MIMO下行系統(tǒng)的自適應(yīng)傳輸技術(shù)研究.pdf

1、隨著移動(dòng)通信用戶數(shù)的迅速增長(zhǎng)和各種多媒體業(yè)務(wù)需求的日益增加，現(xiàn)有的頻譜資源已經(jīng)日趨緊張，而多天線(MIMO)技術(shù)可在不額外增加功率和帶寬的條件下成倍增加傳輸速率和大幅改善鏈路質(zhì)量，從而被認(rèn)為是B3G或4G的關(guān)鍵技術(shù)之一。關(guān)于MIMO的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，目前已出現(xiàn)大量的研究工作，相對(duì)而言，MIMO多用戶系統(tǒng)尤其是MIMO下行系統(tǒng)的研究最近幾年才成為熱點(diǎn)。由于寬帶多媒體業(yè)務(wù)多為非對(duì)稱業(yè)務(wù)，傳輸瓶頸多集中于下行鏈路。而且，自適應(yīng)傳輸技術(shù)通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整

2、傳輸參數(shù)與傳輸方案以適配信道信息與業(yè)務(wù)信息，使系統(tǒng)在吞吐率與功率效率等性能上有顯著的改善，因此研究MIMO下行系統(tǒng)的相關(guān)自適應(yīng)傳輸技術(shù)具有重大意義。在此背景下，本文在國(guó)家“十五”863計(jì)劃重大課題“新一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線傳輸鏈路技術(shù)研究(2003AA12331005)”和國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)基礎(chǔ)理論與技術(shù)研究”子課題“基于MIMO-OFDM系統(tǒng)的空中接口自適應(yīng)技術(shù)研究(60496310)”以及“十一五”國(guó)家86

3、3項(xiàng)目“具有公平性與QoS保障的高效MIMO-OFDM傳輸技術(shù)研究”(2006AA01Z277)的資助下，以MIMO高斯廣播信道的信息論結(jié)果為指導(dǎo)，研究了MIMO下行系統(tǒng)中自適應(yīng)調(diào)制、多用戶分集調(diào)度策略、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)同時(shí)傳輸以及部分信道信息下的自適應(yīng)傳輸策略等問題。
　　 本文分析和闡述了基于TDMA、迫零預(yù)編碼和迫零污紙編碼三種不同MIMO下行系統(tǒng)傳輸策略的自適應(yīng)調(diào)制算法，TDMA指每個(gè)調(diào)度時(shí)隙僅傳輸信道質(zhì)量最好的用戶

4、，后兩者可支持多個(gè)用戶的同時(shí)傳輸。目前自適應(yīng)傳輸算法大多集中于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)，本文將其推廣到多天線下行系統(tǒng)。基于這三種傳輸策略的自適應(yīng)調(diào)制算法均是以系統(tǒng)即時(shí)總速率最大為目標(biāo)，在用戶QoS(誤比特率)與傳輸功率限制下，進(jìn)行自適應(yīng)的功率與比特分配。考慮自適應(yīng)調(diào)制的比特整數(shù)限制，最優(yōu)的比特分配算法復(fù)雜度與調(diào)制階數(shù)呈指數(shù)關(guān)系，其復(fù)雜度相當(dāng)可觀，因此本文提出了具有線性復(fù)雜度但性能損失較小的次優(yōu)算法。考慮非理想信道信息的影響，發(fā)射機(jī)僅知道誤差信道信息及

5、其二階統(tǒng)計(jì)值，提出了基于信道誤差模型的TDMA和迫零預(yù)編碼的自適應(yīng)調(diào)制算法，并給出了相應(yīng)的低復(fù)雜度算法。仿真表明當(dāng)信道信息不理想時(shí)，總速率下降嚴(yán)重，因此在這種情形下系統(tǒng)應(yīng)選擇以提高性能為目的的空時(shí)編碼技術(shù)作為傳輸方案。
　　 本文分析了MIMO下行系統(tǒng)多用戶分集調(diào)度機(jī)制。盡管污紙編碼可實(shí)現(xiàn)MIMO高斯廣播信道的容量域，但其復(fù)雜度過(guò)高，因此本文主要關(guān)注基于多用戶調(diào)度且可實(shí)現(xiàn)與污紙編碼相同總速率縮放率的線性預(yù)編碼的傳輸策略。當(dāng)用戶信

