（物理电子学专业论文）多用户mimo系统中用户和天线选择的研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 摘要 多输入多输出( m i m o ) 天线技术的巨大潜力为新一代无线通信技术的研究提供 了广阔的舞台。近年来，多用户的m i m o 研究逐渐成为热点问题。针对多用户的 m i m o ，天线选择和用户选择特别值得研究，因为天线选择在获得多天线性能增益的 同时又能降低系统的复杂度和成本，用户选择可以通过合理地选择部分最优的用户， 有效地提高系统容量。本论文就多用户m i m o 系统中的天线选择技术和用户选择技 术展开研究。具体内容如下： 1 针对块对角化预编码的多用户m i m o 下行链路，提出了两种情况下的基于信 道f 一范数的次优用户天线选择算法。第一种情况：系统分配给每个用户一定的天线 数，在用户内部每次选择一根使系统投影范数最大的天线；第二种情况：系统只分配 天线总数，每次选择一根使系统投影范数最大的天线，这两种情况下的次优算法复杂 度较相应的最优算法都大大降低了。 2 研究了多用户m i m o 下行链路用户选择与功率分配问题。当用户端采用迫零 检测，基站根据各用户反馈的信噪比采用注水算法在天线问进行功率分配，可以获得 较大的系统容量。本文通过在发射端使用二维注水分配功率，它沿时域和频域上二维 注水，相比一维注水容量高些，尤其是在低信噪比的情况下。 3 针对正交空时编码的多用户m i m o 系统，分析并比较了两种用户选择方案的 性能。第一种方案是基站在一个时隙内选择信噪比最大的用户进行通信，第二种方案 基站在一个时隙同时选择多个信噪比大的用户进行通信，并且对两种方案的容量都作 了理论推导和仿真比较。 关键词：多输入多输出；天线选择；用户选择；二维注水；空时编码 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s a b s t r a c t t h e r eh a sb e e nc o n s i d e r a b l er e c e i l ti n t e r e s ti 1 1 、i r e l e s sm u l t i p l ei n l ) u tm u l t i p l e0 1 i 巾u t ( m i m 0 c 0 恤m m l i c a t i o n ss y s t e m s ，d u et 0n l e i rp o t t i a l 如rd 眦l 鲥cg a i l l si nd l 锄e l c a p 撕哆m o r er e c e n t l y a 钍e i l t i o nh a ss _ l l i f t e dt 0 锄l l t i u s e rm i m os y s t e m s f o rn n n t i l l s 茁 m i m os y s t 锄s ，a n t e m as e l e c t i o n 锄du s e rs e l e 蕊o na r ew o m ls t l l d y i n gs p e d a l l y b e c a u s e a n t e m l as e l e c t i o ng e t sm i m 0s y s t e n lg a i nw i t t ll o wc o m p l e x i t ya l l d1 0 w c o s t ，u s e rs e l e c 矗o n e l l l l a l l c e s 吐1 es y s t e mc a p a c i t yt h ：r o u 曲s e l e c 妇gp a nm o s t 咖o r u s e r s ，e 腩c t i v e l y t 撕s p 印e rs t u d i e s s e v e r a lt e c h n i q u e si n 廿1 em u l t i u s e rm i m os y s t 锄s ，i i l c l u d i n g a i l t e i l i l a s e l e c t i o l l ，u s e rs d e c t i o n t h em a i nc o n t e n t so fm ep a p e ra r e1 i s t e da sf o l l o w s ： 1 f o rt l l em u l t i u s e rm l m od o 、) m l i i l l ( w i t hb l o c kd i a 9 0 n a l i z a t i o np r e c o d i n 押o s u b 叩t i l l l mu s e ra 1 1 d a n t e n i l as e l e c t i o na j g o r i 血m sw h i c ha r eb a s e do nm ec h a l l l l e l f r o b e i l i u sn o 肌a r ep r o p o s e di nm ef 0 1 1 0 w i n gt 、v oc a s e s i i