（通信与信息系统专业论文）认知无线电频谱检测技术研究.pdf

j 煳嬲 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 盥茑 日期：翻q ：6 ：l 垂 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 喜会篓耄：二 导师签名：二至么二型士 适用本授权书。 日1 7 嚣 岩匆 期：丝! ! ：望：f 丛 l，、l-一 ， q 一- 北京邮电大学博士学位论文摘要 m i m o 系统中的线性预编码及相关技术研究 摘要 多媒体业务和移动互联网技术的飞速发展要求无线通信系统具有更 高的传输速率，然而由于无线频谱资源有限，因此下一代无线通信系统 解决的关键问题之一就是如何提高频谱利用率。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 eo u t p u t ，m i m o ) 技术因其具有额外的空间自由度，在不增 加带宽和发射功率的前提下大幅度地提高了无线通信系统的传输效率， 已被列为下一代无线通信系统的必选技术。在采用m i m o 技术的通信系统 中，预编码技术是实现其高性能的关键技术之一。 本论文在华为基金( m i m o o f d m 系统中预编码技术研究) 的支持下，深 入研究了m i m o 系统中的线性预编码及相关技术，对m i m o 广播( b r o a d c a s t c h a n n e l ，b c ) 系统和m i m o 协作系统中的线性预编码及多用户选择技术进 行了积极探讨，以期能够提高整个系统的性能。本文主要工作及创新成 果如下： ( 1 ) 在m i m ob c 系统的线性预编码研究中，由于部分干扰消除预编 码可以比完全干扰消除预编码达到更高的系统容量，本文考虑系统容量 和复杂度的折中，提出了一种低复杂度的部分干扰消除预编码方法，适 用于接收端配置单天线的m i m ob c 系统中，该方法首先在两用户系统 中基于向量模型求解优化的预编码向量，给出功率分配方案，然后将多 用户系统通过简单编码处理转化为多个两用户( 或单用户) 系统进行求解， 所提方法性能接近最小均方误差预编码( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ， m m s e ) ，而复杂度比m m s e 预编码方法更低。 ( 2 ) 为了在多用户选择算法中避免基站获得所有用户信道状态信息 ( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) 造成上行信道反馈开销过大，提出了 m i m ob c 系统中基于块对角化( b l o c kd i a g o n a l i z a t i o n ，b d ) 预编码的多 用户选择新算法。该算法在选择多用户时，每个用户接收基站广播的矩 阵信息，按照给出的矩阵表达式计算其行列式作为自己的信道状态标识 并反馈给发射基站，基站据此挑选性能最好的用户要求其反馈c s i ，由此 j 1 0 j 摘要 减少了反馈用户数。故该算法只需被选择的用户反馈c s i ，减少了反馈大 量信道状态信息的开销，适合实际场景中上行带宽受限的情况，并且算 法复杂度低，所达到的系统容量保持较优。 ( 3 ) 由于m i m ob c 系统中b d 预编码利用信道状态信息并非仅仅消 除用户间干扰，本文从接收用户容量上界最大化出发，提出了基于有限 反馈的m i m ob c 系统中使用b d 预编码的有效量化反馈方法，该方法 在量化反馈中不仅考虑了用于消除用户间干扰的信道方向信息还考虑了 各个子信道的增益，所提方法相比只反馈信道方向信息的方法在不增加 任何计算复杂度的基础上有效提高了系统容量。 ( 4 ) 基于随机矢量量化码本反馈的m i m ob c 系统中，针对已有的用 户信号噪声干扰 ：l ( s i n r ) 估计存在较大误差而制约整个系统性能的问 题，本文提出了有限反馈下采用迫零波束成型( z e r of o r c i n g b e a m f o r m i n g ，z f b f ) 预编码的多用户选择新算法。该方法利用所推导的 上下界，联合估计用户接收到的有用信号功率，得到了一种误差较小的 s i n r 估计式，并基于该式给出了新的多用户选择算法。该算法无论是在 低信噪下比还是在高信噪比下都能选择出有效的调度用户提升系统性 能，且复杂度较低。 ( 5 ) 针对m i m o 协作系统中信道估计存在误差的预编码问题，提出了 一种联合预解码设计方法。该方法以系统误码率最小化为目标，考虑信 道估计误差影响，利用最小均方误差准则联合设计了源节点和中继节点 预编码矩阵。仿真结果表明，所提方法有效降低了信道估计误差对系统 性能的不利影响，性能优于传统方法。 