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【作 者】
徐凯
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【学位年度】2005
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【学位授予单位】北京邮电大学
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【导师姓名】乐光新
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【 关键词 】多输入多输出天线分集智能天线误符号率信道容量中断容量累积概率分布信道估计频率选择性衰落空时编码天线选择成对差错概率正交频分复用信道模型空间相关衰落格状编码调制最大比合并
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【摘 要】
近年来，移动通信发展迅猛，目前研究的热点是如何克服多径衰落 信道的约束提高移动通信的信息传输速率和用户容量，因此研究新的或 改进现有的通信体系，不仅具有深刻的理论意义，同时具有很高的实用 价值。然而频谱资源的匮乏却又限制了移动通信的进一步发展；另一方 面，无线信道的多径传播特性和时变性会对其中传输的信号带来非常大 的损害。而多输入天线多输出天线(MIMO)系统因为能大幅度增加无 线通信系统的谱效率和提高传输可靠性而得到了越来越多的关注。本论 文主要针对MIMO多天线无线通信系统，研究了其中的一些...
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近年来，移动通信发展迅猛，目前研究的热点是如何克服多径衰落 信道的约束提高移动通信的信息传输速率和用户容量，因此研究新的或 改进现有的通信体系，不仅具有深刻的理论意义，同时具有很高的实用 价值。然而频谱资源的匮乏却又限制了移动通信的进一步发展；另一方 面，无线信道的多径传播特性和时变性会对其中传输的信号带来非常大 的损害。而多输入天线多输出天线(MIMO)系统因为能大幅度增加无 线通信系统的谱效率和提高传输可靠性而得到了越来越多的关注。本论 文主要针对MIMO多天线无线通信系统，研究了其中的一些基本问题、 性能和应用。 @@信道模型对于评估MIMO通信系统的性能非常重要。本论文在分析 无线信道传播特征的基础上，讨论了常见的MIMO物理模型，然后研究 了MIMO信道建模的基本问题，提出了建模的基本步骤和方法，即从几 何参数到阵列相关矩阵，然后导出MIMO协方差矩阵，最后产生符合要 求的信道增益矩阵。这一方法对于进行MIMO系统性能的分析和仿真是 很有用的。 @@理论分析已经证明了MIMO系统与SIMO和MISO系统相比，可以 取得巨大的信道容量，该信道容量突破了传统的单输入单输出(即SISO 系统)信道容量的瓶颈，是香浓信道容量的推广。与目前已经实现的信 道容量相比，有望提高几个数量级。本论文在给出分集技术基本原理的 基础上，重点介绍了空间分集技术；并以香农信息论为基础分析了MIMO 系统的信道容量数学表达式，并分别给出了开环MIMO系统和闭环 MIMO系统信道容量的表达式，进一步分析了天线之间的相关性对信道 容量造成的影响。并对空时编码理论进行了阐述，给出了空时码编译码 原理，分析了其成对差错概率，并对空时码的性能进行了比较。 @@波束成形是构成智能天线的核心技术之一，也是阵列信号处理的一 个主要研究领域，它利用天线阵列元素之间的相关或者天线阵列的空间 结构构建信号处理算法，来达到提高有用信号能量降低噪声或者干扰的 目的。MIMO多天线系统可以和智能天线系统相结合，其实质是将分集 技术和波束成形技术结合，来提高MIMO多天线系统的传输性能和容量。 本论文中我们首先对自适应波束成形算法基本原理进行介绍，重点是对 智能天线的自适应天线阵列进行阐述，而后从理论上证明了最优波束与 最大比合并的等价性，并提出一种改进的变步长自适应滤波LMS算法， 在瑞利信道下对其性能与最大比合并准则进行了比较和分析。在此基础 上，我们提出了自适应接收波束成形MIMO系统和自适应联合接收发送 波束成形MIMO系统，分别对其最优权值进行了理论推导和证明，最后 对其性能进行了分析和比较。 @@MIMO系统有许多优点，但是在实际应用中，无论是为了提高系统 的可靠性利用其分集特性，还是为了提高系统容量利用其空分复用特性， 都不可避免地在发送端和接收端布置多副天线，因此其射频链路的硬件 成本和通信双方为保持信道的非相关性所需空间的局限性(尤其是移动 终端)，以及天线数目的增加所导致的空时码编译码的复杂性都在一定程 度上限制了MIMO系统的快速应用。因此目前用以克服MIMO系统的上 述缺点又要保持多天线系统较高的频谱效率和较高的可靠性的技术就是 在发送端或者接收端进行天线选择。在本论文中我们首先给出了天线选 择MIMO系统基本原理，而后对天线选择MIMO系统信道容量进行了讨 论，并对系统性能进行了分析。另外我们提出了一种发送端天线选择接 收端进行最大比合并的TAS-MRC-MIMO系统方案，并对其在瑞利信道 下的“符号成对差错概率”进行了理论推导。理论分析和仿真试验证明， 尽管发送端天线选择对MIMO系统的分集阶数会造成一定程度的损伤， 但同不进行天线选择系统相比，应用该算法仍能获得较大的分集增益， 并能明显提高相同频谱效率和相同分集阶数条件下空时码的性能。最后 对相关性信道下MIMO系统天线选择算法进行了研究。 @@空时编码设计准则、性能分析以及译码方法都是基于平坦衰落信道 的，实际的无线环境下，由于多径传播，时域波形会被展宽，这称为无 线信道的时延扩展，体现在频域是频率选择性衰落，结果造成接收信号 发生符号间干扰问题，极大地影响了无线通信系统的性能。因此，讨论 MIMO系统以及空时编码在频率选择性衰落信道中的性能是很有必要 的。在宽带信道中，为了消除符号间干扰，接收机常需要较为复杂的均 衡器，而设计多天线系统时，这种均衡器的运算量会更大。因而可以采 用单载波的分块传输方式，更为直接的是采用正交频分复用的调制方式， 将频率选择性的信道转换为多个平坦衰落的窄带信道，从而可以利用 MIMO系统在窄带信道中的传输办法，增强系统的性能。本论文中，我 们首先介绍正交频分复用(OFDM)的基本原理，然后给出了 MIMO-OFDM系统的基本结构并对空时分组编码OFDM系统和空频分 组编码OFDM系统在瑞利信道下的性能进行了分析和比较。并旦提出了 一种提高传统STBC-OFDM系统性能的ABF-STBC-OFDM系统方案， 对其性能和有关参数的影响进行了理论分析和讨论。最后对 MIMO-OFDM系统中的编码理论进行了讨论，介绍了空时频编码OFDM 系统、空时格状编码OFDM系统以及分层空时编码OFDM系统的编译 码原理并对其性能进行了分析和比较。
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【文献类型】
学位论文
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