MIMO系统天线到来角的研究

论文摘要

MIMO技术是第四代移动通信中的关键技术，到来角是天线技术研究中的重要组成部分，单天线到来角的相关研究已有很大成果，但是MIMO系统的到来角问题的研究却几乎仍处于空白阶段。根据ITU-R M.2135标准报告，到来角是制约MIMO系统整体性能的关键因素之一。总体而言，本研究是一项前沿技术研究，也是一项基础性研究，对于完善MIMO技术有着很高的重要性，有着重大的意义和广阔的前景。为解决MIMO系统的到来角问题，找到合理的解决方法，改善并提高MIMO系统的性能，本研究对MIMO系统的到来角问题进行了深入探讨。解决MIMO系统到来角问题的关键在于能够准确快速的估计出到来角。结合MIMO系统自身的特点，本研究先从MIMO系统的基本模型着手，首先建立系统模型，然后利用数学推导的方法找到产生到来角的关键因素，为整个研究的进行做好铺垫。要进行到来角的估计，离不开对信道矩阵的估计，本研究中提出了两种信道估计方法，比较其性能之后，得出一种较好的MIMO信道估计方法。比较之前的各种到来角估计方法，结合MIMO技术中的极化分集技术，最终提出了一种准确性和稳定性都较好的MIMO系统到来角估计方法——复合空间谱方位估计（CSM）算法，先从MIMO系统到来角模型入手，建立了三种情况下的到来角模型，分别是非均匀线阵模型、均匀线阵模型和正交线阵模型，推导出CSM算法的合理形式，然后通过一系列的仿真分析验证其正确性，包括单目标估计、多目标估计、统计性能、实测数据的仿真分析，最后通过与MUSIC、SSMUSIC、Capon等几种经典的到来角估计算法的比较，验证了CSM算法良好的性能。本研究从MIMO基本信道模型入手，通过一系列的数学推导找到影响到来角的关键因素，得出到来角模型的具体形式，进而提出了一种较为合理的到来角估计方法，通过一系列的仿真分析以及与多种广泛应用的估计方法的比较，验证了本方法的合理性及可行性。此外，本方法也适用于其它系统的到来角估计，针对于未来的无线通信技术，具有进一步的扩展及改进空间，本方法对MIMO技术的深入研究和提高有着重要的意义和广阔的前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 本研究的主要研究内容
• 1.2 本研究所在领域研究现状
• 1.3 本研究所要解决的问题
• 第二章 MIMO 信道模型分析
• 2.1 MIMO 系统的信道模型
• 2.2 不同信道下的 MIMO 容量公式
• 2.2.1 单天线
• 2.2.2 多天线情况下，信道矩阵不变
• 2.2.3 多天线情况下，正交发射
• 2.3 本章小结
• 第三章 MIMO 系统信道估计
• 3.1 最小均方误差估计
• 3.1.1 基本算法
• 3.1.2 改进算法
• 3.2 线性最小均方误差估计算法
• 3.3 算法仿真
• 3.4 算法性能比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 极化分集时 MIMO 信道容量研究
• 4.1 极化分集时 MIMO 信道模型
• 4.2 信号空间相关性分析
• 4.3 仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 MIMO 系统到来角的数学解析
• 5.1 非均匀线阵信号模型
• 5.2 均匀线阵信号模型
• 5.3 正交线阵信号模型
• 5.4 本章小结
• 第六章 一种 MIMO 系统到来角估计方法
• 6.1 基于 FFT 的快速 AOA 估计算法
• 6.2 基于空间分割的快速 MUSIC 算法
• 6.3 单信源情况下 AOA 估计的最小二范数算法
• 6.4 子空间算法
• 6.4.1 子空间投影类算法框架
• 6.4.2 各种子空间投影类算法分析
• 6.4.3 合成空间谱方位估计算法原理
• 6.5 本章小结
• 第七章 CSM 算法的仿真计算
• 7.1 估计性能仿真分析
• 7.2 单目标 AOA 估计性能分析
• 7.3 多目标 AOA 估计性能分析
• 7.4 统计性能分析
• 7.5 实测数据分析
• 7.6 本章小结
• 第八章 结论
• 8.1 论文工作总结
• 8.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在读期间研究成果