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碩士論文-多用戶(hù)mimo上行關(guān)鍵技術(shù)研究(編輯修改稿)

2025-01-06 22:00 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 E)技術(shù)、正交頻分復(fù)用(OFDM) 【2】【3】f4】【5]16]i7】等技術(shù)。 1.1.2多用戶(hù)MIMO 20世紀(jì)90年代中期,由于移動(dòng)通信爆炸式的發(fā)展,人們對(duì)無(wú)線(xiàn)鏈路的傳輸速 率提出了越來(lái)越高的要求,傳統(tǒng)的時(shí)頻信號(hào)設(shè)計(jì)很難滿(mǎn)足要求,在這種背景下, 人們把研 究興趣從時(shí)域、頻域、碼域轉(zhuǎn)向了空域。AT&TBell實(shí)驗(yàn)室提出了一種 全新的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu),基于多天線(xiàn)技術(shù)的多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)因此應(yīng) 運(yùn)而生。目前,單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)的單用戶(hù)MIMO系統(tǒng)的研究已經(jīng)接近飽和。而在實(shí)際 應(yīng)用中,系統(tǒng)往往需要一個(gè)基站(BS)同時(shí)和多個(gè)移動(dòng)臺(tái)(MS)進(jìn)行通信,比如 最常見(jiàn)的蜂窩系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)等【8】。因此,有關(guān)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的多用戶(hù) MIMO(Multi.userMIMO,簡(jiǎn)稱(chēng)MU.M蹦O)系統(tǒng)(如圖1.1所示)的研究也就 應(yīng)運(yùn)而生,它比單用戶(hù)MIMO更加復(fù)雜。 圖1- 1多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)模型 總體上來(lái)講,多用戶(hù)MIMO的研究可以分為上行鏈路和下行鏈路兩類(lèi)。多用 戶(hù)MIMO上行鏈路通常被稱(chēng)作多址接入信道(MAC),下行鏈路則稱(chēng)為廣播信道 (BC)。目前,多用戶(hù)MIMO的上行鏈路的研究主要集中在多個(gè)用戶(hù)的聯(lián)合編碼、 跨層設(shè)計(jì)的隨機(jī)接入、多用戶(hù)檢測(cè)、協(xié)同通信等方面【8】【9】【10】【ll】【12】【13】【 ’ 4】【151【161。下行 鏈路的研究主要集中在基站端用預(yù)編碼技術(shù)以消除來(lái)自多個(gè)用戶(hù)的用戶(hù)間干擾 (MAI)【91。 與單用戶(hù)MIMO不同的是,多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)的容量 是~個(gè)多維的區(qū)域[8】【91。 2 第一章緒論 假設(shè)總的發(fā)送功率一定,對(duì)于不同用戶(hù)有可能分配不同的功率,從而產(chǎn)生許多不 同的信息速率,結(jié)果就形成了以用戶(hù)數(shù)目為維數(shù)的信道容量區(qū)域。例如,對(duì)于K 個(gè)用戶(hù),信道容量區(qū)域則用K維的容量來(lái)表示。 1.2本論文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新 1.2.1課題來(lái)源 本課題來(lái)源于兩個(gè)項(xiàng)目: ● 2020.011010.12自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金 “ 多用戶(hù)MIMO無(wú)線(xiàn)通信中 的容量域、多用戶(hù)空時(shí)預(yù)編碼方法及應(yīng)用研究 ’’ (編號(hào)60702073) ? 