（通信与信息系统专业论文）多用户mimo上行关键技术研究.pdf

摘要 摘要 在无线通信链路的收发两端布置多根天线可构成多入多出( m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 无线通信系统，其可在不增加系统带宽和天线发射功率的 前提下，有效地抑制信道的多径衰落、提高数据传输速率和系统容量。因此，m i m o 已经成为下一代移动通信物理层的核心无线传输技术。 目前，关于点对点单用户m i m o 系统信号处理与空时编码理论与方法的研究 成果已日趋丰富。但是，在实际无线通信系统中，需要解决的关键问题是多用户 通信容量与质量的提升，比如蜂窝移动通信系统中一个基站同多个移动台进行通 信的情形，或无线局域1 网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ，w l a n ) 、无线城域网 0 x r r r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s ，w m a 中多用户设备与无线接入点之间的 通信情形。m i m o 相关理论与技术在多用户无线通信场景的应用还需要解决从系 统容量到链路传输，从空时编码方法到媒质接入协议等多方面的问题。这些问题 较单用户m i m o 系统更为复杂。本文主要对多用户m i m o 上行链路的空时频编 码方法、随机接入协议、信号检测技术进行了深入的研究。 本文的第一章概述了多用户m i m o 的研究现状，介绍了全文的主要内容和背 景知识。 本文的第二章主要研究了上行多用户m i m o 中的多用户联合空时频编码的设 计方法，分析和仿真了其系统性能。传统的空时频码主要是针对单用户系统而设 计，若应用至多用户m i m o 系统中，则会导致性能的损失。本章研究了 m i m o o f d m 系统中的一种基于信号空间分集技术的多用户空频编码准则，详细 讨论了其性能，并将其推广至多用户m i m o s c f d e ( s c f d e ：s i n g l e c a r r i e r f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n ，单载波频域均衡) 系统中，提出了一种新的多用户 m i m o s c f d e 系统模型。仿真结果显示，这种类型的多用户m i m o s c f d e 系 统比起传统的多用户m i m o s c f d e 系统能获得更低的误码率，从而可以提高物 理层的可靠性。 随着多用户m i m o 技术在无线通信物理层技术框架中的发展，对相应的媒质 接入协议也提出了挑战。因此，本文的第三章先研究了适合上行多用户m i m o 的 一种高吞吐量随机接入协议，可用于基于空时码的二发二收多用户m i m o 系统。 然后，在第二章研究多用户联合空频编码和单用户空频编码的基础上，提出了一 i 摘要 种新的二发二收多用户m i m o 空频a l o h a 随机接入协议，并将该协议延伸至用 户配对和基站有任意根接收天线时的情形，提出了另外两种拓展的多用户m i m o 空频a l o h a 随机接入协议。仿真结果和理论分析均表明，这三种空频a l o h a 随机接入协议均能获得比较高的吞吐量，从而可以提高系统的有效性。 多用户m i m o 技术对接收机算法也提出了严峻的挑战。本文的第四章首先针 对贝尔实验室垂直分层空时( v e r t i c a l b e l ll a bl a y e r e ds p a c e t i m e ，v - b l a s t ) 系 统研究了相应的信号检测技术，并将v - b l a s t 系统与多用户m i m o 系统进行对 照，考虑上行多用户m i m o 中的两种具体情况，即每用户单根发射天线与每用户 两根发射天线，进一步设计了上行多用户m i m o 的接收机。最后对多用户m i m o 的接收机性能进行了计算机仿真研究。仿真结果显示，基于球形译码( s p h e r e d e c o d i n g , s d ) 的多用户检测器可获得最优的检测效果，最小均方误差干扰抵消 ( m i n i m i z em e a ns q u a r ee r r o rs u c c e s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n , m m s e s i c ) 多用 户检测器和迫零干扰抵消( z e r o f o r c i n gs u c c e s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ，z f s i c ) 多用户检测器亦能获得比较好的效果。 本文的最后一章总结了全文的贡献，指出了未来上行多用户m i m o 的一些研 究方向。 关键词：多用户m i m o 、多用户空时频编码、单用户空时频编码、随机接入、 v 二b l a s t a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，w h i c hu s e m u l t i p l et r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n ga n t e n n a st ot r a n s m i ta n dr e c e i v ed a t a , a r ea b l et o c o m b a tm u l t i - p a t hf a d i n gi nt h eh a s hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t m o r e o v e r , u n d e rt h eb a n d w i d t ha n dp o w e rc o n s t r a i n t , t h ec a p a c i t yo fam i m os y s t e mi sl i n e a r p r o p o r t i o n a lt ot h em i n i m u mn u m b e ro f t h et r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n ga n t e n n a s s i n c e t h es p e c t m me f f i