（通信与信息系统专业论文）lte系统中mimo预编码技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 l t e l o n gt e r me v o l u t i o n 项目是3 g 3 r d g e n e r a t i o n 的演进 它改进并增强了 3 g 的空中接入技术 能够带来速率更高 技术更简单的增强型移动宽带体验 l t e 具 有频谱使用灵活 可与现有技术无缝互操作 以及网络部署和管理成本低廉等优势 目前已成为全球主流运营商的共同选择 l t e 采用o f d m 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 正交频分复用 和 m i m o m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t 多输入多输出 作为两项最主要的关键技术 m i m o 技术通过多天线来提供空间分集和复用 能够获得比传统s i s o s i n g l ei n p u t s i n g l eo u t p u t 单输入单输出 系统更高的信道容量 传输可靠性和频谱效率 但m i m o 系统中不可避免地存在多数据流或者多用户间的干扰 需要通过复杂的检测技术来恢 复数据 然而 在蜂窝通信系统的下行传输中 由于受限于移动台的尺寸 功耗等 各种复杂检测技术往往很难实用 另外 在多用户m i m o 系统中 由于各个用户接收 机只能进行分布式处理 因此接收端的联合检测算法不适用 与接收端的m i m o 检测 算法不同 预编码技术是发射机利用信道状态信息调整发射策略 能够有效地抑制 m i m o 信道中的多用户干扰 显著提高信道容量 并能大大简化接收机处理复杂度 因而成为m i m o 下行链路获得复用增益和分集增益的关键 本文主要对l t e 中m i m o 下行链路的预编码以及相关技术进行了研究 l t e 协议 中同时支持基于码本与非码本的预编码技术 对于基于码本的预编码技术 本文主要 讨论了码本的设计和p m i p r e c o d i n gm a t r i xi n d i c a t o r 预编码矩阵指示 的计算 对 于基于非码本的预编码技术 本文主要讨论了几种基于信道分解的预编码算法 包括 s v d s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n 奇异值分解 算法 g m d g e o m e t r i cm e a n d e c o m p o s i t i o n 几何均值分解 算法 u c d u n i f o r l t lc h a n n e ld e c o m p o s i t i o n 统一信道 分解 算法以及l d l h 算法 除此以外 本文还对适用于单用户m i m o 情况下的预编码 技术进行了综述与仿真研究 如z f z e r o f o r c i n g 迫零 预编码算法 m m s e m i n i m u m m e a n s q u a r e e r r o r 最小均方误差 预编码算法等典型的线性预编码算法 和c o s t a 预编码和t h p t o m l i n s o n h a r a s h i m ap r e c o d i n g 预编码等典型的非线性预编 码算法 本文还讨论了多用户m 蹦o 预编码技术 如块对角化预编码算法与最大化信 号泄露噪声比预编码算法 在此基础上还考虑到了非理想信道状态信息的情况 并以 此为背景讨论了适用于单用户m m o 和多用户m i m o 情况下的各种预编码在非理想信 道估计时候的具体性能 关键词 l t e m i m o 预编码 信道分解 单用户 多用户 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t a st h ee v o l u t i o nv e r s i o no ft h i r d g e n e r a t i o n 3 g l o n gt e r me v o l u t i o n l t e p r o j e c ta c h i e v e sa l l e f f e c t i v ea m e l i o r a t i o no nr a d i oi n t e r f a c ea n db r i n g sb r o a d b a n de x p e r i e n c ew i t hh i g h e rd a t ar a t e f o ri t s g o o df l e x i b i l i t yi ns p e c t r u mu s e a b i l i t yo fs e a m l e s s l yc o e x i s t i n gw i t hc u r r e n tt e c h n i q u e s 舔w e l l 舔 l o w c o s ti nn e t w o r kd e p l o y m e n ta n dm a n a g e m e n t l t eh a sb e c o m eac o m m o nc