利用统计信道状态信息的MIMO闭环传输理论研究

摘要

为适应未来发展的需要，未来移动通信系统要求能够支持高达每秒数百兆甚至千兆比特的高速分组数据传输。采用多天线发送和多天线接收的MIMO无线传输技术因其可充分挖掘利用空间资源，最大限度地提高频谱利用率和功率效率，已成为未来移动通信研究的关键所在。在实际传播环境中，往往存在一些非理想因素，这些因素直接导致了开环传输系统性能的下降。利用理想信道状态信息的闭环传输系统可以在发送端利用信道的先验信息，克服实际传输环境中的非理想因素，进而达到提高MIMO系统的容量和传输可靠性的目的。然而，在典型移动通信环境下，特别是高速移动通信环境下，信道是快速时变的，发送端无法确知理想信道状态信息，而其统计信道状态信息在相当一段时间内是近似不变的。研究表明，当发送端利用统计信道状态信息进行传输时，MIMO系统的容量和传输可靠性可得到较大的提高。因此，利用统计信道状态信息的MIMO闭环传输理论研究具有重要的实际意义。
　　 首先，从信道容量的信息论理论分析结论出发，研究了发送端已知信道协方差信息或信道均值信息的单用户MIMO系统的特征模式功率分配问题，提出低复杂度的闭式特征模式功率分配方法，克服了已有功率分配方法需要利用大量信道样本进行数值迭代计算、难以实际应用的问题。对发送端已知信道协方差信息且存在发送相关的情况及发送端已知信道均值信息且信道均值矩阵秩为1的情况，分别推导出信道遍历容量的一个紧致的下界，然后利用此下界推导出简单的闭式特征模式功率分配方法。在此基础上，对发送端已知信道协方差信息且存在发送和接收相关的情况及发送端已知信道均值信息且信道均值矩阵秩为任意的情况，利用复Wishart矩阵行列式的期望，分别推导出信道遍历容量的两个上界，并严格证明两个上界的松紧关系。然后利用信道遍历容量的较紧致上界，推导出基于信道统计信息的两发多收的MIMO系统的闭式特征模式功率分配方法，并将该方法推广至收发天线数为任意的MIMO系统。
　　 接着，针对更具一般性的实际信道模型，首次研究了双散射信道下利用统计信道状态信息的单用户MIMO信道的遍历容量和最优传输理论方法，证明容量可达的最优传输方法为特征模式传输，推导出信道遍历容量的紧致闭式上界，提出低复杂度的闭式特征模式功率分配方法。首先，对于双散射信道下利用统计信道状态信息的单用户MIMO系统，证明在容量可达准则下最优的发送方向为信道发送相关阵的特征方向，即在发送相关阵的特征模式上进行传输是最优的。然后，推导出信道遍历容量的两个闭式上界，并严格证明两个上界的松紧关系。利用此信道遍历容量的较紧致上界，推导出两发多收MIMO系统的闭式特征模式功率分配方法，并将该方法推广至收发天线数为任意的MIMO系统。同时，还推导出波束成形方法可以达到信道遍历容量的充分必要条件。
　　 进而，将利用统计信道状态信息的双散射信道下的特征模式传输拓展到多用户MIMO多址接入信道，证明和容量可达的最优传输方法亦为特征模式传输，推导出和容量的简单闭式上界，提出低复杂度且逼近和容量的闭式特征模式功率分配方法，并从理论上得到波束成形方法达到和容量的充分必要条件及低信噪比下和容量的一阶近似。对多用户MIMO多址接入信道，证明在信道和容量可达的准则下每个用户的最优发送方向为各自的信道发送相关阵的特征方向，即特征模式传输是最优的，并推导出和容量的一个新的较紧致的上界。在此基础上提出一种低复杂度的闭式特征模式功率分配方法，该方法中每个用户仅需已知自身的信道统计信息。随后推导出在MIMO多址接入信道下波束成形方法可以达到和容量的充要条件，并证明当用户数增大时在每个用户的发送相关阵的最强特征模式上采用波束成形方法是渐进最优的。论文还进一步分析了低信噪比下多用户MIMO多址接入信道的和容量，推导出双散射信道下多用户MIMO多址接入信道支持大于零的传输速率时，每个信息比特所需要的最小信噪比和宽带斜率的解析表达式。利用这些解析表达式，推导出低SNR区域MIMO多址接入系统的和容量的一阶近似，进而揭示出发送、散射和接收相关的影响。
　　 最后，利用联合相关信道模型，首次系统地研究了发送端仅知统计信道状态信息的多用户MIMO下行传输问题，推导出和速率最大化的特征模式空分多址传输理论方法，并利用矩阵积和式和凸优化理论提出两种特征模式功率分配方法，所形成的新方法能够克服已有多用户下行传输理论方法实际应用的局限。首先，研究了利用统计信道状态信息的多用户MIMO下行系统的和速率，以和速率最大化为准则，在各用户的统计信道状态信息满足一定条件的情况下，证明基站沿各用户发送相关阵的特征模式发送正交的信号是最优的。随后讨论了矩阵积和式的概念，将矩阵积和式的概念推广到任意维数的矩阵，并推导出矩阵积和式的一些重要性质。在此基础上，利用Jensen不等式及矩阵积和式的性质分别推导出多用户MIMO下行特征模式传输和速率的两个上界，并严格证明两个上界的松紧关系。在最大化系统和速率的较松上界的目标下，推导出一种简单的闭式特征模式功率分配算法；在最大化系统和速率的较紧上界的目标下，提出一种迭代注水特征模式功率分配算法，并证明此迭代注水特征模式功率分配算法的收敛性。