c i e n c yi si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yb yt h em i m ot e c h n o l o g y , i th a sb e e n w i d e l ya c c e p t e da sac o r et e c h n o l o g yo ft h eb 3 g o r4 gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n r e c e n t l y , m o r ea n dm o r es c h e m e sh a v eb e e np r o p o s e df o rs i g n a lp r o c e s s i n ga n d s p a c e - t i m ec o d i n gf o rs i n g l e - u s e rm i m o ( s u - m i m o ) ，r e s e a r c ho ni t a r ec l o s et o s a t u r a t i o n b u tw es h o u l df a c eam o r ep r a c t i c a lq u e s t i o n ：h o wt oi m p r o v et h e t h r o u g h p u to rc a p a c i t yo re n h a n c et h er e l i a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e mw h e n t h eo c c a s i o n t h a tm a n yu s e r se q u i p p e dw i 廿lo n eo rm o r et r a n s m i t t i n ga n t e n n a sa r ec o m m u n i c a t i n g w i t ht h eb a s es t a t i o na tt h es a m et i m eh a p p e n s ? t h i ss c e n a r i om a yh a p p e nf r e q u e n t l y , s u c ha sw i r e l e s sl o c a lr r p , an e t w o r k s ( w l a n ) a n dw i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s ( w m a 如t h e r ea r em a n yu n s o l v e dq u e s t i o no ft h eg e n e r a l i z a t i o nf r o ms i n g l e - u s e r m i m ot om u l t i u s e rm i m o ( m u m i m o ) ，s u c ha ss p a c e - t i m ec o d i n g , r a n d o ma c e s p r o t o c o la n ds i g n a ld e t e c t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w et a k ea ni n - d e p t hr e s e a r c ho n t h e s e t h r e ek e yt e c h n o l o g i e so fu p l i n km u - m i m o i nc h a p t e ro n e ，w eb r i e f l yi n t r o d u c et h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dr e l a t e dw o r k so f m u m i m o t h ei m p l a n t a t i o no fc o n v e n t i o n a ls i n g l es p a c e t i m e f r e q u e n c yc o d e ( s u - s t c s f c ) i n t om u l t i u s e rs y s t e mw i l ll e a dt oar e d u c e dt r a n s m i s s i o nr a t eo rs u b - o p t i m u m p e r f o r m a n c e s oi nc h a p t e rt w o ，w er e s e a r c has y s t e m a t i cm u l t i - u s e rs p a c e - f r e q u e n c y c o d e ( m u - s f c ) d e s i g nc r i t e r i o nb a s e do ns i g n a ls p a c ed i v e r s i t y ( s s d ) a n d d i s c u s si t s p e r f o r m a n c e i nd e t a i l a l s ow eg e n e r a l i z ei tt om i m o - s c - f d e ( s c f d e ：s i n g l e c a r r i e r f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n ) s y s t e m s a n dd e s i g nan e wm u l t i u s e r s y s t e m s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ei l e ws y s t e mc a na c h i e v eb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h e c o n v e n t i o n a lm u l t i u s e rm i m o s c f d es y s t e m s s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h