无线通信系统中分层空时编码技术的研究

论文摘要

未来无线通信的两个主要挑战是提高系统的频谱利用率和通信链路的可靠性。研究表明,多输入多输出(MIMO)信号处理技术中的分层空时编码技术利用无线散射环境中的多径传播,能有效地获得空间复用增益,从而大大提高数据通信速率,特别是垂直贝尔实验室分层空时(VBLAST)编码方案,由于其实现相对简单,在频谱资源日益紧张的今天受到了广泛关注,因此,其成为新一代无线通信系统中首选的解决方案之一。传统的VBLAST方案虽然能提供相当高的频谱利用率,但其突出的缺点是:;分集性能差,获得的分集增益少;容易产生误差传播;译码算法相对复杂;要求接收天线不小于发送天线。由于VBLAST方案存在着以上缺点,且抗信道衰落性能不如其他空时编码技术,因而在实际的无线衰落信道中,限制了它的应用。因此,考虑实际信道中如何做到速率、性能和复杂度之间的折中,是目前VBLAST实现实用化最为关键的问题。本文针对此问题,研究了一种混合编码方案。该混合编码方案是将VBLAST与空时分组编码(STBC)结合起来,可以同时获得分集和复用增益,实现分集和复用的一个折中。考虑到传统的VBLAST每一层平均分配功率以及使用相同的传输速率,讨论了两种改进的VBLAST结构:其一,将发送端和接收端作为整体考虑,在总的传输功率不变的情况下,使系统总的误码率达到最小的功率分配方案;其二,从系统的角度出发,有效利用VBLAST的译码顺序,简单地在发送端进行比特和功率分配,只需少量的反馈信息来提高系统整体性能。VBLAST作为多天线系统中的一种空间复用技术,由于其译码复杂度高,需要发送端天线的同步以及接收天线数目不小于发送天线数目,限制了它的应用。针对此问题,本文简单讨论了一种新的空间复用技术—空间调制(SM)和将高速率线性扩散码(LD)用于VBLAST系统。在现代无线移动通信系统中,总是涉及到基站与多个用户、多个用户与用户之间的通信,因此,考虑VBLAST在多用户MIMO系统中的应用越来越来重要。最后探讨了基于VBLAST的多用户MIMO系统一些相关技术。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 多天线系统的研究背景和意义
• 1.2 空时编码技术的背景和发展概况
• 1.2.1 空时编码技术的背景
• 1.2.2 空时编码技术的发展概况
• 1.3 分集技术及空间复用技术
• 1.4 本课题的主要内容及结构安排
• 第2章 无线MIMO系统
• 2.1 无线移动通信系统的衰落
• 2.1.1 多径时延扩展产生的频率选择性衰落
• 2.1.2 多普勒频移产生的时间选择性衰落
• 2.1.3 角度扩展引起的空间选择性衰落
• 2.2 三种常用的小尺度衰落信道的统计特性
• 2.2.1 高斯信道
• 2.2.2 瑞利信道
• 2.2.3 RICIAN衰落信道
• 2.3 平坦衰落MIMO信道模型
• 2.3.1 独立同分布的瑞利慢衰落MIMO信道模型
• 2.3.2 相关衰落MIMO信道模型
• 2.3.3 带有极化特性的相关衰落的MIMO信道模型
• 2.4 MIMO信道容量
• 2.4.1 遍历容量
• 2.4.2 中断容量
• 2.4.3 相关衰落对信道容量的影响
• 2.5 分集和复用的折中
• 2.6 本章小结
• 第3章 分层空时编码
• 3.1 分层空时编码的基本模型
• 3.2 分层空时编码方案
• 3.2.1 DLST结构
• 3.2.2 VLST结构
• 3.2.3 HLST结构
• 3.2.4 TLST结构
• 3.3 分层空时编码的译码和接收
• 3.3.1 干扰抑制和连续干扰抵消算法
• 3.3.2 迫零检测（ZF）算法
• 3.3.3 MMSE检测算法
• 3.3.4 QR分解
• 3.3.5 排序QR分解（SQR）
• 3.3.6 ML最大似然译码算法
• 3.4 各种检测算法的性能分析和各自适用的环境
• 3.4.1 分集增益
• 3.4.2 各种检测算法的性能分析
• 3.4.3 各种检测算法的适用环境
• 3.4.4 仿真和结果分析
• 3.5 分层空时结构的译码算法用于正交和准正交空时分组编码
• 3.5.1 空时分组编码
• 3.5.2 空时分组码的译码
• 3.5.3 分层空时结构的译码算法译码STBC
• 3.5.4 仿真结果分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 分层空时分组编码（LSTBC）
• 4.1 分组干扰抑制
• 4.2 STBC与VBLAST的结合（STBC-VBLAST）
• 4.2.1 STBC-VBLAST的编码
• 4.2.2 STBC-VBLAST的译码
• 4.2.3 STBC-VBLAST与VBLAST的性能比较
• 4.2.4 新的译码方法用于STBC-VBLAST
• 4.2.5 仿真结果分析
• 4.3 线性扩散（LD）空时码
• 4.3.1 LD的编码原理
• 4.3.2 LD-STBC-VBLAST的接收端结构及译码
• 4.3.3 LD与VBLAST
• 4.3.4 仿真结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 改进的VBLAST结构
• 5.1 改进的VBLAST模型
• 5.2 改进的VBLAST的译码方案
• 5.3 发送端功率的分配
• 5.4 功率分配和自适应调制
• 5.5 空间调制（SM）
• 5.5.1 复杂度分析
• 5.6 仿真结果分析
• 5.7 本章小结
• 第6章 分层空时码多用户系统
• 6.1 多用户MIMO系统
• 6.1.1 信道模型
• 6.1.2 VBLAST多用户系统设计
• 6.2 多用户MIMO系统的预编码技术
• 6.2.1 下行链路信道模型
• 6.2.2 线性预编码技术
• 6.2.3 非线性预编码技术
• 6.3 多用户分集和调度
• 6.4 仿真结果分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 攻读学位期间参与项目
• 致谢
• 研究生履历