有限反馈无线MIMO通信系统容量仿真研究

论文摘要

多输入多输出(MIMO)通信系统能够通过对发射端信道信息(CSIT)进行处理,从而使发射信号适应当前信道,得到远大于传统单输入单输出(SISO)通信系统的容量,但是发射端要完美地获得信道信息在现实的通信系统中并不可能,并且系统的接收端将完美CSIT反馈给发射端也需要太大的系统开销,因此仅反馈少量比特而不带来较大性能损失的有限反馈技术成为了近年来研究的热点。通信系统的容量不仅是信道吞吐量的上界,也对整个系统的系统设计、性能分析具有重要的影响,因此对系统容量的研究具有重大意义。本文基于反馈比特量,针对单用户和多用户MIMO系统,对有限反馈情况时的容量进行了研究,得到了相应结论,并针对多场景的MIMO系统容量(吞吐量)进行了仿真,从理论和直观两方面反映了反馈比特量与系统容量(吞吐量)之间的密切关系。首先,本文介绍了MIMO技术、CSIT对MIMO系统的影响以及国内外有限反馈无线MIMO通信系统的研究情况。其次,围绕CSIT对MIMO系统容量的影响,本文引入了动态CSIT模型,通过该模型在容量计算过程中的应用,可以看到:CSIT能够为MIMO系统容量带来增益,并且越接近完美CSIT带来的增益越多。然而反馈完美CSIT在现实通信系统中是不现实也不经济的,反馈少量比特而能够得到接近完美CSIT情况增益的有限反馈技术因此显得十分具有吸引力。在此基础上,本文分别针对单用户MIMO系统及多用户MIMO系统仿真研究了有限反馈情况下的容量(吞吐量)特性。再次,针对单用户MIMO系统,本文就不同的有限反馈方法分析,并着重针对使用RVQ码本进行矢量量化的有限反馈MIMO系统,采用已有研究方法对其容量损失与反馈比特数的关系进行分析,得到了其容量损失的数值上限,并就不同有限反馈方法下的各态历经容量以及容量损失与反馈比特数关系进行仿真比较。最后,针对多用户MIMO系统,本文对使用RVQ码本矢量量化基于迫零的有限反馈多用户MIMO系统吞吐量性质进行分析,得到了不同反馈方式下吞吐量的结论,其后推广到使用任意码本进行矢量量化基于迫零的有限反馈多用户MIMO系统中,并针对不同情况下的有限反馈多用户MIMO系统吞吐量进行了仿真。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 本论文的研究背景
• 1.2.1 MIMO 技术简介及其原理
• 1.2.2 CSIT 对MIMO 系统的影响及其获取
• 1.2.3 线性预编码技术
• 1.3 有限反馈技术研究现状
• 1.4 本论文主要工作及贡献
• 第二章 MIMO 信道及其容量
• 2.1 MIMO 信道模型
• 2.2 动态CSIT 模型
• 2.2.1 发射端信道估计
• 2.2.2 时间相关下动态CSIT
• 2.2.3 特殊CSIT 情况
• 2.3 MIMO 系统容量
• 2.3.1 确定性信道的信道容量
• 2.3.2 随机信道的信道容量
• 2.4 数值结果与讨论
• 2.4.1 发端未知和已知信道状态信息时容量对比
• 2.4.2 不同信道状态信息估计质量下MIMO 容量对比
• 2.5 小结
• 第三章 有限反馈条件下单用户MIMO 系统容量特性
• 3.1 有限反馈系统简介
• 3.2 基于信道量化的有限反馈方法
• 3.3 基于发射信号协方差量化映射的有限反馈方法
• 3.3.1 RVQ 码本的生成
• 3.3.2 RVQ 码本下反馈比特数与容量损失
• 3.3.2.1 容量损失介绍
• 3.3.2.2 容量损失量的上限
• 3.4 仿真结果与讨论
• 3.4.1 不同有限反馈情况（RVQ 和信道量化）各态历经容量比较
• 3.4.2 使用RVQ 码本进行有限反馈的各态历经容量
• 3.4.3 SNR=-5dB 及0dB 时各态历经容量损失上界的仿真比较
• 3.4.4 高信噪比条件各态历经容量损失比较
• 3.5 小结
• 第四章 有限反馈条件下多用户MIMO 系统容量特性
• 4.1 多用户MIMO 系统
• 4.1.1 多用户MIMO 系统模型
• 4.1.1.1 MIMO-MAC
• 4.1.1.2 MIMO-BC
• 4.1.2 多用户MIMO 系统容量
• 4.1.2.1 完美信道信息时下行链路的容量
• 4.1.2.2 未知信道信息时下行链路的容量
• 4.1.2.3 信道信息对下行链路容量的影响
• 4.1.3 多用户MIMO 系统与单用户MIMO 系统之间的不同点
• 4.2 使用RVQ 码本基于迫零有限反馈下的MIMO 下行信道吞吐量
• 4.2.1 SINR 性质
• 4.2.2 固定反馈比特数情况的有限反馈系统吞吐量
• 4.2.3 递增反馈比特数情况的有限反馈系统吞吐量
• 4.3 使用其他码本基于迫零有限反馈下的MIMO 下行信道吞吐量
• 4.4 仿真结果与讨论
• 4.4.1 固定反馈比特数情况下系统吞吐量比较
• 4.4.2 递增反馈比特数情况下系统吞吐量比较
• 4.4.3 复用增益与反馈比特数之间的关系
• 4.5 小结
• 第五章 总结
• 5.1 全文总结
• 5.2 未来研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间研究成果
• 个人简历