【文章內(nèi)容簡介】 Ｅ）技術、正交頻分復用（ＯＦＤＭ） 【２】【３】ｆ４】【５］１６］ｉ７】等技術。 １．１．２多用戶ＭＩＭＯ ２０世紀９０年代中期，由于移動通信爆炸式的發(fā)展，人們對無線鏈路的傳輸速 率提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)的時頻信號設計很難滿足要求，在這種背景下， 人們把研 究興趣從時域、頻域、碼域轉(zhuǎn)向了空域。ＡＴ＆ＴＢｅｌｌ實驗室提出了一種 全新的通信系統(tǒng)結構，基于多天線技術的多輸入多輸出（ＭＩＭＯ）通信系統(tǒng)因此應 運而生。目前，單點對單點的單用戶ＭＩＭＯ系統(tǒng)的研究已經(jīng)接近飽和。而在實際 應用中，系統(tǒng)往往需要一個基站（ＢＳ）同時和多個移動臺（ＭＳ）進行通信，比如 最常見的蜂窩系統(tǒng)和無線局域網(wǎng)（ＷＬＡＮ）等【８】。因此，有關點對多點的多用戶 ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ．ｕｓｅｒＭＩＭＯ，簡稱ＭＵ．Ｍ蹦Ｏ）系統(tǒng)（如圖１．１所示）的研究也就 應運而生，它比單用戶ＭＩＭＯ更加復雜。 圖１－ １多用戶ＭＩＭＯ系統(tǒng)模型 總體上來講，多用戶ＭＩＭＯ的研究可以分為上行鏈路和下行鏈路兩類。多用 戶ＭＩＭＯ上行鏈路通常被稱作多址接入信道（ＭＡＣ），下行鏈路則稱為廣播信道 （ＢＣ）。目前，多用戶ＭＩＭＯ的上行鏈路的研究主要集中在多個用戶的聯(lián)合編碼、 跨層設計的隨機接入、多用戶檢測、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編碼技術以消除來自多個用戶的用戶間干擾 （ＭＡＩ）【９１。 與單用戶ＭＩＭＯ不同的是，多用戶ＭＩＭＯ系統(tǒng)的容量 是～個多維的區(qū)域［８】【９１。 ２ 第一章緒論 假設總的發(fā)送功率一定，對于不同用戶有可能分配不同的功率，從而產(chǎn)生許多不 同的信息速率，結果就形成了以用戶數(shù)目為維數(shù)的信道容量區(qū)域。例如，對于Ｋ 個用戶，信道容量區(qū)域則用Ｋ維的容量來表示。 １．２本論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新 １．２．１課題來源 本課題來源于兩個項目： ● 2020．０１１０１０．１２自然科學基金青年科學基金 “ 多用戶ＭＩＭＯ無線通信中 的容量域、多用戶空時預編碼方法及應用研究 ’’ （編號６０７０２０７３） ? ２ ００７．１０＿＿2020．９企業(yè)高校合作項目 “ ＭＩＭＯ無線系統(tǒng)中的編碼與檢測技 術研究＂ 在上述項目中，作者參與了對多用戶ＭＩＭＯ的聯(lián)合編碼、隨機接入、信號檢 測的創(chuàng)新性研究。 １．２．２論文研究的核心問題 本論文重點研究了上行多用戶ＭＩＭＯ中的信號處理技術（即編碼、檢測）以 及跨層設計中的ＭＡＣ層隨機接入?yún)f(xié)議。至于虛擬ＭＩＭＯ，由于篇幅所限，本文將 不對其進行探討。 １．２．３主要內(nèi)容及創(chuàng)新 目前的上行多用戶ＭＩＭＯ文獻中，大部分考慮的是將傳統(tǒng)空時／頻碼應用至多 用戶的情形，很少有考慮ＭＡＣ層的隨機接入問 題，本文針對現(xiàn)有文獻的不足，系 統(tǒng)研究了物理層的多用戶ＭＩＭＯ聯(lián)合空時／頻編碼技術、ＭＡＣ層的多用戶ＭＩＭＯ 隨機接入?yún)f(xié)議、多用戶ＭＩＭＯ上行接收機算法。 本論文的主要貢獻及創(chuàng)新點概括如下： 冷將多用戶ＭＩＭＯ．ＯＦＤＭ系統(tǒng)中的聯(lián)合空頻編碼結構應用至多用戶 ＭＩＭＯ．