MIMO系统有限反馈技术研究

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多输入多输出技术(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)在不占用额外频谱资源的条件下充分利用空间资源,能够成倍地提升系统容量和改善系统的误比特性能。MIMO技术所带来的性能提升很大程度上取决于发射端对信道状态信息(Channel State Information,CSI)的了解程度。在时分双工(Time Division Duplexing,TDD)系统中信道状态信息可以通过信道互易性获得,而在频分双工(Frequency Division Duplexing,FDD)系统中通常通过有限反馈的方式来获得。有限反馈系统的典型实现是在发射端和接收端维护一个相同的码本,接收端根据信道估计的结果,从码本中选择出最优的码字,然后经一条反馈链路将码字的序号告知发射端。本文主要围绕MIMO系统中的有限反馈技术而展开,首先介绍MIMO系统的容量求解方法、发射端预编码技术及接收端信号检测技术,接着研究有限反馈系统中的码本构建准则和码字选择准则,并对常用码本进行特性分析和性能仿真。结果表明,随着天线规模和码本规格的增大,系统性能随之增强。对于性能优良的码本,目前并没有找到生成码本的构造性方法,只能通过计算机穷搜索的方式获得。穷搜索的规模随着天线数量、码本大小的增加而呈指数型增长,与此同时码本所需的存储资源和搜索码字所需的计算资源也将成倍增加。针对系统性能和计算、存储资源之间的折中问题,本文提出一种循环移位码本,该码本中的码字通过将一组相互无偏的矢量循环移位而生成。在存储方面,码字中每个元素来自于四元字母表,因而只需使用2比特来存储一个元素。在复杂度方面,码字中的元素是形式简单的实数或虚数,并且码字之间满足循环移位关系,使得接收端的码字搜索复杂度大大降低。本文给出码字搜索的两种模式,以平衡所需硬件资源与处理时间之间的关系。针对波束成形系统、空间复用系统和多用户MIMO系统,我们分别提出相应的码本构建方法和码字搜索方法,并分析其计算复杂度。在不同系统下的分析及仿真结果表明循环移位码本在取得与传统码本相当性能的同时,明显降低了系统的存储需求及计算复杂度。
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