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基于多用户分集技术的高性能MIMO传输系统分析.pdf

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华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 多用户分集是多用户无线通信中固有的分集。不同用户经历的衰落不一样,因此某个用户经历深衰落的同时,另外的用户可能有很好的信道质量。基于这样的事实,利用多用户分集可以有效提高系统性能。多用户分集增益的大小与信道动态变化的快慢有关,因此在稀少散射物和慢衰落的环境下,多用户分集增益将受到限制。当信道缓慢变化时,随机波束形成技术使得信道变化更加剧烈,从而提高多用户分集。此外,自适应波束形成需要知道信道状态信息,而在多用户环境,随机波束形成技术通过利用多用户分集在更少的反馈信息的条件下逼近多天线 系统需要完全信道状态信息时才能达到的容量。 本文对 MIMO 与多用户分集 的关键技术 进行了 归纳比较 。 对相关的随机波束成形技术进行了研究传统的 多天线 发射机 ,每个时隙服务单用户的随机波束形成技术;多波束的随机波束形成技术;基于信道记忆的随机波束形成技术;随机多入多出技术 。在分析了现有的随机波束成形技术后,提出了一种基于固定用户数目反馈的波束成形机制( FNU-OBF) ,它可以自由的控制系统的反馈开销与容量,从而节省系统资源,并适应多速率的业务要求,同时在容量性能上较之传统的波束成形技术也有显著提高。随后针对多用户环 境下的多天线系统的上行 链路中的两种接入方式 基于 SIC原理的接入方式和传统的正交多址接入方式进行了分析与 理论推导,得出了两者性能对比图,针对两种方案的优缺点,提出了基于正交原理的 SIC 接入方式 OM-SIC, 它 保持了优秀的容量性能的同时改进了接收机的复杂度 。最后, 针对多用户环境下的多天线系统的下行链路中的系统中断概率研究情况进行分析 ,提出了一种基于门限的中断概率机制, 并 进行了详细的数学推导 和 仿真 分析 。 仿真结果表明 FNU-OBF 通过每个时隙更新判决门限 η的值来 控制反馈信道信息的用户数目,使最终被使用的波束 数目随 其 变化,从而 达 到控制反馈开销和速率选择的效果 ; 对于上行链路的接入方式,在理论上, OM-SIC 方式接入方案的系统总容量和对称容量保持了基于 SIC原理方式的优越性能,同时又改进了它的接收机设计复杂度;对于下行链路,多用户系统加大中断概率时,使发送请求速率信息的用户数目增多,起到了减少系统时延的效果,又使得系统中断容量降低,而且 系统的中断容量 随 天线数目变大而增长。 关键词 多 输 入多 输 出 ; 多用户分集 ; 随机波束成形 ; 蒙特卡罗仿真 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Multiuser diversity is an inherent diversity in wireless communication network. Different users experience different channel fadings. When one experiences a deep fading, others may have good channel quality. Based on this observation, the system perance can be improved by exploiting the multiuser diversity. The multiuser diversity gain is determined by the dynamic range of the fluctuation and is thus limited in the environment with little scattering and/or slow fading. In such environment, the opportunistic beaming is proposed to induce large and fast channel fluctuations so that multiuser diversity can be still exploited. Besides, the adaptive beaming requires the full channel state ination. In multiuser environment, opportunistic beaming can be used to achieve beaming gain and multiuser diversity gain using reduced feedback overhead. In this thesis, the basic concepts of MIMO and the key technologies of multiuser diversity are concluded and compared. The existing opportunisitc beaming schemes are analysed respectively the conventional opportunistic beaming which employs multiple antennas at the transmitter and serves one user at each slot; the opportunistic beaming with multiple beams; the memory-based opportunistic beaing which exploits the channel memory of slow fading channels; and the opportunisitc MIMO. After analysing the existing opportunisitc beaming schemes, a new scheme based fixed number of users who feedback CSIFNU-OBF is proposed, the feedback outage and capcity can be controlled freely to save resource and fulfil the requirement of multi-rate service by the scheme, in addition, the capcity of the scheme is also improved greatly compared to