MIMO-OFDM無線通信系統(tǒng)中迭代接收與自適應技術的研究.pdf

1、近年來,移動通信技術在全球范圍內(nèi)得到了迅猛的發(fā)展.市場需求的不斷擴大刺激著移動通信技術在數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)容量上的要求不斷提升.但是,3G移動通信技術提供的最高2Mbps的數(shù)據(jù)業(yè)務能力已經(jīng)不能滿足未來移動通信高速數(shù)據(jù)業(yè)務以及多媒體業(yè)務的需求.在有限的頻譜資源上提供高速、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務將成為未來移動通信系統(tǒng)中無線傳輸技術必須解決的問題. 針對新的業(yè)務要求,近年來,寬帶無線移動通信系統(tǒng)對傳輸技術的需求和應用迅速增長.能夠支持更高數(shù)

2、據(jù)傳輸速率的新一代移動通信系統(tǒng)(Beyond 3G/4G)已經(jīng)成為研究的熱點.而被廣泛用于無線局域網(wǎng)絡(Wireless Local Area Network,WLAN)和高清晰度電視(High Definition TV,HDTV)地面?zhèn)鬏數(shù)葮藴实恼活l分復用技術(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)和近年來嶄露頭角的多入多出技術 (Multiple Input Multip

3、ie Output),被認為是B3G/4G通信系統(tǒng)的有效、可行的實現(xiàn)方案. 本文以B3G/4G通信系統(tǒng)研究為背景,深入研究了基于MIMO-OFDM技術的無線移動通信系統(tǒng)中與迭代接收和自適應技術相關的若干關鍵問題.主要內(nèi)容包括:研究了雙二元Turbo碼譯碼器的終止迭代準則及自適應譯碼算法;研究了 Turbo 乘積碼的隨機交織編譯碼方案;研究了一類基于整環(huán)上置換多項式的交織器;研究了基于3GPP編碼方案的交織器存儲方法;針對GSTB

4、CMIMO-OFDM這種多天線多載波系統(tǒng)架構(gòu),研究了結(jié)合信道估計、MIMO解調(diào)與信道譯碼單元的迭代接收機設計方法. 研究MIMO-OFDM系統(tǒng)中基于奇異值分解的自適應技術. 首先,對MIMO信道作了深入研究,分析了它的容量特性、空時編碼方法以及空時信號檢測算法,并對信道編碼中的 Turbo 碼編譯碼方法進行分析,為后續(xù)提出的糾錯碼編譯碼方法以及迭代接收機設計的研究奠定了基礎. 論文的重點之一是對多種糾錯編碼的研究和分析.

5、雙二元Turbo碼和Turbo乘積碼都是在一些無線通信標準中得到廣泛應用的糾錯碼.在Turbo碼譯碼算法的基礎上,論文推導了雙二元Turbo碼的譯碼算法,分析了軟輸入軟輸出譯碼器的軟信息統(tǒng)計值,通過仿真得到了終止迭代度量的門限值.并提出了一種根據(jù)軟信息值變化在Log-MAP和Max-Log-Map算法之間進行切換的自適應譯碼算法.該算法可以有效減少譯碼迭代次數(shù),從而減小譯碼延遲并降低硬件復雜度.另一方面,通過分析Turbo乘積碼的譯碼錯

6、誤原因,文中還給出了一種簡化的基于隨機交織的Turbo乘積碼編碼方法.該編碼方法有利于增大乘積碼的最小碼重和減少最小碼重的碼字個數(shù),因此可以有效地降低Turbo乘積碼的誤碼率,簡化編碼時的交織模式. 研究表明,交織器是Turbo碼等糾錯碼中非常重要的組成部分.論文介紹了交織器的基本原理,并給出了一些比較重要的交織器類型和設計準則.同時,研究了一類基于整環(huán)上置換多項式的交織器,介紹了相關的數(shù)學理論和設計準則.特別地,針對三次多項式

7、,得到了置換多項式的判別方法和較好的交織圖樣,并證明這類交織器都是最大無沖突的,為進一步的理論研究和硬件實現(xiàn)打下了堅實的基礎.為了在現(xiàn)有標準體系下實現(xiàn)高速Turbo譯碼,論文提出了一種用于并行'Turbo譯碼的交織器存儲方案,可以有效地防止存儲訪問沖突,從而可提高譯碼速率,并可以靈活地實現(xiàn)多種3GPP交織碼長的片上配置. 論文的另一研究重點是針對一種特定的空時OFDM系統(tǒng)架構(gòu)(GSTBCMIMO-OFDM),提出了一種迭代接收機

8、的設計方案.借鑒Turbo原理的思路,此設計方案結(jié)合了信道估計、MIMO解調(diào)與信道譯碼單元間的軟信息交換,通過在三者之間交互外信息使信號檢測更加精確.而且針對系統(tǒng)特點,采用EM算法等方法以減少矩陣求逆操作的復雜度,有利于提高系統(tǒng)的可實現(xiàn)性.論文對影響迭代接收機性能的各個參數(shù),如信道歸一化多普勒頻移、導頻間隔、迭代次數(shù)等進行了仿真,給出該迭代接收機的適用場合以及合適的接收機設置參數(shù). 在MIMO-OFDM系統(tǒng)中,自適應傳輸技術也是

9、亟待解決的關鍵技術之一.論文研究了基于奇異值分解的MIMO-OFDM系統(tǒng)的比特加載和功率分配問題;介紹了基于SVD的MIMO-OFDM系統(tǒng)上的空頻注水算法;研究了引入"平坦頻率限制"假設的簡化算法,研究了基于"平坦頻率限制"假設的簡化算法,并從理論上證明"平坦頻率限制"假設的合理性:利用信道矩陣奇異值排序統(tǒng)計特性,提出基于SVD的MIMO-OFDM系統(tǒng)的改進比特分配方案與相應算法.相比基于平坦頻率限制假設的算法,雖然該算法的運算復雜度有