空间调制映射与星座图的研究与设计

摘要

空间调制是一种新型的多天线调制技术，它采用单射频链路即可实现低复杂度、高能效的信息传输，是非常具有应用前景的多天线传输技术之一。作为一种调制技术，如何提升其设计灵活性、实用性和传输可靠性是其研究重点之一。围绕该科研问题，本博士论文从比特符号映射和三维星座图的设计入手，开展了如下创新性工作:
　　1.提出了三维联合映射空间调制的概念，解决了传统空间调制的发射天线数目约束问题，提高了设计灵活性和实用性。针对如何基于给定信号调制星座图实现三维星座图的最优设计问题，提出了一种针对每根激活天线分开选取最优子星座图来构造三维星座图的方法，并证明了在M-PSK作为信号调制时该设计方法的最优性。针对采用其他信号调制的情况，提出了一种低复杂度次优方案，并可轻松扩展到广义空间调制。
　　2.基于创新性工作1的系统模型，进一步研究了空间调制一般化三维星座图设计问题。通过扩大星座符号的选取范围，从有限集合放宽到整个复数域，将一般化三维星座图设计建模成一个混合离散变量和连续变量的优化问题，提出了穷举设计算法和递归设计算法来求解该问题，实现了传输可靠性最高（即误符号率最小）的三维星座图设计。
　　3.为进一步挖掘映射设计提高空间调制传输可靠性的潜力，针对简化的空间调制——空移键控系统，基于不同反馈信息提出了4种自适应比特符号映射方案。具体包括:在发射机已知信道状态信息时设计了OBSA映射和低复杂度的POBSA映射;在有限反馈时设计了RBSA映射和低复杂度、低反馈开销的PRBSA映射。理论分析了这4种设计的计算复杂度、反馈开销和性能增益，并都通过蒙特卡洛仿真进行了验证。所提设计在不需要额外的硬件消耗的情况下（例如额外的功率放大器、相位旋转部件和天线单元等）即可带来可观的性能提升。与此同时，它可和其他链路自适应技术相结合提供额外的性能增益。
　　4.针对空移键控自适应映射扩展应用到空间调制存在反馈开销大、计算复杂度高的问题，进一步提出了适合空间调制、尤其更适合采用高进制信号调制星座图的空间调制的低反馈自适应映射设计——蛮力映射。量化分析了蛮力映射带来的性能增益，同时研究了最小反馈码本的设计问题。理论分析和仿真均表明，本文所提出的蛮力映射以少量反馈为代价即可显著提升系统可靠性。
　　综上所述，本博士论文提出了三维联合映射空间调制和相应的三维星座图设计算法，并基于不同反馈信息设计了多种链路自适应映射，低成本低开销地提升了空间调制的设计灵活性和可靠性，使得该传输模式在未来的多天线传输系统中更具应用前景。

目录

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缩略语表

数学符号表

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状和发展趋势

1．3 关键技术概述

1．3．1 空间调制及其误比特率分析

1．3．2 比特符号映射

1．3．3 信号星座图设计

1．3．4 链路自适应技术

1．4 论文主要工作与组织结构

第2章 三维联合映射空间调制及其系统设计

2．1 系统模型

2．2 问题建模

2．3 三维联合映射空间调制系统设计

2．3．1 三维星座图设计

2．3．2 三维联合映射设计

2．3．3 计算复杂度分析

2．3．4 扩展应用研究

2．4 仿真和讨论

2．5 本章小结

第3章 空间调制的一般化三维星座图设计

3．1 系统模型

3．2 问题建模

3．3 一般化三维星座图设计

3．3．1 穷举设计算法

3．3．2 递归设计算法

3．3．3 两个算法的性能

3．4 扩展应用研究

3．4．1 扩展到大规模天线系统上下行传输

3．4．2 扩展到激活多根天线的广义空间调制

3．4．3 扩展到相关信道下的设计

3．5 仿真结果与讨论

3．5．1 与现有二维信号星座图设计的对比

3．5．2 与第2章 中三维星座图设计的对比

3．5．3 扩展到大规模传输场景的性能

3．5．4 扩展到广义空间调制的性能

3．5．5 实际应用中的若干问题探讨

3．6 本章小结

第4章 空移键控自适应映射的研究与设计

4．1 系统模型

4．2 问题建模

4．3 基于理想信道状态信息反馈的自适应映射设计

4．3．1 OBSA映射设计

4．3．2 POBSA映射设计

4．4 基于有限反馈的自适应映射设计

4．4．1 OBSA映射的有限反馈机制设计

4．4．2 RBSA映射设计

4．4．3 PRBSA映射设计

4．5 仿真与讨论

4．5．1 OBSA映射和POBSA映射的性能仿真与分析

4．5．2 RBSA映射和PRBSA映射的性能仿真与分析

4．5．3 与其他链路自适应技术的性能对比与结合

4．5．4 其他系统中的扩展应用

4．6 本章小结

第5章 基于少量反馈的空间调制自适应映射设计

5．1 系统模型

5．2 问题建模

5．3 自适应蛮力映射设计

5．3．1 蛮力映射设计算法

5．3．2 蛮力映射设计的一个实例

5．4 高信噪比时的性能增益分析

5．5 计算复杂度与反馈开销分析

5．5．1 无压缩计算复杂度与反馈开销分析

5．5．2 压缩计算复杂度与反馈开销分析

5．5．3 零计算复杂度与反馈开销分析

5．6 仿真和讨论

5．6．1 蛮力映射的性能

5．6．2 对信道估计误差的鲁棒性验证

5．6．3 与其他链路自适应技术的性能对比与结合

5．7 本章小结

6．1 论文总结

6．2 论文不足与研究展望

附录

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的成果列表