现代移动通信系统中智能天线和空时编码技术的研究

摘要

在现代移动通信中，无线信道的衰落效应严重制约了通信系统的性能，因此如何克服信道衰落效应，提高系统频谱利用率和数据速率是个非常重要的研究问题。近年来，多天线技术由于抑制干扰能力强、支持高速率和高频谱效率，以及有效提高系统容量等优点已受到越来越多的关注。本文主要研究多天线技术在现代移动通信中的应用，其内容主要包括智能天线技术和空时编码技术两个方面。 论文共分七章，第一章给出了论文的研究背景和意义、多天线技术的研究现状以及本论文的主要研究工作。 第二章在介绍移动通信中的信道特性、MIMO信道模型和信道容量的基础上，给出了智能天线技术、接收分集技术、空时编码技术以及空间复用技术的原理性说明和相关的理论基础知识。 论文第三章首先针对CDMA系统在时分双工模式下，提出一种简单有效的前向波束成形算法，该算法以最大化期望用户的接收信号功率为准则，通过求期望用户的空间相关矩阵的最大特征值所对应的特征向量，就可以获得相应的波束成形加权矢量。该波束成形算法具有算法简单，低的实现复杂度以及高的可靠性；非常适用于移动环境下的CDMA系统。考虑到上述算法不适用于频分双工模式，故我们在频分双工下又给出了二种前向波束成形算法；一种是采用短时平均信道衰落幅度反馈的波束成形算法，该算法通过移动端反馈短时平均信道衰落幅度给基站，然后使用反向信道相关矩阵估计来波方向，并计算相应的前向链路阵列方向矢量，再由获得的信道衰落信息和方向矢量来计算前向信道相关矩阵，以此获得前向波束成形加权矢量。另一种是基于即时信道衰落幅度反馈的线性预测方法的波束成形算法，该算法通过移动端的Rake接收机，反馈每一径的即时衰落幅度；然后借助于反向信道相关矩阵来估计来波方向，这样就可求得期望信号的相关矩阵，并计算相应的最大特征值所对应的特征向量，以此获得波束成形加权矢量。当信道变化较慢时，采用算法一就可以获得较好的性能，虽算法二的应用会有所改善，但不明显，且会带来计算量和复杂度的显著提高。但当信道变化较快时，算法二的应用会使系统性能有着明显的提高。 论文第四章针对CDMA系统反向链路，提出了一种基于码滤波方法的自适应波束成形算法，该算法可把先求信道矢量再求逆矩阵的两步问题直接转化为求干扰加噪声的协方差矩阵与解扩后阵列协方差矩阵组成的矩阵束的最大广义特征值对应特征向量的一步问题，从而简化了算法程序。而且，它借助于辅助的扩频序列，通过解扩后数据来计算干扰加噪声的协方差矩阵，在符号级做自适应波束成形，所以可使计算量大大减低，有效地克服了通常码滤波方法运算复杂度过高问题。仿真结果表明所提算法的误比特性能和通常码滤波方法相近，但优于传统的导频辅助法。具有计算量小、不需要训练序列和参考信号、算法简单等优点。 第五章针对通常空时分组码在频率选择性衰落下其正交性易被多径干扰所破坏，其译码不能由简单的最大比合并(MRC)方法来实现，提出了两种在频率选择性信道下空时分组码的译码方案，一种是基于迭代干扰抵消的最大似然译码方案；另一种是基于迭代干扰抵消的联合MRC和最大似然序列估计(MLSE)的译码方案，这些方案不仅能抵消正交性没有破坏的在偶次项上的多径干扰，还能抵消正交性受到破坏的在奇次项上的多径干扰；有着非常好的性能。与直接对长序列信号进行MLSE译码相比，具有非常低的译码复杂度。从而实现了以低复杂度获得较好的译码性能，这从多径衰落信道下的仿真结果也得到了很好的证实。 论文第六章提出了两种满速率、低复杂度和复正交设计的多天线空时分组编码方案。一种是在时分双工模式下基于最大信道增益发送的多天线空时分组码：另一种是基于循环发送分集的多天线空时分组码。与满分集低速率空时分组码相比，这两种方案虽由于部分分集度而带来性能损失，但它们由于特殊的编码方案和结构，使其含有较多的空间冗余信息，从而级联信道编码(Turbo 码)后其性能要明显好于其它满分集码；特别是前一种方案由于其最大化利用两个信道增益，避免了深衰落的影响，有时即使不级联信道编码，其性能也好于相应的满分集空时码，所有这些在仿真中也得到了较好的证实。在相同的系统吞吐量下，这两种方案仅需要低阶的调制方式，而且对于一个符号检测时所需的计算复杂度也明显低于那些满分集空时分组码。 在第七章对全文进行了总结，并给出了一些可以进一步研究的问题。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