el l e w a b s t r a c t s y s t e m c a l la c h i e v eb e t t e r p e r f o r m a n c e m i m o - - s c - f d es y s t e m sa n dt h e r e f o r ei tc a n s y s t e m t h a n t h e c o n v e n t i o n a l m u l t i - u s e r e n h a n c et h er e l i a b i l i t yo ft h ew h o l e i nc h a p t e rt h r e e ，w ei n v e s t i g a t eah i g ht h r o u g h p u t2x2m u - m i m or a n d o m a c c e s sp r o t o c o lb a s e do ns p a c e - t i m ec o d ei nd e t a i l b a s e do nt h er e s e a r c hi nc h a p t e rt w o ， w ep r o p o s ean e w2x2m u - m i m os p a c e f r e q u e n c ya l o h ar a n d o ma c c e s sp r o t o c 0 1 t h en e w p r o t o c o lc a na c h i e v eh i g h e rn o r m a l i z e dt h r o u g h p u tt h a nt h ef o r m e r a l s ow e e x t e n dt h ep r o t o c o lt ot w oo c c a s i o n s ，o n et a k i n gu s e rp a r t n e r s h i pi n t oa c c o u n ta n d a n o t h e rt a k i n gt h es i t u a t i o nt h a tt h eb a s es t a t i o nh a sa r b i t r a r yr e c e i v i n ga n t e n n an u m b e r i n t oa c c o u n t , a n dp r o p o s ea n o t h e rt w on e wr a n d o ma c c e s sp r o t o c o l sa n da n a l y z em e i r m o o r 以c a ln o r m a l i z e dt h r o u g h p u t s i m u l a t i o na n dt h e r o t i c a la n a l y s i ss h o w st h e s et h r e e p r o t o c o l sc a na c h i e v eh i g h e rt h r o u g h p u tt h a n c o n v e n t i o n a la l o h ar a n d o ma c c e s s p r o t o c o la n dt h e r e f o r et h ev a l i d i t yo f t h ew h o l es y s t e mc a nb ei m p r o v e d i nc h a p t e rf o u r , w es t u d yt h es i g n a ld e t e c t i o na l g o r i t h mo fv e r t i c a l b e l ll a bl a y e r e d s p a c e - t i m e ( v - b l a s t ) s y s t e ma n dc o m p a r et h em u - m i m os y s t e m 、i t l l b l a s t s y s t e m c o n s i d e r i n gt w os c e n a r i o so fm u - m i m o ，o n ei st h a ta l lu s e r sh a v eo n l yo n e t r a n s m i t t i n ga n t e n n a , n a m e db ym u - m i m o - s d m as y s t e m , a n da n o t h e ri st h a ta l ll l g e r h a v et w ot r a n s m i t t i n ga n t e n n a s ，w ed e s i g nt h er e c e i v e rf o rm u - m i m os y s t e m s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h em u l t i - u s e rd e t e c t o rb a s e do ns p h e r ed e c o d i n g ( s d - m u d ) a l g o r i t h r nh a st h eb e s tp e r f o r m a n c e ，t h em i n i m i z em e a ns q u a r ee r r o rs u c e e s i v e i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nm u l t i - u s e r d e t e c t o r ( m m s e s i c - m u d ) a n dt h e z e r o - f o r c i n gs u c c e s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nm u l t i u s e rd e t e c t o r ( z f s i c - m u d ) a l s oc a na c h i e v eg o o dp e r f o r m a n c e f i n a l l y , s o m ec o n c l u s i o n so ft h ew