到达1 0 8 m b s t s j 。 未来通信网络不仅需要提供更大的系统容量，也要保证高速率、广覆盖的需求。 这不仅需要采用先进的传输技术，还需要新的网络架构支持。为了实现未来无线移动 通信系统的高数据速率、高频谱效率、无处不在的覆盖等目标，基于基础设施的中继 ( r e l a ys t a t i o n ，r s ) 技术【9 。1 1 】被相关研究者提出。i e e e8 0 2 1 6 也成立了移动多跳中继 ( m o b i l e m u l t i h o pr e l a y , m m r ) 研究小组以研究在i e e e8 0 2 1 6 系统中采用中继技术 的可行性。基于r s 多跳协作传输的蜂窝移动通信系统将在能提供普遍高速数据业务的 未来移动通信系统中扮演重要角色，是经济有效的一种高效通信系统解决方案【1 2 。1 4 】。 研究表明，基于r s 的无线通信网络结构可以有效地降低由于路径损耗所造成的功率资 源的浪费，提高频谱利用率【l5 】1 6 】。因此，基于蜂窝网络结构中引入r s 的协作通信的研 究，以及它与m u m i m o 技术的融合得到了国内外学者的广泛重视。 综上所述，v m i m o 技术通过空间复用和空间分集，可以满足增加系统容量和提高 频谱利用率的要求，具有巨大的固有优势。o f d m a 技术利用o f d m 将宽带无线信道 在频域上划分为多个相互正交的子载波，具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰 能力，将v m i m o 技术和o f d m a 技术结合更适合下一代无线通信高速数据业务的要 求。同时，通过在无线通信网络中引入r s 技术，可以较低成本扩大下一代无线通信系 统的容量，并且有效减少通信系统的能耗。而用户配对策略在v m i m o 多跳中继系统 中发挥着至关重要的作用，在很大程度上影响系统的吞吐量、资源利用率和用户的服 务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 要求等性能，采用良好的配对策略将会进一步提高系 统性能。 1 2 国内外研究现状 关于v m i m o 系统中的关键技术，主要涉及用户配对、分组调度、功率控制等方 面。目前针对v m i m o 技术的研究主要集中于无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ， w s n ) t 1 7 】【1 8 】、超宽带( u l t r a - w i d e b a n d ，u w b ) 无线系鲥1 明及无线自组n ( a dh o c 网络) 【2 0 】 等应用环境中，在蜂窝网络中的上行研究尚处于起步阶段。对于v m i m o ，如何利用空 间上的多用户分集，选择合适的用户配对组成v m i m o 以最大化系统容量，是技术实 现的关键。天线选择【2 i j 【2 2 j 可作为研究v m i m o 系统用户配对算法的基础，对于天线选 择，是所有待选择天线集中于一个用户，根据信道条件选择出一部分“好的”天线使 用。而v m i m o 用户配对【2 3 】【2 4 】的所有待选择天线分布在不同用户上，情况更为复杂。 文献 2 3 】中提出一种简单的随机配对算法，即配对用户的选择随机生成，复杂度低，计 算量小，但是由于随机性大，无法合理利用信道矩阵特性，配对用户干扰较大。文献 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 2 4 中提出了两种配对算法：正交配对和行列式配对。正交配对可以使接收端很好地分 离信号，行列式配对则部分体现了信道容量，但这两种方案对配对用户慢衰落的影响 考虑不足。文献 2 5 1 在此基础上提出了一种自适应行列式配对算法，不仅考虑了快衰落 对接收信号的影响，还考虑了慢衰落对接收信号的影响。上述几种算法的不足是，第 一步都采用最简单的轮询调度【2 6 】选择用户，没有充分利用用户的信道状态信息，系统 性能不能达到最优。文献 2 7 】 2 8 】均是在行列式配对算法基础上提出的改进算法，文献 2 7 提出一种双比例公平配对算法，利用改进比例公平调度算法调度选择用户，提高了 系统公平性。文献 2 8 提出一种结合比例公平调度的最大速率配对算法，结合两种调度 算法的优点，在提高系统吞吐量的同时保证系统公平性。但是，对于配对用户之间， 由于配对的两个用户必须使用相同的时频资源，因此会产生一定的配对干扰。