新一代移動通信系統(tǒng)MIMO關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)無線通信系統(tǒng)是指在無線通信系統(tǒng)中，發(fā)射端和接收端配置多個天線單元進行數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收。MIMO無線通信系統(tǒng)的優(yōu)點是在保持單輸入單輸出(Single-Input Single-Output，SISO)無線通信系統(tǒng)資源(時、頻、碼)不變的條件下，引入新的系統(tǒng)資源——空間資源，使無線通信系統(tǒng)在不增加額外帶寬和功率的條件下可以極大地提高系統(tǒng)信道容量并增強系統(tǒng)的

2、可靠性傳輸。MIMO作為第四代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)得到了廣泛和深入的研究。本文研究的MIMO系統(tǒng)模型包括單用戶MIMO系統(tǒng)(Single User MIMO，SU-MIMO)、多用戶MIMO系統(tǒng)(Multiple User MIMO，MU-MIMO)、單中繼MIMO系統(tǒng)(Single Relay MIMO，SR-MIMO)和多中繼MIMO網(wǎng)絡(luò)(Multiple Relay MIMO，MR-MIMO)等。 在SU-MIMO系統(tǒng)中

3、，主要研究了基于TAS/MRC(Transmit antennaselection/Maximum ratio combining)的天線選擇方案在兩種場景下的系統(tǒng)性能。一種場景是理想反饋環(huán)境，即發(fā)射端已知信道瞬時信息；另一種場景是非理想反饋環(huán)境，發(fā)射端可獲得具有一定時延的信道信息。論文首先分析了TAS/MRC方案在理想反饋環(huán)境下系統(tǒng)的性能；其次，推導(dǎo)了TAS/MRC方案在非理想反饋環(huán)境下反饋延時與系統(tǒng)性能的解析關(guān)系式。理論分析和數(shù)值仿

4、真均表明了非理想反饋對TAS/MRC系統(tǒng)的性能會造成很大的衰減。 在有限用戶數(shù)的場景下，首先研究了MU-MIMO中采用迫零波束成形(Zero-Forcing Beam-Forming，ZFBF)方案和正交線性波束成形(OrthogonalLinear Beam-Forming，OLBF)方案時MU-MIMO的和容量。為了進一步提高MU-MIMO在中低信噪比環(huán)境下MU-MIMO和容量，提出了基于子空間分解的正交線性波束成形(Sub

5、space decomposition based OLBF，SOLBF)方案，推導(dǎo)了在SOLBF方案下MU-MIMO的和容量。通過理論分析得出了MU-MIMO系統(tǒng)在有限用戶數(shù)及高發(fā)射信噪比環(huán)境下，ZFBF方案可取得最大的空分復(fù)用增益的結(jié)論；在有限用戶數(shù)及低發(fā)射信噪比環(huán)境，OLBF可取得比ZFBF更大的空分復(fù)用增益；在有限用戶數(shù)及中低發(fā)射信噪比環(huán)境下，SOLBF可取得最大的空分復(fù)用增益。數(shù)值仿真驗證了在中低發(fā)射信噪比環(huán)境下，在上述三種方

6、案中，SOLBF可取得最好的系統(tǒng)性能。 在SR-MIMO系統(tǒng)中，研究了基于信道信息的線性中繼方案的設(shè)計。首先研究了迫零(Zero-Forcing，ZF)中繼方案及其系統(tǒng)可獲得的和容量。為了獲得更高的系統(tǒng)和容量，論文設(shè)計了基于最大和容量的最優(yōu)線性中繼方案(Optimal LinearRelay Scheme，OLRS)。和ZF中繼方案相比較，OLRS方案不僅可以消除多用戶數(shù)據(jù)間的干擾(Multi-user Interference

7、，MUI)，而且還可以實現(xiàn)用戶間信道的對齊和中繼節(jié)點處的最優(yōu)功率分配。數(shù)值仿真驗證了OLRS方案的性能要優(yōu)于ZF中繼方案及傳統(tǒng)的線性中繼方案(如AF和MF)。 在MR-MIMO系統(tǒng)中，假設(shè)多個中繼節(jié)點之間相互獨立，中繼節(jié)點之間沒有進行信息共享，論文研究了MR-MIMO系統(tǒng)中各中繼節(jié)點基于其前向信道信息和反向信道信息的三種線性中繼方案(ZF-ZF、BD-QR、BD-MZ)的設(shè)計，理論分析了MR-MIMO系統(tǒng)在ZF-ZF、BD-QR