多用戶(hù)分集MIMO系統(tǒng)中的信道反饋研究.pdf

1、未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)通信速率和服務(wù)質(zhì)量(QoS)有更高的要求，而這又受到功率、帶寬和復(fù)雜度的限制。因此，具有高頻譜效率和高性能的通信技術(shù)成為第四代移動(dòng)通信(4G)重要的研究開(kāi)發(fā)目標(biāo)之一。多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)在不額外增加功率和帶寬的條件下成倍增加傳輸速率和大幅改善鏈路可靠性，因而被公認(rèn)為能有效緩解頻譜緊張并提供高速業(yè)務(wù)支持的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)于MIMO的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，目前已有大量的研究工作出現(xiàn)，相對(duì)而言，多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)尤其是實(shí)現(xiàn)多用

2、戶(hù)分集增益的研究最近幾年才成為熱點(diǎn)。在此背景下，本論文開(kāi)展了對(duì)于多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)中信道反饋問(wèn)題的研究。 大量的研究已經(jīng)證明，利用系統(tǒng)中由于用戶(hù)之間相互獨(dú)立的隨機(jī)衰落而產(chǎn)生的多用戶(hù)分集效應(yīng)，可以大幅度地提高M(jìn)IMO系統(tǒng)的性能或容量。然而，據(jù)我們所知，目前大部分的論文都集中在對(duì)自適應(yīng)資源分配算法的改進(jìn)上，而忽視了對(duì)信道反饋的研究。要特別強(qiáng)調(diào)的是，信道反饋是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)資源分配的前提，沒(méi)有信道反饋信息，根本談不上實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)分集增益。

3、 本論文首先分析了基于空時(shí)分組碼MIMO系統(tǒng)中的有限信道反饋技術(shù)。利用包含信道質(zhì)量的反饋信息，多用戶(hù)分集能顯著提高系統(tǒng)的性能。然而，在多載波(OFDM)的架構(gòu)下，反饋全部用戶(hù)的所有信道質(zhì)量信息(CQI)將占據(jù)大量的上行資源，從而降低了實(shí)際頻譜效率。為了減少系統(tǒng)的反饋開(kāi)銷(xiāo)，第二章提出了一種以CQI量化比特表示調(diào)制方式的量化方法，與理想狀態(tài)相比較，證明了其無(wú)損性。接著將該量化方法與三種部分反饋策略(門(mén)限反饋、最優(yōu)反饋和聯(lián)合反饋)相結(jié)合

4、，推導(dǎo)了各自情形下系統(tǒng)平均容量的數(shù)學(xué)表達(dá)式。最后從反饋信道容量和系統(tǒng)容量相對(duì)損失兩個(gè)不同的限制角度，給出了確定最佳反饋參數(shù)的方案。仿真評(píng)估了各種算法的性能，其結(jié)果與理論分析相當(dāng)匹配，并且只要選取恰當(dāng)?shù)姆答亝?shù)，有限反饋算法可以在相同的系統(tǒng)性能要求下，極大的降低反饋開(kāi)銷(xiāo)。其中尤以我們提出的聯(lián)合反饋算法表現(xiàn)最好，可為實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。 空時(shí)分組碼MIMO系統(tǒng)只能獲得空間分集增益，而波束成形MIMO系統(tǒng)可以同時(shí)獲得空間分集增益和

5、陣列增益，不幸的是，它要求基站已知完全的信道信息或最佳的波束成形矢量，這是難以實(shí)現(xiàn)的。因此，在第三章中，我們提出一種最大化信噪比(SNR)的矢量量化反饋算法，用戶(hù)只需反饋?zhàn)罴巡ㄊ尚问噶吭陬A(yù)定義量化碼本中的序號(hào)即可。通過(guò)對(duì)獨(dú)立同分布Rayleigh衰落信道中最佳波束成形矢量分布特性的研究，D.J.Love開(kāi)創(chuàng)性的證明了量化碼本設(shè)計(jì)等價(jià)于格拉斯曼(Grassmannian)空間線(xiàn)分割問(wèn)題。本章在此基礎(chǔ)上做了許多近似處理，推導(dǎo)了Grassm

6、annian空間線(xiàn)分割中密度的表達(dá)式，并以此發(fā)展出給定SNR或容量損失時(shí)碼本尺寸的上下邊界。文中還對(duì)已有的LBG(Linde，Buzo and Gray)算法進(jìn)行了改進(jìn)，用分裂法(SM)構(gòu)造初始碼本，給出量化碼本設(shè)計(jì)算法的具體步驟，并通過(guò)仿真對(duì)兩者產(chǎn)生的碼本作了對(duì)比。預(yù)編碼MIMO系統(tǒng)中各天線(xiàn)可以傳輸獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，從而取得空間復(fù)用增益，但它對(duì)信道反饋信息的好壞非常敏感。第三章中也提到了基于量化反饋的預(yù)編碼MIMO系統(tǒng)，最優(yōu)的預(yù)編碼矩陣由

7、基站和用戶(hù)從事先已知的碼本中選出，反饋信道中只需傳輸表示序號(hào)的比特。文中根據(jù)不同的接收方式分析了基于誤碼率和容量的最優(yōu)預(yù)編碼矩陣選擇準(zhǔn)則，每種選擇準(zhǔn)則下的碼本設(shè)計(jì)以最小化誤差函數(shù)為目標(biāo)。文中證明了此時(shí)的碼本設(shè)計(jì)等價(jià)于采用Projection two-norm或Fubini-study距離表述的Grassmannian子空間分割問(wèn)題。 多用戶(hù)分集增益不僅與系統(tǒng)中的用戶(hù)數(shù)相關(guān)，還取決于用戶(hù)信道的波動(dòng)速率與動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)環(huán)境只有稀疏的散

8、射或者衰落很慢時(shí)，可以使用多天線(xiàn)產(chǎn)生隨機(jī)波動(dòng)，形成人工快變信道，保持多用戶(hù)分集增益，稱(chēng)之為隨機(jī)波束成形。第四章的研究針對(duì)隨機(jī)波束成形MIMO系統(tǒng)的信道反饋。該系統(tǒng)在構(gòu)造量化碼本時(shí)要處理碼字量化誤差與正交特性之間的矛盾。優(yōu)先考慮量化誤差的研究結(jié)果對(duì)如何合理分配表示CQI和表示波束成形矢量的量化比特?cái)?shù)有指導(dǎo)作用，而優(yōu)先考慮正交特性的研究提出了超碼本的概念，并以分配中斷概率限制了超碼本的大小。 信道反饋是實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)分集增益的基礎(chǔ)，而多

9、用戶(hù)調(diào)度直接決定了多用戶(hù)分集增益。在本文的第五章，我們將有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的有效帶寬理論運(yùn)用到無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域，提出基于時(shí)頻結(jié)構(gòu)幀的多用戶(hù)調(diào)度算法。算法綜合考慮了物理層的信道狀態(tài)信息(CSI)、數(shù)據(jù)鏈路層的用戶(hù)優(yōu)先級(jí)、公平性及延時(shí)QoS，相對(duì)于傳統(tǒng)的分層設(shè)計(jì)更加合理有效。另外，還提出了復(fù)雜度較低的，結(jié)合了機(jī)會(huì)反饋與比例公平分配的多用戶(hù)調(diào)度算法。仿真結(jié)果驗(yàn)證了它可以幾乎不損失系統(tǒng)容量的同時(shí)，最小化反饋開(kāi)銷(xiāo)。 通過(guò)全文的研究，我們發(fā)現(xiàn)，在MIMO系