多用户MIMO系统预编码技术研究

论文摘要

移动通信面临两个主要问题：如何提供更高的数据传输速率以及如何处理由无线信道多径效应引起的衰落。多入多出（MIMO）技术引入空域的维度,可以在不增加系统带宽和发射功率的基础上显著提高信道的频谱效率和链路的可靠性。MIMO系统是无线通信最活跃的研究领域之一,已经被视作第四代移动通信技术的重要组成部分。在MIMO系统中,发送端通过反馈或利用信道互易性可以获得信道状态信息。此时,预编码器对发送符号进行预编码,可以简化接收机结构并提高系统性能。其设计问题是MIMO系统的重要研究内容之一,预编码技术已经出现在新兴的无线通信技术标准中。以国家“新一代宽带无线移动通信网”重大科技专项,"IMT-Advanced的研发和产业化”项目,‘’IMT-Advanced增强MIMO技术研发”课题为依托,本文对理想信道状态信息条件下多用户MIMO （MU-MIMO）系统的预编码技术进行了研究。论文围绕“如何提高信道容量”,“如何满足实际系统设计需要”,“如何放宽对系统天线配置的要求”等三个关键问题展开,论文的主要工作和创新点主要体现在以下五个方面：1、采用Jake模型深入分析了广义平稳不相关散射信道下的SU-MIMO信道,探讨了采用先期信道状态信息进行线性预编码的SU-MIMO信道的瞬时互信息和遍历容量,给出了初步的结论。2、针对MU-MIMO系统块对角化预编码算法功率分配偏向信道较好用户,连续优化算法容量较低的问题,提出了一种连续块对角化算法。该算法按照各用户的信道条件、期望速率设定用户的优先级。用户在对高优先级用户及同优先级用户不干扰的条件下采用块对角化法抵消共信道干扰。数值仿真表明,该算法在不增加计算复杂度的前提下,较好地满足各个用户的速率需求,保证了同优先级用户问的公平性。3、提出了发射总功率受限条件下MU-MIMO系统广播信道的一种通用线性预编码器和解码器设计方案。该方案对噪声分布没有特别要求,复杂度线性,可以依据不同的系统目标设计不同的加权矩阵和子流舍弃策略,很好地解决了MU-MIMO系统在不同的应用场景下的线性预编码器和解码器的通用设计问题。其中,提出的二次注水算法使实际通信容量进一步提高。提出的子信道舍弃顺序的索引向量的设计既考虑到算法的效率,也考虑到了用户之间的公平性。4、针对原有基于信漏噪声比预编码算法回避用户间功率分配,并且信漏噪声比仍有待进一步提高的问题,设计了一种功率分配方案。理论分析和数值仿真表明,该方案根据各个子流的信漏噪声比分配功率,不仅进一步提高了系统的信漏噪声比和系统的总容量,还兼具子信道筛选的功能。5、提出了MU-MIMO系统下行链路的一种跨层优化线性预编码器设计方法。该方法以网络的效用函数作为优化目标,通过对偶分解法将目标函数分解为物理层和应用层的优化问题。利用半定规划软件包迭代求解各用户预编码矩阵的最优解。理论分析和数值仿真表明通过跨层优化,极大地提高了整个网络的效用函数。

论文目录

• 图目录
• 缩略词索引
• 符号说明
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 MIMO技术概述
• 1.1.1 MIMO系统的起源和发展
• 1.1.2 当前MIMO系统的研究热点
• 1.2 预编码技术及研究现状
• 1.2.1 预编码技术及其作用
• 1.2.2 预编码技术研究现状
• 1.3 MU-MIMO系统预编码的若干关键问题
• 1.4 论文的主要工作、创新点及组织结构
• 第二章 SU-MIMO系统及容量分析
• 2.1 引言
• 2.2 SU-MIMO系统模型及信道状态信息
• 2.2.1 SU-MIMO系统模型
• 2.2.2 信道状态信息
• 2.3 SU-MIMO系统容量
• 2.3.1 SU-MIMO系统容量指标
• 2.3.2 先期CSIT条件下SU-MIMO系统容量和中断概率
• 2.4 数值仿真
• 2.5 本章小结
• 第三章 MU-MIMO系统下行链路连续块对角化预编码算法
• 3.1 引言
• 3.2 MU-MIMO系统模型及容量
• 3.2.1 MU-MIMO系统模型
• 3.2.2 MU-MIMO系统容量
• 3.3 块对角化算法与连续优化算法
• 3.3.1 块对角化算法
• 3.3.2 连续优化算法
• 3.3.3 BD算法与SO算法性能比较
• 3.4 连续块对角化预编码器和解码器设计
• ak'>3.4.1 计算F_ak
• bk'>3.4.2 计算F_bk
• 3.4.3 解码器设计
• 3.5 数值仿真
• 3.6 本章小结
• 第四章 加权MMSE准则下MU-MIMO系统通用预编码器和解码器设计
• 4.1 引言
• 4.2 系统模型及问题描述
• 4.3 最佳预编码器和解码器
• 4.4 应用
• 4.4.1 最大化系统信息速率设计
• 4.4.2 基于各用户QoS需求的设计
• 4.4.3 最小化系统MSE设计
• 4.4.4 各用户等均方误差设计
• 4.5 数值举例
• 4.5.1 Max-SoIR设计
• 4.5.2 QoS设计
• 4.5.3 Min-SMSE设计
• 4.5.4 E-MSE设计
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于SLNR的MU-MIMO预编码器设计
• 5.1 引言
• 5.2 各用户功率受限条件下基于SLNR的预编码器设计方案
• 5.3 基于SLNR并考虑SINR的MU-MIMO系统预编码器设计
• 5.4 数值举例
• 5.5 本章小结
• 第六章 MU-MIMO系统跨层预编码器优化设计
• 6.1 引言
• 6.2 凸优化相关知识
• 6.2.1 凸集和凸函数
• 6.2.2 凸优化
• 6.2.3 对偶分解
• 6.2.4 半定规划
• 6.3 问题描述
• 6.4 预编码器设计
• 6.4.1 物理层的优化
• 6.4.2 应用层的优化
• 6.5 预编码器设计的公平性问题
• 6.6 数值仿真
• 6.7 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 作者简历 攻读博士学位期间完成的主要工作
• 致谢