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随着数据业务的飞速增长和频谱资源的日趋紧张,能够利用空间资源的多输入多输出(multi-inputmulti-output,MIMO)技术成为未来无线通信系统中的一个关键技术,其通过在发送端和接收端配置多根天线来成倍提高系统的传输速率和频谱效率。多用户MIMO下行链路中,基站同时同频向多个用户发送数据,各用户会收到来自其它用户的干扰信号,由于用户间没有协作,通常在基站对发送信号作预编码。针对不同的通信场景,如何利用发送端已知的信道状态信息设计不同准则下(例如最大化“和速率”、最小化均方误差等)的预编码方法一直是MIMO无线通信领域的研究热点,而且具有重要的实际应用价值。
本文分析总结了预编码技术的相关理论,通过对现有预编码方法的分析和讨论可知:线性预编码通常较非线性预编码更易实现,但其仍存在运算复杂度过高的问题,因此,具有更低复杂度且兼顾系统性能的线性预编码方法,还有待进一步研究。另外,由于实际系统中发送端很难知道精确的信道状态信息,还要进一步考虑如何改善多用户MIMO预编码方法对非精确信道状态信息的鲁棒性。
本文针对两种场景下的预编码方法分别展开研究,第一,发送端已知精确信道状态信息时,设计一种低复杂度预编码方法;第二,发送端已知非精确信道状态信息时,改善该低复杂预编码方法对信道状态信息存在误差时的鲁棒性。通过对上述两个问题的研究,本文的主要工作和贡献如下:
1.发送端已知精确信道状态信息时的低复杂度预编码方法
分析了规则块对角化方法的预编码矩阵所具有的特定结构,并基于该特定结构提出了一种新的低复杂度线性预编码方法,推导了预编码矩阵的最终形式。该方法固定了总预编码矩阵中前一部分的取法,只需对后一部分中的块对角矩阵的各个子块进行优化计算,避免了现有方法中对高维矩阵的多次优化计算。在此基础上证明了该方法与规则块对角化方法的等效性,并给出了预编码矩阵的复杂度分析。理论和仿真结果表明,该方法在不损失和速率性能的同时,有效地降低了预编码矩阵的运算复杂度。
2.发送端已知非精确信道状态信息时的低复杂度预编码方法
建立了信道误差模型,并分析了信道误差给预编码系统带来的影响,推导了非精确CSIT下利用信道误差统计特性的鲁棒预编码方法,并基于该鲁棒预编码方法的等效信道矩阵,通过修改的最小均方误差准则,提出了一种改进的鲁棒预编码方法。在此基础上,针对有限反馈系统,通过对信道误差方差的估计得到了减小反馈开销的鲁棒预编码方法。理论和仿真结果表明,提出的鲁棒预编码方法和改进的鲁棒预编码方法在发送端信道状态信息存在误差时,改善了系统的和速率性能并保持了低复杂度的特点。