MIMO系統(tǒng)下行鏈路天線與用戶選擇算法研究.pdf

1、中國第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）商用在即，超3代（B3G）或第4代（4G）移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究也已趨于成熟。百年通信的發(fā)展使中國經(jīng)歷了從馳馬驛站到光纖寬帶，從飛鴿傳書到移動(dòng)視頻的翻天覆地的變化，信息時(shí)代的到來早已經(jīng)是千家萬戶感受到的事實(shí)。 更快的傳輸速率，更優(yōu)的傳輸質(zhì)量永遠(yuǎn)是無線通信追求的目標(biāo)。然而無線通信可使用的頻帶帶寬是有限的，通信系統(tǒng)的發(fā)射功率上限也不能無限制的增長，隨著用戶需求的不斷膨脹，性能更優(yōu)的通信技術(shù)迫在眉睫。

2、正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)可以使頻帶的利用率提高一倍，因此已經(jīng)成為4G的必用技術(shù)，然而這樣的性能提高并不能完全滿足用戶對未來通信系統(tǒng)性能的要求，更多有實(shí)用價(jià)值的技術(shù)被不斷提出。 九十年代提出的多輸入多輸出（MIMO）無線通信技術(shù)，在發(fā)射端與接收端同時(shí)裝配多條射頻鏈路，通過將空間信息引入到通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)的傳輸速率及傳輸質(zhì)量都得到了大幅度的提高，因此成為目前通信研究的熱門問題。然而隨著射頻鏈路的增加，系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度及信號處理的

3、軟件復(fù)雜度都呈指數(shù)增加。如何有效的減小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度且提高系統(tǒng)性能成為目前亟待解決的問題。 天線選擇技術(shù)通過在發(fā)射端裝配大量廉價(jià)的天線，將有限的射頻鏈路分配給最優(yōu)的天線子集，在降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的同時(shí)可以有效的保證系統(tǒng)性能。當(dāng)發(fā)射端天線數(shù)目不變時(shí)，通過天線重分組技術(shù)，雙空時(shí)發(fā)射分集（DSTTD）系統(tǒng)的性能也可以得到有效的改善。 另一方面，MIMO系統(tǒng)可以同時(shí)為多個(gè)用戶傳輸信息，因此可通過利用多用戶分集增益有效的提高多用戶

4、通信系統(tǒng)的傳輸速率和傳輸質(zhì)量。但是為了消除不同用戶間的干擾，MIMO系統(tǒng)所能同時(shí)服務(wù)的用戶數(shù)受發(fā)射天線數(shù)的限制。因此當(dāng)系統(tǒng)中存在大量用戶時(shí)，如何選擇同時(shí)通信的用戶及用戶的接收天線從而使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)就成了必須解決的問題。為實(shí)現(xiàn)快速有效的用戶選擇，針對不同預(yù)編碼機(jī)制的用戶選擇算法得到了廣泛的研究。最大信漏噪比（MSLNR）預(yù)編碼由于不需要完全消除不同用戶間的干擾，因此能夠同時(shí)服務(wù)的用戶數(shù)并不受到發(fā)射天線數(shù)目的限制，然而近期研究表明隨著用

5、戶數(shù)的增加，由于不同用戶間的干擾得不到有效的抑制，MSLNR預(yù)編碼系統(tǒng)的性能將被嚴(yán)重削弱。因此，當(dāng)系統(tǒng)中用戶數(shù)較多時(shí)，對MSLNR預(yù)編碼系統(tǒng)進(jìn)行用戶選擇研究是必要的。目前的無線通信服務(wù)都對用戶設(shè)定了服務(wù)質(zhì)量（QoS），因此在多天線多用戶等服務(wù)質(zhì)量迫零（EQoS-ZF）系統(tǒng)中，如何能夠用最少的發(fā)射功率滿足所有用戶的需求，或當(dāng)系統(tǒng)中存在大量用戶時(shí)，如何協(xié)調(diào)各用戶通信使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)等問題目前還未得到研究。 本論文中我們主要對以下三

