多用户MIMOOFDM下行次优传输方案与反馈分析

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1、-华中科技大学硕士学位论文1.2.3MIMO与OFDM的结合在高速宽带无线通信系统中，多径效应、频率选择性衰落和频谱效率是信号传输过程中必须考虑的几个关键问题。多径效应会引起信号的衰落，通常被视为有害因素。MIMO系统是针对多径无线信道而产生的，多径效应对其影响并不大，在某些环境下反而可以作为一个有利因素加以使用。但对于频率选择性衰落，MIMO则无能为力，而解决频率选择性衰落问题正是OFDM的一个长处。另一方面，为了进一步增加系统的容量，提高系统传输速率，使用多载波调制技术的无线通信系统需要增加载波的数

2、量，但这种方案会造成系统复杂度的增加，并增大系统的带宽，这对频谱资源日益紧张且功率受限的无线通信系统就不太合适了。而MIMO技术能在不增加发射功率和频谱开销的前提下，利用空间复用增益使信道容量得到倍增。因此MIMO与OFDM可以很自然地结合，充分发挥各自的优势。MIMO-OFDM技术通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量。它利用了时间、频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。而且，当信道情况好的时候，可以使用基于空间复用的编码方式，成倍提高传输速率。

3、MIMO-OFDM系统被视为B3G/4G和未来宽带无线通信系统最具潜力的一种解决方案。IEEE802.16无线城域网以及新的无线局域网IEEE802.11n方案和正在制定的移动宽带无线接入802.20方案等均已采用或者计划采用MIMO和OFDM两种技术相结合的方案。1.2.4多用户分集在多用户系统中，由于不同用户所处位置的随机性，大多数用户经历的信道衰落往往是相互独立的。在某个时刻或是某个子载波上，某些用户可能正处于深度衰落中，不适于在信道上传输数据。而与此同时，很可能会有另一部分用户信道质量状况比较好

4、。如果能够在发射端获得不同用户的CSI，就可以将资源合理地分配给适宜传输数据的用户，从而获取多用户分集增益[13,14]。当系统中用户数越多时，某个时刻或某个子载波上，越有可能有用户处于很好的信道状况，如果让其占用信道进4----华中科技大学硕士学位论文行传输，那么能够获得的增益也就越大。在信道衰落系数相互独立的MIMO系统中，多用户分集的好处来源于如下两个因素[15]：第一，多用户分集提供了增大的信道幅度。例如在有K个相同平均信噪比（SNR）的用户的系统中，最好用户的信道增益大约是平均信道增益的log

5、K倍，因此利用多用户分集的系统能获得logK倍的SNR增益。第二，多用户分集提供了丰富的信道方向。这使得基站能选择一组空间分离度高的用户，降低用户之间的相互影响。这也是一些次优传输方案在用户数充分大时也能获得良好性能的原因。1.2.3本文主要内容本文以863课题“具有公平性与QoS保障的高效MIMO-OFDM传输技术研究”为背景，本文的研究工作只涉及课题中“设计高效的信道信息反馈方案”这一部分。在实际应用中，反馈方案与具体的传输方案密切相关，所以本文围绕传输方案与反馈展开分析，对MIMO-OFDM传输与

6、反馈的几个典型问题进行了研究。本文的主要内容组织如下：第一章为绪论，介绍了本文的研究背景和意义，同时对MIMO、OFDM以及多用户分集进行了必要的介绍，并引出本文的主要研究内容。第二章对多用户MIMO下行传输与反馈的一些基础理论进行了介绍，其作用是为后续的几章作理论上的铺垫。主要内容包括：多用户MIMO下行信道容量区域、波束成型方案介绍、有限反馈技术介绍。第三章提出了一种基于波束集选择的随机波束成型传输方案。该方案针对正交随机波束成型方案的缺点进行了适当的改进，文中也通过仿真对比了改进方案和原方案的性能

7、。第四章研究了信道估计误差对迫零波束成型总速率的影响。这一章首先介绍了文中使用的信道估计模型，分析了信道估计误差对迫零波束成型总速率的影响。随后又从两个方面作了进一步分析：在理想反馈情形下寻求最佳的训练时隙长度以及结合有限反馈分析速率损失。最后给出了相关仿真结果。第五章提出了一种多用户MIMO-OFDM时域反馈方案，该方案使用贪婪算法分5----华中科技大学硕士学位论文配量化比特。这一章首先介绍了无线衰落多径信道模型，然后提出了时域反馈方案，最后通过仿真对比了该方案和时域等比特分配方案、频域有限反馈方案

8、的性能。第六章总结全文，并对下一步的研究工作提出了建议。1.2.3数学符号说明本文用粗体大写字母表示矩阵，粗体小写字母特指向量，未加粗的斜体字母表示标量。常用的数学符号有：A或aH矩阵A或向量a的共轭转置；HAT或aT矩阵A或向量a的转置；−1A方阵A的逆；+A矩阵A的Moore-Penrose（M-P）逆；I或I单位矩阵或M阶单位矩阵；M()trA方阵A的迹；()detA方阵A的行列式；a向量a的2-范数；∠(a1,a2)向量a和a的夹角