h o i c ef o rt h em a j o r i t yo f t h ew o r l d sm a j o ro p e r a t o r s l t eu s e so 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 a n d m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t m i m o a st h em o s ti m p o r t a n tk e yt e c h n o l o g i e s m i m ou t i l i z e sm u l t i p l ea n t e n n a st op r o v i d es p a t i a l d i v e r s i t ya n dm u l t i p l e x i n gs oa st oo b t a i nh i g h e rc h a n n e lc a p a c i t y t r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t ya n ds p e c t r a l e f f i c i e n c yc o m p a r e dw i 1t r a d i t i o n a ls i s os y s t e m w h i l et h eo r i g i n a ld a t ac a no n l yb er e s t o r e dt h r o u g h c o m p l e xd e t e c t i o nt e c h n i q u e si nm i m os y s t e m sd u et ot h ei n e v i t a b l ei n t e r f e r e n c ee x i s t i n ga m o n g m u l t i p l ed a t as t r e a m so ru s e r s i nt h ed o w n l i n ko fc e l l u l a rs y s t e m s t h el i m i t e ds i z ea n dp o w e rr e s t r i c t st h e c o m p l e x i t yo ft h ed e t e c t o r s m e a n w h i l e i nm u l t i u s e rm i m o m u m i m o s y s t e m s b e c a u s eo n l y d i s t r i b u t e dr e c e i v e rp r o c e s sc a nb es u p p o r t e d t h ej o i n td e t e c t i o na tt h er e c e i v e rs i d ei sn o tf e a s i b l e d i f f e r e n tf r o mt h em i m od e t e c t i o np e r f o r m e da tt h er e c e i v e r p r e c o d i n gt e c h n i q u e su s et h ec h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o nt oa d j u s tt h et r a n s m i s s i o ns t r a t e g ya tt h et r a n s m i t t e rt os u p p r e s st h em u l t i u s e ri n t e r f e r e n c ei n m i m oc h a n n e l i m p r o v et h ec h a n n e lc a p a c i t ya n dr e d u c et h ep r o c e s s i n gc o m p l e x i t yo ft h er e c e i v e r w h i c hm a k e sp r e c o d i n gt e c h n i q u e sb e c o m et h ek e yf a c t o ri na c h i e v i n gm u l t i p l e x i n ga n dd i v e r s i t yg a i n t h et h e s i sm a i n l yd i s c u s s e st h ep r e c o d i n gt e c h n i q u e sa p p l i e di nt h em i m od o w n l i n ko fl t es y s t e m b o t ht h ec o d e b o o k b a s e da n dn o n c o d e b o o k b a s e dp r e c o d i n ga r ec o n c e r n e d f o rt h ec o d e b o o k b a s e d p r e c