（通信与信息系统专业论文）mimo系统中基于有限反馈的多用户调度技术.pdf

摘要 摘要 多输入多输出( m i m o ) 技术是第三代和未来移动通信系统在给定的频谱范围 内实现高速率数据传输、提高数据传输质量的重要途径，在实际应用中，m i m o 系统是包含多个用户的，这就提供了可利用的多用户分集，进而取得多用户分集 增益；同时，为了处理复用的多用户之间的干扰，发送端需知道用户端的信道状 态信息，利用该信道状态信息对发射信号进行预处理，这样就构成了闭环的多用 户m i m o 系统。 本文从以上两方面出发，聚焦于闭环的多天线多用户分集系统的研究，由于 发送端要获得完全的信道状态信息在实际中很难实现，所以本文将主要研究基于 有限反馈技术的多天线多用户分集系统，并在现有多用户分集技术的基础上，针 对实际应用情况分析设计多用户调度技术。本文主要工作如下： 1 从容量角度分析了单用户多天线系统的优势。 2 给出了多用户系统上行有限反馈链路模型，并在此基础上，比较分析了现 有针对多输入单输出( m i s o ) 系统的典型多用户波束成形方案，并研究了有限反 馈对系统性能的影响。 3 提出了调度器的设计准则，详细对比分析了多用户多天线系统中多用户分 集技术的应用和性能特点，并针对用户数较大情况时，提出了能有效降低反馈量 的半正交多用户选择方案，分析表明该方法复杂度较低且性能良好。 4 设计了两种调度方案，并将s l n r ( s i g n a lt ol e a k a g e - n o i s er a t i o ) 的概念 用于多用户调度技术中，从系统性能角度与采取传统的s i n r 或者信道幅值方法进 行对比研究，分析结果表明利用适当的调度方法，采取s l n r 作为基站调度用户的 准则能够获得良好的和速率及复杂度性能。 关键词：m i m o 系统，波束成形，多用户调度，s l n r a b s t r a c t a bs t r a c t m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m n v l 0 ) t e c h n i q u ei s a ni m p o r t a n tm e t h o dt o p r o v i d eh i g hs p e e dd a t ar a t et r a n s m i s s i o na n de n h a n c et h eq u a l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o n i nf u t u r ew 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 m o s tr e s e a r c ha b o u tm i m oi sr e l a t e dt o s i n g l eu s e rs y s t e m , h o w e v e r , i nm a n yr e a ls i t u a t i o n s ，t h eb a s es t a t i o nh a st os e r v e m u l t i p l eu s e r ss i m u l t a n e o u s l y i ns u c ha m u l t i u s e rm i m o s y s t e m , t h e r ee x i s t sm u l t i u s e r d i v e r s i t y , w h i c hc a nb eu s e dt oe x p l o i tt h em u l t i u s e rd i v e r s i t yg a i nt oi m p r o v et h ew h o l e s y s t e mp e r f o r m a n c e b e s i d e s ，i no r d e rt oe l i m i n a t et h ec o - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ( c c i ) a m o n gm u l t i p l eu s e r s ，t h et r a n s m i t t e rh a st oe x p l o i tt h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) o fu s e r st op r e - p r o c e e dt h et r a n s m i t t e ds i g n a l o nt h eb a s i so ft h et w oa b o v ea s p e c t s ，o u rr e s e a r c h e sf o c u so nt h ed o s e dl o o p m u l t i a n t e n n am