MU-MIMO系统中的天线选择算法研究

作     者：王欣恺 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘应状

授予年度：2021年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：多用户多入多出 条件数 天线选择 多载波系统 干扰信道 

摘      要：作为能够有效提高无线通信传输效率的技术之一,多用户多入多出(MU-MIMO)技术通过在空间中构建多条独立衰落的传输信道,有潜力大幅提升Wi-Fi系统的信道容量。影响MU-MIMO传输最终性能的一个重要指标是信道矩阵的条件数:条件数越小,表明信道矢量之间的正交性越好,从而数据流之间的干扰越弱,系统的传输速率越高。然而,在实际Wi-Fi系统中,MU-MIMO传输所对应信道矩阵的条件数往往不太理想,这主要是因为随着MU-MIMO传输的总流数增加,对应信道矩阵的条件数也在近似线性地增大,而与此同时,在Wi-Fi系统中进行用户选择改善条件数的提升空间有限,因此本文采用在AP侧进行天线选择的方法来达到改善信道条件数的目标。本文对Wi-Fi系统中MU-MIMO传输的天线选择算法进行了较深入的研究,主要的工作包括:(1)针对单载波系统,从理论上分析了信道矩阵条件数对MIMO信道容量的影响,并基于最小化信道矩阵条件数的原则,设计了基于贪心策略的天线选择算法;(2)针对多载波系统,提出了近优天线选择算法。多载波(OFDM)系统中天线选择所遇到的最大问题是每个子载波所对应的最佳天线组合不尽一致,而系统最终只能选取一种天线组合,因而需要在众多组合中进行平衡。针对该问题,本文提出了接近最优的贪心式天线选择算法,即正交投影和最大算法。作为补充,介绍了幅度平均算法和时域分量最强算法,并对三者的性能进行了比较;(3)针对多个AP并行传输的多链路系统,在干扰信道场景下提出了条件数之商最小的天线选择准则,并基于该准则提出了对应的贪心式天线选择算法。仿真结果表明,在多链路系统下本文提出的天线选择算法所能实现的性能增益比单链路系统更为显著。作为比较,介绍了基于最大化信漏噪比准则的天线选择算法,该算法的性能逊色于基于条件数之商最小准则的天线选择算法,不过在复杂度方面有一定的优势。本文的研究有助于为提升下一代Wi-Fi系统中MU-MIMO传输的性能提供理论指导和算法支撑。