（通信与信息系统专业论文）多用户mimoofdma系统下行链路机会波束成形技术研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：下一代无线通信系统对数据速率和频谱效率提出了更高的要求。o f d m 技 术因其可以有效地对抗多径传播所造成的符号间干扰，已成为未来高速无线通信 的关键技术之一：m i m o 技术能够在不增加系统带宽和改变系统功率要求的情况 下增加频谱效率，有效提高系统的数据传输速率和信道容量，受到了极大的重视。 在多用户通信中，o f d m a 系统可以利用多用户分集，进行灵活的信道资源分 配，并且接收机简单，已经被几种现代无线通信系统所采纳；多用户m m o 技术 能够充分利用空间维度的无线资源，作为其线性传输方案之一的机会波束成形技 术能够利用衰落信道的扰动，采用多用户分集调度提升系统吞吐量。 多用户m i m o 技术和o f d m a 技术相结合的多用户m i m o o f d m a 系统解决 方案，在提高无线链路的有效性和可靠性方面具有巨大潜力，是b 3 g 系统的一种 解决方案。将机会波束成形技术应用于该方案的下行链路，对于充分利用空间维 度的无线资源，改善小区边缘的性能，具有重要的意义。 本文研究多用户m i m 0 o f d m a 系统下行链路中的机会波束成形方案，构建 方案模型。针对该系统中调度公平性和反馈开销大的问题，分别设计并仿真实现 调度和反馈算法。工作内容包含以下几个方面。 构建单小区多用户m i m o o f d m a 系统下行链路中的机会波束成形方案，提 出可扩展方案模型。分析出该方案在系统设计的时候需要考虑的3 个问题：充分 利用空间自由度，应对用户数较少情况以及调度和反馈设计思路。该部分为后续 的算法设计和研究扩展奠定基础。 基于上述方案，研究分簇o f d m a 系统中机会波束成形的调度算法。提出一种 基于权重轮询调度算法w 己( w 色i g h t e dr - 0 吼d r o b 岫，较之经典的r r 、p f s 、m c i 算法，采用w r r 调度算法系统可通过改变权重系数来实现不同的调度策略，在保 证系统吞吐量和用户间公平性的同时，满足了不同业务的q o s 要求。在提供多业 务类型接入服务的未来无线通信网络中，w r r 算法具有一定的实用性。 基于上述方案，研究多用户m i m o o f d m a 系统中多波束机会波束成形的反 馈算法。提出基于子载波分簇的6 种反馈算法并通过仿真进行比较和分析，进而 针对反馈量随用户数增长的弊端，提出一种基于门限的反馈算法t b f ( n 啪s h o l d b a l s e df e e d b a c k ) ，该算法的反馈总量随着用户数的增长而趋于一个较小的恒定值， 在实际系统中，具有一定的实用价值。 关键词：无线通信；多用户通信；多输入多输出；正交频分多址；机会波束成形； 调度算法；反馈算法 分类号：1 n 9 2 9 5 3 3 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t n e x t g e n e r a t i o n 谢r e l e s sc 0 1 1 1 【n u l l i c a t i o ns y s t e m sr e q u i r el l i 曲e rd a t a r a t e sa n dl l i 曲e rs p e c 缸赳e f f i c i e n c y o m l 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 ) t e c l l i l o l o g yc 趾e 髓c t i v e l ya g 血s tn e r - s 肿b o li i 廊疵r e n c ec a u s e db y m m t i p a ：t l lp r o p a g a t i o i l ，锄dh 嬲b e c o m eo n eo ft 1 1 e c o r et e c l m o l o 西e si i lt h e 如t u r e h i 曲- s p e e d w i r e l e s sc o m m u i l i c a t i o i l s m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u 印u t ( m i m o ) t e c h n o l o g ) ，c a l le 仃e c t i v e l yi n c r e 邪et l l es p e c 仃l l n le 佑c i e n c y 锄di l n p r o v et l l es y s t e md a t a r a t ea n dc h 锄e lc 印a c 毋诵1n 0n e e df o re 妯阻s y s t e mb a i l d 丽d n lo rc h a l l g eo fs y s t e m p 0 袱i r ，w k c hh a sc a l l s e da 伊e a ta t t e n t i o n h lm u l t i u s e rc o m i m m i c a t i