o d i n g c o d e b o o kd e s i g na n dp m i p r e c o d i n gm a t r i xi n d i c a t o r c a l c u l a t i o na r em a i n l yd i s c u s s e d f o r t h en o n c o d e b o o k b a s e dp r e c o d i n g s o m ec h a n n e l d e c o m p o s i t i o n b a s e dp r e c o d i n ga l g o r i t h m ss u c h 弱 s v d s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n g m d g e o m e t r i cm e a nd e c o m p o s i t i o n u c d u n i f o r mc h a n n e l d e c o m p o s i t i o n a n dl d l hd e c o m p o s i t i o na l g o r i t h m sa r ei n v e s t i g a t e d a n ds i m u l a t e d b e s i d e s t h e a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n s o ft r a d i t i o n a l s i n g l e u s e rm i m op r e c o d i n ga l g o r i t h m s i n c l u d i n gl i n e a r p r e c o d i n ga l g o r i t h m ss u c ha sz ff z e r o f o r c i n g a n dm m s e m i n i m u m m e a n s q u a r e e r r o r a l sw e l la s n o n l i n e a rp r e c o d i n ga l g o r i t h m ss u c h2 l sc o s t ap r e c o d i n ga n dn p t o m l i n s o n h a r a s h i m ap r e c o d i n g a r e p r e s e n t e d i na d d i t i o n t h e m u m i m ot e c h n i q u e s i n v o l v i n g b l o c kd i a g o n a l i z a t i o n b d a n d l e a k a g e b a s e dp r e c o d i n ga l g o r i t h m sa r ed i s c u s s e d e v e n t u a l l y t a k i n gi m p e r f e c tc s ii n t oa c c o u n t t h e t h e s i sd i s c u s s e s t h ep e r f o r m a n c eo fv a r i o u sp r e c o d i n gs c h e m e si nt h ec o n t e x to fb o t hs i n g l e a n d m u l t i u s e rm i m o s y s t e m s k e yw o r d s l t e m i m o p r e c o d i n g c h a n n e ld e c o m p o s i t i o n s i n g l e u s e r m u m i m o 西南交通大学囱南交逋大字 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 不保密醴使用本授权书 请在以上方框内打 v 学位论文作者签名 日期 犯萌 工 6 7 掣1 日期 m 阢7 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 首先针对l t e 中所采用的基于码本与非码本的预编码技术进行了讨论 并对其所 涉及的理论进行了分析 然后对单用户m i m o 条件下所适用的线性与非线性预编码技 术进行了研究 其中线性预编码主要讨论了迫零预编码与最小均方误差预编码 而非 线性预编码则选取了以c o s t a 预编码 t h p t o m l i n s o n h a r a s h i m ap r e c o d i n g 预编码 为代表的脏纸编码 同时 本文对多用户m i m o 条件下的预编码算法也进行了一些讨 论 选取了块对角化预编码算法与最大化信号泄露噪声比预编码算法这两种有代表性 的预编码算法 除此之外 考虑到实际中很难做到完美信道估计的情况 本文对上述 适用于单用户以及多用户m i m o 的预编码技术在非完美信道估计情况下的性能也进行 了一定分析 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 