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宽带MIMO系统若干关键技术研究

2020-12-07阅读(829)

宽带MIMO系统若干关键技术研究

论文摘要

移动通信业务的高速发展，以及移动网络和互联网的加速融合，使得对下一代宽带移动通信系统的需求日益迫切。宽带多输入多输出（MultipleInput Multiple Output，MIMO）技术能够充分开发空间资源，在不增加频谱资源和天线发送功率的情况下，成倍地提高信道容量。因此，宽带MIMO已经被确定为下一代移动通信系统的关键技术。众多研究机构和学者已经投入到宽带MIMO系统相关技术研究中，并已经取得了相当的成果，如宽带MIMO无线传播信道建模、信道测量、宽带MIMO系统容量和系统性能分析、载波同步、信道编码、空-时均衡和空-时检测等。然而，宽带MIMO通信系统中还面临大量实现问题亟待研究解决。为了进一步加快开发高频谱利用率、高可靠性、易实现的宽带MIMO通信系统以满足新一代移动通信需求，本文在及时跟踪宽带MIMO技术研究领域国内外发展动向的基础上，针对宽带MIMO系统的下列四个关键技术进行了深入的研究，并取得了一些新的研究成果。首先，本文研究了多输入多输出-正交频分多工（Multiple Input MultipleOutput-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，MIMO-OFDM）系统的容量和发射分集MIMO-OFDM系统方案。在MIMO-OFDM系统信道模型的基础上，分析了MIMO-OFDM空频编码（Space-Frequency Coding，SFC）和复用方案下系统容量和性能。重点讨论了一种适合下一代无线通信系统的级联空频编码系统方案，该方案可以实现从普通MIMO空时编码到宽带MIMO-OFDM空频编码的直接映射扩展。仿真实验结果表明MIMO-OFDM是宽带MIMO的低复杂度、高效率实现。其次，为了提高MIMO-OFDM通信系统的传输性能。本文提出了一种空频分组码的自适应调制方案，并优化了基于天线选择发射分集的自适应功率分配策略。本文首先研究了自适应调制（Adaptive Modulation，AM）MIMO-OFDM系统结构、自适应调制算法在MIMO-OFDM系统中的应用。研究了自适应M阶正交幅度调制（M-ary Quadrature Amplitude Modulation，M-QAM）方案，给出了基于最大频谱效率的最优功率和调制分配的封闭解。在此基础上研究了普通MIMO系统和MIMO-OFDM系统特征波束形成结构的自适应传输方案，并且分别在功率和最大化速率条件下给出比特、功率分配算法。仿真表明自适应调制提高了系统的频谱利用率，优化了系统的性能。然后结合自适应调制技术和发射分集技术，针对MIMO-OFDM系统研究了基于空频分组编码发射分集和基于空间复用的自适应调制系统方案，依靠自适应比特和功率分配算法，达到在平均传输速率约束条件下最小化传输功率。研究表明，自适应调制MIMO-OFDM传输系统可以显著提高传统MIMO-OFDM系统的误比特率性能。与多载波实现方案不同，近年来，单载波宽带均衡技术也因其所固有的优点引起了研究者的注意。本文针对宽带MIMO系统均衡技术，分时域均衡（Time Domain Equalization，TDE）和频域均衡（Frequency DomainEqualization，FDE）两个部分分别进行了研究。对于宽带MIMO时域均衡，本文提出了一种最小均方误差（MinimumMean Square Error，MMSE）类盲均衡算法的凸组合策略。本文首先通过对宽带MIMO系统克服符号间干扰（Inter Symbol Interference,ISI）的自适应时域均衡技术的研究，给出了宽带MIMO系统的均衡方案。本文主要研究了单载波MIMO系统中时域线性均衡器（Time Domain-Linear Equalization，TD-LE）及判决反馈均衡器（Time Domain-Decision Feedback Equalization，TD-DFE）算法及对应的系统结构，并对其进行仿真验证和性能分析。针对恒模均衡（Constant Modulus，CM）算法收敛速度慢，收敛性能好，剩余误差大，而判决引导（Decision Directed，DD）算法的收敛速度快，稳态性能好，启动易发散的特点，我们提出了一种MMSE类盲均衡算法的凸组合策略和其锚定训练过程。同常规算法分析比较表明该方案具有收敛速度快稳态性能好的特点。最后，本文在宽带MIMO系统中对上述自适应均衡算法进行了仿真和比较。研究结果表明，应用自适应时域均衡能利用信道频率分集，降低误码率，提高宽带MIMO系统性能。对于宽带MIMO频域均衡，本文研究了宽带MIMO频域均衡及相关干扰抑制问题，研究了一种基于干扰双向预测的抑制窄带干扰的算法。本文首先研究了单载波频域均衡（SC-FDE）的基本原理、信号块结构。然后分析了单载波频分多址系统（SC-FDMA）原理和结构。接下来分析对比了正交频分多工（OFDM）系统和单载波频域均衡（SC-FDE）系统各自的特点和系统性能。然后针对宽带MIMO系统，研究了MIMO SC-FDE系统结构，特别研究了MIMO系统SC-FDE线性均衡（LE）算法。最后研究了一种基于干扰双向预测的抑制窄带干扰的算法。该算法基于宽带MIMO SC-FDE系统数据块结构，在频域均衡器的输出端，根据窄带干扰波形的相关特性，设计了干扰预测器。该预测器在两个方向上对中间传输数据块中的窄带干扰进行预测，预测的结果用于消除数据叠加的干扰波形，从而达到抑制窄带干扰的目的。研究结果表明，自适应频域均衡技术能够以较低的算法复杂度实现宽带MIMO均衡，是上行链路的较好解决方案。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 无线移动通信的发展现状