the traditional scheme. Then, the mathematics model about the two access schemes of the uplink in the multiuser environment access scheme based on SIC principle and orthogonal multiple access are analysed and derived, and the contrastive figures of perances are obtained, the perance of er is better than the latter. Considering the feature of these two schemes, a new access scheme called OM-SIC is proposed, which keeps the excellent perance and reduces the complexity of receiver. Finally, the existing researchs about outage probability of the downlink in multi-antenna and multiuser environment are sumed up and analysed. Then a threshold-based scheme is proposed, the delay and capacity can be controlled by adjusting outage probability, and its 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III mathematics model is derived and simulated detailedly. The simulation results show that, by using FNU-OBF, the number of users who feedback CSI can be adjusted by updating the value of threshold η at each slot, and the number of beams which will be used changes with it, then the purpose of controlling feedback outage and selecting rate can be implemented; in uplink, the excellent perance of the total capacity and symmetry capacity of the system is keeped by the OM-SIC scheme, besides complexity of receiver is improved; otherwise, in downlink, when the outage probability is increased, the average number of the users which transmit requested rates become large, and the delay of system is reduced, outage capacity is also decreased simultaneously, besides, the outage capacity is increased with the number of transmission antennases. Keywords MIMO; Multiuser diversity; opportunistic beaming; Monte Carlo Simulation 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IV 目 录 摘 要 ·················································································· I ABSTRACT ··········································································· II 1 绪论 1.1 B3G 无线通信系统 概述 ···················································· 1 1.2 B3G 系统的主要技术及研究现状 ········································ 3 1.3 本文主要内容及章节安排 ·················································· 4 2 多天线技术的理论基础 2.1 未来无线通信系统发展的特点 ············································ 6 2.2 多入多出( MIMO)系统模型 ············································ 8 2.3 MIMO 系统的容量分析及特 点 ··········································· 8 2.4 MIMO 系统的关键技术 ·················································· 12 2.5 本章小 结 ···································································· 15 3 多用户分集技术的研究 3.1 多用户分集技术的特点 ·················································· 16 3.2 公平调度与多用户分集 ·················································· 19 3.3 多波束的机会波束成形 ·················································· 24 3.4 基于信道记忆的随机波束成形 ·········································· 26 3.5 随机 MIMO ································································· 29 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 