日期 狄萌 知 o 6 气 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 课题研究背景及意义 第1 章绪论 2 0 世纪9 0 年代 第三代移动通信技术 3 r dg e n e r a t i o n 3 g 的出现使得多媒体 服务与应用得到广泛推广 无所不在的宽带无线网络给人们的生活和工作带来了前所 未有的体验 并且摆脱了场地和环境的束缚 然而随着移动通信技术的发展 人们对 移动通信技术的期望越来越高 3 g 在速率 服务质量和无缝传输等方面的局限性也将 日益显露出来 势必需要带宽更宽的无线系统 l 在这种需求的推动下 国际标准化组 织第三代合作伙伴计 蛇l j 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t 即3 g p p 推出了一种比当前 系统传输速率快5 0 倍的新技术 这一新的系统被称作e 3 g e v o l v e d3 g 或l t e l o n g t e r me v o l u t i o n 2 1 作为3 g 技术的演进 l t e 改进并增强了3 g 的空中接入技术 能够带来速率更高 技术更简单的增强型移动宽带体验 l t e 具有频谱使用灵活 可与现有技术无缝互操 作 以及网络部署和管理成本低廉等优势 但是l t e 并非人们普遍误解的4 g 技术 而是3 g 与4 g 技术之间的一个过渡 是 3 9 g 的全球标准 与3 g 相比 l t e 更具技术优势 具体体现在 高数据速率 分组传 送 延迟降低 广域覆盖和向下兼容等方面 以传输速率为例 l t e 通过改进并增强 了3 g 的空中接入技术 在2 0 m h z 频谱带宽下能够提供下行1 0 0 m b i t s 与上行5 0 m b i v s 的峰值速率 能够带来速率更高 技术更简单的增强型移动宽带体验 3 l t e 系统支持以o f d m 与m i m o 技术为核心的无线网络技术 其中o f d m 技术 能够抵抗由无线信道多径时延扩展产生的符号问干扰 同时可以使信道均衡从复杂的 时域处理转换到简单的频域处理 4 j 而m i m o 技术主要的作用有分集和复用 5 分集 是指通过时域 频域 空域提供数据信号的某种副本 接收端利用接收到的信号及其 副本进行解码 可以提高通信的可靠性 复用是指在不增加发射功率和带宽的前提下 将多路信号同时从多个发射天线发射 这样可以成倍的提高频谱利用率1 6 j 但m i m o 系统中不可避免地存在用户间的干扰 一定程度上影响了系统性能 预编码技术是有效地抑制m m o 信道中的多用户干扰的方法之一 实践证明 在 m i m o 系统中采用预编码技术能显著提高信道容量 并能大大简化接收机的算法 因 此成为了当前的研究热点之一 预编码通过利用信道的状态信息 c s i 在发射端调 整发射策略 接收端进行均衡 从而提高m i m o 系统的性能 特别在多用户m i m o 下 行链路中 各个用户之间无法相互协作 不能利用上行链路的联合检测来恢复发射信 号 因此预编码是多用户m i m o 下行链路获得复用增益和分集增益的关键 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 1 2 国内外研究现状 目前主流的预编码技术根据用户个数可归结为单用户预编码技术和多用户预编码 技术 其中单用户预编码技术又可以分为线性预编码与非线性预编码两大类 对于线 性预编码来说 z f z e r o f o r c i n g 迫零 算法和m m s e m i n i m u m m e a n s q u a r e e r r o r 最小均方误差 算法是两个较为著名的算法 而对于非线性预编码来说 c o s t a 提出的 d p c d i r t yp a p e rc o d i n g 脏纸编码 则是一种典型的非线性预编码算法 7 但鉴于 d p c 的复杂性太高 难以用于实际应用 t h p t o m l i n s o n h a r a s h i m ap r e c o d i n g 预编 码被提出作为d p c 的一种改良替代 t h p 是一种基于发送端的非线性去相关干扰抵消 方法 用户所要传递的信息被放置在不同的层上然后依次经过一个非线性的模运算来 消除它们之间的于扰 8 9 随着对更高系统性能的追求 人们开始对多用户场景下的预编码技术展开了广泛 的研究 并提出了一些应用于多用户m i m o 系统的预编码技术 如 块对角化预编码 1o 和最大化信号泄露信噪比预编码等 l 其中块对角化预编码算法能够将多用户 m i m o 系统的下行信道分解为多个平行或正交的单用户m 蹦o 信道 每个用户的信号 首先在发射端用调制矩阵进行预处理 使得干扰被有效地抑制 不同于块对角化预编 码以优化信干噪l 匕 s i g n a l t o i n t e r f e r e n c e p l u s n o i s e r a t i o s i n r 为目标的做法 最大化 信号泄露噪声比预编码以优化信号泄露噪声比 s i g n a l t o 1 e a k a g e a n d n o i s er a t i o