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多用户MIMO系统下行链路的随机多波束复用技术

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第３０卷第２期　

２００８年２月　电子与信息学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｌ０１．３０ＮＯ．２　

Ｆｅｂ．２００８　

多用户ＭＩＭＯ系统下行链路的随机多波束复用技术　

黄永明　许道峰　杨绿溪　

（东南大学无线电工程系　南京２１００９６）　

摘要：该文提出了一种随机多波束多用户复用技术，充分利用多用户分集以及基站多天线的空间自由度来提高系　

统吞吐量。不同于传统的随机波束形成技术，该技术首先在给定预编码码本内随机选取一个码字，然后调度多个空　

分复用用户以及其余预编码矩阵。该文采用了一种逐次调度的方式，第一次训练调度一个主发送用户并确定一个次　

发送预编码矩阵，通过第二次训练选择次发送用户，这种方式能以很小的反馈开销有效控制复用用户之间的相互干　

扰。同时，该文所提技术能进一步推广到用户具有不同天线配置的异构情形。仿真结果表明，该文技术在具有不同　

相关性的信道环境下都能获得较优的系统吞吐量。　

关键词：无线通信；多用户；随机波束；空分复用；多用户分集　

中图分类号：ＴＮ９２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—５８９６（２００８）０２—０４１６—０５　

Ａ　Ｒａｎｄｏｍ　Ｍｕｌｔｉ－ｂｅａｍ．Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　

ｔｈｅ　Ｄｏｗｎｌｉｎｋ　ｏｆ　Ｍｕｌｔｉｕｓｅｒ　ＭＩＭＯ　Ｓｙｓｔｅｍ　

Ｈｕａｎｇ　Ｙｏｎｇ－ｍｉｎｇ　Ｘｕ　Ｄａｏ—ｆｅｎｇ　Ｙａｎｇ　Ｌｕ－ｘｉ　

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｒａｄｉｏ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ　Ｕｎｉｖ．，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００９６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｏｖｅｌ　ｒａｎｄｏｍ　ｍｕｌｔｉ—ｂｅａｍ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｗｈｉｃｈ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　

ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ　ｂｙ　ｅｘｐｌｏｉｔｉｎｇ　ｂｏｔｈ　ｍｕｌｔｉｕｓｅｒ　ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｐａｔｉａｌ　ｆｒｅｅｄｏｍ　ｄｅｇｒｅｅｓ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔ　ａｎｔｅｎｎａｓ　ａｔ　ｔｈｅ　

ｂａｓｅ　ｓｔａｔｉｏｎ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｆｒｏｍ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｒａｎｄｏｍ　ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｏｎｅ　ｆｉｒｓｔ　ｒａｎｄｏｍｌｙ　ｓｅｌｅｃｔｓ　

ｏｎｅ　ｃｏｄｅｗｏｒｄ　ｆｒｏｍ　ａ　ｇｉｖｅｎ　ｃｏｄｅｂｏｏｋ　ｏｆ　ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ　ｍａｔｒｉｃｅｓ，ｔｈｅｎ　ｓｃｈｅｄｕｌｅｓ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｓｐａｔｉａｌｌｙ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ　ｕｓｅｒｓ　ａｎｄ　

ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ　ｏｔｈｅｒ　ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ　ｍａｔｒｉｃｅｓ．Ａ　ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ　ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｓｅｌｅｃｔｓ　ａ　ｍａｉｎ　ｔｒａｎｓｍｉｔ　ｕｓｅｒ　ａｎｄ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ　ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ　ｍａｔｒｉｘ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｏｔｈｅｒ　ｕｓｅｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｔｒａｉｎｉｎｇ　ｐｈａｓｅ，ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　

ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｔｒａｎｓｍｉｔ　ｕｓｅｒ　ｉｓ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ　ｍａｔｒｉｘ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄ　ｔｒａｉｎｉｎｇ　ｐｈａｓｅ．Ｔｈｉｓ　

ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ　ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ　ｗａｙ　ｉｓ　ｃａｐａｂｌｅ　ｏｆ　ｆｕｌｌｙ　ｓｕｐｐｒｅｓｓ　ｔｈｅ　ｍｕｔｕａｌ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ　ｕｓｅｒｓ　ａｔ　ｃｏｓｔ　ｏｆ　

ｌｉｔｔｌｅ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｏｖｅｒｈｅａｄ．Ａｌｓｏ，ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｅｘｔｅｎｄｅｄ　ｔｏ　ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ　ｃａｓｅｓ　ｗｈｅｒｅ　ｕｓｅｒｓ　ｍａｙ　ｂｅ　

ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｒｅｃｅｉｖｅ　ａｎｔｅｎｎａｓ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　

ａｃｈｉｅｖｅｓ　ｇｏｏｄ　ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ　ｏｖｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ；Ｍｕｌｔｉｕｓｅｒ；Ｒａｎｄｏｍ　ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ；Ｓｐａｔｉａｌ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ；Ｍｕｌｔｉｕｓｅｒ　ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ　

１　引言　

信息论研究表明，当发射端精确已知所有用户的信道状　

态信息（ｃｓｉ）时，多天线系统广播信道的和容量随着用户数　

的增长以Ｍｌｏｇｌｏｇ（ＮＫ１的速度渐进增长【　，其中Ｍ为发射　

天线数，Ⅳ为单个用户的接收天线数，　为用户总数。已　

有理论证明，脏纸编码（ＤＰｃ　能达到广播信道的和容量，　

但ＤＰＣ需要复杂的非线性处理，因此并不实用，即使如　

ＴＨＰ［３Ｊ之类的次优的非线性预编码方案，其计算复杂度仍显　

太高而难以实现。现有的处理简单的线性多用户预编码方案　主要有基于迫零准￣ｊ　Ｌ４ｊ或者对信道矩阵进行块对角化Ｌ５Ｊ，以　

此把多用户ＭＩＭ０信道分解成并行的互不干扰的单用户信　

２００６－０７—２８收到，２００７—０１—１６改回　国家自然科学基金重大项目ｆ６０４９６３１０，６０２７２０４６），江苏省自然科　学基金（ＢＫ２００５０６１）和教育部博士点基金（２００２０２８６０１）资助课题　道。需要指出的是，上述方案都要求发射端精确已知所有用　

户的信道状态信息（ｃｓｉ），当用户数目较多的时候，这在实　

际系统中并不可行。在多用户环境下，通过随机调度　

（Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｓｔｉｃ　Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ，０Ｓ）能充分利用多用户分集来提　

高系统容量，每个用户只需将其信道质量度量ＣＱＩ反馈给基　

站，系统反馈开销比较小，实现简单。文献『６１提出了一种简　

单的随机波束形成方案，它把慢衰落信道人工等效成快衰落　

信道并用一定的调度方案保证用户间的公平性。文献『７１把单　

天线用户配置的随机波束形成方案推广到多天线用户配置，　

基站给一个用户同时发送多个数据流，并可以根据反馈信息　

在多个流之间进行合理的功率分配ｆ注水）以提高系统的吞吐　

量。实际上，在多用户ＭＩＭ０系统中，一个时频资源块只　

是调度给一个信道条件好的用户往往并不能充分利用　

ＭＩＭＯ系统的空间自由度。在文献『１，８１中，发射端每次调度　

先随机产生多个波束，然后把各个波束分配给信道条件匹配　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期　黄永明等：多用户ＭＩＭＯ系统下行链路的随机多波束复用技术　４１７　