关键词：m i m 0预编码多用户选择有限反馈协作 庸 l 忒 1 l 1 ： 弋 北京邮电大学博士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho nl d 姬a rp r e c o d i n ga n d c o r r e l a t i v et e c h n i q u e so fm i m os y s t e m s a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i as e r v i c ea n dm o b i l ei n t e m e t i t r e q u i r e sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m st oi n c r e a s et h ed a t ar a t ef u r t h e r b u t d u et ol i m i t e dr a d i os p e c t r u mr e s o u r c e o n eo ft h ek e yp r o b l e m st os o l v ei st o i m p r o v es p e c t r u me f f i c i e n c yf o rt h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m 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 i m o ) t e c h n i q u eh a sm o r e f r e e d o mi n s p a c e a n dc a ni n c r e a s et h e s y s t e mc a p a c i t yh i g h l yw i t h o u t o c c u p y i n gm o r eb a n d w i d t ha n dt r a n s m i tp o w e r , s oi tb e c o m e st h em a n d a t o r y t e c h n i q u ef o rt h en e x tg e n e r a t i o nw 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 i n m o s y s t e m s ，p r e c o d i n gt e c h n i q u ei so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e sw h i c hh e l p m o s y s t e m st or e a l i z eh i 曲p e r f o r m a n c e u n d e rt h es u p p o r to fh u a w 苟f o u n d a t i o n ( r e s e a r c ho np r e c o d i n go f m i m o o f d ms y s t e m s ) ，l i n e a rp r e c o d i n ga n dc o r r e l a t i v et e c h n i q u e si nt h e m 【m os y s t e m sa r e i n v e s t i g a t e d i nt h e d i s s e r t a t i o n ，i n v o l v i n gm i m o b r o a d c a s tc h a n n e l ( m i m ob c ) s y s t e m sa n dm i m oc o o p e r a t i v es y s t e m s t h em a i nc o n t f i b u t i o n so ft h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i nt h er e s e a r c ho fp r e c o d i n gt e c h n i q u ei nm n 压ob c ，t h em e t h o d s w i t hp a r t i a li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nh a v em o r ea d v a n t a g eo nt h ei n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o nm e t h o d si nt e r mo f s y s t e mc a p a c i t y c o n s i d e r i n gac o m p r o m i s e b e t w e e np e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t y , an e wl i n e a rp r e c o d i n gm e t h o dw i t h l o wc o m p l e x i t yi sp r o p o s e di nm i m ob cw i t ho n ea n t e n n aa te a c hr e c e i v e r 1 1 1 ep r o p o s e dp r e c o d i n gm