h o l ed i s s e r t a t i o na r e & a w n ，a n dt h ef u r t h e r r e s e a r c hi s s u e sa n dp o s s i b l ed i r e c t i o na r ep o i n t e do u t k e y w o r d s ：m u - m i m o ，m u - s t f c ，s u - s t f c ，r a n d o ma c c e s s 、v - b l a s t 图目录 图目录 图1 1 多用户m i m o 系统模型2 图2 一l 信号空间分集技术的系统模型6 图2 2 信号空间分集的误码率仿真8 图2 3b p s k 调制下采用z f 译码的两用户系统平均误码率1 5 图2 _ 44 q a m 调制下采用z f 译码的两用户系统误码率1 5 图2 5b p s k 调制下采用m l 译码的两用户系统平均误码率1 6 图2 - 64 q a m 调制下分别采用z f 译码、m l 译码的两用户系统平均误码率 16 图2 7s c f d e 的系统框图一1 7 图2 8s c f d e 中的空时码的数据帧格式【2 0 1 1 8 图2 - 9m i m o s c f d e 中的空时码接收机1 2 0 1 1 8 图2 1 0 基于多用户空时编码准则的多用户m i m o s c f d e 系统一2 0 图2 1 1 基于单用户空时编码准则的多用户m i m o s c f d e 系统2 0 图2 1 2 单用户s c f d e 系统性能2 3 图2 1 3 多用户m i m o s c f d e 系统性能一2 4 图2 1 4 多用户m i m o s c f d e 系统性能二2 5 图2 1 5 多用户m i m o s c f d e 系统与多用户m i m o o f d m 系统性能比较 ：! ! ； 图3 1 一个具有m p r 能力的通用多用户系统3 1 图3 22 2 m i m o 数据包解复用示意图【2 1 3 2 图3 3 本随机接入协议的包调度机制【2 4 】3 4 图3 - 4a = 1 5 时的系统平均误码率3 9 图3 5 五= 0 5 时的系统平均误码率一4 0 图3 - 6 力= 10 时的系统平均误码率4 l 图3 7 用户数目为2 0 时的系统平均误码率4 l 图3 8 各种泊松分布参数下的实际吞吐量4 3 图3 - 9 各种信噪比下的实际吞吐量4 3 图3 1 0 采用s u s f c 的用户数据包格式4 4 图3 1 1 采用m u s f c 的用户数据包格式4 4 图3 1 2 采用s u s f c 的随机接入系统的平均误码率5 0 图3 1 3 采用m u s f c 的随机接入系统的平均误码率5 1 图3 1 4 平均误码率比较研究5 l 图3 1 5 采用s u s f c 随机接入协议的吞吐量一5 3 图3 1 6 采用m u s f c 随机接入协议的实际吞吐量一5 4 图3 1 7 采用m u s f c 随机接入协议的实际吞吐量二5 4 图3 1 8 采用s u s f c 随机接入协议的实际吞吐量二5 5 图目录 图3 1 9 不同泊松分布参数下两种多包接收方案的实际吞吐量5 5 图3 2 0 不同信噪比下两种协议的实际吞吐量。5 6 图4 1v - b l a s t 系统模型6 0 图4 2 球形译码m j 6 1 图4 - 34 q a m 调制下各种检测算法的性能比较6 7 图4 - 41 6 q a m 调制下各种检测算法的性能比较6 7 图4 5m u m i m o s d m a 的系统框图【1 0 】6 9 图4 64 q a m 调制下四用户m u m i m o s d m a 系统的性能7 l 图4 71 6 q a m 调制下四用户m u m i m o s d m a 系统的性能7 1 图4 86 4 q a m 调制下四用户m u m i m o s d m a 系统的性能7 2 图4 94 q a m 调制下六用户m u m i m o - s d m a 系统的性能7 2 图4 - 1 01 6 q a m 调制下六用户m u m i m o s d m a 系统的性能7 3 图4 1 16 4 q a m 调制下六用户m u m i m o s d m a 系统的性能7 4 图4 _ 1 24 q a m 调制下八用户m u m i m o s d m a 系统的性能7 4 图4 - 1 3m u m i m o s t f b c 的系统框图7 5 图4 - 1 46 4 q a m 调制下三用户m u m i m o s t b c 系统的性能7 7 图4 - 1 54 q a m 调制下四用户m u m i m o s t b c 系统的性能7 8 x 表目录 表目录 表2 - 16 ：的选择8 表4 1 各种检测算法的复杂度与分集度比较6 8 缩略词表 1 g 2 g 3 g 3 g p p 4 g k n g 铽 b 3 g b e r b p s k b l a s t c d m a d f t f d d f d m a g s m l r e m a c m i m o m c c d m a m l m l s d m m s e m p r m u d m u m i m o 缩略词表 t h el 或g e n e r a t i o n t h e2 l l dg e n e r a t i o n t h e3 t dg e n e r a t i o n t h e3 一g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t t h e4 t hg e n e r a t i o n a d d i t i v e t eg a u s s i a nn o i s e b e y o n d3 帕g e n e r a t i o n b i te r r o rr a t e b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x i n g f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s g l o b es y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n l o n gt e r me