基于MIMO传输的无线通信技术

论文摘要

无线通信系统的传输技术在通信过程中发挥着至关重要的作用,特别在频带资源越来越紧缺的今天。有效的传输技术能够增加数据传输率,提高带宽的频谱效率。随着多入多出（MIMO）技术和正交频分复用（OFDM）技术在下一代移动通信系统中的应用,无线通信系统的传输技术也由传统的时间域传输扩展到时间域、频率域和空间域的三维联合传输。将MIMO和OFDM各自的优势应用在传输方案中,以建立高速、可靠的通信,成为下一代移动通信技术的发展趋势之一。本论文在国内外相关研究工作的基础上,针对MIMO无线通信系统所涉及的传输技术进行了深入研究,特别是在多小区MIMO广播信道的协作通信、及结合功率分配的优化协作通信,MIMO-OFDM系统的码分多址技术、及空时频正交码设计,分组多载波码分多址（MC-CDMA）的动态资源分配等方面取得了较大研究进展。论文的主要工作和创新之处在于：第一,对基于最大最小速率准则的MIMO广播信道的协作通信进行了研究。分析了迫零（ZF）协作通信和最小均方误差（MMSE）协作通信的和速率范围和基于最大最小速率准则所确定的用户符号功率的表达形式。根据块对角原理,结合MMSE准则,提出了基于MMSE准则的块对角协作通信。块对角协作通信不仅能够有效地抑制小区间干扰,还大大降低了实现复杂度。其在保证频谱效率的情况下提高了实施可行性。第二,研究了MIMO广播信道的优化协作通信。不同于基于最大最小速率准则的协作通信方案,根据用户的信道信息分配不同的功率,以提高数据速率。将用户符号的功率分配与协作通信联合进行优化,大大提高了系统的频谱效率。同时,根据优化协作通信的设计方案,提出了多用户环境下用户选择的准则。第三,研究了MIMO-OFDM系统的码分多址及空时频扩频。介绍了下行MIMO-OFDM系统的空时频扩展方案。基于原有的双正交码,提出了一种扩展双正交扩频码。这种扩频码在保证双正交性能的情况下,打破了原有的双正交码在长度上所受的“2的次方”的限制,能够更加灵活的应用在实际系统中。第四,对用于MIMO-OFDM下行链路中的无约束成对正交码进行了研究。提出了无约束成对正交码的设计方案,它满足无约束成对正交码设计准则,通过平衡用户的性能降低了多用户干扰的影响,保证了系统性能的提高。它充分利用多天线的特点,在发射天线之间实现了完全空间分集增益。同时,它能够构造出长度极为灵活的扩频码矩阵,可在性能得到保证的情况下节约频谱资源,使得其在实际应用中更加广泛。第五,研究了下行分组MC-CDMA系统中的动态资源分配算法。将系统中的子载波分成若干子波段组,并将用户分配至各个子波段组中,能够降低用户干扰,提高系统性能。根据优化理论提出了最优用户分组准则,其包含用户功率的分配,在实际系统中较难加以使用。结合MMSE检测提出了用户等效SINR,并用其作为用户分组的次优准则。根据两种排序方式提出两个用户分组的算法,其能够实现理想的频谱效率和误比特率性能,且实现复杂度较低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 MIMO传输技术的概述
• 1.2 MIMO传输技术的发展及研究现状
• 1.3 本课题的来源和研究意义
• 1.4 论文的主要内容和研究成果
• 1.5 参考文献
• 第二章 基于最大最小速率准则的MIMO广播信道的协作通信
• 2.1 引言
• 2.2 协作通信系统
• 2.2.1 系统模型
• 2.2.2 最大最小速率准则
• 2.3 协作通信传输
• 2.3.1 ZF协作通信
• 2.3.2 MMSE协作通信
• 2.3.3 基于MMSE准则的块对角协作通信
• 2.4 复杂度分析
• 2.5 性能分析与仿真
• 2.5.1 和速率函数分析
• 2.5.2 系统仿真
• 2.6 小结
• 2.7 参考文献
• 第三章 MIMO广播信道的优化协作通信
• 3.1 引言
• 3.2 MIMO广播信道系统模型及容量
• 3.2.1 系统模型
• 3.2.2 协作通信信道容量
• 3.3 和速率最大化协作通信
• 3.3.1 结合功率分配的块对角协作通信
• 3.3.2 容量范围分析
• 3.3.3 用户选择准则
• 3.4 仿真与分析
• 3.5 小结
• 3.6 参考文献
• 第四章 MIMO-OFDM下行链路中的码分多址
• 4.1 引言
• 4.2 MIMO-OFDM下行链路系统中的传统多址方案
• 4.3 MIMO-OFDM下行链路中的空时频多址方案
• 4.3.1 系统模型和多址方案
• 4.3.2 空时频扩频码设计准则
• 4.3.3 扩展双正交扩频码
• 4.4 性能分析与仿真
• 4.4.1 传统扩频码的信干噪比
• 4.4.2 性能仿真
• 4.5 小结
• 4.6 参考文献
• 第五章 用于MIMO-OFDM系统中的无约束成对正交码
• 5.1 引言
• 5.2 无约束成对正交码设计方案
• 5.3 无约束成对正交码的性质
• 5.3.1 无约束成对正交性
• 5.3.2 空间分集增益
• 5.3.3 扩频长度
• 5.4 分析与仿真
• 5.4.1 扩频码可实现长度范围的比较
• 5.4.2 性能仿真
• 5.5 小结
• 5.6 参考文献
• 第六章 下行分组MC-CDMA系统的动态资源分配
• 6.1 引言
• 6.2 系统模型和问题描述
• 6.2.1 下行分组MC-CDMA系统模型
• 6.2.2 速率优化问题描述
• 6.3 结合MMSE检测的次优资源分配
• 6.3.1 最优分组准则
• 6.3.2 基于MMSE检测的等效信干噪比推导
• 6.3.3 两个次优用户分组算法
• 6.4 性能仿真
• 6.5 小结
• 6.6 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文的主要研究工作
• 7.2 下一步的研究计划
• 致谢
• 作者在攻读博士期间发表及在审的论文
• 作者在攻读博士期间申请的专利