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协同通信中的MIMO技术研究

作　者: 王骥
导　师: 张平; 李立华
学　校: 北京邮电大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 协同通信多入多出中继协同通信系统基站协同通信系统预编码硬件实现
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在蜂窝移动通信系统中,系统设计要解决的根本问题是对抗无线信道中广泛存在的衰落与干扰,并在有限的时间资源、频率资源和发送功率上提高系统传输的有效性和可靠性。作为解决信道衰落问题和干扰问题的的关键物理层技术,MIMO (Multiple Input Multiple Output)技术和协同通信技术近年来成为无线通信领域的研究热点。MIMO技术将空域自由度引入到信号处理中来,大幅提升了通信系统的容量和可靠性。而协同通信的本质是通过协作的方式引入一个新的信号处理维度并以此为代价提升用户(特别是小区边缘用户)的通信质量。通过基站之间、移动台之间或者基站与低功率节点之间进行不同程度的协作,它能获得比传统通信系统更大的覆盖范围、更高的系统容量以及更好的抗干扰性能。协同通信能与MIMO技术有效结合起来,它为MIMO的应用提供了更宽阔的平台和更有挑战性的场景。协同通信中的MIMO技术研究是本论文的核心。本文主要研究中继协同系统和基站协同系统中的MIMO技术。本论文首先概述了MIMO的基本概念以及常用的多用户MIMO预编码技术。然后介绍了协同通信的概念以及协同通信中MIMO技术的研究现状。这些知识是本论文后面章节研究内容的基础。本文的第二章研究了基于有限反馈的双向中继协同通信系统的预编码设计方案。在双向中继系统的上下行信道之间不具有信道互易性时,中继节点需要通过有限反馈信道来获得用于预编码设计的下行信道信息,然而量化误差和反馈时延的存在大大降低了预编码的性能。本文分别在单流和多流传输的场景下对带时延的有限反馈进行统计分析,并提出了具有鲁棒性的预编码算法,用以对抗信道不确定性。本文按照用户数据是否存在于所有协同基站将基站协同通信划分为多基站联合发送和多基站协同传输两种方式。本文分别在第三章和第四章中给出了两种多基站联合发送场景下的发送端处理方案,在第五章中提出了一种多基站协同传输的场景下的协同预编码方案。在第三章,本论文提出了多基站闭环开环协同通信技术,该方案采用了多基站联合发送的协同思想,将基于闭环处理的预编码技术和基于开环处理的空时编码技术结合起来,获得了较高的分集增益。通过引入多基站闭环开环等效信道,将传统的空频块码的译码算法推广到多基站场景中,简化了接收端处理。它能以较小的反馈量获得跟传统的多基站联合发送方案可比的性能,并优于小区间干扰抑制算法。第四章研究了多基站联合发送场景下的多用户预编码设计,提出了一种低复杂度的协同预编码方法。该算法采用了基于多基站等效噪声标准差的信道扩展技术以及LQ分解技术。算法设计中考虑了多基站场景的特性,较好地平衡了多基站路径损耗、小区内和小区间用户干扰以及噪声等因素对性能的影响,提升了多基站协同系统的性能。本文第五章研究了干扰广播信道下的协同多天线信号处理问题,提出一种基于信号泄漏和最小均方误差的预编码算法,它属于多基站协同传输的场景。该方案将干扰广播信道中的多基站功率约束之间相互耦合的情形转换为类似于单基站时的处理方式,从而得到预编码矩阵的闭式解,避免了传统算法中求拉格朗日算子所需的搜索算法。上述内容主要为系统发送端的处理方法。本文的第六章介绍了接收端高维度(8发8收)MIMO检测技术的硬件设计和实现方案。论文详细阐述了MIMO检测模块的算法设计和优化、时序设计以及硬件实现的方法,并介绍了当系统频谱效率需求由15bps/Hz增加到30bps/Hz时该模块应对资源超标的情况所作的改进及优化。该设计具有较强的可移植性,能同时适用于单基站系统和协同通信的场景。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-30
  1.1 论文研究背景  12-15
  1.2 MIMO技术基础  15-22
    1.2.1 MIMO的概念  15-17
    1.2.2 多用户MIMO预编码技术  17-22
  1.3 协同通信及其与MIMO技术的结合  22-26
