探索mimo空时通信理论及在衰落信道中的性能研究

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1、北京交通大学博士学位论文MIMO空时通信理论及在衰落信道中的性能研究姓名：苏彦兵申请学位级别：博士专业：交通信息工程及控制指导教师：谈振辉20031001摘要未来的无线通信对通信业务和通信质量都提出了更高的要求，也就是不仅要求能够提供高速可靠的数据传输，而且能够提供高的频谱利用率。针对无线通信多径衰落的信道环境，分集是一种有效的对抗信道衰落的技术。同时，考虑到无线通信频率资源的匮乏，未来的无线通信系统应该在物理层采用具有高频谱效率的先进技术，其中发射机和接收机采用多天线的MIMO作为关键技术是论文重点研究的内容。MIMO系统不仅可以利用多天线空间分集改善接收信噪比，而且可以利用

2、空间复用提高信道容量和系统的频谱利用率。论文从发射分集、空时分组码、下行链路波束赋性以及空间复用等方面，通过理论分析和系统仿真研究了多天线M1MO系统提高无线通信的可靠性和数据传输速率，论文主要研究成果有：1、信道容量是多天线MIMO系统的研究重点。～般衰落信道的MIMO信道容量已经得到广泛的研究，一些特殊信道的信道容量还有待进一步研究。论文针对实际环境中存在的7氐秩信道，研究了选择天线发射和接收对MIMO信道容量的影响。仿真结果表明，影响信道容量的关键因素之一信道相关性不仅与天线间距、散射环境有关，而且依赖于各发射天线和各接收天线之间的相对相移，从而可以利用选择天线发射提高系

3、统的信道容量，降低射频成本。2、发射分集是多天线MIMO系统的研究热点，在衰落信道中开环和闭环发射分集的关系，不同信道状态条件下的性能对比还缺乏深入研究。论文研究了开环发射分集和闭环发射分集在平坦瑞利衰落信道的性能。·在发射机己知信道状态的理想条件下，得出开环发射分集的瞬时误比特率是闭环发射分集瞬时误比特率的上界的结论；·在发射机不能完全得到信道状态信息的非理想情况下，通过分析反馈延迟、量化误差以及信道估计误差对发射分集性能的影响，指出：在快衰落信道中反馈延迟是影响闭环发射分集性能的最主要因素。·通过分析天线空闾相关对开环发射分集性能的影响，得出系统性能随天线相关性增强而下降，

4、但这种相关性对系统的影响不是特别严重，例如两天线相关系数达到O．5时，信噪比只有O．6dB的损失。3、发射信号集设计是多天线M1MO系统的主要研究课题。传统的空时分组码由摘要北京交通大学博士学位论文曼!曼!奠■——■—毫寡曼鲁璺暑皇置蔓量■■量●■舞量■■鼍鼍寡鼍鼍詈詈曼鼍曼量—■■—暑鼍曼!鼍詈詈詈暑量EI_l一51—墨—量于不需要信道状态信息而表现出设计简单的优点，但同时性能并没有达到最优。·论文提出一种简单的最优功率分配空时分组码，利用注水原理，根据各支路的信道增益重新分配各发射天线的功率，从而以反馈信道状态的代价换取信嗓比的提高。与均匀功率分配方法相比，提出的注水功率分

5、配法信噪比提高了0．5一IdB。·传统的波束赋形和发射分集都受到信道多径角度扩展的限制，针对波束赋形和发射分集的局限性，论文提出一种波束赋形发射分集方法一波束赋形空时分组码(Be趣nfonningSTBC)，该方法将波束赋形与正交空时分组码相结合，用多个相互正交的波束代替多个天线，解决了空时分组码不适合小角度扩展信道及波束赋形不适合大角度扩展信道的问题。4、分集重数和自由度是衡量多天线M丑讧0系统的两个重要指标。·论文探索用中断概率和中断容量重新定义分集重数和自由度，并且证明：具有n，个输入、，l，个输出的瑞利衰落MIMO信道，对于一般的线性空时编码，当各发射天线平均分配发射功

6、率时，可实现的最大分集重数和自由度分别为^一，和rain{,,。，雄，o·分析了分集重数和自由度分别对传输错误概率和信道容量的影响，指出在高信噪比区域内，传输错误概率主要由分集重数决定，而平均信道容量主要由自由度决定。在低信噪比区或衰落相关信道，给出了有效分集重数和有效自由度的概念。·针对分集增益与发射速率之间的矛盾，论文提出一种新的MIMO系统数据传输方法一分组分集复用法(GroupDiversityMultiplex)，该方法可以根据信道状态灵活地分配用于分集和复用的天线，解决了发射分集与空间复用折衷的问题。关键词：多天线MIMO，发射分集，空时分组码，波束赋形，空间复用，

7、分集，自由度珏AbstractThefutureradiocommunicationsystemisrequiredtoprovidenotonlyreliablehighratedata，butalsohighfrequencyefficiency．Aimingatenvironmentswithmultiplepathsinwirelesscommunication，diversityisasortofwell—knowntechniquewhichcaneffectivelyresis