V 3.6 基于固定用户数目反馈的波束成形机制 ······························ 32 3.6 本章小结 ···································································· 38 4 基于多用户分集的上下行链路特性研究 4.1 多用户分集的主要问题 ·················································· 39 4.2 上行链路中 的高性能接入技术研究 ···································· 40 4.3 一种新型接入方式 OM-SIC 的性能分析及比较 ····················· 43 4.4 下行链路中的中断概率的性能研究 ···································· 46 4.5 使用门限值的速率反馈机制 ············································· 49 4.6 本章小结 ···································································· 53 5 总结与展望 5.1 全文总结 ···································································· 54 5.2 对下一步研究的建议和展望 ············································· 54 致 谢 ·············································································· 56 参考文献 ··········································································· 57 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 无线移动通信经过几十年的发展,深刻地影响和改变着人们的生产生活方式。未来的无线移动通信系统将能够实现人们在任何时间、任何地点、和任何人 以任何方式进行通信的愿望。为了达到这一目标,各种各样的通信新技术层出不穷,如何利用有限的频谱资源提供高速可靠的宽带数据业务更是成为当前学术界和产业界所关心的焦点。本论文所要研究的正是宽带无线移动通信系统中极其重要的 系统容量及频谱利用率的相关 技术。 1.1 B3G 无线通信 系统 概述 移动通信用户的增长远远超过了人们的预期,其业务也从面向语音通信转变为面向多媒体数据通信。人们期望未来的无线便携终端数量会超过目前计算机联网的数量。目前,在大蜂窝移动环境中,数据发送速率只有 10kbps 左右。尽管第三代移动通信系统 ( 3G,即 IMT-2000) 的目标是在宏蜂窝环境下提供 144384Kbps 的信息传输速率,在微蜂窝环境中提供 Mbps 量级的传输速率,但是这一发展目标与宽带多媒体业务的发展需求相比还相差甚远,而且远远不能满足人们对未来移动通信的要求。 3G 系统所面临的另一个重要问题是系统中存在多种无线接入方式,由于利益的冲突,这些接入技术使用不同的标准,通过对国际电联建议的空中接口标准 WCDMA、CDMA2000、 TD-SCDMA 的分析可以看到,这些标准在无线传输技术上存在较大差别,因此很难实现网络之间的无缝切换和漫游。 为了适应未来 通信发展的需求, ITU 开始将目光放到 3G 以后的无线通信系统上,1992 年 12 月 ITU-R 成立了工作小组 [5],负责规划未来移动通信系统的发展,至此掀起了研究热潮,欧盟和日本分别制定了 IST( Ination Sociaty Technology) 加 e-Japan计划,积极开展 B3G 的研究工作 ; 韩国情报通信部委托韩国电子通信研究院 ( ETRI)成立了远景研究委员会,统筹部署国内的 B3G 研究以及国际合作。中国在“十五”计划中也投入了大量资金着手研究基于多载波和正交频分多路复用 ( OFDM) 的第四代无线移动通 信系统 [6],这些都将极大地影响着未来无线通信系统发展的方向。目前的研究机构通常将下一代移动通信系统统称为后三代移动通信系统 ( B3G) 或第四代移动通信系统 ( 4G) 。 按照 ITU-R 的设想,从当前存在的无线接入网平稳、平滑地演进是 4G 的一个主要特征。 ITU-R 进一步期望能够开发出新的无线接入技术,具有自适应接口能力的高华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 速数据传输无线接口。这两个方面使得用户不必关心在某一个位置和时间所采用的技术,但是能够得到最好的服务。概括讲 [7],下一代移动通信系统的开发包括两个方面一个是对现存无线网的集成和融合,另一个是开 发新的无线接口技术。 随着移动通信技术和 Internet 技术的不断发展和结合,下一代移动通信系统和Internet 网将会逐渐融合为一体。下一代移动通信系统将是多功能集成的宽带移动通信系统,在业务上、功能上、频带上都与第三代系统不同,将在不同的有线网络和无线网终平台及跨越不同频带的网络运行中提供无线服务,比第三代移动通信更接近于个人通信。在下一代移动通信系统中,用户能够将使用各种各样的移动设备接入其中,从而使得各种不同的接入系统结合成一个公共的平台 [8][9],如图 1-1 所示,它们互相补充、互相协作以满足不同 的业务要求,移动网络服务趋于多样化,最终将演变为社会上多行业、多部门、多系统与人们沟通的桥梁。 基 基 基 基 基 基 基 基2 G 基 基I M T - 2 0 0 0基 基 基 基 基基 基 x D S L基 基 基 基基 基 基 基 基基 基 基 基 基基 基 基 基 基基 基基 基基 基基 基图 1-1 B3G 系统的网络结构 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 1.2 B3G 系统的主要技术 对于 B3G 系统, 从技术角度来说,在宽带无线接入系统中,存在两个主要的问题一是无线信道的多径效应会引起严重的符号间干扰 ( ISI), 二是有限的频谱资源大大限制了系统的容量。因此为了实现 B3G 系统的目标,满足高带宽业务对系统容量的需求,必须开发能够有效 利用频谱的新技术。 B3G/4G 系统应该包含与 IMT-2000 以及增强型 3G 系统本质上不同的技术。这是因为 B3G/4G 无线移动通信系统的峰值速率至少需要达到 20100Mbps,是 3G 系统的1050 倍。如果只是简单重复和 3G 系统完全相同的技术,那么发射功率就要提高到3G 系统的 1050 倍,这会使电磁干扰问题达到无法忍受的地步。