u l t i - u s e rs y s t e m s i n c et h ep e r f e c tc s ii sn o te a s yt og e ta tt h eb a s e s t a t i o n ，w ea l s oa n a l y z et h el i m i t e df e e d b a c kf o rd e s i g n i n gb e a m f o r m i n ga n ds c h e d u l i n g m e t h o d s t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 a n a l y z et h ec a p a c i t yp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n tu s i n gm i m ot e c h n i q u ei n s i n g l eu s e rs y s t e m s 2 d e p i c tt h el i m i t e df e e d b a c ku p l i n km o d e l i nm u l t i - u s e rm i m os y s t e m ， i n t r o d u c ea n dc o m p a r es e v e r a lt y p i c a lb e a m f o r m i n gt e c h n i q u e s ，f u r t h e r m o r e ，a n a l y z e t h ei m p a c to nt h es y s t e mp e r f o r m a n c ei n d u c e db yl i m i t e dr a t ef e e d b a c k 3 s u m m a r i z et h er u l e so fd e s i g n i n gm u l t i - u s e rs c h e d u l e r ，a n dr e s e a r c ht y p i c a l s c h e d u l i n ga l g o r i t h m s p r o p o s eam o d i f i e ds e m i - o r t h o g o n a lu s e rs e l e c t i o n ( s u s ) t e c h n i q u ef o rs y s t e m sw i mal a r g en u m b e ro fu s e r s 4 b a s eo nt h en e w l yd e f i n i t i o no fs i g n a l - l e a k a g ea n dn o i s er a t i o ( s l n r ) ，t h e t h e s i sp r o p o s et w os c h e d u l i n gm e t h o d s ，a n da n a l y z et h es y s t e mp e r f o r m a n c eo ft h e p r o p o s e da l g o r i t h m s ，t h e nc o m p a r et h es u mr a t ea n dc o m p l e x i t yp e r f o r m a n c ew i t h d i f f e r e n tc h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r ( c q i ) k e yw o r d s ：m i m os y s t e m , b e a m f o r m i n g ，s c h e d u l i n g ，s l n r 图目录 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 1 图3 - 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图4 1 图4 2 图4 3 图4 _ 4 图4 5 图4 6 图目录 单用户m i m o 系统框图3 单用户m i m o 系统容量随信噪比变化曲线4 多用户m i m o 系统框图1 1 向量量化示意图一1 2 用户1 在其它用户上的泄漏1 8 系统采用不同预编码方法的和容量随信噪比变化曲线，k = n = 4 。2 0 系统和容量随用户数变化曲线，完全信道信息，n = 4 2 1 多天线多用户分集系统模型2 5 各种多用户分集方案下系统平均容量与用户数的关系图，n = 4 ，m = i ， s n r 子1 0 d b 3 3 不同多用户分集技术的系统容量与信噪比的关系图，完全c s i ，k = 1 6 ，n = 4 ， m = i 3 4 反馈负载比随门限t h r l 的变化曲线，n - - 4 ，m = i 3 8 系统和容量随相关值条件扬力的变化曲线，n = 4 ，m = i 3 9 和容量随信噪比变化曲线，n = 4 ，t h r l = 4 ，t h r 2 = o 4 4 0 算法l 的伪代码描述4 3 算法2 的伪代码描述一4 5 系统和容量随信噪比变化关系图，。