MIMO技术及其在WLAN中的应用

论文摘要

多输入多输出（MIMO）技术是新一代无线通信系统的关键技术之一,它既可以增加传输的可靠性,也可以增加传输的速率。本文的研究就围绕MIMO的理论和应用展开,具体内容包括发射分集技术中的空时码设计准则与方法,空间复用及其与发射分集相结合时的编译码问题,最后从吞吐量的角度研究了这些技术在WLAN系统中的应用。本文的主要研究成果总结如下:首先研究了空时格码（STTC）迹设计准则的改进问题。本文指出迹准则的核心思想虽然是正确的,但给出的成对错误概率上界不合理,好码的设计方法也有不足。于是文中重新推导了成对错误概率上界,给出了分别适用于慢、快衰落的两个新的上界——特征值和方/方和比、以及平方距离和方/方和比。文中对好码的设计方法也做了改进,并且找到了一些性能更好的新码。文中还根据同一个码的特征值和方/方和比分布与平方距离和方/方和比分布的不同,解释了同一个码快慢衰落下存在性能差异的原因。另外还利用迹在快慢衰落下均为码性能主要决定因素的特点,将其用于设计在快慢衰落下均要求有良好性能的智贪码（smart-greedy code）,并据此找到了一些性能更好的智贪码。其次,本文将原平坦衰落下的迹准则推广到频率选择性衰落信道。这部分的工作包括两点:一是证明了无论慢衰落还是快衰落,迹准则的核心思想在频率选择性衰落下都仍然成立。二是通过对STTC与空频格码（SFTC）内在联系的理论分析,表明迹准则意义下好的STTC被用作SFTC时亦为好码,同时迹分布的改进思路对于SFTC也仍然适用。在无正交频分复用（OFDM）子载波间交织时,径间时延的增加可显著提高SFTC的性能,但在有交织时对码性能几乎没有提高。而对于OFDM子载波间交织,在径间时延较小时可显著提高码性能,但在时延较大时却会略微降低码性能。另外和STTC一样,增加SFTC的状态数可显著提高码性能。再次,本文研究了基于迹准则的超正交空时格码（SOSTTC）的手工设计问题。在这一部分,本文指出了采用秩-行列式准则进行SOSTTC手工设计的劣势,以及用迹准则进行手工设计的优势。研究了基于迹准则的SOSTTC手工设计中各要素的优化方法,特别是针对不同网格形状详细的给出了网格中信号、空时分组码（STBC）编码方式的手工分配方法。通过借鉴网格编码调制（TCM）中的星座扩展的思想,本文还设计出了一些性能更优的SOSTTC码。最后通过仿真证实了基于迹准则设计的SOSTTC在快衰落下也很好的性能,并指出了SOSTTC译码中容易出现的两种错误。接下来,本文研究了贝尔实验室分层空时结构（BLAST）及其与发射分集相结合的系统中的编译码问题。首先提出了一种改进的组干扰抑制算法——OGIS,该算法通过排序决定组的检测顺序,改善了误比特性能。其次,提出了一种基于OGIS的改进的垂直BLAST（V-BLAST）检测算法,当发射天线数较少时,该方法以可接受的复杂度改善了误比特性能。再次,针对STBC+V-BLAST混合系统,提出了一种简化的最大似然译码算法。针对STTC+V-BLAST混合系统,提出了两种准最大似然译码的算法。这两种算法相比于最大似然算法均大大降低了计算复杂度,相比于传统算法则误比特性能明显提高。文中还对STBC+V-BLAST与STTC+V-BLAST两种混合系统进行了比较,认为前者不仅在计算量上小于后者,而且在误比特性能上也略有优势。最后给出了应用于纯BLAST的5种纠错编译码方案,以及应用于复用-分集混合系统的10种纠错编译码方案,比较了每一种方案的优缺点,并进行了性能的仿真比较。得到的结论是多级译码作为次优译码,其译码的具体方法对性能影响很大,没有哪一种编码方式具有绝对的优势,系统设计时必需将发射端编码方案

