高鐵車地通信中的酉空時(shí)調(diào)制技術(shù)研究.pdf

1、在高鐵車地通信環(huán)境下，列車通常處于開闊地帶環(huán)境且運(yùn)行速度非?？?，使得衰落信道呈現(xiàn)出明顯的空間相關(guān)和連續(xù)快時(shí)變特性。在多天線系統(tǒng)中，酉空時(shí)調(diào)制技術(shù)由于接收端不需要知道信道狀態(tài)信息而適用于高鐵車地通信。論文針對(duì)高鐵場(chǎng)景，從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)鏈路以及多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)鏈路三個(gè)方面研究了酉空時(shí)制系統(tǒng)的收發(fā)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行相關(guān)的性能分析。主要內(nèi)容概括如下:
　　首先，針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路，論文研究了空間相關(guān)連續(xù)快時(shí)變信道下酉空時(shí)調(diào)制系統(tǒng)的最優(yōu)非相干接收

2、機(jī)性能。研究表明，盡管最優(yōu)非相干接收機(jī)在高信噪比區(qū)域呈現(xiàn)出錯(cuò)誤平層效應(yīng)，但相比不使用任何信道信息的非相干接收機(jī)，該接收機(jī)能夠獲得顯著的性能改善。另一方面，信道的高空間相關(guān)性使得系統(tǒng)的編碼增益在中等信噪比區(qū)域中有所損失，信道的空間相關(guān)性信息也無(wú)益于進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能。鑒于此，論文提出了一種僅利用列車速度信息的簡(jiǎn)化非相干接收機(jī)方案，可省略信道二階統(tǒng)計(jì)特性的估計(jì)步驟，從而降低系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度。論文推導(dǎo)了簡(jiǎn)化非相干接收機(jī)的成對(duì)錯(cuò)誤概率理論公式。

3、仿真結(jié)果與分析表明簡(jiǎn)化非相干接收機(jī)的誤碼性能遠(yuǎn)優(yōu)于不使用任何信道相關(guān)性信息的次優(yōu)非相干接收機(jī)，并且十分接近最優(yōu)非相干接收機(jī)。
　　其次，論文提出一種空間相關(guān)連續(xù)快時(shí)變信道下酉空時(shí)調(diào)制系統(tǒng)的預(yù)編碼器和接收機(jī)的聯(lián)合設(shè)計(jì)方案。預(yù)編碼器基于信道的發(fā)送空間相關(guān)矩陣進(jìn)行設(shè)計(jì)，以最小化高信噪比條件下信道估計(jì)的均方誤差為優(yōu)化目標(biāo);接收機(jī)的設(shè)計(jì)則同時(shí)利用了信道的發(fā)送/接收空間相關(guān)矩陣和時(shí)間相關(guān)矩陣，并根據(jù)最大似然準(zhǔn)則得到最優(yōu)的非相干接收機(jī)。仿真結(jié)果

4、表明，相比單一的最優(yōu)非相干接收機(jī)，所提方案的誤碼性能得到明顯改善;當(dāng)信道的發(fā)送空間相關(guān)性和歸一化多普勒頻移大到一定程度時(shí)，其性能超過(guò)空間獨(dú)立連續(xù)快時(shí)變信道下的最優(yōu)非相干接收機(jī)。此外，論文推導(dǎo)了所提方案的成對(duì)錯(cuò)誤概率的理論公式，仿真結(jié)果驗(yàn)證了推導(dǎo)的正確性。
　　再次，論文提出一種空間獨(dú)立連續(xù)快時(shí)變信道下基于導(dǎo)頻序列的酉空時(shí)調(diào)制系統(tǒng)的相干接收方案。在導(dǎo)頻位置的信道估計(jì)誤差方差和信道時(shí)間相關(guān)矩陣均已知的前提條件下，通過(guò)最大似然法則獲得了

5、最優(yōu)的相干接收機(jī)。仿真結(jié)果表明所提方案改善了中低信噪比區(qū)域的最優(yōu)非相干接收機(jī)的誤碼率性能。高鐵場(chǎng)景中的列車運(yùn)行速度變化范圍相當(dāng)寬，對(duì)應(yīng)的多普勒頻移也發(fā)生大幅度變化。在這種情況下，酉空時(shí)碼的相干接收性能比傳統(tǒng)的空時(shí)編碼具有更好的魯棒性，因此進(jìn)一步驗(yàn)證了酉空時(shí)碼更適用于高鐵通信。
　　針對(duì)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)鏈路，基于一種新型的信號(hào)乘積傳輸方案，論文研究了兩用戶MIMO廣播信道下的的收發(fā)端設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)分析了兩用戶的誤碼性能。不同用戶有不同的移

6、動(dòng)速度，從而有不同的信道估計(jì)能力。在該場(chǎng)景中，假定移動(dòng)速度高的用戶（稱為非相干用戶）不知道任何信道狀態(tài)信息，而移動(dòng)速度低的用戶（稱為相干用戶）已知完美信道狀態(tài)信息。在發(fā)送端，非相干用戶的期望信號(hào)采用酉空時(shí)調(diào)制方式，相干用戶的期望信號(hào)采用空間全復(fù)用方式。在接收端，非相干用戶采用基于最大似然的最優(yōu)非相干接收方案，而對(duì)于相干用戶，提出基于最大似然和最小均方誤差的兩種硬檢測(cè)方案和基于條件期望最大化的一種軟檢測(cè)方案。仿真結(jié)果對(duì)比了不同用戶和不同接

7、收方案的誤碼性能。此外，推導(dǎo)了相干用戶和非相干用戶的誤碼率公式，得到相關(guān)的精確解以及上界。
　　最后，針對(duì)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)鏈路，論文提出了兩用戶MIMO X信道下的一種酉空時(shí)調(diào)制與盲干擾對(duì)齊相結(jié)合的傳輸方案，實(shí)現(xiàn)了發(fā)送端和接收端均不需要信道狀態(tài)信息的干擾對(duì)齊。假設(shè)非相干用戶經(jīng)歷時(shí)間選擇性的平坦瑞利衰落信道而相干用戶經(jīng)歷頻率選擇性的靜態(tài)信道，該方案利用信道的這種異構(gòu)性實(shí)現(xiàn)干擾對(duì)齊。由于非相干用戶無(wú)法知道信道狀態(tài)信息，因此需要采用非相干方式