ＳＣ．ＦＤＥ系統(tǒng)中，第一次提出了多用戶ＭＩＭＯ．ＳＣ．ＦＤＥ中的多用戶 聯(lián)合空時編碼結構。 令從提高多用戶ＭＩＭＯ系統(tǒng)的吞吐量著手，深入研究了一種基于空時碼的 多用戶ＭＩＭＯ隨機接入?yún)f(xié)議，第一次提出了普遍意義下的研究隨機接入 協(xié)議誤碼率以及實際 吞吐量的方法。在第二章研究的多用戶聯(lián)合空頻碼和 ３ 電子科技大學碩士學位論文 傳統(tǒng)空頻碼的基礎上，第一次提出了一種二發(fā)二收的多用戶ＭＩＭＯ空頻 ＡＬＯＨＡ隨機接入?yún)f(xié)議。并以此新的隨機接入?yún)f(xié)議為研究起點，第一次把 虛擬ＭＩＭＯ中的用戶配對準則和基站接收天線數(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隨機接入?yún)f(xié)議。 ◆ 將Ｖ－ＢＬＡＳＴ系統(tǒng)與多用戶ＭＩＭＯ系統(tǒng)進行對比，系統(tǒng)研究了多用戶 ＭＩＭＯ信號檢測算法。 １．３本論文的結構安排 第一 章為緒論，對全文的主要內(nèi)容和背景知識做了簡要介紹，主要回顧了目 前移動通信的發(fā)展趨勢和介紹了多用戶ＭＩＭＯ的研究熱點。 第二章研究了上行多用戶ＭＩＭＯ中的聯(lián)合空時／頻編碼方法。傳統(tǒng)的空時／頻碼 主要是針對單用戶系統(tǒng)而設計，若用至多用戶ＭＩＭＯ系統(tǒng)中，則會導致性能的損 失。本章研究了ＭＩＭＯ．ＯＦＤＭ系統(tǒng)中的一種基于信號空間分集技術的多用戶空頻 編碼準則，詳細討論了其性能，并將其應用至多用戶ＭＩＭＯ．ＳＣ．ＦＤＥ系統(tǒng)中，提出 了一種新的多用戶ＭＩＭＯ．ＳＣ．ＦＤＥ系統(tǒng)。仿真結果顯示這種類型的多用戶 ＭＩＭＯ． ＳＣ．ＦＤＥ系統(tǒng)比起傳統(tǒng)的多用戶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ＭＩＭＯ中的一種基于空時碼的二發(fā)二收的高吞吐量 隨機接入?yún)f(xié)議，并在第二章研究的多用戶聯(lián)合空頻編碼和單用戶空頻編碼的基礎 上，提出了一種新的二發(fā)二收的高吞吐量多用戶ＭＩＭＯ空頻ＡＬＯＨＡ隨機接入?yún)f(xié) 議，并將該協(xié)議延伸至用戶配對和基站有任意根接收天線時的情形，提出了另外 兩種拓展的多用戶ＭＩＭＯ空頻ＡＬＯＨＡ隨機接入?yún)f(xié)議。仿真結果和理論分析均表 明，這三種空頻ＡＬＯＨＡ隨機接入?yún)f(xié)議 均能獲得比較高的吞吐量。 第四章研究了貝爾實驗室垂直分層空時（ｖ－ＢＬＡＳＴ）系統(tǒng)中的信號檢測技術， 并將Ｖ－ＢＬＡＳＴ系統(tǒng)同多用戶ＭＩＭＯ系統(tǒng)進行類比，考慮上行多用戶ＭＩＭＯ中的 兩種具體情況（每用戶單根發(fā)射天線、每用戶兩根發(fā)射天線），設計了上行多用戶 ＭＩＭＯ的低復雜度接收機。仿真結果顯示，基于球形譯碼的多用戶檢測器可獲得 最優(yōu)的檢測效果，最小均方誤差干擾抵消（ＭＭＳＥ．ＳＩＣ）多用戶檢測器和迫零干擾 抵消（ＺＦ．ＳＩＣ）多用戶檢測器辦能獲得比較好的效果。 最后對全文進行了總結，提出了未來上行多用戶ＭＩ ＭＯ的一些研究方向。 ４ 第二章多用戶空時／頻聯(lián)合編碼技術 第二章多用戶空時／頻聯(lián)合編碼技術 多輸入多輸出（ＭＩＭＯ）與正交頻分復用技術（ＯＦＤＭ）的結合將是未來第四代移 動通信技術的研究主流。為了充分利用多天線在發(fā)射端和接收端的空間分集優(yōu)勢。 人們提出了很多可以應用到ＭＩＭＯ．ＯＦＤＭ系統(tǒng)中的空時／頻碼的設計方案。但是， 目前的大多數(shù)的方案都是為單用戶系統(tǒng)而設計的。 