lt l l ef i r s tc a s e ：e a c hu s e ri s a l l o c a t e dc e r t a i nm m l b e ro fa n t n a s ，aa 1 1 t e i m af 0 rau s e ra te a c l is t e pi ss e l e c t e dt 0 m a ) ( i m 啪f - n o 册o f m ep r o j e c t i o nf - 0 rs 姆e l l l ；锄di i lt 1 1 es e c o n dc a l s e ：m et o t a lm m l b e ro f a n t e i m ao fa l lu s e r si sa j l o c a t e d ，aa n t c i l n aa te a c hs t e pi ss e l e c t o dt 0m a x i m 啪f - n o 锄o f m ep 删e c t i o nf 研s y s t e l n ，觚d 觚oa l g o r i t h m sh a v el e s sc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ) ，廿1 a nt l l e c o 仃e s p o n d i n go p t i m a la l g o r i m m s 2 c o n s i d 耐n gu s e rs e l e c t i o na n dp o w e ra l l o c a t i o n 五河m u l t i u s e rm i m od o 、n l i l l k e a c hu s e re m p l o y saz e r o - 内r c i n gr e c e i xt 0d e t e c t s i 盟a l ， 觚df e e d sb a c km e p o s t - d 酏e c t i o ns n ro fe a c hs 仃e 锄t o 1 eb a s es t a 石0 n ，粕db sa l l o c a t ep o w e ro f 铭c h a n t e m l a 、机t l lw a t e r - 丘1 1 i n gt oe h h a l l c es y s t e mc a p a c i t y w eu s e2 - d w a t e r - f i l l i n ga 1 0 i n g 血【l e 锄df k q u e n c yt h e o r e mt oa l l o c a t em e 仃 m s m i tp o w e r 觚dt h er e s u l t ss h o w 吐l a t2 - d w a t e r f i l l i i l gh a s t l l e1 1 i 曲e rr a t et 1 1 a nl dw a t e r - f i l l i n 吕p a n i c u l a d yi nl o ws n rs j t 哪i o n 3 f o fm u l t i u s e rm i m os y s t e m sb a s e do ns p a c e t i l l l eb l o c kc o d e 、m ea n a l 弘猃n l e p 酬f o n n a l l c 铬o f 铆。憾e rs e l e 以o ns c h 既螨t h e6 r s ts c h e m ei st l l a t 廿l eb ss e l e c t so i l l y o n e 珊e rw i 廿lt 1 1 el a r g e s ts n ra tat i i i l es l o tw h n e 也es e c o n ds c h e i i l ci sm a t l eb ss e l e c t s 枷l t i p l el l s e r sw i n l 廿l el a r g e s ts n r sa tat i i i l es l o t f u r t h e 册o r e m 鹤et w os c ：h 锄e sa r e c o m p a r e db yn l c 0 巧a 1 1 a l y s i sa n ds i m u l a l i o n s i l n u l a t i o nr e 鲫l t si i l d i c a t en l a tm e 丘r s t s c h e m e 础b i t ss i g n i f i c a n tp e r f o 肌a l l c eg a i n so v 盯m es e c o n ds c h 锄ei nm e 锄mo f c a p a d 吼b u tm es e c o n ds c h 锄ec a i ls e r v em u l t i p l el l s e r ss i m u l t a i l e o l l s l y k e y w o r d ： m i m o ；a n t 锄as e l e c