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大规模分布式MIMO系统中的多用户预编码与检测技术研究

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大规模分布式MIMO系统中的多用户预编码与检测技术研究

作者：冯源东南大学

学位级别：硕士

伴随着移动互联网和物联网的高速发展,移动通信技术的发展也在快速的更新。随着5G移动通信系统的正式商用,多输入多输出（MIMO,Multiple-Input Multiple-Output）技术是在保证功率效率的前提下,大幅提高频谱效率的关键技术。大规模分布... 详细信息

伴随着移动互联网和物联网的高速发展,移动通信技术的发展也在快速的更新。随着5G移动通信系统的正式商用,多输入多输出（MIMO,Multiple-Input Multiple-Output）技术是在保证功率效率的前提下,大幅提高频谱效率的关键技术。大规模分布式MIMO通过协作利用宏分集进一步提高传输性能,成为MIMO技术的热点问题。具体地,本文主要研究了:第一章首先介绍论文的研究背景。然后分别介绍了大规模MIMO技术以及大规模分布式MIMO技术的发展概述。最后阐述了大规模分布式MIMO系统中多用户预编码和多用户检测的研究现状,并总结了论文的研究工作和内容安排。第二章研究了大规模分布式MIMO系统中下行链路的遍历和速率的确定性等同（Deterministic Equivalent）推导。由于实际系统中很难获取精确的信道状态信息（CSI,Channel State Information）,本文针对不完美CSI的系统模型,考虑多用户分布式MIMO系统中用户到多个接入点距离的不尽相同而造成的频域相位旋转问题,引入了相关的相位旋转变量以及预编码补偿变量,推导出系统的遍历和速率。最后,根据大规模随机矩阵理论,推导出正则迫零（RZF,Regularized Zero-Forcing）预编码系统遍历和速率的确定性等同。仿真结果表明确定性等同以较低的计算成本即可提供可靠的性能预测。第三章研究了大规模分布式多用户MIMO系统中预编码补偿矩阵的设计问题。根据推导出的系统遍历和速率的确定性等同,采用最优化方法进行预编码补偿矩阵的设计。为解决优化问题的非凸性,采用局部迭代优化算法,结合顺序参数凸近似框架（SPCA,Sequential Parametric Convex Approximation）,进行数值求解。仿真结果表明,优化出的预编码补偿矩阵,不论是低信噪比还是高信噪比,都能够有效的抵消干扰。在相干带宽内,只需要计算一次预编码和相位补偿矩阵,其它子载波的相位补偿矩阵可以根据该矩阵旋转生成。第四章讨论了大规模分布式MIMO原型系统中的迭代检测方案。研究了上行大规模分布式MIMO系统的干扰抑制处理,并提出了基于特征值分解的软干扰抵消迭代算法（EVD-MMSEISDIC,EVD based MMSE Iterative Soft Decision Interference Cancellation）,并应用在上行接收机中。在此基础上,提出了两种迭代检测方案:迭代检测和解码（IDD,Iterative Detection and Decoding）方案和迭代检测（ID,Iterative Detection）方案。接着,介绍了基于通用处理器（GPP,GeneralPurpose Processor）的大规模分布式MIMO原型系统的搭建和结构模型。最后,利用该系统进行了迭代接收机的测试验证。测试结果证明该算法对接收机的性能具有显著性的提高。

关键词：分布式大规模MIMO 多用户预编码时延差确定性等同预编码补偿矩阵迭代检测

基于GPP的5G大规模分布式MIMO试验系统中的多用户预编码及干扰抑制技术研究

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基于GPP的5G大规模分布式MIMO试验系统中的多用户预编码及干扰抑...