s l n r 为目的 它允许用户之间少量的干扰存在 此外 预编码技术也可以分为基于码本的预编码方式和基于非码本的预编码方式 l t e 中同时支持这两种方式 由于大多数预编码方案都需要在发送端已知当前的信道 状态信息 但是因为反馈信道的开销十分昂贵 i 引 人们才提出了基于码本的预编码方 法 基于码本的预编码方法要求发送端和接收端共享同一套码本集合 然后根据具体 的信道状况从一个确定的矩阵集合中选取一个使系统性能最优的矩阵 再将该矩阵在 码本集合中的序号反馈给发送端 这样的预编码方案使得反馈信道所需传输的数据量 较小 通常只有几个比特的大小 大大的节约了成本 而基于非码本的预编码方式比 较常见的有 基于线性接收机的s v d 奇异值分解 算法 基于z f s i c z e r of o r c i n g s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n 迫零串行干扰消除 接收机的g m d 几何均值分 解 算法 1 3 14 1 以及在g m d 基础上改进的u c d 统一信道分解 算法 等 以上这 几种都是基于非码本的预编码算法 这一类算法的基本思想是 在发射端已知信道信 息 理想状态 或通过信道估计得到信道状态信息的情况下 对信道信息矩阵日进行 适当的分解 进而得到相应的发射端预编码矩阵 接收端均衡矩阵和将m i m o 信道变 换成若干个独立子信道的等效信道矩阵 这样的处理方法能够达到简化接收端算法 提高系统性能的目的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 1 3 本文研究的主要内容 本文主要研究l t e 所支持的各种预编码方案 包括基于码本的预编码方案和基于 非码本的预编码方案 同时对这些方案的性能进行了仿真比较 此外 还对基于码本 的预编码方案中的码本设计与p m i 的选择进行了初步讨论 本文还研究了对单用户m i m o 场景下的线性与非线性预编码 其中线性预编码主 要讨论了迫零预编码与最小均方误差预编码 而非线性预编码则选取了以c o s t a 预编 码 t h p t o m l i n s o n h a r a s h i m ap r e c o d i n g 预编码为代表的脏纸编码 同时本文也扩 展研究了多用户m i m o 场景下的预编码技术 块对角化预编码算法和一种以最优化用 户s l n r 为目的的预编码 最大信号泄露噪声比预编码算法 除此之外 也对非理想 信道估计情况下的各种预编码的性能进行了分析 1 4 论文的主要结构 鉴于本文所需论述要点的特点 将本文的章节安排如下 第l 章 绪论 主要介绍课题研究的背景 意义以及国内外研究现状 并对论文 的主要内容与结构安排做了概要介绍 第2 章 l t e 及其下行预编码技术概述 介绍了l t e 的主要技术特征和l t e 所 采用的m i m o 技术 同时也讨论了l t e 所支持的码本与非码本预编码技术 论文中的 后续章节对非码本预编码技术做了进一步讨论 第3 章 基于信道分解的预编码技术 分析并比较了几种常见的基于信道分解的 预编码技术 包括奇异值分解预编码算法 几何均值分解预编码算法 统一信道分解 算法以及l d l h 分解预编码算法 第4 章 单用户m i m o 预编码技术 在这一章中按照线性与非线性预编码技术 分别进行讨论 线性预编码技术主要讨论了迫零和最小均方误差预编码算法 非线性 预编码技术主要讨论了以c o s t a 预编码 t o m l i n s o n h a r a s h i m a 预编码为代表的脏纸编 码技术 同时也针对非完美信道状态情况下的算法性能进行了分析 第5 章 多用户m i m o 预编码技术 叙述了常见的多用户预编码技术 如块对 角化预编码以及最大化信号泄露噪声比预编码算法 也包括在非理想信道状态下的性 能分析 最后对本论文的主要工作进行总结 并对今后的研究工作进行展望 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 第2 章l t e 及其下行预编码技术概述 本章首先对l t e 的发展进行了概述 其中包括了l t e 的技术特征与l t e 所采用的 m i m o 技术 然后介绍了l t e 中下行链路所采用的预编码方案 根据预编码矩阵的获 得位置可以划分为基于码本与非码本的预编码方案 并针对基于码本预编码方案中的 码本设计与p m i 计算进行了初步讨论 2 1l t e 发展概述 l t e l o n gt e r me v o l u t i o n 长期演进 项目是3 g 的演进 又称为e u t r a e v o l v e d u n i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s e u t r a n e v o l v e du n i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s n e t w o r k l t e 通过对空中接口物理层和网络架构等技术进行革新 并采用o f d m 和 m i m o 作为其无线网络演进的唯一标准 来实现更低的延迟 更高的用户数据速率 更大的系统容量 更大的覆盖和更低的成本 