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TD-SCDMA向LTE TDD演进中的多天线技术

作　者: 龙恳
导　师: 吴伟陵
学　校: 北京邮电大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 智能天线 MIMO 预处理空间相关多用户分集
分类号: TN929.533
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

多天线技术因为在提高系统容量与频谱效率,提升系统传输性能等方面的优越性而逐渐受到关注。无线通信也从对频率域、时间域、码域的研究逐渐拓展到空间域。多天线技术在利用空时信道环境的空间特性上具有与生俱来的优越性。智能天线技术在多天线技术中因其优越的空间辨识能力,已经成为3G TD-SCDMA中的关键技术。具备通过波束赋形,增强期望信号,抑制干扰信号,实现空分多址(SDMA)的能力。并且随着研究的进步,逐步从窄带进入了宽带智能天线领域。MIMO多天线技术,随着研究的深入,逐渐从单用户MIMO系统拓展到多用户MIMO系统,从室内多散射不相关应用环境拓展到室外相关信道环境中。因其高频谱效率以及优越的传输性能,已经成为LTE乃至下一代无线通信的关键技术之一。然而当MIMO多天线技术从室内到室外,随着无线信道环境的改变,空间相关性将显著影响MIMO系统的容量与可靠性。对天线隔离度的需求也增加了工程施工的难度。因此MIMO多天线技术从开环发展到利用信道反馈进行闭环预处理的自适应阶段。能否有效降低信道相关性的影响,同时降低反馈负荷与算法复杂度,成为MIMO技术应用的关键因素。本文先从空时无线信道出发,推导了基于统计特性空时信道模型下的空时相关系数。给出了不同参数对空间相关性的影响。同时分析了同用户多径角度扩展与多径间独立性的关系,为后续章节的研究提供基础。在多径相互独立的前提下,本文提出了单用户波束赋形空分复用方案。第一种方案通过发射波束赋形与门限接收切换波束赋形,同时获得了空时无线信道中的空分复用增益与空间分集增益,提高系统的性能与容量。第二种方案在总结第一种方案应用局限性的前提下,提出了将双极化多天线极化分集与发射波束空分复用相结合的方案,为发射波束空分复用选择增加了更大的自由度,提升了系统性能。通过发射与接收端波束赋形的联合优化,系统减轻了反馈负荷,同时降低了复杂度。本文还将波束赋形引入多用户MIMO中,发挥了波束赋形消除用户间干扰的优点,同时相对于迫零等算法,减轻了闭环全反馈CSI的反馈负荷,利用了复用用户的空间自由度。由于系统性能受用户间空间相关性的影响,同时考虑到系统激活用户数一般大于多用户空分复用服务用户数,在波束赋形多用户空分复用方案的基础上,结合分组多用户分集。通过多径赋形波束在用户间造成的互干扰量度来调度系统中的激活用户数,增加了系统和容量。针对LTE下行链路时隙特征,最后给出了波束赋形多用户复用分集在系统存多个下行链路时隙的调度方案。分析了系统平均和容量与时隙数的关系,可以为实际应用中通过激活用户选择不同时隙配置提供参考。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-25
  1.1 论文研究的背景  11-12
  1.2 多天线技术的发展概况及研究动态  12-16
    1.2.1 智能天线发展概况  12-14
    1.2.2 MIMO无线通信技术发展概况  14-16
  1.3 TD-SCDMA发展概况及向LTE的演进  16-18
  1.4 本文相关内容的国内外研究现状  18-20
  1.5 本论文的内容及主要工作  20-21
  1.6 论文中的符号表示  21
  1.7 本章参考文献  21-25
第二章应用于LTE的多天线信道模型  25-43
  2.1 3GPP SCM空时信道模型基本概念  26-31
    2.1.1 空时信道模型的描述  26-27
    2.1.2 与空时信道模型相关的参数  27-31
  2.2 基于统计特性与基于几何信道的多天线空时信道模型的对比  31-34
    2.2.1 基于等效簇的信道几何模型  31-32
    2.2.2 基于统计特性信道模型的建立流程  32-34
  2.3 LTE空时信道模型中的空时相关性分析  34-41
    2.3.1 基于统计特性信道模型下空时相关性  34-37
    2.3.2 多簇与天线间距对空时相关性的影响  37-38
    2.3.3 角度扩散与天线间距对空时相关性的影响  38-39
    2.3.4 低角度扩散下多簇间相关性的分析  39-41
  2.4 小结  41
  2.5 本章参考文献  41-43
第三章单用户智能天线与MIMO相结合的研究  43-80
  3.1 多天线发射波束赋形技术概述  43-49
    3.1.1 发射波束赋形技术  43-47
    3.1.2 TD-SCDMA中的发射波束赋形技术  47-49
  3.2 波束赋形下的空分复用技术  49-74
    3.2.1 相关信道波束赋形下MIMO系统的各态历经容量分析  50-56
    3.2.2 发射波束赋形与空间复用相结合方案  56-70
    3.2.3 发射波束赋形空分复用与STBC双极化分集相结合方案  70-74
  3.3 上行链路DOA估计与多径衰落的估计  74-76
    3.3.1 基本MUSIC算法及在相干信源下的估计  75
    3.3.2 多径衰落的估计  75-76
  3.4 小结  76
  3.5 本章参考文献  76-80
第四章多用户MIMO系统中引入智能天线方案的研究  80-109
  4.1 多用户MIMO概述  81-85
    4.1.1 多用户MIMO系统迫零波束形成算法  81-84
    4.1.2 多用户MIMO系统最大化信干噪比算法  84-85
  4.2 波束赋形下MIMO多用户空分复用技术  85-93
  4.3 波束赋形下MIMO系统中分组多用户分集技术  93-103
    4.3.1 波束赋形下MIMO多用户空分复用容量分析  94-95
    4.3.2 多波束复用下多用户分集系统模型  95-101
    4.3.3 分组多用户分集系统和容量分析  101-102
    4.3.4 仿真结果  102-103
  4.4 波束赋形下分时隙调度多用户分集技术  103-106
    4.4.1 分时隙调度多用户分集系统模型  103-104
    4.4.2 分时隙调度多用户分集的优化问题描述  104-106
    4.4.3 仿真结果  106
  4.5 小结  106-107
  4.6 本章参考文献  107-109
第五章总结与展望  109-113
  5.1 总结  109-111
  5.2 本文研究工作展望  111-113
攻读博士学位期间发表的学术论文  113

TD-SCDMA向LTE TDD演进中的多天线技术

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