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基于多天线系统的预编码技术研究

作　者: 李元柳
导　师: 刘海涛；蒋立辉
学　校: 中国民航大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 多天线系统(MIMO) 预编码算法信道状态信息垂直空时分层码空时分组编码 STBC-VBLAST 线性星座旋转预编码
分类号: TN919.72
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 205次
引　用: 1次
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内容摘要

多天线系统,也称为多输入多输出(MIMO)系统,可显著提高通信系统的传输容量与链路传输的可靠性,因而,已成为实现未来高速宽带无线接入网的关键技术之一,并且广泛应用于下一代移动通信系统。本论文以MIMO系统下行链路传输为基础,依次讨论了基于空间复用、空间分集、混合结构下的单用户预编码技术,分别对各种不同信道状态信息下的预编码技术进行理论推导、算法分析以及性能仿真。本论文主要研究成果如下:第一:提出了一种基于STBC-VBLAST混合结构的预编码技术。该方案以系统成对差错概率最小或信道容量最大为准则,发射端先对各个STBC码块对应的子信道进行QR矩阵分解,将上三角矩阵R的对角线上的矩阵块作为去除其它层干扰的等效子信道矩阵,再对各子信道矩阵进行特征值分解,得到各子层特征波束成型方向,在波束成型方向上利用注水原则进行能量分配。将各子层的预编码矩阵进行块对角化,得到系统预编码矩阵。所提方案适用于TDD模式,可充分利用信道状态信息,有效降低STBC-VBLAST系统误码率,同时提高系统信道容量。经MATLAB仿真,该方案在采用低维信号调制时,效果尤其较显著。第二:针对信道存在相关性与秩亏的VBLAST空间复用系统,在发射端已知信道协方差统计信息时,分析相关信道下的系统成对差错概率,推导出发射端已知信道协方差统计信息下的预编码矩阵,理论分析指出,最优统计预编码阵由发射相关矩阵前几个较大特征值对应的特征向量组成,同时,功率在各个特征方向上进行等额分配,该方案可显著改善系统差错性能。经仿真验证,统计预编码阵可减小信道相关性对系统性能带来的衰减。第三:针对存在空间相关性的开环线性星座预编码(LCP)系统,通过对系统差错性能与编码准则的分析,得出在独立同分布或者弱相关信道下,LCP方法在提供分集增益的同时,还可获得较高的编码增益,但在强相关信道下,信道相关性对LCP编码的影响较大,使得LCP方法只能提供分集增益,而无法获得编码增益。本文还对基于空间复用的VBLAST、基于发射分集的STBC系统在不同CSIT下的预编码设计进行了总结。对于空间复用VBLAST系统,依次讨论了1)发射端完全已知信道状态信息下,接收机采用线性或非线性检测器时的最优线性预编码问题;2)发射端仅已知信道协方差统计信息,信道存在秩亏时的线性统计预编码问题;3)对于限速率反馈系统,发射端根据反馈信息从码本中选择合适的码字作为预编码矩阵,本文对格拉斯曼空间打包、矢量量化两种码本设计方法进行研究;4)对于已知信道协方差统计特性的限速率反馈系统,码本可由发射相关矩阵的特征向量,以及将特征向量进行缩放旋转后的新向量构成,其性能在统计预编码与完全已知CSI下的最优预编码性能之间。最后,对于完全发射分集STBC系统,分别在发射端已知信道协方差信息、均值与协方差信息、存在信道误差信息三种CSIT情况下,从系统差错性能出发,推导出不同CSI对应的最优化目标函数,再对目标函数进行求解,得到线性预编码矩阵。分别对上述情况下预编码系统的差错性能进行仿真分析,验证预编码对系统性能的改善。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
缩略语说明  13-14
符号表  14-16
第一章绪论  16-21
  1.1 研究背景  16
  1.2 未来移动通信发展方向  16-18
  1.4 论文主要创新点  18-19
  1.5 论文内容安排  19-21
第二章 MIMO 系统基本原理  21-42
  2.1 引言  21
  2.2 MIMO 系统模型  21-23
  2.3 MIMO 系统信道容量分析  23-31
    2.3.1 发射端未知信道状态下MIMO 信道容量分析  23-24
    2.3.2 发射端已知信道状态下MIMO 信道容量分析  24-26
    2.3.3 两种方案性能比较  26-27
    2.3.4 两种方案下MIMO 系统容量仿真  27-29
    2.3.5 空间相关性对MIMO 信道容量的影响  29-31
    2.3.6 莱斯因子对MIMO 信道容量的影响  31