惴，m = i ，胎1 6 。4 9 采用不同c q i 方案的系统和容量性能随用户数变化曲线，完全c s i ，n = 4 ， 胙1 ，s n r = 0 ，1 0 ，2 0 5 0 有限反馈下和容量随信噪比变化曲线n = 4 ，m - - 1 ，k = 1 6 5 1 采用自适应比特反馈的系统和容量随信噪比变化曲线，n = 4 ，m = i ，i = 1 6 ， c - - - 0 5 2 v 表目录 表目录 表3 - 1 不同调度技术上行反馈开销3 7 表4 1 算法1 上行反馈开销5 2 表4 2 算法2 的上行反馈开销对比5 3 表4 3 算法2 的计算复杂度5 3 v i 缩略词表 英文缩写 a s b f c c i c d i c q i c s i d p c f l r f s g m 蹦o m i s o n o r m o p p p f s r r s d m s i n r s i s 0 s l n r 帆 s u s t d z f b f 缩略词表 英文全称 a n t e n n as e l e c t i o n b e a m f o r m i n g c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e c h a n n e ld i r e c t i o ni n f o r m a t i o n c h a n n e lq u a l i t yi n d e x c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d i 啊p a p e rc o d i n g f e e d b a c kl o a dr a t i o f r a c t i o n a ls c h e d u l i n gg a i n m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t f r o b e n i u sn o r m o p p o r t u n i s t i c p r o p o r t i o n a lf a i r n e s ss c h e d u l i n g r o u n d r o b i n s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g s i g n a lt oi n t e r f e r e n c e - n o i s er a t i o s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t s i g n a lt ol e a k a g e - n o i s er a t i o s i g n a lt on o i s er a t i o s e m i - o r t h o g o n a lu s e rs e l e c t i o n t r a n s m i td i v e r s i t y z e r o f o r c i n gb e a m f o r m i n g v 中文释义 天线选择 波束成形 共信道干扰 信道方向信息 信道质量指标 信道状态信息 污纸编码 反馈负载比 部分调度增益 多输入多输出 多输入单输出 f 范数 机会主义 比例公平调度 轮询 空间复用 信干噪比 单输入单输出 信泄噪比 信噪比 半正交用户选择 发射分集 迫零波束成形 数学符号表 数学符号 ( ) ( ) 日 ( ) ( ) r l o g ( ) d e t ( ) m a ) 【( ) m i n ( ) 数学符号表 数学描述 矩阵的共轭 矩阵的共轭转置 矩阵的伪逆 矩阵的转置 以2 为底的对数 矩阵的行列式 序列中的最大值 序列中的最小值 返回使代价函数最大的参数 返回使代价函数最小的参数 矩阵a 的逆 由肌栉矩阵构成的复域空间 矩阵的f r o b e n i u s 范数 数量级符号 矩阵的特征向量 矩阵的最大特征值 矩阵a 的第( 毛d 元素 数学期望 实数的绝对值或复数的模 t x t 单位矩阵 从刀个样本中选择后个样本所包含的选 择方法数目 =譬篡掣k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 钾年岁月西日 f 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期： 口? 