OFDM及MIMO系统基于不同CSI上行反馈机制的下行调度方案性能分析

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在无线通信系统中,正交频分复用(OFDM)、多输入多输出(MIMO)和多用户分集技术是提高频谱效率以及链路可靠性的有效途径。在OFDM与MIMO系统中,为了对用户进行有效地调度以充分利用多用户分集的优势,基站需知道用户的信道状态信息(CSI)。在上下行链路非对称的系统中,基站端的下行CSI由用户通过上行链路反馈获得。上行链路的CSI反馈机制一般包括理想反馈、有限反馈、竞争反馈机制以及有延时的反馈等。基于不同的CSI反馈机制,论文对OFDM及MIMO系统的下行调度问题进行了研究,从理论上探讨了各种反馈机制下的下行调度方案性能。主要工作如下:   首先,论文研究了在Nakagami衰落环境下,基于理想反馈以及每用户1比特反馈的两种机制,多用户单输入单输出(SISO)系统下行链路调度方案的误比特率(BER)性能。在任意用户数时,针对上述两种反馈机制的调度方案,均推导出了BER的闭合表达式。当用户数趋于无穷大时,在理想反馈的情况下,利用极值理论推导了渐进BER的上下界,从理论上证明了调度方案能获得的多用户分集增益近似与系统的平均信噪比成正比、与Nakagami衰落的参数成反比;另外还证明了,在每个用户仅反馈1比特的情况下,只要恰当设置反馈门限,调度方案能够获得与理想反馈一样的多用户分集增益。   第二,研究了将基于门限的机会反馈与最优反馈相结合的混合有限反馈,分析了正交频分多址(OFDMA)系统基于该反馈机制的下行调度方案的性能,并对反馈参数的设置进行了探讨。推导了混合有限反馈调度的平均容量、平均反馈量以及资源块利用率的闭合表达式,并为该反馈提出了一种动态的参数设置方法,该方法使调度方案的总反馈量成为与用户数无关的常数。证明了当用户数趋于无穷大时,依据所提出的方法,基于混合有限反馈的调度与理想反馈时调度的容量比大于一个常数,且该常数即为资源块利用率的极限值。采用所提出的参数设置方法,基于混合有限反馈的调度方案能有效地利用多用户分集,以较小的容量损失为代价极大地降低了总反馈量。   第三,研究了多用户MIMO下行系统中基于竞争反馈机制的调度问题,该反馈机制针对的是反馈时隙有限的实际情况。利用线性接收机将MIMO信道转化为并行空间子信道的特性,在传统的竞争反馈协议基础上,提出了一种最优竞争反馈协议,让各用户只竞争使用其最优的一个空间子信道,以降低用户的反馈量。进一步推导了基于所提出协议的调度方案的容量,并对反馈协议的参数进行了优化以达到容量的最大化。仿真结果表明,与传统的基于竞争反馈协议的调度方案相比,基于最优竞争反馈协议的调度方案能在几乎不损失容量的同时有效地降低用户的反馈量,且空间子信道数(即基站的发射天线数)越大,反馈量降低得越多。   第四,论文分析了在有反馈延时的情况下,利用联合分集调度方案的多用户多输入单输出(MISO)下行系统在瑞利信道中的中断概率。为了同时利用空间分集和多用户分集,考虑了三种联合分集调度方案,它们在基站处分别采用闭环的发送端最大比合并(TMRC)、发射天线选择(TAS),以及开环的正交空时分组码(OSTBC)。推导了三种联合分集调度方案在任意信噪比下的中断概率闭合表达式,给出了高信噪比下的渐进中断概率,分析了反馈延时对三种方案渐进分集度的影响。另外还进一步分析了用户数和发送端天线数对三种方案渐进中断概率的影响,比较了三种方案的渐进中断概率大小。理论分析和仿真结果均表明,在有反馈延时的情况下,在基站采用开环OSTBC的联合分集调度方案比其他两种采用闭环空间分集发射技术的方案具有更好的鲁棒性。
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