多入多出系统中的差分检测关键技术研究

论文摘要

随着世界范围内无线通信容量需求的提高,持续增长的容量需求与有限频谱资源之间的矛盾成为研究高频谱利用率技术的动力和挑战。在众多新技术中,基于多天线的多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）技术已被证明是实现充分利用空间资源、提高频谱利用率的有效途径之一,是未来宽带无线通信系统的主要技术。MIMO系统中,由于信道的时变特性、用户的快速移动等原因,在很多无线应用环境中,对信道的精确估计是十分困难的。在这些情况下,差分检测技术成为了很有吸引力的一种方案:差分检测技术无需进行信道估计,克服了相干检测技术需要准确信道信息的缺点,同时简化了接收机设计。因此,本文系统地研究了MIMO系统中的差分检测技术。本文主要研究了三类MIMO系统的差分检测技术:基于集中式发射天线的MIMO（本文简称为集中式MIMO）系统差分检测技术;基于异步发射信号的MIMO系统差分检测技术;基于分布式发射天线的分布式MIMO系统差分检测技术。首先,在集中式MIMO系统差分检测技术研究中,本文主要解决了现有集中式MIMO系统差分检测算法复杂度高、频谱利用率低的问题,主要创新点如下:（1）提出了一种新的基于准正交空时码的低复杂度MIMO差分检测算法,该算法利用联合星座映射的方法构造准正交空时码进行差分编码;接收端可实现星座符号对并行差分检测。与现有算法相比,由于该算法采用并行处理方式,复杂度大大降低。（2）提出一种新的基于Alamouti空时码的相位差分检测算法,该算法将数据信息差分调制成相位信息,接收端利用前后连续接收量检测相位信息。该算法简单,易于实现,是一种极具实用性的算法。（3）针对现有的集中式MIMO系统差分检测算法频谱利用率低的问题,提出一种新的高频谱利用率的Alamouti空时码差分检测算法,通过对发射符号的角度旋转,增加了发射符号的信息量,提高了频谱利用率。其次,在基于异步发射信号的MIMO系统差分检测技术研究中,本文主要解决了现有集中式MIMO系统中V-BLAST（Vertical Bell Laboratories LayeredSpace-Time）信号无法进行差分检测、并且相干检测要求接收天线数目不小于发射天线数目的问题,主要创新点如下:（1）研究了基于异步发射信号的MIMO系统接收基带信号模型,推导出一种接收信号矩阵表达式。该数学模型使得基于异步发射的MIMO信号检测成为可能。（2）提出了一种基于异步发射的V-BLAST信号差分检测算法。该算法使得传统V-BLAST信号可以进行差分检测,并且,利用一根接收天线即可进行差分检测。最后,针对分布式MIMO系统中,由于基站天线分布于不同的地理位置导致现有的集中式MIMO系统差分检测算法无法应用的问题。本文系统地研究了分布式MIMO系统模型和分布式MIMO系统差分检测技术,主要创新点如下:（1）研究了分布式MIMO系统的接收基带信号模型,给出了矩阵表达式。该数学模型使得分布式MIMO信号检测成为可能。（2）提出了一种基于相移键控（Phase Shift Keying,PSK）调制的分布式MIMO系统V-BLAST信号差分检测算法。该算法将发射符号调制成差分相位信息,接收端通过检测相位信息进行解调。该算法解决了现有分布式MIMO系统无法进行差分检测问题,并且可利用一根接收天线进行检测。（3）提出了一种基于幅度相移键控（Amplitude Phase Shift Keying,APSK）调制的分布式MIMO系统V-BLAST信号差分检测算法。该算法将发射符号调制成差分相位和幅度信息,提高发送符号的信息量,在接收端可对幅度信息和相位信息分别进行差分检测,该算法也可用一根接收天线进行检测。（4）提出了一种基于Alamouti空时码的分布式MIMO信号差分检测算法。在分布式MIMO系统中,该算法的差分编码和检测方法可同样应用于其它类型空时分组码中,例如准正交空时码等。本文的研究内容丰富了现有的集中式MIMO系统差分检测技术的研究,并对基于异步发射信号的MIMO系统、分布式MIMO系统的差分检测技术进行了探索性研究,这些研究结果为多入多出系统差分检测技术的应用提供了参考依据。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 MIMO技术概述
• 1.2.1 MIMO技术原理
• 1.2.2 MIMO的空时译码方法
• 1.3 分布式MIMO技术概述
• 1.3.1 分布式MIMO技术原理
• 1.3.2 分布式MIMO的空时译码方法
• 1.3.3 与分布式MIMO有关的其它研究技术现状
• 1.4 差分检测技术研究现状
• 1.4.1 单天线系统差分检测技术
• 1.4.2 多天线系统差分检测技术
• 1.5 本文的主要研究内容和贡献
• 1.6 论文结构及内容安排
• 第二章无线信道模型
• 2.1 引言
• 2.2 信道模型
• 2.2.1 信道衰落
• 2.2.2 信道扩展
• 2.3 信道的加性噪声
• 2.4 MIMO系统模型
• 2.5 小结
• 第三章 集中式MIMO系统差分检测技术
• 3.1 引言
• 3.2 基于准正交空时码的低复杂度MIMO差分检测
• 3.2.1 系统模型
• 3.2.2 差分编码
• 3.2.3 差分检测
• 3.2.4 仿真结果和复杂度分析
• 3.2.5 编码及检测方法的扩展应用
• 3.3 基于Alamouti空时码的相位差分检测
• 3.3.1 系统模型
• 3.3.2 差分编码
• 3.3.3 差分检测
• 3.3.4 仿真结果和复杂度分析
• 3.4 高频谱利用率Alamouti空时码差分检测
• 3.4.1 系统模型
• 3.4.2 差分编码
• 3.4.3 差分检测
• 3.4.4 数值结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于异步发射信号的MIMO系统差分检测技术
• 4.1 引言
• 4.2 系统模型
• 4.2.1 发射机模型
• 4.2.2 接收机模型
• 4.3 基于异步发射信号的MIMO差分检测
• 4.3.1 差分编码
• 4.3.2 差分检测
• 4.4 仿真结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 分布式MIMO系统差分检测技术
• 5.1 引言
• 5.2 分布式MIMO系统模型
• 5.2.1 发射机模型
• 5.2.2 信道模型
• 5.2.3 接收机模型
• 5.2.4 关于异步发射信号的MIMO系统与分布式MIMO系统的区别的讨论
• 5.3 基于PSK调制的分布式MIMO系统V-BLAST信号差分检测
• 5.3.1 差分编码
• 5.3.2 差分检测
• 5.3.3 仿真结果
• 5.3.4 仿真结果分析
• 5.4 基于APSK调制的分布式MIMO系统V-BLAST信号差分检测
• 5.4.1 差分编码
• 5.4.2 差分检测
• 5.4.3 仿真结果及分析
• 5.5 基于STBC的分布式MIMO差分检测
• 5.5.1 系统模型
• 5.5.2 差分编码
• 5.5.3 差分检测
• 5.5.4 仿真结果及分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 全文总结
• 6.1 本文贡献
• 6.2 下一步工作的建议和未来研究方向
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 本文作者已发表、录用和在审的文章
• 本文作者在攻读博士学位期间参加的科研项目