MIMO无线通信中的空间分集及相关技术研究

摘要

研究表明,多输入多输出(Multiple Input-Multiple Output,MIMO)系统能充分利用空间资源,在不增加系统带宽和天线总发射功率的情况下,可有效对抗无线信道的衰落,从而提高系统性能。针对MIMO系统中的空间分集技术,本论文主要研究了最大比合并(Maximal Ratio Combining,MRC)/MIMO-MRC系统性能、实现方案及与之相关的信道估计技术。
　　 首先,本文研究了Rayleigh衰落同信道干扰(Co-channel Interferers,CCIs)下MRC系统的性能。假设期望用户服从Rayleigh、Nakagami-m或Rician衰落,建立了非完美信道估计(Imperfect Channel Estimation,ICE)下的MRC系统模型,导出了系统输出信干噪比(Signal to Interference and Noise Ratio,SINR)的累积分布函数(Cumulative Distributed Function,CDF)和系统误符号率(Symbol ErrorRate,SER)的解析表达式。此外,将上述结果扩展到相应的MIMO-MRC系统,求得SER的上下界。利用这些解析的结果可以方便地分析系统性能,而不必执行复杂的广义积分或耗时的计算机仿真,从而为空间分集系统的设计提供重要的理论依据。
　　 其次,本文研究了非Rayleigh衰落CCIs下MIMO-MRC系统的性能。令期望用户服从Rayleigh衰落,通过对已有的分析MIMO-MRC系统性能的方法作改进,提出修正的SINR的定义并结合数值计算的结果得到了ICE下系统SER的解析形式的近似表达式。
　　 再次,本文在分析发射相关Rayleigh信道下MIMO-MRC系统性能的基础上,对低Rician因子信道下发射相关MIMO-MRC系统的中断容量、平均输出信噪比和SER作了近似分析,并得到了易于计算的封闭表达式。与此同时,还研究了发射相关Nakagami-m锁孔信道下的MIMO-MRC系统信噪比的概率密度函数(Probability Density Function,PDF),并求得系统平均信噪比的封闭表达式。另一方面,研究了Rayleigh信道中任意功率分布的CCIs对发射相关MIMO-MRC系统性能的影响,并得到了输出SINR的CDF及系统SER的封闭表达式。
　　 此外,本文还研究了频率选择性信道中的MIMO波束形成系统,提出考虑发射端互耦和空间相关性的基于最大比发射(Maximal Ratio Transmit,MRT)-最大比合并准则的迭代MIMO波束形成算法,并将其应用于频率选择性的上行链路信道。为降低系统复杂性,还提出了基于Gerchberg-Saxton(G-S)投影框架的迭代等增益发射(Equal Gain Transmit,EGT)-最大比合并方案。与MRT-MRC方案相比,这种算法在获得更高性能的同时具有较低的反馈负荷和硬件复杂性。与采用穷举搜索策略的EGT-MRC方案相比,此方法的计算量也大为降低。与此同时,文中还提出了MIMO最优合并(Optimal Combining,OC)算法以抑制同信道干扰,并针对平坦衰落信道和频率选择性信道分别构建了交替迭代框架。
　　 最后,本文研究了时变频率选择性MIMO无线信道的参数化估计问题。针对缓时变频率选择性MIMO无线信道的谐波拟合模型,提出了基于向量序列谐波恢复和非线性约束最小二乘法(Least Square,LS)的非盲信道估计方法。与基于chirp训练信号的估计方法相比,此方法中采用的训练信号较易获得,并且在相同信噪比条件下具有更好的估计性能。