6、個(gè)方面進(jìn)行了學(xué)習(xí)研究： 1）天線選擇技術(shù)在MIMO系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。首先，通過向量空間的分析，得到了性能好的天線子集對應(yīng)的信道所具備的向量空間特征，并基于此提出了計(jì)算復(fù)雜度低且性能好的快速天線選擇算法。其次，由于非線性優(yōu)化算法在解決復(fù)雜的通信計(jì)算問題方面凸現(xiàn)的優(yōu)勢使該算法在通信系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣，針對多天線同速率傳輸系統(tǒng)的最優(yōu)化，我們構(gòu)造了滿足凸優(yōu)化函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，這個(gè)模型能夠快速有效的解決該系統(tǒng)下的天線選擇問題。最后，基于信道

7、容量公式的分析，對發(fā)射端或接收端單獨(dú)的天線選擇或者收發(fā)端同時(shí)進(jìn)行天線選擇系統(tǒng)的快速天線選擇算法也進(jìn)行了深入的研究，提出了在通信系統(tǒng)能夠承受的計(jì)算復(fù)雜度下的天線選擇算法，且實(shí)現(xiàn)性能與最優(yōu)算法相近。 2）發(fā)射天線重分組及接收天線選擇技術(shù)在DSTTD系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。DSTTD系統(tǒng)通過將空間分集與空間復(fù)用技術(shù)有效的結(jié)合，使系統(tǒng)的性能較普通MIMO系統(tǒng)有了很大改善，當(dāng)接收端結(jié)合天線選擇技術(shù)時(shí)，在系統(tǒng)復(fù)雜度增加較小的情況下，系統(tǒng)性能能夠得

8、到大幅的提高。通過有限的信息反饋，調(diào)整DSTTD系統(tǒng)發(fā)射天線的搭配，系統(tǒng)性能仍然能夠得到進(jìn)一步的增強(qiáng)。 3）天線及用戶選擇在多用戶MIMO系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。為優(yōu)化多用戶MSLNR預(yù)編碼系統(tǒng)的性能，提出了輪詢算法、基于模值的算法以及基于吞吐量分析的快速用戶選擇算法。為了讓用戶問得到公平的服務(wù)，針對基于模值的算法及基于吞吐量分析的快速用戶選擇算法提出了修正加權(quán)alpha公平調(diào)度算法。為增加系統(tǒng)靈活性及優(yōu)化系統(tǒng)性能，對于結(jié)合發(fā)射天線及

9、用戶選擇的EQoS-ZF系統(tǒng)，快速發(fā)射天線與用戶選擇算法被提出，該算法計(jì)算復(fù)雜度低，且性能與系統(tǒng)最優(yōu)相近。通過這一優(yōu)化，EQoS-ZF系統(tǒng)在發(fā)射能量一定的情況下用戶服務(wù)質(zhì)量得到有效的提高，另一方面，當(dāng)用戶服務(wù)質(zhì)量一定的情況下，系統(tǒng)發(fā)射能量得到了有效降低。 總之，通過對天線選擇算法在空間向量、凸優(yōu)化及公式推導(dǎo)等三個(gè)不同的角度分析，得到了計(jì)算復(fù)雜度低但性能接近最優(yōu)的天線選擇算法實(shí)現(xiàn)。將DSTTD系統(tǒng)結(jié)合天線重分組技術(shù)，能夠在一定程度

10、上改善系統(tǒng)性能，尤其對于獨(dú)立信道下系統(tǒng)性能的改善尤為明顯，進(jìn)一步結(jié)合接收天線選擇技術(shù)，系統(tǒng)的性能可以得到更大的提高。針對MSLNR預(yù)編碼系統(tǒng)提出的三種不同用戶選擇算法都可以有效的降低用戶間干擾，優(yōu)化系統(tǒng)性能，進(jìn)一步結(jié)合提出的用戶調(diào)度算法，用戶間服務(wù)的公平性也可得到保障。對EQoS-ZF系統(tǒng)的天線及用戶選擇算法的研究，使該系統(tǒng)在增加較小的硬件復(fù)雜度及計(jì)算復(fù)雜度的條件下系統(tǒng)的性能得到較大的改善。論文最后總結(jié)了該研究領(lǐng)域亟待解決的一些問題和下