MIMO系统空域相关性分析与信道估计

论文摘要

现代无线通信正面临着频谱资源有限,无线传输环境复杂等困难。研究表明,MIMO（Multi Input Multi Output）技术能显著增加信道容量,提高频谱效率,而OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）以其简单易行的调制解调方式和均衡处理得到广泛的关注。MIMO-OFDM技术的结合已经成为4G（4 Generation）的关键技术,可以满足对抗衰落、适应高信道容量、高比特信息速率等宽带多媒体应用的要求。MIMO衰落信道的测量和建模方法是MIMO关键技术之一。基于收发衰落相关特征建模方法是诸多建模方法之一。相关的理论和实验结果表明这一模型更能描述MIMO系统的容量特性,并且这一模型能较好地匹配MIMO衰落信道的空时相关特征。本文将对MIMO系统的空域相关性展开讨论。对MIMO无线衰落信道模型和衰落统计特性研究的一方面是对MIMO信道衰落空时统计特性的测量和理论分析,其中之一即关注多径到达接收端的来波方向（Direction of signal arrival,DOA）。本文将在DOA估计精度与模糊方面展开详细讨论。论文的研究主要分为三大部分:第一部分MIMO无线信道空域相关性的分析;第二部分MIMO天线阵角度谱估计精度和模糊问题;第三部分介绍了MIMO-OFDM信道算法及硬件实现平台。本文首先分析了MIMO系统的空域相关性,并根据香农信道容量推导出了MIMO系统信道的秩与信道容量关系的解析表达式。信道空域的相关,使得信道矩阵的秩降低,从而影响了MIMO系统的信道容量,可见空域相关是影响MIMO系统性能不可忽视的一个因子。本文分别讨论了线形阵列、平面圆形阵列和立体阵列模型在来波角度谱分别为均匀、余弦、高斯和拉普拉斯分布下空域相关性的解析表达式。并将来波角度谱的分布从一维推广到二维。其中立体阵列模型是基于空间坐标的条件下,依据各阵子空间坐标而推出的解析表达式,该式可根据实际情况做相应变形,从而具有一定的通用性。第二部分讨论了空间角度谱估计精度问题和估计模糊问题。从上段所述可知空域相关性的分析建立在来波角度谱的分布上,来波角度谱分布的形式直接影响着空域相关性,来波角度估计精度如何则变成了至关重要的问题。本文在第一部分建立的三种天线阵列模型下分别推导了其角度估计误差解析表达式,并讨论了影响估计误差的因素。同时角度估计存在一定的模糊,论文基于三种天线阵模型讨论了各自测向模糊角问题,并给出了模糊值与真实值之间的关系表达式。第三部分介绍了MIMO-OFDM信道估计算法及其硬件实现平台。首先简要的回顾了一下估计理论,介绍了MIMO-OFDM系统的信道估计算法,分别给出了时域信道估计和频域信道估计算法。接着介绍的是信道估计算法的硬件实现平台。该平台的中心器件是TMS320C6416,与FPGA的结合完成了整个系统的算法实现,同时该平台提供了现场测试等功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究目的及意义
• 1.2 MIMO/OFDM无线通信系统研究现状及趋势
• 1.2.1 MIMO技术
• 1.2.2 OFDM技术
• 1.2.3 MIMO-OFDM技术
• 1.2.4 MIMO系统空域相关性研究现状
• 1.2.S MIMO-OFDM信道估计研究现状
• 1.3 论文的主要研究内容与安排
• 1.3.1 论文主要内容
• 1.3.2 论文组织安排
• 第2章 MIMO系统容量与线性阵列信道模型空域相关性分析
• 2.1 MIMO系统简述
• 2.2 MIMO信道容量分析
• 2.2.1 MIMO信道容量理论分析
• 2.2.2 MIMO信道容量仿真
• 2.3 MIMO系统线性阵列信道模型
• 2.3.1 信道模型建模方法
• 2.3.2 线形阵列信道模型空域相关性分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 MIMO系统特殊阵列模型空域相关性分析
• 3.1 圆形天线阵列在一维角度谱分布下模型
• 3.2 圆形阵列模型在一维角度谱分布下的空域相关性
• 3.2.1 来波角度谱为均匀分布时圆阵空域相关性分析
• 3.2.2 来波角度谱为余弦分布时圆阵空域相关性分析
• 3.2.3 来波角度谱为高斯分布时圆阵空域相关性分析
• 3.2.4 来波角度谱为拉氏分布时圆阵空域相关性分析
• 3.3 圆形天线阵列在二维角度谱分布下模型
• 3.4 圆形阵列模型在二维角度谱分布下的空域相关性
• 3.4.1 俯仰角均匀分布方位角其它分布圆阵空域相关性
• 3.4.2 俯仰角余弦分布方位角其它分布圆阵空域相关性
• 3.4.3 俯仰角高斯分布方位角其它分布圆阵空域相关性
• 3.4.4 俯仰角方位角均为拉氏分布圆阵空域相关性
• 3.5 立体天线阵列在二维角度谱分布下模型
• 3.6 立体阵列模型在二维角度谱分布下的空域相关性
• 3.6.1 俯仰角均匀分布方位角其它分布立体阵空域相关性
• 3.6.2 俯仰角余弦分布方位角其它分布立体阵空域相关性
• 3.6.3 俯仰角高斯分布方位角其它分布立体阵空域相关性
• 3.6.4 俯仰角方位角均为拉氏分布立体阵空域相关性
• 3.7 本章小结
• 第4章 来波角度谱估计与估计性能分析
• 4.1 来波角度谱估计概述
• 4.1.1 来波角度谱估计算法概述
• 4.1.2 角度估计精度概述
• 4.1.3 角度估计模糊概述
• 4.2 MUSIC算法原理简介
• 4.3 线形测向系统分析
• 4.3.1 线形天线阵阵列流形
• 4.3.2 线形天线阵测向误差分析
• 4.3.3 线形天线阵测向模糊分析
• 4.4 基于圆形阵一维测向性能分析
• 4.4.1 平面圆形阵对一维角度测向阵列流形
• 4.4.2 平面圆形阵对一维角度测向误差分析
• 4.4.3 平面圆形阵对一维角度测向模糊分析
• 4.5 平面圆形阵二维测向性能分析
• 4.5.1 平面圆形阵对二维角度测向阵列流形
• 4.5.2 平面圆形阵对二维角度测向误差分析
• 4.5.3 平面圆形阵对二维角度测向模糊分析
• 4.6 立体阵二维测向性能分析
• 4.6.1 立体阵对二维角度测向阵列流形
• 4.6.2 立体阵对二维角度测向误差分析
• 4.6.3 立体形阵对二维角度测向模糊分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 MIMO-OFDM信道估计及硬件实现
• 5.1 MIMO-OFDM系统信道估计理论简述
• 5.1.1 MIMO-OFDM系统模型
• 5.1.2 MIMO-OFDM导频图案的设计
• 5.1.3 MIMO-OFDM系统的信道估计
• 5.2 MIMO-OFDM信道估计算法硬件实现平台
• 5.2.1 系统硬件实现原理
• 5.2.2 EDMA数据传输方式
• 5.3 程序软件设计
• 5.3.1 程序整体结构
• 5.3.2 DSP与上位机通信
• 5.4 运行结果
• 5.5 本章小结
• 结论
• 1 本论文内容总结
• 2 未来的工作计划
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历
• 附录 缩略词
• 公式附录