2 007.10__2020.9企業(yè)高校合作項(xiàng)目 “ MIMO無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)中的編碼與檢測(cè)技 術(shù)研究" 在上述項(xiàng)目中,作者參與了對(duì)多用戶(hù)MIMO的聯(lián)合編碼、隨機(jī)接入、信號(hào)檢 測(cè)的創(chuàng)新性研究。 1.2.2論文研究的核心問(wèn)題 本論文重點(diǎn)研究了上行多用戶(hù)MIMO中的信號(hào)處理技術(shù)(即編碼、檢測(cè))以 及跨層設(shè)計(jì)中的MAC層隨機(jī)接入?yún)f(xié)議。至于虛擬MIMO,由于篇幅所限,本文將 不對(duì)其進(jìn)行探討。 1.2.3主要內(nèi)容及創(chuàng)新 目前的上行多用戶(hù)MIMO文獻(xiàn)中,大部分考慮的是將傳統(tǒng)空時(shí)/頻碼應(yīng)用至多 用戶(hù)的情形,很少有考慮MAC層的隨機(jī)接入問(wèn) 題,本文針對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的不足,系 統(tǒng)研究了物理層的多用戶(hù)MIMO聯(lián)合空時(shí)/頻編碼技術(shù)、MAC層的多用戶(hù)MIMO 隨機(jī)接入?yún)f(xié)議、多用戶(hù)MIMO上行接收機(jī)算法。 本論文的主要貢獻(xiàn)及創(chuàng)新點(diǎn)概括如下: 冷將多用戶(hù)MIMO.OFDM系統(tǒng)中的聯(lián)合空頻編碼結(jié)構(gòu)應(yīng)用至多用戶(hù) MIMO.SC.FDE系統(tǒng)中,第一次提出了多用戶(hù)MIMO.SC.FDE中的多用戶(hù) 聯(lián)合空時(shí)編碼結(jié)構(gòu)。 令從提高多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)的吞吐量著手,深入研究了一種基于空時(shí)碼的 多用戶(hù)MIMO隨機(jī)接入?yún)f(xié)議,第一次提出了普遍意義下的研究隨機(jī)接入 協(xié)議誤碼率以及實(shí)際 吞吐量的方法。在第二章研究的多用戶(hù)聯(lián)合空頻碼和 3 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 傳統(tǒng)空頻碼的基礎(chǔ)上,第一次提出了一種二發(fā)二收的多用戶(hù)MIMO空頻 ALOHA隨機(jī)接入?yún)f(xié)議。并以此新的隨機(jī)接入?yún)f(xié)議為研究起點(diǎn),第一次把 虛擬MIMO中的用戶(hù)配對(duì)準(zhǔn)則和基站接收天線(xiàn)數(shù)目為任意值的情況考慮 在內(nèi),提出了另外兩種吞吐量更加高的拓展的空頻Aloha隨機(jī)接入?yún)f(xié)議。 ◆ 將V-BLAST系統(tǒng)與多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比,系統(tǒng)研究了多用戶(hù) MIMO信號(hào)檢測(cè)算法。 1.3本論文的結(jié)構(gòu)安排 第一 章為緒論,對(duì)全文的主要內(nèi)容和背景知識(shí)做了簡(jiǎn)要介紹,主要回顧了目 前移動(dòng)通信的發(fā)展趨勢(shì)和介紹了多用戶(hù)MIMO的研究熱點(diǎn)。 第二章研究了上行多用戶(hù)MIMO中的聯(lián)合空時(shí)/頻編碼方法。傳統(tǒng)的空時(shí)/頻碼 主要是針對(duì)單用戶(hù)系統(tǒng)而設(shè)計(jì),若用至多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)中,則會(huì)導(dǎo)致性能的損 失。本章研究了MIMO.OFDM系統(tǒng)中的一種基于信號(hào)空間分集技術(shù)的多用戶(hù)空頻 編碼準(zhǔn)則,詳細(xì)討論了其性能,并將其應(yīng)用至多用戶(hù)MIMO.SC.FDE系統(tǒng)中,提出 了一種新的多用戶(hù)MIMO.SC.FDE系統(tǒng)。仿真結(jié)果顯示這種類(lèi)型的多用戶(hù) MIMO. SC.FDE系統(tǒng)比起傳統(tǒng)的多用戶(hù)MIMO.SC.FDE系統(tǒng)能獲得更低的誤碼率, 從而可以提高物理層的可靠性。 