  2.4 MIMO 系统中的空时编码技术  31-41
    2.4.1 垂直分层空时编码  33-36
    2.4.2 空时分组编码  36-41
  2.5 小结  41-42
第三章基于空间复用系统的预编码设计  42-81
  3.1 研究综述  42-43
  3.2 基于SVD 信道分解的预编码设计  43-45
    3.2.1 系统模型  43
    3.2.2 SVD 信道分解基本原理  43-44
    3.2.3 仿真结果及分析  44-45
  3.3 基于GMD 信道分解的预编码设计  45-53
    3.3.1 GMD 分解基本原理  45-46
    3.3.2 MIMO 系统中的GMD 分解  46-47
    3.3.3 基于GMD 算法的MIMO 系统性能分析  47-49
    3.3.4 基于子信道选择的GMD 算法  49-50
    3.3.5 仿真结果及分析  50-53
  3.4 秩亏信道下预编码设计  53-58
    3.4.1 系统模型  53-54
    3.4.2 完全已知信道状态下预编码设计  54-55
    3.4.3 线性检测接收机下的最优预编码  55-57
    3.4.4 仿真结果及分析  57-58
  3.5 限速率反馈下的发射端预编码设计  58-67
    3.5.1 系统模型  58
    3.5.2 空间复用结构下预编码选取准则  58-60
    3.5.3 Grassmannian 空间下的码本设计  60-63
    3.5.4 矢量量化方法下的码本设计  63-65
    3.5.5 仿真结果及分析  65-67
  3.6 相关信道下的发射端预编码设计  67-76
    3.6.1 系统模型  67-68
    3.6.2 相关信道下预编码设计  68-69
    3.6.3 相关信道下的子信道能量分配  69-72
    3.6.4 仿真结果及分析  72-76
  3.7 相关信道下限速率反馈预编码设计  76-80
    3.7.1 统计预编码系统性能损失分析  76-77
    3.7.2 相关信道下限速率反馈码本设计  77-78
    3.7.3 仿真结果及分析  78-80
  3.8 小结  80-81
第四章基于发射分集系统的预编码设计  81-110
  4.1 引言  81-82
  4.2 开环系统空时预编码设计  82-86
    4.2.1 基于酉星座旋转的预编码系统  82-83
    4.2.2 基于酉旋转的空时预编码设计  83-84
    4.2.3 LCP 相关信道下的性能分析  84-85
    4.2.4 仿真结果及分析  85-86
  4.3 信道协方差反馈下发射端的预编码设计  86-98
    4.3.1 Kronecker 空间相关信道模型  86-88
    4.3.2 Kronecker 相关信道下发射端的预编码设计  88-89
    4.3.3 非Kronecker 空间相关信道模型  89-90
    4.3.4 非Kronecker 相关信道下发射端的预编码设计  90-93
    4.3.5 仿真结果及分析  93-98
  4.4 均值、协方差反馈下发射端的预编码设计  98-103
    4.4.1 系统模型  98
    4.4.2 均值协方差反馈下的最优化准则  98-99
    4.4.3 发射端的预编码设计  99-101
    4.4.4 信道因子K 对预编码矩阵的影响  101
    4.4.5 仿真结果及分析  101-103
  4.5 存在信道误差反馈下的预编码设计  103-109
    4.5.1 系统模型  104
    4.5.2 基于PEP 最小准则下的最优化问题  104-106
    4.5.3 误差反馈下发射端的预编码设计  106-108
    4.5.4 仿真结果及分析  108-109
  4.6 小结  109-110
第五章 STBC-VBLAST 混合结构下的预编码设计  110-120
  5.1 引言  110-111
  5.2 STBC-VBLAST 混合系统模型  111-115
  5.3 多层STBC 复用结构下的预编码设计  115-118
  5.4 仿真结果及分析  118-119
  5.5 小结  119-120
第六章总结与展望  120-122
  6.1 总结  120-121
  6.2 未来研究方向  121-122
致谢  122-123
参考文献  123-130
专利申请  130
硕士期间发表论文  130

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