MIMO多载波系统的物理层关键技术研究

论文摘要

无线移动宽带通信是现代通信发展主流。但是,传输速率高速增长的多媒体业务和快速时变的多径无线信道给无线移动通信的物理层设计带来前所未有的压力。在高质量信源的业务需求下,越来越高的数据传输速率不断推动着物理层数字基带算法的研究与发展,使之成为研究热点,各种新算法、新技术层出不穷。其中,多输入多输出天线技术和多载波调制技术正在促使传统通信架构发生重大变革,已经成为高速移动通信的主要备选方法。本文围绕着这两种技术作用于物理层数字基带所产生的关键算法,重点从两种技术对信道容量的影响,多载波通信时子载波函数的选择,多天线应用的前提——信道估计,两种技术中如何根据信源分级进行通信资源配置,以及一些前沿的编码解码技术五个主要方面展开研究,提出了自己的见解和解决方案,并进行了仿真验证。1、研究了串行信道向并行信道的转化,构建了多天线多载波信道容量模型。多天线技术和多载波技术的引入,对于信道容量模型的影响都可以归结为串行信道向并行信道的转化。两种技术的结合使时间-空间-频率三维资源下划分并行子信道成为可能。本文在前人研究的基础上,定义了三维联合通信资源,建立了以一组符号为研究单元的多天线多载波信道容量模型,并给出了相应的约束条件,建立了容量目标函数,计算推导了最优解以及相应的容量上限。同时,还从更广义的角度研究了多天线多载波信道容量问题。本文所提出的模型并不局限于某一种多天线下的多载波调制,所得的结论具有一般性。传统的单天线和单载波都可以看做所提出模型的实现特例。2、深入开展了基于两种变换的MIMO-MCM系统的性能比较分析,改进了基于小波包变换多载波系统的联合均衡方法。在本文所建模型的指导下,对在单天线和多天线的框架内的多载波基函数进行了研究,研究思想是“基于典型信道的特点选择多载波调制函数与信道匹配”,研究对象主要集中在基于离散傅里叶变换的多载波调制和基于离散小波包变换的多载波调制。在不同的信道环境下对两种多载波算法的通信性能进行仿真比较,并分析了仿真结果产生的原因,得出结论:基于离散傅里叶变换的多载波调制在多径信道中的传输性能较好,而基于离散小波包变换的多载波系统优势在于其灵活性。在基于小波包多载波系统上做了联合均衡的改进,提高了系统性能。3、对3GPP组织提出的空间信道模型做了适用于仿真的分析处理,在此基础上实现了基于最小均方误差准则的信道估计器,并提出了基于小波去噪的改进最大似然信道估计器和基于全相位解调算法的最大似然估计器。仿真证明,结合频域均衡校正技术,两种新的信道估计器提高了通信系统的抗差错性能。4、建立了基于多天线多载波技术的图像业务分级传输系统,并验证其优越性。基于高速业务模型的基本单元——图像,分析研究了多天线多载波技术下信源信道联合编码的方法。仿真实验证明了所提出的分级传输系统在不使用额外资源的情况下,有效的改善了图像重构质量。5、提出了几种通信系统中编码解码和信号检测改进方法。主要包括:基于差分跳频系统逐符号最大后验概率检测,多天线多载波下的空-时-频编码,单载波下基于全相位傅里叶分析的正交调幅信号检测。论文对每种算法的优势、代价、以及最适宜的使用环境进行了推导和分析。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 无线移动通信发展概要
• 1.2.1 第一代移动通信系统
• 1.2.2 第二代移动通信系统
• 1.2.3 第三代移动通信系统
• 1.2.4 第四代移动通信标准的展望
• 1.3 本课题的目的和意义
• 1.3.1 基于MIMO 天线的多载波系统容量研究
• 1.3.2 MIMO 天线框架下多载波调制方法的研究比较
• 1.3.3 信道估计方法研究
• 1.3.4 信源信道联合编码和跳频多载波系统
• 1.3.5 基于3GPP 信道研究几种空时编码与MIMO-OFDM 结合的方案
• 1.3.6 基于apFFT 的相位解调方法
• 1.4 本文的主要创新点和论文结构及项目背景
• 第二章 相关基础理论
• 2.1 信息论基础
• 2.1.1 信道容量
• 2.1.2 Shannon 限
• 2.1.3 并行高斯信道
