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滋扰对消其历程相对较容易真隐。可是其下行B

2019-07-06    浏览次数:     

  干扰对消其过程相对较容易实现。可是其下行BC信道因为涉及到用户间干扰及结合解码等问题所限 并不克不及简单由单天线MIMO下行信道扩展开来。对于多用户MIMO系统下行BC信道的容量问题 近些年正在理论方面曾经有了多项冲破。文献 则给出了这个和容量。因为DPC算法过于复杂且更多的是基于理论上的可达域的描述 并不具有很大的实践意义。为此 基坐能够正在信号发射前进行信号的非线性或者线性预编码的次优化处置 以正在高容量的获得和低复杂度的处置中取得一个均衡。 多用户MIMO系统的环节难点如前文所述 多用户MIMO系统能够操纵空间分集和空间复用 正在系统容量、机能等方面较之单用户MIMO有庞大的提高。但多用户MIMO系统正在实现完全商用的方针前还有三个环节难点是避不开的问题。 一、多用户MIMO系统正在基坐到用户的下行过程中 所有用户终端是呈分布形态的 相互间彼此 不克不及协同进行结合解码。单个用户并不晓得其它用户领受数据流带来的干扰 因而很难地解码出本人的数据流。这将使得用户之间发生干扰 严沉影响多用户MIMO的空间复用。简单地说 可否尽量避免或者减小用户间干扰将是决定多用户MIMO机能的环节。 二、多用户MIMO系统中 为领会决用户间不克不及结合解码的问题 基坐能够正在发射端进行预处置 即广义上的预编码。可是从目前的研究环境看 机能较好的预编码方式都或多或少的需要基坐获得下行信道的信道矩阵H。正在FDD系统中 信道矩阵H的获得次要是依托用户端通过反馈链反馈的信道形态消息。信道形态消息的完整取精确程度将间接影响矩阵H的完整取精确程度 并由此对最初系统的机能有很是大的影响。从现实环境来看 要及时地获得完整、精确的下行信道矩阵H常坚苦的 也会大量添加系统开销。此外 正在一些快虚弱或者快速挪动中 信道矩阵H的变化速度可能远跨越消息反馈的速度 也会大大影响到多用户MIMO系统的机能。因而 若何正在系统开销 间接表现正在反馈消息量和信道矩阵H的精确程度 和系统现实机能中做一个折中 也是进行多用户MIMO系统研究所必需考虑的一个问题。 三、多用户MIMO系统中 因为基坐往往需要办事较多用户 而基坐能够同时办事的用户数之和又是无限度的。考虑到各用户的信道前提纷歧 响应的机能环境也纷歧样 因而 第一章 绪论 若何公允取合理地从所有已激活用户当选取被办事的用户调集也是影响系统总体目标的一个很大的要素。从最大化系统容量方面来说最简单的考虑就是基坐每次只跟信道前提最好的用户通信 但从用户公允性大角度来说 如许又可能导致一些用户一直没有法子领受到基坐的办事。别的 权衡系统机能的目标又不止包罗系统容量、SINR等要素 所以具体选择什么参数来权衡和考虑又是一个值得留意的问题。换句话说 基坐需要正在系统机能的最大化和用户公允性的考虑中做一个折中。这个折中表现到研究的层面就是要提出一个现实合理的用户安排原则和算法。 预编码手艺由上节所述 多用户MIMO下行BC信道中 所有用户终端是呈分布形态的 相互间彼此 不克不及协同进行结合解码。单个用户并不晓得其它用户领受数据流带来的干扰 因而很难地解码出本人的数据流。这将使得用户之间发生干扰 严沉影响多用户的空间复用。于是 研究者正在多用户MIMO系统的研究中 起头测验考试把消弭用户间干扰的过程前移至发射端 这就引出了多用户MIMO预编码手艺的研究。它的焦点前提正在于发送端需要晓得信道形态消息。该消息的完整和精确程度将间接影响到整个系统的机能。但本色上 精确的信道形态消息很难被基坐发送端完整获得 因而一些新的基于系统机能取开销折中的 并不需要完全晓得精确信道形态消息的预编码方式也被连续提了出来。 