2 j l t e 项目提出的起因是在2 0 0 4 年为了应对w i m a x w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v ea c c e s s 对u m t s u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m 技术的挑战 尤其是来自对h s d p a h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s 技术的冲击 3 g p p 希望能够 开发出以o f d m f d m a 和m i m o 为核心技术 并且有能力支持2 0 m h z 频谱带宽的能 够与w i m a x 抗衡的技术 这就是l t e 项目诞生的初衷 l t e 的研究是从2 0 0 4 年1 1 月在加拿大多伦多召开的3 g p p 接入网演进学术讨论会 r a ne v o l u t i o nw o r k s h o p 开 始的 会上3 g p p 明确了需要提出自己的标准 参与宽带无线通讯技术的竞争这一目 标 并阐述了实现目标的一些设想 2 0 0 5 年6 月 3 g p p 完成了对l t e 需求的研究 并形成了需求报告t r 2 5 9 1 3 l t e 的正式工作阶段于2 0 0 6 年9 月 在对其可行性得出 了正面结论的基础上分别于2 0 0 7 年3 月和9 月完成了其第2 阶段和第3 阶段协议 并 于2 0 0 8 年3 月完成了测试规范 2 j 随着2 0 0 9 年5 月爱立信和t e l i a s o n e r a 在瑞典斯德哥尔摩启动了全球首个长期演进 l t e 商用站点的建立 l t e 大规模商用时代即将到来 2 1 1l t e 的技术特征 l t e 着重于提高用户的数据率 增大系统容量和覆盖范围以及降低运营成本等 相比以往的通信技术 l t e 带来的最大提高就是通信速率的大幅度提升 其下行峰值 速率可达10 0 m b p s 上行可达5 0 m b p s 同时在频谱效率上也有了明显的提高 下行链 路为5 b i t s h z 几乎是3 g p p r 6 h s d p a 的3 到4 倍 上行链路为2 5 b i t s h z 是 3 g p p r 6 h s u p a h i g hs p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s 均2 3 倍 1 6 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 l t e 以分组域业务为主要目标 系统在整体架构上将基于分组交换 在l t e 系统 下 q o s q u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 有了可靠的保证 系统设计和严格的q o s 机制 能保证实时业务的服务质量 尽管l t e 提出的初衷是支持2 0 m h z 带宽的高速通信技术 但它也能够支持 1 2 5 m h z 2 0 m h z 间的多种系统带宽 并支持配对和不配对的频谱分配 保证了将来在 系统部署上的灵活性 1 7 l t e 还能有效地降低无线网络时延 l t e 的子帧长度分为o 5 m s 和0 6 7 5 m s 两种 解决了向下兼容的问题并降低了网络时延 同时 l 1 色在小区边界比特速率上也得到 了提高 可在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率 如m b m s m u l t i m e d i ab r o a d c a s tm u l t i c a s ts e r v i c e 多媒体广播和组播业务 在小区边界可提供 l b i t s h z 的数据速率 另外 l t e 也强调向下兼容 支持已有的3 g 系统和非3 g p p 规范系统的协同运作 3 g 和2 g 系统的运营商因此节约了很多更新设备的成本 l 2 1 2l t e 中的m i m o 技术 m i m o 技术的典型特征是在发射端和接收端都采用多个天线 它在不增加带宽的 情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用斟1 8 19 1 假设一个具有n t 发送天线和 n r 接收天线的m i m o 系统 空间传输信道特征为瑞利平坦衰落 系统模型如图2 1 所 示 2 0 图2 1m i m o 系统模型图 相比于s i s o 系统来说m i m o 系统最明显的技术特征就是带来信道容量的大幅度 提高 具有接收机c s i 的n n 独立分布瑞利衰落m i m o 信道的容量是随机信道矩阵 日的奇异值旯i 分布的函数 其如式2 1 所示 2 1 c e 1 0 9 2d e t 九 警册锄 2 1 其中日日表示矩阵日的共轭转置矩阵 在高信噪比时 该容量近似等于 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 y i 虬 l o g s n r b s h z 其中 m j n r a i n n 在低信噪比的时候 该容量可近似等 