的多个用户，这样可以同时获得多用户分集增益和空分复用　

增益。文献『１］中在产生承载多个用户数据的多个波束时要求　

各个波束之间相互正交，因此它是一种随机的正交波束空分　

多址技术，随着用户数的不断增长，它能渐进地达到多天线　

系统广播信道容量的增长速度。但当用户数目有限时，该方　

案的性能会急剧下降。文献『９］中提出的随机预编码方案主要　

是针对用户端配置多根天线的情形，每次调度基站先随机产　

生多个预编码矩阵，然后把各个矩阵分配给信道条件匹配的　

多个用户，该方案虽然实现简单，但并不能显式地控制复用　

用户之间的相互干扰。　

本文主要考虑ＭＩＭＯ系统下行链路的多用户随机调度　

问题，与传统的随机调度方案不同的是，本文的方案是一种　

基于预编码码本的调度方式，所谓码本，即预先定义一组可　

能的预编预矩阵。一次调度需要多个训练步骤，首先从码本　

中随机选取一个预编码矩阵，用户对此作出相应反馈，基站　

选取一个主用户，并选择一个对主用户干扰最小的预编码矩　

阵作为第２个预编码矩阵，然后通过第２次训练选择次用户。　

这种多次训练的方式能显式地控制复用用户之间的相互干　

扰，并且只需要很少的反馈量。由于这种方法能调度信道条　

件较好并且相互正交性较好的多个用户，它能够充分利用多　

用户ＭＩＭＯ系统的多用户分集增益和空分复用增益。实际　

系统中，多个用户可能具有不同的天线配置，通过融合文献　

『１］中的随机正交波束空分多址技术思想，本文提出的调度方　

案能进一步推广应用到这种异构情形。　

２多波束复用系统模型　

考虑多用户多天线系统的下行链路，基站配置　根发　

射天线，用户端配置Ⅳ根接收天线，通常有Ｍ＞Ｎ。假设　

基站需要服务的用户总数为　，一个时隙可以同时发送　

个用户的信息，并采用多用户预编码。每个用户最多可支持　

Ⅳ路独立的数据流，即使用多个波束，基站根据用户的反馈　

信息选择　个发送用户以及　个预编码矩阵ｆＩ　｝，空分复　

用信道资源。选中的第ｋ个用户以　为发送预编码矩阵或　

波束发送信号８　，基站总的发送信号可以表示为　

ｓ＝Ｅ　（１）…　，　ｋ＝ｌ　则被选择的第ｋ个发送用户的接收信号为　

＝　Ｅ　＋　＝１　

＝　＋　Ｅ　＋　

其中日　为Ｎ×Ｍ维的平坦瑞利衰落信道矩阵；ｎ　为白噪　

声矢量，其元素的单边功率谱密度为Ⅳｎ。同时约定并有　

Ｅ［　］＝Ｅ　ＩＮ，其中ＥＨ为期望运算符；　

一般的多用户预编码方案需要在发射端精确已知所有　

用户的ＣＳＩ，为了减小系统的反馈开销，本文提出的系统将　

采用预编码码本的方式，即预先定义好～组预编码矩阵，构　成一个码本，每个预编码矩阵作为一个码字对应一个唯一的　

标号。每次调度时基站从码本中选取　个预编码矩阵并分配　

给信道条件匹配的　个用户，为了保证一定的用户调度公平　

性，基站在选取预编码矩阵时需要具有一定的随机性，但由　

于同时调度多个用户，因此需要充分考虑复用用户之间的相　

互干扰。　

３逐次训练调度方案　

首先考虑天线配置满足Ｍ／Ｎ＝２的情形，在这种情况　

下，基站每次需要调度两个空分复用用户，每个用户发送Ⅳ　

路独立数据流，与文献『８］中的多用户随机预编码方案不同的　

是，本文提出的调度方案能够显式地控制复用用户之间的相　

互干扰，并具有很低的反馈开销。如图１所示，在调度的初　

始阶段，基站从码本中随机选取一个Ｍ×Ｎ维的预编码矩阵　

作为此次调度的发送预编码矩阵之一，这里称之为主预　

编码矩阵。各个用户在获知此信息后利用各自的ＣＳＩ计算以　

Ｗ作为预编码矩阵所能支持的容量，并把它作为ＣｑＩ反馈　

给基站，需要指出的是，由于此时采用空分多址接入ＳＤＭＡ　

模式，即两个用户复用信道资源，用户在计算支持容量时需　

要考虑其他用户的干扰信息　与一般的调度方案不同的是，　

本文的调度方案在用户第一次反馈时还需要额外反馈码本　

