空时分集接收相关技术研究

论文摘要

移动无线通信系统,用户和障碍物都分布在不同的地理位置,从而用户多径信号具有空时耦合的结构特征。由于一维的时域或者空域信号处理都没有充分利用信号和信道的空时结构特性,所以它们只能有限地提高无线通信系统的性能。空时处理技术能够很好的结合空域和时域处理各自的优势,能够充分利用信号和信道的空时结构特征,弥补了时域信号处理和空域信号处理二者的局限,能够进一步提高无线通信系统的网络容量、覆盖范围和通信质量。本文详细研究了空时分集接收的相关技术。具体而言,本文的创新性工作主要包括以下几个方面：1)多径信号的角度分集接收信号的多径传播导致接收信号的时延扩展和角度扩展,不同路径的到达信号通常具有不同的到达角度和传播时延,从而造成了接收信号中存在码间干扰（ISI）。针对信号的多径传播问题,提出了一种角度分集接收的方法,使用多个波束形成器分别对各条路径信号进行空域滤波,提取出期望用户各条路径信号,然后将提取出的各条路径信号进行延迟相干最大比合并（MRC）,有效地提高了输出信号的信干噪比。针对MRC合并不能够很好地获得时间分集增益的问题,还提出一种角度分集接收信号的MMSE合并与均衡方法,对各个波束形成器输出信号同时进行合并与均衡处理,解决了合并信号中的码间干扰（ISI）抑制问题。2) CDMA信号的波束形成与2D-RAKE接收机基于直接序列扩频（DS-SS）技术的CDMA系统中信号解扩时多径时延超过一个码片宽度的多径信号经过相关器后只能被当作噪声处理。然而在对解扩后的阵列信号进行波束形成处理时情况将发生变化,这是因为传播时延不同的多径信号经过解扩之后变为相干信号,可以被加以利用。文献[69]中Naguib提出的码滤波波束形成方法仅在期望用户某一条路径信号方向上形成较大的增益,期望用户其他路径信号作为噪声加以抑制。也就是说,Naguib提出的采用码滤波方法对解扩后的信号进行波束形成时仅利用到了期望用户一条路径信号成分,而其他多径成分并没有被利用。针对码滤波方法的不足,本文提出一种改进的码滤波波束形成方法,使得码滤波处理后信号中含有的期望用户各相干多径成分均得到利用。并在此基础上对时空级联2D-RAKE接收机进行改进,提出一种新的时空级联2D-RAKE接收机。3)空时二维联合分集接收技术单独的空间分集接收技术或时间分集接收技术没有充分利用无线通信信道的空时结构特征,所以限制了它们的分集增益和干扰抑制能力。针对一维分集接收方法的不足,提出一种基于多径时延估计的空时二维联合分集接收方法。该方法可以同时对期望用户的不同到达方向和不同到达时间的多径信号进行空时二维联合分集接收,同时抑制系统中的共信道干扰和噪声,从而有效的提高输出信号中期望用户信号的信噪比。当前的移动通信系统广泛地采用码分多址（CDMA）方式,DS-CDMA系统的空时处理技术主要涉及2D-RAKE接收机。本文针对DS-CDMA系统,提出了一种直接序列扩频信号的空时二维联合分集接收方法,有效地解决了频率选择性衰落信道下直扩信号的空域和时域的联合接收处理问题。对于期望用户的每一条传播路径信号,天线阵列使用一组相同的相关器分别对每一个阵元的接收信号进行解扩处理。使用多组这样的相关器分别对期望用户的多条传播路径信号进行解扩处理,然后将各组相关器输出的解扩信号进行联合的MMSE加权合并。为了降低加权系数的计算复杂度,本文还提出一种降复杂度的CDMA系统空时二维分集接收方法。仿真分析表明,本文提出的这种CDMA系统的空时二维联合分集接收方法性能优于传统的2D-RAKE接收机。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 内容安排
• 第2章 无线信道与空时信号处理
• 2.1 引言
• 2.2 无线通信的信道特性
• 2.2.1 路径损耗
• 2.2.2 阴影衰落
• 2.2.3 多径衰落
• 2.2.4 ITU-R M.1225实测衰落信道模型
• 2.3 空时信道模型
• 2.3.1 天线阵与阵列响应向量
• 2.3.2 等距线阵与均匀圆阵
• 2.3.3 空时信道模型
• 2.4 空时均衡处理
• 2.4.1 MMSE空时均衡器
• 2.4.2 MLSE空时均衡器
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于DOA估计的角度分集接收方法
• 3.1 引言
• 3.2 DOA估计
• 3.2.1 多重信号分类（MUSIC）算法
• 3.2.2 旋转不变子空间（ESPRIT）算法
• 3.2.3 最大似然DOA估计算法
• 3.3 波束形成
• 3.3.1 最小均方误差（MMSE）波束形成器
• 3.3.2 最大信干噪比（MSINR）波束形成器
• 3.3.3 线性约束最小方差（LCMV）波束形成器
• 3.4 角度分集接收
• 3.4.1 角度分集接收方法
• 3.4.2 MRC合并及输出信噪比分析
• 3.4.3 MMSE合并与均衡
• 3.4.4 仿真结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 码滤波方法及2D-RAKE接收机
• 4.1 引言
• 4.2 CDMA系统空时信道模型
• 4.2.1 平坦衰落信道CDMA空时信道模型
• 4.2.2 频率选择性衰落信道CDMA空时信道模型
• 4.3 基于码滤波方法的DS-CDMA信号波束形成
• 4.3.1 码滤波方法的CDMA信号波束形成
• 4.3.2 改进的码滤波CDMA信号波束形成方法
• 4.3.3 仿真试验及分析
• 4.4 2D-RAKE接收机
• 4.4.1 空时级联2D-RAKE接收机
• 4.4.2 时空级联2D-RAKE接收机
• 4.4.3 改进的时空级联2D-RAKE接收机
• 4.4.4 仿真试验及分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 空时二维联合分集接收
• 5.1 引言
• 5.2 多径时延估计
• 5.2.1 广义互相关法
• 5.2.2 基于频域MUSIC算法的多径时延估计
• 5.2.3 基于频域ESPRIT算法的多径时延估计
• 5.2.4 联合的角度和时延估计
• 5.3 空时二维联合分集
• 5.3.1 空时二维联合分集接收方法
• 5.3.2 空时合并加权系数的计算
• 5.3.3 仿真结果及分析
• 5.4 CDMA系统空时分集接收
• 5.4.1 CDMA系统空时二维联合分集接收方法
• 5.4.2 输出信干噪比分析
• 5.4.3 降复杂度的CDMA系统空时二维分集接收方法
• 5.4.4 仿真结果及分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 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