年f 月万日 第一章引言 1 1 背景介绍 第一章引言弟一早5l 苗 随着i n t e r n e t 和多媒体等高速数据业务在无线通信系统中的广泛应用，下一代 移动通信系统( 即b 3 g 似g 系统) 需要在有限的无线频率资源范围内，提供比现有 的第二代移动通信( 2 g ) 系统和第三代移动通信( 3 g ) 系统更高的传输速率，更 大的覆盖范围，更稳定的性能，并且还要能够满足各种业务的传输要求。为了实 现上述目标，国际上普遍认为b 3 g 4 g 系统应当在1 0 0 m h z 无线频段范围内达到 1 g b p s 的峰值速率，也就是频谱效率高达1 0 g b p s h z ，同时为了达到绿色环保目标， b 3 g 4 g 系统的发射功率还要远低于2 g 和3 g 系统。为了实现下一代无线和移动通信 系统的高速率和大容量传输，需要解决两个关键问题：第一是如何更加有效地利 用极为有限的频谱资源，随着移动通信的飞速发展，频谱资源有限和移动用户急 剧增加的矛盾越来越尖锐，出现了“频率严重短缺”的现象。第二是如何对抗宽 带无线通信环境中存在的各种现象，如电磁波在传播时会产生反射、折射、绕射、 多普勒效应、多径干扰等现象。 g j f o s c h i n i 和m j g a n s 从信息论的角度分析了多天线系统在衰落环境中的 信道容量【l 】，这种采用多个收发天线的系统通常被称为多入多出( 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 ，m i m o ) 系统。研究表明，在散射环境中，m i m o 技术可以充分 发掘空间资源，在不增加带宽和发射功率的情况下成倍提高通信系统的通信容量 和频谱利用率。在瑞利衰落环境中大信噪比时，m i m o 系统的信道容量与收发天线 最小数目成正比。m i m o 技术在提高信道容量方面获得如此大的突破，其原因就在 于该技术将通常不利于无线通信的多径衰落转变为有利因素，充分利用了随机衰 落和可能存在的多径传播从而成倍的提高数据传输速率。 由于m i m o 技术具有的优势，其应用引起了广泛的关注，一直是无线通信技术 领域的一个热门研究课题。相对于s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ( s i s o ) 系统，m i m o 系统还可以包括s i n g l ei n p u tm u l 邱l eo u t p u t ( s i m o ) 系统和m u l t i p l ei n p u ts i n g l e o u t p u t ( s o ) 系统。m i m o 技术涵盖了信道建模、信息论与编码理论、信号处 理算法、天线设计以及固定和移动的蜂窝设计等许多方面的研究内容，目前的研 电子科技大学硕士学位论文 究主要集中在m i m o 系统中的发送分集和空间复用、波束形成、空时编码、信道估 计、自适应编码调制、m i m o o f d m 系统以及多用户m i m o 系统等方面。下面先列 举几项多天线技术的成就： 1 ) 2 0 0 2 年1 0 月，世界上第一颗b l a s t 芯片在朗讯公司贝尔实验室问世，它是 业内第一款结合了贝尔实验室l a y e r e ds p a c et i m e ( b l a s tm i m o ) 技术的芯片， 这一芯片支持最高4 x 4 的天线布局，可处理的最高数据速率达到1 9 2 m b p s 。 2 ) 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 0 w i f i 芯片组，并称其是世界上 第一款集成了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w i 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。 3 ) 多家公司积极倡导在3 g p p 的高速下行分组接入方案( h s d p a ) 中提出了 使用m i m o 天线系统。在其r e l e a s e 6 的协议版本里己经涉及到了多种m i m o 应用 方案【2 】 3 1 。 4 ) i e e e8 0 2 1 1 n 将m i m o 技术列为必要技术，以达到其大于1 0 0 m b p s 的通信速 率需求【4 】。 从上面m i m o 技术的工程成就上可见，多天线技术具有光明的应用前景。为了 让m i m o 发挥更大作用，研究人员对多天线技术的各个方面展开了大量的研究工作 可见，m i m o 技术在目前及未来的无线通信技术中占有十分重要的地位。 1 2 单用户m i m o 单用户m i m o 容量的理论研究己经比较深入，用户m i m o 技术实质上是为系统 提供空间复用增益和空间分集增益，其应用研究也主要围绕这两个方面。空间复 用( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，s d m ) 技术可以大大提高信道容量。