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多用户MIMO-OFDM下行链路自适应资源分配技术的研究

张成文  
【摘要】: 随着无线宽带服务需要的日益增长,未来无线系统需要提供各种不同服务质量的更高速的数据传输服务。然而,由于无线频率资源的有限,这就要求用更先进的技术实现更高效的资源利用。为了在有限的无线资源及苛刻的无线信道条件下满足用户需求,MIMO-OFDM这项新技术因其在无线环境中的卓越性能表现,受到越来越多学者的研究。由于无线信道的频率选择性和时变性,MIMO-OFDM系统结合自适应资源分配技术可进一步提高系统的传输速率、信道容量、频谱效率及功率利用率等性能。自适应MIMO-OFDM系统,已经成为支持宽带多媒体服务的实现无线信道高速数据传输最具希望的物理层解决方案之一。 然而,自适应MIMO-OFDM系统仍存在很多待研究的问题,例如:并行子信道数多导致自适应资源分配算法复杂度高,很难在实际系统中应用;共道干扰随用户空间相关性的增大而加剧,使自适应资源分配算法的性能降低;信道状态信息的准确性,对自适应资源分配算法的性能存在很大的影响。因此,研究MIMO-OFDM系统的自适应资源分配算法,对改进系统性能、降低实现复杂度具有重要的实际意义。 本文针对MIMO-OFDM下行链路,重点研究改进基站发射功率利用率及频谱效率等系统性能的同时降低实现复杂度的自适应资源分配算法。首先对MIMO-OFDM系统的波束形成、共道干扰抑制、空时分组码及空时分组码结合波束形成等基本原理进行了系统分析,为后续研究提供了充分的依据。 针对单用户MIMO-OFDM系统,在瑞利分块衰落信道下,研究了满足速率及误比特率要求时最小化系统功率的问题,提出降低实现复杂度的子信道空时频域动态分组的比特功率分配算法。算法利用奇异值分解将MIMO-OFDM信道等效为并行子信道,基于子信道特征值的排序统计特性实现空域分组;基于各空域分组子信道的频域相关性实现子信道连续分组与排序分组相结合的频域再分组;基于分块衰落特性实现时域分组;应用组贪婪算法实现比特功率分配。算法在几乎没有性能损失的同时,降低了计算复杂度,减少了用于传递各子信道传输参数的下行信令开销。 针对多用户基于波束形成的MIMO-OFDM系统,在部分相关信道下,通过对用户空间相关性与系统性能的研究,提出按用户空间相关性分组的子载波独占方式与共享方式相结合的资源分配算法,不仅提高了存在空间高度相关用户时系统的性能,而且减少了基站所需发射天线数,降低了计算复杂度。算法按用户空间相关性对用户分组,组内以独占方式分配子载波,组间以共享方式分配子载波。重点研究了基于用户中心角导引向量的改进迫零算法的共道干扰抑制。基于导数约束法对干扰用户方向的零陷展宽,提高了迫零算法共道干扰抑制的性能;利用求解各用户组信道矩阵零空间交集的方法降低了迫零算法的计算复杂度;利用基于各组边缘用户中心角导引向量的用户组迫零方法,进一步降低了算法的计算复杂度。 针对多用户基于空时分组码结合波束形成的MIMO-OFDM系统,在部分相关信道,研究了基站端存在两种不同方式的信道估计误差时,改进系统性能的子载波共享方式的自适应资源分配算法。针对H型信道估计误差提出基于收发结合迫零共道干扰抑制的空时分组码结合波束形成的资源分配算法,针对G型信道估计误差提出基于中心角导引向量迫零共道干扰抑制的空时分组码结合波束形成的资源分配算法。两种算法均利用波束形成技术实现了共道干扰抑制、构建了空时分组码所需的不相关传输信道,同时减少了基站端所需发射天线数;充分利用基站端的部分信道信息,自适应地分配空时分组码等效信道的发射功率,提高了接收端的信干噪比,改进了系统的误比特性能;结合子载波的自适应比特、功率分配进一步提高了系统性能。


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