多天线系统信道容量问题的研究

摘要

相对于传统的单输入单输出(SISO)通信系统，多输入多输出(MIMO)系统能够在不增加额外带宽和发射功率的前提下大幅提高通信系统容量，因此吸引了极大的研究热情。其中MIMO系统的信道容量问题是研究的热点问题之一。关于MIMO系统信道容量的研究，主要是计算各类型信道及各种系统的容量表达式，包括上下界限、近似解和精确解。 在计算信道容量方面，开始都假设信道之间的衰落是独立的，在这种假设下得到了各种容量的表达式。然而现实情况中由于无线终端或基站周围散射体的缺失、移动设备尺寸的限制等原因，信道衰落往往是相关的。所以在后续研究中，一般都考虑信道是相关的。但是由于数学上的困难，直到最近才有信道半相关情况下的一些容量结果。而对于信道两边同时相关的情况，目前发表的研究结果较少。 近几年被提出的天线选择技术，由于即能保持MIMO系统的优点，又能降低MIMO系统的复杂度和成本，也成为研究的热点。理所当然，天线选择MIMO系统的容量问题也是一个重点研究对象。然而同样由于数学上的困难，目前对于两端同时进行天线选择的MIMO系统，因为无法得到所选信道矩阵的概率密度函数，使得该系统的容量问题成为一个难点。 在容量研究中，除了纯粹的计算问题之外，还有一类和容量相关的系统优化问题。此类问题主要是发生在自适应系统，在容量最大化准则下进行系统的优化，对系统资源进行调度。目前研究较多的是自适应多用户多天线OFDM(正交频分复用)系统，因为多用户和子载波的合理搭配可以进一步提高系统容量。然而目前的算法存在着较多问题，如普适性不强，考虑系统过于特殊等。 基于以上问题，本文主要对多输入多输出天线(MIMO)系统信道容量相关问题进行了研究。本文的主要工作包括： [1]本文中首次将和MIMO系统信道容量相关的数学问题进行了一些整理，总结了一些常用推导方法和数学工具，主要包括1)多元统计分析知识，主要是Wishart矩阵概率密度函数及其性质；特别对于Wishart矩阵的性质在信道容量求解过程中的作用进行了详细的描述。2)有用的超几何函数和积分公式，在计算MIMO系统信道容量的时候，经常要进行一些积分，这些积分往往很复杂，需要借助一些超几何函数。在本文中，对此类超几何函数和复杂积分作了整理，有些还给出了其变形式。3)带状多项式，关于此项知识在MIMO系统中的应用，目前资料甚少，本文进行了一些有益的整理。 除数学上的工作之外，本文主要有两项研究。 [2]首次分析了双相关信道下MIMO-OFDM系统的信道容量问题。我们首先得到了双相关信道下Wishart矩阵的概率密度函数，然后利用超几何函数分析了双相关信道下该系统的容量。 [3]对于自适应多用户MIMO-OFDM系统，在考虑了公平性、冲突问题和浪费问题后，在容量最大化准则下，提出了一种能同时解决三个问题的新自适应子载波多用户分配方案。该方案主要依靠一个自适应矩阵和自适应数据表格，算法和步骤流程清晰简单。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：术语表、图表目录

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2 MIMO系统容量问题研究的主要内容

1.3论文主要工作

1.4论文结构安排

第二章无线MIMO信道模型

2.1引言

2.2无线信道的相干性及分类

2.2.1相干性与选择性

2.2.2多径时延产生的频率选择性衰落及相干带宽

2.2.3多普勒频移引起的时间选择性衰落及相干时间

2.3几种常用的无线衰落信道类型

2.3.1瑞利(Rayleigh)信道

2.3.2 Nakagami.n(Rician)信道

2.3.3 Nakagami.q (Hoyt)信道

2.3.4 Nakagama.m信道

2.3.5 Weibull信道

2.3.6 Beckmann信道

2.4 MIMO系统模型

2.4.1 MIMO系统信道模型

2.4.2 Kronecker空间相关信道模型

2.4.3参数化空间相关信道模型

第三章数学预备知识介绍

3.1 Wishart矩阵概率密度函数及其性质

3.1.1 Wishart矩阵概率密度函数的定义

3.1.2 Wishart矩阵性质

3.1.3 Wishart矩阵的相对特征值和特征向量的联合分布

3.1.4单个Wishart矩阵的特征值分布

3.1.5非中心特征值的联合分布

3.2带状多项式和超几何函数

3.2.1带状多项式

3.2.2超几何函数和非中心分布

3.2.3矩阵变量超几何函数

3.3有用的积分公式

第四章MIMO信道容量及现有结论

4.1 MIMO系统信道容量一般推导过程

4.2 MIMO系统信道容量的现状

4.2.1不同信道衰落

4.2.2平坦信道和频率选择性信道

4.2.3相关信道与独立信道

4.2.4收发端不同CSI情形

4.3天线选择系统信道容量问题

4.3.1引言

4.3.2系统模型

4.3.3天线选择系统容量分析

第五章相关信道MIMO-OFDM系统容量

5.1引言

5.2系统模型

5.3 MIMO-OFDM系统的信道容量

5.4仿真与结果分析

5.5本章小结

第六章基于容量最大化准则下的系统优化问题

6.1引言

6.2容量最大化准则下自适应多用户MIMO-OFDM系统优化问题

6.2.1概述

6.2.2问题描述

6.2.3新的自适应准则

6.2.4仿真结果与分析

6.3本章小结

第七章结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

在校期间的论文、科研成果等

致谢