多天線相位噪聲系統(tǒng)性能分析及接收機設計.pdf

1、為滿足無線通信業(yè)務量的迅猛增長及接入終端數(shù)目的海量增加，業(yè)界現(xiàn)已啟動對第五代(5G)移動通信系統(tǒng)的定義與標準化工作。5G移動通信系統(tǒng)需要實現(xiàn)的核心指標之一是將頻譜效率和功率效率在現(xiàn)有基礎上提升一個量級，為此5G系統(tǒng)需要全新的架構(gòu)支持，設計全面、智能、高容量的回程網(wǎng)絡進而成為5G系統(tǒng)的關鍵任務之一。采用高階星座調(diào)制信號以保證高吞吐量的回程鏈路對相位噪聲極度敏感，這在根本上限制了系統(tǒng)傳輸性能，因此，相位噪聲對回程鏈路容量的影響引起了廣泛關注

2、。本論文針對受到相位噪聲影響的多天線系統(tǒng)性能和接收機設計展開研究。
　　首先，本文研究單個振蕩器驅(qū)動的共相位噪聲多天線系統(tǒng)性能，推導了酉陣和非酉陣信道矩陣場景下系統(tǒng)容量界表達式。在酉陣信道矩陣場景中，利用互信息量和熵的性質(zhì)推導出容量上界和漸近容量表達式;在非酉陣信道矩陣場景中，將M×M維多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)分解成一個單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)和一個M-1×M-1維MIMO系統(tǒng)，利用SISO系統(tǒng)估計相位噪聲當前采樣值并用估

3、計結(jié)果消除M-1×M-1維MIMO系統(tǒng)中相位噪聲帶來的干擾，上述方法將第二部分系統(tǒng)化簡成加性高斯白噪聲(AWGN)系統(tǒng)進而利用注水法得到準確的容量表達式。此外，利用因子圖(FG)數(shù)值仿真算法模擬了正交振幅調(diào)制(QAM)下系統(tǒng)實際的速率曲線并與表達式進行了對比，仿真結(jié)果表明，推導的容量界和漸近容量表達式能準確地反映出系統(tǒng)實際容量。
　　接著，本文研究不同振蕩器驅(qū)動的獨立相位噪聲多天線系統(tǒng)性能，推導出不同天線配置下系統(tǒng)容量界表達式。先

4、利用互信息量和熵的性質(zhì)得到受到獨立相位噪聲影響時單輸入多輸出(SIMO)系統(tǒng)和多輸入單輸出(MISO)系統(tǒng)容量的表達式，在此基礎上討論了如何達到上述系統(tǒng)容量等實際問題，進一步考慮獨立相位噪聲影響下的MIMO系統(tǒng)，將MIMO系統(tǒng)分解成多個MISO系統(tǒng)，利用其中某個MISO系統(tǒng)估計得到的發(fā)送相位噪聲采樣值消除其余MISO系統(tǒng)中發(fā)送相位噪聲過程，上述方法保證其余MISO系統(tǒng)都只受到各自接收相位噪聲的干擾。此外，利用FG數(shù)值仿真算法模擬了QAM

5、下系統(tǒng)實際的速率曲線并與表達式進行了對比，仿真結(jié)果表明，推導的容量界表達式能準確地反映出系統(tǒng)實際容量。
　　然后，本文研究兩收兩發(fā)多天線相位噪聲系統(tǒng)的空分復用增益，描述了高信噪比下容量變化的特性。一方面，分別關閉收發(fā)雙端的一根天線將系統(tǒng)簡化成單天線系統(tǒng)，利用“可達性”原理推導出空分復用增益的下界;另一方面，對系統(tǒng)進行變換并假設變換后系統(tǒng)的輸出滿足多維Gamma聯(lián)合分布，利用對偶性原理得到空分復用增益上界，由一致的上、下界結(jié)果得到準

6、確的系統(tǒng)空分復用增益。研究結(jié)果表明，兩發(fā)兩收多天線相位噪聲系統(tǒng)與單天線相位噪聲系統(tǒng)有相同的復用增益，即在相位噪聲系統(tǒng)中增加發(fā)送天線和接收天線不能增加系統(tǒng)的自由度，揭示了相位噪聲系統(tǒng)與AWGN系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別。
　　最后，本文研究相位噪聲系統(tǒng)中最大似然接收機的設計，提出了一種只涉及相位噪聲均值和方差的判決準則。先對相位噪聲系統(tǒng)中最大似然接收判決準則進行了分析，利用泰勒展開將原始判決準則表示成相位噪聲條件概率密度函數(shù)各階中心矩的權重和。