o l l s ，o f d m as y s t e mc 姐c x p l o i tm u h i u s e rd i v e r s i t ) ，t 0 e n a b l eaf l e x i b l e 捌i i or e 印u r c e sa l l o c a t i o n 锄ds i m p l 毋l er e c e i v e r ，w l l i c hh 嬲b e e n a d o p t e di ns e v e r a lm o d e m 丽r e l e s ss y s t e m s ；m u h i - i l s e rm i m ot e c l l i l o l o g yc 孤m l l y e x p l o i tt l l es p a t i a ld i i n e n s i o no fr a m or e s o u i c e s a s o r l eo ft l l el i i l e a r 胁s m i s s i o n s c h e i n e s ，0 p p o 枷s t i cb e 锄f o m m gc 锄m a k eu s eo f t h ed i s t l b 跹c eo ff a d i n gc h 锄e l t oe n l x 如c es y s t e mt l l r o u g h p u tm r o u 曲m u l t i - l l s e rd i v e r s i 够s c h e d u l i i 培 c o i n b i n i n gm u l t i - u s e rm i m o 诚廿lo f d m a ，m u l t i u s c rm i m o o f d m as y s t e mi sa p r o m i s i n gk e ys o l u t i o nf o rb 3 gs y s t e md u et 0i t sp o t e n t i a l st 0i m p r o v et l l ee 丘e c t i v e n e s s 觚dr e l i a b i l 时f o r 谢r e l e s sl i r l l 【s w h e no p p o m l l l i s t i cb e 盟面l i n gt e c l l i l o l o g yi s a p p l i e dt 0t 1 1 ed o w n l i i l l 【o fm u l t i u s e rm i m o 一0 f d m as y s t e m ，n l er e s u l 血gs y s t e mi so f 缈a ts i 嘶f i c a n c ed u et 0i t sp o t e n t i a l st 0 鼬l yu s es p a c i a ld i i i l e l l s i o no f 诵r e l e s s r e s 0 u r c e s ，t 0 讥潍鹤ed a ：t ar a t e sa n dt 0i r n p r o v ec e l le d g ep e d o 粼e 1 1 1 i sd i s s e 咖i o nm 削yi n v e s t i g a t e s ：i i ld e t a i l 吐屺o p p o m l i l i s t i cb e a i n f o m 曲g s c h e m e sm 也em l l l t i l l s e rm i m o o f d m a d o w i d i i l l ( s y s t e m i no r d e rt 0 目瑁r a 玎t e en l e s c h e d u l i n g 筋m e s sa n dr e d u c et l l ef e e d b a c k 锄o u n to ft l l ed o 砌i i l ks y s 钯m ，s c h e d u l i n g 锄df e e d b a c ka l g o 硎m sa r ed e s i 印e d 锄ds i i i 皿a ：t e d t h ew o r ki i l c l u d e st l l ef o l l o 谢n g 越；p e c t s a g e n e r a ls c a l a b l em o d e lf o ras i i l g l ec e l l u l a rm u l t i u s e rm i m o o f d m ad o 砌i i l k o p p o m l i l i s t i cb e a m f o n i l i n gs y s t e mi sf i r s td e v e l o p e d s o m ed e s i 伊c o i l s i d e r a t i o i l sa r e 如r t l l e rp r o p o s e d 协c l u d i n gh o w t 0 缸l l ye x p l o i tt l l ed e g r e e so f 自e e d o m 锄dh o wt oa d a p t t 0t