§1.1论文的研究背景和意义

§1.2多天线技术的发展概况及研究动态

§1.3本论文的主要工作

第二章移动通信的信道特性及多天线技术的基本理论

§2.1移动通信信道的基本特性和模型

§2.1.1移动通信信道的基本特性

§2.1.2多径衰落信道的物理特性

§2.1.3频率选择性衰落信道的抽头延时线模型

§2.1.4瑞利衰落信道中的Jakes模型

§2.1.5瑞利衰落信道中的简化模型

§2.2 MIMO信道模型及容量

§2.3智能天线技术

§2.3.1波束成形基本原理及常用算法

§2.3.2通常DOA估计算法

§2.4空间分集技术

§2.4.1接收分集技术

§2.4.2发射分集技术

§2.5空间复用技术

§2.6本章小结

第三章智能天线系统中前向链路波束成形算法的研究

§3.1引言

§3.2 CDMA/TDD系统前向链路波束成形算法

§3.2.1系统的前向链路信号传输模型

§3.2.2基于反向链路参数的前向链路波束成形

§3.2.3前向链路的数据检测

§3.3 FDD模式下的前向链路波束成形算法

§3.3.1系统模型和通常波束成形方法

§3.3.2采用短时平均信道衰落幅度反馈的波束成形算法

§3.3.3采用即时信道衰落幅度反馈线性预测的波束成形算法

§3.4仿真结果与数值分析

§3.5本章小结

第四章基于码滤波方法的反向链路自适应波束成形算法

§4.1前言

§4.2码滤波法回顾

§4.3二维Rake接收机结构及性能分析

§4.4采用导频辅助的通常波束成形方法

§4.5基于码滤波法的波束成形算法及其自适应实现

§4.5.1算法描述

§4.5.2自适应波束成形算法

§4.6仿真结果及分析

§4.7本章小结

§4.8本章附录

第五章满分集空时分组编码及其译码算法研究

§5.1前言

§5.2满分集空时分组码及最大比合并译码

§5.2.1两天线空时分组码的译码方案

§5.2.2多天线空时分组码的译码方案

§5.3频率选择性衰落下空时分组码的译码方案

§5.3.1接收信号模型及存在的译码问题

§5.3.2基于迭代干扰抵消的空时分组码MLSE译码方案

§5.3.3联合最大比合并和最大似然估计的空时分组码译码方案

§5.3.4复杂度比较

§5.4数值和仿真结果

§5.5本章小结

第六章满速率和低复杂度的多天线空时分组编码研究

§6.1引言

§6.2满分集空时分组码的简单回顾

§6.3满速率三天线空时分组码

§6.3.1编码方案

§6.3.2性能分析

§6.4满速率四天线空时分组码

§6.4.1编码方案及性能分析

§6.4.2复杂度比较

§6.5仿真结果及分析

§6.6本章小结

第七章全文总结

§7.1论文工作总结

§7.2可以进一步研究的问题

作者攻读博士期间发表的文章、发明专利

参考文献

致谢