于n l 0 9 2e b s h z 图2 2 中给出了不同天线数量时独立同分布瑞利衰落模型的容量曲线 2 0 糕 萋1 5 彝 u 喀1 0 斡 删 l 5 0 一一一四发四收 两发两收 单天线 一一 一 一一 t 7 一 一 一一 多 一 oz4681 01 21 41 61 82 0 n r d b 图2 2m i m o 信道容量 从图2 2 申可以看出 在瑞利衰落信道中随着天线数的增加 信道容量也在逐渐 增加 在高信噪比的时候 n x n 的m i m o 信道容量大约是的l 1s i s o 信道的 倍 2 l l t e 系统采用了同一框架的自适应m i m o 传输 可以根据信道条件和实际需要自 适应地在空间分集 空分复用 波束赋形 空间复用和单天线发送各种模式之间转换 从而可以最大限度地利用实际信道的容量 2 2 由于受到终端发送天线和发送功率的限制 l t e 的上行m i m o 技术只支持空分多 址模式 相对于上行较为单一的m i m o 技术 l t e 下行则支持多种m i m o 技术 2 3 如 图2 3 所示 图2 3l t e 支持的下行m i m o 技术 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 1 发射分集 通过使用多个发射天线来为接收机提供同一信号的多个不同版本 来获得分集增益 6 其优点是将使用多个天线所带来的复杂性置于发射端 而接收端在 保持单天线的同时仍然可以获得分集增益 发射分集技术实现了同一发射信号能使多 个移动台获得发射增益 能支持点对多点的发射 因此适合移动通信发展的需要 在 l t e 中发射分集支持两根或四根反射天线以及一个数据流的形式 i 其候选技术有空时 编码 循环延时分集以及天线切换分集技术等 2 空间复用 通过在多个天线上并行发送多个数据流 获得复用增益 空间复 用技术适用于弱相关性信道的情况下 相反如果在高相关性信道下采用空间复用技术 会造成比较严重的数据流与数据流之间的干扰 从而降低系统性能 l t e 中既支持开 环方式的空间复用 也支持闭环方式的空间复用 开环空间复用的应用场景主要是在 反馈基本不太可靠 信道变化太快 的高速移动场景 比较著名的例子是贝尔实验室 分层空时结构 b e l ll a b o r a t o r yl a y e r e ds p a c e t i m e b l a s t 2 4 而线性预编码技术属 于闭环方式的空间复用 根据预编码矩阵的获得位置分为基于码本与基于非码本的预 编码两种操作方式 l 在基于码本的预编码方式中 预编码矩阵在接收端获得 并将计 算出的最优预编码矩阵的码本序号反馈给发送端 而在非码本的预编码方案中 发射 端可以利用t d d t i m ed i v i s i o nd u p l e x 时分双 1 系统的信道对称性 直接反馈信道或 差分反馈等方法获得信道状态信息 然后在发射端计算预编码矩阵 l 3 波束赋形 作为3 g 的智能天线技术的扩展 波束赋形技术适用于小间距的 天线阵 其主要原理是利用空间信道的强相关性及波的干涉原理通过在多个天线阵元 的波干涉 使天线主波束对准期望用户 低增益旁瓣或零陷对准干扰信号 达到充分高效 利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的 且天线数目越多 其主波束越窄 赋形 越精确 2 5 1 由于波束赋形的权值只需匹配信道的慢变化 因此不需要终端的反馈信息 波束赋形不但可以进行单路的数据传输之外 还可以支持多路的数据传输和空分多址 技术 l t e 支持基于专用导频的波束赋形技术 其最大支持4 个公共导频 无法支持在 超过4 根天线单元的天线阵列上使用波束赋形 2 2l t e 中的下行预编码技术 2 2 1l t e 下行预编码技术概述 闭环空间复用是指发射端通过反馈信道得知信道的全部或部分状态信息 然后根 据 定的最优化准则对传输信息进行预编码 波束赋形或者天线选择等操作 从而提 高链路质量 1 1 如果移动台处于低速运动状态 即信道变化比较慢的场景下 则可以采 取闭环空间复用 线性预编码技术是一种闭环方式的空间复用 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 其原理如式2 2 所示 y 月r n h e x n 2 2 其中 h 为真实信道矩阵 f 为预编码矩阵 x 为传递信息 n 为噪声 以为经 过预编码的等效信道矩阵 l t e 中同时采用了o f d m 和m i m o 两种技术 严格意义上说至少存在两种 m i m o o f d m 预编码的架构形式 第一种m i m o o f d m 预编码的架构形式如图2 4 所示 s i s l s 2 s 预编 码矩 阵p y 眈 y 2 9 o y n 图2 4m i m o o f d m 预编码方案一 s ls s 代表了 f 个o f d m 符号 每个o f d m 符号中有q 个子载波 方案一 中所设计的预编码矩阵p 大小为q o n 预编码矩阵p 同时与 f 个o f d m 符号相 乘 然后再经过i f f t 与加循环前缀环节 就可以通过天线发送了 接收到的信号可以表示为 y h p s n 2 3 其中y 为接收到的信号 胛为信号在信道传输时所经历的噪声 