l l es i t u a t i o nw h e r e 廿l e r ea r ef e w e ru s e r s ，弱w e n 觞l es c h e d u l i r 培锄df e e d b a c k d e s i g nc r i t e r i o n t 址sp a r to ft l l ew o f kl a y st l l ef o u n 捌o nf o rs u b s e q u e n ta l g o r i 也m d e s i g n 孤l de x p a i l s i o nr e s e a r c h 北京交通大学硕士学位论文 1 1 1t l l ep r o p o s e d 叫l t i u s e rm i m o - o f d m ad o 州i 1 1 l 【疔锄e w o 咄0 p p o 咖：l i s t i c b e 锄f o n i 妇gi sa p p l i e d t 0c l 戚e r e do f d m a a 筋rs c h e d u l i n gs c h e m ec a l l e d w e i g h t e dr d u i l d r 0 b i l l ( w rr ) i sp r o p o s e d c o r n p a r e dt 0t 1 1 ec l 嬲s i c a l 廿1 r e es c h e d u l i n g a l g o r i 吐皿s 嬲i 己rm c ia n dp f s ，s i r n u l a t i o nr e s u l t ss h o wm a tu s i n gw r rs c h e m e ，吐l e s y s t e mc 趾i n l p l e m e n td i 舵r e ms c h e d u l i i l gs 仃a t e g i e sb yc h a i l g i i l g 血ef 融0 r 、e i g b t s 觚dw r rc 趾s a t i s 矽i l s e r s q o sw b j l eg u a r a n t e e h 培s y 妣mn 哟u g h p u ta n d 缸m e s s t h ep r o p o s e ds c h 锄ei ss u i t a b l ef o r 如：t u r ew i r e l e s sc 0 m m u i l i c a t i o nn 咖r k sw h e r e m u l t i p l e c l a s ss e n r i c e sa c c e s si sp r o v i d e d i i lt l l e p r o p o s e dm u l t i u s e rm i m o o f d m ad o w i l l i n k 触m e 、o 咄m u l t i - b e 锄 0 p p o m l i l i s t i cb e 锄f o n i l i n gi s 印p l i e d s i xl 【i l l d so ff e e d b a c ka l g o r i n l l l i l sa r ep r o p o s e d f - o rc l u s t e r e ds u b c 孤i i e r si i l e t l l o d s i i l c en l ed o w i d i i 】i l 【s y s t e ml l 塔ad i a 七a c kt 1 1 a t 1 e t o t a lf e e d b a c k 锄o u mi n c r e 勰el i i l e a r l y 晰t l lt l l em u n b e ro fu s e r s ，am r e s h o l d - b a l s e d f e e d b a c k ( t b f ) a l g o r i n 瑚i s 觚h e rp r o p o s e d t 1 l i sa j g o r i t h i nc o n s 慨n st l l ea v e r a g e t o t a jf e e d b a c k 锄o u n tb yar e l a t i v e l ys m a l la i l df i x e du p p e r b o u l l d ，w 1 1 i c hi so fp m c t i c a l v d h l e k e y w o r d s ：w i r e l e s sc o m m u i l i c a t i o i l s ；m u l t i - u s e rc o m m l m i c a t i o n s ； m i m o ； o f d m a ；o p p o m l i l i s t i c f o m l i n g ；s c h e d u l i n ga l g o r i m m s ；f e e d b a c ka j g o r i t l l i l l s c i 。