無(wú)線MIMO系統(tǒng)中線性預(yù)編碼在ARQ重傳時(shí)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及多用戶(hù)調(diào)度研究.pdf

1、多輸入多輸出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)無(wú)線通信系統(tǒng)由于采用多天線技術(shù)，在相同帶寬和相同發(fā)送功率條件下能獲得更大的系統(tǒng)容量，所以近年來(lái)一直受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。作為一種可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，線性預(yù)編碼可以有效發(fā)掘MIMO系統(tǒng)的分集增益和復(fù)用增益，目前越來(lái)越受到新一代無(wú)線通信系統(tǒng)的青睞。同時(shí)，新一代無(wú)線通信系統(tǒng)會(huì)采用自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求(Automatic Repeat reQuest，ARQ)技術(shù)來(lái)

2、進(jìn)行差錯(cuò)控制，以提高無(wú)線鏈路的可靠性。因此線性預(yù)編碼和ARQ重傳的聯(lián)合優(yōu)化就成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。本論文分別針對(duì)單用戶(hù)MIMO系統(tǒng)和多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)上行鏈路，聯(lián)合設(shè)計(jì)ARQ重傳時(shí)的線性預(yù)編碼，提高系統(tǒng)性能。多用戶(hù)調(diào)度也是新一代無(wú)線通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。所以本論文還將研究多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)下行鏈路中的用戶(hù)調(diào)度問(wèn)題，提出新的用戶(hù)選擇算法，并給出相應(yīng)的理論分析。 在實(shí)際的MIMO系統(tǒng)中，信道估計(jì)誤差往往無(wú)法避免。在第二章，我們針對(duì)

3、單用戶(hù)MIMO系統(tǒng)中ARQ重傳機(jī)制，采用跨層設(shè)計(jì)思想，研究非理想信道估計(jì)條件下的線性預(yù)編碼。利用信息論，我們推導(dǎo)出當(dāng)信道估計(jì)存在誤差時(shí)MIMO ARQ系統(tǒng)容量的上界和下界。理論分析表明在高信噪比時(shí)，MIMOARQ系統(tǒng)容量受限于信道估計(jì)誤差的大小。由于信道估計(jì)誤差條件下MIMOARQ系統(tǒng)容量的精確表達(dá)式還未知，為簡(jiǎn)化處理，我們把推導(dǎo)得到的容量下界作為優(yōu)化目標(biāo)，提出次優(yōu)的序貫線性預(yù)編碼設(shè)計(jì)方案。仿真結(jié)果表明新方案可以獲得良好的性能。

4、 第三章從單用戶(hù)MIMO系統(tǒng)轉(zhuǎn)到多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)，研究MIMO上行鏈路中ARQ重傳和線性預(yù)編碼的聯(lián)合優(yōu)化。我們的目標(biāo)是根據(jù)ARQ和MIMO的技術(shù)特點(diǎn)，把它們有效融合，充分發(fā)掘ARQ技術(shù)的重傳分集和多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)的自由度，提高M(jìn)IMO系統(tǒng)上行鏈路的性能。具體講，系統(tǒng)根據(jù)所有用戶(hù)的傳輸狀況和信道信息聯(lián)合設(shè)計(jì)每個(gè)用戶(hù)的線性預(yù)編碼器，然后通過(guò)無(wú)差錯(cuò)的理想信道通知給相應(yīng)用戶(hù)，同時(shí)基站對(duì)用戶(hù)多次傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)。以最大化所有用戶(hù)和容量(

5、Sum Capacity)為準(zhǔn)則，我們提出兩種迭代算法來(lái)計(jì)算ARQ重傳時(shí)的線性預(yù)編碼矩陣。仿真結(jié)果表明我們提出的算法不僅能有效提高系統(tǒng)的和容量，而且能提高每個(gè)用戶(hù)的最大傳輸速率。 從第四章開(kāi)始，我們關(guān)注MIMO下行鏈路中的多用戶(hù)調(diào)度。針對(duì)采用塊對(duì)角化算法的MIMO下行鏈路，我們以最大化系統(tǒng)和容量為優(yōu)化目標(biāo)，研究低復(fù)雜度的多用戶(hù)選擇算法。傳統(tǒng)的多用戶(hù)選擇算法直接挑選活動(dòng)用戶(hù)(ActiveUser)，而我們采用多用戶(hù)特征子空間傳輸方

6、案，它基于用戶(hù)特征予信道的選擇來(lái)間接地確定活動(dòng)用戶(hù)。我們利用矩陣Moore-Penrose廣義逆的迭代計(jì)算方法來(lái)減少奇異值分解的運(yùn)算次數(shù)，提出低復(fù)雜度的子信道選擇算法。和對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)算法相比，新算法不僅可以大大降低計(jì)算復(fù)雜度，而且還能獲得相同的性能。同時(shí)我們進(jìn)一步證明，從標(biāo)度定律(Scaling Law)的角度看，基于用戶(hù)主特征子信道的傳輸方案可以獲得漸進(jìn)最優(yōu)的性能。根據(jù)這一原理，我們把算法的搜索空間局限于用戶(hù)的主特征子信道，提出低復(fù)雜度

7、的多用戶(hù)主特征子信道選擇算法，以較小的性能損失，使算法的計(jì)算復(fù)雜度進(jìn)一步降低。 對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)，反饋負(fù)載越小越好。因此我們將研究如何低反饋量的多用戶(hù)調(diào)度算法。在第五章，我們針對(duì)含有K個(gè)多天線同構(gòu)用戶(hù)(HomogeneousUser)的MIMO系統(tǒng)下行鏈路(其中基站配置M根發(fā)送天線)，提出一個(gè)簡(jiǎn)單的多用戶(hù)調(diào)度算法：第一步，我們根據(jù)所有用戶(hù)的等效信道增益確定L個(gè)備選用戶(hù)；第二步，基站聯(lián)合考慮L個(gè)備選用戶(hù)信道的增益和方向，選擇M個(gè)活動(dòng)用

8、戶(hù)。因此這一算法只需要L個(gè)用戶(hù)的完全信道信息以及其他用戶(hù)的部分信道信息。與系統(tǒng)的最大和容量相比，基站采用污紙編碼(Dirty Paper Coding)算法支持M個(gè)活動(dòng)用戶(hù)會(huì)帶來(lái)一定的性能損失。我們通過(guò)順序統(tǒng)計(jì)理論(OrderStatistics)推導(dǎo)出這一性能損失的漸進(jìn)上界(Asymptotic Upper Bound)，并證明選取合適的備選用戶(hù)數(shù)L可以使得這一性能誤差趨于零。同時(shí)我們還分析了對(duì)活動(dòng)用戶(hù)采用迫零污紙編碼算法或迫零波束成