基于信道統(tǒng)計信息的MIMO系統(tǒng)發(fā)射端最優(yōu)設(shè)計.pdf

1、現(xiàn)代無線通信面臨著頻譜資源有限，傳輸環(huán)境復(fù)雜等諸多困難。隨著對更高的數(shù)據(jù)傳輸率、更好的服務(wù)質(zhì)量、更大的網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋等需求的增大，許多能夠提高頻譜效率和傳輸可靠性的新技術(shù)和新方案應(yīng)運而生。在無線通信系統(tǒng)的發(fā)射機和接收機處使用多元天線陣，即無線MIMO技術(shù)，就是其中之一。MIMO系統(tǒng)用于分集傳輸，能更有效的克服各種信道衰落和干擾，提高信號的傳輸性能。隨著對MIMO技術(shù)研究的深入，它所能提供的性能增益也越來越引人注目，并且被認(rèn)為是實現(xiàn)未來高

2、速寬帶無線Internet接入網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，在第三代(3G)乃至三代以后(B3G)的移動通信系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，MIMO技術(shù)已被引入到諸如UMTS和ICDMA2000標(biāo)準(zhǔn)中。在固定無線接入和WLAN應(yīng)用中，MIMO技術(shù)也被IEEE802.16和802.11標(biāo)準(zhǔn)制訂者作為一種重要實現(xiàn)方案進(jìn)行研究。MIMO系統(tǒng)用于空間多路復(fù)用，可以在不增加發(fā)射功率和占用帶寬的條件下極大地提高數(shù)據(jù)傳輸速率。目前已經(jīng)證明在發(fā)射端和接收端都已知信

3、道信息的理想情況下，MIMO系統(tǒng)的容量與發(fā)射端和接收端最小天線數(shù)目成正比。但是當(dāng)發(fā)射端不能獲得信道的準(zhǔn)確信息時，系統(tǒng)的容量性能會受很大的影響。在實際的傳輸系統(tǒng)中，由于信道的快速變化、傳輸時延或信道估計誤差等多種因素的制約，在發(fā)射端不可能獲得準(zhǔn)確的信道信息，而信道的統(tǒng)計信息在一段時間內(nèi)可以看作是不變的，因此對于快速變化的信道，不需要頻繁的將信道信息反饋到發(fā)射端，只有當(dāng)信道的統(tǒng)計信息發(fā)生變化時再反饋即可，并且已經(jīng)證明利用發(fā)射端的信道統(tǒng)計信息

4、可以提高M(jìn)IMO系統(tǒng)的容量，本文主要討論利用反饋到發(fā)射端的信道統(tǒng)計信息對發(fā)射端進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計，主要研究成果如下： ⑴分別采用遍歷容量、中斷概率和誤碼率作為性能指標(biāo)來分析發(fā)射端獲得信道的統(tǒng)計信息時，發(fā)射信號的最優(yōu)化設(shè)計問題。首先以遍歷容量作為性能準(zhǔn)則，在分別介紹了發(fā)射端獲得信道均值信息或者協(xié)方差信息時，最優(yōu)發(fā)射信號形式的基礎(chǔ)上，著重介紹了當(dāng)信道的均值和協(xié)方差信息同時反饋到發(fā)射端時，系統(tǒng)的最優(yōu)信號發(fā)射形式，推導(dǎo)了信號的最優(yōu)發(fā)射方向，

5、并且給出了功率優(yōu)化分配的算法。接著以最小化系統(tǒng)的中斷概率為性能指標(biāo)，針對發(fā)射端和接收端都存在空間相關(guān)性的MIMO系統(tǒng)，討論了協(xié)方差反饋時發(fā)射信號的最優(yōu)發(fā)射形式。最后以誤碼率為性能準(zhǔn)則，討論協(xié)方差反饋時系統(tǒng)的最優(yōu)預(yù)編碼矩陣設(shè)計，推導(dǎo)了一個誤碼率的上界，給出了最優(yōu)預(yù)編碼矩陣的特征向量方向以及功率分配方案，最后通過仿真分析了各種信道因素對系統(tǒng)性能的影響。 ⑵提出了一種適用于非正交空時分組碼的預(yù)編碼設(shè)計方案?？諘r編碼技術(shù)將多天線技術(shù)和編

6、碼技術(shù)相結(jié)合，可以在不犧牲帶寬的條件下起到發(fā)射分集和功率增益的作用，是MIMO系統(tǒng)中一項十分重要的信號處理技術(shù)，將空時編碼技術(shù)和預(yù)編碼技術(shù)相結(jié)合是MIMO系統(tǒng)研究的一個重要領(lǐng)域。本文在正交空時分組碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行推廣，提出了一種適用于其他非正交結(jié)構(gòu)空時分組碼的預(yù)編碼設(shè)計方案，推導(dǎo)出最優(yōu)預(yù)編碼矩陣的特征向量與發(fā)射相關(guān)矩陣的特征向量和空時分組碼的結(jié)構(gòu)有關(guān)，并且給出了最優(yōu)預(yù)編碼矩陣功率分配的公式。 ⑶分析了接收端的信道估計誤差對于系統(tǒng)性

7、能的影響。針對SISO系統(tǒng)，文章以中斷容量為性能準(zhǔn)則，討論了Nakagami-m和Rice信道中由于信道估計誤差的存在導(dǎo)致系統(tǒng)中斷容量的不確定，推導(dǎo)了中斷容量的上界和下界。對于MIMO系統(tǒng)，分析了信道估計誤差對于系統(tǒng)信道容量的影響，給出了信道容量的邊界，著重分析了在接收端存在信道估計誤差，發(fā)射端具有不同的信道狀態(tài)信息時，系統(tǒng)發(fā)射信號的最優(yōu)傳輸策略，并且通過仿真分析了信道估計誤差對于MIMO系統(tǒng)性能的影響，同時比較了發(fā)射端具有不同的信道信