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无线MIMO信道的模型、容量、估计和实现算法研究

康桂华  
【摘要】: 无线MIMO技术被认为是实现未来高速宽带无线Internet接入网的关键技术之一,在第三代(3G)乃至三代以后(B3G)的移动通信系统中有着广阔的应用前景。本文在他人的研究工作基础上,主要对无线MIMO系统的信道模型、信道容量、信道估计和实现算法四个主要方面涉及到的有关理论进行了进一步的研究,得出了几点新的结论,并通过大量的计算机辅助仿真,一方面验证了他人的一些重要成果,另一方面也得到了新的一批有用实验结果。本文的主要内容概括如下: 第一章介绍了本文的研究背景和意义,简单回顾了目前无线MIMO技术在研究和应用方面已取得的一些进展,同时也指出了目前存在的一些主要问题。 第二章在对最近文献中提出的一些空时信道模型理论进行详细研究的基础上,根据发射信号的离开角及其扩展角、接收信号的到达角及其扩展角、功率方位谱、多普勒谱和收发两端天线的拓扑结构,综合了一个多抽头的宽带MIMO信道模型。而且创建了一个无线MIMO信道仿真平台。并以3GPP标准R1-02-0181所规定的具体参数为依据,对理论上建立的信道模型进行了计算机仿真,得到的仿真结果与实际情形基本吻合。同时还研究了多天线的位置误差对天线阵列的相关函数的影响,给出了有关仿真结果。 第三章着重分析了收发两端的多天线单元之间存在相关性、同时存在直射分量(LOS)和散射分量的传播环境、已知和未知信道的状态信息等因素对MIMO信道容量的影响,给出了有关仿真结果。并对两类特殊的MIMO信道(全1信道和正交信道)的容量进行了特殊的分析,得到了容量的具体计算公式,并做了物理解释。同时创建了一个无线MIMO信道容量的仿真平台。并以3GPP标准R1-02-0181所规定的具体参数为依据,在该仿真平台上计算出了仿真信道的信道容量的累计分布,并和相应条件下的理论容量进行了分析比较,得到了有关结论。 第四章首先基于训练序列估计的无线MIMO传输帧结构和数学模型,分别使用最小均方误差估计法和最大似然估计法估计出了信道的各个系数,在小信噪比和大信噪比时,比较了两种估计方法的估计误差的方差。其次进行了采用最大似然(ML)估计法的最佳训练序列设计的理论分析,分别得到了有关结果,并和其他文献中采用最小均方误差(MMSE)估计法的设计结果进行了分析比较,得到了有关结论。最后分析了信道估计误差对系统性能的影响,推导出了无线MIMO信道系数估计误差的Cramer-Rao界,而且采用Monte-Carol仿真证实了在所推出的Cramer-Rao界内引起系统的误码性能损失最小。同时创建了一个无线MIMO信道系数估计和误差分析的仿真平台。在该仿真平台上,计算出了采用最大似然(ML)估计法的最佳训练序列设计的有关结果和与之对应的信道容量。 第五章对无线MIMO系统目前业已提出的一些主要算法进行了研究,以分集和分层两条线索归纳了发射端的一些处理算法。分析比较了以线性空时均衡算法、非线性最大似然算法和Turbo空时译码算法为主的接收端处理算法。着重分析了新近出现的一些综合算法的实现原理。同时对这些算法进行了大量的计算机仿真,并给出了一些代表性的仿真结果。并且创建了一个无线MIMO系统实现算法的仿真平台。在该仿真平台上 摘要 可以进行:(1)空时分组码(s TBc)的编译码算法;(2)空时网格码(S竹C)的编译码算 法;(3)线性空时均衡算法(L MMsE)和非线性最大似然(ML)算法;(4)连续干扰对消 接收(v-BLAST)算法;(5)高速线性空时扩展码(LDC)的编译码算法;(6)正交空时分 组编码和传统波束形成的联合设计算法、(7)串联和并联结构的Turbo空时编译码算法; (8)高速线性扩展空时码和Turb。编码的组合设计算法等算法的仿真。 第六章对全文进行概括性总结,明确了今后进一步研究的方向。


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