作者：陈笑雷东南大学

学位级别：硕士

移动通信为人类社会带来了极大的便利,与此同时,人们对移动通信的要求也进一步提高。以物联网和移动互联网为主要驱动力的第五代移动通信给我们提出了新的技术挑战。作为第五代移动通信系统中核心技术之一的分布式大规模MIMO技术以其深... 详细信息

移动通信为人类社会带来了极大的便利,与此同时,人们对移动通信的要求也进一步提高。以物联网和移动互联网为主要驱动力的第五代移动通信给我们提出了新的技术挑战。作为第五代移动通信系统中核心技术之一的分布式大规模MIMO技术以其深度挖掘无线空间维度资源、提高频谱利用率和功率效率的优点在学术界得到众多学者的广泛关注。在分布式大规模MIMO系统中,由于基站端和用户端天线数量较大,传统的块对角化预编码算法计算复杂度较高,难以在工程中实现。因此,低复杂度的多用户预编码与干扰抑制算法是分布式大规模MIMO系统下的研究热点之一,也是本文的研究重点之一。本文以分布式大规模MIMO系统为模型,研究低复杂度的多用户预编码及干扰抑制算法,最后给出基于通用处理器的5G试验系统中的实现优化。本文首先介绍了论文的研究背景,描述了 MIMO技术的发展过程,指出分布式大规模MIMO系统将会是未来移动通信系统的新架构。其核心技术多用户预编码及干扰抑制技术就是文章的研究重点,接着给出了的当前多用户预编码及干扰抑制技术的研究现状。随后,本文阐述了将软件无线电应用于移动通信系统的众多优势,而我们的5G试验系统正是在基于通用处理器的软件无线电平台上进行研究。然后文章对本实验室构建的5G试验系统进行详细描述,主要介绍了系统的基本架构,各种配置参数,上下行链路数据传输过程以及帧结构。接着,文章研究了分布式大规模MIMO系统中多用户预编码及干扰抑制算法。文章先分析了分布式大规模MIMO系统模型,传统块对角化(BD)预编码方案复杂度较高,在此基础上提出了两种改进的低复杂度方案。改进的方案利用信道的TDD互易性,分别采用GZI算法和GMI算法,能够完成对下行多用户预编码及上行干扰抑制的统一设计。两种算法在系统的矩阵维度较大时,相比传统块对角化算法,能够较大程度地降低计算复杂度。最后通过仿真比较了两种方案,结果表明:在相同的情况下,GMI算法相比GZI算法有着更大的系统容量和更低的误比特率。最后,鉴于原始的5G试验系统运行速度较慢,我们对基于GPP平台的5G试验系统进行优化。首先,利用MKL库函数完成对矩阵的种种运算,不仅便利,可以进一步提升计算速度,还能在MKL库升级时让系统性能再次提升;接着,开启Intel的ICC编译器的自动优化选项,依据具体场景选择最佳的编译优化选项,可以获得相当可观的性能提升;最后,也是本论文的工作重点之一,利用GPP的多核硬件资源,使用多核多线程技术进行并行计算,可以很大程度提高系统的执行速度。利用上述三种优化手段,5G试验系统满足了实时性这一要求。

关键词： 5G 大规模分布式MIMO 多用户预编码干扰抑制并行计算

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多用户MIMO系统的有限反馈预编码

华中科技大学学报（自然科学版） 2009年第3期37卷 36-38页

作者：李汀杨绿溪东南大学信息科学与工程学院江苏南京210096

提出了一种多用户多数据流情况下基于接收机输出端信漏噪比准则的有限反馈预编码方法,很好地解决了实际通信系统中由于反馈信道的带宽限制,发射端往往仅已知部分信道信息的问题.该编码方法不仅有效避免了迫零有限反馈预编码方法发送端... 详细信息

提出了一种多用户多数据流情况下基于接收机输出端信漏噪比准则的有限反馈预编码方法,很好地解决了实际通信系统中由于反馈信道的带宽限制,发射端往往仅已知部分信道信息的问题.该编码方法不仅有效避免了迫零有限反馈预编码方法发送端和接收端的天线数限制,且在接收端成功避免了噪声被放大.仿真比较了该方法在不同反馈比特数下的系统容量,结果证实,相较于迫零有限反馈预编码方法,本文方法可获得更高的系统容量.

