多天线异步发射信号的设计及检测技术研究

论文摘要

新一代移动通信系统标准IMT-Advanced的技术需求征集工作已经在世界范围内陆续展开,在有限的频谱范围内提供更高的信息速率,是新一代移动通信系统IMT-Advanced研究的重点。但是,移动通信系统也正面临着通信基站天线站址选择难、通信环境电磁辐射大和通信频谱资源短缺等制约移动通信发展的问题。新一代无线通信系统IMT-Advanced必须在满足速率需求的同时,彻底解决这些基本问题。从物理层空时信号设计和检测算法角度来看,解决新一代移动通信系统所面临的基本问题,需要一个能够在近距离含有直射路径的信道接入环境下,具有高效频谱利用率,能够采用低复杂度检测算法实现接收的空时编码技术,同时这也是论文研究工作的目标。首先,在平坦Rayleigh衰落信道下,通过将贝尔实验室的垂直分层空时码（V-BLAST:Vertical Bell Laboratories LAyered Space-Time）各子流信号人为延时不同时间异步发射,采用低复杂度的迫零检测算法实现了达到V-BLAST最大可能分集增益的目的,而在常规同步V-BLAST结构下,只有通过高复杂度的最大似然检测才能实现。此外,异步发射结构突破了常规分层空时码要求接收天线数不能少于发射天线数的限制,仅用一个接收天线就可以达到区分多天线发射信号的检测自由度。其次,论文分析并提出多天线情况下空间成型脉冲波形相关性是一种可以充分利用的信号处理资源,通过它的优化设计,可以实现V-BLAST类分层空时码在含有LOS路径和相关性的衰落信道下正常工作。并且首次提出,LOS路径是一种对分层空时码性能改善有益的因素,而不应该像传统处理方式那样,对LOS路径进行抑制或者被动的适应。在平坦衰落Ricean信道下,推导并给出了多天线异步发射分层空时编码结构采用ZF检测的误码率闭合表达式,从理论分析的角度证明了异步发射分层空时编码的有效性。最后,将多天线异步发射的分层空时编码思想应用在扩频通信系统中,在系统干扰一定的情况下,比同步扩频系统的误码率性能有明显的改善,这说明在满足通信业务错误概率指标的前提下,可以节省设备发射功率,降低扩频系统全网干扰,使系统实际接入用户的容量接近网络的理论设计值。以上研究成果提供了一种满足新一代移动通信系统物理层技术需求的多天线空时编码结构,实现了能够在含有直射路径环境下采用低复杂度检测算法接收高频谱效率分层空时码的目的,可作为IMT-Adavancd、IEEE 802.11、IEEE 802.16等无线通信标准的演进候选方案。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 新一代移动通信系统及其需要解决的基本问题
• 1.1.1 下一代移动通信系统IMT-Advanced
• 1.1.2 下一代移动通信系统需要解决的基本问题
• 1.2 满足新一代移动通信系统需求的空时信号设计和检测技术
• 1.2.1 高速率和频谱资源紧张选择了多天线技术
• 1.2.2 基站选址难和绿色通信网要求近距离接入和低功耗的检测技术
• 1.3 本文的主要研究内容和贡献
• 1.4 论文结构及内容安排
• 第二章 MIMO信道关键特征及其与V-BLAST检测的关系
• 2.1 引言
• 2.2 MIMO信道模型及关键参数特征
• 2.2.1 MIMO信道模型
• 2.2.2 分集与复用
• 2.3 MIMO信道关键参数特征与V-BLAST检测的关系
• 2.3.1 V-BLAST检测算法
• 2.3.2 V-BLAST中的分集与复用
• 2.3.3 LOS及信道相关性对检测算法的影响
• 2.3.4 收发天线数目对检测算法的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 RAYLEIGH衰落信道下的异步发射信号设计与检测
• 3.1 引言
• 3.2 系统模型
• 3.2.1 发射信号模型
• 3.2.2 接收信号模型
• 3.2.3 有关检测的讨论
• 3.3 误码率分析
• 3.3.1 异步发射的误码率公式推导
• 3.3.2 与传统同步情况的误码率对比
• 3.4 最优时延设计
• 3.5 平坦衰落RAYLEIGH信道下的数值和仿真结果
• 3.5.1 理论分析正确性验证
• 3.5.2 关键参数变化对性能影响
• 3.5.3 与传统同步情况的对比分析
• 3.6 检测算法复杂度分析
• 3.7 本单小结
• 第四章 RICEAN衰落信道下的异步发射信号设计与检测
• 4.1 引言
• 4.2 如何利用成型脉冲波形相关性实现空间复用
• 4.2.1 不利用成型脉冲波形相关性的情况
• 4.2.2 利用并优化成型脉冲波形相关性
• 4.3 平坦衰落RICEAN信道下的数值和仿真结果
• 4.3.1 理论分析正确性验证
• 4.3.2 与常规同步发射情况的对比分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 多天线扩频的一种异步发射信号设计与检测方法
• 5.1 引言
• 5.2 系统模型及性能分析
• 5.2.1 发射信号模型
• 5.2.2 接收信号模型
• 5.2.3 误码率性能
• 5.3 数值和仿真结果
• 5.3.1 伪随机序列扩频
• 5.3.2 重复序列扩频
• 5.3.3 多用户环境
• 5.4 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
• 致谢
• 参考文献
• 附录A
• A.1 波形相关矩阵逆矩阵的求解
• A.2 单调性的证明
• 个人简历
• 作者已发表、录用文章及申请、授权专利
• 作者在攻读博士学位期间所做的贡献