MIMO/OFDM系统自适应空间子信道分配算法及差分空频时设计

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新一代的移动通信系统需要支持高速率、高可靠性的数据传输。MIMO 技术和OFDM 技术相结合,作为B3G (Beyond 3G)物理层传输的系统架构,能够对抗衰落、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。为了提高MIMO/OFDM 系统的性能,科研工作者们提出了很多系统设计方案,其中,多天线技术往往采用某一种形式,如,波束成形、空时分组码、空时分层码、空时格型码等等,优化目标主要是系统的误码性能或者信道容量。本文在国家“十五”863 计划重大专项课题“新一代蜂窝移动通信系统无线传输链路技术研究(FuTURE/B3G)” (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”(60496310)的资助下,从系统设计的角度出发,以多天线技术为核心,结合自适应技术和差分设计技术,研究了基于MIMO/OFDM 架构的多天线系统设计方案,以及无线资源的多用户分配问题。 论文的研究分两个大方向:信道状态信息可以获知的条件下,多天线自适应传输设计;信道状态信息无法获得的条件下,多天线差分方案设计。对第一个方向,我们做了较多的研究。 本文结合波束成形技术和自适应传输技术,从空间复用的思路出发,提出了一种基于多用户MIMO/OFDM 系统的空间子信道分配算法。传统的波束成形技术利用特征值最大的空间子信道来传递信息,它是以最大化接收信噪比为设计目标;而我们以最大化系统吞吐量为目标,考虑了所有的空间子信道,在满足恒定的总发射功率和一定的QoS(误比特率)的条件下,推导出子载波分配的行列式准则,给出了相应的自适应算法流程。为了降低计算复杂度,我们进一步提出了简化的基于时频块分组的自适应算法。 在实际的通信系统中,发射端往往无法获得完全正确的信道信息,其中最主要的误差来源于信道信息的反馈延迟,我们引入均值反馈模型,在空间子信道分配算法中加入修正参数,在此基础上对多用户资源分配方案进行了修改,并给出算法流程。另外,信道的大尺度衰落,会带来我们所熟悉的“远近效应”。为了避免处在小区边缘的用户总被排除在算法分配之外,有必要对所有用户采用“公平原则”进行处理。本文借鉴“比例公平调度算法”来修正我们的空间子信道分配算法,从而保证各个用户资源分配的相对公平。 论文对空间子信道分配算法进行了延伸,结合空间子信道和空时分组码进行联合设计,从而获得发射分集增益和波束成形增益。我们在保证发射功率恒定和一定的QoS(误比特率)约束条件下,以获取最大的系统吞吐量为目标,推导了子载波分配准则,并给出了相应的自适应资源分配算法流程。基于空间子信道和空时分组码的联合设计方案,优化了系统的误比特率性能,降低了误比特率的门限要求,有助于提高算法的稳健性。 在一些特殊的情况下,信道估计很困难,发射端无法获得信道状态信息,这时候需要采用差分方案,差分空时分组码(DSTBC)是一种流行的方案。当发射机按照差分方案进行发送,接收机采用非相干检测方法时,译码性能会有所下降,为了尽可能地提高系统的误码性能,需要更加充分地利用信道资源。本文进一步研究并分析了TCM 和差分空时分组码在OFDM 系统中的链接应用,提出了相应的差分空频时三维编码方案(DSFT),描述了多天线差分编码的过程和原理,分析了编码/译码的复杂度,推导了该差分空频时链接码在非相干检测下的分集增益和编码增益,理论分析和数据仿真表明,我们所提出的差分多天线编码方案可以获取满的空间和频域的分集增益,有很好的性能表现。,在满足恒定的总发射功率和一定的QoS(误比特率)的条件下,推导出子载波分配的行列式准则,给出了相应的自适应算法流程。为了降低计算复杂度,我们进一步提出了简化的基于时频块分组的自适应算法。
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