目录

文摘

英文文摘

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答辩决议书

缩略语表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 多天线无线通信的研究热点

1.3 MRC/MIMO-MRC及时频双选择信道估计的研究现状

1.3.1 MRC系统性能分析

1.3.2 MIMO-MRC系统性能分析

1.3.3 频率选择性信道中的MIMO波束形成系统

1.3.4 时频双选择信道估计

1.4 本文的主要工作及章节安排

1.4.1 本文的创新点

1.4.2 章节安排

参考文献

第二章 分集技术

2.1 分集的基本原理及分类

2.1.1 基本原理

2.1.2 分类

2.2 MIMO系统与空间分集

2.2.1 MIMO技术

2.2.2 接收分集

2.2.3 发射分集

2.3 MIMO最大比发射最大比合并

2.4 本章小结

参考文献

第三章 同信道干扰下MRC系统性能分析

3.1 引言

3.2 系统模型

3.3 ICE下MRC系统性能:Rayleigh期望信号

3.3.1 信道估计

3.3.2 系统输出SINR的CDF

3.3.3 系统误符号率

3.4.ICE下MRC系统性能:Nakagami-m期望信号

3.4.1 信道估计

3.4.2 系统输出SINR的CDF

3.4.3 系统SER

3.4.4 仿真结果及讨论

3.5 ICE下MRC系统性能:Rician期望信号

3.5.1 信道估计

3.5.2 系统输出SINR的CDF

3.5.3 系统SER

3.5.4 仿真结果及讨论

3.6 完美CE下MIMO-MRC系统性能界:非Rayleigh期望信号

3.6.1 系统性能界

3.6.2 仿真结果及讨论

3.7 本章小结

参考文献

第四章 同信道干扰下MIMO-MRC系统性能分析

4.1 引言

4.2 系统模型

4.3 相关的随机变量的分布

4.3.1 λmax的分布

4.3.2 Rayleigh干扰下x的分布

4.3.3 Nakagami-m干扰下X的分布

4.3.4 Rician干扰下X的分布

4.4 输出SINR的CDF

4.4.1 无干扰

4.4.2 Rayleigh衰落干扰

4.4.3 Nakagami-m衰落干扰

4.4.4 Rician衰落干扰

4.5 系统SER

4.5.1 无干扰

4.5.2 Rayleigh干扰

4.5.3 Nakagami-m干扰

4.5.4 Rician干扰

4.6 仿真结果及讨论

4.6.1 ICE下MIMO-MRC系统的性能:Nakagami-m干扰

4.6.2 ICE下MIMO-MRC系统的性能:Rician干扰

4.7 本章小结

参考文献

第五章 发射相关MIMO-MRC系统性能分析

5.1 引言

5.2 系统模型

5.2.1 无CCIs的情况

5.2.2 含有CCIs的情况

5.3 Rayleigh信道下发射相关MIMO-MRC系统性能分析

5.3.1 输出信噪比的CDF和PDF

5.3.2 平均输出信噪比

5.3.3 误符号率

5.4 Rician信道下发射相关MIMO-MRC系统性能的近似分析

5.4.1 输出信噪比的CDF和PDF

5.4.2 平均输出信噪比

5.4.3 误符号率

5.4.4 仿真结果及讨论

5.5 Nakagami-m锁孔信道下发射相关MIMO-MRC系统性能分析

5.5.1 平均输出信噪比

5.5.2 仿真结果及讨论

5.6 同信道干扰下发射相关MIMO-MRC系统性能分析

5.6.1 输出SINR的CDF及平均SER

5.6.2 仿真结果及讨论

5.7 本章小结

参考文献

第六章 频率选择性信道中的MIMO波束形成

6.1 引言

6.2 空间不相关频率选择性信道中的MIMO波束形成

6.2.1 空间处理方案

6.2.2 空时处理方案

6.3 空间相关频率选择性信道中的MIMO波束形成

6.3.1 系统模型

6.3.2 迭代MRT-MRC波束形成算法

6.3.3 迭代EGT-MRC波束形成算法

6.3.4 仿真结果及讨论

6.4 同信道干扰下的MIMO-OC方案

6.4.1 系统模型

6.4.2 MIMO-OC方案

6.4.3 讨论

6.4.4 仿真结果及讨论

6.5 本章小结

参考文献

第七章 时变频率选择性信道估计

7.1 引言

7.2 缓时变频率选择性MIMO无线信道的估计

7.2.1 缓时变频率选择性信道的谐波拟合模型

7.2.2 基于chirp训练信号的信道估计

7.2.3 基于全1训练信号的信道估计

7.2.4 仿真结果及讨论

7.3 快时变频率选择性MIMO无线信道的估计

7.3.1 基于一阶统计量的方法

7.3.2 基于块传输模式的方法

7.4 本章小结

参考文献

第八章 总结与展望

8.1 全文总结

8.2 研究展望

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

致谢