在一個多用戶ＭＩＭＯ．ＯＦＤＭ系統(tǒng)中，每個用戶的數(shù)據(jù)通過引入正交的接入方 式（如ＴＤＭＡ、ＯＦＤＭ Ａ、ＭＣ — ＣＤＭＡ）或者多用戶干擾抵消技術而得到隔離。但 是專門為單用戶系統(tǒng)設計的空時／頻碼（單用戶空時／頻碼，ＳＵ．ＳＴ／ＦＣ）如果一旦應 用至多用戶系統(tǒng)中，便會導致傳輸速率的降低或者次優(yōu)的性能【１４１。近些年來，有 人從增加信息速率的角度考慮了考慮了多個用戶空時／頻碼（多用戶空時／頻碼， ＭＵ．ＳＴ／ＦＣ）的聯(lián)合設計問題。從一個特殊的兩用戶的例子，文獻［１５］提出了一種 簡單的兩用戶空頻碼的設計準則。但該文獻并未系統(tǒng)地給出多用戶ＭＩＭＯ的空時／ 頻碼的聯(lián)合設計準則。文獻［１６］基于最小化成對錯誤概率的準 則，結合文獻［１７】中 提出的信號空間分集技術，系統(tǒng)闡述了多用戶的ＭＩＭＯ — ＯＦＤＭ系統(tǒng)的空頻碼設計 準則。在接收機完全知道信道狀態(tài)信息和接收端采用最大似然譯碼準則的前提下， 文獻［１６】中提出的多用戶空頻碼可使每個用戶達到全分集的效果并可使每個用戶 所受的來自其他用戶的干擾最小。 然而，在多用戶的ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ系統(tǒng)中，如果采用最大似然譯碼會使系統(tǒng)的 譯碼復雜度非常高，而文獻［１６】并未討論接收端采用低復雜度解碼（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［１６］提出的多用戶空頻編碼 準則、在接收端采用迫零譯碼的情況，發(fā)現(xiàn)在當系統(tǒng)中存在多個用戶、多根發(fā)射 天線、采用高階調(diào)制時，如果用最大似然（ＭａｘｉｍｕｍＬｉｋｅｌｉｈｏｏｄ，ＭＬ）譯碼會導致非 常高的計算復雜度，可考慮對系統(tǒng)的各個用戶在發(fā)射端使用多用戶空頻碼的聯(lián)合 設計準則，接收端采用ＺＦ檢測，可取得復雜度低、性能又好的效果。 如上所述，ＯＦＤＭ系統(tǒng)存在幾個重要的缺陷，即高的峰均功率比 （Ｐｅａｋ．ｔｏ．ＡｖｅｒａｇｅＰｏｗｅｒＲａｔｉｏ，ＰＡＰＲ）問題和對載波頻偏以及定時誤差的靈敏度極 高的問題。目前，單載波頻域均衡（Ｓｉｎｇｌｅ Ｃａｒｒｉｅｒ－ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｏｍｍｎＥｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ， ＳＣ．ＦＤＥ）技術以其低復雜度、良好的抗多徑效果、低的ＰＡＰＲ、對載波頻偏的低 敏感性引起了眾多關注【７】。其相關的多址接入技術．單載波頻分多址（ＳｉｎｇｌｅＣａｒｔｉｅｒ ５ 電子科技大學碩士學位論文 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)中的空時編碼技術，并將多用戶的空時／ 頻碼與傳統(tǒng)的空時碼相結合，設計了一種新型的多用戶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ＭＩＭＯ．ＳＣ．ＦＤＥ系統(tǒng)，能獲得更優(yōu)的性能。 本章先介紹信號空間分集（ＳｉｇｎａｌＳｐａｃｅＤｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＳＳＤ）技術，因為該技術是 多用戶空時編碼理論的基石，然后再以文獻［１６】作為研究重點，詳細介紹了多用戶 空時／頻碼的系統(tǒng)設計準則，最后研究多用戶空時碼在ＭＩＭＯ．