6、道非同分布時(shí)，由于以總速率最大為目標(biāo)的多用戶調(diào)度缺乏公平性，提出了一種保障系統(tǒng)公平的多用戶調(diào)度策略，物理層應(yīng)用塊對(duì)角化預(yù)編碼將空間信道分解為并行無(wú)干擾子信道，鏈路層基于比例公平調(diào)度選擇優(yōu)化用戶集，并進(jìn)行自適應(yīng)功率、速率分配，從而在有效提高總速率的同時(shí)保障公平性。由于最優(yōu)算法復(fù)雜度與用戶數(shù)呈指數(shù)關(guān)系，本文提出了復(fù)雜度為線性的貪婪算法，而且考慮功率注水分配的復(fù)雜性，給出了在高信噪比時(shí)基于用戶權(quán)重分配功率的調(diào)度方式。然后，考慮用戶數(shù)據(jù)的隨機(jī)到

7、達(dá)和排隊(duì)，提出了一種保障系統(tǒng)穩(wěn)定的跨層調(diào)度機(jī)制，使用戶平均隊(duì)列長(zhǎng)度受限。其基本思想是物理層應(yīng)用空分多址同時(shí)支持多個(gè)用戶，利用迫零預(yù)編碼消除用戶間干擾，鏈路層根據(jù)用戶信道信息和隊(duì)列狀態(tài)信息進(jìn)行調(diào)度。當(dāng)用戶業(yè)務(wù)服從泊松分布時(shí)，相比其他調(diào)度方式，該機(jī)制在兼顧系統(tǒng)總速率的同時(shí)保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定，并給出了一種接近最優(yōu)算法性能的貪婪算法。
　　 本研究提出了一種新穎的MIMO下行系統(tǒng)支持多業(yè)務(wù)的傳輸策略。其基本思想是首先為實(shí)時(shí)用戶分配資源，然

8、后從非實(shí)時(shí)用戶中選取最優(yōu)用戶集傳輸，從而在保障實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)QoS的同時(shí)，最大化系統(tǒng)頻譜效率。該方案首先對(duì)能否滿足實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的目標(biāo)速率作可行性分析，然后進(jìn)行自適應(yīng)功率、速率分配，并提出一種性能接近最優(yōu)算法的貪婪算法。以上內(nèi)容大多假定基站具有各用戶的理想信道信息，系統(tǒng)反饋開銷很大。為降低信道信息反饋開銷，Sharif 等人提出了正交隨機(jī)波束成型(ORBF)并證明ORBF與DPC編碼具有相同總速率漸進(jìn)縮放率。本文基于ORBF，提出了兩種進(jìn)一步改善性

9、能的自適應(yīng)傳輸策略。首先，由于系統(tǒng)用戶少時(shí)，ORBF總速率與污紙編碼差距很大，且其總速率隨平均信噪比增長(zhǎng)受限，因此提出了一種多用戶多波束選擇策略，并對(duì)波束間功率平均分配和自適應(yīng)分配分別進(jìn)行了分析。其基本思想是針對(duì)ORBF選定的用戶集再次反饋部分信道信息，發(fā)射機(jī)基于此信息自適應(yīng)選擇優(yōu)化波束集和用戶集，從而有效克服了ORBF的缺點(diǎn)。并探究了發(fā)射端天線相關(guān)性對(duì)該策略的影響，表明隨相關(guān)系數(shù)的增大，該策略與ORBF和白化ORBF相比性能改善越明顯