v o l u t i o n m e d i u ma c c e s sc o n t r o l m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m u l t i c a r r i e rc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s m a x i m u ml i k e l i h o o d m a x i m u ml i k e l i h o o ds e q u e n c ed e t e c t i o n m i n i m i z em e a ns q u a r ee r r o r m u l t i p a c k e tr e c e p t i o n m u l t i u s e rd e t e c t i o n d e t e c t o r m u l t i u s e rm u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m u s t f cm u l t i - u s e rs p a c e t i m e f r e q u e n c yc o d e s x i i 第一代 第二代 第三代 第三代合作伙伴计 划 第四代 加性白高斯噪声 超三代，下一代 误码率 二进制相移键控 分层空时编码 码分多址 离散傅立叶变换 频分双工 频分多址 全球移动通信系统 长期项目演进 媒体接入控制 多输入多输出 多载波码分多址 最大似然 最大似然序列检测 最小均方误差 多包接收 多用户检测检测器 多用户多输入多输 出 多用户空时频码 缩略词表 m u t r s t b cm u l t i u s e rt i m er e v e r s a ls p a c e - t i m eb l o c k 多用户时间反转空 c o d e s 时码 n d m a o f d 【a p a p r p i c q a m o f d m q o s s c f d e s c f d m a s d s d m a s e r s i c s i ( ：1 a s 肌己 s i s 0 s m s n r s s d s u m i m o s u s t f c t d d t d m a z f v 二b l a s t n e t w o r k sd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s网络分集多址 o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e 正交频分多址 a c c e s s p e a k t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o 峰均功率比 p a r e l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n并行干扰消除 q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n 正交幅度调制 o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 正交频分复用 q u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 s i n g l ec a r r i e r - f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n 单载波频域均衡 s i n g l ec a r t i e rf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e 单载波频分多址 a c c e s s s p h e r ed e c o d i n g 球形译码 s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 空分多址 s y m b o le r r o rr a t e 误符号率 s u c c e s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n串行干扰抵消 s u c c e s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nt r e e 串行干扰抵消树形 a l g o r i t h m 算法 s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o 信干噪比 s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t 单输入单输出 s p a t i a lm u l t i p l e x i n g 空间复用 s i g n a l t o n o i s er a t i o 信噪比 s i g n a ls p a c ed i v e r s i t y 信号空间分集 s i n g l e u s e rm u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 单用户多输入多输 出 s i n g l e u s e rs p a c e t i m e f r e q u e n c yc o d e s 单用户空时频码 t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g时分双工 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s时分多址 z e r o f o r c i n g 迫零 v e r t i c a l b e l ll a bl a y e r e ds p a c e t i m e贝尔实验室垂直分 层空时 x i 符号表 符号数学含义 变量 常量 向量 向量元素 矩阵 矩阵元素 单位阵 转置 共轭转置 矩阵求逆 数学期望 方差 服从分布 复高斯分布 卡方分布 求和 求积 求最小值 矩阵求秩 矩阵行列式 不等于 约等于 远大于 求模 硬判决 求余 符号表 字体和说明 小写斜体 大写 小写粗体 向量a 的第i 个元素 大写粗体，m 行刀列 矩阵a 第i 行第_ ，列所对应的元素 n 维单位阵 矩阵不可逆时取伪逆 随机变量服从某种分布 均值为0 ，方差为o r 2 自由度为刀 i | q ( ) m o d 。