在路径 损耗和阴影衰落的前提下，不同用户到达b s 的信噪比( s i g n a lt on o i s er a t i o ，s n r ) 不 同，若把高s n r 用户和低s n r 用户配成一对联合传输，对低s n r 用户而言，会产生 很大的干扰，产生远近效应【2 9 1 ，所以需要结合功率控制对信号衰落进行补偿，使配对 用户到达b s 的s n r 大致相等，减少用户间干扰从而提高上行系统传输效率，同时也 可降低u e 不必要的发射功率，节约电池能源。文献 3 0 】提出通过b s 发送慢速功率控 制信令给u e 实现功率控制，但是如果对小区边缘的上行用户进行完全的功率补偿， 有可能会造成小区边缘用户发射功率过高，从而加剧小区间干扰。因此文献【3 l 】提出一 种慢速功率控制的改进算法一部分功率控制算法，即对小区边缘用户只进行部分补 偿。除了传统的功率控制方案，文献 3 2 还提出了一种新的功率控制方案自适应功 率控制，通过设置一定的门限值来决定是否采用功率控制。 m u m i m o 上行链路通常被称作多址接入信道，在上行链路中，所有用户均工作 在相同的频段，向同一个b s 发送信号，因此b s 需要通过合适的多址接入技术区分用 户数据。o f d m a 接入方式可根据系统中不同用户的不同信道矩阵瞬时特性，动态的 为各个用户分配子载波，因此各个用户可以互补使用子载波，使所有子载波都得到高 效的应用，这样就提高了资源利用率和系统容量。当采用v m i m o 和o f d m a 技术结 合时，系统具有时、频、空三维可用资源，可以更充分地利用无线信道的时变衰落特 性和多用户分集增益，通过先进的无线资源管理技术，提高系统容量，满足各个用户 的q o s 需求。现在，国内外对m i m o o f d m a 无线资源管理的研究有很多，但对v m i m o 和o f d m a 技术结合的研究并不多。文献【3 3 】【3 4 】重点分析了m i m o 系统与o f d m a 共存时，由子载波和发射天线构成的时频资源空间上，如何调度用户，并且分配用户 功率，以便最大化系统效用函数的问题。文献 3 5 1 提出通过奇异值分解m i m o 信道矩 阵，利用特征模式子信道状态信息来确定子载波和功率分配，实现时域、频域、空域 资源的联合优化，提高系统频谱利用率的性能。上述这些研究成果对我们研究 v m i m o o f d m a 系统都具有重要的参考价值。 目前对多跳中继网络v m i m o 技术的研究还较少，但r s 技术的研究已经取得了一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 系列重要进展，不仅能够提升整个网络的吞吐率，而且也能扩展系统的无线通信范围， 使之符合未来4 g 系统的目标。文献 3 6 】介绍了i e e e8 0 2 1 6 j 中的3 种中继协作机制， 文献 3 7 1 1 3 8 分析了中继协作系统用户功率分配的问题，文献 3 9 1 提出了在m i m o 中继 系统中，在总功率受限的情况下，通过放大转发( a m p l i 母a i l d f o n a r d ，a f ) 和解码 转发( d e c o d e - 锄d f o 州脚，d f ) 中继方式提高中继网络容量以及系统性能。而在 v m i m o 系统中引入r s 后，如何选择用户利用r s 协作传输还没有相关的研究。 1 3 论文研究内容和目的 研究主要解决基于多跳中继网络的i m o 上行配对传输策略，其中包括用户配 对、功率控制和中继协作等。研究目标在于通过v m i m o 用户配对调度算法和功率控 制技术结合，提高上行系统容量，减少用户端能耗。同时考虑到下一代中继网络发展 的趋势，将v m i m o 技术扩展到多跳中继网络，研究引入r s 后，如何通过合理的路径 选择方案及资源分配后带来吞吐量增益。具体研究解决以下几个方面的内容： 1 单跳场景下v m i m o 系统配对算法及容量分析 用户配对调度算法是体现v m i m o 系统性能的关键，通过选择合适的用户配对调 度算法，使配对用户共享彼此的空间信道利用空间复用传输信息，近似达到m 肼o 系 统信道容量，从而成倍提高系统的上行容量。目前的v m i m o 配对算法主要有随机配 对算法、正交配对算法、行列式配对算法3 种，但这3 种算法都是基于轮询调度准则 选择用户进行配对，没有充分利用信道信息，因此不能最大化系统吞吐量。本论文主 要考虑将用户配对与用户调度方式结合起来，在满足用户间公平性的同时，尽可能提 高系统的容量。通过理论分析与仿真比较，结合系统的综合指标确定用户配对方案。 基于对现有配对算法的分析，本文提出了一种基于s n r 门限的融合比例公平调度 算法的配对策略，通过设置用户s n r 门限，对高s n r 用户采用配对传输，对低s n r 用户采用直接传输，同时结合轮询调度和比例公平调度算法调度选取用户进行资源分 配，不仅提高了低s n r 用户传输的服务质量，又节省了系统资源，提高了系统吞吐量。 