相关信道下分集复用折衷的研究

论文摘要

随着信息化社会的到来，新一代移动通信系统对信息传输速率和服务质量提出了更高的要求。多输入多输出(MIMO)系统能在不增加发射功率和信号带宽的条件下，充分利用空间资源，成倍增加信道容量和频谱利用率，因而受到广泛的关注。研究表明，MIMO系统可以同时提供分集增益与复用增益，从而保证通信的可靠性，提高了数据的传输速率。分集增益与复用增益之间存在着定量的折衷关系，这种折衷关系反映了MIMO系统空间资源的利用情况，是MIMO系统下编码方案可以获得的性能上限。本文从MIMO系统的信道模型出发，从信息论的角度分析了独立同分布MIMO系统的信道容量，显示出MIMO系统的性能优势。在此基础上，指出MIMO系统提供的分集增益和复用增益，探讨了独立同分布的信道条件下分集增益与复用增益的折衷关系。尽管独立同分布信道是理想的信道模型，其信道矩阵具有许多重要特征，但在实际传播环境中，由于散射体分布及天线特性的不理想，MIMO系统不可避免的存在空间相关性。本文综合考虑了天线距离、角度扩展和平均到达角等因素对空间相关性的影响，推导出相关系数的表达形式，并且得到各种到达波角度谱下空间相关系数的解析表达式。进而，给出相关信道模型及相关信道容量，通过理论推导和分析考察空间相关性对MIMO系统信道容量的影响。在相关信道模型的基础上，通过研究相关信道矩阵的特征值分布，给出相关MIMO系统中分集增益与复用复用的折衷关系。研究表明，相关信道下的折衷性能差于独立同分布信道下的性能。较强的空间相关性将导致相关矩阵降秩，减小了MIMO系统的空间自由度，其折衷性能进一步下降。相关信道下的折衷关系从提供分集和复用增益的角度反映出相关MIMO系统的性能，为系统的设计和评价提供了依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 MIMO无线通信系统概述
• 1.1.1 MIMO系统的产生背景
• 1.1.2 MIMO系统的原理及优势
• 1.1.3 MIMO系统的信道相关性
• 1.1.4 MIMO系统的分集与复用
• 1.2 研究分集复用折衷的意义
• 1.3 本文的主要工作及内容安排
• 2 独立同分布MIMO信道的分集复用折衷
• 2.1 独立同分布MIMO信道
• 2.1.1 信道模型
• 2.1.2 信道容量
• 2.1.3 仿真结果与性能分析
• 2.2 MIMO系统的分集增益与复用增益
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 分集增益和复用增益及其意义
• 2.3 MIMO信道的分集复用折衷性能
• 2.3.1 最优折衷关系的表示
• 2.3.2 对中断情形的讨论
• 2.3.3 折衷关系的证明
• 2.4 对现有方案的评价
• 2.5 本章小结
• 3 MIMO信道空间相关性的分析
• 3.1 相关系数
• 3.1.1 空间相关性产生的原因
• 3.1.2 相关系数及其推导
• 3.1.3 各种角度谱下的相关系数
• 3.2 影响相关系数的因素
• 3.2.1 角度扩展和天线距离对相关系数的影响
• 3.2.2 平均到达角对相关系数的影响
• 3.3 MIMO相关信道模型及容量
• 3.4 本章小结
• 4 相关MIMO信道的分集与复用折衷
• 4.1 相关矩阵对信道的影响
• 4.2 相关MIMO信道的分集复用折衷
• 4.3 结果分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 高斯变量包络平方的分布
• 附录B 定理3的证明
• 附录C 式（2.44）的证明
• 附录D 式（2.54）的证明
• 附录E 循环对称高斯变量
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