• 2.2 无线信道及其典型模型
• 2.2.1 大尺度衰落
• 2.2.2 小尺度衰落
• 2.2.3 几种常见的信道模型
• 2.2.4 抗信道衰落的相关技术
• 2.3 常用估值理论
• 2.3.1 最大似然估计（MLE）方法
• 2.3.2 线性最小均方差（MMSE）估计方法
• 2.4 相关信源编码和信道编码理论
• 2.4.1 信源编码
• 2.4.2 信道编码及其主要方法
• 2.4.3 信源信道联合编码
• 2.5 本章小结
• 第三章 MIMO-MCM 信道容量分析和最优子信道划分方法
• 3.1 MIMO 信道容量
• 3.1.1 MIMO 信道的分解
• 3.1.2 MIMO 信道容量计算
• 3.1.3 MIMO 天线瑞利信道容量的计算
• 3.1.4 小结和启示
• 3.2 MCM 信道容量
• 3.2.1 MCM 一个符号周期内的时间-频率子信道
• 3.2.2 MCM 信道容量上限
• 3.3 MIMO-MCM 信道容量
• 3.3.1 MIMO-MCM 子信道划分资源约束条件
• 3.3.2 MIMO-MCM 容量上限和最优解能量分布
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于两种变换的MIMO-MCM 系统
• 4.1 SISO 下两种多载波变换
• 4.1.1 DFT-OFDM
• 4.1.2 DWPT-OFDM
• 4.1.3 SISO 下两种OFDM 系统性能仿真分析
• 4.1.4 小结
• 4.2 基于MIMO 天线的两种多载波系统
• 4.2.1 MIMO 天线的两种多载波系统组成原理
• 4.2.2 MIMO 天线的两种多载波系统仿真性能比较
• 4.2.3 小结
• 4.3 基于均衡技术的DWPT 系统
• 4.4 本章小结
• 第五章 MIMO-MCM 信道估计技术研究
• 5.1 3GPP SCM
• 5.1.1 3GPP SCM 参数解释
• 5.1.2 3GPP SCM 信道模型的使用处理
• 5.2 MCM 信道估计
• 5.2.1 信道估计方法的分类
• 5.2.2 DFT-OFDM 导频信道估计方法中的导频结构
• 5.2.3 基于MLE 和MMSEE 的DFT-OFDM
• 5.2.4 基于小波去噪的MLE
• 5.2.5 基于APFFT 的MLE 信道估计器
• 5.2.6 SISO 天线OFDM 信道估计小结
• 5.3 基于MIMO 天线的信道估计技术
• 5.3.1 MIMO 信道估计信号模型
• 5.3.2 MIMO 信道估计的计算
• 5.4 本章小结
• 第六章 图像分级无线传输
• 6.1 基于FH-DFT-OFDM 的图像分级无线传输
• 6.2 基于STBC-OFDM 的信源信道联合编码
• 6.3 本章小结
• 第七章 基于逐符号最大后验概率准则的差分跳频接收机设计
• 7.1 差分传输系统信号模型
• 7.2 差分跳频信道逐符号最大后验概率检测和Viterbi 软判决联合译码
• 7.2.1 分支度量参数的计算
• 7.2.2 最优软判决输出的计算
• 7.2.3 基于SBS-MAP 软判决的Viterbi 软判决译码
• 7.3 系统仿真
• 7.3.1 高斯信道下三种算法的性能比较
• 7.3.2 瑞利平坦衰落信道下的性能表现
• 7.4 本章小结
• 第八章 几种空时编码与MIMO-OFDM 的结合方法及性能分析
• 8.1 OFDM 与空时编码的三种结合方法
• 8.2 ST-OFDM 与SF-OFDM 的比较
• 8.2.1 ST-OFDM
• 8.2.2 SF-OFDM
• 8.3 仿真分析
• 8.4 本章小结
• 第九章 移动无线信道中QAM 系统的全相位符号检测
• 9.1 APFFT 检测算法信号模型
• 9.1.1 APFFT 预处理过程
• 9.1.2 APFFT 计算
• 9.1.3 关于APFFT 信号检测性能的分析
• 9.2 仿真结果
• 9.3 本章小结
• 结束语
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢
• 附录