t i o n ；l l s e rs e l e c t i o n ；2 一dw a t e r f i l l i n g ；s p a c e 矗m ec o d e 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，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 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 少5 气 日期：如孵6 月r 日 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，即：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电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：纠写 日期：弘阡e 月厂日 导师签名： 日期：矽 作者签名：参1 气导师签名：亏历矿乡 日期：沙孵1 月罗日 日期1 秒体舌月1 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 1 1 本文的研究背景和意义 第一章绪论 在传统的无线通信系统中，发射端和接收端通常各使用一根天线，这种单天线系 统也称为单输入单输出( s i s o s i n 西ei i l p u ts i n 酉e0 唧l u t ) 系统，对于这样的系统 c e s h a l l i l o n ( 1 9 1 6 2 0 0 1 ) 于1 9 4 8 年在“通信的数学理论【1 】 一文中提出了一个信道 容量的计算公式：c = 矽1 0 9 ，( 1 + s ) ，其中形代表信道带宽，s 代表接收端信 噪比，用形归一化后，得到带宽利用率：刁= l o g ，( 1 + s ) ，它确定了在有噪声的信 道中，进行可靠通信的上限速率。以后的电信工作者无论使用怎样的调制方案和信道 编码方法，只能一点一点地接近它，却无法超越它，这似乎成了一个公认的、不可逾 越的界限，业成了现代无线通信发展的一大瓶颈。 随着目前移动通信的普及和广泛应用，加上未来i n t e n l e t 的要求无线接入，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，因此必须设法突破上述传统 无线通信系统的容量界限。一般来说，提高移动通信的信道容量有三种方法：( 1 ) 设 置更多的基站；( 2 ) 拓宽己使用的频带；( 3 ) 提高频潜的使用效率。设置更多的基站 意味着增加更多的蜂窝，为此付出的代价较高。为了便于提高无线通信的传输速率， 也有人建议把目前使用的频带拓展到毫米波段，因为在毫米波段有更宽的频带可供使 用。但是就目前的技术的水平来说，这样做的代价还相当昂贵，而且目前无线通信市 场迫切需求的是介于u m t s 和w l a n 之间设备，它们使用的是微波波段，对于i m t s 和i s m ( 工业、科研和医疗) 使用的频率在2 g h z 附近，而w l a n 使用的频率在2 到 5 g h z 。由此看来，合理的选择是设法提高频谱的使用效率。 在传统的无线系统中，根据c e s h a i l i l o n 给出的信道容量公式，增加信噪比可以 提高频谱的使用效率，信噪比每增加3 d b ，信道容量每秒每赫兹增加l b i t 。对于单用 户方案，信噪比主要跟系统热噪声有关，而系统热噪声在通信期间基本保持不变，如 果增大发射端的发射功率，接收端的信噪比便随之增加，然而，不仅是因为人的健康 原因不推荐使用这种方法，而且还因为要设计一个功率放大器能在很宽的线性范围内 和很高的发射功率上工作，是件很困难的事情，而且当发射功率很高时，器件的散热 也成问题。在蜂窝( 多用户) 方案中，由于来自其他用户的干扰电平通常高于系统的热 噪声，所以在这种情况下增大发射功率似乎对增加信道容量没有太大的帮助。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 提高频谱使用效率的另一种方法是使用分集技术。如果发射端使用单根天线，接 收端使用多根天线，这种分集通常称为接收分集，也称之为单输入多输出( s i m o s i i l 罾e l n p u tm u l t i p l eo u 呐j t ) 系统，采用最佳合并的接收分集技术通常能改善接收端的s n r ， 从而提高信道的容量和频谱的使用效率。如果发射端使用多根天线，接收端使用单根 天线，这种分集通常称为发射分集，也称之为多输入单输出( m i s d m u l 衄l e 蛔) u t s i i l 西e o u t p l l t ) 系统，如果发射端不知道信道的状态信息，无法在多发射天线中采用波 束形成技术和自适应功率分配，信道容量的提高不是很多。