MU-MIMO系统迫零预编码的设计及仿真

论文总字数：18061字

目 录

1 绪论 3

1.1 研究背景及其意义 3

1.2 国内外发展现状 3

1.3 本论文结构 4

2 MIMO系统以及预编码原理概述 4

2.1 MIMO基本原理以及特性 5

2.2 MIMO的工作原理 5

2.3 多用户MIMO系统结构以及特性 6

2.4 MIMO信道 7

2.4.1 通信系统信道的容量 7

2.4.2 平坦衰落信道模型 　　 9

2.5 MIMO系统预编码概述 9

2.6 预编码的基本原理 9

3 预编码方案及其改进算法 11

3.1 信道信息状态(CSI)的获取 12

3.2 迫零算法 13

3.3 不同调制方式下的迫零预编码 13

3.4 改进的串行干扰消除迫零算法 16

3.5 仿真结果 16

3.5.1 不同调制方式下仿真结果 17

3.5.2 改进算法仿真结果 19

3.6 最小均方误差算法 18

3.6.1 不同调制方式下仿真结果 19

3.7 仿真对比 20

3.8 非线性预编码技术 22

4 总结与展望 23

参考文献 24

致谢 25

MIMO系统迫零预编码的设计及仿真张 倩

，China

Abstract:In view of the rapid development of wireless communication system, the application

of MIMO technology is more and more extensive. In view of this situation, this paper aims to

discuss the multi-user multi-input multiple output efficiency problem of MIMO system, and for

the existing linear precoding Technology has done some research, mainly for the zero-based

algorithm based on the precoding technology for independent design. First of all, this paper

introduces the principle and working mode of MIMO system, and simulates the channel capacity

of MIMO system based on the fading situation of channel. This paper mainly studies the precoding technique based on the zero - forcing algorithm, simulates the zero - forcing precoding

in QAM four modulation modes of BPSK, QPSK, 16 and 64 samples respectively, and proposes

an improved algorithm to add serial interference The simulation results show that the improved

algorithm is superior to the traditional zero - forcing code, which is close to the ideal precoding bit error rate, and the system performance is obviously improved.

Key words: MIMO system, channel capacity, zero forcing precoding, serial interference cancellation

1.绪论

1.1 研究背景及其意义

随着电子行业与移动网络的迅速发展，MIMO(多输入多输出系统)系统的使用也在逐渐普及，而预编码技术就成为了多输入多输出系统的关键技术之一。在这样的条件下，全世界范围内也存在着很多学术机构，以及欧洲和北美地区的大公司正在试图对MIMO技术展开更加深入的探究，促使着这项技术在实用化的道路上发展的越来越好。为了提高数据流量、系统性能还有频谱效率，市场上推出了现在用户之间流行使用的3G，4G，MIMO系统及其与之相关的技术，这些技术的产生对用户也具有很强的吸引力。现实中的实际应用例如混合ARQ，自适应调制和编码，快速蜂窝选择等也与MIMO技术有很大关联。在我们现实生活中使用的蜂窝移动通信系统中，暂时还没有把MIMO产品完全商业化。在通常情况下，发送功率受限是预编码器设计的最大限制条件。

基于这种情况，在本文中提出迫零预编码技术对系统进行优化，但是在实际应用中，通常会有更复杂的条件，例如在做MIMO系统的预编码器设计时，限制的部分可能有缓冲器长度受限或者单天线发送功率受限。因此要想在研究领域有所突破做出更大的贡献的话，设计出更加贴近实际假设条件的预编码方案是非常必要的。最大容量准则和最大公平准则是预编码设计中最常用的准则，但是为了方便用户，在实际应用系统中，多种多样的的服务类型和数据类型都会通过服务商提供给用户，这就导致了系统设计目标与预期方案发生偏差。透过以往的通信技术来看，无线MIMO通信的存在对于研究学者来说是新奇的、有很大挑战性的。为什么MIMO会成为学者们争相研究的对象呢？我们从信息论可以看出，无线MIMO系统存在着巨大的信道容量却并没有被我们所发掘，然而实际应用中，不管是获得信道容量的一部分亦或是全部，都会耗费一定程度的人力物力，怎样均衡这其中的关系，是学者们应该深入探究的。然而预编码技术对于MIMO系统同样具有非常重大的意义，它可以根据从接收端反馈回来的信道状态信息来对信号进行预处理，从而达到改善信号的传输性能并且消除用户之间干扰的目的,无线通信系统的可靠性从而得到提高。从这些背景中我们可以得知，要想真正意义上提升无线通信MIMO系统的性能，与编码技术是必不可少的。其次我们还要考虑参与的算法的复杂的以及现实实践上的难易程度和完善系统的性能问题。然而很多学者也在研究大规模MIMO系统的预编码设计方案和性能分析，这也是这一发展领域可拓展的一个崭新的方向。

