新一代无线通信系统中的传输方案及资源分配研究

论文摘要

近年来,无线移动通信已成为通信领域的研究热点。当前,已有多项技术被人们看好,很有希望成为未来移动通信系统架构中的关键技术。这其中包括能有效克服多径效应,提高系统数据传输速率的正交频分复用（OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术;以及能显著提高系统容量或有效改善系统性能的多输入天线、多输出天线（MIMO, Multiple Input Multiple Output）技术等。本文在国家“十五”863计划重大课题“新一代蜂窝移动通信系统无线传输链路技术研究（2003AA12331005）”和国家自然科学基金重大项目“基于MIMO-OFDM系统的空中接口自适应技术研究（60496315）”的资助下,针对恶劣的无线移动通信中,多天线、多用户环境以及多业务服务质量（QoS, Quality of Service）要求下的空间发送分集技术、MIMO传输方案以及自适应资源分配技术等进行了创新研究。本文首先概述了当前MIMO信道中的空间分集技术,特别是发送分集技术。接着针对发送端已知信道状态信息时的最大比发射（MRT,Maximum Ratio Transmitting）技术,提出一种在基站端采用最优选择最大比发射（OMRT, Optimum -Selection Maximum Ratio Transmitting）的发送分集技术,从而在满足性能要求的同时,降低基站的硬件复杂度、功耗等。在此基础上,我们利用随机矩阵（Random Matrix）和排序统计（Order Statistics）的理论知识,对该技术进行了性能分析,得到瑞利衰落信道下中断概率（Outage Probability）、误码率（BER, Bit Error Rate）等性能指标的表达式。其次针对MIMO通信中,由于尺寸大小、功率能量以及生产成本等方面的限制而造成当前大多数手持设备不太可能配置多的天线数（或射频电路数）这一现实特点,通过收、发端的联合设计,提出两种新的MIMO传输方案,从而达到提高系统性能,降低收发端的硬件复杂度、功耗等目的。首先,我们提出一种在基站按照MRT技术发射信号,而在移动台端基于信噪比（SNR, Signal-to-Noise Ratio）最大的原则仅选择一根接收天线来接收、处理信号的传输方案（即MRT/RAS, Maximum Ratio Transmitting/ Receiver Antenna Selection Combining）。接着,我们又提出在基站采用选择发射联合移动台端采用最少选择最大比合并接收的传输方案（即TAS/MMRC, TransmittingAntenna Selection /Receiver Minimum-Selection Maximum Ratio Combining）。分析和仿真结果均表明MRT/RAS方案可以取得很好的阵列增益（Array Gain）及满分集增益（Full Diversity Gain）,在相同频谱条件下,性能超过某些复杂的空时编码系统。同样我们对TAS/MMRC方案也进行了数学分析。这些结论既表明我们所提出的传输方案非常满足当前对MIMO传输技术的要求,同时也为它们的实际应用提供了理论指导。我们还研究了基于特征波束成形传输策略的MIMO-OFDM系统中的资源分配问题。首先在保证用户误码率的条件下,以总的发射功率最小化为目标,提出多用户MIMO-OFDM系统中的自适应资源分配准则,并对此时的系统性能和取得的多用户分集（Multiuser Diversity）增益进行了定量分析。在此基础上,还将考虑用户的传输速率要求,考虑到算法的实用性和复杂度,给出了一种低复杂度的次优分配算法,使得在用户QoS要求得到保证的基础上系统总的发射功率最小。此外,我们还研究了相关衰落信道下MIMO-OFDM系统中的自适应资源分配策略。最后,在不同信噪比条件下,我们讨论了使多用户MIMO-OFDM系统（包括实际应用的V-BLAST（Vertical Bell Laboratory Layered Space-Time）/OFDM系统）的瞬时容量最大的资源分配准则。提出一种简单的资源迭代分配算法,从而在考虑用户QoS要求的同时,最大化V-BLAST/OFDM系统的容量。最后为了改善系统在低信噪比下的频谱效率,还将联合功率再分配算法来进行自适应的资源分配。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 MIMO-OFDM 研究现状及关键技术
• 1.3 无线通信中的分集技术
• 1.4 自适应传输技术
• 1.5 无线衰落信道的基本特征
• 1.6 本文的主要研究内容
• 2 MIMO 系统中的空间分集技术及其性能研究
• 2.1 研究概述及相关概念
• 2.2 OMRT 发送技术的性能研究
• 2.3 仿真结果及讨论
• 2.4 本章小结
• 3 MIMO 系统中的传输方案设计及性能研究
• 3.1 研究背景
• 3.2 MRT/RAS 传输方案的性能研究
• 3.3 TAS/MMRC 传输方案的性能研究
• 3.4 本章小结
• 4 基于特征波束成形的MIMO-OFDM 系统中资源分配研究
• 4.1 引言
• 4.2 系统模型
• 4.3 动态资源分配
• 4.4 仿真结果及分析
• 4.5 本章小节
• 5 MIMO 复用系统中的资源分配研究及服务质量控制
• 5.1 研究背景及相关概念
• 5.2 MIMO-OFDM 复用系统中提高频谱效率的资源分配研究及QoS 控制
• 5.3 仿真结果和分析
• 5.4 本章小节
• 6 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 攻读博士学位期间申请专利
• 附录3 相关结论的证明
• 附录4 英文缩写对照表
• 附录5 数学符号说明
• 附录6 国家863 计划任务合同书及中标书
• 附录7 国家自然科学基金委员会文件