a s s n o ：t n 9 2 9 5 3 3 致谢 本论文的工作是在我的导师杨维教授的悉心指导下完成的，杨维教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来杨维 老师对我的关心和指导。 冯锡生教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向冯锡生老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间许昌龙博士对我论文中的研究工作给予了热情 帮助，孙乐、阳振华、余绪梅和郑广宁等同学给了我许多有意义的建议和想法， 在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 绪论 1 绪论 1 1移动通信的发展趋势 移动通信技术自上世纪8 0 年代兴起以来，一直在飞速发展，目前已经经历了 三代发展历程，并朝着第四代迅猛发展，每一代的发展都拥有其独特的技术革新 和业务扩展。第一代通信系统( 1 g ) 主要采用频分多址( f d m a ) 和模拟技术， 由于传输带宽的限制它不能进行移动通信的长途漫游，代表标准有美国及澳大利 亚的a s 、英国的t a c s 以及北欧国家的n m t 。始于9 0 年代初期的第二代移动 通信系统( 2 g ) 主要以采用数字码分多址( c d m a ) 技术的i s 9 5 标准和采用时 分多址( t d m a ) 技术的g s m 标准为代表。此系统全面采用了数字化技术，相比 于l g ，在一定程度上提高了系统容量和频谱效率，在改善语音通信质量的基础上 进一步支持低速率数据业务( 如短信等) ，并具备更佳的保密性能。随着互联网的 普及和光纤技术的发展，峰值速率为1 4 4 k b p s ( i s 9 5 ) 和9 6 k b p s ( g s m ) 的2 g 系统已经不能满足人们对视频和多媒体等高速速率数据日益增长的业务需求，而 2 g 的平滑过渡标准通用分组无线业务( g p r s ) 和g s m 数据率增强型全域演进 ( e d g e ) 由于其峰值速率限制在数百k b p s 的数量级上，仍旧无法满足无线通信 的高数据率需求。 为此，第三代移动通信系统( 3 g ) 应运而生。3 g 能提供各种宽带信息业务， 如高速数据、慢速图像、电视图像等，其设立的目标是在室内、室外和行车的环 境中能够分别支持至少2 m b i t s 、3 8 4 k b i 讹以及1 4 4 k b i 讹的传输速度。1 9 9 9 年1 1 月确立了以w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t i ) 一s c d m a 为主流的5 种3 g 标准。随着信 息社会对无线因特网业务需求的日益增长，2 m b i 佻的最高传输速率己远远不能满 足要求，3 g 系统正逐步采用各种速率增强型技术。三大主流3 g 标准及其增强型 技术统称为i m t - 2 0 0 0 技术，未来新的空中接口技术，即b 3 g 4 g ，叫做 i m t - a d v a i l c e d 技术。国际电联i t u 已经在2 0 0 8 年年初开始公开征集i m t - a d v a i l c e d 标准，并对候选技术和系统做出评估，最终选定相关技术作为4 g 标准。 i m t - a d v a i l c e d 的关键特性包括： 全球通用性：用户终端适合全球使用，具有世界范围内的漫游能力； 支持i m t 业务和固定网络业务的能力； 高质量的移动服务以及友好的应用、服务和设备； 增强的峰值速率以支持新的业务和应用，高移动性下可支持1 0 0 m b i 低，低 北京交通大学硕士学位论文 移动性下支持1 g b i t s 。 面向新一代无线移动通信系统的3 g 演进有3 条路径，如图1 1 所示【1 1 。一是 基于3 g p p 的技术路线，即从第二代的g s m 、2 5 代的g p r s 到第三代的w c d m a 、 第三代增强型的h s d h s u p a ，以及l t e ( l o n gt e m le v o l u t i o n ) 发展路线，最 后演进到i m t a d v a l l c e d 。二是基于3 g p p 2 的技术路线，即从第二代的c d m a 2 0 0 0 到2 7 5 代的c d m a 2 0 0 01 x ，再到第三代的c d m a 2 0 0 0l xe v - d o e v d v ，以及长 期演进的u m b ( u l 缸am o b i l eb r o a d - b 锄d ) 升级版本，最后演进到i m t - a d v a i l c e d 。 三是基于w i 的技术路线，是宽带无线接入技术向着高移动性、高服务质量 方面演进的结果。l t e 、u m b 和移动w i 虽然各有差别，但是它们的共同之 处就在于3 个系统都采用o f d m 和m i m o 技术以提供更高的频谱利用率。 s 卿i g s m h 恶淼h h s 队 3 g 眦l 竺竺h 鲎h ! 兰显盏h ! 竺 w t m a xr 石磊 ，r 五磊，厂i 赢 图l 一13 g 的演进路线 f i g u r el - lp a l h s0 f 3 ge v o l u t i o n 早在2 0 世纪末，朗讯贝尔实验室、北电等公司就已经开始了实用m i m o 技术 的研发。