预编码的焦点思是发送端操纵已知的消息 好比到各用户的信道消息 对要发送给用户的数据子流进行预处置 Precoding 使预处置后的信号能按照事后设想的原则和要求达到用户领受端 以获得系统所期望的机能。预编码的系统框图如图1 2所示。 下行信道预编码处置反馈消息用户领受端噪声 预编码的系统框图Fig precoding system block diagram 汕头大学工学院2012届硕士学位论文 预编码有多种分类方式一种典型的分类方式是从数学角度上来分类 将其分为非线性预编码和线性预编码两大类。基坐发射端信号处置是采用线性方式的预编码叫做线性预编码 所谓线性方式是指对数据流次要进行诸如矩阵乘法运算的线性变换 而基坐发射端采用诸如取模运算的非线性信号处置方式的预编码则叫做非线性预编码 以Tomlinson Harashima预编码 THP 为典型代表。THP预编码通过正在发送端进行取模操做以消弭干扰 进而达到消弭用户间干扰。用户正在领受端则按照事后商定 采纳取模操做 从而实现下行多用户MIMO数据传输 其典型的预编码系统框图如图1 3所示。 MIMO信道H求模Mod IGW噪声判决器 3典型的THP预编码系统框图Fig typicalTHP pre coding block diagram 线性预编码布局较非线性预编码简单清晰 便利于理论阐发和设想 响应的复杂度也比力低 因而正在实践中次要都利用线性预编码。正在信号的数学表达式上 线性预编码次要就是基坐发送规矩在发送数据流之前 先正在数据流左侧乘上一个预编码矩阵W。预编码矩阵W能够按照分歧的原则来进行设想 好比基于容量 capacity 调查的原则、基于误比特率 BER 调查原则和基于迫零计较的原则 ZF 等等。因为领受端也是多天线 考虑用户要获得更好的机能 领受端常常需要进行领受归并。正在信号数学表达式上就是正在领受的信号左边 再左乘一个领受归并矩阵G。响应的W和G矩阵往往是需要结合设想的。 从理论上讲 非线性预编码的机能优于线性预编码。但因为非线性预编码的处置过程复杂度很高 对获取的信道增益消息的精确程度要求也很高 正在工程使用及实践中不是很便利 所以目前针对多用户MIMO预编码系统研究的热点仍是以线性预编码为从。本论文也次要是以多用户MIMO系统中的线性预编码的研究为从。 第一章 绪论 MUMIMO系统中的用户安排 MU MIMO系统中 考虑基坐需要同时办事的用户数据流之和取基坐发送天线数目标关系 能够将MU MIMO系统分为需要进行用户安排和不需要安排的。具体来说 当基坐同时办事的用户数据流数之和小于基坐的发射天线数 则基坐发送端不需要进行用户安排。若是基坐同时办事的用户数据流数之和 超越了基坐的发射天线数 就需要基坐对用户进行用户安排。所谓用户安排就是按照某种原则和流程 正在某一时辰只选择部门用户进行通信。这种用户安排能够正在通信系统的多个层 layer 长进行 好比正在使用层、收集层和物理层等上都能够有用户数据流安排的和谈。 用户安排顺从的原则 一般是连系系统总体目标和用户个别目标来分析考虑。以系统的和容量 sum capacity 原则为例 顺从该原则最终选出的一组用户的理论容量之和会最大。若是要考虑到连系分歧用户个别的公允性 基坐能够考虑良多其他具体的安排目标 并共同利用诸如比例公允的安排算法 来达到公允性的兼顾。具体来讲 其思惟就是每个时辰正在选用户时 不只仅要调查用户当前时辰的某个目标 还要同时考虑该用户之前一段时间获得办事的环境。对于前面较少获获得基坐办事的用户 基坐会逐步添加该目标的权沉 使较少获得办事的用户正在后面的安排中 相较于其他用户有更高的被选择可能性。 用户安排一般要求按照用户信道环境及时进行 因而 安排算法的复杂度要适宜。好比对全数可能的用户组合都进行计较比力的 greedy 算法 虽然说正在理论机能上能达到最优可是其过高的复杂性 却不大可能合用正在实践中。实践中较为现实的多用户MIMO系统用户安排往往正在理论机能设想上都是选择次优的算法 可是它们通过很少的几轮轮回即较低的系统复杂度 也能够逐一地选择出该时辰需要的用户调集。