典型代表是 b l a s t 系统；而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率，典型代表 是时空码。实际上很多m i m o 技术能够或多或少的同时取得两方面的增益，发现空 间复用和空间分集存在此消彼涨的折中关系【5 】。另一方面，研究发现收发端具有不 同程度的信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) 的假设，将严重影响m i m o 信道的容量【6 1 ，对应的会直接影响到m d 订o 技术的应用策略，因此m o 技术也可 以根据收发机的c s i 多少来分类。此外，在过去的十年里，还有相当的研究工作集 中于通过理论分析或者基于实际测量对m i m o 信道建模，对各种室内、室外不同时 2 第一章引言 空频信道条件下的m i m o 技术进行性能分析，提出各种应用策略。总之，在过去近 十年的时间里，单用户m i m o 的研究方面可谓成果累累。 1 2 1m i m o 系统模型 图1 1 给出了一配置恨发射天线和肼艮接收天线的单用户m i m o 系统的结构 框图，假设收发信机之间的信道是平坦衰落的，表示从第，裉发射天线到第f 根接 收天线的信道衰落系数，$ n - - 1 , 2 。表示从第玎根发射天线发射的信号，) ，概：1 ，2 ，埘和 1 1 2 m = 1 , 2 ，洲分别表示从第研根接收天线接收到的信号和噪声。 图1 1单用户m i m o 系统框图 h 芒兰搿h l h 则m i m o 系统的输入输出关系可以表示为 y = h s + v f 1 1 ) 一 、， 假设发射总功率为尸，接收机的噪声矢量j 的分量均为均值为o ，方差为仃2 的独 立同分布的高斯随机变量。由于每个天线的接收功率等于所有天线的发送总功率， 3 电子科技大学硕士学位论文 因此定义系统信噪比为p = p 盯2 。对于这样一个m i m o 信道，其信道容量由下式 给出： c = t 。g ：d e t ( 1 吖+ 号h h 耳) m 2 ， 其中d e t ) 表示对方阵x 求行列式，k 是肘啪单位矩阵，( - ) 日表示矩阵的共轭 转置。 图1 - 2 给出了不同天线配置的m i i m o 系统统计平均信道容量随信噪比的变化 曲线。 彗 蔷 篓 l s n r ( d b ) 图1 2单用户m i m o 系统容量随信噪比变化曲线 从图1 2 中可以看出，采用m i m o 技术后，系统的信道容量相对于s i s o 系统有 很大的改善，接收信噪比每增力0 3 , m ，s i s o 系统和s i m o 系统的信道容量增加大约 1 b i t s i - i z ，而m i m o 系统的信道容量增加大约n b i t l s h z ( 假设肛非万) 。另一方面， 从图中可以看出无线通信系统要获得相同的信道容量，m i m o 系统所要求的信噪比 比s i s o 系统要低很多。 当发送端精确己知信道矩阵h ，则通过发送端和接收端的联合处理可以将 m i m o 信道分解为多个独立的特征子信道，对这些特征子信道进行基于注水算法的 4 第一苹引言 功率分配【1 】可以最大化信道容量。当天线阵列之间存在空间相关性，即各子信道的 衰落系数存在相关性时，则衰落相关性会通过改变特征子信道能量的统计分布改 变m i m o 信道的平均容量，文献 7 】中的研究表明平均信道容量会随着空间相关性 的增强而降低。与发送端未知信道信息的情况相比，当发射功率较小或信道矩阵 各奇异值差距较大时，在发送端利用信道信息的预处理可以获得更明显的容量增 益。当发射端仅拥有部分信道信息，如仅知道信道矩阵的部分奇异值及对应的右 奇异向量，或仅知道m i m o 信道的衰落相关性信息，则仍可以利用该信息对发信号 进行预编码以提高容量。 1 3 多用户m i m o 系统 多用户m i m o 的研究在近几年才开始逐渐成为研究热点。 如前所述，m i m o 技术开创性的工作始于对m i m o 系统容量的理论分析，这些 工作大多集中在单用户容量分析。然而在实际的通信系统，如卫星通信网络、蜂 窝网络、w l a n 等，都需要同时服务多个用户。本小节将重点讨论多用户m i m o 系统中的研究热点及重点技术的应用。 1 3 1多用户m i m o 系统的研究热点 对单用户m i m o 信道，m i m o 信号处理的好处来源于多个接收点或者多个发射 点的协作处理。而在多用户信道中，通常用户之间无法协作。对上行，基站可以 装备较多天线，可以利用多用户检测方法或者其它方法分开多个同时发送的用户。 而对于下行，基站同时向多个用户发送，由于空间信道先天不具备正交性，多个 用户的信号相互干扰。如何克服或减小用户之间干扰、最大化系统容量成为多用 户系统研究的重点。目前对多用户系统的研究包括多用户容量分析和多用户分集 性能分析等方面。多用户容量分析受限于多变量分析的复杂性，近年来一直进展 缓慢，多用户分集系统跟踪每个用户与基站之间的信道波动，通过把信道分配给 具有最佳信道的用户可以提高系统吞吐量。