单用户MIMO通信系统中的预编码技术研究

摘要

为迎接无线通信系统中不断增长的高数据率需求的挑战,一个重要的努力是使用多天线通信系统。即在衰落环境中,通过在发射端和接收端都使用多个天线(MIMO),来提高无线链路的可靠性和传输数据率。 目前已经证明在发射端和接收端都完全已知信道状态信息的情况下,MIMO系统的容量与发射端和接收端天线数目的最小值成正比。但是,当发射端不能完全已知信道状态信息时,系统的容量会受到影响。在实际的传输系统中,由于信道的快速变化、传输时延或信道估计误差等多种因素的影响,发射端很难得到完整的信道状态信息。这时可以通过反馈的信道统计信息(如均值、协方差信息)来优化发射策略。 预编码技术(precoding)是利用信道的状态信息(CSI),在发射端调整发射策略,接收端进行均衡,从而提高MIMO系统的性能,是当前MIMO技术研究的一个热点。 本文主要研究单用户情况下,系统在发射端完全已知信道状态信息或具有部分信道状态信息(统计信息)时,如何利用预编码来优化系统性能。 首先介绍MIMO技术的应用背景和意义,以及MIMO技术的研究现状。 接着介绍无线信道的特点,其中包括移动无线信道的特性、几种常见的接收信号的包络分布,这些特点是MIMO技术研究的基础。 在第三章中,我们根据发射端可以获得的信道信息的不同,以及空间相关性等因素的影响,研究了单用户MIMO通信系统的信道容量。 接着我们研究了发射端完全已知信道状态信息时的最优编解码方案,这种情况下得到的性能是最优的,将作为其它预编码方案的性能结果的一个参考基准。主要是利用凸优化的知识研究系统性能的代价函数,从而能够在一个统一的框架下研究在总功率受限和峰值功率受限两种情况下,最优预编码和均衡方案。并给出各种代价函数设计的收发器性能比较的仿真结果同时,本文研究了更实际的情况,即由于接收端到发射端的反馈链路的容量限制,发射端只能获得信道的部分状态信息(CSI)时的预编码。首先引入净数据率的概念,来研究反馈开销和性能增益之间的平衡关系。本文根据扁平衰落瑞利信道的特点,将这种信道情况下的预编码码本设计归结为格拉斯曼流形中的封装问题。从而利用格拉斯曼线性封装和格拉斯曼子空间封装的研究成果,来简化预编码的码本设计。仿真结果表明,利用格拉斯曼波束形成,在较小的反馈量下,可以取得比较理想的性能。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略词表、主要数学符号列表、图目录

声明

第一章 绪论

1.1多天线信道：希望和挑战

1.2 MIMO研究现状

1.3 3GPP中的MIMO研究情况

1.3.1 3GPP中关于MIMO的一般要求

1.3.2发射分集方案

1.3.3使用预编码的空间复用方案

1.4本论文的主要研究内容

第二章 无线信道模型

2.1无线信道特性

2.1.1信道衰落

2.1.2多径时延扩展和相干带宽

2.1.3多谱勒扩展和相干时间

2.2接收信号包络分布

2.2.1 Rayleigh分布

2.2.2 Ricean分布

2.3分集和复用

2.4本章小结

第三章 MIMO信道容量分析

3.1引言

3.2 MIMO信道和系统假设

3.2.1 信号模型

3.2.2空间相关性

3.2.3信道状态信息模型

3.2.4发射限制

3.3非相关衰落时单用户MIMO信道的容量

3.3.1理想的CSIR和理想的CSIT

3.3.2理想的CSIR和没有任何CSIT时的信道容量

3.3.3理想的CSIR和CMIT时的容量

3.4相关衰落时单用户MIMO容量

3.4.1理想的CSIR和CSIT

3.4.2理想的CSIR和部分统计的CCIT时的信道容量

3.4.3理想的CSIR而无任何CSIT时的容量

3.5本章小结

第四章 发射端完全已知信道状态信息时的预编码方案

4.1介绍

4.2信号模型

4.2.1通用MIMO信号模型

4.2.2带线性收发器的MIMO信号模型

4.2.3性能指标

4.3线性MIMO收发器

4.3.1 一般问题

4.3.2最优线性接收器

4.3.3最优线性发射器

4.3.4实际的线性MIMO收发器

4.4仿真结果

4.5本章小结

第五章 具有部分cSIT时的预编码方案

5.1介绍

5.2性能和反馈开销折衷的量度：净速率

5.2.1 MIMO系统

5.3格拉斯曼有限反馈酉预编码

5.3.1介绍

5.3.2格拉斯曼线性封装

5.3.3格拉斯曼子空间封装

5.3.4格拉斯曼有限反馈波束形成

5.3.5数值性能

5.4本章小结

第六章 结论与展望

6.1全文总结

6.2未来工作展望

致谢

参考文献

个人简历

攻读硕士学位期间的研究成果