令业界振奋的是日本n t td o c o m o 电信公司对于o f d m 门订i m o 技术研 发的不断创新和超越。该公司2 0 0 3 年5 月在外场实时传输实验中采用o f d m 技术， 在1 0 0 m h z 带宽中实现了l o o m b p s 数据率，并在其后通过m i m o 技术不断打破其 创造的“峰值速率世界记录，分别于2 0 0 5 年5 月、2 0 0 5 年1 2 月和2 0 0 6 年1 2 月在外场实时传输实验中实现了l g b p s ( 4 发4 收) 、2 5 g b p s ( 6 发6 收) 和5 g b p s ( 1 2 发1 2 收) 数据率，并于2 0 1 0 年3 月成功开发出了基于现场可编程门阵列 ( f p g a ) 的8 发8 收m n “o o f d m a 系统实时传输的实验平台。该平台是针对最 多8 根天线的t d l 1 卫a d v a n c e d ( 我国继t d s c d m a 之后提出的具有自主知识产 权的新一代移动通信技术) 系统研究的第一步，使用5 m h z 频率带宽和1 6 q 蝴方 式，在实验室试验成功是传输速率达到约8 0 m b p s 。在接收端方面，该系统使用了 自主开发的基于正交分组编码技术的，接近最优性能的检测算法。n ，丌d o c o m o 电信公司向世界验证了m i m o o f d m a 系统的硬件可实现性，展示了m i m o 和 o f d m 技术在提供大宽带传输和高峰值速率方面的惊人能力，为业界采用 m i m o o f d m 技术树立了信心【2 】，同时也激发了本文对多用户m i m o o f d m a 系 统的研究。 2 绪论 1 2移动通信的关键技术 1 2 1o f d m 技术概述 ( 1 ) o f d m 技术 o f d m ( o m l 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 ，正交频分复用) 是一种 特殊的多载波传输方案，既是一种调制技术，又是一种复用技术【3 】。与传统的频分 复用技术不同的是，o f d m 的多个子载波是相互重叠且正交的，如图1 2 所示。 由此，o f d m 将信道分成若干正交子信道，高速数据流转换成并行的低速子数据 流，调制到在每个子信道上进行传输。 图1 2 0 f d m 信号频谱 f i g u r e1 2o f d ms i 印a js p e 咖m o f d m 思想早在2 0 世纪6 0 年代就已经提出，第一个实际应用是军用的无线 高频通信链路。由于使用模拟滤波器实现起来的系统复杂度较高，o f d m 的发展 脚步放缓。7 0 年代，w e i i l s t e i n 和e b e r t 提出基于离散傅立叶变换( d f t ，d i s c r e t e f o 面e rt r a n s f o m ) 实现多载波调制【4 1 ，为o f d m 的实用化奠定了理论基础。8 0 年 代，h 的s a b l 5 j 提出基于快速傅里叶变换( f f t ，f a s tf o u r i e rt r a i l s f o m ) 的o f d m 实现，使其获得了与单载波系统可比拟的复杂度和译码。同期，l j c i r i 血l i 将o f d m 在移动通信中应用存在的问题和解决方法。近十年来，大规模集成电路技术高速 发展，高速大点数f f t 芯片的实现已经不难，o f d m 在移动通信中的应用得到了 迅猛的发展。如图1 3 为o f d m 系统收发端的典型框图。图中的上半部分是发射 机的框图，下半部分为接收机的框图，由于f f t 操作类似于i f f t ，因此发射机和 接收机可以使用同一硬件设备。 3 北京交通大学硕士学位论文 溅一囊嘉h 紊m 翮书糯 刮蔓差h 蓁h 鏊蔼h 蔓耋h 錾 图1 3o f d m 系统收发机结构图 f i g u 佗l 3f 瑚l ec h a n0 fo f d ms y s t e l i l st 协s c e i v e r 兰竺兰兰r 两臀 与传统的单载波调制系统相比较而言，o f d m 具有大量优点，从而成为在未 来无线通信网络中可以替代c d m a 的技术，以下列出o f d m 系统的主要优势【6 】f 7 1 。 频谱利用率高。o f d m 采用正交的子载波作为子信道，允许子信道的频谱 相互重叠而不需要保护频带，因而可以最大限度地利用频谱资源。子载波个数越 多，系统的频谱利用率越高。 有效对抗多径衰落和窄带干扰。o f d m 系统通过对高速数据流进行串并变 换，使得每个子载波上的数据符合持续长度相对增加，有效地减少由于多径效应 造成的时间弥散所带来的符号间干扰( i s i ，i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。每个子载 波上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子载波仅仅经历平坦性衰落。窄 带干扰只能影响部分子载波，系统可以通过编码交织等手段弥补性能损失。 系统实现简单。