MIMO-OFDM自适应传输技术研究

论文摘要

近年来的研究表明,多天线的MIMO技术能显著增加信道容量,提高频谱效率,正交频分复用OFDM技术以其简易的调制解调方式和均衡处理等优势受到广泛地关注。MIMO-OFDM技术的结合,作为4G或称B3G物理层传输技术之一,能够对抗多径衰落、适应高信道容量、高比特信息速率等宽带多媒体应用的需求。在频率选择性衰落信道中,采用自适应传输技术的MIMO-OFDM系统,可以用较低的复杂度,实现高性能、高频谱效率的通信,并通过动态调整各种传输参数使得系统资源配置能适应信道的变化。本论文正是在国家“十五”863计划重大课题“新一代蜂窝移动通信系统无线传输链路技术研究（2001AA123014）”和国家自然科学基金重大项目“未来移动通信系统基础理论与技术研究”子课题“基于MIMO-OFDM系统的空中接口自适应技术研究（60496310）”的资助下,针对MIMO-OFDM自适应传输技术中的若干问题,如比特和功率分配、不同传输策略下的自适应算法、跨层自适应传输、自适应天线子集选择等进行了研究。论文首先讨论了OFDM系统中的自适应比特、功率分配算法。该算法可适用于多径频率选择性衰落信道,它根据信道的瞬时特性,动态地为OFDM系统的各子信道分配传输比特数和发送功率。根据不同地分配准则,采用了边际自适应和速率自适应两种优化算法。在完全已知信道状态信息假设前提下,又提出了一种针对MIMO-OFDM系统的自适应传输方案。该方案基于子载波上的预编码优化设计,在MIMO信道的特征子信道中进行功率注水和动态比特分配,能以RA准则在满足平均功率约束和给定误比特率条件下最大化系统传输速率。然后,论文对正交频分复用接入系统在多用户多天线传输情况下的自适应资源分配策略进行了研究,提出了一种基于天线波束成形的,包括动态子载波分配、自适应调制、比特加载的无线资源分配方案。算法的优化设计目标MA优化准则。仿真结果表明,由于多用户分集和多天线带来的阵列增益和天线分集增益,系统整体性能得到了明显的优化。基于正交空时分组码的多用户OFDM系统也是一种常见的MIMO-OFDM结构,论文对其自适应子载波分配算法也做了研究。首先从性能角度出发,在保证用户误码率约束的前提下,以总的发射功率最小为目标,推导了具有普遍意义的OSTBC-OFDM的子载波分配通式。考虑到实际应用系统中效率与公平的折中,对各个用户定义相应的速率约束,以增加功率最小为原则,给出了改进的兼顾公平的子载波分配算法的具体步骤。数值仿真结果证明,自适应子载波分配能改善OSTBC-OFDM系统的误码率性能,且兼顾公平的算法需要一定的性能损失为代价。跨层自适应设计已经成为了当前计算机和通信领域研究中的热门问题。论文提出了一种适用于OFDM下行（前向）链路的跨层自适应传输算法。算法考虑了物理层（PHY）的信道状态信息和功率约束,以及数据链路层（DLL）的业务和用户的调度公平。仿真结果表明该跨层传输方案的优于单纯在物理层采用子载波和功率分配自适应算法的方案,相对于后者能够提高用户数据包的传输成功率和降低包传输时延,并能支持更多的用户。天线子集选择在未来移动通信系统中是一种降低成本、降低复杂度的有效方法,可以利用多天线系统的多数优点。论文最后对采用OSIC检测的V-BLAST系统的天线子集选择做了研究。考虑到OSIC检测中排序和干扰抵消产生的影响,通过置换序列和QR分解,论文给出了一个非常简洁的V-BLAST系统的天线子集选择表达式,并对其性能做了分析。仿真结果表明该方案的中断容量曲线接近基于容量最大的最优方案,并具有合理的复杂度,在性能上优于已有的几种天线子集选择方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 第四代移动通信技术研究现状
• 1.2 MIMO-OFDM 技术综述
• 1.3 自适应传输技术综述
• 1.4 本文选题和内容要点
• 2 MIMO-OFDM 系统的自适应比特和功率分配
• 2.1 引言
• 2.2 单天线OFDM 的自适应比特和功率分配准则
• 2.3 采用预编码的MIMO-OFDM 的自适应比特和功率分配
• 2.4 仿真结果和分析
• 2.5 本章小结
• 3 基于天线波束成形的OFDMA 系统的边际自适应
• 3.1 引言
• 3.2 系统模型和MA 优化目标方程
• 3.3 算法描述
• 3.4 仿真结果和分析
• 3.5 本章小结
• 4 多用户OSTBC-OFDM 下行链路的自适应资源分配
• 4.1 引言
• 4.2 系统模型
• 4.3 效率优先的算法
• 4.4 兼顾公平因素的考虑
• 4.5 仿真实验
• 4.6 本章小结
• 5 OFDM 下行链路的PHY-DLL 跨层自适应传输
• 5.1 引言
• 5.2 系统模型与假设
• 5.3 算法描述
• 5.4 仿真结果和分析
• 5.5 本章小结
• 6 基于QR 分解的V-BLAST 自适应天线子集选择
• 6.1 引言
• 6.2 天线选择对系统容量的影响
• 6.3 系统模型
• 6.4 V-BLAST 的OSIC 检测
• 6.5 基于QR 分解的天线子集选择算法
• 6.6 实验仿真
• 6.7 本章小结
• 7 全文总结和展望
• 7.1 论文的贡献
• 7.2 进一步工作建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间论文目录
• 附录2 攻读博士学位期间申请专利
• 附录3 英文缩写对照表
• 附录4 数学符号说明
• 附录5 国家863 计划任务合同书及中标书
• 附录6 国家自然科学基金委员会文件