MIMO無(wú)線通信系統(tǒng)中的空時(shí)編碼與預(yù)編碼研究.pdf

1、多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)因?yàn)樵谌萘亢头旨矫娴淖吭叫阅?，成為未?lái)無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。近十年來(lái)，針對(duì)MIMO系統(tǒng)的通信技術(shù)，如空時(shí)編碼、空間復(fù)用和空分多址，成為無(wú)線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)并取得很多進(jìn)展。本論文研究了MIMO系統(tǒng)中的差分空時(shí)編碼技術(shù)、單載波頻域均衡技術(shù)、多用戶下行鏈路預(yù)編碼技術(shù)以及用戶調(diào)度技術(shù)。論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)列舉如下： 1．提出了用發(fā)射信號(hào)矩陣的幅度分量傳遞多個(gè)比特以提高頻譜效率的差分空時(shí)編碼方案，并針對(duì)該方案

2、推導(dǎo)了利用相鄰的兩個(gè)編碼周期的接收信號(hào)的差分檢測(cè)算法，以及對(duì)發(fā)射信號(hào)矩陣幅度分量的序列檢測(cè)算法。針對(duì)采用QAM信息字符構(gòu)造差分編碼矩陣的差分空時(shí)塊碼，提出了一種避免信道能量估計(jì)的差分檢測(cè)算法。 2．針對(duì)發(fā)射天線數(shù)為偶數(shù)的系統(tǒng)，提出了一種降低接收機(jī)計(jì)算復(fù)雜度的差分酉空時(shí)編碼方案，該方案利用Alamouti空時(shí)碼的正交特性和循環(huán)群的設(shè)計(jì)構(gòu)造差分空時(shí)編碼矩陣，能實(shí)現(xiàn)最大的天線分集。同傳統(tǒng)的采用對(duì)角信號(hào)矩陣的差分酉空時(shí)編碼相比，所提方案

3、在接收端的差分檢測(cè)需要搜索的酉矩陣個(gè)數(shù)大大減少，且由于所采用的循環(huán)群中的酉矩陣的維數(shù)和個(gè)數(shù)都減少了，從而也簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并提高了檢測(cè)性能。 3．針對(duì)存在衰落相關(guān)性的MIMO信道，提出了利用衰落相關(guān)性信息設(shè)計(jì)差分空時(shí)塊碼的初始化矩陣的方法，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是使差分檢測(cè)的平均成對(duì)錯(cuò)誤概率的上界達(dá)到最小。最優(yōu)的設(shè)計(jì)同時(shí)考慮發(fā)射端和接收端的衰落相關(guān)陣，但需要采用數(shù)值方法求解。通過(guò)忽略接收端的相關(guān)性，可以得到有閉合表達(dá)式的次優(yōu)設(shè)計(jì)，其性能接近最優(yōu)設(shè)計(jì)

4、。 4．針對(duì)快時(shí)變MIMO信道，利用時(shí)變信道的基擴(kuò)展模型，提出了一種塊差分空時(shí)編碼方法。該方法利用基擴(kuò)展模型中各復(fù)指數(shù)基的系數(shù)在一個(gè)塊內(nèi)為恒定的特性，將一個(gè)塊分為多個(gè)子塊并在各子塊間進(jìn)行差分編碼。通過(guò)發(fā)射端的塊交織和接收端的解塊交織，信號(hào)檢測(cè)不需要信道狀態(tài)信息，從而避免了對(duì)快時(shí)變MIMO信道的估計(jì)。通過(guò)合理地設(shè)計(jì)差分編碼的子塊長(zhǎng)度及差分編碼矩陣，所提方案能同時(shí)實(shí)現(xiàn)最大的天線分集和Doppler分集。 5．考慮針對(duì)頻率選擇

5、性信道頻域均衡的單載波傳輸，證明了線性MMSE頻域均衡與時(shí)域均衡的等效性。當(dāng)信道的頻率響應(yīng)在離散Fourier變換(DFT)的頻點(diǎn)上有零點(diǎn)時(shí)，考察了塊長(zhǎng)度對(duì)單載波頻域均衡性能的影響并與未編碼的OFDM進(jìn)行了比較。推導(dǎo)了帶時(shí)域判決反饋的MMSE頻域均衡器設(shè)計(jì)，在推導(dǎo)中考慮到了實(shí)際使用的反饋抽頭數(shù)隨塊內(nèi)己檢測(cè)的字符數(shù)的變化。針對(duì)兩路空間復(fù)用的空時(shí)塊碼信號(hào)，推導(dǎo)了接收端的頻域干擾抑制和MMSE均衡算法。在此基礎(chǔ)上，提出了根據(jù)均衡后的均方誤差的

6、大小進(jìn)行排序的分層檢測(cè)算法，通過(guò)利用接收分集提高了后檢測(cè)的一路信號(hào)的誤碼率性能，并進(jìn)一步提出了迭代檢測(cè)算法使兩路信號(hào)的誤碼率性能都得到了提高。 6．針對(duì)采用塊對(duì)角化預(yù)編碼的MIMO多用戶下行鏈路，分析了用戶天線數(shù)對(duì)空間自由度及系統(tǒng)容量的影響，提出根據(jù)系統(tǒng)配置對(duì)用戶天線進(jìn)行選擇以提高系統(tǒng)容量。直接最大化系統(tǒng)容量的最優(yōu)用戶天線選擇算法需要很高的計(jì)算復(fù)雜度，為了降低計(jì)算復(fù)雜度，提出了兩種基于等效信道能量的次優(yōu)用戶天線選擇算法，獲得了較

7、好的計(jì)算復(fù)雜度與容量之間的折中。另外，還給出了一種簡(jiǎn)單的各用戶獨(dú)立地選擇天線的方法，在某些應(yīng)用場(chǎng)合能獲得大部分的容量增益。7.提出了各路數(shù)據(jù)信干噪比約束條件下的MIMO多用戶下行鏈路的預(yù)編碼設(shè)計(jì)方法，其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是在達(dá)到各路數(shù)據(jù)信干噪比要求的前提下使總的發(fā)射功率最小。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，構(gòu)造了一虛擬上行鏈路，并證明了MIMO多用戶下行鏈路與此虛擬上行鏈路之間的對(duì)偶性，從而可以將復(fù)雜的下行鏈路發(fā)射權(quán)向量設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的虛擬上行鏈路接收權(quán)向量設(shè)計(jì)

8、問(wèn)題。所提算法交替優(yōu)化各路數(shù)據(jù)分配的功率、發(fā)射權(quán)向量和接收權(quán)向量直至算法收斂。 8.考慮利用多用戶分集的MIMO多用戶下行鏈路，發(fā)射端從每根天線發(fā)送獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，各用戶的天線數(shù)不少于發(fā)射天線數(shù)，采用線性接收機(jī)檢測(cè)信號(hào)，并將檢測(cè)各路數(shù)據(jù)的判決變量的信噪比反饋給發(fā)射端。首先不考慮用戶之間的公平性，提出了為各路數(shù)據(jù)分配用戶和功率的算法，使系統(tǒng)總的頻譜效率達(dá)到最大。接著考慮用戶之間的公平性，基于用戶分組輪流服務(wù)的方案，提出了在組內(nèi)為各路