2 中继场景下的协作v i i m 0 配对策略 在b s 和u e 之间引入r s 可以减少路径损耗，减少b s 和u e 的发送功率，节约 能源，同时可进一步提高系统容量、扩大系统覆盖范围。但同时也带来了新的问题， 即信号的传输方式和资源分配问题。本论文主要考虑u e 单天线，r s 及b s 是多天线 的情况，即考虑发送端是v m i m o 天线阵列，接收端是实际m i m o 天线阵列的情况。 研究加入r s 后，u e 如何进行路径选择，选择合适的传输方式，以获得比单跳系统更 大的吞吐量增益。 基于此，本文将v m i m o 配对算法扩展到中继网络，提出了一种基于协作链路增 益判断的i m o 中继系统协作配对策略，对于信道条件好的用户而言，利用v m i m o 配对算法获取成倍的吞吐量提升，对于信道条件较差的用户而言，可以选取合适的r s 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 作为中继节点协作转发信息，以获取协作v m i m o 增益，从而保证信道条件不好的用 户( 如小区边缘用户或处于深衰落用户) 同样能获取较大的传输速率。 1 4 论文章节安排 本文的其他部分安排如下： 第2 章，首先介绍m i m o 技术原理，然后分析v m i m o 技术的两种实现方式及 m i m o 技术和v m i m o 技术的异同点，最后介绍了v m i m o o f d m a 系统无线资源管 理的相关技术，包括用户配对、功率控制、分组调度和自适应技术。 第3 章，首先详细介绍了现有的v m i m o 配对策略，对无线单跳网络中的用户配 对算法，包括随机配对算法、正交配对算法、行列式配对算法、自适应行列式配对算 法进行了比较分析，然后搭建了系统级仿真平台，包括场景模型、站点模型、信道模 型、业务模型，为后面所提配对策略的仿真分析打下了基础。 第4 章，在分析现有基本配对算法的基础上，提出了一种基于s n r 门限的融合比 例公平调度算法的i m 0 用户配对策略，详细描述了该算法的实现原理及算法流程， 并在第3 章搭建的系统仿真平台上对所提算法进行了仿真分析，给出了仿真结果。 第5 章，首先简要地介绍了将算法扩展到中继系统的背景，在分析传统的中继协 作算法的基础上，指出了在v m 蹦o 系统中引入r s 带来的新问题，提出了一种改进的 基于协作链路增益的中继路径选择方案，然后详细描述了中继系统下的v m i m o 协作 配对策略。最后在第3 章搭建的仿真平台上对上行v m i m 0 中继系统的协作配对策略 进行仿真验证分析，给出了仿真结果。 最后，概括性地总结了全文，并指出需进一步研究的问题和需要做的工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章v m i m o 系统的资源管理相关技术 2 1m i m o 技术原理 通过在无线通信系统的发射机和接收机上安装多元天线阵，就能够采用多种手段 来克服无线信道的不良影响，从而提高通信的质量。一方面，在m i m o 系统中，多径 衰落提高了通信系统可以利用的自由度。如果各个收发天线对之间的路径衰落增益是 独立的，就构建了多个并行的空间子信道，在这些子信道上发射不同的信息流，获得 了空间复用增益，数据传输率自然会提高。另一方面，m i m o 系统也可以实现空间分 集，以对抗信道衰落。其基本思想是给接收机提供同一信息符号的多个独立衰落副本， 使得所有信号成分同时经历深度衰落的概率变小，从而通过获得空间分集增益提高了 无线链路的可靠性。概括地说，m i m o 系统能够提供两种类型的增益：即空间复用增 益和空间分集增益。根据天线数量，m i m o 系统的组成大致可分为单发单收( s i n g l e i n p u ts i n g l eo u t p u t ，s i s o ) 、多发单收( m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t , m i s o ) 、单发多收 ( s i n g l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，s i m o ) 、m i m o 几种，如图2 1 所示。其中，s i s o 技术 应用在传统的无线通信系统，m t s o 系统是通过多发送天线来获得发射分集增益，般 应用在发送分集系统。s i m o 系统通过采用多接收天线来获得接收分集增益，一般应用 在接收分集系统。