MIMO无线通信系统的信道容量分析

论文摘要

多输入多输出（MIMO）技术是在通信系统的收发两端放置多根天线的一种通信技术,是近年来无线通信领域理论研究的一个重大突破。该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、改善系统的性能,从而成为新一代高数据率、多数据类型无线通信系统的关键技术。基于MIMO技术的通信系统从最基本的点对点MIMO系统到多用户MIMO系统,以及虚拟MIMO系统,已经有了长足的发展。MIMO技术的兴起离不开Telatar与Foschini等人运用信息理论对多天线系统信道容量的开创性工作。众所周知,信道容量表示一个通信系统的极限传输率。由于对容量分析结果会对实际通信系统的设计提供理论依据和指导。因此,对MIMO系统信道容量的分析无疑是一个重要而基本的研究话题。本文对MIMO系统进行了研究,主要集中在MIMO系统（包括多用户MIMO系统和虚拟MIMO系统）的信道容量分析。论文共有六章,主要工作如下:第三章研究了点对点MIMO系统的信道容量（包括遍历容量和中断容量）,侧重讨论了瑞利衰落信道在不同天线数下的信道容量,还讨论了具有简单的相关性的MIMO的系统容量;第四章分析了多用户MIMO系统的两种基本信道模型及其容量区域,并对实际应用更为重要的广播信道的和速率在不同反馈情况下进行理论分析和仿真,得出了更为实用的反馈方式;第五章研究了目前比较流行的AD-HOC网络中的协作通信,即考虑虚拟MIMO系统。对不同的协作方式下的信道容量区域进行分析。为了验证文中主要理论分析的正确性,本文每个部分都通过设计适当的Monte-Carlo仿真实验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 多天线无线通信发展史
• 1.2 多天线MIMO系统中的主要技术
• 1.3 多天线MIMO系统的研究进展
• 1.4 研究目的和意义
• 1.5 本文内容和结构安排
• 第2章 无线MIMO信道模型
• 2.1 无线衰落信道的基本特征
• 2.1.1 传输衰减
• 2.1.2 多径（时延）扩展-频率选择性衰落
• 2.1.3 多普勒扩展（时变性）-时间选择性衰落
• 2.1.4 角度扩展-空间选择性衰落
• 2.2 Rayleigh、Rice和Nakagami衰落
• 2.2.1 Rayleigh衰落
• 2.2.2 Rice衰落
• 2.2.3 Nakagami衰落信道
• 2.3 MIMO信道模型
• 2.3.1 非频率选择性信道模型
• 2.3.2 频率选择性信道模型
• 2.3.3 相关信道模型和系数
• 2.4 总结
• 第3章 MIMO信道的信道容量
• 3.1 MIMO信道容量的一般性推导
• 3.1.1 遍历容量
• 3.1.2 中断容量
• 3.2 MIMO信道容量
• 3.2.1 平均功率分配的MIMO信道容量
• 3.2.1.1 SISO信道容量
• 3.2.1.2 MISO信道容量
• 3.2.1.3 SIMO信道容量
• 3.2.1.4 MIMO信道容量
• 3.2.1.5 MIMO信道的极限容量分析
• 3.2.1.6 SISO、MISO、SIMO、MIMO信道容量分析比较
• 3.2.2 天线相关性对信道容量的影响
• 3.3 总结
• 第4章 多用户MIMO的信道模型
• 4.1 MIMO多址接入信道
• 4.1.1 信道模型
• 4.1.2 容量区域
• 4.2 MIMO广播信道
• 4.2.1 信号模型
• 4.3 带反馈的多用户广播信道
• 4.3.1 系统模型
• 4.3.1.1 信道方向信息的量化
• 4.3.1.2 信道质量信息反馈模型
• 4.3.1.3 用户选择
• 4.3.1.4 迫零波束成形
• 4.3.2 信道方向信息和信道范数反馈
• 4.3.3 信道方向信息和信干噪比反馈
• 4.4 仿真分析
• 4.5 总结
• 第5章 具有节点协作的AD-HOC网络的容量
• 5.1 系统模型
• 5.2 广播和多址接入信道
• 5.3 无合作通信
• 5.4 发送端协作通信
• 5.5 接收端协作通信
• 5.6 发送端和接收端都协作通信
• 5.7 信道容量上限
• 5.8 总结
• 第6章 结束语
• 6.1 全文总结
• 6.2 未来展望
• 参考文献
• 攻读学位期间参与项目
• 致谢
• 研究生履历