多用户MIMO-OFDM系统中的自适应子载波分配研究

摘要

本论文正是在国家“十五”863计划重大专项课题“新一代蜂窝移动通信系统无线传输链路技术研究（FuTURE）”（2001AA123014）和国家自然科学基金重大项目“未来移动通信系统基础理论与技术研究”（60496310）的资助下，开展了对于多用户MIMO-OFDM系统中自适应子载波分配问题的研究。与SISO-OFDM系统中对于自适应子载波分配的研究不同，在MIMO-OFDM环境中，我们需要针对特定的传输策略和设计目标，推导相应的子载波分配策略或算法。选取什么样的准则，能获得多大的增益，以及如何使它们更加实用，是本文始终围绕的三个问题。通过本文的研究，我们较为系统和完整地给出了多用户MIMO-OFDM中的子载波分配解决方案，其中包括了不同传输策略和目标下的自适应分配准则和算法。对于它们在实际系统中应用可能面临的诸多问题，我们也给出了较为详细的讨论和相应的解决方法。具体而言，我们分别研究了基于波束成型、空时分组码和空间复用等三种具有代表性的传输策略下的多用户OFDM系统。前两种多天线系统能够提供高可靠性的传输，在其中，我们分别提出了能够使总的发射功率最小的子载波分配策略。性能分析和仿真结果表明，我们提出的自适应子载波分配准则相对于静态的分配方式有明显的性能改善。阵列增益和空间分集增益一方面使信道的衰落程度得到了缓解，另一方面也在一定程度上削弱了多用户分集效应，但自适应子载波分配仍然能进一步提高基于波束成型和基于空时分组码的OFDM系统的性能。此外，我们还探讨了与自适应调制结合的意义，推导了在部分信道信息下具有较好鲁棒性的分配准则，以及能够保证不同用户QoS的分配算法等。空间复用系统能够提供较高的频谱效率，在这种结构下，我们分别以改善性能和提高容量为目标，推导了不同的子载波分配准则。所得的结果能够应用于备受关注的V-BLAST系统，在ZF和SIC等不同检测方式下，我们都给出了相应的分配策略。从数学分析和仿真验证来看，在复用系统中通过自适应子载波分配能获得比波束成型和空时码系统中使用这一技术更大的性能改进，这得益于该系统中多天线的主要贡献是增大容量而非提高可靠性。通过选取合适的准则，自适应子载波分配也能够进一步提升基于空间复用的OFDM系统的容量。我们分别给出了子载波被用户“独占”和“共享”的分配准则，它们相比静态的分配方式都有很可观的频谱效率提高。其中，“共享”方式效果最好，而从平衡复杂度、开销和容量提升的角度来考虑，“独占”准则无疑是可行的选择。另外，我们又分别讨论了降低实现子载波分配的开销和复杂度的可行方案，以及能保证用户间资源分配“公平性”的分配算法等。通过全文的研究，我们发现，在MIMO-OFDM系统中，只要在特定的传输策略下选取合适的子载波分配准则，就能够有效利用系统中固有的多用户分集，从“系统级”角度显著改善性能或提高容量。在不同的MIMO系统中，由于多天线的作用不同，多用户分集也相应的存在差异。对于不同环境下提出的分配策略，我们都定量地描述了它所能带来的增益，以及与用户数和天线数的关系。