多用户MISO/MIMO无线通信系统下行链路传输技术研究

论文摘要

多用户多输入单输出（MISO）/多输入多输出（MIMO）技术由于能够在相同的时间和频率上实现多数据流和多用户的空间复用并提供丰富的空间分集增益和多用户分集增益,有望成为未来无线通信系统的核心技术。国际上,围绕MISO/MIMO技术已有许多富有成效的开拓性研究工作,本文将在此基础上对多用户MISO/MIMO无线通信系统下行链路的传输技术做进一步深入地研究。主要研究内容包括:次优的脏纸编码（DPC）方案、基于和MSE（SMSE）最小化的线性传输方案、稳健性的线性传输方案以及有限反馈多用户MISO/MIMO下行链路中的波束成形。为了避免最优DPC方案中计算最优发射处理矩阵带来的较高复杂度,在多用户MIMO下行链路中提出了一种次优的DPC传输方案—分块逼零DPC（Block ZF-DPC）方案以及相应的多用户调度算法。该方案通过复杂度较低的矩阵零空间运算来获得次优的发射处理矩阵,当总用户数等于系统的最大活动用户数上限时该方案能渐进地获得最优DPC方案的和速率。为了获得多用户分集增益,为Block ZF-DPC方案设计了两种次优的多用户调度算法,它们能以与用户数成线性关系的复杂度获得接近于最优调度算法的和速率性能以及最优的空间复用增益和多用户分集增益。在基站（BS）具有精确信道状态信息（CSI）的假设下,论文深入研究了多用户MISO/MIMO下行链路中的线性传输方案并针对多用户MIMO下行链路提出了一种新型的基于SMSE最小化的线性传输方案。该方案将总发射功率约束条件整合到目标函数中,并通过对下行链路中发射/接收处理矩阵的交替优化来解决SMSE最小化问题。分析和仿真结果显示该方案采用的SMSE最小化算法具有全局最优性,而且具有比现有方案更好的误符号率（SER）性能、更低的复杂度以及更快的收敛速度。为了减小信道估计误差给多用户MIMO下行链路带来的性能损失,提出了一种基于条件SMSE最小化的稳健性线性传输方案。作者首先推导了信道估计值已知情况下真实信道的条件分布,然后通过在各用户发射功率单独受限的约束下最小化条件SMSE来优化各用户的发射/接收处理矩阵。与非稳健性传输方案相比,该方案对信道估计误差具有明显的稳健性以及良好的收敛特性,需要的额外计算量也较低。针对有限反馈多用户MISO下行链路中现有逼零波束成形（ZFBF）方案的反馈总量随用户数线性增加的缺点,本文在其基础上提出了一种带反馈门限的ZFBF方案,通过在每个用户终端设置适当的反馈条件和反馈门限将系统的平均反馈总量限制在一个较小的固定上限值以下。根据导出的反馈概率上限和反馈门限设计准则给出了门限的计算公式和溢出概率的近似计算方法,在理论上分析了该方案的渐进性能。仿真结果验证了门限设计方法和理论分析的正确性,同时也显示该方案能以较低的反馈总量获得接近于现有无门限ZFBF方案的性能。有限反馈多用户MIMO-正交频分多址（OFDMA）下行链路中现有的随机波束成形（RBF）方案同样存在反馈总量随用户数线性增加的缺点,本文在其基础上提出了一种带反馈门限的RBF方案,通过在每个子载波上设置适当的反馈条件和反馈门限使得系统的平均反馈总量随用户数的增加速率不超过用户数的自然对数函数。根据导出的反馈概率上限和反馈门限设计准则给出了门限的求解方程,在理论上分析了该方案的渐进性能并给出了溢出概率的理论上限。仿真结果验证了门限设计方法和理论分析的正确性,同时也显示该方案在用户数趋于无穷大时能够渐进地获得现有无门限RBF方案的频谱效率和最优的多用户分集增益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图表索引
• 符号说明
• 英文缩略词表
• 第一章 绪论
• 1.1 多用户MISO/MIMO无线通信系统概述
• 1.2 研究现状及趋势
• 1.2.1 MISO/MIMO广播信道容量
• 1.2.2 多用户MISO/MIMO下行链路的非线性传输技术
• 1.2.3 多用户MISO/MIMO下行链路的线性传输技术
