【毕业学位论文】（Word原稿）LTE-A系统中MU-MIMO的CSI反馈增强方法研究-电子科学与技术

密级： 保密期限： 硕士学位论文 题目： 统中 馈增强方法研究 学 号： 2011111090 姓 名： 李 澄 专 业： 电子科学与技术 导 师： 温志刚 学 院： 电子工程学院 2013 年 12 月 22 日 独创性（或创新性）声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别 加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文 工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后遵守此规定） 保密论文注释：本学位论文属于保密在 年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 日期： 导师签名： 日期： 馈增强方法研究 摘 要 随着 术的不断演进，上行链路 的 馈信息已经不足以满足下一代移动通信对于信道质量精确度的要求。 32 中加入了 统中的 术也被 作为 3议中的 一项重要研究课题 。 首先， 论 文 研究 了 技术背景及 标准现状 ，研究 重点放在 术的演进过程， 术的原理 及标准化进程和 32 标准 中 支持的 馈增强 等 术 提案 。 其次， 论 文 重点研究了 32 支持的 馈增强技术 限制秩方案和最佳伴随 案 ， 分析了这两种技术的原理和性能 。 在搭建的 真平台中加入了符合 31 标准 中对 下行 设的模块和参数，其中包括 一系列的仿真平台修正 。得到这两种技术的仿真结 果。 最后 ， 针对 的 馈增强， 论 文 研究了 一种 基于 馈增强技术，并 将该技术进行仿 真 实现 ，得到仿真结果。 通过研究多种方案的仿真结果和 技术原理， 根据已有的几种方案的仿真结果和对原理的理解 ， 论 文提出一种加入权重因子 和 术的宽带补偿算法 ，将该方案加入到 与 3准一致 的仿真平台中，得到最后的仿真结果， 并 分析了各个方案的优劣。 论 文 提出 关于 术中 馈增强技术 的新 方案 ，经过仿真证明了其性能 。经验证，新方 案的各个性能指标比主流方案对比于 增益要 高出至少 100%， 研究成果可用于 3准的技术文稿。 关键词 ： 馈增强， N N of SI to 32, SI an 1 on SI 2. on SI 2 of L a of At SI a by a on of to of a SI at 00% of be 录 第一章 绪论 . 1 究背景 . 1 动通信系统的发展 . 1 发展 . 2 的关键技术 . 3 术 . 3 术 . 6 文章节主要内容 . 9 第二章 术研究 . 11 术产生和原理 . 11 术的产生 . 11 术的原理 . 11 展现状 . 14 统的特点 . 14 标准化进程 . 14 章小结 . 17 第三章 馈增强 . 18 . 18 案 . 18 立公司的 案 . 21 . 22 案 . 22 立公司的 案 . 23 真平台搭建及结果 . 24 真平台搭建 . 24 真结果及分析 . 32 章小结 . 36 第四章 宽带补偿 强 . 37 . 37 于权重因子和 宽带补偿方案 . 39 真平台搭建及结果 . 42 真平台搭建 . 43 真结果及分析 . 46 章小结 . 51 第五章 总结与展望 . 52 文总结 . 52 一步工作展望 . 52 参考文献 . 53 附录 1 仿真场景及参数 . 56 致 谢 . 57 攻读学位期间发表的学术论文 . 58 第一章 绪论 1 第一章 绪论 究背景 动通信系统的发展 我们的社会正在经历快速的变化 ， 让 人们 对 移动通信的需求越来越高，科技的进步 让移动通信技术有了更为广阔的应用前景 1。移动通信市场的逐步扩大 ，越来越多的 人们希望 移动通信 能有更快的速度和更稳定的性能 2。这就意味着科研工作者需要针对人们的需求进行相应的科学技术研究，同时各大厂商和运营商也应捕捉机会， 一步步的更新移动通信系统 ， 使移动 通信网络可以满足人们对于移动通信的需求 。