無線MIMO通信系統(tǒng)信道估計與信號檢測理論方法研究.pdf

1、為適應未來發(fā)展的需要，移動通信系統(tǒng)要求能夠支持高達每秒數(shù)百兆甚至千兆比特的高速分組數(shù)據(jù)傳輸。在頻率資源日趨緊張的情況下，采用多天線發(fā)送和多天線接收的多入多出（MIMO）無線傳輸技術，充分挖掘利用空間資源，最大限度地提高頻譜利用率和功率效率，成為未來移動通信研究的關鍵所在。正交頻分復用（OFDM）和正交頻分多址接入（OFDMA）技術由于其很強的抗多徑能力、簡單易行的快速傅里葉變換/快速反傅里葉變換（FFT/IFFT）實現(xiàn)及易于采用MIMO

2、技術，得到廣泛的研究與應用。但是，OFDM和OFDMA存在峰均比高、頻偏敏感的等缺點難于滿足移動臺普遍需要的高功率效率。單載波分塊傳輸（SCBT）和單載波頻分多址接入（SC-FDMA）技術同樣具備OFDM和OFDMA的優(yōu)點，并且保持了發(fā)送信號低峰均比。本論文在SCBT和SC-FDMA框架下，針對無線MIMO通信系統(tǒng)信道估計與信號檢測理論方法開展研究。 首先，本文研究了時變頻率選擇性MIMO信道環(huán)境中SCBT系統(tǒng)的低復雜度信道估計

3、。針對MIMO-SCBT系統(tǒng)，提出了一種采用雙邊導頻段的低開銷時隙結(jié)構(gòu)，雙邊導頻段由理想周期自相關Golay互補序列構(gòu)造得到，不同發(fā)送天線的導頻具備相移正交特性，并且具有恒模低峰均比特點。采用這種時隙結(jié)構(gòu)和相移正交導頻，可獲得最小均方誤差（MMSE）意義上的最優(yōu)最小二乘（LS）估計?；贕olay互補序列的特殊生成式和循環(huán)矩陣的性質(zhì)，本文提出了一種稱為快速周期Golay相關（FPGC）的高效周期相關算法。隨之，根據(jù)低導頻開銷的時隙結(jié)構(gòu)和

4、FPGC算法，得到了兩種快速估計信道沖激響應的格形（Lattice）結(jié)構(gòu)，即串行Lattice和并行Lattice結(jié)構(gòu)。在時變頻率選擇性衰落信道環(huán)境中，仿真結(jié)果驗證了MIMO-SCBT系統(tǒng)雙邊信道估計的最優(yōu)性能。 緊接著，針對時變頻率選擇性衰落信道中的MIMO SC-FDMA系統(tǒng)，提出了一種采用雙邊梳狀導頻的低開銷時隙結(jié)構(gòu)和時域信道估計（TD-CE）方案，雙邊導頻段也由Golay互補序列構(gòu)造而得。不同發(fā)送天線的雙邊導頻段既有相移

5、正交又有序列正交性質(zhì)。這個信道估計方案可以獲得MMSE意義上的最優(yōu)LS估計性能。進一步地，根據(jù)Golay互補序列的特殊生成式和循環(huán)矩陣的性質(zhì)，將上述的FPGC推廣到左循環(huán)移位的FPGC（FPGC-L）和右循環(huán)移位的FPGC（FPGC-R），用來實現(xiàn)相移正交和序列正交導頻的周期相關。結(jié)合FPGC-L和FPGC-R，提出了一種在時域中高效實現(xiàn)MIMO信道估計的對稱Lattice結(jié)構(gòu)。對比采用Chu序列的頻域信道估計（FD-CE）方案，利用這

6、種Lattice結(jié)構(gòu)后，TD-CE的計算復雜度可以顯著降低。通過仿真，將TD-CE與FD-CE進行了對比。仿真結(jié)果表明，在高速信道中，對于信道估計均方誤差和平均誤碼率（BER），TD-CE都具有優(yōu)勢。 隨后，針對多用戶MIMO SC-FDMA系統(tǒng)，提出了一種低峰均比（PAPR）且同時獲得發(fā)送分集與空分復用增益的塊級空時分組碼（BL-STBC）。結(jié)合集中式與分布式（DM）子載波映射的特點，為空頻分組碼（SFBC）設計了部分分布式（

7、PDM）子載波映射。在線性MMSE準則下，利用BL-STBC的代數(shù)性質(zhì)和一種特殊置換矩陣Jc，導出了低復雜度的空時頻多用戶檢測算法。通過仿真，對比了不同碼的平均BER和PAPR性能。仿真結(jié)果表明，在中低速信道中，與采用PDM子載波映射的SFBC相比，采用DM子載波映射BL-STBC的平均BER性能具有優(yōu)勢，并且兩者的計算復雜度相當。此外，對比SFBC SC-FDMA和SFBC OFDMA信號，BL-STBC SC-FDMA信號的PAPR

8、明顯低。 進一步，根據(jù)多元統(tǒng)計理論，對SC-FDMA系統(tǒng)頻域均衡（FDE）進行了性能分析。利用獨立分布的多元隨機變量概率分布和Laplace變換數(shù)值求逆方法，推導出了MMSE頻域均衡（MMSE-FDE）和迫零（ZF）頻域均衡（ZF-FDE）輸出信號與干擾加噪聲比（SINR）的累計分布函數(shù)（CDF）近似閉式。利用這些閉式，進而獲得了QPSK調(diào)制SC-FDMA系統(tǒng)的平均BER近似表達式。通過對比FDE輸出信號SINR的CDF與平均B

9、ER性能的仿真和分析結(jié)果，驗證了SC-FDMA系統(tǒng)FDE的性能分析方法。此外，理論分析和仿真結(jié)果證明了SC-FDMA系統(tǒng)的平均BER性能明顯優(yōu)于OFDMA系統(tǒng)。 在上述研究工作基礎上，我們開發(fā)了無線MIMO通信實驗系統(tǒng)，進行關鍵技術驗證。實驗系統(tǒng)采用前述的多項技術，如SCBT體制、無線幀結(jié)構(gòu)、導頻結(jié)構(gòu)、信道估計、空時發(fā)送方案和空時檢測方案等。該實驗系統(tǒng)具有低峰均比、低復雜度均衡、易于結(jié)合MIMO技術等優(yōu)點。實驗系統(tǒng)中的基帶信號處