s i m o 和m i s o 技术的发 展自然演变成多输入多输出( m i m o m u l t i p l e 蛔p u tm u l t i p l eo l 】螂哟技术，即在无线链 路的两端都使用多根天线，e t e l a t a l l 2 】和j f o s h i i l i 【3 】分别证明了m l m o 系统与s i m o 和m i s o 系统相比，可以取得巨大的信道容量，该信道容量突破了传统的单输入单输 出信道容量的瓶颈，是c e s h a n n 伽信道容量的推广。与目前已实现的信道容量相 比，有望提高几个数量级。因此无线m i m o 技术在第三代( 3 g ) 乃至三代以后( b 3 g ) 的 移动通信系统中有着广阔的应用前景。目前，无线m i m o 技术己成为了无线通信领 域的一大研究热点。粗略地说，使用m i m o 技术的好处在于能创建多个并行的正交 子信道、能综合使用发射分集和接收分集技术、能较大地增加天线的增益等等。 1 2 当前m i m o 技术的研究现状及存在问题 1 2 1m l m o 已取得的进展 尽管m i m o 技术是一个崭新的、富有挑战性的研究领域，但是m m o 技术的基 础一分集技术并不是一个全新的概念。简单的空间分集技术在2 g 系统中就有应用， g s m 中使用的多接收天线接收分集就是一种成熟的空间分集技术，在2 g 基站中经 常使用它来提高上行链路范围。然而，由于实施代价和空间的限制，接收分集方法 并不象移动电话那样可行。鉴于此，3 g 宽带c d m a 的第一版的标准在基站中运用 了发射分集方案以提高下行链路的可靠性，这些方案是专为两个联合信道的天线设 计的。 虽然分集技术已经比较成熟，且已应用于现有的移动通信系统中，但它并不是真 正的m h o 系统。而信息论预示了m i m o 系统具有潜在的巨大的信道容量，但是在 实际中是获得这个容量的全部还是部分以及为此需要花费多大代价等等，都值得我们 仔细研究。因此，目前全世界有很多学术机构和大公司正在对m o 技术展开更深 入的研究，推动着这项技术日益朝实用化方向发展。最近r r u 和3 g p p 已着手制定在 3 g 和b 3 g 的移动通信中使用m i m o 技术的有关标准。对于3 g ，m i m o 及其相关的 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 技术可以看成是用于提高数据流量、系统性能和频谱效率方而的有力补充，目前具有 很强的吸引力。在蜂窝移动通信中，目前还有没有商用化的m m o 产品，在3 g 中， 除了使用纯反射分集的解决方案外，也没有使用m i m o 技术。 实验系统是m i m o 技术研究的重要一步，目前各个大公司均在研制实验系统。 几年前，朗讯( l u c e n t ) 通信技术公司已做过了m i m o 系统的早期实验，并于去年成 功地测试了两款b l a s t 芯片，芯片的最高速度达到了1 9 2 m b p s ，而且b l a s t 研究 小组最近取得了以前难以想象的无线频谱效率：2 0 4 0 b p s h z ，比较而言，使用传统 的无线调制技术，对于蜂窝移动通信系统取得的频谱效率为：1 5 b p s h z ，对于点对 点的微波通信系统取得的频谱效率为：1 0 1 2 b p s h z ，而且在3 0 k h z 的带宽内，b e n 实验室在上述的频谱效率上实现了o 5 1m b p s 的有效载荷数据速率，而使用传统 的技术，在该带宽内取得的数据速率仅为5 0 k b p s 。对于3 g p p ，表1 i 给出了在平衰落 条件下，2 4 g h z 频段、5 m h z 载波间隔，在移动通信的下行链路中，使用m i m o 技术所取得的峰值数据速率1 4 j 。 表1 1 各种m i m o 结构的峰值数据速率 ( n ，m )t x 技术码率调制方式数据码率 ( 1 ，1 ) 传统 3 4 6 4 q 朋1 0 8 m b p s ( 2 ，2 )m i m o3 4 1 6 q a m1 4 4 m b p s ( 2 ，2 )m i m o3 4 q p s k1 4 4 m b p s ( 4 ，4 )m i m o3 48 b p s k 2 1 6 m b p s 从目前来看，下一代移动通信系统主要将以正交频分复用( 饼d m ) 和多天线为技术 核心。o f d m 技术的特点是具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力，可以提供比 目前无线数据通信技术质量更高( 速度高、时延小) 的服务和更好的性价比，而m o 技术则可以大大提高系统的频谱利用率、容量和性能。o f d m 技术与m o 技术的有 机结合将为无线网提供更好的方案，这方面正是目前m 订o 技术研究的热点。 在实际系统中，为了实现收发多天线m 讧o 处理系统，首先必须同时在发射端 和接收端采用阵列天线。基站多天线已经用于现有系统的分集处理，进一步实现 m i m o 虽有难度，但已没有太大的技术障碍。而对于小体积的移动终端来说，多天线 则有相当难度。作为第一步，考虑是车载系统或者无线网卡系统，如美国的d e l 蛳 公司研制了一个车载多天线接收系统。同时国外在终端小阵列天线方面进展已进行了 大量的研究，这方面尚有大量的工作要做。 