伴随着移动通信技术的发展和人们的需求不断增加，移动通信系统也经历的几代技术的更新和演进。 第一代移动通信系统（ 1G） 采用模拟蜂窝的系统架构 ，关键技术为 模拟技术和频分多址 ( 由于当时的科技水平还不是很发达，第一代移动通信系统存在着诸多弊端 ，如 制式繁杂、 通话质量低、 兼容性差、容量受限 等 等 。 第二代移动通信系统（ 2G）采用 蜂窝数字 系统架构 ， 比第一代移动通信系统的 保密性 更 强， 业务类型更丰富， 频谱利用率 更 高。 正是由于 第二代移动通信系统的广泛应用 和飞速发展，移动通信系统才首次普遍进入人们的生活 。 第三代移动通信系统（ 3G） 主要采用 码分多址（ 技术 ， 3G 是在第二代移动通信系统的 基础上演进而来的 。 相比较 2G 系统， 3G 采用功率控制，智能天线 ，码分多址 等一系列新技术 ，极大的增强了系统的性能 。 主流 3G 标准共有四种， 他们各自有着不同的产生原因和优势劣势，这四种制式分别为 ： （ 1） 术 意为宽带 术，最早由欧洲提出 ，其演进的基础是 2G络 。 由于这种制式的移动通信 系统能够架设在现有的 络上，所以 得到了欧洲厂商的 广泛 支持 。 当今世界的 3G 业务 80%以上都是 准， 应用最广泛，终端种类最多的一种 3G 制式。 （ 2） 项技术是由窄带 术发展而来的宽带 由美国高通公司主导，摩托罗拉、 三星参与其中的技术规范。 北京邮电大学工学硕士学位论文 2 （ 3） 全称为 分同步 1999 年 6 月 29 日， 大唐电信向 出该项技术。 技术标准中加入了智能天线、认知无线电（ 和高质量语音压缩编码等 先进 技术 ，在灵活性和 频谱利用率等方面 有着独特 的优势。但相比较于另两个标准它的起步还比较晚。 （ 4） 是 织倡导的 3G 标准 ，此技术 的特点是 可以与手机微波设备 很好的 兼容 ， 带 来 手机互联网市场的 扩大。 虽然 3G 移动通信技术已经在全球范围内大规模商用， 对于高速的移 动多媒体业务发展，数据的传输速率仍然比较低。为了适应移动通信技术发展的要求，同时也为了应对 其它技术和标准的挑战， 3 2004 年底正式启动了对 长期演进，即 为了达到 4G 的标准，从需求分析和 性能 指标上来说 ， 要主要包含以下几点： 1. 带宽宽 ： 20带宽 2. 数据传输速率高： 峰值数据传输速率为上行 50Mb/s，下行 100Mb/s。 3. 频谱利用率高： 达到 3 的 2 到 4 倍。 4. 兼容性好： 支持与现有 3非 3统的互操作，降低建网成本，实现从 的低成本演进。追求后向兼容 , 但应该仔细考虑性能改进和向后兼容之间的平衡 3。 当然除了这些优点以外 ， 具有支持多播业务，延迟小和优秀的小区边缘 用户性能等优势。从这些技术指标上来看，我们可以较明显的得知 比于 3G 系统的优势，这是由于 统中的 关键性的技术极大地提升了系统的性能。因此 ）系统被人 们认为是一种 动通信系统，当 版本发 展到 0 后许多人才真正的认为 该被称作真正的 4G 标准。相 比较于 版本，统中加入了载波聚合，扩展多天线技术和中继技术等关键技术，使系统性能得到进一步的提升。 性能指标主要包括 : 1. 系统带宽最小为 20大达到 100 2. 下行数据传输峰值速率 1s，上行峰值速率 500s。 3. 频谱利用率下行 s/行 s/s/行 s/ 第一章 绪论 3 4. 5M 带宽内可以支持 200用户。 5. 控制层中空闲态到连接态时延小于 50眠态到连接态时延小于10户层时延（ 频分双工（ 模式小于 5时分双工（ 模式小于 104。 有着许多不同于 3G 系统的关键性技术，使得 有优良的性能。下面就从 统中的两 项关键技术的发展，原理和现状等方面做简要的介绍。 交频分复用 ）技术 可以被认为 是 一种 多载波调制（ 。其主要思想是：将 原有 信道分成 一些 正交 的 子信道，将 原有信号并行的在子信道上经过调制之后传输，提高传输速率 。 在 每个子信道上 ，我们将数据传输的 带宽 设置的比信道 相关带宽 小，使子信道的衰落模型为平坦 衰落， 消除符号间干扰。 