MIMO無線通信系統(tǒng)全向傳輸與信道估計理論方法研究.pdf

1、多輸入多輸出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)技術通過在發(fā)射端與接收端配置多根天線，能夠在無線信道中提供除了時間與頻率以外的空間自由度。這一額外的自由度可以被用來提供更高的頻譜效率、功率效率以及傳輸可靠性，從而為頻譜資源日益緊張的現(xiàn)實問題提供了有效的解決途徑。MIMO技術已成為現(xiàn)代蜂窩移動通信系統(tǒng)的關鍵技術之一。本論文開展MIMO無線通信系統(tǒng)全向傳輸與信道估計理論方法研究。本研究主要內(nèi)容包括：

2、r>　?、叛芯苛舜笠?guī)模MIMO系統(tǒng)中的全向傳輸問題。提出了全向預編碼大規(guī)模MIMO全向傳輸理論方法，其中基站(BS，Base Station)所發(fā)射的高維信號矢量由一個全向預編碼矩陣和一個低維信號矢量組成。在這種情況下，用戶終端(UT，User Terminal)僅需要估計預編碼后的降維等效信道，因此，下行導頻開銷可以被顯著降低。對于所提出的基于全向預編碼的傳輸方法，給出了全向預編碼矩陣所需要滿足的三個必要條件，以滿足:全向傳輸以保證全

3、小區(qū)覆蓋，所有天線的平均發(fā)射功率相等以最大程度利用BS天線的功放容量，以及在獨立同分布信道下最大化可達遍歷速率。通過利用Zadoff-Chu(ZC)序列及其性質(zhì)，給出了同時滿足以上三個條件的全向預編碼矩陣的若干設計，同時分析了這些設計所對應的系統(tǒng)可達遍歷速率、中斷概率以及峰均功率比(PAPR，Peak-to-Average Power Ratio)性能。分析表明，其中一種專門的設計具有如下特點:不論是獨立同分布信道還是空間相關信道，其都

4、能夠在大維情況下最大化可達遍歷速率、最大化可達分集度與最小化中斷概率;其能夠在預編碼后保持發(fā)送信號的PAPR。
　?、蒲芯苛舜笠?guī)模MIMO系統(tǒng)中的全向空時分組編碼問題。為了降低下行導頻開銷并從BS的發(fā)射天線上獲得部分空間分集，提出將高維的空時分組碼(STBC，Space-Time Block Code)矩陣分解為一個與信道獨立的預編碼矩陣以及一個低維的STBC矩陣。通過聯(lián)合設計預編碼矩陣與低維STBC矩陣中的調(diào)制符號星座，可以保證

5、在每個瞬時時刻，BS在各個方向上以及各個天線上的發(fā)射功率都相等，同時還可以獲得低維STBC的滿分集。在這一架構下，設計了若干STBC的實例，其中預編碼的阿拉莫提碼可以通過單符號最大似然(ML，Maximum Likelihood)譯碼獲得分集度2，預編碼的準正交STBC可以通過雙符號聯(lián)合ML譯碼獲得分集度4，而預編碼的非零元托普利茲碼以及預編碼的非零元重疊阿拉莫提碼可以通過線性接收機譯碼并獲得更高的分集度。
　　⑶研究了毫米波大規(guī)

6、模MIMO系統(tǒng)中的下行同步問題。首先，給出了BS與UT的射頻數(shù)都受限的情況下同步信號的收發(fā)模型，并根據(jù)此模型，推導了基于廣義似然比檢驗準則的最優(yōu)同步檢測器。然后，給出了發(fā)射與接收波束賦形矩陣應當滿足的若干必要條件，其中包括:在整個同步過程中實現(xiàn)全向覆蓋，使用所提同步檢測器時的漸進虛警概率最小，以及使用所提同步檢測器時在獨立同分布信道與單徑信道下的漸進漏檢概率最小。接著，通過利用ZC序列以及Golay序列，給出了同時滿足這些條件的發(fā)射與接

7、收波束賦形矩陣的若干設計。與傳統(tǒng)的波束掃描方法相比，所提的同步信號傳輸方法具有顯著的性能增益。
　　⑷研究了MIMO-OFDM系統(tǒng)中考慮同信道干擾的信道估計問題。提出聯(lián)合估計信道頻域響應(CFR，Channel Frequency Response)矩陣與干擾加噪聲協(xié)方差(INC，Interference-plus-Noise Covariance)矩陣的理論方法。CFR矩陣可以利用信道的時域稀疏性并根據(jù)最小二乘準則直接估計。與在

8、頻域直接估計INC矩陣的傳統(tǒng)方法不同，提出在時域中估計干擾加噪聲的自相關函數(shù)。自相關函數(shù)的估計分為兩步:首先，給出了殘差樣本自相關函數(shù)與真實自相關函數(shù)間的關系，并利用這一點，提出了一種補償方法用來改進估計精度;然后，由于所得到的經(jīng)補償?shù)臍埐顦颖咀韵嚓P函數(shù)不能保證是自相關序列，提出使用半正定規(guī)劃(SDP，Semi-Definite Programming)來尋找一個與之最為接近的自相關序列，并通過求解該SDP問題的對偶問題，顯著降低了運算

9、復雜度。最后，所得到的ICM估計可以被用來改進CFR的估計。將估計得到的CFR矩陣與INC矩陣用于干擾抑制合并接收機，可以獲得出色的干擾抑制性能。
　?、裳芯苛薓IMO系統(tǒng)中考慮同信道干擾的半盲信道估計問題。提出聯(lián)合利用導頻與數(shù)據(jù)接收信號來估計信道矢量與INC矩陣的理論方法。當數(shù)據(jù)信號的長度較大時，數(shù)據(jù)接收信號的樣本協(xié)方差矩陣可以被近似為信道矢量的協(xié)方差矩陣與INC矩陣的和。利用這個性質(zhì)，提出了一種對信道矢量與INC矩陣進行聯(lián)合條