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MIMO线性预编码论文 第一章 绪论 1 1.1 MIMO技术概述 1 1.2 MIMO预编码简介 2 1.3 本文的研究内容和组织结构 3 第二章 背景知识介绍 4 2.1 矩阵奇异值分解 4 2.2 注水问题与实际算法 6 2.2.1 引言 6 2.2.2 注水问题数学模型 6 2.2.3 注水问题的一般算法 8 2.3 本章小结 11 第三章 MIMO块对角化预编码及改进算法 12 3.1 多用户 MIMO下行链路系统模型 12 3.2 传统块对角化预编码算法 14 3.3 基于QR分解的改进算法 15 3.4 基于矩阵求逆的改进算法 18 3.5 本章小结 23 第四章 仿真与复杂度分析 25 4.1 三种编码仿真效果 25 4.2 三种编码复杂度分析对比 27 4.3 本章小结 32 第五章 总结和展望 33 参考文献34 致 谢35 绪论 MIMO技术概述 从一百年前,Marconi等人开始着手无线技术的研究,到现在,我们的生活已经离不开无线通信,无线通信技术经历了迅猛地发展,无线通信用户数和用户需求也成指数性增长。但鉴于可用的无线电频谱资源极其有限,需求和资源的矛盾日益显现。此外,高速率的无线传输将导致用户和基站间干扰、多径衰弱等现象。因此,如何有效地利用稀缺的无线电资源,提高通信系统的信道容量以及提高链路可靠性是无线通信领域面临的一大问题。 目前,针对这一问题,先后出现了多项具有良好前景的技术,如多载波传输技术(正交频分复用,OFDM)、多天线技术、高性能编码/调制技术、超宽带技术(UWB)、各种动态及快速自适应技术以及智能资源管理等等。 本文研究的对象是多天线技术,它是下一代移动通信(4G)的关键技术之一。 多天线技术一般称作MIMO(Multiple Input Multiple Output)。它利用多天线来抑制干扰,在接收端和发射端使用多个天线,充分利用空间传播中的多径分量,在同一频带上使用多个数据通道,从而使得容量随天线数目的增加而线性增加。更关键的是,这种信道容量的增加不占用额外的带宽,也不消耗额外的发射功率。 MIMO技术主要有以下优点: 1)降低码间干扰:在MIMO系统中,高速的数据流经过串并转换为多个低速的数据子流,每个码的长度增加,抗码间干扰的能力增强; 2)分集增益:传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道衰落。具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去,在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品,从而获得更高的接收可靠性。举例来说,在慢瑞利衰落信道中,使用1根发射天线n根接收天线,发送信号通过n个不同的路径。如果各个天线之间的衰落是独立的,可以获得最大的分集增益为n。对于发射分集技术来说,同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n根接收天线的系统中,如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落,可以获得的最大分集增益为mn。可以看到,上述分集增益用独立衰弱支路数来描述,即分集指数,在使用了空时编码的MIMO系统中,分集指数等于发射天线数和接收天线数的乘积;在分布式MIMO系统中,发射或者接收端的多天线中,各个天线之间有足够的隔离度,空间信道的相关性很小,可认为它们各自的大尺度衰弱是相互独立的,因此,分布式MIMO系统不仅可以获得上述的小尺度衰弱分集,还可以获得大尺度衰弱分集; 3)复用增益:从本质上来讲,如果每对发送接收天线之间的衰落是独立的,那么可以产生多个并行的子信道。如果在这些并行的子信道上传输不同的信息流,可以提供传输数据速率,这被称为空间复用。根据子数据流与天线之间的对应关系,空间多路复用系统大致分为三种模式:D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。在采用空间复用方案的MIMO系统中,可以获得复用增益,即信道的容量成倍地增加,实现高的通信容量和频谱利用率。 MIMO技术不可避免有如下缺点: 1)空间相关:空间特性是维系MIMO性能的关键,空间相关导致的低秩和低分集指数都极大影响着MIMO的信道容量和误码性能; 2)空间干扰:这是空时复用最直接的影响,在没有空间分集可利用的系统中恢复各发射天线等功率的信号必定造成判决性能的下降,因此,预处理的方法以及接收端的干扰消除算法是能够保证系统性能的关键。 1.2 MIMO预编码简介 MIMO空间复用技术可以大大提高系统容量,但在点对多点的多用户广播信道中,由于各用户在地理位置等方面的差异,不能协同接收。当各用户间的接收信号存在相互干扰时,也不能采用一般的检测方法避免干扰。为了解决多用户MIMO系统广播信道中多用户干扰的问题,我们可以从两个方面着手解决:一方