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 英文缩略语表
• 第1章 绪论
• 1.1 论文的研究背景
• 1.1.1 无线通信系统的演进
• 1.1.2 无线通信中的关键新技术
• 1.1.3 MIMO 技术的应用
• 1.2 论文的研究内容
• 1.3 数学表达中的符号约定
• 第2章 MIMO 理论基础与无线信道
• 2.1 引言
• 2.2 MIMO 信道容量
• 2.2.1 确定性信道容量
• 2.2.2 遍历信道容量
• 2.2.3 中断容量
• 2.3 MIMO 技术类型
• 2.3.1 发射分集技术
• 2.3.2 空间复用技术
• 2.3.3 扩展到频域的MIMO 技术
• 2.4 MIMO 无线信道
• 2.4.1 移动多径信道参数
• 2.4.2 MIMO 信道建模与仿真
• 2.4.3 本文中使用的信道
• 2.5 本章小结
• 第3章 空时格码迹准则的改进
• 3.1 引言
• 3.2 慢衰落下迹准则的改进
• 3.2.1 系统模型和编码器表示
• 3.2.2 迹准则及其不足
• 3.2.3 迹准则的改进
• 3.3 快衰落下迹准则的改进
• 3.4 快慢衰落下码性能差异原因的新解释
• 3.5 基于迹准则的智贪码设计
• 3.5.1 智贪码的基本原理
• 3.5.2 新码搜索结果
• 3.5.3 仿真结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 迹准则在频率选择性衰落信道下的应用
• 4.1 引言
• 4.2 空时格码迹准则在频率选择性衰落信道下的证明
• 4.2.1 系统模型
• 4.2.2 迹准则在频率选择性衰落信道下的证明
• 4.2.3 仿真
• 4.3 基于迹准则的空频格码的设计
• 4.3.1 系统模型
• 4.3.2 已有准则及其不足
• 4.3.3 迹准则在空频格码设计中的应用
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于迹准则的超正交空时格码的手工设计
• 5.1 引言
• 5.2 SOSTTC 的基本原理
• 5.3 影响SOSTTC 性能的主要因素
• 5.3.1 设计准则
• 5.3.2 影响码性能的具体因素
• 5.4 基于秩－行列式准则的SOSTTC 设计
• 5.5 基于迹准则的SOSTTC 设计的优点
• 5.6 基于迹准则的SOSTTC 手工设计中要素的优化
• 5.6.1 满足正交性的STBC 编码方式
• 5.6.2 集分割
• 5.6.3 网格形状
• 5.6.4 网格中信号、STBC 编码方式的分配
• 5.7 通过星座扩展改进性能
• 5.7.1 改BPSK 为QPSK 实现1bit/s/Hz
• 5.7.2 改QPSK 为8PSK 实现2bit/s/Hz
• 5.8 快衰落时的性能
• 5.9 两个值得注意的问题
• 5.9.1 累积度量的计算
• 5.9.2 单个STBC 分组的译码
• 5.10 本章小结
• 第6章 BLAST 及其与发射分集技术的结合
• 6.1 引言
• 6.2 BLAST 简介
• 6.2.1 BLAST 的基本原理
• 6.2.2 BLAST 分类
• 6.2.3 BLAST 信号检测算法
• 6.3 排序的组干扰抑制技术
• 6.3.1 GIS 的基本原理
• 6.3.2 排序的GIS
• 6.3.3 基于OGIS 的ML-OSIC 检测
• 6.4 空间复用与发射分集的结合
• 6.4.1 STBC+V-BLAST
• 6.4.2 STTC+V-BLAST
• 6.4.3 STBC+V-BLAST 与STTC+V-BLAST 的比较
• 6.5 结合纠错编码的系统
• 6.5.1 纯BLAST 系统结合卷积码时的编译码方案
• 6.5.2 复用－分集混合系统结合卷积码时的编译码方案
• 6.6 本章小结
• 第7章 MIMO 技术在WLAN 中的应用
• 7.1 引言
• 7.2 采用MIMO 的OFDM WLAN
• 7.3 MIMO-OFDM WLAN 信道
• 7.4 MIMO 在OFDM WLAN 中的应用方案
• 7.4.1 采用STBC 的OFDM WLAN
• 7.4.2 采用STTC 的OFDM WLAN
• 7.4.3 采用SOSTTC 的OFDM WLAN
• 7.4.4 采用V-BLAST 的OFDM WLAN
• 7.4.5 采用H-BLAST 的OFDM WLAN
• 7.4.6 采用STBC 与BLAST 混合结构的OFDM WLAN
• 7.5 信道对MIMO-OFDM WLAN 性能的影响
• 7.6 多种MIMO-OFDM WLAN 方案的比较
• 7.7 本章小结
• 第8章 全文总结
• 8.1 全文总结及主要贡献
• 8.2 进一步研究方向
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的研究成果
• 致谢