無線MIMO系統(tǒng)中線性預(yù)編碼在ARQ重傳時的優(yōu)化設(shè)計及多用戶調(diào)度研究.pdf

1、多輸入多輸出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)無線通信系統(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，目前越來越受到新一代無線通信系統(tǒng)的青睞。同時，新一代無線通信系統(tǒng)會采用自動重發(fā)請求(Automatic Repeat reQuest，ARQ)技術(shù)來

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

3、單用戶MIMO系統(tǒng)中ARQ重傳機制，采用跨層設(shè)計思想，研究非理想信道估計條件下的線性預(yù)編碼。利用信息論，我們推導(dǎo)出當(dāng)信道估計存在誤差時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，MIMOARQ系統(tǒng)容量受限于信道估計誤差的大小。由于信道估計誤差條件下MIMOARQ系統(tǒng)容量的精確表達式還未知，為簡化處理，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MIMO系統(tǒng)轉(zhuǎn)到多用戶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，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MIMO系統(tǒng)的自由度，提高MIMO系統(tǒng)上行鏈路的性能。具體講，系統(tǒng)根據(jù)所有用戶的傳輸狀況和信道信息聯(lián)合設(shè)計每個用戶的線性預(yù)編碼器，然后通過無差錯的理想信道通知給相應(yīng)用戶，同時基站對用戶多次傳輸?shù)男盘栠M行聯(lián)合檢測。以最大化所有用戶和容量(

5、Sum Capacity)為準(zhǔn)則，我們提出兩種迭代算法來計算ARQ重傳時的線性預(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，而且能提高每個用戶的最大傳輸速率。 從第四章開始，我們關(guān)注MIMO下行鏈路中的多用戶調(diào)度。針對采用塊對角化算法的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)雜度的多用戶選擇算法。傳統(tǒng)的多用戶選擇算法直接挑選活動用戶(ActiveUser)，而我們采用多用戶特征子空間傳輸方

6、案，它基于用戶特征予信道的選擇來間接地確定活動用戶。我們利用矩陣Moore-Penrose廣義逆的迭代計算方法來減少奇異值分解的運算次數(shù)，提出低復(fù)雜度的子信道選擇算法。和對應(yīng)的傳統(tǒng)算法相比，新算法不僅可以大大降低計算復(fù)雜度，而且還能獲得相同的性能。同時我們進一步證明，從標(biāo)度定律(Scaling Law)的角度看，基于用戶主特征子信道的傳輸方案可以獲得漸進最優(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的主特征子信道，提出低復(fù)雜度

7、的多用戶主特征子信道選擇算法，以較小的性能損失，使算法的計算復(fù)雜度進一步降低。 對于實際系統(tǒng)，反饋負載越小越好。因此我們將研究如何低反饋量的多用戶調(diào)度算法。在第五章，我們針對含有K個多天線同構(gòu)用戶(HomogeneousUser)的MIMO系統(tǒng)下行鏈路(其中基站配置M根發(fā)送天線)，提出一個簡單的多用戶調(diào)度算法：第一步，我們根據(jù)所有用戶的等效信道增益確定L個備選用戶；第二步，基站聯(lián)合考慮L個備選用戶信道的增益和方向，選擇M個活動用

8、戶。因此這一算法只需要L個用戶的完全信道信息以及其他用戶的部分信道信息。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個活動用戶會帶來一定的性能損失。我們通過順序統(tǒng)計理論(OrderStatistics)推導(dǎo)出這一性能損失的漸進上界(Asymptotic Upper Bound)，并證明選取合適的備選用戶數(shù)L可以使得這一性能誤差趨于零。同時我們還分析了對活動用戶采用迫零污紙編碼算法或迫零波束成