中与用户干扰最小的预编码矩阵的编号，基站在收集各个用　

户的上述反馈信息后选择一个主发送用户，该用户将以Ｉ　

为预编码矩阵发送数据，同时确定第２个将采用的发送预编　

码矩阵Ｉ　。到此为止，调度算法完成了第１个训练步骤。　

为了选择第２个发送用户（次发送用户），该用户将以　为　

预编码矩阵利用同一信道资源发送数据，调度算法需要进行　

第二次训练　在第二次训练的初始阶段，基站需要把　和　

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MIMO技术

MIMO技术

MIMO技术

MIMO技术可以提高系统的通信质量和吞吐量。利用三个基站为一个整体进行小区划分和信号处理，可以灵活地利用MIMO技术和合适的MIMO传输方案。LTE标准在天线配置上包括：单天线发送、发射分集、开环空间复用、闭环空间复用、多用户MIMO和基于层的数据传输方案。高铁的无线射频单元（RFU）到车载终端之间的通信可以根据列车运行期间的实际位置等信息采用不同的空间传输方式，实现增大吞吐量或者提高信息传输质量的目的。

g） BF

天线以多个高增益窄波束动态地跟踪期望用户，在接收模式下，来波方向之外的信号被抑制，发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小。

1.在一个eNB的覆盖区域内如果有两列列车，利用两个RFU的两个分离天线针对两列单天线的列车终端进行ZF的beamforming，如图所示RFU-B和RFU-C和车载终端UE2和UE3；

RFU-ARFU-BRFU-C车载UERFU-A1光纤

eNB

2.覆盖区域只有一列列车的时候，在车载终端有两根接收天线的时候（该两天线距离尽量远），可以针对两根天线进行beamforming。

ABC车载UE1车载UE2车载UE3A1RFU-ARFU-BRFU-C车载UE1车载UE2车载UE3RFU-A1光纤

eNB

h） 协作传输

多个RFU除了可以传输相同的信号外，还可以进行协作的方式对接收和发射信号进行处理，例如利用空时编码或者在进行信道估计后，利用预编码的方式实现联合发送或者联合接收。 对于控制信道利用发射分集的方案，提高控制信令的通信质量。对于数据信道，可以根据吞吐量的要求和郊外的实际信道环境，选择可配置的MIMO传输方案。

1.在覆盖区域有两列列车的情况下，可以对该两列列车的车载终端进行多用户MIMO方案进行数据传输，每个车载终端一个数据流，车载终端两根接收天线可以对干扰数据流信号进行消除处理。

mimo技术的三种模式介绍,mimo技术作用,mimo技术种类

mimo技术的三种模式介绍,mimo技术作用,mimo技术种类

mimo技术的三种模式介绍,mimo技术作用,mimo技术种类

一、MIMO定义MIMO即多入多出技术（MulTIple-Input MulTIple-Output）技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。

二、MIMO技术分类空分复用（spaTIal mulTIplexing）工作在MIMO天线配置下，能够在不增加带宽的条件下，相比SISO系统成倍地提升信息传输速率，从而极大地提高了频谱利用率。在发射端，高速率的数据流被分割为多个较低速率的子数据流，不同的子数据流在不同的发射天线上在相同频段上发射出去。如果发射端与接收端的天线阵列之间构成的空域子信道足够不同，即能够在时域和频域之外额外提供空域的维度，使得在不同发射天线上传送的信号之间能够相互区别，因此接收机能够区分出这些并行的子数据流，而不需付出额外的频率或者时间资源。空间复用技术在高信噪比条件下能够极大提高信道容量，并且能够在开环，即发射端无法获得信道信息的条件下使用。Foschini等人提出的贝尔实验室分层空时（BLAST）是典型的空间复用技术。

