空间相关多输入多输出系统的空时信号处理技术研究

摘要

多输入多输出(MIMO)技术是高速无线通信领域内的一个重要进步,与传统的单输入单输出(SISO)系统相比,MIMO最显著的优点是能够提供极大的系统容量,且该系统容量会随着收发天线数目的增多而线性增加.然而已有的研究成果也显示,MIMO系统对信道空间特性较为敏感.当传输环境中散射物不充分,或者收发天线阵元间距较小时,MIMO信道会呈现空间相关衰落特性.随着信道空间相关性的增强,MIMO系统的性能会出现越来越明显的退化.这种对空间相关衰落的敏感性,使得MIMO系统的应用场合受到了较多的限制,难以直接应用于小型终端.为了推进MIMO系统从实验室走向真正意义上的商用,MIMO系统在空间相关衰落信道条件下的性能分析与系统设计是研究人员不能回避的一个重要挑战. 目前,国际上针对空间相关MIMO系统的研究已经开展了一段时间,从空间相关衰落条件下的MIMO信道建模、容量分析等基础研究领域,到相关条件下的发射端空时编码设计、接收端信号检测算法和发射接收机的联合优化等领域开始陆续有一些研究成果发表. 本文的主要目的是在国内外已有的研究基础上,进一步深入开展空间相关衰落环境下的MIMO系统空时信号处理算法的研究,降低MIMO系统对信道空间相关衰落的敏感性,推进MIMO系统的实用化研究的介绍. 本文内容分为四个主要部分.第一部分是对MIMO系统的基本特征描述以及关于目前该领域内最有价值的几个研究方向. 第二部分主要研究了开环条件下,空间相关MIMO系统中的软信息迭代信号处理技术.针对空间相关信道的特点,我们在标准Turbo-BLAST的基础上,提出了一种改进的多环迭代BLAST 接收机结构.通过在接收机的内解码器增加一个本地软信息迭代环路来提供更准确的迭代初始参量,改善 Furbo-BLAST 在空间相关环境中的性能.在本文的第三部分,我们主要研究了空间相关环境,闭环条件下的MIMO收发信机联合优化问题.以目前最主流的MASE AM MIMO系统为参照,我们提出了一种适用于MIMO系统的新的自适应调制准则:最小化发射功率(MTP)准则.这种MTP准则以用户或网络上层所需的OoS指标为目标进行收发信机联合优化,使MIMO系统以最小的发射功率保证所需要的传输速率和质量.我们首先针对窄带信道环境中,在完美信道信息(P-CSI)假设下,提出了多种具有不同特点的MTP优化算法:然后,建立了非完美信道信息(I.CSI)模型,分析了信道信息误差对MTP AM MIMO的影响,并在此基础上设计了针对I.CSl假设的鲁棒性MTP自适应调制算法,分析了其运算复杂度和在空间相关环境中的性能. 为了更进一步的推广MTP准则在MIMO系统中的应用,我们在窄带MTPAM MIMO的基础上,根据宽带频率选择性MIMO信道的特点,将MIMO与OFDM技术相结合,建立了P-CSI和I-CSI条件下,MIMO.OFDM系统的空频域子信道等效模型.并在该模型的基础上,将MTP准则应用于MIMO-OFDM系统,提出了适用于宽带频率选择性信道的MTPAM MIMO-OFDM算法. 由于在闭环系统中,信道信息的精确程度对.MIMO系统的性能有至关重要的影响,在本文的第四部分中,我们研究了MIMO-OFDM系统中的非盲信道估计技术.并提出了一种适用于MIMO-MC-CDMA系统下行链路的信道估计算法.这种算法具有双层导频结构,并在正交码域进行信道估计.仿真显示,这种估计方案能够较好地工作于空间相关的高速移动环境中.这种双层码域信道估计方案是本文为了提高MIMO系统在复杂环境下信道估计精度的一次尝试.

目录

文摘

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英文缩略词表

第1章绪论

1.1多输入多输出(MIMO)系统

1.1.1 MIMO技术的基本概念

1.1.2 MIMO在无线通信系统中的应用及面临的主要课题

1.2本文的主要研究内容

1.3全文结构安排

第2章MIMO系统的研究现状

2.1空间相关MIMO信道建模

2.1.1抽象的典型传输环境

2.1.2基于空间相关特性的平衰落MIMO信道建模

2.1.3基于子径的多径MIMO信道建模

2.2 MIMO系统的容量分析

2.3 MIMO领域的主要研究方向

2.4本章小结

第3章空间相关环境中的开环软信息迭代接收

3.1 Turbo-BLAST发射机

3.2 Turbo-BLAST接收机

3.2.1迭代的解码算法

3.2.2最小均方误差准则下的信号检测

3.3空间相关信道中多环迭代Turbo-BLAST接收机

3.4本章小结

第4章闭环条件下的收发端联合优化：自适应调制MIMO系统

4.1自适应调制MIMO算法的分类

4.2 MASE准则的数学描述

4.2.1窄带MIMO信道的奇异值子信道分割

4.2.2 MASE AM MIMO的数学模型

4.3 P-CSI假设下MASE问题的求解

4.3.1全自由度的瞬时频谱效率最大化

4.3.2子信道的等误比特率假设

4.4子信道调制阶数的离散化

4.5空间相关性对ASE最大化自适应调制的影响

4.6本章小结

第5章以用户需求为目标的联合优化：MTP AM MIMO系统

5.1.1 MTP自适应调制准则

5.2 P-CSI假设下MTP自适应调制MIMO的实现

5.2.1 MTP自适应调制MIMO的系统模型

5.2.2离散可行域上的直接寻优算法

5.2.3连续可行域上MTP问题的闭式解

5.2.4 MTP问题理论闭式解的离散化

5.3 I-CSI假设下MTP自适应调制MIMO的实现

5.3.1窄带平坦衰落信道信息误差建模及其影响

5.3.2鲁棒性的MTP AM MIMO算法

5.3.3鲁棒性算法的复杂度分析

5.4 MTP AM MIMO在空间相关环境中的性能

5.5本章小结

第6章宽带频选MIMO信道中的MTP自适应调制算法

6.1 OFDM与MIMO-OFDM

6.1.1正交频分复用(OFDM)

6.1.2 MIMO-OFDM及其关键问题

6.1.3 MIMO-OFDM原理模型

6.2 MIMO-OFDM系统中的自适应调制

6.2.1 MIMO-OFDM的频域等效子信道模型

6.2.2 MIMO-OFDM中的最小化发射功率自适应调制

6.2.3鲁棒性的自适应调制MIMO-OFDM系统

6.3本章小结

第7章信道状态信息的获取：MIMO-OFDM系统中的信道非盲估计

7.1基本的非盲信道估计算法

7.2高速移动环境下的码域信道估计算法

7.2.1导频信号安插模型

7.2.2码域信道估计算法

7.2.3性能仿真与分析

7.3本章小结

第8章总结与展望

8.1本文工作总结

8.2后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间录用和发表的论文及研究成果