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 1 2 2m i m o 存在的问题 自从t e l a t a r 和f o s c h i n i 在无线m i m o 系统中做出了开创性的工作以来，目前在 蜂窝无线系统、固定接入系统方面，已提出了各种实验性的m m o 系统，尽管在这 方面已取得了较大的进展，但是距离m i m o 技术大规模投入商用，还有很大的差距， 因为还有许多实际问题需要解决，这些问题主要包括以下几个方面： 1 ) 天线的数量和间距 天线的数量和各大线之间距离是m i m o 系统设计的关键参数，如要实现m i m o 系统的高频谱效率，后者更为重要。在基站安装大量的天线，对周围的环境会造成一 定的损害，因此天线的数量宜限制在中等的水平。对于终端，一般天线的最大数量预 计为4 根，但是实际实现时，一般选择最小的数目为2 根。根据计算4 根双极化天线 要占据7 5 锄的空间，这4 根天线可以非常容易地嵌入诸如笔记本电脑的外壳中，然 而对于蜂窝手机，即使是安装2 根天线也成问题。因为手机目前的设计趋势是把天线 嵌入到机壳中，目的是为了改进外观和增加产品的吸引力，这使得天线间距要求成为 一个非常严重的问题。 2 ) 接收机的复杂性 m i m o 接收机与单天线接收机相比，复杂性明显要增加，具体表现在：由于多 用户、多天线的存在，消除空间干扰的空时合并器和信号检测器的设计变得异常复杂， 例如( 4 ，4 ) m i m o 系统与单天线接收机相比，复杂性要增加约2 信。由于m 蹦o 接收机受周围环境的散射影响，存在角度扩展和延时扩展，在均衡和干扰对消方面需 要增加一些附加的处理。m o 信道估计也要导致复杂性的增加，因为整个信道矩 阵的每条路径延时( 在o f d m 中为每一个时隙) ，都需要及时跟踪和更新，而不是 只跟踪和更新单个系数。额外的复杂性还来自增加的r f 链( 与r x 天线的数目相等) 和相应的基带运算单元，还有接收机的隔离算法等。对于蜂窝手机，电池寿命长短也 跟接收机的复杂性有关。 3 ) 成本过高 m m i o 系统的主要缺点是实现复杂，以及由此带来的高额成本。虽然天线振子 并不昂贵，数字信号处理芯片也越来越便宜，但是射频链路并不遵循摩尔定律，价格 一直居高不下。例如，一个n 个发射天线和m 个接收天线的m i m o 系统，需要完 整的m + n 个射频链路，此外还需要低噪声放大器，调制解调器等设备。未来移动 通信系统发展的趋势就是提供更加廉价和便捷的通信服务，而m i m o 系统的高额成 本则极大的限制了m i m o 技术的发展和应用，这是目前m i m o 系统主要缺点之一。 4 ) m i m o 信道模型 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s m i m o 系统的性能，在很大的程度上取决于所处环境多径信号的性质，特别要受 各条路径之间的相关度、时延扩展和角度扩展的影响。因此，了解和掌握户内和户外 环境中无线m i m o 信道的特性，对实现潜在的巨大信道容量、取得预期的性能、选 择合适的系统结构和设计优良的信号处理算法至关重要。为此除了一些必要的实际测 量外，必须建立合适的信道模型，用于预测系统的性能和评估算法的优劣。为了适应 无线信道的时变特性，不仅需要建立m i m o 信道的静态模型，还要建立特定的动态 模型，因为提出新的和更具体的信道模型，可用于分析现有的传输算法是如何影响系 统的性能的，同时为适应这些更具体的模型要求，是否能提出一些新的算法。传统的 无线系统的传播模型己成为了标准【5 】，不过到目前止，1 t u 还未制定相应的m i m o 信 道模型标准，3 g p p 已制定出了有关m l m o 的信道模型标准【6 j 。 5 ) 信道状态信息( c s i ) 获取和利用 如何准确地获取信道的状态信息并及时地反馈给发射机是m i m o 系统设计中一 个值得深入研究的课题，信道容量实际上是信道特征模式的函数，m i m 0 信道容量的 实现将得益于知道信道状态信息的发射机，因为发射端可以利用信道的状态信息或部 分反馈信息依据注水原理而不是平均分配发射功率。而且，如果已知信道的相关矩阵， 还可以使信道编码、每一支流的比特分配和放大器的功率管理做到最佳。在文献【6 】 中讨论了各种功率分配算法，它们能在不同的信道条件下做到最佳。 6 ) 系统的集成和信号设计 m i m o 系统需要与现有的非m i m o 通信网络集成、向后兼容，即未来的m i m o 接收机应该是双模式的。为此，m 蹦o 的信号设计可以从特殊的无线资源控制 ( r r c r a d i or e s o u ec 0 n 缸d 1 ) 消息中，获得支持和帮助。例如，终端可以通过下行 链路的广播信令来知道基站是否处在m n o 模式，同时，基站也需要知道终端是否 处在m i m 0 模式，m i m o 通信链路可以在呼叫期问确立。另外，在非m i m o 模式通 信中，终端也需要给基站提供反馈信息，随时报告信道的质量情况，如果信道条件许 可，基站便可安排m i m o 系统进行传输，这些下行和上行的r r c 消息一般放在信令 消息的第二层。 