相关信道下分集复用折衷的研究

摘要

随着信息化社会的到来，新一代移动通信系统对信息传输速率和服务质量提出了更高的要求。多输入多输出(MIMO)系统能在不增加发射功率和信号带宽的条件下，充分利用空间资源，成倍增加信道容量和频谱利用率，因而受到广泛的关注。研究表明，MIMO系统可以同时提供分集增益与复用增益，从而保证通信的可靠性，提高了数据的传输速率。分集增益与复用增益之间存在着定量的折衷关系，这种折衷关系反映了MIMO系统空间资源的利用情况，是MIMO系统下编码方案可以获得的性能上限。 本文从MIMO系统的信道模型出发，从信息论的角度分析了独立同分布MIMO系统的信道容量，显示出MIMO系统的性能优势。在此基础上，指出MIMO系统提供的分集增益和复用增益，探讨了独立同分布的信道条件下分集增益与复用增益的折衷关系。尽管独立同分布信道是理想的信道模型，其信道矩阵具有许多重要特征，但在实际传播环境中，由于散射体分布及天线特性的不理想，MIMO系统不可避免的存在空间相关性。本文综合考虑了天线距离、角度扩展和平均到达角等因素对空间相关性的影响，推导出相关系数的表达形式，并且得到各种到达波角度谱下空间相关系数的解析表达式。进而，给出相关信道模型及相关信道容量，通过理论推导和分析考察空间相关性对MIMO系统信道容量的影响。 在相关信道模型的基础上，通过研究相关信道矩阵的特征值分布，给出相关MIMO系统中分集增益与复用复用的折衷关系。研究表明，相关信道下的折衷性能差于独立同分布信道下的性能。较强的空间相关性将导致相关矩阵降秩，减小了MIMO系统的空间自由度，其折衷性能进一步下降。相关信道下的折衷关系从提供分集和复用增益的角度反映出相关MIMO系统的性能，为系统的设计和评价提供了依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1MIMO无线通信系统概述

1.1.1MIMO系统的产生背景

1.1.2MIMO系统的原理及优势

1.1.3MIMO系统的信道相关性

1.1.4MIMO系统的分集与复用

1.2研究分集复用折衷的意义

1.3本文的主要工作及内容安排

2独立同分布MIMO信道的分集复用折衷

2.1独立同分布MIMO信道

2.1.1信道模型

2.1.2信道容量

2.1.3仿真结果与性能分析

2.2MIMO系统的分集增益与复用增益

2.2.1概述

2.2.2分集增益和复用增益及其意义

2.3MIMO信道的分集复用折衷性能

2.3.1最优折衷关系的表示

2.3.2对信道中断的讨论

2.3.3最优折衷关系的证明

2.4对Alamouti方案的评价

2.5本章小结

3MIMO信道空间相关性的分析

3.1相关系数

3.1.1空间相关性产生的原因

3.1.2相关系数及其推导

3.1.3各种角度谱下的相关系数

3.2影响相关系数的因素

3.2.1角度扩展和天线距离对相关系数的影响

3.2.2阵列方位对相关系数的影响

3.3MIMO相关信道模型及容量

3.4本章小结

4相关MIMO信道的分集与复用折衷

4.1相关矩阵对信道的影响

4.2相关MIMO信道的分集复用折衷

4.3结果分析

4.4本章小结

结论

参考文献

附录A高斯变量包络平方的分布

附录B定理3的证明

附录C式(2.44)的证明

附录D式(2.54)的证明

附录E循环对称复高斯变量

附录F 等功率分配达到信道容量

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