关键词：反馈多输入多输出(MIMO) 多用户预编码多路传输信漏噪比(SLNR)

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多用户MIMO系统的预编码技术

多用户MIMO系统的预编码技术

作者：张笑非大连理工大学

学位级别：硕士

随着信息化社会的高速发展,新一代移动通信系统对信息的传输速率和服务质量提出了更高的要求。多输入多输出(MIMO)系统能够在不增加发射功率和信号带宽的条件下,充分利用空间资源,成倍增加信道容量和频谱利用率,因而受到广泛的关注。然... 详细信息

随着信息化社会的高速发展,新一代移动通信系统对信息的传输速率和服务质量提出了更高的要求。多输入多输出(MIMO)系统能够在不增加发射功率和信号带宽的条件下,充分利用空间资源,成倍增加信道容量和频谱利用率,因而受到广泛的关注。然而,简单的单用户MIMO系统已不能满足现代通信系统的发展需求。因此针对多用户MIMO系统的资源分配及信息传输方案成为研究热点。在多用户MIMO系统中,一个主要的问题就是如何消除各个用户信号之间的相互干扰。此时可以在基站端对信道状态信息加以利用,采用预编码技术,降低或消除用户间干扰,实现多个用户与基站同时通信。论文从MIMO系统的信道模型出发,研究了MIMO系统的原理及性能优势,介绍了MIMO系统的信道容量,并针对采用空时编码的MIMO系统,提出了一种简单的信道估计算法。当输入符号向量的相关性满足一定的条件时,接收向量的相关矩阵仅需要进行简单的处理,便可使其具有特定的结构特点,利用这种特点,可以使用非常少的计算量以及非常简单的计算方法进行信道估计。论文进一步将模型扩展到多用户MIMO系统,重点研究了块对角化预编码算法和基于最大信干噪比的预编码算法,并给出了应用块对角化预编码算法所实现的多用户系统容量。最后,论文提出了几种改进的预编码算法,包括基于用户公平性的块对角化算法,解决了信道条件较差的用户误码率较高的问题;基于天线选择的块对角化算法,解决了不同用户信道相似时信道容量较低的问题;针对相关信道的预编码算法,改善了相关信道下的多用户系统误码性能。另外,还对比分析了采用预编码算法的传输方案与不采用预编码算法的并行传输方案的译码复杂度与误码性能。并通过仿真,验证了文中提出算法的有效性。

关键词：多用户MIMO系统系统容量信道估计多用户预编码

多用户MIMO系统中基于快速匹配调度的有限反馈SDMA

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通信学报 2011年第2期32卷 11-17页

作者：余辉黄永明杨绿溪东南大学信息科学与工程学院江苏南京210096 东南大学水声信号处理教育部重点实验室江苏南京210096

提出了一种能高效利用多用户分集和空分复用增益的有限反馈空分多址(SDMA,space division multiple access)方法。首先利用子空间扰动的方法构造了一种具有分簇结构的多用户预编码码本。基于该码本,进一步给出了一种新型的多用户机会调... 详细信息

提出了一种能高效利用多用户分集和空分复用增益的有限反馈空分多址(SDMA,space division multiple access)方法。首先利用子空间扰动的方法构造了一种具有分簇结构的多用户预编码码本。基于该码本,进一步给出了一种新型的多用户机会调度算法,该算法利用码本的簇结构实现对信道条件匹配的用户组进行快速的机会调度,同时确定被调度用户的首选码字。仿真结果表明,在蜂窝网络中,与传统的有限反馈SDMA方法相比,所提方法可以在不明显增加反馈开销的前提下显著提高系统吞吐量。

关键词：无线通信多用户预编码机会调度空分多址多用户分集

一种新型的基于效用函数的LTE-A系统预编码资源调度算法

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科学技术与工程 2015年第6期35卷 215-219页

作者：邱昕中国科学院微电子研究所通信与多媒体SoC实验室北京100029

为了消除共信道干扰(CCI),研究了LTE-A系统基于码本的预编码算法,与用户调度算法相结合,提出了一种基于效用函数的调度算法。该算法计算系统内所有用户的时延和速率效用函数,并判定用户的优先级,长时延或低速率的用户将被优先调度。仿... 详细信息

为了消除共信道干扰(CCI),研究了LTE-A系统基于码本的预编码算法,与用户调度算法相结合,提出了一种基于效用函数的调度算法。该算法计算系统内所有用户的时延和速率效用函数,并判定用户的优先级,长时延或低速率的用户将被优先调度。仿真结果表明,基于效用函数的调度算法,在保证用户吞吐率的前提下,与最大吞吐率调度算法相比,兼顾了时间公平性;与比例公平调度算法相比,有更小的时间和空间复杂度,更适用于小区用户拥挤的场景。

