MIMO無線通信系統(tǒng)中的空時編碼與預(yù)編碼研究.pdf

1、多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)因為在容量和分集方面的卓越性能，成為未來無線通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。近十年來，針對MIMO系統(tǒng)的通信技術(shù)，如空時編碼、空間復(fù)用和空分多址，成為無線通信領(lǐng)域的研究熱點并取得很多進展。本論文研究了MIMO系統(tǒng)中的差分空時編碼技術(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)。論文的主要創(chuàng)新點列舉如下： 1．提出了用發(fā)射信號矩陣的幅度分量傳遞多個比特以提高頻譜效率的差分空時編碼方案，并針對該方案

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

3、在接收端的差分檢測需要搜索的酉矩陣個數(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)和個數(shù)都減少了，從而也簡化了設(shè)計并提高了檢測性能。 3．針對存在衰落相關(guān)性的MIMO信道，提出了利用衰落相關(guān)性信息設(shè)計差分空時塊碼的初始化矩陣的方法，設(shè)計準(zhǔn)則是使差分檢測的平均成對錯誤概率的上界達到最小。最優(yōu)的設(shè)計同時考慮發(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。通過忽略接收端的相關(guān)性，可以得到有閉合表達式的次優(yōu)設(shè)計，其性能接近最優(yōu)設(shè)計

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

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)的頻點上有零點時，考察了塊長度對單載波頻域均衡性能的影響并與未編碼的OFDM進行了比較。推導(dǎo)了帶時域判決反饋的MMSE頻域均衡器設(shè)計，在推導(dǎo)中考慮到了實際使用的反饋抽頭數(shù)隨塊內(nèi)己檢測的字符數(shù)的變化。針對兩路空間復(fù)用的空時塊碼信號，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、大小進行排序的分層檢測算法，通過利用接收分集提高了后檢測的一路信號的誤碼率性能，并進一步提出了迭代檢測算法使兩路信號的誤碼率性能都得到了提高。 6．針對采用塊對角化預(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)配置對用戶天線進行選擇以提高系統(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算復(fù)雜度，為了降低計算復(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、好的計算復(fù)雜度與容量之間的折中。另外，還給出了一種簡單的各用戶獨立地選擇天線的方法，在某些應(yīng)用場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)計方法，其設(shè)計準(zhǔn)則是在達到各路數(shù)據(jù)信干噪比要求的前提下使總的發(fā)射功率最小。為簡化設(shè)計，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)計問題轉(zhuǎn)化為簡單的虛擬上行鏈路接收權(quán)向量設(shè)計

8、問題。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)，采用線性接收機檢測信號，并將檢測各路數(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