在o f d m 中应用f f t 和i f f t 减小了调制解调器的复杂度， 特别是接收机的复杂度。由于每个子载波的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分， 信道均衡变得相对容易。 频率分集。o f d m 具有天生的频率分集特性，对衰落独立的子载波进行编 码就可以实现频率分集，这一编码问题与时间分集的编码问题相同。 易于和其他现有的多种接入方式结合使用。将o f d m 与f d m a 相结合使用， 用不同的子载波集区分用户；将o f d m 与c d m a 相结合，构成多载波码分多址 ( m c c d m a ) ，将原始信号使用用户特定的扩频码在频域扩频；将o f d m 与 f d m a 、t d m a 相结合使用，用不同的时频网格区分用户，也就是后文将要说的 o f d m a 。 4 丽黼 嚣霉圆圈 q h 孺一 播 绪论 由于o f d m 系统内存在多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子信道的 叠加，因此与单载波系统相比，存在如下缺点： 对频偏比较敏感。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性 提出了严格的要求。由于无线信道的时变性，在传输过程中出现无线信号的频谱 偏移，或发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使o f d m 系统子 载波之间的正交性遭到破坏，导致子信道的信号相互干扰( i c i ，i n t e r - c 撕e r i m e r f e r e n c e ) ，这种对频率偏差的敏感是o f d m 系统的主要缺点之一。 存在较高的峰值平均功率比。多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加， 因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信 号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比( p a p r ，p e a k - t 0 a v e r a g ep o w e r 胁i o ) 。这就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求。 ( 2 ) o f d m a 系统 o f d m a ( o r t l l o g o l l 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 ，正交频分多址) 是 一种基于o f d m 的多址接入技术，它将频率选择性信道转换成一系列经历平坦衰 落的子信道，子信道是o f d m 子载波的任意组合，将这些子信道分配给不同的用 户使用。经典的多址接入方案如) m a 、f d m a 和c d m a ，分别用时间、频率和 码字来划分信道。对o f d m 系统应用这三种接入方式，得到三种不同类型的系统： 0 f d m t d m a ，o f d m f d m a 和o f d m c d m a ( m c c d m a 或者多载波 d s c d m a ) ，而o f d m a 系统可被视为o f d m 调制方式和f d m a 、t d m a 相结 合的产物。图1 - 4 给出了o f d m f d m a 、o f d m t d m a 和o f d m a 的区别。 o f d m a 允许不同用户在同一时隙中使用不同的子信道，并且在不同的时隙间 可以变化。下面列出了o f d m a 系统的几大优势【6 】。 信道资源分配灵活。在o f d m f d m a 系统中，用户固定地占用几个连续 的子载波，不随时间改变，不能适应信道的实时变化。在0 f d m t d m a 系统中， 用户在一个时隙中使用一个较小数量的o f d m 符号，多个用户通过t d m a 共享无 线信道。这种方案有两个明显的缺陷。首先，用户每一次使用信道时，它必须占 用全部的带宽，导致很高的峰值功率并因此形成较低的射频效率。第二，当共享 的用户非常多时，t d m a 接入时延将很长。o f d m a 利用i f f 聊f t 使得用户在基 带可以对多个子载波任意地结合，在时域和频率均支持多址。因此，o f d m a 系统 能够以更小的时延支持更多的用户，保证了更好的数据速率，这对具有不同q o s 需求的多媒体应用极为重要。 接收机简单。o f d m a 减少了小区内干扰，易于解码，不需要使用类似 c d m a 系统的多用户接收机。在m c c d m a 中，即使码字被设计成正交的，用户 的信号只能通过联合检测，因为频率选择性信道破坏了码的正交性。o f d m a 是一 5 北京交通人学硕1 j 学位论文 种对系统的不理想性不敏感的多址方案峭j 。由于这些本质的特征，o f d m a 已经被 几种现代无线通信系统所采纳。 多用户分集。0 f d m a 允许不同的用户使用宽带频率的不同部分，通过资源分 配利用多用户分集。如果所有子载波上都选择信道质量好的用户使用，系统吞吐 量就会获得提升。 