空间分集（spatial diversity）：利用发射或接收端的多根天线所提供的多重传输途径发送相同的资料，以增强资料的传输品质。

波束成型（beamforming）：借由多根天线产生一个具有指向性的波束，将能量集中在欲传输的方向，增加信号品质，并减少与其他用户间的干扰。

预编码（precoding）：预编码主要是通过改造信道的特性来实现性能的提升。

以上 MIMO 相关技术并非相斥，而是可以相互配合应用的，如一个 MIMO 系统即可以包含空分复用和分集的技术。

空间多路复用 相位

空间多路复用 相位

空间多路复用（Space Division Multiplexing，SDM）是一种无线通信技术，通过在空间维度上同时传输多个独立的数据流，从而提高了通信系统的容量和效率。在空间多路复用中，相位是一个重要的参数。

相位（Phase）是指无线信号的相对偏移或波形的起始点。在空间多路复用中，通过对不同天线或天线阵列发射的信号赋予不同的相位，实现对空间中不同用户或数据流的分离。

具体而言，对于MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）系统和波束成形（Beamforming）技术，相位起到重要的作用。

MIMO系统：MIMO系统利用多个天线对发送和接收信号，通过在不同天线之间调整相位差，可以在空间上分离并同时传输多个数据流。通过合理的相位调节，可以最大化信号传输的效率和容量。

波束成形：波束成形利用多个天线阵列发射或接收信号，并通过调整相位来形成一个或多个定向的波束。通过调整相位差，可以控制信号的辐射方向和波束的形状，从而提高信号的接收和传输质量。

在空间多路复用中，相位调节需要进行严格的设计和控制，以确保不同信号之间的相位差正确地分配和调整。这需要高精度的信号处理和调制技术，以及合理的天线布局和天线阵列设计。

总的来说，相位在空间多路复用中起到关键作用，通过调整不同信号的相位来实现空间分离和提高信号传输效率。它是实现高容量、高效率无线通信的重要技术参数。

MIMO技术介绍

MIMO技术介绍

MIMO技术介绍

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）是一种无线通信技术，它通过在发送端和接收端使用多个天线来实现更高的频谱效率、更好的信号质量和更远的传输距离。MIMO技术是由无线电通信中的多径效应所驱动的，这意味着信号从发送端到接收端会经历多个传播路径，并且会受到多种干扰的影响。MIMO技术通过在发送端和接收端增加天线数量来增强信号的传输质量和信道容量。

MIMO技术可以追溯到20世纪60年代，在那个时候，人们开始研究多天线系统。然而，由于当时计算能力的限制，直到近20年后才开始真正广泛应用。现代MIMO技术发展起来主要依赖于两个重要的理论突破：空间复用理论和空间多样性理论。

空间复用理论是MIMO技术的基础，也是MIMO技术实现高频谱效率的关键。通过在发送端和接收端使用多个天线，MIMO技术可以在同一频率上同时传输多个数据流。在传统的无线通信系统中，每个频率只能传输一个数据流，而MIMO技术可以将多个数据流通过不同的路径并行地传输，从而提高频谱利用率和传输速率。

空间多样性理论是MIMO技术中的另一个重要概念。它利用了多天线系统中多个信号间的独立性，以及每个接收天线对信号的不同接收质量。通过在多个天线之间传输同样的数据，接收端可以通过综合不同路径上的信号来提高信号质量和抵抗干扰。通过利用多个输入和输出，MIMO技术可以显著改善信号的可靠性和可达性。

MIMO技术的好处不仅仅体现在提高频谱效率上。通过在发送端和接收端使用多个天线，MIMO技术可以提高信号的鲁棒性和抗干扰能力。在无线通信中，信号往往会受到多径衰落、多径干扰以及其他用户的干扰。MIMO技术可以通过综合多个信号来抵消这些干扰，从而提高信号质量和系统性能。此外，MIMO技术还可以提供更好的覆盖范围和更远的传输距离，从而实现更可靠的无线通信。

实际应用中，MIMO技术已经广泛应用于4G和5G无线通信系统中。在4G系统中，MIMO技术已经成为提高系统性能的关键技术之一、通过在发送端和接收端使用多个天线，4G系统可以显著提高频谱效率和传输速率，实现高速数据传输和多用户接入。在5G系统中，MIMO技术的应用更加广泛。5G系统支持更高的频谱效率和更低的时延要求，而MIMO技术可以提供更大的容量和更好的覆盖范围。