用户安排和预编码是两个相对的过程。发射端采用分歧的预编码 但可能采用不异的安排算法 最终又选择出分歧的用户调集。因而 也有相当多的学者倾向于考虑预编码和用户安排的结合优化 5本文的次要内容及章节放置针对目前多用户MIMO系统下行信道中存正在的问题 本文次要从基坐正在无限反馈环境下下行信道预编码设想、用户安排等个方面展开研究。环绕本文的研究目标 本文分五章展开 汕头大学工学院2012届硕士学位论文 第一章起首引见多用户MIMO系统的研究布景及意义 并细致地阐发了其当前的研究现状和研究 然后引见本文研究的次要内容 第二章 引见了多用户MIMO系统下行信道预编码的设想道理 思惟和体例并细致引见了基于一些相关原则的预编码方式 对其机能也进行了必然的研究和阐发 第三章 对多用户MIMO系统中的用户安排进行研究和阐发 次要是引见了基于SINR原则和PU2RC原则的一些用户安排方式 第四章 起首引入信号泄露噪比SLNR的概念和根基原则 对其的思惟和劣势之处进行了会商、阐发 引入并阐发了基于SLNR原则的预编码和用户安排算法 正在基于SLNR原则的保守用户安排算法的根本上提出了一种新的可降低系统开销的改良型用户安排算法 会商了基于SLNR原则的用户安排方式取其他保守的好比ZF预编码相连系的可能性 并将其取保守的基于SINR原则的ZF预编码机能进行仿实对比 最初正在同样基于SLNR原则的用户安排算法下 对基于SLNR原则的预编码算法和基于ZF原则的预编码算法进行了仿实和机能对比 第五章 全文工做的总结 提出一些有待进一步研究的问题。 第二章 多用户MIMO系统中的线性预编码手艺 第二章多用户MIMO系统中的线性预编码手艺 正在多用户MIMO系统中 基坐发送给各个分歧用户的各个数据流之间的共信道干扰 Co Channel Interference CCI 是影响系统机能的瓶颈之一。为了消弭或削减各个分歧用户的各个数据流之间的CCI 基坐发送端安排单位需要对需要发送的各个用户的数据流进行预编码。从数学的角度上看 预编码的方式其实就是要将每个分歧用户的数据流置于其它用户的下行信道矩阵的零空间 null space 之中。然而显而易见 预编码的这种“置零”的处置 需要发射端的预编码单位获得每个用户的切确的下行信道形态消息 Channel State Information CSI 。正在现实的过程中 用户向基坐发射端反馈的下行信道形态消息CSI的消息量老是遭到如许或者那样的 即该勾当往往老是正在无限反馈CSI的之下的。正在无限反馈的CSI下 整个多用户MIMO系统的机能会按照用户反馈消息的比特数和预编码算法的分歧而有分歧程度的下降。文献 10 细致阐发了整个多用户MIMO系统总的容量取用户反馈CSI的比特数之间的关系。 就广义的线性预编码手艺来说 它该当包罗所有正在基坐对信号进行线性预处置的手艺。从这个角度上而言 本文将线性的波束成形和其它的线性多用户预编码都归类正在线性预编码手艺之下。 机遇式波束成形正在多用户MIMO通信下 各个用户终端所履历的信道式微该当被视为是分歧而且的。正在挪动通信的概念里我们晓得 机遇式通信能够操纵式微带来的随机性 好比通过安排那些信道质量最好的用户来 即操纵多用户分集来获得系统机能的提拔 由此便催生了机遇波束成形手艺。 机遇式波束成形 11 最早于2002年正式提出 是多用户MIMO线性传输方案的一种。该手艺是一种多用户分集手艺 其分集增益现实上来自于多用户MIMO系统中的大量用户之间的是式微彼此的这一统计上的特征。提出该方案的目标也是为了更好地降服多用户分集的局限性 即正在散射很少或者慢式微的中 通过报酬的体例 加速信道变化的速度并加大变化的动态范畴。其具体是正在基坐的每根发送天线上发送不异的符号 其各自的增益调制、相位和幅度会正在必然的原则下随时间随机的改变。每个激活用户会整个信道的SINR 并将其将其通过反馈链反馈至基坐。