MIMO及其相关技术研究

论文摘要

随着用户对移动多媒体业务需求的快速增长,如何有效提高无线链路的数据传输速率是未来移动通信需要解决的问题之一。多输入多输出（MIMO）技术具有空间复用和空间分集的特性,在不增加带宽和发射功率的前提下大幅度地提高了无线系统的传输效率,已被列为下一代无线通信的必选技术；协作通信中多个小型终端之间相互协作共享彼此的天线,构成了虚拟MIMO系统,为MIMO技术在小型移动终端的应用提供了解决方案；网络编码的中继节点具有MIMO技术的空间复用的特性,在同一时刻转发多个源节点的信号,大大提高了网络的吞吐量。本文主要围绕MIMO技术、协作通信及网络编码技术进行研究。本论文在国家科技重大专项（2009ZX03002-009-01）和国家自然科学基金（60872149、60672132）的支持下,研究了MIMO及其相关技术。本文主要工作及创新成果如下：（1） MIMO系统中正交空间复用（OSM）方案的功率分配预编码能有效提高其可靠性,然而,该预编码需要额外的反馈信息,并且获得预编码参数的计算量随着调制阶数的增高而增加。针对这两个问题,本文提出了OSM方案的相位旋转预编码方法,该预编码方法使调制信号的虚部分量旋转适当的角度。与OSM方案的功率分配预编码方法相比,所提方法在保持相同可靠性的同时减少了反馈信息,并且降低了获得预编码参数的计算量。为了提高MIMO系统中广义正交空时分组码的性能,本文提出了一种改进的广义正交空时分组码,该编码将部分正交空时分组码（OSTBC）的各支路信号分别旋转适当的角度,这些角度由接收端以最大化等效信道增益为目标而设计,所提方案增大了系统的等效信道增益、提高了系统的性能。此外,所提办案直接计算反馈信息,不需要搜索所有可能的反馈向量,从而极大地降低了接收端计算反馈信息的复杂度。半正交代数空时编码（SAST）（?）（?）全分集且编码速率为1的空时码扩展到任意偶数根发送天线的MIMO系统。研究发现,对于4×4的SAST编码,系统采用正交振幅调制（QAM）时,发送信号向量的前半部分及后半部分的实部分量和虚部分量在传输过程中保持正交。利用此正交特性,本文提出了一种4×4 SAST编码的适用于QAM调制的新译码方案,分别译码发送信号向量的前半部分及后半部分的实部分量和虚部分量。理论分析表明,本文方案的译码复杂度与调制阶数呈线性关系,降低了译码复杂度。速率为2的空时分组码（R2-STBC）能实现全速率全分集,然而其译码复杂度与调制阶数的平方呈线性关系。为了降低R2-STBC的译码复杂度,本文将OSM正交传输的思想引入到R2-STBC中,提出了一种基于相位旋转的速率为2的空时分组码（PR-R2-STBC）,发送端根据反馈信息将部分发送信号旋转一定的角度,实现了信号在传输过程中两两正交,从而使得其译码复杂度与调制阶数呈线性关系。仿真结果显示,与R2-STBC相比,所提编码仅需很少的反馈量就能在保持相同可靠性的同时极大地降低了译码复杂度。（2）协作通信是一种虚拟MIMO技术。为了提高协作通信中坐标交织分布式空时码（CIDSTC）的性能,本文提出了一种基于相位旋转的坐标交织分布式空时码（PR-CIDSTC）,中继节点将其发送信号旋转适当的角度,该角度由接收端根据信道状态信息（CSI）以最小化成对差错概率（PEP）为目标而设计并反馈到发送端,PR-CIDSTC降低了系统的PEP、提高了可靠性。多跳Alamouti放大转发（AAF-MH）协作方案中,信号的传输没有考虑到CSI。针对此问题,本文提出了一种基于相位旋转的多跳Alamouti放大转发（PH-AAF-MH）协作方案,其中的一个中继节点将其发送的信号旋转一定的角度,该角度由接收端根据CSI以最小化PEP为目标而设计并反馈到发送端,AAF-MH-PR协作方案降低了系统的PEP、提高了可靠性。（3）网络编码融合了编码和路由的概念,使得网络传输能够实现理论上的最大传输容量。为了提高虚拟MIMO的空间复用增益,本文针对重叠传输模拟网络编码（ANC-OT）方案中中继节点存在噪声传播效应的问题,提出了中继节点采用校验译码转发协议的重叠传输网络编码方案,中继节点根据其译码的正确与否来决定是否转发源节点的信号。理论分析表明所提方案的平均互信息和可靠性都优于ANC-OT方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 背景综述