e t h o db e l o n g st op a r t i a lc a n c e l l a t i o nm e t h o d s i n i i i - 一：， 北京邮电大学博士学位论文 t w o u s e rs y s t e man o v e lm o d e lb a s e do nv e c t o ri se s t a b l i s h e d ，a n dt h eo p t i m a l p r e c o d i n gv e c t o r sa n dp o w e ra l l o c m i o na r ed e r i v e d a n dt h e ni tt u r n s a m u l t i u s e rs y s t e mi n t oan u m b e ro fi n d e p e n d e n tt w o u s e ro ro n e u s e rs y s t e m s s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dh a st h es i m i l a rc a p a c i t yw i t h m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ( m m s e ) p r e c o d i n gb u ti t sc o m p l e x i t yi sl o w e r t h a nm m s e ( 2 ) i no r d e rt oa v o i dt h ed e f e c tt h a tt h ef e e d b a c ko v e r h c a di st o ol a r g e i nt h eu p l i n kw h e na l lu s e r sc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) i sr e q u i r e db y t h eb a s es t a t i o n ，an e wu s e rs e l e c t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e di n 删ob c s y s t e m sb a s e do nb dp r e c o d i n gm e t h o d i nt h ep r o p o s e da l g o r i t h m ，e v e r y u s e rr e c e i v e st h em a t r i xs e n d i n gb yt h eb a s es t a t i o na n dc a l c u l a t e si t sc h a n n e l s t a t ei n d i c a t o ru s i n gt h er e c e i v e dm a t r i xa c c o r d i n gt ot h ed e s i g nm e t h o d t h e n e v e r yu s e rf e e d sb a c kt h ec h a n n e ls t a t ei n d i c a t o rt ot h eb a s es t a t i o n a n dt h e b a s es t a t i o ns e l e c t st h eb e s to n e sa n da s k st h e mf o rt h e i rc s if e e d b a c kb u tn o t a l lu s e r s s oi tc a nr e d u c eo v e r h e a di nt h eu p l i n kb ya l l o w i n gs o m eu s e r st o f e e db a c kt h e i rc s lw h i l ei ts t i l lm a i n t a i n st h eh i g hs y s t e mp e r f o r m a n c ea n d l o w c o m p l e x i t y ( 3 ) t h ec s i a tt r a n s m i t t e ru s e db yb d p r e c o d i n gm e t h o di sn o to n l yf o r m u l t i u s e ri n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o ni n m ob cs y s t e m s s ob a s e do n r e c e i v e r c a p a c i t yu p p e r b o u n dm a x i m i z i n g ，a ne f f i c i e n tq u a n t i z a t i o na n d f e e d b a c ks c h e m ei sp r o p o s e di n m ob cs y s t