所以必须在 B3G/4G系统中引入多天线环境,即构成多输入多输出系统 MIMO,并采用与之相关的空时信号处理技术,从而达到大幅度降低发射功率,提高频谱利用率的目的。另一方面,在 3G 系 统中广为使用的 DS-CDMA 技术也由于对带宽的巨大需求而无法在 B3G/4G系统中直接使用。而正交频分复用 OFDM技术以其对抗频率选择性衰落的优势和高频谱效率而备受推崇,所以基于 OFDM 和多载波与 CDMA 或 TDMA 相结合的技术将是较具竞争力的空中接口技术。 基于上述特点, MIMO 和 OFDM 技术自提出以来就引起了普遍关注,且各自都已得到广泛研究与应用。 ITU-R WP8F 一对无线接入技术趋势的研究表明,下列技术将会在 B3G 系统中得到广泛应用 [10] 1) OFDM 技术 OFDM 本质上是一种多载波数字调制技术 ,其基本原理就是把高速 的数据流通过串并变换,分配到传输速率相对较低的若干个正交子信道中进行传 输,从而消除时间弥散信道 ( 频率选择性信道 ) 上严重的符号间干扰( Inter-symbol-Interference,ISI) 。 OFDM 的概念是 Doelz 在 1957 年提出的 [11], 1971年, Weinstein 和 Ebert 用 IDFT/DFT[12]实现了 OFDM 的调制与解调,但是因为系统的实现比较复杂,该技术一直没有得到广泛应用。随着 DSP 和 RF 技术的进步,到了二十世纪九十年代, OFDM 技 术开始应用到一些标准的系统中,比如 DAB、DVB、 HIPERLAN 和 IEEE802.11[13][14][15][16]系统等。与传统的串行调制方案相比 [17], OFDM 不但实现简单,而且具有频谱效率高,抗多径干扰能力强等优点。当然, OFDM 也带来了新的问题。这些问题包括 较高的峰值平均功率比 ( 非线性放大问题 )、 时频同步困难 ( 特别是上行链路的子载波同步问题 )、 对频率偏移比较敏感等。随着研究的深入和技术的广泛应用,这些问题正 在 被解决 。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 2) 智能天线技术 智能天线也叫自适应天线,它可以利用信号在传输方向上的 差 别, 将同频率或同时隙、同码道的信号进行区分,动态改变信号的覆盖区域 ,使主波束对准用户方向,旁瓣或零陷对准干扰信号方向,并能够自动跟踪用户和监测环 境变化,为每位用户提供优质的上行链路和下行链路信号,从而达到抑制干扰、准确提取有效信号的目的 [18]。因此也可以把智能天线技 术看作一种空分多址( SDMA) 技术。出于体积和成本的考虑,目前只在基站侧接入网络侧安装智能天线。 3) MIMO( Multiple Multiple Output)技术 为无线通信系统的发射机和接收机分别安装多副天线,可以构成 MIMO 系统。 MIMO 系统的核心思想是空时信号处理 [19][20],即在原来时间维的基础上,通过使用多副天线来增加空间维,从而实现多维信号处理,获得空间分集增益 [21]和空间复用增益。研究表明 [22][23],在富散射的环境中,系统的链路容量随着天线数的增加正比例增长,这些增加的信道容量可以用来提高信息传输速率,增加系统的有效性,也可以作为信息的冗余度改善系统的传输可靠性,或者在有效性和可靠性之间取得一个合理的折衷。 4) 软件无线电( SDR) 软件无线电使得系统具有灵活性和适应性,能够适应不同的网络和空中接口。软件无 线电技术能支持采用不同空中接口技术的多模式手机和基站,能实现各种应用的可变 QoS。软件无线电技术有助于不同标准和系统的融合。在 B3G中采用软件无线电技术,可以实现单一终端在各个不同系统之间的漫游,为系统共存和频谱共享提供了可能 。 5) 频谱共享技术 在 B3G 系统中存在多种无线接入技术,不同接入系统的业务负荷因时间和地点动态变化,如果采用频谱共享技术,动态地为系统分配频谱,而不是为特定的接入系统分配固定的频谱,能够使有限的频谱资源得到高效的使用 SDR 技术为频谱共享技术提供了技术保证,它能够使多模终端和系统方便地调 谐到不同的频率上。遗憾的是,许多频段已经被固定分配给商用的系统,动态频谱分配技术的实施面临较多的困难 。 1.3 本文 背景 及章节安排 在未来无线通信系统中,多天线技术可以极大的提高频谱利用率,因此成为未来华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 无线通信领域的一个不可或缺的技术 ,而单用户 MIMO 容量的理论研究已经比较深入, 但都是从点对点的角度来分析单个用户, 在 对总体的系统性能 改善上 没有一个很好的反映 ; 而 与此同时 , 随着社会发展,移动通信的用户数目逐渐增多, 从系统级的角度出发研究 多用户环境下 的 系统性能也 慢慢的成为 另一个热点 [46], 并且 在下行链路的研究上已经有了 较为成熟的数学模型 [33]。 因此 , 将两者结合的 多用户环境下的 多天线通信系统的研究具有极大的潜力 。 在本文中, 对已有的波束成形技术进行了分析对比,并提出了一种基于固定用户数目反馈的波束成形机制,在系统容量、反馈开销、速率调整等性能都有较大的改进。此外 对多用户 MIMO 系统中上行链路的接入方式和下行链路的中断容量 也 进行了研究,并且提出了一种新的 OM-SIC 接入方式,以及一种下行链路中基于门限的速率反馈机制。通过新的接入方式,可以在保持优越的系统容量的条件下改善接收机复杂度,通过这种基于门限的速率反馈机制,可以调整系 统的中断率从而控制时延及中断容量等指标。 本文章节安排如下 第一章对 B3G 无线通信网络 的 基本概念及其主要技术 进行介绍。 第二章对 以多天线理论为基础的 MIMO 通信系统 概念 进行 研究 ,并且阐述了MIMO 系统容量的数学模型,最后对与之相关的技术做了分析比较 。 第三章研究了基于多天线技术下的多用户分集技术 , 首先分析了现有的多用户分集技术的数学模型,并对它们的优缺点进行了比较, 并提出了 一种基于固定用户数目反馈的波束成形机制,它提高了经典波束成形的容量性能,另外可以自由调整系统的反馈开销以及系统容量,从而满足未来通信 系统的多速率业务要求 。 第四章分析了多用户分集技术中的主要问题 。对具体上行链路中的两种接入方式在特定的环境下进行了数学推导,并 进行 仿真,然后 对上行链路 提出了 基于正交原理的 SIC 接入方式 OM-SIC, 通过仿真证明 在容量和接收机复杂度两项指标 上优于已有的两种方案 ;对下行链路中的中断概率问题进行了数学分析,提出一个基于门限的速率反馈机制, 对中断容量、平均发送请求速率的用户数目等性能指标 进行了数学推导及仿真。 第五章对本文进行了总结,并对 此方向 今后的研究进行了展望。
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