基坐按照用户的反馈消息和既定的汕头大学工学院2012届硕士学位论文 10 用户安排算法 来进行用户安排和资本分派。若是整个MIMO系统顶用户数脚够多 各自傲道式微之间又彼此 按照机遇式通信的理论 总会存正在这么一个用户能处正在基坐发射天线瞄准的最佳方位上 并能带来很是可不雅的增益。那么 这个用户就会被基坐用户安排系统选中进行传输。正在基坐采用机遇波束成形的环境下 只需用户数脚够多 即便其反馈的信道消息很是无限 仍然是能够获得波束成形增益的。以基坐端两根天线为例 机遇式波束成形的系统框图如图2 1所示。 用户ka 1典型的机遇式波束成形的系统框图Fig typicalOBF system block diagram 考虑一个多用户MIMO系统模子 假设基坐发射端利用M根天线 K个用户 用户端单天线 信道为平展块式微 信道连结不变式微。令每一帧时间为T 并将其分化成多个小的时隙t 12tT 。于是我们用kh 暗示用户k正在时隙t的下行信道增益那么kH就是基坐到第k个用户的1M 维的信道矩阵 此中元素 mkht为彼此的具有零均值和单元方差的复高斯随机变量 暗示基坐发送天线m到用户k的信道增益。我们假设kn 为具有的零均值、方差为0n的加性高斯白噪声xt为发射信号。取为了引入随机性 我们从酉矩阵码本中随机拔取一个酉矩阵 12MTjqjqjq12Mae aeae 此中的ma满脚11Mmma相位 mkht变化很小的环境下就能够惹起整个信道增益的较大的变化。酉矩阵码本V能够通过取信道矩阵H同分布的随机生成矩阵奇异值分化获得。于是我们有t时隙第k个用户领受信号为kkkytxtnt HtV 可改写为第二章 多用户MIMO系统中的线 kkkyxn HV 用户规矩在锻炼阶段按照正在每个时隙内获得信道增益kHV 能够计较出响应的领受信噪比 k0SNRnHV 然后用户将此SNR反馈给基坐由基坐端按照其反馈的消息和必然的原则 一般是选择所有用户反馈回SNR中最大的阿谁用户 选择最佳的用户进行通信。一般说来。正在t时辰若是基坐发送端的加权系数ma和m 正好和用户k的信道参数相婚配 那么正在这个相婚配时辰 这个用户的机能目标SNR就是最好的。正在用户叔脚够多的多用户MIMO系统中 基坐总可以或许找到合适的用户并取之通信。因而 系统吞吐量就可以或许满脚随基坐发送天线数线性增加而增加。 假定用户k正在t时隙可能会利用信道 那么它将正在t时隙以前进行信道估量 计较出等效的信道质量CQI 然后将其量化并反馈到基坐。基坐正在t时隙按照各个用户反馈回来的消息 包罗所有用户的信道质量CQI、数据请求、办事汗青 及系统安排原则来对用户进行安排。若是基坐将信道分派给用户k 那么它会发射载有用户k数据的信号 用户k会正在领受端领受这个信号。正在时隙t 暗示0n则用户k的最大频谱操纵率可暗示为 22log1 bps Hz2BkCt Wht 其顶用户领受端不需要丈量发射天线到领受天线的信道增益 mkht 只需要反馈 kht给基坐。用户反馈消息量较之其他波束赋形手艺大大降低。mat和 mt 跟从时间若何变化 变化速度若何亦是系统设想需要考虑的参数。一、为了获得尽可能脚够的随机性 这两个参数变化的越快越好。二、这两个参数的变化现实上又是有的。这两个参数要发生变化 就必必要比及用户领受端完成靠得住的信道质量估量而且反馈回基坐包罗SNR值正在内的CQI的过程完成。 机遇式波束成形的优错误谬误都很是较着。其长处正在于用户需要反馈的消息量很小 对于下行信道矩阵完整、精确程度的性较低 同时整个系统的系统开销也较低 正在用户数很大的环境下系统的多用户分集增益很是较着。其错误谬误正在于当系统内的用户数较少的时候 系统吞吐量及误码率比拟于其他类型的线性预编码方案都不敷抱负。 汕头大学工学院2012届硕士学位论文 12 ZeroForcing ZF 波束成形是一种信道求逆的预编码手艺 满脚迫零原则要求 目标是正在去除用户间干扰 即对于用户来说 要做到 0kjjk hw。