口用户1 用户2_ 用户3 频率 频率t o f d m f d m a 时i 口j o f d m t d m a 0 f d m a 图1 - 40 f d m f d m a 、o f d m t d m a ；f i jo f d m a 系统的比较 f i g u r el - 4c o m p 撕s o no fo f d m f d m a ，o f d m t d m aa n do f d m as y s t e m 绪论 1 2 2m i m o 技术概述 ( 1 ) 多天线技术 多天线技术就是在移动通信系统中可以在接收端使用多天线或者在发射端使 用多天线，也可以在接收端和发射端同时使用多天线的技术。根据收发两端天线 数量，可以分为普通的单输入单输出( s i i 堪e i n p u ts i n g l e o u t p m ，s i s o ) 系统和 多输入多输出( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o 咖u t ，m i m o ) 系统。m n 讧o 还可以包括 单输入多输出( s i n g l e 邱u tm u l t i p l e o u t p u t ，s 蹦o ) 系统和多输入单输出 【m u h i p l e i 】叩u ts i n 9 1 e o u 印u t ，m i s o ) 系统。多天线系统可以在不增加频谱资 源或者发射功率的情况下，提高系统的容量和系统覆盖范围，同时可以提高业务 质量，提高用户信息传输速率。在无线频谱资源非常匮乏和昂贵的情况下，用户 对数据速率要求越来越高，m 蹦0 的这些优点无疑是非常吸引入的，因此m i m o 成为下一代无线移动通信的关键技术之一。 图1 5 给出了一个点对点m i m o 系统的下行链路示意图，其中，发射天线有 m 个，接收天线有n 个。m 蹦o 系统将一个单数据符号流通过一定的映射方式( 图 中的兀完成数据处理功能，比如调制、编码等) 生成多个数据符号流，相应的接 收端通过反变换( 图中的n _ 1 完成数据处理功能，解调、译码等) 恢复出原始的单 数据符号流。 比 特 符 n 号 比 特 n 一1 符 号 图1 5m i m o 系统不意图 f i g u 陀l - 5d i a g 跚mo f m i m os y s t e m ( 2 ) 多天线技术的优点 系统获益于m 玎垤o 技术主要体现在以下三个方面。 空间分集。分集来源于多个( 在时间、频率或者空间上) 独立的衰落路径。 在发射端或者接收端安装多个天线就可以实现空间分集，因其不会占有宝贵的时 间和频率资源，空间分集较之时间分集和频率分集更有优势。m i s o 系统可实现发 射分集，s i m o 系统可实现接收分集，m i m o 系统则可以提供更多的分集。分集增 益可用来提高信号传输的可靠性，从而改善接收信号的信噪比。这里包括空时编 码、循环延时分集、天线切换分集以及接收机合并分集等技术。 波束成形( 阵列增益) 。波束成形是一种应用于小间距天线阵列多天线传 输技术，主要原理是利用空间信道的强相关性，利用波的干涉原理产生强方向性 7 北京交通大学硕士学位论文 的辐射方向图，使得辐射方向图的主瓣自适应地指向用户来波方向，从而提高信 噪比，提高系统容量或者覆盖范卧2 。 空间复用。在丰富的散射环境中，m i m 0 系统可以在空间建立几个独立的 并行传输数据通道，数据可在这些通道中同时传输，从而带来了容量的增加，可 实现的最大容量跟m i i l ( m ，n ) 成正比。空间复用是m i m o 信道所独有的特性，不过 空间复用增益依赖于m i m o 衰落信道条件，只有在富散射条件下，接收才能充分 分离不同的信号，以使得容量得以线性增长。 m i m o 技术作为未来一代宽带无线通信系统的框架技术，是实现充分利用空 间资源以提高频谱利用率的一个必然途径，基于m i m o 的无线通信理论和传输技 术显示了巨大的潜力和发展前景。 ( 3 ) 多用户m i m o 系统 近来，国内外的研究者逐渐将注意力转移到了多用户m i m o 系统。在点对点 ( 单用户) m i m o 系统中，多个天线提供的额外自由度用来扩展信号处理和检测 的维度，主要是增强了物理层性能。如果将多个天线用于允许不同的用户通过不 同的空间共享信道的话，这就是多用户m i m o 的观点。广义的多用户m i m o 系统 是指在同一时间、同一频率上存在多条m i m o 链路的系统。在单蜂窝无线通信系 统中，多用户m i m o 系统可以分为：多用户m i m o 下行链路( 单点对多点) 和多 用户m i m o 上行链路( 多点对单点) 。本论文重点研究多用户m i m o 下行链路。 多用户m i m o 通信系统下行链路如图1 6 所示。 z 图1 - 6 多用户m i m o 无线通信系统f 行链路 f i g u r e1 - 6m u l t i u s e rm i m o w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nd o w n l i n ks y s t e m 图中，多个用户在空间上相互分离，如果衰落是各自独立的，那么就提供了 多用户分集。