无线通信MIMO和自适应阵列系统的波束形成及性能

摘要

本文围绕提高自适应阵列波束形成算法的性能与复杂度比，结合实际系统的应用研究，以及不完美CSI条件下的MIMO系统发射和接收波束形成的性能分析和鲁棒设计而展开，在回顾已有研究的基础之上，提出新的波束形成技术和算法，或者在原有方法的基础上加以改进，降低算法的计算复杂度和提高性能，以及理论性能分析和鲁棒设计等。分别提出了适用于宽带码分多址(WCDMA)系统的最小化误码率解扩重扩波束形成方法(MBER-DRB)和最大化信干噪比波束形成广义特征值问题(GE)的改进线性广义拉格朗日乘子自适应算法(MSINR-MLGLM)；一种用于正交频分多路复用(OFDM)自适应阵列接收、有更高性能与复杂度比的增强子载波分组波束形成方案(ESCG-BF)；假设接收机信道估计错误、CSI量化误差和反馈延迟的闭环MIMO系统联合发射和接收波束形成系统性能分析和鲁棒设计，以及MBER优化发射功率分配的LambertW函数求解方法。 第2章简单介绍了多天线信道和信号模型，及OFDM传输技术在频率选择性多天线无线通信环境中的应用。并简要介绍了多天线系统优化线性接收，以及MIMO系统应用CSI的发射和接收系统设计等。 第3章结合3G空中接口标准WCDMA实际应用环境讨论了最小化误码率(MBER)接收波束形成技术和最大化信干噪比(MSINR)波束形成的自适应算法。经典的波束形成技术大多都是优化系统均方误差(MSE)、信干噪比(SINR)或信噪比(SNR)等。误码率(BER)是通信系统设计的一项重要性能测度，结合3G空中接口标准WCDMA系统，本文讨论了基于最小化误比特率准则的接收波束形成技术，提出了MBER解扩重扩波束形成方法(MBER-DRB)，通过直接优化系统误码率以确定波束形成加权系数。利用基于样本的kernel概率密度函数估计设计了权向量自适应更新算法，并借助解扩重扩技术提供算法所需的参考信号。空间合并后，用RAKE接收进行时域多径信号合并。其次，为了提高MSINR波束形成自适应算法的性能与计算复杂度比，本文提出了一种改进线性广义拉格朗日乘子算法(MSINR-MLGLM)。广义特征值可以表示成期望信号和干扰噪声信号协方差矩阵特征值的函数，改进算法利用了期望和干扰噪声信号的长期和瞬时信号分量，用线性迭代的方式搜索最大广义特征值，并利用最陡下降法更新波束形成权向量。最后，提出MBER-DRB和MSINR-MLGLM被应用于WCDMA无线通信环境上行阵列接收信号处理。数值模拟结果显示，提出MBER-DRB波束形成获得了较基于其它准则波束形成技术更好的BER性能，且具有比较平稳的算法收敛性能；与MSINR波束形成的其它算法相比，提出的MLGLM算法获得了更高的系统性能与计算复杂度比和更好的阵列响应性能，并且提高了算法的收敛速率。 为了提高OFDM自适应阵列接收频域波束形成处理的性能和计算复杂度比，第4章提出了一种新的增强子载波分组波束形成技术(ESCG-BF)。新方案不同于已存在全自适应波束形成(FA-BF)或子载波分组波束形成(SCG-BF)的是：在子载波分组波束形成信号处理后，级联了波束形成后信道估计和均衡处理。与子载波分组波束形成和全自适应波束形成技术相比，提出ESCG-BF通过减少子载波分组数目以大幅降低计算复杂度，以增加低复杂度的波束形成后均衡处理来维持或提高性能，取得了系统性能与计算复杂度比的提高。并且，在频率选择性信道通信环境下，提出ESCG-BF比SCG-BF具有更鲁棒的性能。最后，提出ESCG-BF被应用于OFDM无线局域网(WLAN)通信环境，各种无线信道环境下的数值模拟结果验证了ESCG-BF的性能提高。 第5章主要研究了闭环MIMO系统中，线性发射和接收波束形成设计的优化功率分配和不完美CSI对系统性能影响的理论分析。MIMO线性发射和接收波束形成系统中，基于系统容量、MMSE、MSINR等准则的优化功率分配问题可以运用拉格朗日乘子技术和KKT条件获得优化功率分配的闭式解，但基于最小化BER(MBER)准则的优化发射功率分配策略由于包含复杂的Q函数而没有简单的闭式解。这类优化问题可以采用通用的算法求解，如内点法；或利用Q函数的契尔诺夫(Chernoff)上边界，获得近似优化功率分配，称为Q函数契尔诺夫功率分配。因此，本文提出了一种利用LambertW函数的求解方法-LambertW函数功率分配。基于MBER准则的优化功率分配问题的优化解可以用LambertW函数的主分支函数表示，从而转化为求解关于W函数的问题，而W函数的求解已具有简单的优化算法。接下来，本文重点分析了信道估计错误、量化噪声和反馈延迟导致的不完美CSIR和CSIT对闭环MIMO发射和接收波束形成系统的性能影响。给定接收信道估计误差和量化噪声的二阶统计量，以及CSI反馈延迟模型，利用发射和接收波束形成权向量分别与真实信道右和左奇异向量之间的互相关系数，本文首先给出了不完美CSI条件下的发射和接收波束形成增益损失、子信道间干扰和子信道信干噪比(SINR)的分析表达式；并用矩阵扰动理论分析了不完美CSI对互相关系数的影响和相互关系。分析表明，系统性能除与CSI误差有关外，还与信道奇异值的分布相关。 根据闭环MIMO系统线性发射和接收波束形成联合设计框架，以及不完美CSI条件下的性能分析，第6章研究了信道估计错误、量化误差和反馈延迟导致不完美CSI条件下的线性发射和接收波束形成系统的随机鲁棒设计问题。假设已知MMSE信道估计误差和CSI量化噪声的方差，给定CSI反馈延迟导致的CSIT和CSIR相关模型，本文首先给出了每个子信道上的平均条件均方误差(MSE)、平均条件信干噪比(SINR)和平均条件误码率(BER)的表示式。然后根据最小化子信道均方误差和准则(MSMSE)和最小化误码率和准则(MSBER)，给出了平均发射功率约束系统的随机鲁棒发射波束形成矩阵优化设计，并分别用修改注水算法和LambertW函数求解约束优化问题，分别得到优化发射功率分配的闭式解。然后，本文将提出方法扩展应用于多载波MIMO(MIMO-OFDM)系统，并提出了全局子信道选择发送策略，发射机能根据信道频率选择性衰落的变化而适当调整发射符号的子载波和子信道，进一步增强系统的鲁棒性能。 本文第7章是全文总结和结论，并对进一步工作提出了建议。

目录

文摘

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第1章绪论

第2章无线多天线信道与空时信号处理

第3章WCDMA系统接收波束形成

第4章增强子载波分组接收波束形成

第5章MIMO系统波束形成及CSI误差对性能的影响

5.1引言

5.2相关研究

5.3 MIMO发射和接收波束形成

5.4 MBER优化功率分配

5.5 CSI错误对MIMO系统性能影响

5.6数值模拟结果

5.7本章总结

第6章MIMO系统鲁棒波束形成技术

第7章总结与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表和撰写的学术论文