LTE系统中的多MIMO技术研究

摘要

多输入多输出(MIMO，Multiple Input Multiple Output)技术利用多根发射天线和接收天线发送和接收数据，可以在不增加系统带宽和天线发射功率的前提下显著提高系统容量和链路可靠性，尤其是点到多点的多用户MIMO(MU-MIMO)系统不仅便于融合多种物理层技术，还可以通过跨层的解决方式将物理层的技术和上层结合起来，联合设计物理层的调制/编码和链路层的功率分配、调度策略等，综合利用各种时间，频率和空间资源。MIMO技术已经成为下一代移动通信LTE及LTE-Advanced的核心技术。
　　 在多用户MIMO系统下行链路中，由于各个用户之间不能协同，多用户检测技术不能用来避免用户间的干扰，预编码是解决用户之间的共信道干扰的主要方法。预编码使接收机具有较低复杂度，降低移动台的功耗。通过预编码技术和多用户MIMO系统特有的优势可以将物理层技术与上层技术联合优化从而显著提高系统容量。论文针对多用户MIMO技术进行了研究，研究工作包括以下几个方面：
　　 研究了在理想信道状态信息下线性的与非线性的预编码算法，比较了ZF，MMSE和BD三种线性预编码算法，并深入研究了BD预编码算法的用户选择问题，包括轮询用户选择，基于容量的用户选择及基于范数的用户选择，在此基础上提出了一种低复杂度的基于距离的自适应用户选择算法，它联合考虑信道增益与信道方向，在不同的条件下自适应地在两者之间折衷优化。
　　 为了进一步利用多用户分集增益，我们还考虑了联合用户选择和天线选择的多模传输方案，每用户根据信道条件通过调整接收天线数自适应地在单流传输与多流传输之间转换。仿真结果表明，基于距离的自适应用户选择算法在不同的SNR下均以较低的复杂度表现良好的和速率性能，而多模传输方案在牺牲复杂度的前提下比仅仅考虑用户选择的方案性能要提高很多，它联合优化了多用户分集与每用户空间复用，充分发挥了多用户MIMO特有的优越性。
　　 论文还研究了有限反馈情况下的多用户MIMO下行链路。在实际通信系统中，很难获得理想的信道状态信息，有限反馈预编码成为MU-MIMO的研究热点问题，如何以较低的复杂度实现可行的性能是本论文在这部分的研究目标。由于酉矩阵预编码的优点，基于码本的预编码技术PU2RC是LTE系统中的候选多用户MIMO方案，但它在用户数较少时很难找到合适的用户并行传输。本文中的改进算法自适应反馈用户码本算法允许每个用户根据自己的信道条件反馈一个或两个PMI和SINR，以反馈速率的增加换来系统性能的提升，而最大扩展SINR用户选择算法则在发送端根据各个用户的反馈信息粗略估计信道矩阵，计算每用户的扩展SINR，根据扩展SINR重新选择每用户关联的码本。仿真结果表明，上述两种算法均可以克服PU2RC方案的缺点，在系统中用户数较少时改善了系统的和速率性能。