多用户m i m o 下行链路的关键问题是为这些空间上分离的用户设计 合理的预编码器和调度以最大程度利用多用户分集。发送端的预编码主要有两种 类型：线性和非线性，据此将多用户m i m o 下行链路中传输技术分为非线性传输 8 绪论 技术和线性传输技术。 多用户m 蹦o 下行链路的非线性传输技术。 非线性传输技术需要在不同用户的信息符号矢量之间进行某种非线性预处 理。一般来说，基于此类技术的传输方案都是以最大化和速率为目标。目前研究 最多的有三类非线性传输技术：d p c ( d i 啊p a p e rc o d i i l g ，脏纸编码) ，n p ( t o m l i i l s o n - h 卸醛l l i m ap r e c o d i i l g ，汤姆林森哈拉希玛预编码) 【9 】【1 0 】和基于矢量扰 动的方案【l 。 d p c 是最典型的非线性预编码，能获得m i m 0 广播信道( b c ) 的和容量。最 优的d p c 传输方案不但需要最优发射预编码器的线性处理，还需要对不同用户的 信息符号矢量进行d p c 以提前消除下行信道中的部分干扰。最优发射预编码器的 计算往往具有较高的复杂度。c a ng 和s h 锄a is 针对多用户m i s o 下行链路提出 了一种次优的、复杂度低的d p c 传输方案迫零d p c ( z f d p c ) 【1 2 】。该方案的发 射预编码器通过q r 分解来获得，复杂度较低。在下行复合信道矩阵行满秩的情况 下，z f d p c 的和速率能渐进地获得m i s ob c 的和容量。 ，n p 采用类似于z f d p c 的方法( q r 分解) 来设计发射预编码器，同时对每 个发射符号采用独立的取模运算来达到提前消除用户间干扰并避免发射功率超过 上限值，等效于d p c 的原理。这类t 肿可以视为z f d p c 的一种近似的实现形式。 基于矢量扰动的方案直接采用传统的m m s e 发射波束成形器，总的信息符号 矢量经过波束成形器处理后会发生畸变且功率被放大，为减小发射功率需要将发 射符号矢量与k 维复栅格中的某一个扰动矢量迭加以后再输入到波束成形器。在 接收端，各用户只需要再经过简单的模运算就能得到期望的接收符号。 t h p 和基于矢量扰动的方案都是通过取模运算来实现d p c 原理，性能上略差 于最优的d p c 方案，但复杂度更低，可行性更高。 多用户m i m 0 下行链路的线性传输方案。 线性传输技术不需要在各用户信息符合矢量之间进行类似于d p c 或模运算 的非线性操作，而只是与各自的发射预编码器相乘( 线性变换) 后相互叠加，再 从发射天线发射出去，接收端也仅仅是利用线性接收处理器对接收信号进行线性 处理。虽然基于此类技术的传输方案在和速率性能上普遍低于非线性传输方案， 但它们的复杂度较低，发射接收模块处理与信息符号无关，而且能根据不同的系 统优化准则灵活设计。 常用的线性传输方案包括基于信道求逆的迫零波束成形( z e r 0 f o r c i i l g b e a i n f o m i n g ，z f b f ) 、基于最小均方误差的m m s e 发射波束成形【u 】、基于预编码 矢量码本的随机波束成形( m d o mb e 锄f 0 肌i n g ，r b f ) 【1 3 】以及基于机会通信的机 会波束成形( o p p o m l i l i s t i cb e 锄f o m i n g ，o b f ) 【1 4 j 。z f b f 通过对所选用户组信道 9 北京交通大学硕士学位论文 矩阵的求逆得到各个用户的波束成形矢量，虽然可以完全消除用户间的干扰，但 是每个用户的平均接收s n r 却很低，和速率性能和误码率性能都比较差。m m s e 发射波束成形方案通过最小化系统的均方误差来优化波束成形矢量，显著地提高 了和速率和b e r 性能。在r b f 中，基站和用户都具有一个共同的，随机产生的波 束成形矢量码本。用户从码本中选择一个跟信道最匹配的码字，将其索引号和s n r 反馈给基站。基站选择阶限最大的用户作为活动用户，用户的接收最大比合并矢 量就是最优波束成形矢量与信道矩阵相乘的归一化矢量。0 b f 是一种机会通信技 术，采用多根天线增加信道中的扰动，根据用户的信道是否处于其峰值附近，来 安排用户的发射顺序。下一小节简要介绍o b f 技术。 1 2 3机会波束成形概述 无线信道的一个本质特性就是信道的衰落特性，在传统“点对点 无线通信 系统的设计中，信道衰落是不稳定性的根源，为了使信道尽可能恒定，接近加性 高斯白噪声( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a l ln o i ，a w g n ) 信道，保证对时延要求严格 的语音通信的通信质量，信道衰落必须被消除，因而采取大量的分集技术，包括 时间分集、频率分集以及干扰平均技术。 信息论分析结果表明，如果发射端和接收端均知道信道状态信息( c s i ) ，利 用时域上的注水策略，即信道较好时刻分配较多功率，信道较差时分配较少功率 甚至不分配功率，可提高衰落信道的容量，但是只有在低信噪比条件下，衰落信 道容量才高于a w g n 信道容量。但是在多用户的范畴下，衰落导致的随机性是可 以被利用的，并通过调度信道质量处于其峰值附近的用户