关键词：长期演进(LTE-A) 效用函数用户调度多用户预编码

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MIMO信道估计与预编码性能研究

MIMO信道估计与预编码性能研究

作者：王延文山东大学

学位级别：硕士

相对于单输入单输出(SISO,single input single output)的无线通信系统,多用户的多输入多输出(MU-MIMO, multi-user multiple input multiple output)系统扩展了空间自由度,存在着多用户分集增益,存在着巨大优势。为充分利用MU-MIMO无... 详细信息

相对于单输入单输出(SISO,single input single output)的无线通信系统,多用户的多输入多输出(MU-MIMO, multi-user multiple input multiple output)系统扩展了空间自由度,存在着多用户分集增益,存在着巨大优势。为充分利用MU-MIMO无线通信系统的空间自由度和多用户分集,提出了利用分集增益提高通信系统可靠性和利用复用增益是提高通信系统的有效性两种方式。本论文考虑如何提高系统有效性,利用了现有的预编码技术。预编码性能的好坏,主要取决于两个方面：1)已知信道信息的多少;2)预编码矩阵的求解方法。这两个问题在单用户MIMO系统的研究已经比较成熟。然而,扩展至多用户MIMO系统,用户间的干扰存在,使得信道状态信息的获取和预编码的讨论还是两个开放的课题。基于这些问题,本文着重对多用户MIMO系统下信道的估计和已知信道状态下的预编码进行研究,并对估计信道状态下的预编码的系统性能进行仿真分析,论文的主要工作概括为以下四个部分：1.根据单用户的信道估计方法不能用于多用户信道估计的缺陷,搭建了多用户TDMA信道估计模型,并且理论分析了多用户TDMA信道估计优劣性,得到了TDMA信道估计关于最小均方误差性能表达式,并和单用户的信道估计进行了比较。仿真验证了比较所得到的结论。2.根据完全平方原理,将单用户MIMO最优接收机的证明用于多用户MIMO系统中,给出了多用户MIMO通信系统中下行链路最优接收机的表达形式。3.根据信漏噪比最大化准则,将匹配接收机下双向链路系统预编码的迭代算法,用于最小均方误差接收机。提出了一种改进的双向链路预编码迭代算法。比较了当接收机为匹配滤波器、迫零滤波器和最小均方误差滤波器时,在已知信道状态信息下,系统的性能。4.从吞吐量和误码率两个方面比较了已知信道状态信息下与估计信道状态信息下多用户MIMO系统的性能,为以后的MIMO系统的实现提供了额外的选择。论文在最后讨论了该领域尚未解决的问题,并给出了下一步研究的重点。

关键词：信道估计多用户预编码信漏噪比时分多址

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基于联合波束形成的下行空分多址技术

基于联合波束形成的下行空分多址技术

作者：陆雪刚西安电子科技大学

学位级别：硕士

基于多天线的空分多址技术可以在有限的频谱内支持更多的用户，从而成倍的提高系统的频谱使用效率。下行空分多址通常可由阵列波束形成技术和MIMO多用户预编码技术实现，本文针对现有的下行空分多址技术存在的若干问题，开展了如下的工... 详细信息

基于多天线的空分多址技术可以在有限的频谱内支持更多的用户，从而成倍的提高系统的频谱使用效率。下行空分多址通常可由阵列波束形成技术和MIMO多用户预编码技术实现，本文针对现有的下行空分多址技术存在的若干问题，开展了如下的工作：（1）针对阵列天线系统空分多址技术干扰过大以及MIMO系统空分多址技术在相关信道环境下性能下降的问题，研究了一种基于单阵列的联合波束成形空分多址方案，通过将阵列波束形成和MIMO多用户预编码技术进行有机结合，提升了空分多址技术在相关信道下的性能。（2）在（1）的基础上，研究了一种基于单阵列的多用户特征波束形成方案。阵列特征波束成形可以产生空间相互独立的波束，因此可以更好发挥MIMO多用户预编码的优势来提升系统的性能。（3）针对单阵列系统联合空分多址在用户的波束方向相差较小时，波束相关性较大导致的系统性能下降的问题，提出了一种基于多阵列的联合波束形成空分多址技术，通过采用多个空间独立的阵列天线，有效降低了用户波束之间的相关性，解决了用户波束方向相差较小时性能差的问题。