但是方案一在子载波数和天线数较大的时候 其复杂度非常高 直接制约了其在 实际中的应用 l t e 中可以支持2 0 4 8 个i f f t 采样点 最大可以是4 那么预编码 矩阵最大就有可能达到8 1 9 2 8 1 9 2 发送端要计算和处理这么庞大的矩阵是很困难的 因此就有了另一种m i m o o f d m 预编码架构形式 第二种m i m o o f d m 预编码的架构形式如图2 5 所示 卫p 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 图2 5m i m 0 0 f d m 预编码方案二 该方案使用了n xn 大小的预编码矩阵 与之一一对应的是每个子载波而不是整 个o f d m 符号 其接收信号可以表示为 y 女 h 女只s 女 z i k 1 q 2 4 其中h d i a g h h 2 h o p d i a g p i p 2 p o 日 与只分别表示第尼个子载 波所经过的信道信息与对应的预编码矩阵 这样尽管每个子载波都会有一个自己所对应的预编码矩阵 但是因为预编码矩阵 最大只是4 4 整体的硬件实现复杂度会大大降低 l t e 中最终也采用了方案二做为 其m i m o o f d m 预编码的形式 二 二 二 二二 上 二 二二 二二二二 二二二 二 二二二二二二上二二 二 爱 薯 j 量要曩 三j i 量爱翻 号一4 1 天线最大似然估计 孓 j 三二 夏二 4 4 天线最大似然估计 弘3 i 垂 垂 至爨 量垂 二 二 二 x 二 二二 二 012345 6 78 91 0 s n r d b 图2 6l t e 下行链路标准下多天线m i m o 仿真 图2 6 参考了l t e 下行链路的一些参数设置 o f d m 符号采用了2 0 4 8 子载波 保 护间隔为1 4 4 具体信道模型参考了文献 2 6 q b 的车辆模型 多径数目为6 采取的接 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 收检测算法为复杂度很高的最大似然检测 可以看到 随着天线数的增加 系统性能 明显提高 该仿真中4 x4 的m i m o 系统比4 x1 的m 肌o 系统大概有5 到8 个d b 的 性能提升 根据预编码矩阵的获得位置可以将预编码操作分为基于码本和基于非码本的预编 码技术 l t e 同时支持这两种预编码形式 下面将分别介绍这两种预编码技术 2 2 2 基于码本的预编码技术 预编码技术一般是要通过反馈在接收端获得完整或部分信道状态信息 但是实际 中由于反馈的开销很大以及带宽的限制 反馈信道每次只能反馈有限个比特的数据 因此如何利用有限的反馈信道资源传递更多有效的信息数据是研究的难点 一般而言 解决这个问题的方法有两种 一种方法将是反馈量化之后的信道状态 信息矩阵给发送端 另外一种是在接收端和发送端都共享一个已知的码本集合 然后 根据具体的信道状况从一个确定的矩阵集合中选取使系统性能最优的一个矩阵 再将 该矩阵在码本集合中的序号反馈给发送端 l t e 中采取的方法是第二种 也就是基于码本的预编码技术 这样反馈信道所需 传输的数据量较小 通常只有几个比特大小 大大节约了资源 图2 7 中分别仿真反馈信道为2 比特 4 比特 6 比特和7 比特的系统性能 同时 以发射端拥有完美信道状态信息时的性能作为参照 具体参数为 2 4 m i m o q p s k 调制方式 所采用的码本矩阵参考文献 2 7 2 8 中构造的码本 其码本中包含的预编码 矩阵数分别为4 1 6 6 4 1 2 8 喜专笃 二 一 一 慧乏 一一 o 3 k 中选择满足厂肚 仃的项 若k k 中选择满足 仃的项 然后在矩阵尺 尸和q 中进行下列互换操作 r k 1 1 只 h 只 q 女hq 3 构建g i v e i l 矩阵冈 分别为g 与g 2 令尺做旋转变换为g f r g q 变换为q g 尸变换为p g 下面简略介绍下当h c 2 圯时 g i v e n 矩阵g 与g 的构造方法 令瓯 疋 c c s s g 2 兰0 c s 4 若k k 1 则停止计算 q 即何就是信道矩阵脚的g m d 分解 否则返回步骤2 用k l 代替k 3 4 统一信道分解 u c d 预编码算法 尽管g m d 算法在高信噪比时的b e r 性能和系统容量都比较理想 但在低信噪比的 情况下由于内在的迫零算法使得b e r 的性能并不理想且会有容量的损失 文献 1 5 所提 出的统一信道分解 u c d 算法能够很好的解决这些问题 与g m d 算法相同的是 u c d 也是将空间信道分解成若干个性能相同的子信道 但结合了注水算法的u c d 算法能够 保证在任何信噪比的时候都没有信道容量损失 且b e r 性能也有所提升 再者 u c d 算法能够将m i m o 信道分解为若干个具有期望容量的子信道 比基于s v d 分解的预编 码方案更加灵活 u c d 的预编码矩阵 可以表示为 f v 0 17 2 q 月 f 3 1 6 其中q c 厶x k 为信道信息矩阵h c m m 的秩 l k 以避免容量损失 且q 是酉矩阵 在给定预编码矩阵f 的前提下 信道的虚拟等效矩阵为 g 月f 娩 17 2 q u 人q 片 f 3 1 7 其中人 1 坨是对角矩阵 可以看至i