基于3D信道的多用戶MIMO傳輸技術(shù)研究.pdf

1、多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)是第四及第五代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過在發(fā)送端或接收端架設(shè)多根天線，能夠在時頻維度之外開發(fā)空間維度，有效提高信息傳輸速率。通過調(diào)度若干用戶共享同一時頻資源，可實(shí)現(xiàn)多用戶(MU)傳輸，進(jìn)一步提升資源利用率。MU-MIMO系統(tǒng)的研究通常圍繞二維(2D)水平面展開，通過在水平維度對發(fā)射波束進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)波束成形，使多個用戶能夠同時接受基站服務(wù)。然而在2D MU-MIMO系統(tǒng)中所有波束共用同一下傾角，應(yīng)用受到

2、局限。隨著現(xiàn)代城市建筑物的高層化，用戶所處樓層高度的變化范圍逐漸增大，因此需要對垂直維度同時進(jìn)行開發(fā)，三維(3D) MIMO技術(shù)引起極大關(guān)注。該技術(shù)旨在利用3D空間的完整信息，深度挖掘空間自由度。與2D MU-MIMO相比，3D MU-MIMO系統(tǒng)能夠同時服務(wù)處于相同水平方位、不同海拔高度的多個用戶，使多用戶傳輸效率顯著提升。本論文將圍繞基于3D信道的MU-MIMO傳輸方案展開研究，重點(diǎn)研究其下行鏈路的預(yù)編碼技術(shù)。
　　首先，本論

3、文針對3D MU-MIMO系統(tǒng)的物理層技術(shù)進(jìn)行調(diào)研。分別圍繞傳輸模型、信道建模、系統(tǒng)容量和波束成形等方面介紹3D MIMO傳輸系統(tǒng)的物理層，從MU-MIMO下行鏈路接收信號模型入手，分析用戶間存在的干擾現(xiàn)象以及現(xiàn)有的兩種常用的干擾消除手段，包括下行鏈路預(yù)編碼技術(shù)，重點(diǎn)介紹能夠使MU-MIMO系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)容量的非線性臟紙編碼(DPC)和克服了DPC高復(fù)雜度缺陷的線性預(yù)編碼技術(shù)，以及多用戶調(diào)度技術(shù)，重點(diǎn)介紹最大和速率調(diào)度、輪訓(xùn)調(diào)度和比例公平

4、調(diào)度算法。
　　接著，本論文研究基于3D雙極化信道的MU-MIMO系統(tǒng)雙碼本設(shè)計(jì)方案。首先介紹該方案所采用的系統(tǒng)模型，包括3D雙極化均勻平面天線陣列以及兩用戶場景下的下行鏈路傳輸模型，接著提出基于雙碼本的下行鏈路預(yù)編碼方法，在引入基于克羅內(nèi)克乘積碼本的基本波束集合后，分別采用長時與短時碼本來設(shè)計(jì)內(nèi)外雙層預(yù)編碼矩陣，由此提出一種基于該長短時雙碼本的多用戶傳輸方法，具體介紹所使用的最佳伙伴集合反饋方案、反饋量的計(jì)算方法及用戶配對準(zhǔn)則，

5、并提出一種基于四分法的快速波束匹配算法以降低長時碼本的搜索時間，最后通過仿真分別評估3D雙極化MIMO系統(tǒng)中基于該雙碼本的多用戶傳輸方案的性能。仿真結(jié)果表明:基于3D雙極化信道的多用戶MIMO系統(tǒng)雙碼本設(shè)計(jì)方案及相應(yīng)的有限反饋方法相對現(xiàn)有的2D傳輸系統(tǒng)而言能夠有效提升系統(tǒng)吞吐量。
　　最后，本論文研究結(jié)合空分多址(SDMA)和干擾抑制的毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)多用戶傳輸方案。首先從物理域和波束域兩個方面對信道進(jìn)行建模，探究毫米波大

6、規(guī)模MIMO系統(tǒng)波束域信道的稀疏性，并由此提出一種結(jié)合SDMA與迫零(ZF)預(yù)編碼的毫米波多用戶傳輸方法以消除多用戶干擾，將用戶全集按照波束的重疊情況劃分成兩個子集，其中一個用戶子集采用基于雙碼本的SDMA方案，另一個則采用基于ZF預(yù)編碼的多用戶傳輸方案，隨后研究該方案在擴(kuò)展至多徑模型后的適用情況，并通過仿真驗(yàn)證該方案在毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的性能。仿真結(jié)果表明:結(jié)合SDMA和干擾抑制的毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)多用戶傳輸方案不僅能夠