多天线系统中多用户分集关键技术研究

摘要

随着无线多媒体通信网络的高速发展以及用户数目的迅速增长，视频、数据等各种高速率的多媒体业务将成为下一代无线通信系统需要支持的重要业务，如何有效的提高频谱利用率和数据传输速率是下一代无线通信系统所需面对的关键问题之一。而多输入多输出(MIMO)技术可以在不增加系统带宽和发射功率的前提下大大增加系统容量，提高系统频谱利用率，改善系统性能，由此提出的MIMO无线通信系统成为近年来研究的热点。多用户分集是多用户无线通信中固有的分集，合理的利用多用户分集增益可以有效的提高系统性能。因此，研究如何在多用户MIMO系统中合理的利用多用户分集增益，选择合适的分集方案具有很大的实际意义。本论文是以国家“十五”863计划重大课题“新一代蜂窝移动通信系统无线传输链路技术研究(2003AA12331005)”和光电国家实验室WiMAX试验网系统为背景，研究了多天线通信系统中的多用户分集关键技术，分析了各种多用户分集方案对系统性能的影响。 基于未来宽带多媒体多为非对称业务、传输的瓶颈往往集中于下行链路等因素考虑，本文主要针对MIMO系统中的下行链路进行研究。首先对MIMO通信系统的相关理论作简要描述，重点分析了多天线系统中的空间分集增益和空间复用增益，以及二者之间的折中关系。然后以MISO系统为研究对象，从不同角度分析了两类多用户分集方案，基于发射天线选择的多用户分集方案和基于波束成型的多用户分集方案。对于前者，本文在回顾已有研究成果的基础之上，提出了一种最大比发射多用户分集的天线选择策略，在系统容量和传输性能之间做权衡；对于后者，本文在随机波束成型的基础之上，提出了基于正交随机波束成型的多波束选择算法、基于部分信道反馈的波束成型和正交波束成型算法，合理利用空间复用增益，提高系统传输能力。通过在瑞利衰落信道模型下进行仿真分析，对本文提出的多用户分集策略和现有的多用户分集方案进行了深入对比，同时分析了自适应的功率分配策略对系统性能的影响，得出了一些有效结论，为多天线通信系统中如何选择多用户分集方案提供了重要的参考依据。最后，本文总结了相关研究成果，对进一步的研究工作给出了方向性建议。