    1.3.1 中继协同通信系统  23-24
    1.3.2 基站协同通信系统  24-26
  1.4 论文的主要内容及相关工作  26-30
    1.4.1 论文主要内容及章节安排  26-28
    1.4.2 与本文相关的主要工作  28-30
第二章双向中继协同通信系统的预编码设计  30-50
  2.1 研究背景  30-31
  2.2 单流双向中继系统预编码设计  31-42
    2.2.1 系统模型  31-34
    2.2.2 有限反馈分析  34-37
    2.2.3 预编码设计  37-41
    2.2.4 仿真结果  41-42
  2.3 多流双向中继系统预编码设计  42-49
    2.3.1 系统模型  42-44
    2.3.2 有限反馈分析  44-46
    2.3.3 预编码设计  46-48
    2.3.4 仿真结果  48-49
  2.4 本章小结  49-50
第三章多基站闭环开环协同通信技术  50-69
  3.1 研究背景  50-52
  3.2 多基站闭环开环协同通信方案设计  52-61
    3.2.1 系统模型  52-54
    3.2.2 发送端处理  54-57
      3.2.2.1 闭环基站的发送端处理  54-56
      3.2.2.2 开环基站的发送端处理  56-57
    3.2.3 接收端处理  57-61
  3.3 传输机制分析和数值仿真对比  61-66
    3.3.1 反馈量分析  61-63
    3.3.2 性能分析以及自适应传输思想  63-66
  3.4 闭环开环协同思想的扩展  66-68
    3.4.1 开环基站采用开环空分复用技术  66-67
    3.4.2 多于两基站的场景中的处理  67-68
  3.5 本章小结  68-69
第四章基站协同通信系统的多用户预编码方法  69-79
  4.1 研究背景  69-70
  4.2 系统模型  70-71
  4.3 多基站协同系统中预编码设计  71-78
    4.3.1 预编码方案设计  71-76
    4.3.2 复杂度和性能分析  76-78
  4.4 本章小结  78-79
第五章干扰广播信道中的协同预编码设计  79-89
  5.1 研究背景  79-80
  5.2 系统模型  80-81
  5.3 干扰广播信道中基于MMSE的预编码设计  81-83
  5.4 干扰广播信道中基于信号泄漏的MMSE预编码设计  83-88
    5.4.1 方案设计  83-86
    5.4.2 仿真结果  86-88
  5.5 本章小结  88-89
第六章高维度MIMO检测技术的硬件设计和实现  89-117
  6.1 IMT-ATDD试验验证平台介绍  89-91
  6.2 MIMO检测模块在整个系统中的位置和地位  91-93
  6.3 检测算法选择与复杂度分析  93-100
    6.3.1 基于MMSE扩展和次优排序的QR-SIC算法  94-96
    6.3.2 复杂度分析和性能比较  96-98
    6.3.3 算法流程与定点化  98-100
  6.4 时序设计与硬件实现  100-111
    6.4.1 MIMO检测模块的时序设计  100-109
      6.4.1.1 流水线设计  100-103
      6.4.1.2 FPGA硬件设计要点  103-105
      6.4.1.3 QR分解Stage1的时序设计  105-108
      6.4.1.4 MIMO检测模块中的其它流水段  108-109
    6.4.2 MIMO检测模块的硬件实现  109-111
  6.5 频谱效率为30bps/Hz时MIMO检测模块的设计及优化  111-116
  6.6 本章小结  116-117
第七章总结与展望  117-119
  7.1 论文工作总结  117-118
  7.2 下一步工作的展望  118-119
参考文献  119-129
缩略语中英文对照  129-132
致谢  132-133
攻读博士学位期间发表论文及申请专利、提交提案旳情况  133-134

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