MIMO無線通信系統(tǒng)和空時編碼的信息論研究.pdf

1、現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸速率和服務(wù)質(zhì)量要求日益提高，使得急切需要新技術(shù)來提高頻譜利用率和鏈路穩(wěn)定性。在發(fā)射端和接收端都采用多天線的多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)現(xiàn)在正被廣泛認(rèn)為是能夠使得通信系統(tǒng)在有限的帶寬和功率資源前提下獲得高數(shù)據(jù)傳輸率的突破技術(shù)。然而，實際MIMO系統(tǒng)的信道容量取決于很多因素，如信道信息是否能夠在發(fā)射端和接收端獲得，發(fā)射端天線之間和接收端天線之間是否存在衰落相關(guān)性等等。另外，達(dá)到信息論所預(yù)示的MIMO信道容量的一種有

2、效方法就是使用空時編碼技術(shù)。目前許多新穎的空時編碼被提出來以克服解碼復(fù)雜的問題。但是，在一些情況下這些編碼不能夠達(dá)到滿速率。本論文的工作主要為討論不同信道假設(shè)下的信道容量以及不同天線配置下一些空時編碼的傳輸速率。具體討論了以下問題： 研究了單用戶MIMO無線通信系統(tǒng)的最優(yōu)傳輸策略，其中發(fā)射端僅有不完整的信道狀態(tài)信息。該部分信道狀態(tài)信息為協(xié)方差反饋時，使得平均信道容量最大的最優(yōu)化發(fā)射方向和信道協(xié)方差矩陣的特征矢量相同，而最優(yōu)化的功

3、率分配則沒有解析解。我們通過平均信道容量函數(shù)的舒爾-凹性質(zhì)對其進行分析，推導(dǎo)了最優(yōu)輸入?yún)f(xié)方差矩陣特征值分布的必要條件來刻畫最優(yōu)化的發(fā)射功率分配。數(shù)值結(jié)果驗證了我們的結(jié)論。 在之前推導(dǎo)的最優(yōu)化發(fā)射功率分配必要條件的基礎(chǔ)上，我們進一步研究并推導(dǎo)了其充要條件。并且，我們使用這個等價條件將波束形成最優(yōu)化的討論推廣到一般情形，即沿著m個方向發(fā)射達(dá)到信道容量。 研究了具有空間衰落相關(guān)性的Rayleigh信道的MIMO信道容量。在實際

4、情況下，接收端往往能夠獲得理想的信道狀態(tài)信息，而發(fā)射端沒有任何信道狀態(tài)信息，因此在發(fā)射端采用平均功率分配原則。我們推導(dǎo)了雙發(fā)多收(TIMO)衰落相關(guān)信道的平均信道容量并和MonteCarlo仿真的結(jié)果比較來研究空間衰落性對于信道容量的影響。數(shù)值結(jié)果表明空間相關(guān)性使得平均信道容量減小，并且隨著信噪比增大由相關(guān)性導(dǎo)致的信道容量損失無限增長；這和MISO的情況截然不同，對于單接收天線系統(tǒng)，這個信道容量損失是有上限的。 從信息論的角度研

5、究了具有豐富散射的Rayleigh衰落信道中堆棧Alamouti編碼和準(zhǔn)正交空時編碼。眾所周知，Alamouti方案是唯一能夠取得滿速率的STBC。我們推導(dǎo)了堆棧Alamouti方案傳輸速率的上限，這個值在信噪比高時取決于發(fā)射天線數(shù)目和接收天線數(shù)目之比。并且我們得到了只要發(fā)射天線數(shù)目不小于兩倍的接收天線數(shù)目該方案就能夠達(dá)到滿速率的結(jié)論。同時，我們分析了具有4根發(fā)射天線和任意根接收天線的準(zhǔn)正交空時編碼的傳輸速率，發(fā)現(xiàn)它隨著接收天線數(shù)目的增