只需基坐发送端发射天线的数目大于或等于用户领受端领受天线数目 则能够采用迫零波束成形方案。因为信道求逆曾经同时去除了用户之间的干扰 所以各用户的领受机不消再做平衡处置 简化了领受机的设想。可是当领受机天线之间的空间相其环节点正在于需要求出信道矩阵的伪逆 并做为波束成形矩阵来利用。其系统框图如图2 2所示。 用户11h1s…ZF波束成形矩阵…ks用户kkh11111ysn hwkkkkkysn hws…根天线迫零波束成形系统框图Fig ZFBFsystem block diagram 仍然考虑用户端为单领受天线的环境 用户k的领受信号可写为 kkkkkkkjjkjkyPsPsn hwhw 此中kP为用户k信号的发送功率11 MkkkMhh hC为从基坐发射天线到用户端领受天线 TMkkkMww wC为波束成形矩阵 能够得出用户k的发送信号kkksx 也就是说用户k的数据是拆载正在波束矢量kw上的 中的kkjjjkPshw则代表了用户干扰 即此外用户的发送信号对用户k形成的干扰 kn则代表了高斯白噪声。 正在迫零波束成形算法中 令颠末用户安排之后需要数据传输的被激活用户子集为S SK为调集S里的元素个数。再令 1SK HH 为被激活用户子集中的用户的信道增益矩阵。我们假设SKM 并由此假设S的选择能够使得SKM 维矩阵 sKTTTHSH H为满秩矩阵。再假设用户k的数据流ks乘以一个M沉矢量。现正在的问题是基坐需要如第二章 多用户MIMO系统中的线 何来确定波束矢量kw。权沉矢量 11 TMkkkMww wC 此中kw为波束成形矩阵 Tk第k列 那么用户k的发送信号就能够暗示为kkksx w。正在这里 波束成形矢量kw的选择必必要满脚0 kjjk hw。这里的jw为除了用户k以外其它用户的加权矢量 正在用户k这里要被视为用户间的信号干扰。 一种典型的W的设想方式就是将其写成信道矩阵H的伪逆形式 于是有 1HHWS HSHSHS 那么能够得出用户k的领受信号为 kkkkyPsn 明显用户k收不到其他用户对其发生的干扰。因而 用户的数据速度就能够正在用户数据流ks为高斯信号时达到最大。 基于迫零原则的波束成形方案的具体实施过程如下 起首 用户领受端进行信道估量。具体为各用户按照响应的导频信号 进行信道估量 估量出用户领受端取基坐发送天线之间的信道矩阵 kkKH计较响应的CSI 并将其反馈给基坐发射端。正在TDD系统中 基坐发射端也能够通过上下行信道的互易性 通过上行导频间接估量出下行信道的CSI 如许估量出来CSI比力精确 还大大降低了上行信道的反馈开销 正在FDD中 因为上下行信道利用的频次并不不异 因而 发射端只能通过用户的上行反馈信道来获取信道形态消息CSI。若何提高上行反馈消息的效率 降低反馈开销 即若何实现无限反馈也成为了研究的热点。 接下来基坐发射端按照用户反馈的CSI和迫零原则得出迫零波束成形矩阵。若是已激活用户数K大于基坐可同时办事的用户数M 基坐会按照CSI反馈上来的消息 以事先设想好的用户安排策略从K个用户当选择M个用户进行通信。基坐发射端按照已选用户构成的下行信道矩阵H进行波束成形矩阵的计较 如公式 然后基坐发送端进行响应的编码调制并按照上一步计较好的波束成形矩阵对发送信号进行预编码如图2 并将处置事后的发送信号通过发射天线发送出去。最初用户领受端领受信号并恢复出本人需要的数据。 总体而言 迫零波束成形手艺是一种道理比力简单 比力容易实现 而且能完全消弭各天线之间的干扰 机能比力好的MU MIMO线性预编码手艺方案。它能同时实现空间复用和多用户分集 正在大量用户数K的环境下是渐进趋于最佳的。

  干扰对消其过程相对较容易实现。可是其下行BC信道因为涉及到用户间干扰及结合解码等问题所限 并不克不及简单由单天线MIMO下行信道扩展开来。对于多用户MIMO系统下行BC信道的容量问题 近些年正在理论方面曾经有了多项冲破。文献 则给出了这个和容量。因为DPC算法过于复杂且更多的是基于理论上的可达域的描述 并