第三章研究了上行多用戶(hù)MIMO中的一種基于空時(shí)碼的二發(fā)二收的高吞吐量 隨機(jī)接入?yún)f(xié)議,并在第二章研究的多用戶(hù)聯(lián)合空頻編碼和單用戶(hù)空頻編碼的基礎(chǔ) 上,提出了一種新的二發(fā)二收的高吞吐量多用戶(hù)MIMO空頻ALOHA隨機(jī)接入?yún)f(xié) 議,并將該協(xié)議延伸至用戶(hù)配對(duì)和基站有任意根接收天線(xiàn)時(shí)的情形,提出了另外 兩種拓展的多用戶(hù)MIMO空頻ALOHA隨機(jī)接入?yún)f(xié)議。仿真結(jié)果和理論分析均表 明,這三種空頻ALOHA隨機(jī)接入?yún)f(xié)議 均能獲得比較高的吞吐量。 第四章研究了貝爾實(shí)驗(yàn)室垂直分層空時(shí)(v-BLAST)系統(tǒng)中的信號(hào)檢測(cè)技術(shù), 并將V-BLAST系統(tǒng)同多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)進(jìn)行類(lèi)比,考慮上行多用戶(hù)MIMO中的 兩種具體情況(每用戶(hù)單根發(fā)射天線(xiàn)、每用戶(hù)兩根發(fā)射天線(xiàn)),設(shè)計(jì)了上行多用戶(hù) MIMO的低復(fù)雜度接收機(jī)。仿真結(jié)果顯示,基于球形譯碼的多用戶(hù)檢測(cè)器可獲得 最優(yōu)的檢測(cè)效果,最小均方誤差干擾抵消(MMSE.SIC)多用戶(hù)檢測(cè)器和迫零干擾 抵消(ZF.SIC)多用戶(hù)檢測(cè)器辦能獲得比較好的效果。 最后對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié),提出了未來(lái)上行多用戶(hù)MI MO的一些研究方向。 4 第二章多用戶(hù)空時(shí)/頻聯(lián)合編碼技術(shù) 第二章多用戶(hù)空時(shí)/頻聯(lián)合編碼技術(shù) 多輸入多輸出(MIMO)與正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)的結(jié)合將是未來(lái)第四代移 動(dòng)通信技術(shù)的研究主流。為了充分利用多天線(xiàn)在發(fā)射端和接收端的空間分集優(yōu)勢(shì)。 人們提出了很多可以應(yīng)用到MIMO.OFDM系統(tǒng)中的空時(shí)/頻碼的設(shè)計(jì)方案。但是, 目前的大多數(shù)的方案都是為單用戶(hù)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。 在一個(gè)多用戶(hù)MIMO.OFDM系統(tǒng)中,每個(gè)用戶(hù)的數(shù)據(jù)通過(guò)引入正交的接入方 式(如TDMA、OFDM A、MC — CDMA)或者多用戶(hù)干擾抵消技術(shù)而得到隔離。但 是專(zhuān)門(mén)為單用戶(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的空時(shí)/頻碼(單用戶(hù)空時(shí)/頻碼,SU.ST/FC)如果一旦應(yīng) 用至多用戶(hù)系統(tǒng)中,便會(huì)導(dǎo)致傳輸速率的降低或者次優(yōu)的性能【141。近些年來(lái),有 人從增加信息速率的角度考慮了考慮了多個(gè)用戶(hù)空時(shí)/頻碼(多用戶(hù)空時(shí)/頻碼, MU.ST/FC)的聯(lián)合設(shè)計(jì)問(wèn)題。從一個(gè)特殊的兩用戶(hù)的例子,文獻(xiàn)[15]提出了一種 簡(jiǎn)單的兩用戶(hù)空頻碼的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。但該文獻(xiàn)并未系統(tǒng)地給出多用戶(hù)MIMO的空時(shí)/ 頻碼的聯(lián)合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。文獻(xiàn)[16]基于最小化成對(duì)錯(cuò)誤概率的準(zhǔn) 則,結(jié)合文獻(xiàn)[17】中 提出的信號(hào)空間分集技術(shù),系統(tǒng)闡述了多用戶(hù)的MIMO — OFDM系統(tǒng)的空頻碼設(shè)計(jì) 準(zhǔn)則。