1.2 国内外发展现状

目前MIMO技术已经发展为LTE系统中的核心技术，原因是其引入了空域维度的概念，能够在不增加发射功率和系统带宽的情况下，提高信道的链路可靠性并且改善信道的频谱效率。正是它的这种特性促使MIMO技术成为无线局域网，有线通信以及宽带移动网络通信等一系列通信网络的一种解决方案。

对MIMO系统预编码技术的研究，我国众多研究学者也取得了不凡的成就。比如说基于SLNR准则的多用户系统预编码方案的提出，相比于只单方面考虑CCI的迫零预编码(ZF)与单方面考虑噪声最大化预编码(MRT)，SLNR预编码技术在系统容量和误码率方面有显著的提高，并且攻克了SUS算法不能利用多接收天线分集增益的缺点^[1-4]。除了以上基于码本的预编码技术，还有很多学者提出了不同的方案，包括线性预编码以及非线性预编码技术，迫零预编码技术就是线性预编码的一种。从本质上来讲，线性预编码在空间维度上是一种匹配滤波器。其中使用最多的是奇异值分解预编码，也就是通过功率分配和进行波束成形来实现对发射端的预处理^[5-6]。要实现SVD预编码，首先要通过自适应调制和功率分配，目的是实现其在容量很高时的性能。但是这样做的同时一些弊端也不可避免的出现，例如增加了收发双方的复杂度，并且也存在功率溢出和模式的取舍等等很多相关问题。国外学者也针对大规模MIMO，线性预编码，通道互惠性错误，射频不匹配，不完美的信道估计这些方面进行了深入的研究^[7-9]。这些概念的提出也使得MIMO系统能够更好的在实践中发挥作用，更好的提高数据传输效率，促进了这一技术的发展。

1.3 本论文结构

本文针对多用户MIMO系统中线性预编码的典型例子迫零预编码技术的设计及实现的有关问题进行了讨论和研究，并且展开了以下工作。

第一章，阐述了研究MIMO系统的相关背景和意义，以及在MIMO系统中预编码技术存在的重大意义。另外还对世界上现存的多种预编码技术的相关内容进行了讨论与研究。

第二章，主要介绍了MIMO系统的相关特性以及其工作原理，对其工作模式展开了深入的研究，介绍了几种抗干扰的工作模式，对MIMO系统信道容量进行了仿真，同时也概述了预编码技术的原理并且画出了相应的系统框图。

第三章，首先介绍了系统信道状态信息的获取，然后是本次论文的主题基于迫零算法的预编码技术以及对其改进的串行干扰算法，再提出了另外一种线性预编码技术MMSE预编码与其进行对比，完成基于三种算法的预编码技术的仿真，最后根据仿真结果验证了迫零预编码技术的在实际应用上的优势。

最后，是对全文的总结与展望。

2. MIMO系统以及预编码原理概述

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术，也就是在发射端有多根发送天线，同样的接收端也有多根接收天线，发射和接收天线之间相互协作使信号能够顺畅的进行传送和接收，从而达到改善通信质量的目的。这种技术的优势在于通过多个天线实现多发多收，充分利用了空间资源，在不增加天线发射功率和频谱资源的前提下，将系统信道容量大大的提升了。在这样明显的优势下，可以看做是下一代移动通信的中心技术。从背景中我们可以得知，MIMO就是为了提高传统WIFI网络的低效率而生，同时MIMO系统也引入了空域的维度，能够在不增加发射功率和系统宽带的前提下，提高信道的链路可靠性频谱效率，这些特性使之成为无线局域网，有线通信，宽带移动通信等的解决方案之一。在MU-MIMO系统下行链路中，因为多用户使用相同的时间，频谱以及码字资源，导致不同用户之间存在同信道干扰(CCI)，而我们得知CCI的状态与信噪比是成正比关系的，信噪比越高CCI越强。所以只靠发送功率的提升来增加接收端信噪比是不能完全达到效果的。基于这样的前提，这里我们采用目前最常用的，在发送端获得信道状态信息CSI(Channel State Information)的前提下，对发射端信号进行预编码，同时采用其中的线性预编码方法：迫零算法预编码来实现。

2.1 MIMO基本原理以及特性

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