MIMO系统分集复用折衷的研究

论文摘要

多输入多输出(MIMO)技术能在不增加系统带宽和发射功率的前提下大大增加系统容量,提高系统频带利用率和传输质量,改善系统的性能,成为未来无线通信系统的关键技术之一。已有研究表明,MIMO系统可以同时提供分集增益和复用增益,以提高传输的可靠性和有效性。分集增益与复用增益之间存在着定量的折衷关系,这种折衷关系是MIMO系统中所有编码方案所能获得的性能上限,反映了MIMO系统的资源分配情况。本文首先给出了MIMO系统的信道模型,从信息论的角度分析了MIMO系统的信道容量,显示出MIMO系统的性能优势。在此基础上,介绍了MIMO系统可以提供的分集增益和复用增益,探讨了独立同分布信道下的分集复用折衷关系。该折衷关系不但可以反映出MIMO系统的资源分配情况,也可以作为现有空时编码方案的评价标准,同时为实际系统空时编码和传输方案的设计提供理论指导。MIMO系统提供分集增益和复用增益是通过具体的编码方案来实现的。设计目标不同,具体的传输方案亦不同。本文选取了三种典型的编码方案,即基于分集增益最大化的Alamouti空时分组码(STBC)、复用增益最大化的分层空时码和满分集满速率的完美空时分组码,对它们的基本原理和分集复用性能进行了分析。在理解现有空时编码方案局限性的基础上,本文提出一种自适应混合空时编码方案,使用一部分天线发射全分集的Alamouti STBC,其余的天线发射全复用的完美空时分组码,将发射分集和空间复用联合起来,同时获得分集增益和复用增益,在两种增益之间寻求折衷。同时,发射端根据反馈信息自适应调整天线分配模式,以适应信道的变化。仿真结果表明,该方案获得了分集和复用的折衷,提高了系统的整体性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 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系统的基本原理及优势
• 1.1.3 MIMO系统的分集与复用
• 1.2 研究分集复用折衷及其实现方案的意义
• 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 系统模型
• 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 分集与复用的概念
• 2.2.2 分集增益和复用增益及其意义
• 2.3 MIMO系统的分集复用折衷性能
• 2.3.1 最优折衷关系的表示
• 2.3.2 对信道中断的讨论
• 2.3.3 分集复用折衷关系的证明
• 2.4 本章小结
• 3 三种空时编码方案
• 3.1 Alamouti空时分组码
• 3.1.1 Alamouti空时分组码的编码方法
• 3.1.2 最大似然译码及分集复用性能分析
• 3.2 分层空时码
• 3.2.1 分层空时码的编码方法
• 3.2.2 最大似然检测及分集复用性能分析
• 3.3 完美空时分组码
• 3.3.1 完美空时分组码的系统模型
• 3.3.2 完美空时分组码的相关概念
• 3.3.3 完美空时分组码的定义
• 3.3.4 完美空时分组码的编码方法
• 3.4 本章小结
• 4 混合空时编码方案
• 4.1 混合空时编码方案提出的背景
• 4.2 分集和复用方案
• 4.2.1 系统模型
• 4.2.2 Alamouti方案
• 4.2.3 2×2完美空时分组码
• 4.3 自适应混合空时编码方案
• 4.4 仿真结果
• 4.5 本章小结
• 5 结论与展望
• 参考文献
• 附录A 式（2.46）的整理过程
• 附录B 式（2.63）的证明
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