e m sw i t h1 i m i t e df e e d b a c k w h i c hu s i n gb d p r e c o d i n gm e t h o d 1 1 1 ei n f o r m a t i o nf e db a c kb yt h ep r o p o s e d s c h e m ei n c l u d e ss u b c h a n n e l g a i n se x c e p t f o rt h ec h a n n e ld i r e c t i o n i n f o r m a t i o nw h i c hi su t i l i z e dt oc a n o e lm u l t i u s e ri n t e r f e r e n c e c o m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a ls c h e m ew h i c ho n l yc o n s i d e r sc h a n n e ld i r e c t i o ni n f o r m a t i o n t h e p r o p o s e dm e t h o di 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 ta n yo t h e r a d d i t i o n a lc o m p l e x i t y ( 4 ) t h ee x i s t i n gu s e rs e l e c t i o na l g o r i t h m sh a v eb i gs i g n a lt oi n t e r f e r e n c e p l u sn o i s er a t i o ( s r n r ) e s t i m a t i o ne r r o ra n di tc o n s t r a i n e st h ec a p a c i t yo f 田m ob cs y s t e mw i t hl i m i t e df e e d b a c kw h e nu s i n gr a n d o mv e c t o r - i v ：， j 北京邮电大学博士学位论文 q u a n t i z a t i o n s oan e wm u l t i u s e rs e l e c t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e df o rm i m o b cs y s t e mb a s e do nz e r of o r c i n gb e a m f o r m i n gw h e nl i m i t e dc h a n n e ls t a t e i n f c i r m a t i o ni sa v a i l a b l ea tt h et r a n s m i t t e r i nt h i sd i s s e r t a t i o nb yc o m b i n i n g t h ed e d u c e du p p e ra n dl o w e rb o u n dt oe s t i m a t et h eu s e r sr e c e i v e ds i g n a l p o w e r , an o v e lu s e r ss i n re s t i m a r i o nm e t h o dw i t hs m a l l e re r r o ri sd e r i v e d a n dan e wc o r r e s p o n d i n gm u l t i u s e rs e l e c t i o na l g o r i t h mi s p r o p o s e d i ti s s h o w e dt h a tb e t t e rp e r f o r m a n c ea n dl o w e rc o m p l e x i t yc a nb ea c h i e v e dw i t h t h ep r o p o s e da l g o r i t h mb o t hi nl o ws n ra n di nh i 曲s n r ( 5 ) aj o i n tp r e c o d i n gd e s i g ni sp r o p o s e df o rt h em i m oc o o p e r a t i v e s y s t e mw h e r ee x i s t sc s ie s t i m a t i o ne r r o r t h ed e s i g ni sf o rm i n i m i z i n gm e a n s q u a r ee r r o ro ft h r e e n o d er e l a ys y s t e mu n d e rt h ee f f e c to fc s ie s t i m a t i o n e r r o r , s ot