MIMO無(wú)線通信系統(tǒng)全向傳輸與信道估計(jì)理論方法研究.pdf

1、多輸入多輸出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)通過(guò)在發(fā)射端與接收端配置多根天線，能夠在無(wú)線信道中提供除了時(shí)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(lái)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(shí)問(wèn)題提供了有效的解決途徑。MIMO技術(shù)已成為現(xiàn)代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本論文開展MIMO無(wú)線通信系統(tǒng)全向傳輸與信道估計(jì)理論方法研究。本研究主要內(nèi)容包括：

2、r>　　⑴研究了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的全向傳輸問(wèn)題。提出了全向預(yù)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(hào)矢量由一個(gè)全向預(yù)編碼矩陣和一個(gè)低維信號(hào)矢量組成。在這種情況下，用戶終端(UT，User Terminal)僅需要估計(jì)預(yù)編碼后的降維等效信道，因此，下行導(dǎo)頻開銷可以被顯著降低。對(duì)于所提出的基于全向預(yù)編碼的傳輸方法，給出了全向預(yù)編碼矩陣所需要滿足的三個(gè)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(dú)立同分布信道下最大化可達(dá)遍歷速率。通過(guò)利用Zadoff-Chu(ZC)序列及其性質(zhì)，給出了同時(shí)滿足以上三個(gè)條件的全向預(yù)編碼矩陣的若干設(shè)計(jì)，同時(shí)分析了這些設(shè)計(jì)所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)可達(dá)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(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn):不論是獨(dú)立同分布信道還是空間相關(guān)信道，其都

4、能夠在大維情況下最大化可達(dá)遍歷速率、最大化可達(dá)分集度與最小化中斷概率;其能夠在預(yù)編碼后保持發(fā)送信號(hào)的PAPR。
　?、蒲芯苛舜笠?guī)模MIMO系統(tǒng)中的全向空時(shí)分組編碼問(wèn)題。為了降低下行導(dǎo)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(shí)分組碼(STBC，Space-Time Block Code)矩陣分解為一個(gè)與信道獨(dú)立的預(yù)編碼矩陣以及一個(gè)低維的STBC矩陣。通過(guò)聯(lián)合設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣與低維STBC矩陣中的調(diào)制符號(hào)星座，可以保證

5、在每個(gè)瞬時(shí)時(shí)刻，BS在各個(gè)方向上以及各個(gè)天線上的發(fā)射功率都相等，同時(shí)還可以獲得低維STBC的滿分集。在這一架構(gòu)下，設(shè)計(jì)了若干STBC的實(shí)例，其中預(yù)編碼的阿拉莫提碼可以通過(guò)單符號(hào)最大似然(ML，Maximum Likelihood)譯碼獲得分集度2，預(yù)編碼的準(zhǔn)正交STBC可以通過(guò)雙符號(hào)聯(lián)合ML譯碼獲得分集度4，而預(yù)編碼的非零元托普利茲碼以及預(yù)編碼的非零元重疊阿拉莫提碼可以通過(guò)線性接收機(jī)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(wèn)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(hào)的收發(fā)模型，并根據(jù)此模型，推導(dǎo)了基于廣義似然比檢驗(yàn)準(zhǔn)則的最優(yōu)同步檢測(cè)器。然后，給出了發(fā)射與接收波束賦形矩陣應(yīng)當(dāng)滿足的若干必要條件，其中包括:在整個(gè)同步過(guò)程中實(shí)現(xiàn)全向覆蓋，使用所提同步檢測(cè)器時(shí)的漸進(jìn)虛警概率最小，以及使用所提同步檢測(cè)器時(shí)在獨(dú)立同分布信道與單徑信道下的漸進(jìn)漏檢概率最小。接著，通過(guò)利用ZC序列以及Golay序列，給出了同時(shí)滿足這些條件的發(fā)射與接

7、收波束賦形矩陣的若干設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的波束掃描方法相比，所提的同步信號(hào)傳輸方法具有顯著的性能增益。
　?、妊芯苛薓IMO-OFDM系統(tǒng)中考慮同信道干擾的信道估計(jì)問(wèn)題。提出聯(lián)合估計(jì)信道頻域響應(yīng)(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(shí)域稀疏性并根據(jù)最小二乘準(zhǔn)則直接估計(jì)。與在

8、頻域直接估計(jì)INC矩陣的傳統(tǒng)方法不同，提出在時(shí)域中估計(jì)干擾加噪聲的自相關(guān)函數(shù)。自相關(guān)函數(shù)的估計(jì)分為兩步:首先，給出了殘差樣本自相關(guān)函數(shù)與真實(shí)自相關(guān)函數(shù)間的關(guān)系，并利用這一點(diǎn)，提出了一種補(bǔ)償方法用來(lái)改進(jìn)估計(jì)精度;然后，由于所得到的經(jīng)補(bǔ)償?shù)臍埐顦颖咀韵嚓P(guān)函數(shù)不能保證是自相關(guān)序列，提出使用半正定規(guī)劃(SDP，Semi-Definite Programming)來(lái)尋找一個(gè)與之最為接近的自相關(guān)序列，并通過(guò)求解該SDP問(wèn)題的對(duì)偶問(wèn)題，顯著降低了運(yùn)算

9、復(fù)雜度。最后，所得到的ICM估計(jì)可以被用來(lái)改進(jìn)CFR的估計(jì)。將估計(jì)得到的CFR矩陣與INC矩陣用于干擾抑制合并接收機(jī)，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(jì)問(wèn)題。提出聯(lián)合利用導(dǎo)頻與數(shù)據(jù)接收信號(hào)來(lái)估計(jì)信道矢量與INC矩陣的理論方法。當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)的長(zhǎng)度較大時(shí)，數(shù)據(jù)接收信號(hào)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(gè)性質(zhì)，提出了一種對(duì)信道矢量與INC矩陣進(jìn)行聯(lián)合條