部分信道狀態(tài)信息下的無線下行鏈接設(shè)計方法.pdf

1、在過去的十年內(nèi)，無線通信取得了巨大的發(fā)展。為了滿足人們對無線通信速率和容量的不斷需求，下一代無線移動通信無疑要解決在有限的帶寬下無線通信的可靠性與高速率問題。多輸入多輸出（MIMO）無線系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端采用多個天線使得信號能在時域、頻域和空域進(jìn)行設(shè)計，從而提高了系統(tǒng)的通信速率和可靠性。因此，多輸出多輸出系統(tǒng)將成為下一代無線系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)已成為當(dāng)前研究者的共識。
　　無線通信中一個最重要的特征便是信道的衰落。MIMO系統(tǒng)可以得到

2、較高的分集增益從而有效地抑制了信道衰落。在 MIMO系統(tǒng)中，關(guān)于信號成形技術(shù)的大量研究，主要集中在發(fā)射端未知信道狀態(tài)信息這一基本假設(shè)條件上。然而，若能根據(jù)信道的質(zhì)量來優(yōu)化信號成形，無疑將會進(jìn)一步提高無線系統(tǒng)的性能。不幸的是，若接收端不以反饋的形式向發(fā)射端提供關(guān)于信道的狀態(tài)信息時，發(fā)射端將很難獲得關(guān)于信道的先驗(yàn)信息。另一方面，在通過反饋來獲取信道狀態(tài)信息的系統(tǒng)中，反饋將占用反向鏈接信道的頻譜資源。因此從頻譜的利用效率出發(fā)，反饋比特數(shù)必須控

3、制在有限的范圍內(nèi)；同時，由于信道為時變衰落信道，反饋回發(fā)射端的關(guān)于下行信道的狀態(tài)信息，與當(dāng)前的下行信道信息相比，是過時的但又存在一定相關(guān)性。因此，無論是經(jīng)有限比特反饋還是經(jīng)時延反饋回發(fā)射端的狀態(tài)信息都為不完全確定的信道狀態(tài)信息，在研究中通稱為部分信道狀態(tài)信息。
　　本論文主要研究無線下行鏈接中，信道狀態(tài)信息部分已知時的信號優(yōu)化成形技術(shù)。集中討論了，反饋時延和最大多普勒頻移引起的不完全信道狀態(tài)信息時，接收與發(fā)送的聯(lián)合線性優(yōu)化處理技術(shù)

4、，以及以上兩個因素對系統(tǒng)性能的影響；同時還研究了，在窄帶及寬帶無線通信系統(tǒng)中，存在有限比特反饋時的預(yù)編碼技術(shù)。結(jié)論表明，利用部分信道狀態(tài)信息的信號成形技術(shù)，可以明顯地提高通信系統(tǒng)的性能。
　　本文的創(chuàng)新之處在：
　　1、研究了因反饋時延及最大多普勒頻移帶來信道估計誤差的下行信道模型，并以此模型出發(fā)，研究了接收與發(fā)射端的聯(lián)合線性優(yōu)化設(shè)計方法。
　　當(dāng)接收端通過反饋，向發(fā)射端提供下行信道的狀態(tài)信息時，由于反饋時延和多普勒頻

5、移，使得發(fā)射端所獲取的信道與當(dāng)前真實(shí)的下行信道之間存在誤差。論文從JAKES的信道模型出發(fā)，將真實(shí)的當(dāng)前下行信道用AR模型來表示，求得了信道誤差的最小方差和此時的信道參數(shù)。以此模型為基本出發(fā)點(diǎn)，并結(jié)合最優(yōu)化技術(shù)，推導(dǎo)了發(fā)射與接收的聯(lián)合線性優(yōu)化處理技術(shù)的預(yù)編碼矩陣和后解碼矩陣。
　　2、研究了有限比特反饋時，空域多工系統(tǒng)中的信號成形技術(shù)。
　　在空域多工系統(tǒng)中，提出了利用有限的比特反饋，來構(gòu)建功率控制系數(shù)與多波束成形矢量相級聯(lián)

6、的線性預(yù)編碼矩陣。將反饋比特分成兩部分，一部分用于決定功率控制系數(shù)，另一部分用來設(shè)計多波束矢量。其中，通過有限的反饋比特數(shù)來設(shè)計多波束矢量的問題，可以歸結(jié)到格柆斯曼空間中的裝箱（Packing）問題上。通過仿真，證實(shí)了這種級聯(lián)構(gòu)成的預(yù)編碼矩陣，能進(jìn)一步提高無線通信系統(tǒng)的性能，而本身對反饋比特數(shù)的需求甚少。同時，當(dāng)采用不同準(zhǔn)則來構(gòu)建不同功率控制系數(shù)的預(yù)編碼矩陣時，比較了其對系統(tǒng)性能的影響，得到了平均功率受限下，以均方誤差最小化做為優(yōu)化準(zhǔn)則

7、時，系統(tǒng)性能最好。
　　3、研究了有限比特反饋下的空時編碼無線系統(tǒng)的信號成形技術(shù)。
　　傳統(tǒng)的空時編碼技術(shù)，是以發(fā)射端未知信道狀態(tài)信息為前提。在有限比特反饋的無線系統(tǒng)中，利用有限的反饋比特，在傳統(tǒng)的空時編碼之后，引入一個預(yù)編碼矩陣來提高空時編碼系統(tǒng)的性能。論文從符號錯誤概率出發(fā)，得到了預(yù)編碼矩陣的最優(yōu)選擇準(zhǔn)則；同時，從信道的信噪比損失最小化出發(fā)，得到了最優(yōu)的預(yù)編碼矩陣集合的設(shè)計準(zhǔn)則。
　　4、將存在反饋時延和多普勒頻移

8、的窄帶無線系統(tǒng)擴(kuò)展到寬帶，來研究其對系統(tǒng)性能的影響。
　　在寬帶無線系統(tǒng)中，可以通過多載波技術(shù)將寬帶信道分解成一系列平坦衰落的子信道。首先建立了MIMO－OFDM系統(tǒng)下行鏈接的時延信道模型。根據(jù)此模型，推導(dǎo)了當(dāng)信道存在估計誤差時系統(tǒng)的誤碼率；并通過仿真，得到了反饋時延和最大多普勒頻移對系統(tǒng)性能的影響。
　　5、研究OFDM系統(tǒng)中有限比特反饋對系統(tǒng)性能的影響，和系統(tǒng)對反饋比特數(shù)的需求。
　　在波束成形的OFDM系統(tǒng)中，預(yù)

9、先設(shè)計好波束成形矢量集合。當(dāng)接收端估計出信道狀態(tài)信息時，以一定的準(zhǔn)則在波束成形矢量集合中選擇出最優(yōu)的波束矢量，并將該波束矢量在矢量集合中的索引反饋回發(fā)射端，發(fā)射端通過該索引，來確定出波束成形矢量。論文討論了該系統(tǒng)的誤碼率；并推導(dǎo)了在一定誤碼率，或誤碼率的相對誤差在一定范圍內(nèi)時，所需的最少反饋比特數(shù)。
　　6、研究OFDM系統(tǒng)中有限比特反饋下，各子載波的波束成形矢量的同一性設(shè)計方法
　　在OFDM系統(tǒng)中，由于子載波總數(shù)一般較大