关键词：空分多址阵列天线多输入多输出多用户预编码多阵列系统

MIMO系统中的接收天线选择与用户选择技术研究

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MIMO系统中的接收天线选择与用户选择技术研究

作者：孙丰刚山东大学

学位级别：硕士

随着无线通信系统业务的快速发展,有限的无限资源与用户不断提高的服务质量要求之间的矛盾日益突出。因此,如何有效地利用无线频谱受到了广泛的关注。如今,多天线技术通常被认为是目前进一步提高频谱利用率的最有效的方法之一。 ... 详细信息

随着无线通信系统业务的快速发展,有限的无限资源与用户不断提高的服务质量要求之间的矛盾日益突出。因此,如何有效地利用无线频谱受到了广泛的关注。如今,多天线技术通常被认为是目前进一步提高频谱利用率的最有效的方法之一。多输入多输出MIMO（Multiple Input Multiple Output）技术以其明显的优势受到广泛的关注,是新一代移动通信的关键技术之一。MIMO技术的实质就是为无线系统提供空间分集增益和空间复用增益。分集技术是一种有效对抗无线链路衰弱的技术,而空间复用增益可以在不增加额外大功率和带宽的情形下,提供与天线个数成线性比例的容量增长,这就大大增强了系统的频谱利用率。然而,MIMO系统性能的提高得益于发送端和接收端采用的多天线配置,但是这种配置方式要求配备多个RF链路,使得系统成本明显提高,同时加大了系统配置和维护的难度。天线选择技术以一种非常有效的低成本低复杂度的技术,它能以很小的性能损失换取射频成本的大幅度降低,使MIMO系统不完全受射频成本的限制。目前MIMO系统的研究已经从点对点的单用户扩展到点对多点的多用户MIMO系统。它可以在不需要附加时隙和频谱资源的前提下同时与多个用户通信,相比单用户系统能够达到更高的信道容量。但是,如何在不增加系统消耗功率和不牺牲带宽的情况下优化资源配置,在保证可靠链接的前提下满足多用户系统中不同用户的服务质量（QoS）需求都是多用户MIMO系统中亟待解决的问题。多用户MIMO系统可以提供多用户分集,不同的用户经历的衰落不一样,当某个用户经历深衰落时,另外的用户可能有很好的信道质量。用户选择技术是充分利用多用户分级提高系统性能的一项重要技术。但用户选择技术通常选择信道条件较好的用户,为了保证不同用户之间的公平性,需要对用户的资源接入进行调度。本论文一方面研究单用户MIMO系统中的天线选择方案,另一方面研究多用户MIMO系统中的天线与用户选择技术以及调度方案。概括的讲,本论文的主要贡献及创新点包括一下几个方面: （1）基于对信噪比下界的分析提出一种使信噪比最大化的接收天线选择算法,建立相应的凸优化模型,使用凸优化工具实现,使系统获得了近似最优的容量。（2）基于最大化多用户MISO系统下行链路的SLNR提出一种自适应的用户选择算法,避免了SINR标准中用户之间的耦合问题。在此基础上结合加权α调度算法,保证了不同用户之间的公平性,使信道条件一直较差的用户获得服务机会。（3）在上行多用户MIMO系统中,提出了一种基于最大化SINR的自适应用户与天线联合选择算法。该算法能选择合适的用户与天线数使信道容量达到最大。算法在不同信噪比条件下既能保持较低的复杂度又能获得较好的系统性能。综上所述,本论文针对单用户MIMO系统中天线选择方法以及上下行多用户MIMO系统的用户选择与调度方案进行了研究。论文最后总结了该领域尚待解决的问题以及下一步的研究重点。

关键词：多输入多输出天线选择凸优化多用户系统用户选择与调度多用户预编码