在接收機(jī)完全知道信道狀態(tài)信息和接收端采用最大似然譯碼準(zhǔn)則的前提下, 文獻(xiàn)[16】中提出的多用戶(hù)空頻碼可使每個(gè)用戶(hù)達(dá)到全分集的效果并可使每個(gè)用戶(hù) 所受的來(lái)自其他用戶(hù)的干擾最小。 然而,在多用戶(hù)的MIMO-OFDM系統(tǒng)中,如果采用最大似然譯碼會(huì)使系統(tǒng)的 譯碼復(fù)雜度非常高,而文獻(xiàn)[16】并未討論接收端采用低復(fù)雜度解碼(如迫零譯碼) 的情況。本章從仿真的角度,考慮了在發(fā)射端采用文獻(xiàn)[16]提出的多用戶(hù)空頻編碼 準(zhǔn)則、在接收端采用迫零譯碼的情況,發(fā)現(xiàn)在當(dāng)系統(tǒng)中存在多個(gè)用戶(hù)、多根發(fā)射 天線(xiàn)、采用高階調(diào)制時(shí),如果用最大似然(MaximumLikelihood,ML)譯碼會(huì)導(dǎo)致非 常高的計(jì)算復(fù)雜度,可考慮對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)用戶(hù)在發(fā)射端使用多用戶(hù)空頻碼的聯(lián)合 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,接收端采用ZF檢測(cè),可取得復(fù)雜度低、性能又好的效果。 如上所述,OFDM系統(tǒng)存在幾個(gè)重要的缺陷,即高的峰均功率比 (Peak.to.AveragePowerRatio,PAPR)問(wèn)題和對(duì)載波頻偏以及定時(shí)誤差的靈敏度極 高的問(wèn)題。目前,單載波頻域均衡(Single Carrier-FrequencyDommnEqualization, SC.FDE)技術(shù)以其低復(fù)雜度、良好的抗多徑效果、低的PAPR、對(duì)載波頻偏的低 敏感性引起了眾多關(guān)注【7】。其相關(guān)的多址接入技術(shù).單載波頻分多址(SingleCartier 5 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 FrequencyDivisionMultipleAccess,SC.FDMA)已經(jīng)成為3GPP.LTE系統(tǒng)的上行 多址接入方案。本章研究了SC.FDE系統(tǒng)中的空時(shí)編碼技術(shù),并將多用戶(hù)的空時(shí)/ 頻碼與傳統(tǒng)的空時(shí)碼相結(jié)合,設(shè)計(jì)了一種新型的多用戶(hù)MIMO.SC.FDE系統(tǒng)。仿 真發(fā)現(xiàn),該系統(tǒng)比起傳統(tǒng)的多用戶(hù)MIMO.SC.FDE系統(tǒng),能獲得更優(yōu)的性能。 本章先介紹信號(hào)空間分集(SignalSpaceDiversity,SSD)技術(shù),因?yàn)樵摷夹g(shù)是 多用戶(hù)空時(shí)編碼理論的基石,然后再以文獻(xiàn)[16】作為研究重點(diǎn),詳細(xì)介紹了多用戶(hù) 空時(shí)/頻碼的系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,最后研究多用戶(hù)空時(shí)碼在MIMO.SC.FDE系統(tǒng)中的應(yīng) 用。 2.1信號(hào)空間分集技術(shù) 2.1.1系統(tǒng)模型簡(jiǎn)介 信號(hào)空間分集技術(shù)是一種不需要額外增加系統(tǒng)帶寬和 發(fā)射功率、純粹以計(jì)算 復(fù)雜度換取分集增益的未編碼的多維調(diào)制方案。其分集階數(shù)等于兩個(gè)星座點(diǎn)向量 之間的最小漢明距離。當(dāng)分集階數(shù)很大的時(shí)候,多維正交幅度調(diào)StJ(QAM)星座圖 對(duì)信道衰落變得不敏感,其性能接近于高斯信道下的系統(tǒng)性能【17l。在未編碼的系 統(tǒng)中,應(yīng)用信號(hào)空間分集技術(shù),可以使系統(tǒng)獲得有效的分集增益與編碼增益。其 系統(tǒng)模型如圖2-1所示。 nnn. 信息 比特流 格雷映射H旋轉(zhuǎn)M矩陣H分量交織編H懈碼幢 圖2一I信號(hào)空間分集技術(shù)的系統(tǒng)模型 如圖,一個(gè),z維的QAM星座圖可以由力/2個(gè)兩維的QAM星座 圖的Cartesian 積得來(lái)。