單用戶和多用戶有限反饋系統(tǒng)中波束形成技術(shù)研究.pdf

1、無線通信技術(shù)和無線接入技術(shù)的快速發(fā)展,對(duì)先進(jìn)傳輸技術(shù)提出了越來越高的要求,如何提高系統(tǒng)頻譜效率和鏈路容量已成為無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。MIMO(Multipie Input Multipie Output)技術(shù)的使用已成為無線通信系統(tǒng)中一個(gè)最顯著的特點(diǎn),它能在不增加帶寬與功率的情況下成倍地提高無線通信系統(tǒng)的容量和頻譜效率。波束形成(Beamforming,BF)則是MIMO的一種關(guān)鍵技術(shù),它即使在有限反饋條件下,仍可以獲得逼

2、近MIMO系統(tǒng)需要精確信道狀態(tài)信息(Channel State Infromation,CSI)時(shí)才能達(dá)到的容量,使系統(tǒng)有效性與可靠性都得到顯著地提高,可以滿足第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)所要求的高頻譜效率和系統(tǒng)容量的要求。
　　 本文主要研究了單用戶和多用戶有限反饋系統(tǒng)中的波束形成技術(shù)。首先回顧了無線通信的基本知識(shí):多徑衰落和典型的無線信道模型、MIMO系統(tǒng)介紹、多用戶分集技術(shù)和MIMO系統(tǒng)中的波束形成技術(shù)、以及單用戶和多用戶有限反饋系

3、統(tǒng)中的用戶調(diào)度算法:接下兩章主要研究了單用戶有限系統(tǒng)中的波束形成技術(shù)和多用戶有限反饋系統(tǒng)中的波束形成技術(shù),并提出了幾種有效的波束形成算法和方案。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于:
　　 (1)、針對(duì)隨機(jī)波束形成(Random Beamforming,RBF)在少用戶場(chǎng)景下系統(tǒng)性能下降和特征波束形成(Eigen Beamforming,EBF)在多用戶下需要大量反饋信息的問題,提出基于環(huán)境感知的系統(tǒng)絕對(duì)值代價(jià)函數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)度天線工作模式的波束形成方案。

4、系統(tǒng)在RBF和EBF形成兩種天線模式下動(dòng)態(tài)進(jìn)行切換,在少用戶下明顯改善系統(tǒng)性能,而在多用戶時(shí)保證系統(tǒng)性能的同時(shí)減少反饋量,從而最優(yōu)化無線通信系統(tǒng)性能。
　　 (2)、針對(duì)實(shí)際MIMO系統(tǒng)無線信道存在的空域相關(guān)性,和發(fā)射端對(duì)反饋CSI的精度很敏感、需要存儲(chǔ)大量瞬時(shí)變化信道信息等問題,提出了一種基于相關(guān)信道統(tǒng)計(jì)的改進(jìn)算法。基于此算法,并采用隨機(jī)碼本量化信道信息形成一種新波束形成方案,解決了常規(guī)波束形成需要大量信道反饋信息和相干機(jī)會(huì)波

5、束形成系統(tǒng)性能對(duì)信道瞬時(shí)變化信息敏感的問題。提出方案在相關(guān)信道下相當(dāng)有效,其性能超過常規(guī)波束形成,即使在有限反饋限制條件下,其性能辦接近相干機(jī)會(huì)波束的性能。該方案不僅可以大量降低系統(tǒng)反饋量,且對(duì)CSI反饋具有更強(qiáng)的魯棒性,同時(shí)能更好利用空域相關(guān)性。
　　 (3)、為了降低系統(tǒng)反饋量和提高系統(tǒng)性能,提出一種基于信道質(zhì)量干擾比(Quality-to-Interference Ratio,QIR)為量化標(biāo)準(zhǔn)的新波束形成方案。該量化準(zhǔn)則

6、可以同時(shí)保證量化信道質(zhì)量和使其子信道之間互干擾最小,它比傳統(tǒng)量化準(zhǔn)則具有更優(yōu)良的性能:并采用DFT(Discrete Fourier Transform)基作為碼本量化CSI。最后仿真驗(yàn)證該方案在有限反饋條件下,總體性能優(yōu)于RBF,且在低信噪比場(chǎng)景下優(yōu)于EBF,大大改善了系統(tǒng)性能。因此,該方案在有限反饋條件下保證系統(tǒng)總體性能。
　　 (4)、針對(duì)目前存在的波束形成技術(shù)很少涉及同時(shí)兼顧系統(tǒng)容量和誤碼率性能,以改善系統(tǒng)總體性能方案的

7、研究。提出基于等效信道特征值積(Eigen ValuesProduct,EVP)為量化準(zhǔn)則的一種新波束形成方案,并給出了等效信道特征值積量化準(zhǔn)則的計(jì)算公式,它能同時(shí)兼顧系統(tǒng)信道容量和誤碼率,相比較于僅考慮信道容量或者系統(tǒng)誤碼率的傳統(tǒng)量化準(zhǔn)則更具優(yōu)勢(shì)。通過計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證該方案可以明顯同時(shí)改善系統(tǒng)誤碼率和信道容量,因此它是一種比較好的波束形成方案。
　　 最后,還詳細(xì)研究了多用戶分集和精確CSI對(duì)多用戶有限反饋系統(tǒng)的影響,并從實(shí)驗(yàn)角

8、度對(duì)其詳細(xì)仿真和驗(yàn)證,驗(yàn)證各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。此外,介紹和分析了兩種典型多用戶有限反饋系統(tǒng)的波束形成技術(shù):每用戶速率控制(Per Unitary basisstream User and Rate Control,PU2RC)和迫零波束形成(Zero-Forcing Beamforming,ZFBF),借鑒目前研究成果,從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
　　 總之,提出這些波束形成算法和方案有效解決了目前單用戶和多用戶