MIMO系统预编码技术研究

论文摘要

在不增加系统带宽和天线发射功率的情况下,采用多输入多输出（Multi-Input Multi-Output, MIMO）技术以提高频谱效率,已成为未来移动通信体制标准设计中的共识。预编码是采用MIMO技术的通信系统中保证传输性能的核心技术之一,其相关算法设计的性能将直接影响整个系统的有效性和可靠性。论文以该技术作为切入点,对单用户和多用户MIMO系统的预编码技术展开了较为深入的研究,主要工作如下:1.根据CSI的分类对单用户预编码进行了研究。针对非理想CSI,给出了一种视距相关信道下的单用户收发联合设计算法,该算法引入联合设计思想,迭代求解预编码和解码矩阵。推导了一种基于训练序列的信道估计误差模型,使得对非理想CSI的描述更有实际意义。仿真结果表明,算法在不同的子流数、视距分量、信道相关性和信道估计误差环境下,具有较好的误码率性能。针对有限反馈预编码,给出了一种基于功率分配与预编码联合优化结构的矢量量化码本设计,在反馈量不大的情况下获得了较好的误码性能。2.研究了多用户预编码技术。针对干扰消除类预编码,给出一种基于块对角化（Block Diagonalization, BD）的子流选择算法,分析了子流选择的可行性和有效性,在损失容量不多的情况下提高了误码性能。然后将BD的思想引入到收发联合设计中,给出一种视距相关信道下考虑非理想CSI的多用户收发联合设计算法,该算法继承了BD算法各个用户独立处理的优势,又获得了更好的误码性能。针对干扰抑制类预编码,给出了一种迭代初值优化及Lagrange乘子线性求解的改进TMMSE算法,该算法充分利用CSI优化迭代初值,提高了收敛速度,同时算法将Lagrange乘子的求解由非线性转化为线性,避免了数值搜索的复杂过程,获得其解析解,提高了求解精度,在提高误码性能的同时降低了计算复杂度。3.研究了引入功率分配与天线选择的多用户预编码技术。针对用户服务公平性以及用户不同的服务质量需求,给出一种用户公平接收以及信噪比控制的功率分配方法,该方法既可以实现对各个用户提供相同误码服务,又可以实现用户信噪比的灵活配置。针对干扰抑制类多用户预编码的和容量优化问题,给出了一种迭代注水的功率分配算法,该算法将干扰等效为噪声进行处理,将经典的注水算法引入到存在干扰的系统中从而拓宽了注水算法的应用范围,在信道条件差距较大时对和容量的优化作用更加显著。最后,将用户天线选择技术与多用户预编码结合,通过两种经典的天线选择算法,探讨了天线选择联合预编码技术对提高系统和容量的作用。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 下一代移动通信发展概况
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 MIMO 技术概述
• 1.2.2 MIMO 系统预编码技术概述及国内外研究现状分析
• 1.3 论文的研究意义
• 1.4 论文的研究内容和主要工作
• 1.5 论文的结构安排
• 第二章 MIMO 信道模型及容量分析
• 2.1 MIMO 无线信道模型
• 2.1.1 独立同分布复高斯信道
• 2.1.2 空间相关瑞利信道
• 2.1.3 空间相关莱斯信道
• 2.2 信道状态信息
• 2.2.1 信道状态信息的获取
• 2.2.2 信道状态信息的分类
• 2.3 MIMO 信道容量
• 2.3.1 发送端无CSIT 时MIMO 系统信道容量
• 2.3.2 发送端获得理想CSIT 时MIMO 系统的信道容量
• 2.4 多用户MIMO 系统模型及和容量分析
• 2.4.1 多用户MIMO 上下行系统模型
• 2.4.2 多用户MIMO 系统和容量分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 单用户预编码研究
• 3.1 基于部分统计CSI 的预编码设计方法
• 3.1.1 系统模型
• 3.1.2 基于理想CSIR、CSIT 预编码设计
• 3.1.3 基于部分统计CSI 的预编码设计
• 3.1.4 仿真分析
• 3.2 基于非理想CSI 的单用户收发联合设计算法
• 3.2.1 系统模型
• 3.2.2 最小MSE 收发联合设计算法
• 3.2.3 仿真分析
• 3.3 联合功率分配的有限反馈预编码码本设计
• 3.3.1 系统模型
• 3.3.2 预编码设计
• 3.3.3 码本设计与码字选择
• 3.3.4 仿真分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 多用户MIMO 预编码技术研究
• 4.1 多用户MIMO 预编码模型
• 4.2 基于BD 的子流选择预编码算法
• 4.2.1 块对角化（BD）迫零算法分析
• 4.2.2 基于BD 的子流选择预编码算法
• 4.2.3 仿真分析
• 4.3 BD+MMSE 多用户收发联合设计算法
• 4.3.1 系统模型
• 4.3.2 MMSE 收发联合设计
• 4.3.3 仿真分析
• 4.4 迭代初值优化及 Lagrange 乘子线性求解的多用户收发联合设计算法
• 4.4.1 TMMSE 算法分析
• 4.4.2 迭代初值优化及Lagrange 乘子线性求解的TMMSE 算法
• 4.4.3 性能分析
• 4.5 本章各种多用户预编码算法的性能比较
• 4.6 本章小结
• 第五章 引入功率分配与天线选择技术的多用户预编码研究
• 5.1 引入功率分配技术的多用户预编码研究
• 5.1.1 BD 算法的功率分配
• 5.1.2 干扰抑制类多用户预编码的功率分配
• 5.1.3 仿真分析
• 5.2 引入用户接收天线选择的多用户预编码技术研究
• 5.2.1 算法1：基于子空间相关性的全搜索算法
• 5.2.2 算法2：基于子空间相关性的天线递增选择算法
• 5.2.3 仿真分析
• 5.3 本章小结
• 结束语
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