同单用户m i m o 系统研究相比，多用户 系统存在更多有待解决的问题，其中包括： 1 ) 如何确定m i m o 多用户信道的容量域。文献 8 】研究了高斯信道下的多用户 容量，然而，非高斯信道、时间选择性信道、频率选择性信道、用户使用多天线 以及多小区环境下的多用户容量还有待研究。 5 电子科技大学硕士学位论文 2 ) 部分或非理想信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) 条件下多用 户系统性能。当发射端知道一定的信道状态信息，就可以利用线性或非线性预编 码来提高系统性能。一类是基于线性处理的方法，比如机会主义波束成形【9 】 ( o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n g ) 。另一类是非线性处理方法如污纸编码【l o j ( d 啦 p a p e rc o d i n g ，d p c ) ，c o s t a 证明了一个令人惊讶的结果，在传统加性高斯白噪声 信道中引入一个加性的干扰，只要发射机知道这个干扰，就可以使这种信道达到 的容量与没有干扰的信道容量相同，并且不需要花额外的功率去抵消干扰。非线 性预编码具有较优的性能但其复杂度远高于线性方案，因此线性预编码技术是目 前预编码研究的主流。以上多用户m i m o 信道的处理技术，无论是线性处理的，还 是非线性的d p c ，都假设发射机和接收机完全确知信道信息。如果信道变化极慢 ( 比如室内环境) ，准确的c s i 容易获得，但是当信道变化稍快，这就比较困难了。 系统对于完全c s i 的准确性较敏感。比如信道求逆方法，不准确的或者过时的信道 信息将会导致其它用户依然受到多用户干扰，导致系统性能恶化。发送机只有部 分或非理想信道状态信息时多用户m i m o 系统应该采取什么样的策略，其系统性能 如何，这是值得研究的问题。 3 ) 多用户分集。在多用户系统中由于每个用户的基站间的链路历经独立衰落 过程，所有用户同时历经深衰落的几率很小，这就可以看作是多用户分集的一种 形式。基站通过选择一组最优用户进行通信从而提高系统吞吐量，这样就产生了 多用户分集增益。业界在m i m o 下行传输中提出了许多用户调度技术。轮询调度和 机会主义调度【1 1 】最早用于单天线系统，随后被扩展应用到m 蹦o 系统。轮询调度 ( r o u n d r o b i n ，r r ) 即基站轮流服务每个用户，该算法保证了公共资源的公平性 但没有利用多用户分集。为了得到多用户分集增益，机会主义调度被提出用于选 择具有最优信道质量的用户进行通信使得系统吞吐量达到最大，这种算法忽略了 公平性的考虑，靠近基站的用户有可能会一直占有系统资源。为了寻求吞吐量与 公平性的合理折中，在保持所有用户公平性的同时利用多用户分集，文献 9 】提出 了比例公平调度技术( p r o p o r t i o n a lf a i r n e s ss c h e d u l i n g ，p f s ) ，其基本思想是在 每个时隙选择具有相对最大数据传输速率的用户。总体来讲，如何在可以接受的 运算复杂度下同时调度多个用户、如何在公平性和系统容量之间取得平衡都是多 用户m i m o 系统值得研究的课题。 上述多用户m i m o 系统面临的主要问题中，发送端只有部分信道状态信息及多 用户分集技术也是本文的主要研究内容。 6 第一章引言 1 3 2m i m o 系统多用户分集技术的应用 多天线多用户分集最近也引起了较大的研究兴趣【1 2 】【1 3 】。首先，未来移动通信 系统基站上层的数据传输是基于分组交换的协议，而不是传统的基于电路交换的 协议，每个用户的数据是以一个个分组的形式传输，而且每个分组可以忍受一定 的时延，这为多用户分集的调度器提供了一定的自由度，为多用户分集创造了良 好的应用环境。其次，多用户系统中存在“规模效应”。各个用户独立，在通过 适当的技术能够利用这多个独立的量，即可取得优良的系统性能。 多用户分集技术在实际应用中存在一些问题，尤其本文重点考虑的多天线技 术与多用户分集技术结合，将有更多问题值得研究。问题主要集中于多天线多用 户分集系统中几个必要的环节：多天线的收发信机、基站多用户调度器和系统的 上行反馈链路。 什么样的多天线收发信机适合于多天线多用户分集系统? 传统意义上，无线信道的衰落被视作一种不可靠因素，为了获得可靠的数据 传输，人们想方设法要减小这种衰落，比如广泛应用的发射分集技术。而多用户 分集利用的是利用户彼此独立的随机衰落特性，在快衰落或者丰富散射的信道环 境中，用户信道衰落速率越快、其动态范围越大。基站通过合理调度，多用户系 统获得的增益越显著。当信道呈现慢衰落或者信道衰落动态范围较小时，多用户 分集的增益以及用户之间的公平度将受到限制。有人提出利用随机波束成形技术【1 2 】 ( r a n d o mb e a m f o r m i n g ，r b f ) 将信道改造为快速衰落的信道，使得各个用户的 信道质量出现较大的动态变化，避免用户长期处于信道不佳的环境而失去使用信 道的机会这种技术与发射分集技术的设计思路完全不同，可见，不是所有m i m o 收发结构都适合于多天线多用户分集系统。