目录

文摘

英文文摘

符号说明

英文缩略语表

插图目录

第一章 绪论

1.1 论文的研究背景

1.1.1 单用户MIMO无线通信系统

1.1.2 多用户MIMO无线通信系统

1.2 论文的研究工作

第二章 利用信道协方差信息的单用户MIMO系统特征模式功率分配

2.1 引言

2.2 系统模型

2.3 发送端存在相关情况下的特征模式功率分配

2.4 边相关情况下的特征模式功率分配

2.4.1 遍历容量的上界

2.4.2 TIMO系统的特征模式功率分配

2.4.3 MIMO系统的特征模式功率分配

2.5 数值分析结果

2.6 本章小结

第三章 利用信道均值信息的单用户MIMO系统特征模式功率分配

3.1 引言

3.2 系统模型

3.3 均值矩阵秩为1情况下的特征模式功率分配

3.4 均值矩阵秩为任意情况下的特征模式功率分配

3.4.1 遍历容量的上界

3.4.2 TIMO系统的特征模式功率分配

3.4.3 MIMO系统的特征模式功率分配

3.5 数值分析结果

3.6 本章小结

第四章 双散射信道下单用户MIMO系统的特征模式传输

4.1.引言

4.2 系统模型

4.3 发送端优化

4.3.1 最优发送方向

4.3.2 特征模式功率分配方法

4.4 波束成形最优的条件

4.5 数值分析结果

4.6 本章小结

第五章 双散射信道下多用户MIMO上行特征模式传输

5.1 引言

5.2 系统模型

5.3 发送端优化

5.3.1 最优发送方向

5.3.2 和容量上界

5.3.3 特征模式功率分配方法

5.4 波束成形最优的条件

5.5 渐进分析

5.6 低SNR下的和容量分析

5.7 数值分析结果

5.8 本章小结

第六章 联合相关信道下多用户MIMO下行特征模式传输

6.1 引言

6.2 系统模型

6.2.1 信道模型

6.2.2 特征模式传输

6.3 和速率闭式上界

6.3.1 矩阵积和式

6.3.2 和速率上界

6.4 特征模式功率分配方法

6.4.1 注水方法

6.4.2 基代注水方法

6.5 数值分析结果

6.6 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文总结及主要贡献

7.2 进一步研究的方向

参考文献

作者博士生期间发表及已投论文

作者博士生期间申请的专利

致谢