mimo下行系统的自适应传输技术研究

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1、华中科技大学博士学位论文摘要随着移动通信用户数的迅速增长和各种多媒体业务需求的日益增加，现有的频谱资源已经日趋紧张，而多天线（MIMO）技术可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质量，从而被认为是B3G或4G的关键技术之一。关于MIMO的点对点传输，目前已出现大量的研究工作，相对而言，MIMO多用户系统尤其是MIMO下行系统的研究最近几年才成为热点。由于宽带多媒体业务多为非对称业务，传输瓶颈多集中于下行链路。而且，自适应传输技术通过动态调整传输参数与传输方案以适配信道信息与业务信息，使系统在吞吐率与功率

2、效率等性能上有显著的改善，因此研究MIMO下行系统的相关自适应传输技术具有重大意义。在此背景下，本论文在国家“十五”863计划重大课题“新一代蜂窝移动通信系统无线传输链路技术研究（2003AA12331005）”和国家自然科学基金重大项目“未来移动通信系统基础理论与技术研究”子课题“基于MIMO-OFDM系统的空中接口自适应技术研究（60496310）”以及“十一五”国家863项目“具有公平性与QoS保障的高效MIMO-OFDM传输技术研究”（2006AA01Z277）的资助下，以MIMO高斯广播信道的信息论结果为指导，研究了

3、MIMO下行系统中自适应调制、多用户分集调度策略、实时业务和非实时业务同时传输以及部分信道信息下的自适应传输策略等问题。论文首先分析和阐述了基于TDMA、迫零预编码和迫零污纸编码三种不同MIMO下行系统传输策略的自适应调制算法，TDMA指每个调度时隙仅传输信道质量最好的用户，后两者可支持多个用户的同时传输。目前自适应传输算法大多集中于点对点系统，本文将其推广到多天线下行系统。基于这三种传输策略的自适应调制算法均是以系统即时总速率最大为目标，在用户QoS（误比特率）与传输功率限制下，进行自适应的功率与比特分配。考虑自适应调制的比

4、特整数限制，最优的比特分配算法复杂度与调制阶数呈指数关系，其复杂度相当可观，因此本文提出了具有线性复杂度但性能损失较小的次优算法。考虑非理想信道信息的影响，发射机仅知道误差信道信息及其二阶统计值，提出了基于信道误差模型的TDMA和迫零预编码的自适应调制算法，并给出了相应的低复杂度算法。仿真表明当信道信息不理想时，总速率下降严重，因此在这种情形下系统应选择以提高性能为目的的空时编码技术作为传输方案。论文然后分析了MIMO下行系统多用户分集调度机制。尽管污纸编码可实现MIMO高斯广播信道的容量域，但其复杂度过高，因此本文主要关注基

5、于多用户调度且可实现与污纸编码相同总速率缩放率的线性预编码的传输策略。当用户信道非同分布时，由于以总速率最大为目标的多用户调度缺乏公平性，提出了一种保障系统公平I华中科技大学博士学位论文的多用户调度策略，物理层应用块对角化预编码将空间信道分解为并行无干扰子信道，链路层基于比例公平调度选择优化用户集，并进行自适应功率、速率分配，从而在有效提高总速率的同时保障公平性。由于最优算法复杂度与用户数呈指数关系，本文提出了复杂度为线性的贪婪算法，而且考虑功率注水分配的复杂性，给出了在高信噪比时基于用户权重分配功率的调度方式。然后，考虑用户

6、数据的随机到达和排队，提出了一种保障系统稳定的跨层调度机制，使用户平均队列长度受限。其基本思想是物理层应用空分多址同时支持多个用户，利用迫零预编码消除用户间干扰，链路层根据用户信道信息和队列状态信息进行调度。当用户业务服从泊松分布时，相比其他调度方式，该机制在兼顾系统总速率的同时保障了系统的稳定，并给出了一种接近最优算法性能的贪婪算法。随着无线宽带业务需求日益增加，要求系统能够支持多种不同业务，提出了一种新颖的MIMO下行系统支持多业务的传输策略。其基本思想是首先为实时用户分配资源，然后从非实时用户中选取最优用户集传输，从而在

7、保障实时业务QoS的同时，最大化系统频谱效率。该方案首先对能否满足实时业务的目标速率作可行性分析，然后进行自适应功率、速率分配，并提出一种性能接近最优算法的贪婪算法。以上内容大多假定基站具有各用户的理想信道信息，系统反馈开销很大。为降低信道信息反馈开销，Sharif等人提出了正交随机波束成型（ORBF）并证明ORBF与DPC编码具有相同总速率渐进缩放率。本文基于ORBF，提出了两种进一步改善性能的自适应传输策略。首先，由于系统用户少时，ORBF总速率与污纸编码差距很大，且其总速率随平均信噪比增长受限，因此提出了一种多用户多波束

8、选择策略，并对波束间功率平均分配和自适应分配分别进行了分析。其基本思想是针对ORBF选定的用户集再次反馈部分信道信息，发射机基于此信息自适应选择优化波束集和用户集，从而有效克服了ORBF的缺点。并探究了发射端天线相关性对该策略的影响，表明随相关系数的增大，该策略与ORBF和白