我們可以通過(guò)對(duì)每一維使用Gray映射而使m個(gè)bit映射到一個(gè)n維星座 圖中。在圖2.1中,一組信息比特通過(guò)多維QAMGray映射準(zhǔn)則映射為向量 x,x=(XI,x2, ?‘ ),對(duì)x進(jìn)行星座圖旋轉(zhuǎn)(即乘以一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣M,使得u=xM) 得到向量U。 在這里,信道建模為一獨(dú)立的瑞利(Rayleigh)衰落信道,即假設(shè)U的各個(gè)分量 衰落是獨(dú)立的。假設(shè)接收機(jī)采用相干解調(diào),完全知道各分量的衰落信息。為滿(mǎn)足 假設(shè)的要求,這里引入了分量交織器。分量交織器的目的是為了破壞實(shí)部和虛部 6 第二章多用戶(hù)空時(shí)/頻聯(lián)合編碼技術(shù) 分量衰落的相關(guān)性,使實(shí)部和虛部衰落彼此獨(dú)立。但其也會(huì)帶來(lái)一個(gè)不利的影響, 就是會(huì)使發(fā)射信號(hào)的包絡(luò)不穩(wěn)定。 基于上述假設(shè),我們可以假設(shè)接受信號(hào)矢量為r,r=aQu+n,其中噪聲向量 為n=(廳。,刀:, ? ,刀。),n的任一分量磚為服從正態(tài)分布的均值為0、方差為 Ⅳ o的隨 機(jī)變量。o代表分量積,伍=(q,%, ? ,口。),a的任一分量%為服從正態(tài)分布的均 值為0,方差為1的隨機(jī)變量。 在對(duì)接受信號(hào)的各分量進(jìn)行解交織后,我們可以對(duì)解交織后的信 號(hào)采用最小 化以下等式的最大似然(ML)譯碼: ,l(uIr'旺):窆I,;_q%12(2-1) i=1 采用ML譯碼譯出u后,對(duì)Ii進(jìn)行星座圖反旋轉(zhuǎn)可得到x。當(dāng)咒比較大的時(shí)候, 式2-1的譯碼是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題,可以考慮采用文獻(xiàn)[18】介紹的格型譯碼器進(jìn)行 譯碼。在本章不做討論。 2.1.2旋轉(zhuǎn)矩陣的選取 這里簡(jiǎn)單介紹一下信號(hào)空間分集技術(shù)中選取的旋轉(zhuǎn)矩陣。 文獻(xiàn)【17】介紹了兩類(lèi)格,一類(lèi)叫Z叫:格,另一類(lèi)叫ZM格。這里僅簡(jiǎn)單介紹 Z叫2格。這里刀必須滿(mǎn)足刀--2唧3龜,ea,乞=o,1,2 ? 。乙肌表示選 定刀后,能獲得 11/2分集度的格。 如要構(gòu)建一個(gè)分集增益為n/2的格,可采用復(fù)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)矩陣: M= 11 ? l 儡島 ? I :: q ∥ 2一島 “ 2-1已 ∥ 也-1 (2 — 2) 或者采用實(shí)旋轉(zhuǎn)矩陣,只需要將M矩陣的任意單元a+弘用2x2矩陣 一61代替即可。 a) 下面是2的列表:q=一q,i=1, ? ,n12 7 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 表2.1倪的選擇 少 ① .:2x!坐+ — 4n'(i — -I)刀療 冗7/".4n(i一1) 2萬(wàn)療 2n"2n".4x(i一1) 33nn 2.1.3仿真結(jié)果 圖2 — 2信號(hào)空l司分集的誤碼率仿真 如圖2.2所示,本次仿真采用16QAM調(diào)制,分別仿真了高斯白噪聲(Awgn) 信道、瑞利(Rayleigh)信道無(wú)信號(hào)空間分集、Rayleigh信道下采用Z4.2口格、Rayleigh 信道下采用Z4'26格四種情況下單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)的誤碼率。對(duì)于Z4:。格, 查表2.1,5f,=一萬(wàn)/2,江1, ? ,九/2,對(duì)照式2.1,可得旋轉(zhuǎn)矩陣M。對(duì)于乙。格, 查表2.1,沙=一2x/3,其中f-1, ? ,n/2,同理可得旋轉(zhuǎn)矩陣M。由圖可見(jiàn),在
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