多用户MIMO(MU-MIMO)系统下行链路预编码和调度算法研究

摘要

多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术通过在发射端与接收端的多天线配置，提供丰富的空间复用增益和空间分集增益，能够在不增加系统带宽的条件下极大的提高无线通信系统的容量和可靠性，被认为是未来移动通信系统中不可或缺的关键技术之一。
　　 在单用户MIMO(Single-user MIMO，SU-MIMO)系统中，若通信一方由于某些因素的限制，无法配置多天线，则整个系统所能获得的容量增益就会大大降低。为了充分发挥MIMO技术的潜力，多用户MIMO(Multi-user MIMO，MU-MIMO)系统近来成为新的研究热点。它可以在不附加时隙和频谱资源的情况下同时接入多个用户进行通信，从而达到更高的容量。然而，在多用户MIMO系统的下行链路中，常常假设各用户端之间无法相互协作，因此就不能利用上行链路中普遍采用的联合检测方法来恢复发射信号。在这种情况下，如何消除或降低用户之间的同信道干扰(Co-channel interference，CCD以提高系统的数据传输质量就成为了多用户MIMO系统下行链路的核心问题之一。
　　 如果发射端能够获得完整或部分信道状态信息(Channel state informatioN,CSl)，则可以通过预编码(Precoding)和用户调度(User scheduling)技术来对抗同信道干扰。所谓预编码技术，就是对发射信号进行预处理后再送入信道。预编码与原信道共同构成等效信道。只要各用户所对应的等效信道之间尽量相互正交，就能够消除或降低各用户端所受到的同信道干扰。另一方面，在实际移动通信系统中，有通信需求的待选用户数常常远多于系统可同时接入的用户数。如果各用户信道的衰落相互独立，就可以通过用户调度技术，利用信道波动，安排各用户在其信道非常强时工作，以充分利用通信资源，达到提高系统性能的目的。这其实就是一种机会通信方法，所获得的性能增益即多用户分集增益。
　　 本文首先在发射端确知各用户完整信道状态信息的假设下，对几种常见的线性预编码算法进行了横向比较，验证了基于最大化信号泄漏噪声比(Signal to leakage plus noise ratio，SLNR)准则的预编码方案能够在性能、复杂度、适用范围这几方面取得一个比较好的折衷。随后，本文延用SLNR的概念提出了一种信道自适应的功率分配算法。计算机程序仿真结果显示，将其与基于最大化SLNR准则的预编码算法相结合，就能以附加很小的计算量与轻微的总容量性能损失为代价而显著提升系统的平均误比特率性能。另一方面，在用户调度算法的设计中，本文以SLNR作为各用户信道条件优劣的表征，提出了基于最大化SLNR最小值准则的用户调度方案。仿真结果显示，所提出的用户调度算法能够显著提升系统的平均误比特率与总容量性能，并且能够根据实际需要，在性能与计算复杂度之间实现不同的折衷。
　　 此外，本文还考虑了有限反馈条件下预编码和用户调度算法的设计。在实际系统中，信道状态信息常常是各用户端通过容量受限的反馈信道发送给发射端的，即反馈的信道状态信息需要事先经过一定的量化处理。这也就意味着基站端得到的CSI可能并不准确。在这种情况下，本文对之前设计的算法进行了一定的修改，提出了最大化SLNR均值的优化准则。计算机程序仿真结果显示，基于该优化准则的预编码与用户调度算法能够在一定程度上改善系统的平均误比特率与总容量性能。