單用戶和多用戶有限反饋系統(tǒng)中波束形成技術(shù)研究.pdf

1、無線通信技術(shù)和無線接入技術(shù)的快速發(fā)展,對先進傳輸技術(shù)提出了越來越高的要求,如何提高系統(tǒng)頻譜效率和鏈路容量已成為無線通信系統(tǒng)設(shè)計面臨的一個巨大挑戰(zhàn)。MIMO(Multipie Input Multipie Output)技術(shù)的使用已成為無線通信系統(tǒng)中一個最顯著的特點,它能在不增加帶寬與功率的情況下成倍地提高無線通信系統(tǒng)的容量和頻譜效率。波束形成(Beamforming,BF)則是MIMO的一種關(guān)鍵技術(shù),它即使在有限反饋條件下,仍可以獲得逼

2、近MIMO系統(tǒng)需要精確信道狀態(tài)信息(Channel State Infromation,CSI)時才能達到的容量,使系統(tǒng)有效性與可靠性都得到顯著地提高,可以滿足第四代移動通信系統(tǒng)所要求的高頻譜效率和系統(tǒng)容量的要求。
　　 本文主要研究了單用戶和多用戶有限反饋系統(tǒng)中的波束形成技術(shù)。首先回顧了無線通信的基本知識:多徑衰落和典型的無線信道模型、MIMO系統(tǒng)介紹、多用戶分集技術(shù)和MIMO系統(tǒng)中的波束形成技術(shù)、以及單用戶和多用戶有限反饋系

3、統(tǒng)中的用戶調(diào)度算法:接下兩章主要研究了單用戶有限系統(tǒng)中的波束形成技術(shù)和多用戶有限反饋系統(tǒng)中的波束形成技術(shù),并提出了幾種有效的波束形成算法和方案。主要創(chuàng)新點在于:
　　 (1)、針對隨機波束形成(Random Beamforming,RBF)在少用戶場景下系統(tǒng)性能下降和特征波束形成(Eigen Beamforming,EBF)在多用戶下需要大量反饋信息的問題,提出基于環(huán)境感知的系統(tǒng)絕對值代價函數(shù)動態(tài)調(diào)度天線工作模式的波束形成方案。

4、系統(tǒng)在RBF和EBF形成兩種天線模式下動態(tài)進行切換,在少用戶下明顯改善系統(tǒng)性能,而在多用戶時保證系統(tǒng)性能的同時減少反饋量,從而最優(yōu)化無線通信系統(tǒng)性能。
　　 (2)、針對實際MIMO系統(tǒng)無線信道存在的空域相關(guān)性,和發(fā)射端對反饋CSI的精度很敏感、需要存儲大量瞬時變化信道信息等問題,提出了一種基于相關(guān)信道統(tǒng)計的改進算法。基于此算法,并采用隨機碼本量化信道信息形成一種新波束形成方案,解決了常規(guī)波束形成需要大量信道反饋信息和相干機會波

5、束形成系統(tǒng)性能對信道瞬時變化信息敏感的問題。提出方案在相關(guān)信道下相當(dāng)有效,其性能超過常規(guī)波束形成,即使在有限反饋限制條件下,其性能辦接近相干機會波束的性能。該方案不僅可以大量降低系統(tǒng)反饋量,且對CSI反饋具有更強的魯棒性,同時能更好利用空域相關(guān)性。
　　 (3)、為了降低系統(tǒng)反饋量和提高系統(tǒng)性能,提出一種基于信道質(zhì)量干擾比(Quality-to-Interference Ratio,QIR)為量化標準的新波束形成方案。該量化準則

6、可以同時保證量化信道質(zhì)量和使其子信道之間互干擾最小,它比傳統(tǒng)量化準則具有更優(yōu)良的性能:并采用DFT(Discrete Fourier Transform)基作為碼本量化CSI。最后仿真驗證該方案在有限反饋條件下,總體性能優(yōu)于RBF,且在低信噪比場景下優(yōu)于EBF,大大改善了系統(tǒng)性能。因此,該方案在有限反饋條件下保證系統(tǒng)總體性能。
　　 (4)、針對目前存在的波束形成技術(shù)很少涉及同時兼顧系統(tǒng)容量和誤碼率性能,以改善系統(tǒng)總體性能方案的

7、研究。提出基于等效信道特征值積(Eigen ValuesProduct,EVP)為量化準則的一種新波束形成方案,并給出了等效信道特征值積量化準則的計算公式,它能同時兼顧系統(tǒng)信道容量和誤碼率,相比較于僅考慮信道容量或者系統(tǒng)誤碼率的傳統(tǒng)量化準則更具優(yōu)勢。通過計算機仿真驗證該方案可以明顯同時改善系統(tǒng)誤碼率和信道容量,因此它是一種比較好的波束形成方案。
　　 最后,還詳細研究了多用戶分集和精確CSI對多用戶有限反饋系統(tǒng)的影響,并從實驗角

8、度對其詳細仿真和驗證,驗證各個參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。此外,介紹和分析了兩種典型多用戶有限反饋系統(tǒng)的波束形成技術(shù):每用戶速率控制(Per Unitary basisstream User and Rate Control,PU2RC)和迫零波束形成(Zero-Forcing Beamforming,ZFBF),借鑒目前研究成果,從理論和實驗兩方面進行了詳細的分析。
　　 總之,提出這些波束形成算法和方案有效解決了目前單用戶和多用戶