基于基站验证平台的MIMO-OFDM波束成形设计与实现

摘要

现今，由于具有提升传输速率及分集增益的潜力，多输入多输出正交频分复用(MIMO-OFDM,multi-input multi-output orthogonal frequency division multiplex)技术已成为无线通信领域的关键技术，并被广泛应用于当前的通信系统和设备中。在实际的无线通信环境中，信道间干扰，反射，散射，多普勒效应等因素降低了通信的质量。针对这一情况，人们提出了波束成形(Beamforming)技术。该技术通过利用信道信息(CSI，channel state information)，对发射信号进行处理，从而提高通信系统的通信质量和传输的稳定性。传统的波束成形技术要求接收端反馈完整的信道信息给发射端，这将带来很大的反馈数据量需求。然而，在实际的通信系统中，由于上行带宽的限制等问题，接收端反馈数据的传输速率较低，因此完整的信道信息很难获得。如果能够降低对反馈数据量的要求，将更有利于波束成形技术在实际中的应用。
　　针对这一情况，本文提出一种基于有限信道信息的波束成形算法。并且，基于Nutaq基站验证平台，我们在MIMO-OFDM系统中建立了信道信息反馈和波束成形机制，并以此实现了我们的算法。最后，我们在实际通信环境下对算法性能进行实验与验证。本文的主要内容包括以下几个方面：
　　第一，利用K均值聚类算法和传统的波束成形技术，提出了一种使用有限信道信息的波束成形算法。同传统的波束成形技术不同，该算法仅要求接收端返回若干比特的信道码本编号，从而大大降低了对反馈数据量的要求。并且我们将数据挖掘领域的聚类算法应用于反馈码本设计之中，从而区别于现有的基于有限反馈波束成形算法中反馈码本生成的模式。
　　第二，利用simulink环境，我们在Nutaq公司出品的基站验证平台和相应的MIMO-OFDM通信模型上建立了信道反馈和波束成形机制，并以此实现基于有限信道信息的波束成形算法。在工程实现中，我们解决了现有通信模型的结构带来的困难，成功地将算法嵌入到模型中，并在实际环境下运行。
　　最后，我们在实际环境中对该算法进行验证和主客观评价。试验结果表明，我们的算法能有效提高MIMO-OFDM模型的通信性能。与传统的波束成形相比，我们的算法不仅能显著降低对反馈数据量的要求，而且更易于工程实现。在实验及评价手段上，传统的计算机仿真相比，我们的试验更逼近实际的通信场景，从而具有更强的说服力。

目录

声明

缩略语表

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2研究现状分析

1.3论文主要工作

1.4论文组织结构

1.5文中数学符号说明

第二章 Nutaq基站验证平台及MIMO-OFDM视频传输模型

2.1引言

2.2μSDR420基站验证平台

2.3 MIMO-OFDM技术

2.4 MIMO-OFDM视频传输模型框架

2.5本章小结

第三章 典型的波束成形算法

3.1引言

3.2基于理想反馈的波束成形

3.3基于有限反馈的波束成形

3.4本章小结

第四章 聚类分析算法简介

4.1引言

4.2划分方法

4.3层次方法

4.4本章小结

第五章 基于有限CSI的波束成形算法及其系统设计

5.1引言

5.2基于有限CSI的波束成形算法

5.3基于基站验证平台的算法设计实现

5.4本章小结

第六章 实验结果及分析

6.1模块验证

6.2实验结果及分析

6.3本章小结

第七章 结语与展望

第八章 附录

参考文献

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文