h ep r e c o d e ra ts o u r c en o d ea n dr e l a yn o d ea r ejo i n t l yd e s i g n e du s i n g 冬 删s ec r i t e r i o n s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mi m p r o v e st h e b a de f f e c tb r o u g h tb yc s ie s t i m a t i o ne r r o ra n di ti sb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a l m e t h o d k e y w o r d s ：m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，p r e c o d i n g ，m u l t i p l eu s e r s s e l e c t i o n ，l i m i t e df e e d b a c k ，c o o p e r a t i o n v ；， 北京邮电大学博士学位论文 v i t j i、，0 北京邮电大学博士学位论文目录 目录 独创性( 或创新性) 声明 摘要i a b s t r a c t 。 第一章绪论1 1 1 背景综述1 1 2m i m o 技术简介2 1 2 1m i m o 系统模型2 1 2 2 接收端已知c s i 发射端未知c s i 的传输方案3 1 2 3 接收端和发射端均已知c s i 的传输方案4 1 2 4 接收端和发射端均未知c s i 的传输方案5 1 3 协作通信技术6 1 4m l m o 系统中线性预编码及相关技术的国内外研究现状。7 1 4 1 单j h j 户m l m o 系统7 1 4 2 多用户m l m 0b c 系统7 1 4 3m l m o 协作通信系统8 1 5 论文的主要研究内容和结构安排9 1 6 参考文献1 0 第二章m i m ob c 系统中线性预编码及多用户选择算法研究1 8 2 1 系统模型2 0 2 2m i m ob c 系统中的线性预编码方法2 1 2 2 1 接收端配置单大线2 2 2 2 2 接收端配置多天线2 4 2 3m i m ob c 系统中的多用户选择算法。2 8 2 3 1 接收端配置单天线2 8 2 3 2 接收端配置多天线2 9 2 4 所提方案3 l 2 4 1 所提的线性预编码方法3 1 2 4 2 所提的多用户选择算法3 5 2 5 仿真结果及分析3 7 2 5 1m i m ob c 系统中的线性预编码方法。3 7 2 5 2m i m ob c 系统中的多用户选择算法3 9 2 5 3 所提线性预编码方法4 0 2 5 4 所提多用户选择算法。4 2 2 6 本章小结4 3 1 -；， 北京邮电大学博士学位论文目录 2 7 参考文献4 3 第三章有限反馈下m i m ob c 系统中线性预编码相关技术研究4 7 3 1 系统模型5 0 3 2 常用的有限反馈码本51 3 3m i m ob c 系统中线性预编码的有限反馈方法5 2 3 3 1 接收端配置单天线5 2 3 3 2 接收端配置多天线5 3 3 4m i m o b c 系统中有限反馈下的多用户选择算法5 5 3 4 1 接收端配置单天线，5 6 3 4 2 接收端配置多天线5 9 3 5 所提有限反馈方案及多用户选择算法6 0 3 5 1 基于容量上界最大化的鼍化反馈方法6 0 3 5 2 基于有限反馈的多用户选择新算法6 3 3 6 仿真结果及分析6 6 3 6 1m i m ob c 中线性预编码的有限反馈方法6 6 3 6 2m i m ob c 中有限反馈下的多用户选择算法。6 9 3 6 3 所提有限反馈方案及多用户选择算法7 l 3 7 本章小结7 4 3 8 参考文献7 5 第四章m i m o 协作通信系统中的线性预编码研究7 8 4 1 系统模型7 9 4 2 单中继节点协作系统8 0 4 2 1 不考虑源：仃点和目的节点间直接传输信道8 1 4 2 2 考虑源节点和目的节点间直接传输信道8 3 4 2 3m i m o 协作j 播系统中的预编码方法8 3 4 3 多中继节点协作系统8 3 4 3 1 中继节点选择方法。8 4 4 3 2 中继节点总功率受限的波束成型方法8 5 4 3 3 单个中继：肖点功率受限的波束成型方法8 6 4 4 所捉具有鲁棒性的联合预编码方法8 6 4 5 仿真结果及分析9 1 4 5 1 单中继节点协作系统9 1 4 5 2 多中继节点协作系统9 3 4 5 3 所提具有鲁棒性的联合预编码方法9 5 4 6 本章小结9 6 4 7 参考文献9 7 第五章总结与展望9 9 产 ；， j 产 7 北京邮电大学博上学位论文 目录 缩略语1 0 1 致谢1 0 4 攻读博士期间发表的学术论文1 0 5 北京邮电大学博士学位论文 符号说明 符号说明 符号类别 变量 矢量 矩阵 矩阵的元素 矩阵或向量的转置 矩阵的共轭转置 矩阵的迹 单位矩阵 对角矩阵 f r o b e n i u s 范数 取x ，y 中较小的数 取x ，y 中较大的数 数学期望 向下取整 ，丫 坑， x 仍 r 日 ， 昭 叫 吒 双 1 利 h h 哟 i 抛嘶叫刚n 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 1 1 背景综述 第一章绪论 无线通信技术在过去的几十年里得到了飞速发展，它主要沿着两条主线，一条是 移动通信，另外一条是宽带无线接入。