天具有很强的抗多径衰落和脉冲干扰的能力 ， 特别适合于高速无线数据传输 5。由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的 小部分，信道均衡变得相对容易 6。 道是由多个子信道组成，所以 有更高的频谱利用率， 这是因为在时域上 子载波相互正交 , 虽然在 频域相互混叠 ，但是 在接收端 缺可以 被分离出来。 术在移动通信系统 架构 中的位置如图 1示： 信源信源 串并 编码 加导频O F D M 调制（ T ）加保护交织并串 数模 传送器 信道 接收器 模数 串并信源恢复信号 并串 解码 去导频O F D M 解调（ F F T ） + 均衡去保护去交织图 1动通信系统 架构框图 号的复基带表达式为： 北京邮电大学工学硕士学位论文 4 11 ( ) 200( ) ( )m j k f t x t a e （ 1 式中， xk(t)为第 k 个子载波上调制后得到的信号， 我们不难得知，一种基于数据块传输的技术。每个 号都能并行传输 调制后的信号，调制的方式可以是 16 64 为 子载波 t)和 t)在时间间隔内互相正交，用公式表达为： 121 2 1( 1 ) ( 1 ) 22*( ) ( ) 0 m T j k f t j k f tk k k m Tx t x t d t a a e e d t k1 （ 1 根据以上的公式及理论我们可以得知 在使用 术时，可以将 无线信道 资源看做 时频资源格，列代表 号，而行对应着每个 号的子载波。 于 以在经过相关器时 可以针对 不同子载波做不同的解调过程 ，解调后无子载波之间的干扰。当然以上情况只存在于理 想的情况之下，任何子载波频域结构的改变都会导致解调过程中不能很好的正交，从而产生子载波之间的干扰。为此，我们通常选择插入循环前缀的方法，使 号对于无线信道的频率选择性具有真正的鲁棒性。 虽然我们可以用调制器和相关器来很好的描述 制和解调的原理，但对于实际情况来说，这并不是最好的调制和解调的结构， 快速傅里叶变换（ 和 快速傅里叶反变换（ 通常被用作 号的实际实现方法。 假设采样后的 号 的采样速率f 的倍数， N 的选择应满足抽样定理。基于以上的假设，时间离散的 号表示为： 1 12 2 /00() c j k f n T j k n Nn s k x n T a e a e （ 1 其中，当 0 k而当 kN 时， 0。可见，采样后的号序列 ， 末端补 0 到 N 个元素后的 N 点离散傅里叶反变换 （ 。尤其是当 数 N 是 2 的整数次方时， 制就可以用更加高效的 快速傅里叶反变换 来实现。基于 理的 号调制和解调框图如 图 1示： 第一章 绪论 5 S 数 S D / A 转换a 0a 1a N c - 100x 0x 1 1图 1S P N 点 F F r 1 1r ( t )n T a 1a N c - 1.在之前研究的基础上，为了能正确的解码发送信息，在 调（ 应当与频域信道 乘法，那么在接收机端 ， 就必须要准确的估计信道的频域响应。目前，比较通用的做法是直接估计信道频域响应，我们需要在 也叫导频符号。利用参考 信号得到的信息，接收机可以估计出参考符号附近的频域信号特性，这样我们即便在时频特性比较高的信道下也能提供整个时频资源格的估计值。我们以 解调参考信号（ 和 信道参考信号（ 在 不同的秩情况下的 频资源格中的位置为例，说明 频资源格的直观形式和参考信号的位置7。 m 为 1和 2时的 北京邮电大学工学硕士学位论文 6 m 为 3和 4时的 在设计一个合理的 统时，我们需要考虑一些参数如何设置的问题 。首先是子载波间隔， 载波间隔的选择有两个约束条件：第一是 子载波间隔 f 尽可能小，以使循环 前缀开销最小；第二是子载波间隔不宜过小，因为过小会增加数据传输对多普勒频移或其他频率误差的敏感性。其次是子载波数目与子载波间隔共同决定了 号的传输总带宽，可用的频谱的宽度和可接受的带外泄漏两方面决定了 号的基本带宽为 f，然而基本的 号的频谱在基本带宽之外衰减很慢。