无线MIMO系统的信道容量及自适应传输理论与技术研究

摘要

为适应未来发展的需要，未来移动通信系统要求能够支持高达每秒数百兆甚至千兆比特的高速分组数据传输，在无线资源日趋紧张的情况下，采用多天线发送和多天线接收的MIMO无线传输技术，充分挖掘利用空间资源，最大限度地提高频谱利用率和功率效率，成为未来移动通信研究的关键所在。本论文开展无线MIMO信道容量分析及自适应MIMO无线传输理论与技术研究。 首先从综合考虑了接收相关、发送相关以及直达径分量的MIMO平衰落信道模型出发，利用非中心复Wishart矩阵的巴特莱特分解，首次得到非中心复Wishart矩阵行列式的期望以及行列式对数的期望，由此推导了简洁且紧致的遍历容量上界和下界，进而精确地分析出各种信道统计特性对信道容量的影响。在实际的传输环境中，高速宽带无线传输面临的通常是频率选择性衰落信道，本论文从基于抽头延迟线模型的频率选择性莱斯信道模型着手，将平衰落信道的遍历信道容量结论进行推广，得到了平衰落和频率选择性衰落信道容量的统一解。 随后在复高斯矩阵二次型的最大特征值分布的基础上，推导了复高斯矩阵二次型最大特征值统计特性的一阶近似，利用一阶近似的结果分析了MIMOMRC系统在高信噪比下的符号差错率和中断概率，证明了在高信噪比区域，随着空间相关性的增加，系统的符号差错率会随之增加，且在较低中断概率水平下，中断概率随空间相关性增加而提高。 利用矩阵变量的超几何函数，矩阵变量的雅可比变换和矩阵变量分布的性质，推导出非中心复Wishart矩阵的有序特征值的累积分布函数和概率密度函数，由此分析了莱斯平衰落下多信道波束成形MIMO系统的符号差错性能和中断概率，推导出系统的分集度、阵列增益以及中断概率具体表达式。理论结果表明：多信道波束成形MIMO系统的符号差错概率由对应于最小信道奇异值的子信道决定，并发现在低中断概率水平区域下，MIMO MR，C系统的中断概率与Ricean K因子成反比。 利用非中心复Wishart矩阵的无序特征值的概率密度分布函数，推导出MIMO SVD系统平均比特差错概率和中断概率的准确闭式解。理论结果表明：当MIMO SVD系统存在信道估计误差与信道状态信息反馈时延，比特差错概率和中断概率随之增加而加大，系统的分集度为零，并从理论上证明了MIMO SVD系统在高信噪比条件下存在着与信道估计误差和信道状态信息反馈延迟相关，且与Ricean K因子无关的差错平底。由此揭示了非理想信道状态信息对MIMO SVD系统的差错概率的影响。 最后，论文从信道容量的分析结论出发，以最大化信道容量上界为目标，首次提出在统一框架下利用部分信道状态信息实现信道环境自适应MIMO无线传输，采用流控制、虚空跳转、在线容量估计与比特分配等关键技术，形成完整的技术方案。这一方案已经在现场试验中得到验证。在空间相关瑞利衰落信道下，推导了基于MIMO系统的互信息和差错性能的上界和下界，利用Minkowski不等式和Weyl定理，以最大化互信息下界和最大化最小接收信噪比为目标，得到了三种基于部分信道状态信息的统计天线选择方法。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明及英文缩略语表与图表目录

声明

第一章绪论

1.1无线MIMO系统的信道容量与传输技术

1.1.1无线MIMO系统的信道容量

1.1.2无线MIMO传输技术

1.2研究历史与现状

1.3论文的研究工作

第二章相关莱斯衰落MIMO信道的遍历容量

2.1引言

2.2信道模型与遍历容量

2.3 巴特莱特分解

2.4平衰落信道的遍历容量新上界

2.4.1空间不相关信道

2.4.2空间相关信道

2.5平衰落信道的遍历容量新下界

2.5.1空间不相关信道

2.5.2空间相关信道

2.6频率选择性信道的遍历容量

2.7仿真结果

2.8本章小结

第三章相关瑞利衰落下MIMOMRC系统的分析

3.1引言

3.2系统模型

3.3复高斯矩阵二次型的最大特征值分布

3.4 MIMO MRC系统的SER和中断概率分析

3.5仿真结果

3.6本章小结

第四章莱斯衰落下的MBMIMO系统的分析

4.1 引言

4.2系统模型

4.3非中心复Wishart矩阵特征根的统计特性

4.3.1有序特征根概率分布的闭式表达式

4.3.2有序特征根概率分布的近似表达式

4.4 MB MIMO系统SER与中断概率的分析

4.4.1 SER的分析

4.4.2中断概率的分析

4.5仿真结果

4.6本章小结

第五章存在信道估计误差和反馈延迟的MIMOSVD系统研究

5.1引言

5.2系统模型

5.3 SINR的统计特性

5.4 BER性能分析

5.5中断概率的分析

5.6性能评价与仿真结果

5.6.1性能评价

5.6.2仿真结果

5.7本章小结

第六章基于部分信道信息的自适应MIMO传输技术

6.1引言

6.2环境自适应的MIMO传输方案

6.2.1基于特征模式的环境自适应MIMO传输理论

6.2.2环境自适应MIMO传输的具体实现技术

6.2.3反馈信道设计

6.2.4仿真与测试

6.3基于统计信息的天线选择方法

6.3.1基于SCK的天线选择方法

6.3.2仿真结果

6.4本章小结

第七章总结与展望

7.1全文总结及主要贡献

7.2进一步研究的方向

参考文献

作者博士生期间发表与投递的论文

致谢