移动通信发展至今主要经历了三代【l 捌，第一 代( 1 g ) 是以模拟语音业务为主的蜂窝通信系统，第二代( 2 g ) 是数字通信蜂窝通信系 统，逐渐转向支持数据业务，第三代o g ) 移动通信系统则以支持多媒体业务为主要特 征，从以上发展历程可以看出，受到语音业务和数据业务日益增长的推动，移动通信 系统发展的趋势是宽带化，数字化和分组化。与移动通信系统由语音业务发展而来不 同，宽带无线接入技术源于因特网的发展，主要提供i p 业务【l ，目前包括无线个域 网( w p a n ，8 0 2 1 5 ) 、无线局域n ( w l a n ，8 0 2 1 1 ) 、无线城域网( w m a n ，8 0 2 1 6 ) 以及无 线自组织网络( a d h o c ，8 0 2 2 0 ) 等，他们均有各自的应用领域呈并行化发展状态，为了 提高无线网络的能力，相继推出了一系列的增强型标准，体现了明显的“宽带接入移 动化 的趋势。移动通信和宽带无线接入，虽然最初的目标不同，然而受到业务的推 动，两种无线通信技术按照不同的路线均走向了宽带化和移动化的发展方向。 随着移动互联网的兴起，新的应用和业务对无线传输速率提出了更高的要求，传 统的无线通信技术已不能在有限的频谱资源上满足未来移动互联网增长的需求，目前 各个标准组织都投身于新标准的研究与开发【5 - 8 l ，以期提供性能更强的无线通信系统。 其中最受关注的是移动通信组织提出的长期演进及增强技术( l t e k l t e 八l o n gt e r m e v o l u t i o nk l t e a d v a n c e d ) 1 5 1 ，它采用m i m o l 吼1 0 j 及其它相关技术将频谱效率由3 g 的 1 b p s h z 提高到1 0 b p s h z ，其它的无线通信相关标准8 0 2 1 6 1 1 d 2 1 ，8 0 2 1 l g 1 3 】和 8 0 2 1 l n 1 4 】等也都采用了m i m o 等技术作为物理层的传输技术来提高传输效率，由此 可见，为了在有限的频谱资源上提高传输速率，采用m i m o 技术已经势在必行。 未来移动通信系统除了要求更高的传输速率外，还要求大范围网络覆盖等【”j ，直 接将m i m o 技术应用在现有的蜂窝通信系统中仍无法完全解决这些问题。近年来无 线通信研究中出现了协作通信技术1 1 6 】，主要特点是通信终端同时利用自己的天线和伙 伴的天线进行传输，有利于拓展无线通信网络的覆盖领域和减小传输中的中断概率， 而与多天线结合的m i m o 协作技术同时具有m i m o 和协作的双重优势，有望成为解 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 决高速率传输和大范围网络覆盖的关键技术，被列为l t e a 技术规范中的关键传输 技术【1 7 1 。 本章围绕着m i m o 的技术优势，对其中的重要技术进行相关探讨，在1 2 节中概 述了m i m o 技术研究状况，从中可以发现预编码技术是提升m i m o 系统性能的关键 技术之一，而后在1 3 节介绍的协作系统与m i m o 具有相似结构，同样可以利用预编 码技术；1 4 节中对m i m o 系统中的预编码技术研究进行重点分析，最后介绍了m i m o 系统中线性预编码相关技术的研究内容。 1 2 m i m o 技术简介 t e l a t a r l 9 1 和f o s c h i n i 【1 0 j 研究表明m i m o 技术通过在发射端和接收端配置多根传输 天线，达到的频谱效率比以往单天线传输提高了数倍。与传统单天线系统相比，m i m o 系统在传输中具有额外的空间自由度，通过设计有效的传输方案可以实现多天线带来 的分集增益和复用增益【1 8 】，在不增加带宽和发射功率的前提下有效改善了无线通信系 统的性能。自此，m i m o 技术就成为了关注的焦点，相关技术层出不穷。m i m o 技 术中的传输方案根据发射端和接收端获得信道状态信息的不同可以分为以下三类：接 收端已知信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) 但发射端未知c s i 的传输方 案，接收端和发射端均已知c s i 的传输方案以及接收端和发射端均未知c s i 的传输方 案。 1 2 1m i m 0 系统模型 i 1 信道信息反馈 图1 - 1m i m 0 系统框图 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 图1 - 1 给出了一个发射端配置m 根天线和接收端根接收天线的m i m o 系统框 图，该系统包含mxn 个单输入单输出( s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ，s i s o ) 子信道。