多入多出無(wú)線通信系統(tǒng)優(yōu)化發(fā)送與接收技術(shù)研究.pdf

1、MIMO 系統(tǒng)及空時(shí)處理技術(shù)能極大地提高無(wú)線通信系統(tǒng)的頻譜效率或可靠性，在近幾年受到廣泛地關(guān)注。在MIMO 技術(shù)研究中，通常假定信道經(jīng)歷獨(dú)立同分布的Rayleigh 平坦衰落，取得了廣泛的研究成果。但是在實(shí)際的無(wú)線通信環(huán)境中，與不同天線對(duì)應(yīng)的信道通常呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，這種相關(guān)性勢(shì)必造成系統(tǒng)性能的下降，削弱多天線結(jié)構(gòu)帶來(lái)的好處。本文在國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“基于MIMO-OFDM系統(tǒng)的空中接口自適應(yīng)技術(shù)研究”(No. 60496315)

2、和國(guó)家“十五”863 計(jì)劃重大專項(xiàng)課題“新一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線傳輸鏈路技術(shù)研究”(No. 2003AA12331005) 的資助下，重點(diǎn)研究了基于相關(guān)衰落信道的空時(shí)優(yōu)化發(fā)送及處理技術(shù)。 首先討論相關(guān)衰落信道的建模問(wèn)題，為進(jìn)一步研究提供基礎(chǔ)。一種是基于射線跟蹤的METRA 模型(或稱之為Kronecker 模型);另一種是基于散射描述的相關(guān)衰落VCR 模型。兩者通過(guò)捕獲相關(guān)衰落信道的二階統(tǒng)計(jì)特征，將信道描述為相關(guān)統(tǒng)計(jì)和獨(dú)立衰落

3、的某種組合。比較了幾種典型模型的特點(diǎn)，建模所需參數(shù)以及準(zhǔn)確度。在此基礎(chǔ)上，分別基于互信息和PEP，分析了衰落相關(guān)對(duì)MIMO 信道容量和可靠性的影響，以及MIMO 相關(guān)衰落信道所能提供的空分復(fù)用增益和空分分集增益能力。 提出基于協(xié)方差反饋或帶寬受限反饋的聯(lián)合二維特征波束成型和正交STBC 的自適應(yīng)調(diào)制預(yù)編碼方案，以提高系統(tǒng)可靠性，改善系統(tǒng)吞吐率。基于最小化PEP 準(zhǔn)則，得到了二維波束成形與波束間功率分配最優(yōu)方案。功率分配服從注水法

4、則，并且在嚴(yán)重相關(guān)情況下，應(yīng)用切換機(jī)制來(lái)避免在無(wú)效波束上浪費(fèi)功率。利用相關(guān)矩陣兩個(gè)最強(qiáng)特征值衡量信道衰落相關(guān)程度，在自適應(yīng)調(diào)制級(jí)別和相關(guān)程度間建立了直觀聯(lián)系。利用二維波束成型的變換作用，任意發(fā)送天線數(shù)下可以獲得滿空時(shí)發(fā)送速率。STC 的正交結(jié)構(gòu)和特征波束間的正交性，使得解碼僅具有線性復(fù)雜度。 基于頻率選擇性空間衰落相關(guān)信道下的MIMO-OFDM 系統(tǒng)，提出一種基于時(shí)域波束成形的TCM 和OSTBC 預(yù)編碼的級(jí)聯(lián)機(jī)制，TCM 作為

5、外碼，改善編碼增益，OSTBC 作為內(nèi)碼，能獲得分集增益，且具有低的解碼復(fù)雜度。最優(yōu)波束成形方法為基于Kronecker 模型的時(shí)域特征波束成形，僅需一個(gè)IFFT。考慮了使用和不使用交織器兩種情況，基于最小化差錯(cuò)概率準(zhǔn)則，分別得到了這兩種情況下的功率分配算法和TCM 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。不采用交織器的情況下，獲得了自由距帶來(lái)的編碼增益;采用交織器隨機(jī)化信道帶來(lái)了額外的乘性內(nèi)置時(shí)間分集，獲得了和積距帶來(lái)的編碼增益。在高信噪比下，兩種情況下都可以獲得

6、二階波束成形分集和滿接收分集增益。 此外，在功率分配計(jì)算過(guò)程中由于引入了碼距，相對(duì)非級(jí)聯(lián)機(jī)制而言，降低了獲得二階波束成型分集增益的門限。帶交織機(jī)制比不帶交織機(jī)制更能適用于快衰落信道，且性能更好。 基于獲取空分復(fù)用增益，提高頻譜效率的目的，提出聯(lián)合波束成型分組排序線性離散碼(BO-JBLDC)及后排序迭代檢測(cè)方法。將發(fā)送天線被分割成多個(gè)組，每組僅包含適量天線，不同的組進(jìn)行獨(dú)立的線性離散碼編碼?；贙ronecker 模型，

7、采用發(fā)送和接收特征波束成型解信道相關(guān)，將信道轉(zhuǎn)換為獨(dú)立非相關(guān)信道，并分析了離散基矩陣的約束條件和設(shè)計(jì)方法。提出了后排序迭代檢測(cè)解碼方法，根據(jù)各組信噪比確定解碼順序，采用分組干擾抑制和干擾抵消來(lái)消除組間干擾。消除組間干擾后，采用基于LDC 實(shí)線性等式系統(tǒng)模型的球形解碼來(lái)得到各組的判決，并進(jìn)一步應(yīng)用迭代解碼來(lái)使得各組均獲得滿接收分集增益，改善接收性能。結(jié)果顯示，天線分組可以降低解碼復(fù)雜度，獲得更大的編碼增益，與JBSTBC，BO-JBSTB

8、C，V-BLAST 等機(jī)制相比，性能改善顯著，顯示了獲得高容量的能力，能適用于任意天線配置。 最后，提出了基于VCR 信道模型的高頻譜效率Cayley-DUSTM 虛擬差分發(fā)送機(jī)制。接收端無(wú)需信道信息，適用于快衰落環(huán)境，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。利用Cayley 變換將酉星座圖構(gòu)成的非線性Stiefel 流形映射到Hermitian 線性矩陣空間，并用類似LDC 的調(diào)制方法來(lái)獲得高頻譜效率，編碼增益和基于線性等式系統(tǒng)的多項(xiàng)式次復(fù)雜