多用户多天线系统空时分组码联合波束形成技术研究

摘要

随着人们对先进无线通信技术业务需求的不断提高，尚未普及的3G移动通信系统显然已经无法满足用户要求。因此，越来越多的人开始将注意力集中到对下一代更先进的B3G（Beyond3G）或4G移动通信技术的研究上。从技术角度，更高的数据传输速率、更大的系统容量和更好的通信质量是新一代移动通信技术所要突破的关键。以智能天线、MIMO为代表的多天线技术是目前公认的实现上述目标的最佳选择。
　　波束形成技术源于智能天线、增强期望、抑制用户干扰是其典型的技术优势，也是SDMA（Space Division Multiple Access）能够得以实现的基础。而STBC(Space Time Block Code，空时分组码)则是实现MIMO分集的重要手段，长于对抗信道的多径衰落。从发展的趋势上看，两者的有效联合将可以充分发挥多天线的优势，进而实现系统性能的大幅提升。现有的联合方案多集中在点对点情况，而对适用于多用户系统的联合方案还少有提及。
　　首先对空时分组码和波束形成技术的基本原理进行了系统分析，重点介绍了正交空时分组码和发射波束形成，为后续研究两者的联合方案提供了充分的理论依据。对波束形成的概念进行了扩展，既包括了应用于智能天线系统的传统波束形成，也包括了MIMO无线系统中广义的波束形成。
　　空时信道模型是研究多天线技术的必要工具。基于现有模型的不足，提出了一种基于几何结构的混合路径空时无线信道统计模型。模型中将双散射多径与单散射多径一并作为空时无线信道响应的主要组成部分，并充分考虑到离移动台远近不同的散射体对信号传输的影响程度差异，在模型中对不同的区域使用不同的散射体分布密度。通过这两点改进，新模型更贴近实际的空时无线信道，利用计算机仿真软件对城区空时无线信道进行了重建，并与原有仿真模型和实测数据结果进行比较，新模型比原有模型更能反映实际信道特征。另外，仿真实验结果也显示，新模型对参数设置的鲁棒性也要强于原有模型。
　　针对智能天线系统，提出了一种基于复合加权的多用户下行链路空时分组码联合波束形成方案。该方案的主要特点是在单一智能天线发射阵列上，通过复合加权，同时实现对系统内其它用户的干扰抑制和对期望用户的满发射分集。方案的关键是对复合加权向量的确定。本文从理论上证明了复合加权向量可以等效为两个子权向量的卷积形式，而这两个子权向量可以分别用来实现用户间的干扰抑制和构建STBC所需要的不相关的传输信道。为降低用户方向估计误差对系统性能的影响，本文还介绍了一种基于特征空间导数约束的宽零陷发射波束形成算法。使用该算法可以在干扰用户方向上形成较宽的零陷，即使存在小的用户方向估计误差也不会使系统性能恶化。
　　针对MIMO阵列系统，提出了一种应用于分集多用户MIMO的改进的STBC-BF（空时分组码联合波束形成）方案和一种应用于SDM-SDMA（空分复用-空分多址）MIMO的迭代迫零-连续优化（ZF-SO）波束形成算法。改进的STBC-BF方案更加充分地利用在发射机已知的完整的信道状态信息，通过迫零波束形成算法将多用户MIMO系统转化为多个无干扰的单用户MIMO链路，同时对STBC输出采用自适应非均匀的功率分配方式，使接收端处理后信干噪比得到增强，系统性能较原有均匀功率分配方案得到了进一步的提高。迭代ZF-SO算法允许在接收端残留部分来自其它用户的干扰，实现将噪声抑制纳入到系统优化目标中。通过迭代实现了系统内各用户加权矩阵的协同优化。该算法可以在低信噪比条件下获得较好的系统“和容量”性能。

目录

多用户多天线系统空时分组码联合波束形成技术研究

JOINT SPACE TIME BLOCK CODE AND BEAMFORMING FOR MULTIUSER MULTI-ANTENNA SYSTEM

摘要

Abstract

Contents

第1 章绪论

1.1 研究背景

1.2 多天线空间分集技术

1.3 智能天线技术

1.4 MIMO 无线通信技术

1.5 本文相关内容的国内外研究现状

1.6 本文的主要研究内容

第2 章正交空时分组码与发射波束形成

2.1 正交空时分组码

2.2 发射波束形成

2.3 本章小结

第3 章基于几何结构的混合路径多天线空时无线 信道统计模型 空时信道描述如下

3.1 多天线系统空时无线信道模型的基本概念

3.2 基于几何结构的混和路径空时无线信道统计模型

3.3 统计参数分析

3.4 仿真实验

3.5 本章小结

第4 章智能天线阵列基于复合权的多用户STBC 联合波束形成技术

4.1 点对点空时分组码联合波束形成技术

4.2 智能天线阵列的多用户STBC 联合波束形成方案

4.3 零陷展宽的发射波束形成技术

4.4 多用户智能天线阵列STBC-BF 性能分析

4.5 本章小结

第5 章多用户MIMO 系统迭代ZF-SO 及联合 STBC 的波束形成算法 户间的区分。

5.1 多用户MIMO 系统迫零波束形成算法

5.2 和容量准则下的迭代ZF-SO 波束形成算法

5.3 改进的多用户MIMO 系统STBC-BF 方案

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历