提高MIMO系统容量的功率分配与编码方法的研究

论文摘要

如何在带宽和功率都受限的条件下，提高无线通信系统的信道容量，实现高速、可靠的信息传输是目前无线通信领域中最重要的研究课题之一。运用功率分配和空时编码技术可以在MIMO系统中提高频谱效率、改善系统性能。功率分配通过动态匹配信道衰落特性来提高信道容量；空时编码技术将编码矩阵构造与天线分集技术相结合，为无线传输提供了分集增益和编码增益，并且能够提供远高于传统单天线系统的频带利用率，为解决无线信道的传输问题提供了新的解决途径。围绕功率分配和空时编码技术问题，本文系统阐述了无线移动信道的衰落特性、MIMO系统的信道模型、信道容量公式的推导、空时编码的基本原理以及平坦哀落信道下的空时编码设计准则。分析了两种典型功率分配算法：平均分配和注水分配。研究了相干检测空时编码：空时网格码（STTC）、分层空时码（LSTC）、空时分组码（STBC）；和非相干检测空时编码：酉空时码（USTC）和差分空时码（DSTC）。本文对这两类空时编码的编译码原理、特点和性能进行了分析和仿真比较，并以空时分组码为例，分析了最优功率分配时空时分组码的性能。从有效性和可靠性折中的角度，本文还对混合编码思想进行了研究，分析了半正交代数空时码（SAST）的编译码方法，进行了性能仿真。为了在频率选择性衰落信道中应用空时编码，本文又研究了空时编码与正交频分复用技术（OFDM）的结合原理，并结合具体编码进行了性能仿真，验证了STC-OFDM系统克服多径干扰的能力。在分析研究前人成果的基础上，本文也提出了作者的两个新思想。一是提出了一种简单的、在发射端不知道信道状态信息情况下，提高MIMO系统容量的功率分配算法，该方法基于黄金分割原理，随机选择发射天线并平均分配功率，仿真结果表明在低信噪比时，其性能优于一般的功率平均分配方法。二是提出了一种改进的分层结构的空时编码（ECLST）。这种空时编码结合了LSTC和STBC的特点，通过嵌入校验元使接收端进行分层干扰抑制，用QR分解方法实现解码。仿真结果表明这种改进的空时编码具有高于STBC的频谱效率，并且抗干扰性能优于LSTC。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 无线衰落信道与空时编码原理
• 1.1 移动无线信道的衰落特性
• 1.2 MIMO通信系统模型
• 1.2.1 频率平坦性衰落MIMO系统模型
• 1.2.2 频率选择性衰落MIMO系统模型
• 1.2.3 MIMO系统的分集增益
• 1.3 空时编码理论基础
• 1.3.1 空时编码系统模型
• 1.3.2 空时编码性能分析
• 1.3.3 空时码的设计准则
• 2 MIMO信道容量与功率分配
• 2.1 MIMO信道容量
• 2.1.1 频率平坦性衰落信道容量
• 2.1.2 几种特殊系统的信道容量
• 2.1.3 频率选择性衰落信道容量
• 2.2 注水功率分配算法在MIMO中的应用
• 2.3 一种改进的功率分配算法
• 3 相干检测的空时编码
• 3.1 空时网格码
• 3.1.1 空时网格码编译码方法
• 3.1.2 性能分析与仿真结果
• 3.2 空时分组码
• 3.2.1 空时分组码编译码方法
• 3.2.2 带功率分配的空时分组码
• 3.2.3 性能分析与仿真结果
• 3.3 分层空时码
• 3.3.1 分层空时码的编译码方法
• 3.3.2 几种译码方法的比较
• 3.3.3 性能分析与仿真结果
• 4 非相干检测的空时编码
• 4.1 差分空时分组码
• 4.1.1 差分空时分组码的编译码方法
• 4.1.2 性能分析与仿真结果
• 4.2 酉空时码
• 4.2.1 酉空时调制编译码方法
• 4.2.2 酉群码的编译码方法
• 4.2.3 性能分析与仿真结果
• 4.3 几种空时码的容量对比
• 5 混合空时编码
• 5.1 空时编码的折中设计理论
• 5.2 两种混合空时编码
• 5.2.1 半正交代数空时（SAST）码
• 5.2.2 嵌入校验元的分层空时（ECLST）码
• 5.2.3 性能分析与仿真结果
• 5.3 频率选择性衰落信道下的空时编码
• 5.3.1 OFDM技术的基本原理
• 5.3.2 空时编码与OFDM系统的结合
• 5.3.3 性能分析与仿真结果
• 结论
• 参考文献
• 附录A MIMO信道容量公式推导
• 附录B WF注水容量公式推导
• 附录 C多径衰落信道模型
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