多用户分集MIMO系统中的信道反馈研究

论文摘要

未来移动通信系统对通信速率和服务质量（QoS）有更高的要求,而这又受到功率、带宽和复杂度的限制。因此,具有高频谱效率和高性能的通信技术成为第四代移动通信（4G）重要的研究开发目标之一。多输入多输出（MIMO）技术在不额外增加功率和带宽的条件下成倍增加传输速率和大幅改善链路可靠性,因而被公认为能有效缓解频谱紧张并提供高速业务支持的一项关键技术。关于MIMO的点对点传输,目前已有大量的研究工作出现,相对而言,多用户MIMO系统尤其是实现多用户分集增益的研究最近几年才成为热点。在此背景下,本论文开展了对于多用户MIMO系统中信道反馈问题的研究。大量的研究已经证明,利用系统中由于用户之间相互独立的随机衰落而产生的多用户分集效应,可以大幅度地提高MIMO系统的性能或容量。然而,据我们所知,目前大部分的论文都集中在对自适应资源分配算法的改进上,而忽视了对信道反馈的研究。要特别强调的是,信道反馈是实现自适应资源分配的前提,没有信道反馈信息,根本谈不上实现多用户分集增益。本论文首先分析了基于空时分组码MIMO系统中的有限信道反馈技术。利用包含信道质量的反馈信息,多用户分集能显著提高系统的性能。然而,在多载波（OFDM）的架构下,反馈全部用户的所有信道质量信息（CQI）将占据大量的上行资源,从而降低了实际频谱效率。为了减少系统的反馈开销,第二章提出了一种以CQI量化比特表示调制方式的量化方法,与理想状态相比较,证明了其无损性。接着将该量化方法与三种部分反馈策略（门限反馈、最优反馈和联合反馈）相结合,推导了各自情形下系统平均容量的数学表达式。最后从反馈信道容量和系统容量相对损失两个不同的限制角度,给出了确定最佳反馈参数的方案。仿真评估了各种算法的性能,其结果与理论分析相当匹配,并且只要选取恰当的反馈参数,有限反馈算法可以在相同的系统性能要求下,极大的降低反馈开销。其中尤以我们提出的联合反馈算法表现最好,可为实际系统的设计提供参考。空时分组码MIMO系统只能获得空间分集增益,而波束成形MIMO系统可以同时获得空间分集增益和阵列增益,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,这是难以实现的。因此,在第三章中,我们提出一种最大化信噪比（SNR）的矢量量化反馈算法,用户只需反馈最佳波束成形矢量在预定义量化码本中的序号即可。通过对独立同分布Rayleigh衰落信道中最佳波束成形矢量分布特性的研究,D.J.Love开创性的证明了量化码本设计等价于格拉斯曼（Grassmannian）空间线分割问题。本章在此基础上做了许多近似处理,推导了Grassmannian空间线分割中密度的表达式,并以此发展出给定SNR或容量损失时码本尺寸的上下边界。文中还对已有的LBG（Linde,Buzo and Gray）算法进行了改进,用分裂法（SM）构造初始码本,给出量化码本设计算法的具体步骤,并通过仿真对两者产生的码本作了对比。预编码MIMO系统中各天线可以传输独立的数据流,从而取得空间复用增益,但它对信道反馈信息的好坏非常敏感。第三章中也提到了基于量化反馈的预编码MIMO系统,最优的预编码矩阵由基站和用户从事先已知的码本中选出,反馈信道中只需传输表示序号的比特。文中根据不同的接收方式分析了基于误码率和容量的最优预编码矩阵选择准则,每种选择准则下的码本设计以最小化误差函数为目标。文中证明了此时的码本设计等价于采用Projection two-norm或Fubini-study距离表述的Grassmannian子空间分割问题。多用户分集增益不仅与系统中的用户数相关,还取决于用户信道的波动速率与动态范围。当环境只有稀疏的散射或者衰落很慢时,可以使用多天线产生随机波动,形成人工快变信道,保持多用户分集增益,称之为随机波束成形。第四章的研究针对随机波束成形MIMO系统的信道反馈。该系统在构造量化码本时要处理码字量化误差与正交特性之间的矛盾。优先考虑量化误差的研究结果对如何合理分配表示CQI和表示波束成形矢量的量化比特数有指导作用,而优先考虑正交特性的研究提出了超码本的概念,并以分配中断概率限制了超码本的大小。信道反馈是实现多用户分集增益的基础,而多用户调度直接决定了多用户分集增益。在本文的第五章,我们将有线网络中的有效带宽理论运用到无线领域,提出基于时频结构帧的多用户调度算法。算法综合考虑了物理层的信道状态信息（CSI）、数据链路层的用户优先级、公平性及延时QoS,相对于传统的分层设计更加合理有效。另外,还提出了复杂度较低的,结合了机会反馈与比例公平分配的多用户调度算法。仿真结果验证了它可以几乎不损失系统容量的同时,最小化反馈开销。通过全文的研究,我们发现,在MIMO系统中,针对特定的传输策略下选取合适的信道反馈算法,就能够有效利用系统中固有的多用户分集,从“系统级”角度显著改善性能或提高容量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 MIMO 系统的研究现状及热点
• 1.3 论文的主要研究方向
• 1.4 论文的体系结构和技术路线
• 2 多用户基于空时编码MIMO 系统的信道反馈
• 2.1 引言
• 2.2 系统模型
• 2.3 多用户分集性能分析
• 2.4 有限信道量化与反馈算法
• 2.5 仿真结果与分析
• 2.6 本章小结
• 3 多用户基于波束成形MIMO 系统的信道反馈
• 3.1 引言
• 3.2 系统模型
• 3.3 多用户分集性能分析
• 3.4 基于Grassmannian 空间线分割的信道反馈
• 3.5 基于Grassmannian 子空间分割的信道反馈
• 3.6 仿真结果与分析
• 3.7 本章小结
• 4 多用户基于随机波束成形MIMO 系统的信道反馈
• 4.1 引言
• 4.2 系统模型
• 4.3 多用户分集性能分析
• 4.4 优先考虑量化误差的信道反馈
• 4.5 优先考虑正交特性的信道反馈
• 4.6 仿真结果与分析
• 4.7 本章小结
• 5 基于机会反馈的多用户调度算法研究
• 5.1 引言
• 5.2 常见的多用户调度算法
• 5.3 基于有效带宽理论的调度算法
• 5.4 基于机会反馈的调度算法
• 5.5 本章小结
• 6 全文总结和展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 英文缩写对照表
• 附录3 数学符号说明
• 附录4 国家863 计划任务合同书及中标书
• 附录5 国家自然科学基金委员会文件