除上述因素外，还有其他一些因素也会使m i m o 系统的性能退化，例如：不正 确的信道估计、天线单元之间存在相关、较高的多普勒频移等。 m n 以。系统的上述缺点极大地限制了m i m o 在移动通信系统中的大规模使用， 尤其是成本过高与天线的数量和间距等问题，这是m i m o 技术推广的关键性难题， 不解决它们，就无法使m o 技术真正走向实用化。 5 1 3 本文的研究内容 m i m o 系统可以显著提高无线通信系统的性能。近年来，多用户的m i m o 研究 逐渐成为热点问题。所以本文主要内容就是集中在多用户m i m o 系统的有关技术上。 1 ) 多用户m i m o 系统用户天线选择； 所谓天线选择就是从m i m o 系统的发射端和接收端选择出性能最好的部分天 线，例如在个发射天线的m i m o 系统中，通过天线选择选出性能最好m 个天线 来传输数据，这样就减少了一m 个射频链路，极大降低了了成本，提高了m i m o 系 统的性价比。目前多数文献都集中在单用户m i m o 系统天线选择【3 1 h 3 7 1 ，而本文聚焦 在多用户m i m o 系统天线选择上。因为最优的用户天线选择算法复杂度极高，所以 提出低复杂度的用户天线选择算法是本文的一个研究课题。 2 ) 多用户m i m o 系统用户选择与功率分配问题； 理论上，多用户环境下的多天线系统可以取得比单用户系统高得多的系统容量。 本文在已有的用户选择算法【2 5 1 上使用二维注水嗣进行功率分配。当用户端采用迫零检 测，基站根据各用户反馈的信噪比采用注水算法在天线间进行功率分配，可以获得较 大的系统容量。本文通过在发射端使用二维注水分配功率，它沿时域和频域上二维注 水，相比一维注水容量高些，尤其是在低信噪比的情况下。 3 ) 空时编码的多用户m i m o 系统用户选择性能分析。 本文结合闭环正交空时编码和多用户分集最新研究成果，分析了两种基于正交空 时码的多用户选择方案，第一种方案是基站在一个时隙选择信噪比最大的用户进行通 信，第二种方案基站同时向多个不同的用户。前一种方案基站在一个时隙只能与一个 用户进行通信，而后一种方案可以同时服务多个用户，并且对两种方案都作了理论分 析和仿真比较。 1 4 本文的章节安排 本文共分为六章，结构安排如下： 第二章：对m i m o 传输的一些基础理论的介绍，其作用是为后续的几章作理论 上的铺垫。主要内容包括：m i m o 信道、空时码和多用户m i m o 系统。 第三章：针对采用块对角化预编码的多用户m i m o 下行链路，提出了两种情况 下的次优用户天线选择算法，并将这两种情况下的次优用户天线选择算法与相应的两 6 硕士学位论交 m a s t e r st h e s l s 种最优算法作了容量和复杂度的比较。 第四章：分析了多用户m i m o 下行链路中的用户选择与三种功率分配方法，通 过实验比较了三种功率分配方法的性能。 第五章：针对正交空时编码的多用户m m o 系统，分析并比较了两种用户选择 方案的性能。第一种方案是基站在一个时隙内选择信噪比最大的用户进行通信，第二 种方案基站在一个时隙同时选择多个信噪比大的用户进行通信，并且对两种方案的容 量都作了理论推导和仿真比较。 第六章：总结全文，并对下一步的研究方向做了展望。 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 2 1 引言 第二章m i m o 及多用户m i m o 随着无线通信技术的发展，无线通信在社会经济和人们的日常生活中扮演着越来 越重要的角色。同时，人们对新的无线业务如h l t e n l e t 接入和多媒体传输的需求，也 对无线通信的传输速率和质量提出了更高的要求。但是，有限的发射功率和频谱资源、 无线信道的衰落效应和同信道用户之间的干扰都限制了现有系统的性能，使得可靠的 高速率无线数据传输成为一个极具挑战性的课题。 1 e l a t a r 和f o s c h i n i 的研究表明，通过在无线通信系统的发射端和接收端均采用多 根天线，得到的多输入多输出( m i m o ) 信道的容量在较高信噪比区域与发射天线数和 接收天线数的较小值成线性关系，揭示了m i m o 系统提升数据传输速率的巨大潜 力。另一方面，m i m o 系统可同时提供发射分集和接收分集，从而明显提高信号在衰 落信道中的检测性能【7 h 9 】。m 订o 系统在信道容量和分集增益方面的卓越性能使其成 为近十年无线通信学术界和工业界的一个研究热点，被认为是未来无线通信系统的发 展方向。同传统的单天线系统和仅在接收端采用多天线的系统相比，m i m o 系统为 传输方案的设计提供了额外的空间自由度。有效地设计传输方案可以通过利用空间自 由度，在不增加带宽和发射功率的前提下提高系统的传输速率及检测性能。m i m o 系 统的一个重要研究方向是根据一定的性能准则设计发射端的空时编码及预编码，其基 本思想是通过利用而不是克服无线信道的衰落效应获得性能增益【l o 】。但在一些应用如 x d s l 、无线局域网和蜂窝无线通信系统中，一个基站需要同时与多个用户通信。通 过在基站采用多天线，多个用户可以利用空间信道的差异共享同一信道资源，即空分 多址( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ：s d m a ) m 】，此时的系统称之为多用户m i m o 系 统。