无线通信系统中的虚拟MIMO技术研究

摘要

多输入多输出(MIMO)技术是新一代无线通信系统中的核心技术之一。为了解决用户终端限于体积和成本不宜配置多天线的问题,3GPP LTE提出一种上行虚拟MIMO技术,将具有单天线的多个用户组合起来,在同一资源块中形成虚拟的MIMO信道,同时向具有多天线的基站发送数据,从而达到MIMO技术具有的性能。但是如何在协作分集用户之间进行功率分配、以及如何在空分复用用户之间进行用户配对等问题,还没有得到很好地解决。因此,研究虚拟MIMO技术,具有重要的理论意义和实际应用价值。本文首先研究了有协作通信方式的虚拟MIMO技术。在该技术中,用户通过相互分享数据、协作向基站发送,来实现MIMO的分集功能。由于系统总功率受限,所以需要在协作用户之间进行合理的功率分配,但是现有方案未考虑节点实际信道状况,当节点信道状况恶劣时通信性能较差。针对这一问题,本文提出一种基于MCPA门限的功率分配方法,该方法充分考虑了节点的实际信道状况,定义平均信道功率衰减因子(MCPA),并基于MCPA设定协作节点的选择门限。仿真结果表明,与现有全平均功率分配和门限平均功率分配方法相比,无论信道状况优劣,该方法都能得到较好的协作分集效果,有效地改善了通信系统性能。本文对无协作通信方式的虚拟MIMO技术进行了深入研究。在该技术中,用户在基站调度之后,向基站传送相互独立的数据流,基站通过多天线和接收机算法来区分不同用户的信号,以此实现MIMO的复用功能。由于基站接收天线的数量限制了能分辨的数据流的路数,因此参与同一时隙虚拟MIMO的用户数量是有限的,此时用户配对成为系统的核心问题。本文针对在现有半正交用户配对算法下,信道条件较差的用户传输速率过低的缺点,提出一种基于部分逆选策略的半正交用户配对算法。该算法通过分析MMSE接收机,对信道条件较差的部分用户提出“逆选”的配对准则。仿真结果表明,该算法在系统速率和损失较小的前提下,能有效提高信道条件较差用户的传输速率,从而在系统速率和与用户公平性之间取得较好的折衷性能。本文对宽带无线通信系统中的频率选择性衰落特性进行了分析,研究了与单载波频分多址技术相结合的无协作通信方式的虚拟MIMO系统模型,并对用户配对问题作了初步的讨论与仿真,得到了相关研究结论。随着研究的进一步深入,宽带无线通信系统中的虚拟MIMO技术,在载波同步、信道估计、相干接收等环节存在非理想因素下的算法设计,小区边缘因多基站而形成的宏分集与虚拟MIMO结合的技术,当信道之间存在相关性的虚拟MIMO的性能分析等,都是可深入研究的方向。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 无线通信与MIMO 技术简介

1.2 虚拟MIMO 技术概述

1.3 本文的结构

1.4 本文的主要工作

第二章 有协作通信方式的虚拟MIMO 技术

2.1 引言

2.2 无线信道的数学描述

2.3 MIMO 的分集原理

2.4 有协作通信方式的虚拟MIMO 技术的协作分集方法

2.4.1 协作分集

2.4.2 有协作通信方式的虚拟MIMO 系统模型

2.4.3 功率分配问题

2.5 基于MCPA 门限的功率分配方法

2.6 本章小结

第三章 无协作通信方式的虚拟MIMO 技术

3.1 引言

3.2 MIMO 的复用原理

3.2.1 MIMO 的空间多路复用容量

3.2.2 MIMO 的接收机结构

3.3 无协作通信方式的虚拟MIMO 系统模型

3.4 用户配对问题

3.4.1 随机配对与比例公平配对

3.4.2 正交配对（两个用户的情况）

3.4.3 正交配对（多个用户的情况）

3.4.4 半正交配对

3.5 部分逆选的半正交用户配对算法

3.5.1 算法描述

3.5.2 算法分析

3.5.3 仿真结果

3.6 本章小结

第四章 宽带无线通信系统中的虚拟MIMO 技术

4.1 引言

4.2 宽带OFDM 原理

4.3 宽带无协作通信方式的虚拟MIMO 系统模型

4.4 用户配对初步

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

附录一 符号与标记

附录二 英文缩略语表

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文