( ) 模数为小 i v 利口a a盯”附z一 仃) v ， q o“卜 卟抛d n 叫州嘶 符号表 取实部 取虚部 取整运算 虚数单位 整数域 伽马函数 高斯函数 求最大值 求取最大值自变量 求最小值 求取最小值自变量 组合数 f r o b e n i u s 范数 属于集合 并集 r e ( )、， h i l ( ) l j ( h ) j z r ( ) g ( ) m a x ( ) a r g m a x ( ) m i n ( ) a r g m i n ( ) c ： f u 向下( 上) 取整 j = o ，l ，2 ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 卜 签名：生壹! !日期：2 。e c 7 年石月 f 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 重壶至!导师签名： 日期：2 0 e c 7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本论文的研究背景及意义 1 1 1 移动通信发展趋势 随着通信设备的日益普及，移动通信技术已经深入到人们的日常生活之中， 成为我国国民经济发展的一个重要支撑性力量。到目前为止，移动通信的发展大 概可以分为四个阶段： 第一代移动通信( 1 g ) 系统为模拟通信系统，采用频分多址【l 】( f d m a ) 以 及模拟调制，仅能提供话音业务。缺点是基站覆盖范围小、频谱利用率低 以及保密性差。 夺第二代移动通信( 2 g ) 系统为数字蜂窝移动通信系统，以采用时分多址【l 】 ( t d m a ) 的陆地蜂窝移动通信系统( g s m ) 和北美的码分多址( c d m a ) i s 9 5 系统为代表。与第一代移动通信系统相比，其优点是频谱利用率高、 保密性好；缺点是数据传输速率太低，无法适应现代社会的高速率数据多 媒体业务的需求。 夺第三代移动通信( 3 g ) 系统以码分多址( c d m a ) 技术为核心【1 1 ，采用了功 率控制、智能天线等一系列新技术，其数据传输速率可达2 m b i t s ，均能 支持多媒体无线业务，同时能与第二代移动通信技术向下兼容。目前国际 电联接受的3 g 标准共有4 个，这四个分别为：中国的t d s c d m a 标准、 美国的c d m a 2 0 0 0 和w i m a x 、以及日本欧洲的w c d m a 。目前，欧美 亚洲许多国家早已普及3 g 。2 0 0 8 年1 2 月3 1 日，在国务院总理温家宝主 持召开的国务院常务会之上，我国政府同意启动第三代移动通信牌照发放 工作。这不仅意味着我国已经j 下式进入了3 g 时代，同时也将预示着国内 三大电信运营商、国内外诸多设备商列强，即将上演逐鹿中原的激烈大战。 为了获得更加高的数据传输速率和提供种类更多、质量更好的数据业务， 人们已经开始对第四代移动通信( 4 g ) 的关键性技术进行了大量研究， 其主要的目标是将数据传输速率进一步提高到1 0 0 m b i t s 一1 g b i t s 。而我国 的f u t u r e 计划己成功实现了1 0 0 m b i t s 的高速数据传输目标，可以提供包 电子科技大学硕士学位论文 括高清视频等众多需要高速数据支撑的实时性业务。在第四代移动通信中 为了提高频谱利用率，采用了众多的新型的物理层技术，诸如多输入多输 出( m 1 m o ) 、单载波频域均衡( s c f d e ) 技术、正交频分复用( o f d m ) 【2 】【3 】f 4 】【5 1 6 i 7 】等技术。 1 1 2 多用户m i m o 2 0 世纪9 0 年代中期，由于移动通信爆炸式的发展，人们对无线链路的传输速 率提出了越来越高的要求，传统的时频信号设计很难满足要求，在这种背景下， 人们把研究兴趣从时域、频域、码域转向了空域。 a t & tb e l l 实验室提出了一种 全新的通信系统结构，基于多天线技术的多输入多输出( m i m o ) 通信系统因此应 运而生。目前，单点对单点的单用户m i m o 系统的研究已经接近饱和。而在实际 应用中，系统往往需要一个基站( b s ) 同时和多个移动台( m s ) 进行通信，比如 最常见的蜂窝系统和无线局域网( w l a n ) 等【8 】。因此，有关点对多点的多用户 m i m o ( m u l t i u s e rm i m o ，简称m u m 蹦o ) 系统( 如图1 1 所示) 的研究也就 应运而生，它比单用户m i m o 更加复杂。 图1 - 1 多用户m i m o 系统模型 总体上来讲，多用户m i m o 的研究可以分为上行链路和下行链路两类。多用 户m i m o 上行链路通常被称作多址接入信道( m a c ) ，下行链路则称为广播信道 ( b c ) 。目前，多用户m i m o 的上行链路的研究主要集中在多个用户的联合编码、 跨层设计的随机接入、多用户检测、协同通信等方面【8 】【9 】【1 0 】【l l 】【1 2 】【1 3 】【4 】【1 5 1 【16 1 。下行 链路的研究主要集中在基站端用预编码技术以消除来自多个用户的用户间干扰 ( m a i ) 【9 1 。 与单用户m i m o 不同的是，多用户m i m o 系统的容量是个多维的区域 8 】【9 1 。 2 第一章绪论 假设总的发送功率一定，对于不同用户有可能分配不同的功率，从而产生许多不 同的信息速率，结果就形成了以用户数目为维数的信道容量区域。例如，对于k 个用户，信道容量区域则用k 维的容量来表示。 1 2 本论文的主要研究内容和创新 1 2 1 课题来源 本课题来源于两个项目： 2 0 0 8 0 1 1 0 1 0 1 2 自然科学基金青年科学基金“多用户m i m o 无线通信中 的容量域、多用户空时预编码方法及应用研究( 编号6 0 7 0 2 0 7 3 ) 2 0 0 7 1 0 _ _ 2 0 0 8 9 企业高校合作项目“m i m o 无线系统中的编码与检测技 术研究 在上述项目中，作者参与了对多用户m i m o 的联合编码、随机接入、信号检 测的创新性研究。 1 2 2 论文研究的核心问题 本论文重点研究了上行多用户m i m o 中的信号处理技术( 即编码、检测) 以 及跨层设计中的m a