如何有效地利用空分多址和m i m o 技术成为一个重要的研究方向【1 9 j 。 本章首先介绍m 订o 信道的模型和m i m o 系统容量，然后介绍空时编码，最后 介绍了多用户m m l o 系统中天线选择技术和用户选择技术的最新研究进展。 2 2m i m o 信道 2 2 1m i m o 信道模型 移动通信中，信号经过无线信道主要体现两种效应衰落效应和扩展效应。衰落效 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 应主要是对信号的幅度和相位的改变，主要分为两种大尺度衰落和小尺度衰落。大尺 度的衰落主要是在小区尺度上移动的由于电磁波因距离带来的路径损耗或者是因大 的障碍物带来的阴影效果。小尺度衰落主要是在载波波一长尺度上移动是由无线传播 中多径信号引起的。扩展效应主要是体现一种多样性，分为多普勒扩展、时域扩展、 角度扩展。多普勒扩展是由收发机之间相对运动导致无线传播的频率发生偏移而产生 的，多普勒扩展对信道的影响主要体现在引起信道特征在时域内发生变化，使信道具 有时域选择性。时域扩展又被称之为延迟扩展，主要是由于传播中的造成的多径信号 具有不同的衰络因子和延时，时域扩展对信道的影响是使信道中不同的频率分量具有 不同的衰落特性，即使信道具有频率选择性。角度扩展是信号经过无线信道后在空间 维度上的一种扩展，因此它造成信道在空间维度上也具有选择性。多天线技术正是利 用了这种空问意义上的选择性，利用空间的分集的效果，使得系统性能有很大程度的 提升。 啊l ( o 图2 1m i m o 系统示意图 m 1 ) 平坦衰落信道模型 现有的多天线技术研究采用最多的信道模型为平坦衰落信道。对于一个具有m 个发送天线和，个接收天线的多天线信道模型，如果各个天线分隔的足够开能够保 证天线间彼此独立，这样能够m r 个独立衰落信道。信道的因子为零均值方差 西 阮1 2 = l 复高斯变量。设从所有天线发送的总的能量为e = 善b 1 2 ，则在第个接 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 收天线得到的信号为 乃：兰岛+ 乃 ( 2 1 ) 其中乃是方差为e 乃磁) = o 颤的高斯白噪声，o 为噪声的谱密度。这样平坦的信 道模型可以表示为 y = h s + n( 2 2 ) 其中h 为，f 的信道矩阵，其元素间互相独立，且都服从相同的复高斯分布： 一c ( o ，1 ) ，即的每维都服从零均值、方差为o 5 的高斯分布。n 为均值为o 、 相关矩阵为盯2 i 的r 维高斯自噪声。发射信号矢量s 的总功率为p ，则系统信噪比 p p 3 7 。 2 ) 频率选择信道模型 频率选择信道比平坦衰落信道更为贴近实际情况。从发送天线f 到接收天线歹的 采样冲击响应可以表示为h 驴= ( o ) ，( 1 ) ，嘞( 三) 7 ，假定在后时刻发送的信号为 m 1 的s ( 后) ，接收矢量y ( 露) 为 y ( 尼) ：兰h f s 肚) + n ( 七) ( 2 3 ) 其中n ( 七) 是一个一1 的加性白噪声矢量，其方差为e n ( 七) n ( 七) = 甜川，h ，是第f 个 发送天线和所有接收天线间的信道矩阵h ，= h ：，h 丢，h 毛 ，每一个接收天线信噪比 为 乃= 嘉绷h 驴1 2 c 2 4 ， 3 ) 时变信道模型 时变信道模型，假定天线问的相隔足够宽能保证，个独立的衰落的信道， 信道因子的独立零均值复高斯随机变量和多普勒谱为 l o s ( 国) = b ( 尼) l ：( 七十，1 ) p ” ( 2 5 ) 在七时刻从发送天线f 上发送的信号为毛( 七) 。我们将所有天线发送信号的总能量 为e ( 后) = 艺b ( 尼) 1 2 ，信号模型可以建为 j = l y ( 走) = h ( 七) s ( 七) + n ( 尼) ( 2 6 ) 4 ) 相关信道模型 传统多天线技术基于信道传播坏境中存在足够多的散射体，这样从不同的发送 ( 接收) 天线发出( 得到) 的信号彼此经历不同的传播环境，可以保证相互不相关， 从而获得空间的分集的效果。然而在实际系统中，由于发送接收天线彼此存在互偶等 因素，无法保证这些天线是不相关的。 目前研究中采用最多的相关信道模型是幻加e c k e r 相关信道模型，该信道模型将 相关信道h 表示为 h = r ：2 h 。r 2 ( 2 7 ) 其中h 。为独立同分布的复高斯矩阵h ，砖一，r 胃= b h h 片 为接收端的相 关矩阵，r r 为发送端r r = e h h 。 k r o n e c k e r 相关信道模型由于将m i m o 信道的空间相关的收发两端独立起来，使 研究变得更为简便，因而被广泛应用。 在本文的后续章节中，如果不加以特别说明，信道均为平坦衰落模型，并且信道 收发天线彼此独立。 