MIMO--OFDM系统性能分析及预处理技术研究

摘要

在无线频谱资源日趋紧张的情况下，采用多天线发射和多天线接收的多输入多输出(MIMO)传输技术充分挖掘利用空间维度无线资源，极大地提高频谱利用率和功率效率，堪称现代通信技术的一个重大突破。正交频分复用(OFDM)技术具有较高的频谱利用率、抗频率选择性衰落能力强、易于实现等优点，而被广泛应用。这两种技术的有效结合(即MIMO-OFDM)被认为是新一代移动通信系统的核心技术之一，亦是当前无线通信领域的研究热点。本论文围绕MIMO-OFDM系统的性能分析及预处理技术进行深入的研究。 首先，研究了空间相关Nakagami-m衰落信道下正交空时分组编码OFDM系统的差错性能。利用等效的单输入单输出OFDM模型，推导出其输出端瞬时信噪比(SNR)的矩生成函数(MGF)的闭式表达式。进而采取基于MGF的方法和Gauss-Legendre积分法则，得到了M元相干检测的符号差错概率(SEP)的精确数值解。特别考虑两抽头信道，分析了高SNR下渐近的差错概率和中断概率，从中得到相应的分集增益和编码增益。另外，通过衰落指数和数值结果评估了蕴含各种物理参数的复分量相关对SEP性能的影响。 其次，研究了存在载波频偏(CFO)和多径Rayleigh衰落的单输入多输出OFDM系统最小均方误差(MMSE)分集合并的差错性能。根据复Wishart矩阵的概率密度函数，推导出合并器输出信干噪比(SINR)的MGF上下界，并由此得到了M-PSK相干检测的SEP界。这些界适应于多径信道抽头数不大于接收天线数的情况。此外，给出了复Wishart矩阵最大特征值的均值的统一闭式解，继而以此推导出近似MGF的上界，其涵盖任意的信道抽头数和接收天线数。数值结果表明，SEP界或近似解与Monte Carlo仿真结果接近。 再次，研究了时变Rayleigh衰落信道下MIMO-OFDM系统中短化载波间干扰响应的接收预滤波器设计，旨在降低频域均衡的计算复杂度。所提出的设计目标是:寻求以一系列方阵为系数的时域窗，使得预滤波器输出端子载波平均的SINR最大。在此优化准则下，所得最优窗却不利于后续均衡处理，为此提出了切实可行的次优时域窗设计方法。同时，利用预滤波后频域信道矩阵的带状结构，进行了基于MMSE准则的串行迭代均衡，其复杂度与子载波数呈线性关系。为了进一步降低复杂度，将两种方法用于待估计符号先验信息更新的迭代实现，并对其复杂度作了比较。 最后，研究了不完美CFO估计的情况下上行MIMO-OFDMA系统线性收发机的联合设计。使用信道状态信息和CFO的统计信息，推导出每个子载波的平均MSE。针对所有有效子载波MSE的算术均值最小化，提出了一种迭代算法，以寻求最佳发射和接收矩阵集。该算法通过运用轮换最小化，对各用户的发射和接收矩阵施以并行更新。在给定最佳接收矩阵的条件下，可以得到更新的平均MSE与均衡后每个数据子流的平均SINR。基于先前的MSE准则和SINR准则，提出了一类次优的发射预编码算法，可达到更快的收敛。借助一个迭代过程，即在单个子载波的功率约束下迭代地求解每个子载波上的Schur-凹或Schur-凸最优化问题，从而获得各自的发射矩阵。此外，依据MSE或SINR目标函数的一个紧上界最小化，每个用户分别只进行一次注水，无需迭代过程，且获取显著的性能提升。

目录

声明

摘要

符号表

英文缩略语表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 MIMO技术

1．1．2 OFDM技术

1．1．3 MIMO-OFDM系统

1．2 MIMO-OFDM系统性能分析

1．3 MIMO-OFDM系统预处理技术

1．4 主要工作及章节安捧

第二章 空间相关Nakagami衰落信道下OSTBC-OFDM系统性能分析

2．1 引言

2．2 系统模型

2．3 瞬时SNR的MGF

2．3．1 γk的MGF

2．3．2 衰落量

2．3．3 近似容量

2．4 性能分析

2．4．1 M-PSK

2．4．2 M-DPSK

2．5 渐近分析

2．6 数值结果

2．7 本章小结

2．8 附录

2．8．1 定理2．1的证明

2．8．2 ‖Hk‖2F临方差的推导

第三章 存在载波频偏的SIMO-OFDM系统性能分析

3．1 引言

3．2 系统模型

3．3 SEP性能分析

3．4 SINR的MGF

3．4．1 MGF界

3．4．2 近似MGF

3．5 数值结果

3．6 本章小结

3．7 附录

3．7．1 预备知识

3．7．2 定理3．1的证明

3．7．3 (-λ)k，1的推导

3．7．4 定理3．2的证明

第四章 时变衰落信道下MIMO-OFDM系统的接收预滤波

4．1 引言

4．2 系统模型

4．3 预滤波器设计

4．4 低复杂度均衡

4．4．1 MMSE均衡

4．4．2 迭代实现

4．5 数值结果

4．6 本章小结

4．7 附录

4．7．1 SINR的推导

第五章 基于不完美载波频偏估计的MIMO-OFDMA系统联合收发机

5．1 引言

5．2 系统模型

5．3 最佳发射和接收

5．4 次优方法

5．4．1 MSE准则

5．4．2 SINR准则

5．5 数值结果

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 未来展望

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果

致谢