在实际的应用中经常使用直接滤波或者时域加窗 8的方法来抑制大部分的 外泄漏。因此，号一般需要 10%的保护带宽，所以如果 子载波间隔为 15宽对应的子载波数目应该为 300 个左右。最后是循环前缀长度 与子载波间隔 f=1/T 共同决定了总的号时间间隔： T=U （ 1 也就是说两者共同决定 号速率，由于增加循环前缀的长度会使得功率和带宽的开销增大，在小区比较大的条件下，系统的性能更加受限于功率，因此循环前缀造成的功率损耗应该与时间色散引起的信号失真做折中。通常当小区增大到一定的程度之后，不必 再增加循环前缀的长度，原因是循环长度的增大导致的功率损失将造成更大的负面影响 9。 为多点协同 。 在 准 中，由于使用了单载波频分多址接入和正交频分多址接入作为上下行接入技术，从一定程度上减小了小区内干扰，所以凸显了小区间干扰（ 系统性能的影响，也使小区边缘用户的 服务质量（ 成为影响系统性能的重要因素。为了提高小区边缘 3 2008 年年底将 术引入了 准的讨论中，此后关 于 提案被大量的讨论 10 第一章 绪论 7 B a s e b a n d p o o l: H i g h T X - p o w e r R R H ( m a c r o R R H ): L o w T X - p o w e r R R H ( p i c o R R H ): M a c r o e N B: P i c o e N B: F r o n t h a u l i n t e r f a c e b a s e d o n C P R I: B a c k h a u l i n t e r f a c e f o r u s e r d a t a t r a f f i c C o r e n e t w o r 14 上行 下行 分 。 从传输节点的传输模式的角度，我们可以把下行 为两种：第一种为联合处理（ 第二种为协同调度 /协同波束赋形（ B），本文我们主要关注下行 术的情况 12。 所谓联合处理 ， 就是 在一个时频资源，数据同时从多个小区传输到一个或多个 目的在于提高信号质量和吞吐率 ；而动态小区选择 (式是一种 从一个小区传输，数据在一个时频资源上传输的模式。 所谓协 作调度 /协作波束赋形，就是 对于一个时频资源，用户只能从一个在作集中的小区传输。 用户的调度和波束成形决策是由 作集中的小区共同协调的，传输数据的小区被半静态选择（ 。 事实上，对 分类并没有严格意义上的规定。 根据协作小区是否属于同一个基站， 可以分为基站内 和基站间在基站内 情况下，多点协作是发生在同一个基站下的各小区之间。 因此小区间数据的传输会变得十分有效，而且理想情况 下的小区间数据传输可以被认为是没有时延的。而在基站间 情况中，小区间需要通过一种空中接口（ 口）来交互数据，既然是数据传输需要经过空口协议传输，那么就无法避免的会产生延迟或者衰减等情况 12 经进入到 31 会议讨论的阶段，各大公司也分别对关于 为了使各公司的仿真 具有统一的标准， 3 仿真工作做了一系列的假设，假设的最后落脚点就是仿真场景和仿真参数等方面的内容。 3 场景假设共有 4 种： 分别 是 场景 1（ 构网基站内 场景 2（ x 构网 有 高发射功率 景下 场景 3/4(构网 有低功率 景下 其中场景 3,4 的区别在于场景 3 中的 自不同的宏站 ， 而场景 4中的 自于相同的宏站 ， 也就是说具有相同 的 宏站 D15。 北京邮电大学工学硕士学位论文 8 e N BC oo i a re 1 H i w e r R R H As s u m e h i g h Tx p o w e r a s s a m e a s e pt i c a l f i be 2 Lo w Tx po w e r O m a nt e e N BO pt i c a l f i be 3/4 针对以上的四个场景， 3织在 议上确定了一些 术的研究方向，各大公司也针对这些方向做出了相应的仿真和研究 。 下面列举一些问题点 ： 1. 