多天线多用户分集系统可以采用前面 所提到的任何单用户m i m o 的收发方法，也可以利用到前述的多用户m i m o 的技术， 实际系统设计时采用哪种收发结构最优，目前尚无就此问题比较全面的分析和说 明。 另外一个值得研究的问题是在m i m o 无线网络中，为了避免上行反馈信道中过 重的反馈开销，过多的占用系统频带资源，本文不考虑那些需要反馈完全c s i 至u 基 站的技术比如利用d p c 技术的多用户分集，而是主要研究那些用户只需反馈部分 c s i 的技术。在多用户分集系统中，一种简单的有限反馈的形式就是用户反馈其对 等效信道的质量评估数值。从这个意义上，本文讨论的系统将集中在有限反馈的 7 电子科技大学硕士学位论文 下行多天线多用户分集系统。在实际的系统中，选择合适的反馈精度在反馈量与 系统吞吐率性能之间做出折中的选择，也是多用户分集系统中反馈链路这一环节 的重要问题。 多用户的调度是多用户分集系统重要的一环。多用户分集增益本质上是通过 调度取得的。对于蜂窝系统下行s i s o 多用户信道，从信息论的角度，时分多址 ( t d m a ) 方式调度即可取得最大系统容量。但在对m i m o 多用户系统即使对于最大 化系统吞吐率这样的简单要求，由于空间自由度的引入，问题变得比较复杂，s i s o 多用户信道中的结论并不成立。另外，基站同时为多个用户服务，不但需要提高 系统的吞吐率，还要照顾到每个用户，确保用户使用公共资源的一定程度的公平 性，而往往这两个目标是矛盾的，需要发送端做出尽可能好的折中。 以上列出了一系列目前多天线多用户分集系统中有待解决的问题，本文的研 究将围绕这些问题展开。 1 4 本文结构安排 前文引言简述了移动通信技术的发展以及多用户多天线技术的发展，给出了 单用户m i m o 的系统结构及容量分析说明多天线技术的优势，以及多用户m i m o 系 统中存在的热点研究问题阐述。本文将重点研究基于有限反馈的多天线多用户分 集系统的多用户调度技术，基于上述部分内容，下面给出本文的组织结构。 第二章给出多用户m i m o 系统结构，并在此基础上着重讨论多用户m i m o 系统 中的线性预编码技术。通过在系统中划分部分信道资源作为各个用户的上行信道， 将各用户的c s i 部分或者完全地反馈给基站从而构成一个闭环系统，那么基站就能 够根据各个用户的c s i 信息对发射信号进行预处理以分离用户间信号，从而部分或 者完全地消除c c i ，因此能够极大地提高系统性能。现有的多用户预编码技术可以 简单地分为非线性预编码和线性预编码两大类。本章将给出非线性预编码技术 d p c 及线性预编码技术b f 能够达到的容量限；由于最优化s i n r 指标的预编码器还 没有闭合解，目前主要使用次优的迫零预编码技术，这里将介绍讨论基于信泄噪 比s l n r 的预编码技术，给出了闭合解并仿真证明了其容量性能由于z f b f ，且在 完全反馈c s i 时其性能具有随用户数增加而呈线性增长趋势。 第三章主要研究多天线多用户分集系统中的多用户调度技术，并提出了发送 端调度器的设计评判标准，包括系统和容量性能，上行反馈开销及算法复杂度和 8 第一章引言 系统公平性度量，这几个方面将作为本文的研究基础及目的。为了利用多用户分 集，提高系统和容量，基站通过用户反馈的c s i 选择合适的一个或多个用户进行数 据传输，本章分为基站在同一时隙调度一个或多个用户分别进行讨论研究，并推 导调度单个用户情况下的系统容量分析。并从加强系统实用性出发，针对系统用 户数较大的情况，提出一种改进的半正交用户选择方法，该方法可以较显著的降 低反馈开销的同时具有良好的和容量和复杂度性能。 第四章在s l n r 波束成形的基础上，提出两种多用户调度技术，并针对同样的 调度技术，分析研究使用不同信道质量指标( c h a n n e lq u a l i t yi n d e x ，c q i ) 对系统 性能带来的影响，并将s l n r 的概念首次用在多用户分集技术上，对于提出的多用 户调度技术，与c q i 为s i n r 的方式相比，采用s l n r 的方式的计算复杂度不会增加， 且在中低信噪比内有比s i n r 更优的和容量性能。 最后，在第五章，将给出本文的总结。 9 电子科技大学硕士学位论文 第二章多用户m i m o 预编码技术 在多天线多用户系统中，基站同时与多个用户传输数据，为了避免复用的用 户问产生的共信道干扰，通常采用对发射信号作预处理的方法，即预编码来实现。 另外，在传统的m i m o 系统传输方案中，均假定无论在发送端能够获得用户端的理 想信道状态信息，而在实际应用中，用户端可以通过检测估计得知自身的信道状 态信息，但是在用户数较多的情况下，发送端要获得完美的信道状态信息却有极 高的实现难度。在此背景下，本章将讨论采用有限上行反馈的方式，使基站获得 有限的信道状态信息用于传输数据。 