ＳＣ．ＦＤＥ系統(tǒng)中的應 用。 ２．１信號空間分集技術 ２．１．１系統(tǒng)模型簡介 信號空間分集技術是一種不需要額外增加系統(tǒng)帶寬和 發(fā)射功率、純粹以計算 復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)等于兩個星座點向量 之間的最小漢明距離。當分集階數(shù)很大的時候，多維正交幅度調(diào)ＳｔＪ（ＱＡＭ）星座圖 對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，應用信號空間分集技術，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信號空間分集技術的系統(tǒng)模型 如圖，一個，ｚ維的ＱＡＭ星座圖可以由力／２個兩維的ＱＡＭ星座 圖的Ｃａｒｔｅｓｉａｎ 積得來。我們可以通過對每一維使用Ｇｒａｙ映射而使ｍ個ｂｉｔ映射到一個ｎ維星座 圖中。在圖２．１中，一組信息比特通過多維ＱＡＭＧｒａｙ映射準則映射為向量 ｘ，ｘ＝（ＸＩ，ｘ２， ?‘ ），對ｘ進行星座圖旋轉(zhuǎn)（即乘以一個旋轉(zhuǎn)矩陣Ｍ，使得ｕ＝ｘＭ） 得到向量Ｕ。 在這里，信道建模為一獨立的瑞利（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）衰落信道，即假設Ｕ的各個分量 衰落是獨立的。假設接收機采用相干解調(diào)，完全知道各分量的衰落信息。為滿足 假設的要求，這里引入了分量交織器。分量交織器的目的是為了破壞實部和虛部 ６ 第二章多用戶空時／頻聯(lián)合編碼技術 分量衰落的相關性，使實部和虛部衰落彼此獨立。但其也會帶來一個不利的影響， 就是會使發(fā)射信號的包絡不穩(wěn)定。 基于上述假設，我們可以假設接受信號矢量為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的隨機變量。 在對接受信號的各分量進行解交織后，我們可以對解交織后的信 號采用最小 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Ｉｉ進行星座圖反旋轉(zhuǎn)可得到ｘ。當咒比較大的時候， 式２－１的譯碼是一個很復雜的問題，可以考慮采用文獻［１８】介紹的格型譯碼器進行 譯碼。在本章不做討論。 ２．１．２旋轉(zhuǎn)矩陣的選取 這里簡單介紹一下信號空間分集技術中選取的旋轉(zhuǎn)矩陣。 文獻【１７】介紹了兩類格，一類叫Ｚ叫：格，另一類叫ＺＭ格。這里僅簡單介紹 Ｚ叫２格。這里刀必須滿足刀－－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。 如要構建一個分集增益為ｎ／２的格，可采用復旋轉(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 電子科技大學碩士學位論文 表２．１倪的選擇 少 ① ．：２ｘ！坐＋ — ４ｎ＇（ｉ — －Ｉ）刀療 冗７／＂．４ｎ（ｉ一１） ２萬療 ２ｎ＂２ｎ＂．４ｘ（ｉ一１） ３３ｎｎ ２．１．３仿真結果 圖２ — ２信號空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）信道無信號空間分集、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。對于Ｚ４：。格， 查表２．１，５ｆ，＝一萬／２，江１， ? ，九／２，對照式２．１，可得旋轉(zhuǎn)矩陣Ｍ。對于乙。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，在