MIMO通信系统中的下行链路空间联合处理技术研究

摘要

如何提高恶劣信道环境下具有服务质量保证的高速数据传输能力，是未来宽带移动通信系统必须要解决的一个技术难题。发射端和接收端同时采用多根天线的MIMO技术由于为解决上述技术挑战提供了很好的思路，迅速成为了第四代移动通信系统的核心技术。但在一个实际的系统中，移动终端由于物理尺寸和实现复杂度受到限制，因此在基站采用多根天线和复杂的信号处理技术来提高信息传输的有效性和/或可靠性，通常被认为是更加现实和有效的方法。在这种情况下，本文对MIMO无线通信中的下行链路空时联合信号处理技术开展了研究。 1.提出了同时存在空间和时间相关性的双相关MIMO信道下空时码的性能分析方法。本论文首先考虑实际无线信道的特点和终端的移动性，建立起双相关MIMO信道的数学模型。接着基于Laplace变换，推导出空时码在该信道下的成对差错概率计算公式，并通过计算机仿真证明了其有效性。这项工作克服了现有文献很少关注MIMO信道时间相关性这一局限性，有助于推动空时码在无线通信系统中的实际应用。 2.提出了Rayleigh衰落信道中MIMO-MRC系统在最常用的三种调制方式，即M-PAM，M-PSK和M-QAM(M≥4)，下的误比特率计算方法。当发射端准确已知信道状态信息，而接收端通过信道估计的方法也获得了精确的信道信息时，采用MIMO-MRC技术可以有效地对抗多径衰落，降低信息传输的错误概率。与现有文献只关注系统的容量、中断概率和误符号率有所不同，本论文推导出误比特率的闭合表达式。由于该表达式由许多基本的初等函数组成，因此跟通过MonteCarlo仿真实验来完成性能分析的方法相比较，它可大大地提高计算效率，从而为进一步研究该技术的优势打下了基础。 3.针对相关衰落信道，在以接收端输出平均信噪比最大为前提条件下，分别以误符号率和误比特率上界最小化为准则，提出了两种自适应波束形成与空时块码相结合的发射方案，更进一步还提出了利用上行链路的信道协方差矩阵估计出下行链路波束形成权矢量的方法。这两种发射方案物理意义非常明确，避免了信道统计信息的反馈过程，节省了系统开销的同时降低了其实现复杂度。此外，还提出了对采用上述发射方案的通信系统进行相应的性能分析的方法。计算机仿真结果表明，跟现有的一维和二维波束形成与空时块码相结合的发射方案相比较，新方案的总体性能具有明显的优势。 4.针对基站协作处理下的蜂窝移动通信网，提出了一种波束形成与空时块码相结合的发射方案。在这种方案下，发射波束形成权矢量通过有限反馈的方法得到，而功率分配则借助于用户所处位置的先验知识来完成。更进一步，基于矩生成函数提出了对采用这种方案的无线通信系统进行误符号率性能分析的方法。这种空时发射方案以较低的复杂度获得明显的性能增益，为提高小区边缘用户的通信质量提供了一种实用的方法。 5.针对波束形成与空时块码相结合的空时发射方案，提出了一种阵元间互耦的模型，并在此基础上采用矩生成函数和Gauss-Chebyshev积分，推导出存在互耦时的系统误符号率数值计算公式，深入分析了阵元间互耦对这种空时发射方案带来的影响，克服了现有文献没有考虑阵列误差这一局限性，使得这种空时发射方案的研究更加深入和具有实用性。 6.针对移动通信领域得到广泛应用的均匀圆阵，提出了阵元间互耦的盲校正方法。该方法利用子空间原理和Lagrange乘子法，在不需要任何辅助信号源的情况下，通过求解一维最优解就能同时完成阵列误差的校正和信号DOA估计。跟现有方法相比，它具有无需迭代过程，计算量小等优点。此外，还提出了以空间响应相关系数为准则来定量地分析互耦对阵列性能的影响。 7.针对CDMA通信系统中的智能天线，提出了阵元间互耦的半盲校正方法。该方法将构成互耦矩阵的元素分成两大部分，其中幅度较小的那一部分对阵列的影响也比较小，认为它们可以预先通过测试或计算的方法得到，并作为先验知识；而另一部分互耦系数和期望用户的DOA则通过对解扩后的信号矢量构成的协方差矩阵进行特征值分解，并通过快速求解基于子空间原理建立的一维最优解问题估计出来。然后将得到的互耦矩阵对阵列权矢量进行修正后就可消除其带来的影响。此外，还提出了同信道干扰抑制系数的概念和计算公式，推导出了同时存在多址干扰和共信道干扰情况下，智能天线的输出信干比和信干噪比的闭合表达式，完成对其干扰抑制能力的分析。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略词表、数学符号表

声明

第一章绪论

1.1 引言

1.2移动通信的回顾与展望

1.3移动通信的信道特征

1.4阵列信号处理

1.4.1天线与天线阵

1.4.2数字波束形成技术

1.4.3超分辨空间谱估计的MUSIC类方法

1.5 MIMO技术

1.5.1 MIMO信道容量

1.5.2分集增益、复用增益和阵列增益

1.5.3 MIMO系统的传输方案

1.6本文的研究内容与安排

第二章双相关MIMO信道下的空时码性能分析

2.1 引言

2.2系统模型

2.3相关信道下的空时码性能分析

2.4计算机仿真

2.5 小结

附录

第三章Rayleigh衰落下的MIMO-MRC系统性能分析

3.1 引言

3.2问题的描述

3.3新的误码率计算方法

3.4计算机仿真

3.5 小结

第四章相关衰落信道下的半开环空时发射方案

4.1 引言

4.2问题的描述

4.3新的空时发射方案

4.3.1自适应功率分配

4.3.2下行链路波束形成权矢量的计算方法

4.3.3新的发射方案小结

4.4性能分析方法

4.5计算机仿真

4.6小结

附录

第五章基于误码率的空时发射方案及其性能分析

5.1 引言

5.2基于误码率的空时发射方案

5.3空时发射方案的性能分析

5.4计算机仿真

5.5 小结

第六章基站协作处理下的空时发射方案及其性能分析

6.1 引言

6.2问题的描述

6.3基站协作处理下的空时发射方案

6.4基于矩生成函数的性能分析方法

6.5计算机仿真

6.6 小结

第七章阵元间互耦对自适应空时发射方案的影响

7.1 引言

7.2问题的描述

7.3阵元间互耦模型的建立

7.4存在阵元间互耦下的误符号率计算方法

7.5计算机仿真

7.6小结

附 录

第八章阵元间互耦的盲校正方法

8.1 引言

8.2问题的描述

8.3 阵元间互耦的盲校正方法

8.4计算机仿真

8.5 小结

第九章CDMA系统中的智能天线误差校正方法及干扰抑制性能分析

9.1 引言

9.2系统模型与干扰抑制性能分析

9.2.1系统模型

9.2.2干扰抑制性能分析

9.3阵元间互耦的半盲校正方法

9.4计算机仿真

9.5小结

第十章结束语

致谢

攻读博士期间完成的论文

攻读博士期间参加的科研项目

参考文献