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基于MIMO系统的多阵元调度优化算法研究

作　者: 王勇
导　师: 廖桂生
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 多输入多输出空时编码空分复用阵列信号处理稳健波束形成最大比合并等增益传输天线选择共信道干扰凸优化
分类号: TN919.72
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 344次
引　用: 3次
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内容摘要

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术充分开发空间资源,利用多根天线实现多发多收,在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下,可以成倍地提高信道容量,满足未来无线通信中高速数据传输的需求。以智能天线和空时编码为代表的多天线技术是目前公认的实现上述目标的最佳选择。波束形成技术源于智能天线,增强期望用户信号功率、抑制干扰用户信号是其典型的技术优势,也是SDMA(Space Division Multiple Access)能够得以实现的基础。而STBC(SpaceTime Block Code,空时分组码)则是实现MIMO分集的重要手段,能有效对抗信道的多径衰落。从发展趋势看,两者的有效联合将可以充分发挥多天线的优势,进而实现系统性能的大幅提升。也应看到,天线选择技术是最近发展起来的一种非常有效的低成本、低复杂度的多天线分集技术,具有重要的理论和实际价值,在无线通信领域正发挥着越来越重要的作用。本论文主要针对MIMO系统的发射和接收天线阵元,研究阵元优化调度方法,结合阵列信号处理,提出在不增加硬件投入情况下,经过合理天线阵元调度而提高系统性能的优化算法,并且通过理论分析与仿真实验进行验证。主要包括以下几个方面内容:1.提出一种适用于任意发射天线数的QOSTBC子阵分组发射分集方案,该方案克服传统方法中性能随波达角度(DOA)和角度扩展(AS)变化而剧烈波动的不足。其基本思想是:将发射天线平均分组,空时编码信号经各子阵的波束形成加权后定向发射;接收机利用空时编码矩阵特点进行选择接收,将接收信号分成两组,利用分组内信号的正交性进行组间干扰抑制,由于每组都是Alamouti编码,因此每组都可以获得满速率和满分集增益,将两组合并后仍可以获得满分集增益。从理论分析和计算机仿真的结果都可以看出:该方法在保持QOSTBC满速率优点的前提下,可以同时获得满空间分集增益;而且编码和译码的过程都是基于线性处理的,计算简单。2.传统MIMO系统传输信号需要有与发射(或接收)天线数量相同的射频链路,这使得MIMO系统的成本和复杂度非常高的问题。提出了发射天线和接收天线选择算法及优化设计方法。利用凸优化技术解决基于系统容量最大和译码性能最优两个准则条件下的最优解问题,并对凸优化方法进行了改进,提出了近似逼近的方法,在保持性能的同时显著降低计算复杂度。仿真结果给出了特定条件下最优天线数目;最后,针对传统天线选择算法性能损失较大,将射频链路不再分配给一个天线元素,而是分配给一个天线元素子集的线性组合,通过在接收端的天线子阵变换,使系统性能明显提升。3.研究使用相同频率、时隙和码道的同一小区多用户通信时对码间干扰和信道干扰抑制的两种算法。智能天线阵列上,通过复合加权,同时实现对系统内其他用户的干扰抑制和对期望用户的满发射分集。本文从理论上证明了复合加权等效为两个子权向量的卷积形式,而这两个权向量可以分别用来实现用户间的干扰抑制和构建STBC所需要的不相关的传输信道。第二种方法是将发射端和接收端的天线阵元进行分组,在发送端依据容量最大准则,在接收端依据信干噪比最大准则分别求出发送波束形成权和接收波束形成权,利用Alamouti编码的正交性使得多用户等效传输矩阵也保持正交性,在不需要预先知道共信道干扰的信道状态信息情况下,抑制码间干扰,同时在接收端获得更大信干噪比。理论分析和计算机仿真结果证明了这两种方法的有效性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
第一章绪论  14-28
  1.1 研究背景与意义  14-15
  1.2 研究历史与现状  15-25
    1.2.1 MIMO的空间分集技术  15-17
    1.2.2 阵列信号处理技术  17-20
    1.2.3 MIMO技术  20-23
    1.2.4 天线选择技术  23-25
  1.3 本文的主要工作和内容安排  25-28
第二章 MIMO通信系统关键技术  28-44
  2.1 MIMO信道模型  28-30
    2.1.1 MIMO信道模型  28-29
    2.1.2 MIMO系统容量  29-30
  2.2 空时分组编码技术概述  30-36
    2.2.1 正交空时分组码(OSTBC)  30-34
    2.2.2 准正交空时分组码(QOSTBC)  34-36
  2.3 波束形成技术  36-40
    2.3.1 阵列模型  36-38
    2.3.2 自适应波束形成算法  38-40
  2.4 天线选择技术  40-42
    2.4.1 空间分集系统中的应用  41
    2.4.2 空间复用系统中的应用  41-42
  2.5 小结  42-44
第三章基于天线子阵划分的空时分组码设计  44-68
  3.1 引言  44-45
  3.2 发射天线分组设计的波束形成技术  45-51
    3.2.1 基于单天线子阵模型的波束形成  45-47
    3.2.2 基于多天线子阵模型的波束形成  47-48
    3.2.3 仿真分析  48-51
  3.3 基于天线子阵划分的满速率准正交QOSTBC设计  51-61
    3.3.1 基于天线子阵划分的STBC接收方案  52-55
    3.3.2 一种新颖的满速率准正交STBC接收方案  55-59
    3.3.3 仿真分析  59-61
  3.4 基于分集合并技术的收发天线数目优化配置  61-67
    3.4.1 系统模型  61-62
    3.4.2 系统性能分析  62-65
    3.4.3 仿真分析  65-67
  3.5 本章小结  67-68
第四章 MIMO系统中天线优化选择算法  68-100
  4.1 引言  68-69
  4.2 基于信噪比的等增益传输系统最优发射天线算法  69-76
    4.2.1 等增益传输系统模型  69-71
    4.2.2 最优天线数目分析  71-73
    4.2.3 仿真结果  73-76
  4.3 基于凸优化理论的最优接收天线选择算法  76-90
    4.3.1 基于系统容量最大的天线选择优化算法  78-79
    4.3.2 基于BER性能最优的天线选择优化算法  79-82
    4.3.3 基于凸优化技术的性能分析  82-84
    4.3.4 仿真结果  84-90
  4.4 基于子阵划分的接收天线选择技术  90-98
    4.4.1 基于子阵划分的接收天线选择系统模型  91-92
    4.4.2 算法介绍  92-95
    4.4.3 仿真结果  95-98
  4.5 本章小结  98-100
第五章基于波束形成的多用户共信道传输算法  100-118
  5.1 引言  100
  5.2 特征波束形成的特性讨论  100-103
  5.3 组合波束形成的多用户干扰抑制算法  103-110
    5.3.1 系统模型  103-105
    5.3.2 组合波束形成权算法  105-108
    5.3.3 仿真结果  108-110
  5.4 基于天线子阵划分的多用户干扰抑制算法  110-117
    5.4.1 系统模型  110-112
    5.4.2 算法介绍  112-115
    5.4.3 仿真结果  115-117
  5.5 本章小结  117-118
第六章总结与展望  118-122
  6.1 总结  118-119
  6.2 展望  119-122
致谢  122-124
参考文献  124-140
博士学习阶段(合作)发表与撰写的学术论文  140

基于MIMO系统的多阵元调度优化算法研究

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