2 2 2m i m o 信道容量 1 ) 发射端已知c s i 时信道容量 当发射端已知c s i 即h 矩阵的信息时，我们可对h 矩阵进行奇异值分解( s v d ) 得：h = u d v ，并利用该分解表达式将原信号模型y = h s + n 变形为： 多= u h y = d v h s + u h n = d ；+ 五 ( 2 8 ) 从上式可以看出，通过酉变换处理，我们已将原来的m n v l o 信道转化成了多个并行 的s i s o 信道【2 】，由于酉变换的性质，“新系统”的统计特性与原系统是一致的。 ( 2 2 ) 式所描述的系统的瞬时信道容量为： c ：兰l o g ( 1 + 萼) c ：善1 0 9 ( 1 + 等) ( 2 9 ) 其中只为第i 路数据流的功率，丑为矩阵h h 的第i 个特征值，结合总发射功率的限 制即粪号= 尸，我们可得到著名的功率“注水( w a t e m l l i n 曲”方案：砉= ( 一彳1 ) + ， 制即号= 尸，我们可得到著名的功率“注水( w a t e m l l i n 曲”方案：专= ( 一彳) + ， 满足( 一百) + = p ，其中记号a + = m a x ( o ，a ) 。 f = l n ， “注水”系统的总容量为：c = 1 0 9 ( 以) + ，这样我们就得到了m i m o 系统可 f = i 能实现的最大容量的表达式。该式的求和性质表明了m i m o 的容量是随r 线性增长 的。 2 ) 发射端未知c s i 时信道容量 在发射端未知h 的信息时，文献【2 】证明了这种情况下使平均容量最优的功率分 配方案是等功率分配，即发射信号s 的相关阵r ，为专i 时，这样系统的瞬时容量为： c - l o g 拙( 1 t + 寺h h ) ( 2 1 0 ) 矩阵h h 的第f 个特征值为五，则可利用矩阵特征值的性质将上式化简为： c = 喜l 。g ( 1 + 每以) 。在信噪比p 较高时，c ，l 。g p + 善l 。g ( 务，即容量是随接 收天线数，线性增长的：信噪比每增加3 d b ，信道容量都要增加，比特每秒；而在 s i s o 信道下，这一增加量仅为1 比特每秒，即为对数增长，另外m i s o 的容量 艺1 。g ( 1 + 导l h l 2 ) 和s i m o 信道的艺l 。g ( 1 + p i h l 2 ) 也都是随s n r 对数增长的。因此 f i iy ff = i 在收发端都采用多天线的m i m o 较s i s o 、s i m o 和m i s o 的容量增长是飞跃式 1 2 的，这一飞跃得益于系统自由度的提高。 2 3 空时编码 空时编码技术就是与m i m o 系统相对应的信道编码技术，空时编码技术利用多 发射天线和多接收天线，将发射分集技术和接收分集技术相结合，在各阵元的发射信 号之间引入时域和空域的相关，并且将信号处理技术与编码技术有机的结合在一起， 因而具有非常优异的性能。空时编码技术能有效地降低信道的衰减，增加系统的容量， 抑制噪声和干扰，并获得很高的分集增益和编码增益，因此具有广阔的应用前景。 空时编码的模型最早是由美国的l u c e n tb e l l 实验室提出的，并于1 9 9 6 年提出了 在无线通信中用多元天线构造的分层空时结构f i l 】，在此基础上开发出了b l a s t ( b e l l l a y e r e ds p a c e - 1 i m e ) 试验系统，提出了第一种空时码，即分层空时码( l s t c l a y e r e d s p a c e 1 i m ec o d e ) 。随后，美国的a t & t 实验室的l h i d t a r o l ( 1 1 在此启发下，首先提 出了空时编码概念，即信号在时间域和空间域上都引入编码就称之为空时编码。后来 1 1 1 i dt a l ( 1 l 用格状编码调制构造了一种空时编码【1 2 1 ，称为空时格码( s t r c s p a c e 币n l e1 r e l l i sc o d e ) 。后来，s m a 1 锄o u t i 提出了一种简单的发射分集技术，在 此分集技术中他实际采用了简单的正交分组编码【1 3 】，这种编码后来被称为空时分组码 ( s t b c s p a c e t i m eb l o c kc o d e ) 。分层空时码、空时格码和空时分组码这三种空时 码在解码时都假设接收端知道信道状态( c s ic h a n n e ls t a t ei n f o 册a t i o n ) 的确切信息， 需要在接收端进行信道估计。 在某些环境下，接收端进行信道估计会非常困难，有时甚至根本无法估计。因此， 如何设计不需要信道估计的空时编码显得十分重要。酉空时码( u s t c u 1 1 i t a r y s p a c e - t i m ec o d e ) 和差分空时码( d s t c d i 侬= r e n t i a ls p a c e - t i m ec o d e ) 就是根据这 个要求提出的。酉空时码在形式上类似于空时分组码，是h o c h w a l d 根据前人的理论 构造的一种接收端不需要信道估计的空时编码【1 4 1 。差分空时码的概念最早由t a r o l d l 提出f l s l ，h u 曲铭把酉空时编码的思想推广到多天线信道，提出了差分空时编码【1 6