m i m o 系统通过利用多发送、多接收天线获得分集增益或复用增益。 典型的m i m o 系统应用可以分为单用户m i m o ( s i n g l e u s e rm i m o ，s u m i m o ) 系统 和m u m i m o 通信系统，下面分别介绍这两种技术的基本原理。 a ) s i s o 结构 c ) s i m o 结构 b ) m i s o 结构 图2 - 1m i m o 的几种组成结构 d ) m i m o 结构 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 2 1 1s u m i m o 技术 s u m i m o 系统，是m i m o 技术在单点对单点传输的直接应用，系统传输模型如 图2 1d 1 所示。发送端与接收端都配置有多根天线，在同一时刻发送端的所有天线所发 送的数据流都是针对同一个接收端的，即在同一时刻b s 只能与一个u e 进行通信，因 此不存在多个用户间的共道干扰问题。在同一时刻多个天线上的相同的资源单元( 如 码字、频率等) 必须分配给同一个用户，它可以用于传输该用户的同一个数据流的数 据，也可以传输不同数据流的内容。 典型的s u - m i m o 技术主要分为基于分集的m i m o 技术以及基于复用的m i m o 技 术，系统原理如图2 2 所示。m i m o 分集技术，是指在通信的过程中，系统要能提供 发送信号的复本，即在不同的发射天线上发送相同的信息，在接收端根据每一个接收 天线的接收电平值来进行选择性合并算法，从而达到总是接收最强信号的目的，使得 接收机能够获得更加准确的判断，目的在于提高链路的可靠传输，降低系统误码率。 常见的基于分集的m i m o 技术包括m i s o 、s i m o 技术m 】。技术的核心在于空时信号 处理，即利用空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理。其中， a l m o u t i 等人研究的空时块码( s p a c e t i m eb l o c kc o d e ，s t b c ) 1 4 1 】构造容易，译码简单， 可以很好的实现分集增益。对于m i m o 复用技术，指的是在不同的天线上发射不同的 信息，获得空间复用增益，从而大大提高系统的容量和频谱利用率。由f o s c h i n i 于1 9 9 6 年提出的贝尔实验室分层空时码( b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e 。t i m e ，b l a s t ) 系统 ( 4 l 】是空间复用技术的典型应用，可获得最大速率或流量增益。 。用100户10数1据10t意i01：三一 。删据h 。酽：“ a ) 空间分集b ) 空间复用 图2 - 2 m e m o 原理图 在实际应用中，系统往往需要一个b s 同时和多个u e 进行通信，比如最常见的蜂 窝系统和无线局域网系统等。因此，有关点对多点的m u m i m o 系统的研究也就应运 而生，下面主要介绍m u m i m o 技术。 2 1 2m u m i m 0 技术 m u m i m o 系统，是指在b s 配置多根天线，u e 可以选择配置为单根天线或者多 根天线，具有多根天线的b s 可以同时并发的向多个不同的u e 传输数据或者接收来自 多个u e 的信号，即同一时刻b s 可以与多个不同的u e 进行通信。简单的m u - m i m o 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 系统传输模型如图2 - 3 所示。 图2 - 3m u m i m o 系统传输模型 总体上来讲，m u m i m o 的研究可以分为上行链路和下行链路两类。上行方向多个 u e 同时向b s 的多根天线进行数据传输，由于b s 同时可获取多个u e 的相关信息， 需要应用多用户检测技术( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，m u d ) 来提取不同用户的信号。因此， 上行方向的m u m i m o 信道被称为m i m o 多址接入信道( m u l t i p l ea c c e s sc h a n n e l ， m a c ) 。而在下行方向，b s 会同时向多个u e 发送数据，每个u e 同时会收到其它u e 的数据，由于一个u e 难以获取到其它u e 的相关信息，故接收到的信号会成为干扰信 号，而m u d 技术在u e 端难以实现。因此，下行方面的多用户信道被