超高速无线局域网下行多用户调度及MIMO预编码研究

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在第五代Wi-Fi标准IEEE802.11ac已标准化并初步商用之际,为满足频谱利用率和数据吞吐的要求,中国工信部推出了自主知识产权的高速率且更高频谱利用率的增强型超高速无线局域网(EUHT)标准。EUHT引入了下行多用户MIMO传输(DL MU-MIMO)技术,这极大地提高了传输速率和系统容量。多用户MIMO传输技术的关键是设计出适合的预编码矩阵来消除用户间干扰,并通过调度方案设计获得多用户分集增益;实际应用中,亦需要研究如何利用有限反馈信道信息进行EUHT系统下的预编码。本文结合以上问题,主要的研究内容如下:  1、研究了EUHT标准下物理层帧结构,在此基础上细致讨论了物理层的收发流程,并对链路进行了搭建,给出了单用户、多用户下不同MCS时的BER、PER性能仿真。  2、研究了EUHT协议中支持的3种多天线方案;在建立了系统模型基础上,对常用的多用户线性预编码方法进行分析并给出仿真对比。之后,针对BD算法,进一步给出了2种基于信道分解的发射端加权预处理BD-SVD和BD-GMD技术,并将这两种算法在单用户和多用户场景下的性能进行了比较;由于GMD算法更利于用户流间干扰消除,故性能上存有增益。  3、分析研究了EUHT协议中的载波聚合模式及不同模式下的信道分组反馈机制,并给出了基于PCSI的多用户预编码方法以及V矩阵的压缩反馈方法,仿真验证了利用有限信道信息设计多用户预编码的有效性。考虑传输中的实际因素对基于V矩阵反馈的MU-MIMO预编码算法性能的影响,将不同子载波分组、压缩反馈量化以及反馈延迟在性能和计算量上进行了对比;经仿真及数据分析,给出了推荐采用的反馈方案。  4、考虑实际应用中存有多小区同频干扰,研究了干扰消除设计方法及其改进;改进的协作方案更适用于基于AP集中式统一管理调度的EUHT系统,减少了所需的交互信息量,并给出了EUHT下反馈协作流程框图,其降低了用于控制调度的系统资源开销,且主体计算处理在AP端更易于实现;仿真分析了干扰消除设计的有效性。  5、采用MU-MIMO技术时,AP需根据获取的用户信道信息选出多个用户作为数据发送对象。在深入分析经典的单载波用户调度方法基础上,本文研究了如何利用反馈的有限用户信道信息进行EUHT这一宽带系统中的用户调度。结合EUHT的QoS要求,本文提出了考虑信道衰落及用户间相关性影响的PGSL和PGSS这2种实现复杂度不同的多用户调度方案,仿真表明2种方案均获得了一定的多用户分集增益;在此基础上,进一步提出了兼顾用户公平性和用户优先级的PMSFC方案,仿真结果表明其在较低的实现复杂度下,满足了不同业务的QoS优先级并较好地保障了用户间公平性,且系统速率未明显下降。  6、研究了适用于多天线多流自适应选择的基于虚拟用户调度的MVUS方案,通过多天线分集增益的获得,保障了低PER下重传次数减少及短延时;在其基础上,本文进一步提出了基于信道条件数判断机制的MCNJ算法,对流数方案给出更新,仿真表明,此方案在吞吐量性能上有较大的流数选择增益,且PER性能亦无较多损失。之后,给出2种流数自适应方案各自适用的用户类型与场景。  本文在超高速无线局域网的国际标准化与技术验证项目基础上,对EUHT协议进行了较为系统、细致的调研,对此标准中MU-MIMO涉及的关键技术做了深入的研究,并提出了适用于协议标准的多用户调度与流数自适应方案。
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