• 1.2.4 有限反馈多用户MISO/MIMO下行链路的传输技术
• 1.3 论文的研究工作和研究成果
• 1.4 论文的组织与结构
• 第二章 MIMO信道模型
• 2.1 窄带Rayleigh衰落MIMO信道模型
• 2.1.1 模型描述
• 2.1.2 仿真结果
• 2.2 宽带MIMO信道时域模型
• 2.2.1 模型描述
• 2.2.2 仿真结果
• 2.3 宽带MIMO信道频域模型
• 2.3.1 模型描述
• 2.3.2 仿真结果
• 2.4 本章小结
• 第三章 MIMO广播信道的容量域与和容量
• 3.1 脏纸编码（DPC）简介
• 3.2 MIMO BC的容量域
• 3.2.1 DPC速率域与MIMO BC容量域的等价性
• 3.2.2 MIMO BC容量域与MIMO MAC容量域的对偶性
• 3.3 DPC的和速率最优性
• 3.3.1 Sato限
• 3.3.2 DPC和速率最优性定理
• 3.4 最优发射处理矩阵的优化算法
• 3.4.1 SPIWF算法
• 3.4.2 收敛特性与复杂度比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 逼零DPC及其多用户调度算法
• 4.1 多用户MISO下行链路中的ZF-DPC及其多用户调度算法
• 4.1.1 ZF-DPC传输方案
• 4.1.2 ZF-DPC的多用户调度算法
• 4.2 多用户MIMO下行链路中的Block ZF-DPC方案
• 4.2.1 Block ZF-DPC的基本原理
• 4.2.2 次优发射处理矩阵的设计
• 4.2.3 复杂度比较
• 4.3 Block ZF-DPC的次优调度算法
• 4.3.1 基于容量最大化的调度算法
• 4.3.2 基于Frobenius范数最大化的调度算法
• 4.3.3 复杂度分析与比较
• 4.4 仿真结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 多用户MIMO下行链路线性传输方案
• 5.1 基于SMSE最小化的线性传输方案
• 5.1.1 现有的基于SMSE最小化的线性传输方案
• 5.1.2 新型的基于SMSE最小化的线性传输方案
• 5.1.3 复杂度比较
• 5.1.4 仿真结果
• 5.2 基于条件SMSE最小化的稳健性线性传输方案
• 5.2.1 真实信道的条件分布
• 5.2.2 条件SMSE最小化算法
• 5.2.3 复杂度分析
• 5.2.4 仿真结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 有限反馈多用户MISO/MIMO下行链路波束成形
• 6.1 有限反馈多用户MISO下行链路中现有的ZFBF方案
• 6.1.1 有限反馈多用户MISO下行链路模型
• 6.1.2 矢量量化码本
• 6.1.3 CDI和CQI的量化与反馈
• 6.1.4 活动用户选择和ZFBF
• 6.2 有限反馈多用户MISO下行链路中带反馈门限的ZFBF
• 6.2.1 反馈门限设计
• 6.2.2 反馈总量比较
• 6.2.3 溢出概率分析
• 6.2.4 仿真结果
• 6.3 有限反馈多用户MIMO-OFDMA下行链路中现有的RBF方案
• 6.3.1 现有RBF方案概述
• 6.3.2 RBF矢量码本
• 6.3.3 最优波束成形矢量和接收合并矢量
• 6.3.4 反馈信息与反馈总量
• 6.3.5 活动用户选择
• 6.4 有限反馈多用户MIMO-OFDMA下行链路中带反馈门限的RBF
• 6.4.1 反馈门限设计
• 6.4.2 反馈总量比较
• 6.4.3 子载波空闲概率
• 6.4.4 溢出概率
• 6.4.5 仿真结果
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 今后工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间完成的论文及参加的科研项目
• 致谢