WiMAX系统中MIMO应用的若干关键技术研究

论文摘要

多入多出（MIMO, Multiple Input and Multiple Output）技术能够突破传统的信道容量香农理论极限,大幅度提高无线通信系统的频谱效率,并能够提升系统的抗衰落能力,被公认为是无线通信技术的发展趋势。同时,WiMAX（Worldwide Interoperability Microwave Access）系统作为基于IEEE802.16标准的新一代宽带无线接入系统,由于其抗衰落能力强、覆盖范围大等优点,广泛受到学界和业界的亲睐,目前正处于研究并即将商用的阶段。基于上述原因,将MIMO技术应用于WiMAX系统有很好的前景,但是,在应用过程中,有很多问题需要解决,本文针对其中的若干关键问题展开研究。研究主要集中在MIMO分集与复用自适应转换算法,MIMO技术的应用对WiMAX组网的影响分析,WiMAX系统应用MIMO技术的性能评估,以及WiMAX系统仿真中MIMO信噪比计算等方面,并在这些方面都取得了一定的研究进展。在MIMO分集与复用自适应转换算法方面,论文首先分析了Robert W. Heath基于码字Euclidean距离的MIMO分集与复用自适应转换算法、Antonio Forenza基于信道空间相关矩阵条件数的MIMO分集与复用自适应算法等一批典型的研究成果。分析发现,这些成果都是脱离具体通信体制的理论级成果,在算法设计和理论分析过程中都作了一些和实际系统相差较大的假设,距离实际系统能够直接应用有较大的距离。通过对无线通信系统系统模型的矩阵理论分析,基于信道矩阵的奇异值分解,作者提出了一种基于MIMO等效信道功率比例的分集与复用自适应转换算法。根据系统实际需要的不同,设计了算法的覆盖优先策略和速率优先策略,并结合WiMAX系统设计了算法的应用方案,分析了多逻辑子载波时算法的应用问题。在中兴通讯的仿真平台基础上,构建了仿真平台,在2.5GHz频段10MHz带宽的SCME（Extending of Spatial Channel Model）信道模型城区微小区和郊区宏小区环境下,对比仿真了WiMAX单入单出系统、MIMO分集方式、MIMO复用方式以及本文提出的基于MIMO等效信道功率比例的分集与复用自适应转换算法性能,仿真结果表明:（1）在SCME信道模型城区微小区环境下相对于单入单出的WiMAX系统,使用MIMO分集、复用以及本文提出的MIMO自适应算法分别有0.9271Mbps、1.6073Mbps、1.9112Mbps的扇区吞吐量增益。（2）在SCME信道模型郊区宏小区环境下,相对于单入单出的WiMAX系统,使用MIMO分集、复用以及本文提出的MIMO自适应算法分别有0.9621Mbps、0.8012Mbps、1.4353Mbps的扇区吞吐量增益;将小区半径扩展1/6后扇区吞吐量增益分别变为1.5751Mbps、0.3739Mbps、2.1056Mbps,同时,单入单出和复用情况下误码率分别增大4.75%和3.57%,MIMO分集和本文提出的MIMO自适应算法下,误码率只有略微的升高。在MIMO技术的应用对WiMAX组网影响分析中,论文分析了目前WiMAX系统覆盖受前导信号和信令信号限制问题、信噪比上报不确定造成MIMO分集对容量的改善能力受限问题、以及WiMAX时间-频率资源块动态划分时MIMO资源块对其它资源块的干扰问题,这些问题导致在WiMAX系统中MIMO性能不能充分发挥,论文结合仿真结果提出了相应的解决措施,采用这些措施后系统可以达到上述仿真结果得到的系统性能。在WiMAX系统仿真中的MIMO信噪比计算方面,论文结合WiMAX机制,通过详细的推导,得到了MIMO分集和复用情况下的信噪比计算公式;并讨论了在WiMAX多逻辑子载波情况下信噪比的映射问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本文的研究背景及意义
• 1.2 WiMAX 和 MIMO 技术的研究现状及发展态势
• 1.3 本文的主要工作与贡献
• 1.4 论文结构与内容安排
• 第二章 WiMAX 及 MIMO 技术概述
• 2.1 WiMAX 系统简介
• 2.2 WiMAX 标准化进程
• 2.3 WiMAX 系统架构
• 2.4 WiMAX 系统协议栈分析
• 2.4.1 WiMAX 物理层技术
• 2.4.2 WiMAX MAC 层技术
• 2.5 MIMO 技术简介
• 2.6 MIMO 系统模型
• 2.7 MIMO 信道容量
• 2.8 MIMO 与 OFDM 的结合
• 2.9 WiMAX 系统中的 MIMO 技术
• 2.10 本章总结
• 第三章 MIMO 分集与复用自适应转换概述
• 3.1 分集技术
• 3.1.1 发射分集
• 3.1.2 接收分集
• 3.2 复用技术
• 3.3 分集与复用关系的研究
• 3.3.1 分集增益与复用增益的折中分析
• 3.3.2 MIMO 分集与复用自适应转换算法
• 3.3.2.1 基于 Euclidean 距离的分集与复用自适应转换方法
• 3.3.2.2 基于信道空间相关矩阵条件数的分集与复用自适应转换方法
• 3.4 MIMO 分集与复用关系研究小结
• 3.5 本章总结
• 第四章 基于 MIMO 等效信道功率比例的分集与复用自适应转换
• 4.1 基于MIMO 等效信道功率比例的自适应转换原理
• 4.2 基于MIMO 等效信道功率比例的自适应转换方法设计
• 4.2.1 覆盖受限策略
• 4.2.2 速率受限策略
• 4.3 算法的实现
• 4.3.1 多逻辑子载波处理
• 4.3.1.1 OFDMA 系统信道资源介绍
• 4.3.1.2 OFDMA 多逻辑子载波处理
• 4.3.2 算法的系统实现
• 4.4 参数确定
• 4.4.1 K 值确定
• 4.4.2 α值确定
• 4.5 基于MIMO 等效信道功率比例的自适应转换方法系统仿真分析
• 4.5.1 仿真平台介绍
• 4.5.2 仿真参数配置
• 4.5.3 仿真场景设置
• 4.5.4 仿真结果及其分析
• 4.5.4.1 场景1 仿真结果及其分析
• 4.5.4.2 场景2 仿真结果及其分析
• 4.6 本章总结
• 第五章 MIMO 技术的应用对 WiMAX 组网影响分析1
• 5.1 MIMO 覆盖影响分析
• 5.2 MIMO 容量影响分析
• 5.3 WiMAX 组网动态多 Zone 干扰影响分析
• 5.4 本章总结
• 第六章 WiMAX 系统仿真中的 MIMO 信噪比计算问题
• 6.1 WiMAX 系统仿真中的 MIMO 信噪比计算
• 6.2 WiMAX 系统仿真中的等效信噪比映射
• 6.3 本章总结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 本文研究总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录 1 STBC Alamouti 编码信噪比计算详细推导
• 附录 2 空间复用 LMMSE 译码信噪比计算详细推导
• 攻读硕士期间取得的研究成果