  • 1.2 未来无线移动通信的发展
  • 1.2.1 下一代无线移动通信的技术需求和演进路线
  • 1.2.2 3GPP LTE/LTE-Advanced演进路线
  • 1.2.3 3GPP2 AIE/UMB/UMB+的演进路线
  • 1.2.4 IEEE移动WiMAX（802.16m）的演进路线
  • 1.3 下一代无线移动通信的关键技术-宽带MIMO
  • 1.3.1 MIMO技术及研究现状
  • 1.3.2 MIMO-OFDM系统发射分集及研究现状
  • 1.3.3 自适应调制MIMO-OFDM及研究现状
  • 1.3.4 自适应均衡MIMO技术及研究现状
  • 1.4 本论文的主要工作
  • 1.5 课题研究的意义及论文结构
  • 第二章 MIMO-OFDM系统及空频编码
  • 2.1 MIMO-OFDM系统基带信号模型
  • 2.2 MIMO-OFDM信道模型
  • 2.3 MIMO-OFDM空频编码性能
  • 2.4 MIMO-OFDM空频编码级联方案
  • 2.4.1 SFBC/STBC MIMO-OFDM系统模型
  • 2.4.2 V-BLAST/GLSTBC MIMO-OFDM系统模型
  • 2.4.3 SFTC MIMO-OFDM系统模型
  • 2.5 仿真实验结果和分析
  • 2.6 本章小结
  • 第三章 自适应调制MIMO-OFDM系统
  • 3.1 自适应调制系统原理
  • 3.1.1 多进制幅度正交调制及其判决门限
  • 3.1.2 基于最大频谱效率的最优功率和比特分配
  • 3.2 基于信道分解的MIMO-OFDM自适应调制比特和功率分配
  • 3.2.1 普通MIMO虚拟子信道模型
  • 3.2.2 MIMO-OFDM虚拟子信道模型
  • 3.2.3 特征值波束形成结构自适应调制MIMO-OFDM
  • 3.2.4 实验仿真结果
  • 3.3 V-BLAST 自适应调制MIMO-OFDM
  • 3.3.1 系统模型
  • 3.3.2 实验仿真结果
  • 3.4 STBC/SFBC自适应调制MIMO-OFDM
  • 3.4.1 系统模型
  • 3.4.2 实验仿真结果
  • 3.5 本章小结
  • 第四章 宽带MIMO自适应空时均衡
  • 4.1 自适应空时均衡MIMO系统模型
  • 4.1.1 宽带MIMO信道模型
  • 4.1.2 宽带MIMO空-时均衡
  • 4.2 宽带MIMO线性均衡（LE）
  • 4.2.1 MIMO线性均衡器（LE）结构
  • 4.2.2 线性均衡器（LE）自适应算法
  • 4.2.3 仿真实验和结果
  • 4.3 宽带MIMO判决反馈均衡（DFE）
  • 4.3.1 判决反馈均衡器（DFE）结构
  • 4.3.2 判决反馈均衡器（DFE）自适应算法
  • 4.3.3 仿真实验和结果
  • 4.4 基于凸组合的盲均衡算法
  • 4.4.1 盲均衡算法研究现状
  • 4.4.2 凸组合概述
  • 4.4.3 基于凸组合的盲均衡算法
  • 4.4.4 性能分析和仿真结果
  • 4.5 宽带MIMO凸组合盲均衡
  • 4.5.1 基于凸组合的MIMO系统均衡结构
  • 4.5.2 仿真实验结果和分析
  • 4.6 本章小结
  • 第五章 宽带MIMO自适应频域均衡
  • 5.1 单载波频域（SC-FDE）自适应均衡原理
  • 5.1.1 基于圆卷积的频域自适应均衡原理
  • 5.1.2 SC-FDE线性均衡系统
  • 5.1.3 SC-FDE系统容量
  • 5.1.4 SC-FDE信号峰值平均功率比PAPR性能
  • 5.1.5 SC-FDE系统块结构
  • 5.2 SISO SC-FDE系统
  • 5.2.1 SC-FDE系统结构
  • 5.2.2 单载波频分多址（SC-FDMA）系统结构
  • 5.2.3 仿真实验结果和分析
  • 5.3 MIMO SC-FDE系统
  • 5.3.1 MIMO SC-FDE线性均衡器
  • 5.3.2 仿真实验结果和分析
  • 5.4 基于干扰双向预测的MIMO SC-FDE窄带干扰抑制
  • 5.4.1 部分频带干扰模型
  • 5.4.2 基于干扰双向预测的干扰抑制算法
  • 5.4.3 仿真实验结果和分析
  • 5.6 本章小结
  • 第六章 总结与展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 攻博期间取得的研究成果

    • 相关论文文献

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