MIMO无线通信系统的关键理论与技术研究

论文摘要

多入多出（MIMO）技术是无线通信技术发展的一次重大飞跃，它能够突破无线频率资源限制，大幅度地提高无线通信系统的频谱效率，被公认为是无线通信技术的未来发展趋势。然而，MIMO技术也彻底打破了传统的无线通信模式，它要求系统使用多个发射和接收天线同时同频地发射和接收数据，使得无线通信的系统结构、分析方法、调制、编码、信道估计、检测、多址方式等各个方面都面临着挑战。 本论文在国内外相关研究工作的基础上，针对MIMO无线通信系统所涉及的若干关键理论与技术进行了深入研究，特别是在MIMO信道容量理论、MIMO检测算法、基于MIMO-OFDM系统的码分多址技术、自适应传输技术、差分空时编码技术等方面取得了较大研究进展。 在MIMO信道容量理论方面，本论文的研究成果主要包括以下两个方面：一是给出了MIMO信道容量及其渐近界的简单闭合的计算公式；二是提出了一种信道容量的非平稳分析方法，并且利用该算法分析得到了时变MIMO信道的容量极限。上述研究成果对MIMO系统的理论研究和实际应用具有重要的指导意义。 在MIMO检测算法方面，本论文提出了3种新型的高效检测算法。前两种算法是传统的贝尔实验室垂直分层空时结构（V-BLAST）检测算法的两种快速算法，这两种算法在保持性能不变的同时，复杂度低于现有的其它同类算法；第三种算法是最优的最大似然算法的简化算法，尽管它的计算复杂度非常低而且很稳定，但性能却接近最大似然检测算法的性能，而且还可采用并行计算方法大幅度提高处理速度。 在基于MIMO-OFDM系统的码分多址技术方面，本论文首先引入了一种广义的码分多址系统框架——空时频扩展码分多址（STFS-CDMA）；然后推导出了适用于STFS-CDMA系统的三种MMSE检测器；并且提出了一种新型的扩展码——双正交码。在STFS-CDMA系统中采用双正交码能够有效地获得空间、时间和频率分集，平衡各用户的性能，从而大幅度增强整个多用户系统性能。 在用于MIMO或MIMO-OFDM系统的自适应传输技术方面，本论文提出了两种高效的自适应传输技术：一是提出了一种适用于MIMO-OFDM系统的简单、有效的自适应传输方案，该方案能够在保证系统性能不显著下降的前提下，极大地降低自适应传输所需的计算复杂度；二是基于牛顿优化算法提出了一种最小化

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 MIMO技术概述
• 1.2 MIMO系统模型
• 1.2.1 MIMO平坦衰落信道模型
• 1.2.2 MIMO频率选择性信道模型
• 1.2.3 MIMO-OFDM系统的信道模型
• 1.3 MIMO技术的发展现状
• 1.3.1 接收机已知而发射机未知信道条件下的MIMO技术
• 1.3.2 收发信机都已知信道条件下的MIMO技术
• 1.3.3 收发信机都未知信道条件下的MIMO技术
• 1.3.4 其它MIMO相关技术的发展
• 1.4 论文的主要内容与贡献
• 1.5 本章参考文献
• 第2章 MIMO系统的信道容量分析
• 2.1 引言
• 2.2 MIMO信道容量简介
• 2.2.1 MIMO系统模型
• 2.2.2 MIMO信道容量
• 2.3 MIMO信道容量的简化计算公式与渐近界
• 2.3.1 MIMO信道容量的简化计算公式
• 2.3.2 MIMO信道容量的渐近界
• 2.3.3 数值计算与仿真结果
• 2.4 时变MIMO信道容量极限
• 2.4.1 MIMO平坦衰落信道容量极限
• 2.4.2 MIMO频率选择性衰落信道容量极限
• 2.4.3 利用广义注水算法分析无线衰落信道容量极限
• 2.5 小结
• 2.6 本章参考文献
• 第3章 MIMO系统的快速检测算法
• 3.1 引言
• 3.2 V-BLAST简介
• 3.2.1 系统模型
• 3.2.2 传统的V-BLAST检测算法
• 3.3 快速递归迫零串行干扰删除算法
• 3.3.1 基本递推公式
• 3.3.2 初始加权矩阵的计算方法
• 3.3.3 算法的步骤
• 3.3.4 复杂度分析
• 3.3.5 性能分析
• 3.4 快速递归最小均方误差串行干扰删除算法
• 3.4.1 基本递推公式
• 3.4.2 初始扩展加权矩阵的递推算法
• 3.4.3 算法的步骤
• 3.4.4 复杂度分析
• 3.4.5 性能分析
• 3.5 广义并行干扰删除算法
• 3.5.1 常见MIMO检测算法综述
• 3.5.2 接近最大似然检测性能的低复杂度MIMO检测算法
• 3.5.3 复杂度分析
• 3.6 小结
• 3.7 本章参考文献
• 第4章 适用于MIMO-OFDM系统的码分多址技术
• 4.1 引言
• 4.2 用于MIMO-OFDM系统的传统码分多址方案
• 4.2.1 系统模型
• 4.2.2 用于MIMO-OFDM系统的传统CDMA方案
• 4.3 空时频扩展码分多址
• 4.3.1 空时频扩展码分多址系统模型
• 4.3.2 用于空时频扩展码分多址系统的MMSE检测算法
• 4.4 适用于空时频扩展码分多址系统的双正交码
• 4.4.1 达到空间分集的编码方案
• 4.4.2 同时获得空间、时间和频率分集
• 4.4.3 双正交码的鲁棒性分析
• 4.4.4 码长与检测复杂度
• 4.5 性能分析
• 4.6 小结
• 4.7 本章参考文献
• 第5章 自适应MIMO传输技术
• 5.1 引言
• 5.2 适用于MIMO-OFDM系统的低复杂度的自适应传输方案
• 5.2.1 系统模型
• 5.2.2 所提出的自适应传输方案
• 5.2.3 复杂度分析
• 5.2.4 性能分析
• 5.3 用于MIMO系统的最优迭代功率分配算法及其简化算法
• 5.3.1 基于奇异值分解的MIMO系统模型
• 5.3.2 基于牛顿算法的最优功率分配算法
• 5.3.3 快速算法
• 5.3.4 利用信道相关性进一步降低算法复杂度
• 5.4 小结
• 5.5 本章参考文献
• 第6章 基于MIMO系统的差分空时块对角码技术
• 6.1 引言
• 6.2 差分空时调制的基本原理
• 6.2.1 符号定义
• 6.2.2 信道模型
• 6.2.3 差分空时调制
• 6.2.4 基本差分空时调制
• 6.2.5 正交空时分组码和对角组码
• 6.3 差分空时块对角码
• 6.3.1 差分空时块对角码的编码方案
• 6.3.2 最大似然译码算法
• 6.3.3 快速格型译码算法
• 6.4 利用差分空时块对角码获得多重分集增益
• 6.5 性能分析
• 6.6 小结
• 6.7 本章参考文献
• 结束语
• 附录1 引理2.3的证明
• 附录2 公式（4-11）的证明
• 附录3 定理4.4的证明
• 附录4 作者在攻读博士期间发表的论文
• 附录5 作者在攻读博士期间申请的专利
• 致谢