本章首先给出多用户m i m o 的系统模型及信道描述，并针对有限反馈的方式， 分析了线性预编码在多用户m i m o 系统中的应用，介绍了信道量化的主要方法，最 后结合计算机仿真比较分析了d p c 、z f b f 及s l n r 的预编码算法对系统性能的影响， 这些都将成为本文研究的基础及出发点。 2 1 系统模型 假设一个单小区多用户m i m o 系统，基站具有 玮艮发射天线，为k 个用户服务， 其中第f 个用户具有尬根接收天线，如图2 1 所示。 图中，s ，例表示用户i 在时隙n 的传输数据，为简化起见，文中将省去时隙疗 的表示。标量符号在与波束成形向量w i 相乘后，即传输向量x c ，可表示为： x - x ：, i = 1 而零。 y lli 其中，假设e ( i l x 2i i ) = p 表示发射总功率。只表示分配在第价用户上的功率， 户i 与发送端未建立通信连接时，p , - = 0 。 1 0 ( 2 - 1 ) 当用 第二章多用户m i m o 预编码技术 w h 足n h 置 忸足w 足1 1 2 图2 一l多用尸m i m o 系统框图 假设传输信号的信道为窄带单径信道，第i 个用户的接收信号y i c 峨1 为 y ，= h ，x + v ，= 万h ，w ，墨+ ：l , k lx - 瓦kh ，w 。& + v ， ( 2 2 ) 其中毛l ，k z 厄h f w k s j ：c 表示多个用户间的共信道干扰( c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ， c c i ) ，发送端与用户i 间的信道h i c 帆可表示为 l 嘭1 d 碍1 柳l h ，- - - i ；。； l ( 2 - 3 ) l 护1 ) 一铲l 其中， p 力表示从第，根发射天线到用户i 的第碾接收天线链路的信道衰落参数， h f 的每个元素均为独立的归一化复高斯变量。c m t 1 ，f = 1 , 2 ，k 为加性高斯噪 声，均值为0 ，方差为l 。 由于本文将主要研究多用户m i s o 系统中基于有限反馈的多用户调度技术，即 6 , = 1 ，= - 1 ，o * o s k ，上述信道矩阵简化为信道向量h c 1 。该信道向量可以看作由 两部分构成：信道范数i i h 0 及信道方向信息( c h a n n e ld i r e c t i o ni n f o r m a t i o n ，c d i ) i 6 i f 。其中，h 表示信道h f 的f r o b e n i 璐范数，j 6 i = h l l h i i 。 本章将不涉及多用户调度技术，为了方便分析，假设k 帆 1 1 电子科技大学硕士学位论文 2 2 有限反馈设计 本章的主要研究是建立在发送端只有部分c s i 的基础上的，而这些不完全c s i 是通过每个用户在上行的反馈链路反馈而得的，基站利用这些反馈的用户信道状 态信息完成预编码及多用户调度。本文将采用的有限反馈方式是用户反馈回量化 的信道方向信息c d i 及信道质量指标c q i 。 2 2 1c d i 反馈模型 在f d d 系统中，反馈法通过从用户终端向基站反馈下行信道信息使基站有足 够信息来进行闭环传输。反馈法可分为信道量化法和信号量化法两种。信道量化 就是用矢量量化法对信道响应进行量化，然后将其通过上行反馈链路反馈回基站； 信号量化法就是对发送信号特性进行量化，然后将其反馈至基站。本文采用一种 普遍的有限反馈c s i 的方法即是量化信道法。如图2 2 所示。 h 了。五令 今丘 图2 2向量量化示惫图 假设用户端己知完美的信道状态信息h ，通过向量量化器，将信道方向信息 i 6 i f = h l l h 0 量化为面。这里量化器的设计是基于码本的，所有可能的码字都包含 在预先设计好的码本中，且发送端和接收端均已知该码本信息，接收端根据估计 的信道状态信息按照一定的性能准则选取码本中某一个码字作为当前的量化后的 信道方向信息，并将其对应的码字编号反馈至基站。第i 个用户的码本表示为 l i = 。，：，) ，l = 2 置 ( 2 4 ) 码本中的每个码字均为归一似维列向量。从码本中选取最优码字的准则包括：最 小化均方误差的绝对值，最大化瞬时系统容量等，本文采用的c d i 量化遵循最小弦 距离准则： 1 2 第二章多用户m i m o 预编码技术 扛a r g m 引a 驯xf i t 弓i ( 2 - 5 ) 其选择过程时在接收端通过搜索整个码本来实现，选择完成后，匠= l 。 本小节将介绍几种主要的码本设计算法作为量化信道设计方法。 2 2 1 1 随机向量量化( r a n d o mv e c t o rq u a n t i z a t i o n ，r v q ) 发送端与接收端具有相同的码本信息f = ( f 1 ，f 2 一，f l ) ，其中码字k ：1 工为归 一化向量，三= 2 日，b 为所需反馈比特数。用户反馈信道状态信息的方式就是通过 反馈曰比特的量化信道编号。