论文部分内容阅读
近年以来，学术界和工业界对于多输入-多输出(MIMO)技术进行了持续的研究，相关成果已经部分应用于3G无线通信系统。对于3G系统的长期演进(LTE)系统，MIMO技术将获得更为深入广泛的应用。如果能够在发射端利用信道状态信息(CSIT)来进行预编码(precoding)设计，则MIMO系统能够获得更大的容量与更好的性能。对于预编码技术而言，首先必须解决MIMO系统引入的天线间干扰问题。预编码技术可以通过收发端的数学处理，得到无干扰的空域平行子信道以支持多个数据流的并行传输。其次，预编码需要解决各数据流的信噪比(SNR)或信干噪比(SINR)不均衡问题。如果考虑在各数据流上采用同样的编码调制方式，则需利用功率分配来对此不均衡进行补偿，但传统方案对此处理的效果并不十分显著。针对上述两个问题，本文利用新出现的数学方法和理念进行MIMO系统预编码技术方案的设计，提出了一系列具有不同结构特点、适用于多种应用场合的预编码方案。这些方案与传统方案相比具有更好的性能增益，并且基本都获得了满分集增益，充分利用了MIMO系统的优势。论文的主要研究内容包括：1.研究了基于减格技术的预编码设计。基于栅格理论，栅格缩减(简称减格,LR)技术可以通过增加基矩阵的正交性来显著减小各数据流之间的干扰、降低噪声对系统的恶化，故而获得更好的性能。同时LLL算法提供了具有多项式复杂度的LR处理。本文对LR技术进行了深入分析，讨论了LR技术在MIMO系统中的应用，提出了基于最小均方误差(MMSE)准则的减格辅助(LRA)预编码设计，其性能优于已有的基于ZF准则的LRA预编码方案及传统预编码方案。此外，我们还讨论了基于联合收发处理的LRA预编码设计，提出了对应的酉预编码方案和MMSE整数预编码方案，适用于LTE频分双工(FDD)系统。2.研究了基于矢量扰动技术的预编码设计。传统的非线性预编码技术采用了简单的一维取模运算来抑制功率放大效应，相当于向信号向量中加入了某一特殊扰动向量。基于矢量扰动技术，可以进一步地对该扰动向量进行优化设计。这种设计又称为矢量预编码(VP)。我们讨论了现有VP方案，并提出其扰动向量设计的通用模型。然后我们针对该通用模型提出了两种降低VP复杂度的方法。第一种方法利用LR处理后再进行球形编码，其复杂度可以得到显著降低；第二种方法通过Babai过程来获得近似扰动向量，其复杂度甚至可以降低至传统预编码方案的水平。针对MMSE-VP，我们利用第二种方法提出了三种低复杂度的近似方案。3.研究了基于GMD类三角化方法的预编码设计。传统的三角化方法(如QRD)会引起各个数据流的SNR/SINR不均衡问题，新出现的几何平均分解(GMD)方法可以解决该问题，但现有算法仍然采用了传统的预编码处理。我们率先提出了基于GMD方法的联合收发VP设计，包括基于ZF准则的设计、基于MMSE准则的设计及相应的增强算法等，仿真表明这些新提出的方案与已有发射端VP方案相比具有显著性能增益，同时其复杂度也有显著降低。我们进一步将该设计推广至接收端可以采用任意酉矩阵的情况，通过性能分析得到关于接收端酉矩阵的选择准则，并提出了降低其复杂度的LRA-VP算法。此外，考虑到最优功率分配，我们利用均匀信道分解(UCD)方法设计了基于ZF准则与MMSE准则的VP方案，获得了更好的性能。4.研究了基于BD-GMD类块对角化方法的预编码设计。块对角化(BD)方法使得空分多址(SDMA)多用户MIMO系统可以进行收发联合处理，从而获得比传统的仅在基站端进行处理更好的性能。由于GMD方法的优良特性，我们深入分析了BD-GMD方法的性质，并利用它来进行多用户MIMO系统的预编码设计。首先我们提出了基于LR方法的上、下行预编码/收发机方案，其性能显著优于现有的BD-GMD方案。其次，我们针对下行链路提出了基于BD-GMD的联合收发VP方案，并针对其复杂度高的问题，提出了降低复杂度的相关方案，仿真表明我们所提出的各种方案与现有方案相比都具有良好的性能改善。