关于 作集（ 目的选择问题， 在 31会议上通 过对 大唐，华为， 三星，高通，苹果以及爱立信等多家 公司的仿真结果的讨论，同时基于对 信道状态信息参考信号（ 小区干扰和实现复杂度的考虑，最终认为 把最大 作集数目选为 3 是一个比较合理的值，由于不需要公式推导以及严格的方案论证，这个方案细节也是比较早得出的结论的并被确定的 16 第一章 绪论 9 2. 关于是否需要基站间 信道状态 信息 参考信号资源反馈 （ S- 的问题。参看华为公司的提案 17，我们可以把这个问题分为两个 部分：首要问题是是否需要基 站间信道状态 信息 参考信号资源反馈；其次 就是如果配置了基站间信道状态 信息 参考信号，那么 相位信息（ 需要如何编码和配置的问题。华为公司认为 基站间 信道状态 信息 参考信号资源反馈是可行的 ，经过理论叙述和仿真结果表明 在秩为 1 的情况下相位 信息 需要至少占用 2比特，并且认为相位 信息 需要在每个子带上反馈，大唐等其他一些公司也认同华为的仿真结果。但松下，诺基亚和诺西等一些其他公司则认为基站间信道状态 信息 参考信号资源反馈的增益相比较于聚合信道质量 信息 （ 到的增益来说重要程度要低，并且实现的复杂度 较高 ， 关于是否需要基站间信道状态 信息 参考信号资源反馈的问题还 需要进一步的研究和讨论。最终 3有将该方向列入到 1 的标准中，但是把该项技术加入到下一次讨论的问题点列表中 20 3. 关于在 场景下如何测量干扰的问题。 干扰测量信号（ 意为干扰测量资源，实现方式为在 程（ 中加入参考信号，将其他小区同层干扰信号的强度加入到用于计算 信道质量指示（ 的 信号与干扰加噪声比 （ 的计算中，使得 于信道的估计更加精确。 于信道估计 的精确度提高了， 反馈精度也就随之上升，对系统性能会有较大的影响。在其他小区同层干扰信 号 较强的场景中（如 景）使用 使系统的性能受益，因此在 景中使用 成了顺利成章的方案 。那么接下来的 方案的讨论范围也就围绕着如何 在 场景下 配置 更优的 展开。 各大公司分为两个阵营，以华为中兴和中国移动为首的阵营认为配置 1 个不可行的，需要配置 复合 满足反馈精度需求。他们认为单一 以用来与 用户设备（ 的 关，而其他不同的 到正交的 ，以使用户反馈 复合 为可能。另一阵营认为只需要配置 1 个 足够，支持者包括爱立信，索爱，摩托罗拉等。最终 3织将至少配置 1 个 为了 1 中的标准，对于 22。 通过对 3新 跟进，我们可以得知， 一个比较新颖的技术方向，在 不同与 是， 续的工作还是很有价值的， 成为一个具有广阔前景的下一代 移动通信的主要研究方向。 文 章节主要内容 北京邮电大学工学硕士学位论文 10 本文分为六个章节撰写，下面对各个章节内容做简要介绍： 第一章 ： 介绍了 发展现状以及 术。 第二章 ： 介绍了下行 术原理和发展现状，包括几大增强方向。 第三章 ：深入 研究了下行 馈增强技术中限制秩方案和最佳伴随 案 ，阐述作者为日立公司提交的 议提案方案 ，分析性能。 第四章： 介绍 另一种候选方案 宽带补偿方案，并且提出一种加入 术的新方案。 第五章： 将设计的 方案全部按照 31 会议要求的场景和仿真细节进行仿真，得到仿真结果，对比方案。 第六章：总结与展望。第二章 术研究 11 第二章 原理 意为多输入多输出 ，该技术最早是由 1908 年提出， 目的在于利用多天线来抑制信道衰落。随着移动通信技术的不断发展，传统的时频信号设计方案再也无法满足人们对于系统性能的要求。在这种环境下， 验室于 20 世纪 90 年代中期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通信系统。 该技术可以做到在 不需要占用频谱资源和增大天线发射功率的情况下，利用 空间资源，大幅度的提升信道容量，有效提升系统的性能 6。 该技术推出后立即获得广泛关注，学术界对 研究 十分火热， 3织也将包括上下行 术在内的 术方案加入到了移动通信技术的演进标准中，并仍将 术作为未来通信系统演进的一项重大课题 23。 术 实际上 是指 的 是在天线的发射端和接收端 使用多根天线，但是多进单出（ 单进多出（ 术也因为采用发射分集和接受分集技术被归为 大类之