MIMO系统中空时编码技术的研究

论文摘要

随着因特网和多媒体应用在下一代无线通信中的集成,宽带高速数据通信服务的需要正在不断的增长。由于可用的无线频谱资源的有限性,高数据速率只能通过高效的信号处理来实现。信息论领域近期的研究表明,在无线信道中使用多输入多输出（MIMO）系统可以显著提高通信容量。在无线链路两端设置多元素天线阵列就构成了MIMO信道。MIMO技术的空间复用增益可以提高数据传输率,分集增益可以提高通信的可靠性,已被一些无线通信的标准和协议采用。空时编码将信道编码与天线分集技术相结合,有效利用MIMO系统的空间复用和分集特性。另外,提供高质量的多媒体业务是未来无线通信系统的目标之一。在MIMO信道中,空时编码（space-time coding）技术可以使信息容量接近理论容量的一种较实用的编码。空时编码技术的依据是将发射信号在空域和时域都引入联合相关,不仅可以同时取得分集增益和编码增益,而且能取得很高的频谱效率。空时编码的基础理论由Tarokh,Seshadri和Calderbank于1998年提出。自那以后,空时编码和相关的MIMO信号处理技术在无线通信领域取得了广泛的应用和飞速的发展。在已有的空时编码技术中,主要有空时分组码（STBC）,空时网格码（STTC）和分层空时码（LSTC）。而空时分组码是其中编码及译码简单,并且可以达到较高分集增益的编码技术。但是当MIMO系统发射天线数目多与两根的时候,空时分组码的传输速率会小于1,这样使系统的传输速率受到影响并且降低频谱效率。为了解决空时分组码受传输速率影响这一问题,准正交空时分组码（QO-STBC）是一种简单而有效的办法。在本文中,我们首先提出了MIMO系统模型,然后分析空时编码的性能并给出空时编码的设计准则。我们介绍了现在已有的各种主要的空时编码技术以及它们之间的性能比较。通过比较各种编码技术的优缺点,引出了准正交空时分组码接着我们研究了准正交空时分组码的编码和译码算法,并且根据对准正交空时分组码的编码结构和译码算法给出了一种新的译码算法,这种算法利用零空间把接收信号分离开,然后利用与正交空时分组码（OSTBC）的最大似然（ML）译码方法进行译码。这种译码算法可以明显的降低准正交空时分组码的译码复杂度。我们分析了正交空时分组码的特性,并且根据它的特性,找到正交空时分组码与格拉斯曼流形（Grassmann manifold）上点集的对应关系,然后根据这种对应关系给出怎样利用格拉斯曼流形上的点集来构造高速率的正交空时分组码。并且给出一个格拉斯曼流形上的点集来构造发射天线数目为四的MIMO系统的一种高速率的正交空时分组码,并给出了这种正交空时分组码与传统的正交空时分组码的性能比较。在本文最后对全文进行总结,并指出我们现在研究中依然存在的问题以及对下一步研究的展望。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 引言
• 第一章 MIMO无线通信系统概述
• 1.1 无线通信系统
• 1.2 无线通信系统信道模型
• 1.2.1 无线信道的衰落特性
• 1.2.2 衰落信道的统计模型
• 1.3 MIMO系统模型
• 1.3.1 MIMO系统框架
• 1.3.2 MIMO系统传输模型
• 1.4 MIMO系统的信道容量
• 1.4.1 MIMO系统信道容量推导
• 1.4.2 采用自适应功率分配时 MIMO信道容量
• 1.4.3 发射分集系统信道容量
• 1.4.4 接收分集系统信道容量
• 第二章 分集技术及空时编码设计
• 2.1 分集技术
• 2.2 空时编码系统和编码性能分析
• 2.2.1 空时编码系统模型
• 2.2.2 空时编码性能分析
• 2.3 空时编码设计准则
• 2.3.1 秩和行列式准则
• 2.3.2 迹准则
• 2.4 本章小结
• 第三章 空时编码
• 3.1 分层空时码
• 3.1.1 分层空时码发射机
• 3.1.2 分层空时码的检测算法
• 3.2 空时网格码
• 3.2.1 空时网格码的编译码
• 3.2.2 空时网格码的性能仿真
• 3.3 空时分组码
• 3.3.1 Alamouti空时分组码
• 3.3.2 空时分组码正交矩阵的设计
• 3.3.3 空时分组码的译码
• 3.3.4 空时分组码的性能仿真
• 3.4 各种空时编码的比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 准正交空时分组码的研究
• 4.1 准正交空时分组码
• 4.1.1 准正交空时分组码的编码
• 4.1.2 准正交空时分组码的译码
• 4.1.3 准正交空时分组码的性能仿真
• 4.2 有星座图旋转的准正交空时分组码
• 4.2.1 星座图旋转
• 4.2.2 性能仿真
• 4.3 准正交空时分组码的低复杂度译码方法
• 4.3.1 零空间
• 4.3.2 低复杂度译码算法
• 4.3.3 译码算法性能分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 高速率正交空时分组码的研究
• 5.1 格拉斯曼流形
• 5.1.1 拓扑空间
• 5.1.2 微分流形
• 5.1.3 格拉斯曼流形
• 5.1.4 主角
• 5.2 正交空时分组码与格拉斯曼流形
• 5.3 高速率的正交空时分组码
• 5.3.1 利用格拉斯曼流形构造正交空时分组码
• 5.3.2 四发射天线速率1的正交空时分组码
• 5.3.3 性能分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表