假 设各个s i s o 子信道经历平坦衰落，第m ( 1 sms m ) 根发射天线和第n ( x s n s n ) 根接 收天线之间的信道表示为。若m 根发射天线上的发射信号分别表示为 一，x 2 ，x u ，那么接收天线的接收信号可以表示为： y = h x + n( 1 1 ) 其中，xz 【而，x 2 ，h r ，y 篁【y 1 ，y 2 ，y r ，n = i n l ，1 2 ，n r 】r 分别表示发射信号矢 量，接收信号矢量和噪声矢量，f t _ e ( n n 日) = g r 2 i ，口2 为噪声功率；n 。表示第k 根接 收天线收到的加性高斯白噪声( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ，a w g n ) 。h 表示整 个信道矩阵，其第n 行m 列的元素为。 1 2 2 接收端已知c s i 发射端未知c s l 的传输方案 传统m i m o 在发射端未知信道状态信息情况下的传输方案根据实现m i m o 增益 不同主要分为三类，一类为实现空间复用增益的贝尔实验室分层空时码( b e l ll a b s l a y e r e ds p a c e t i m e ，b l a s t ) 【1 9 1 ，一类是实现空间分集增益的空时编码 2 0 - 2 2 l 以及混合 两种增益性能1 2 3 彩】的编码技术。 空间复用增益是指收发天线间形成空间多路传输信道，每路传输信道传输不同信 息能够达到极高的信道容量1 2 8 。3 0 】，有效提高了无线通信的频谱利用率。空间复用技术 以b l a s t 为主，包括对角b l a s t ( d b l a s t ) 、垂直b l a s t ( v - b l a s t ) 以及水平 b l a s t ( h b l a s t ) 等。此类技术要求多天线问的信道相互独立，而接收端一般根据自 己获得的信道信息进行相关解码【3 1 。3 6 1 。 不同于提高系统容量的空间复用，空时编码技术则是利用空间多路传输获得空间 分集增益，提高系统的可靠性等。首先提出空时编码的是a l a m o u t i l 2 0 ，他提出了2 发2 收的系统中基于正交化设计的空时分组码( s p a c et i m eb l o c kc o d e ，s t b c ) 1 2 1 1 ，此 后又逐渐出现了基于网格编码思想的空时格码( s p a c et i m et r e l l i sc o d e ，s t r c ) t 2 2 1 ，以 及适合任何天线数配置的空时分组码，空时编码不要求发射端知道信道状态信息，并 且对于m i m o 系统多天线间相关性要求不高，具有很强的实用性。 空间复用和空间分集均是m i m o 技术的特色，然而它们侧重的是通信的两个终极 目标有效性和可靠性。实际系统传输是一个综合过程，除了要求传输效率高外也需要 考虑系统误比特率，因此空间复用和空间分集的结合技术研究，即考虑传输速率和系 北京邮电大学博十学位论文第一章绪论 统误比特性能的折中，也是m i m o 技术的一个研究方向。文献1 2 3 考虑在4 发2 收的 系统中，将发射天线分成两组，每组由2 天线组成分别采用a l a m o u t i 空时码，实现 速率为2 的传输。除此之外还有采用线性疏散码的构造方法【2 牝5 1 。 以上介绍发射端未知c s i 的传输方案主要针对的是单用户系统，而扩展到多用户 m i m o 系统会存在较大的用户间干扰以致不能传送信息，如果要避免多用户间干扰则 需要借助一定的干扰消除技术。 1 2 3 接收端和发射端均已知c si 的传输方案 发射端在获得信道状态信息的情况下，m i m o 系统利用信道状态信息对发送信号 进行预处理【3 7 】，能够提高系统的性能，该方面的主要传输技术是预编码技术【3 8 】。m i m o 系统的预编码技术主要是为了抵抗信道衰落造成的干扰，提高频带利用率，减少多用 户间的干扰以及适应信道传输等。 预编码技术按照设计方法可以分为非线性预编码方法和线性预编码方法。其中， 非线性预编码方法中比较典型的是脏纸编码( d i r t yp a p e rc o d i n g ，d p c ) 3 9 】，矢量扰动 ( v e c t o rp e r t u r b a t i o n ，v p ) 1 4 0 】和t h p 4 3 l 预编码方法等。其中，d p c 预编码可以达到 m i m ob c 系统容量上界i 槔拍】，同时包含着最优的用户编码顺序以及最优的功率分配 策略，然而d p c 预编码的复杂度非常高，只能作为理论容量界，实际中极少应用。 而矢量扰动方案需格点搜寻或球型译码，其高复杂度使得该方案也未能成为研究的热 点1 4 7 删。t h p 预编码方法引入模操作运算，调整发射信号在整个调制星座中的功率 分配，将整个发送信号的幅度控制在一定范围之内，相应地在接收端进行模操作恢复 原始信号，这种预编码方法在处理端引入了处理时延，考虑到通信的实时性，人们更 倾向于复杂度低的线性预编码方法1 4 9 舶l 。线性预编码方法的预处理方式为矩阵运