• 1.2 MIMO技术
• 1.2.1 MIMO系统模型
• 1.2.2 MIMO的空间复用方案
• 1.2.3 MIMO的空间分集方案
• 1.3 协作通信技术
• 1.3.1 协作通信模型
• 1.3.2 AF协议
• 1.3.3 DF协议
• 1.4 网络编码技术
• 1.4.1 网络编码概述
• 1.4.2 网络编码的优点
• 1.5 MIMO及其相关技术的国内外研究现状
• 1.6 论文的主要研究内容和结构安排
• 第二章 MIMO系统中空间复用方案的研究
• 2.1 引言
• 2.2 OSM方案及其功率分配预编码方法
• 2.2.1 OSM方案简介
• 2.2.2 OSM方案的功率分配预编码方法
• 2.3 OSM方案的相位旋转预编码方法
• 2.3.1 系统模型
• 2.3.2 参数设计
• 2.3.3 复杂度分析
• 2.3.4 仿真结果
• 2.4 本章小节
• 第三章 MIMO系统中空间分集方案的研究
• 3.1 引言
• 3.2 空时分组码
• 3.2.1 OSTBC的编译码方法
• 3.2.2 QOSTBC的编译码方法
• 3.3 广义正交空时分组码
• 3.3.1 编码方法
• 3.3.2 信道增益
• 3.3.3 反馈信息的计算方法
• 3.4 半正交代数空时码
• 3.4.1 循环矩阵
• 3.4.2 半正交代数空时码的编码方法
• 3.4.3 译码算法
• 3.5 完美空时分组码
• 3.5.1 Golden编码
• 3.5.2 R2-STBC的编码及译码方法
• 3.6 一种改进的广义正交空时分组码
• 3.6.1 系统模型
• 3.6.2 参数设计
• 3.6.3 复杂度分析
• 3.6.4 仿真结果及分析
• 3.7 4×4的SAST编码的新译码方法
• 3.7.1 译码模型
• 3.7.2 译码步骤
• 3.7.3 复杂度分析
• 3.7.4 可靠性分析
• 3.7.5 仿真结果
• 3.8 基于相位旋转的速率为2的空时分组码
• 3.8.1 系统模型
• 3.8.2 参数设计
• 3.8.3 复杂度分析
• 3.8.4 仿真结果及分析
• 3.9 本章小节
• 第四章 虚拟MIMO中的协作方法的研究
• 4.1 引言
• 4.2 空时编码协作方法
• 4.2.1 编码方法
• 4.2.2 正交DSTC的设计
• 4.2.3 准正交DSTC的设计
• 4.3 坐标交织分布式空时码
• 4.3.1 坐标交纵的概念
• 4.3.2 坐标交织分布式空时码
• 4.4 AAF-MH协作方案
• 4.4.1 多跳协作通信模型
• 4.4.2 AAF-MH协作方案
• 4.5 基于相位旋转的坐标交织分布式空时码
• 4.5.1 系统模型
• 4.5.2 PEP分析
• 4.5.3 参数设计
• 4.5.4 仿真结果
• 4.6 基于相位旋转的AAF-MH协作方案
• 4.6.1 系统模型
• 4.6.2 PEP分析
• 4.6.3 参数设计
• 4.6.4 性能分析
• 4.6.5 仿真结果
• 4.7 本章小结
• 第五章 虚拟MIMO中的网络编码方法研究
• 5.1 前言
• 5.2 网络编码原理
• 5.3 重叠传输模拟网络编码方法
• 5.4 重叠传输数字网络编码方法
• 5.4.1 系统模型
• 5.4.2 平均互信息分析
• 5.4.3 误码率分析
• 5.4.4 仿真结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 缩略语
• 致谢
• 攻读博士期间发表的学术论文