【正文】 信號(hào)與信息處理專業(yè)畢業(yè)論文 [精品論文 ] 寬帶 MIMO 系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究 關(guān)鍵詞：多輸入多輸出 移動(dòng)通信 自適應(yīng)調(diào)制 摘要：移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，以及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的加速融合，使得對(duì)下一代寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)的需求日益迫切。寬帶多輸入多輸出(MultipieInputMultipieOutput， MIMO)技術(shù)能夠充分開發(fā)空間資源，在不增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，成倍地提高信道容量。因此，寬帶 MIMO 已經(jīng)被確定為下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。 眾多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者已經(jīng)投入到寬帶 MIMO 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究中，并已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)某晒?，如寬?MIMO無線傳播信道建模、信道測量、寬帶 MIMO 系統(tǒng)容量和系統(tǒng)性能分析、載波同步、信道編碼、空 時(shí)均衡和空 時(shí)檢測等。然而，寬帶 MIMO 通信系統(tǒng)中還面臨大量實(shí)現(xiàn)問題亟待研究解決。 為了進(jìn)一步加快開發(fā)高頻譜利用率、高可靠性、易實(shí)現(xiàn)的寬帶 MIMO 通信系統(tǒng)以滿足新一代移動(dòng)通信需求，本文在及時(shí)跟蹤寬帶 MIMO技術(shù)研究領(lǐng)域國內(nèi)外發(fā)展動(dòng)向的基礎(chǔ)上，針對(duì)寬帶 MIMO 系統(tǒng)的下列四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并取得了一些新的研究成果 。 首先，本文研究了多輸入多輸出 正交頻分多工(MultipleInputMultipleOutputOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，MIMOOFDM)系統(tǒng)的容量和發(fā)射分集 MIMOOFDM 系統(tǒng)方案。在 MIMOOFDM 系統(tǒng)信道模型的基礎(chǔ)上，分析了 MIMOOFDM 空頻編碼 (SpaceFrequencyCoding， SFC)和復(fù)用方案下系統(tǒng)容量和性能。重點(diǎn)討論了一種適合下一代無線通信系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)空頻編碼系統(tǒng)方案，該方案可以實(shí)現(xiàn)從普通 MIMO 空時(shí)編碼到寬 帶 MIMOOFDM 空頻編碼的直接映射擴(kuò)展。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 MIMOOFDM 是寬帶 MIMO 的低復(fù)雜度、高效率實(shí)現(xiàn)。 其次，為了提高 MIMOOFDM通信系統(tǒng)的傳輸性能。本文提出了一種空頻分組碼的自適應(yīng)調(diào)制方案，并優(yōu)化了基于天線選擇發(fā)射分集的自適應(yīng)功率分配策略。本文首先研究了自適應(yīng)調(diào)制 (AdaptiveModulation， AM)MIMOOFDM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、自適應(yīng)調(diào)制算法在 MIMOOFDM 系統(tǒng)中的應(yīng)用。研究了自適應(yīng) M 階正交幅度調(diào)制 (MaryQuadratureAmplitudeModulation， MQAM)方案，給出了基于最大頻譜效率的最優(yōu)功率和調(diào)制分配的封閉解。在此基礎(chǔ)上研究了普通 MIMO 系統(tǒng)和MIMOOFDM系統(tǒng)特征波束形成結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)傳輸方案，并且分別在功率和最大化速率條件下給出比特、功率分配算法。仿真表明自適應(yīng)調(diào)制提高了系統(tǒng)的頻譜利用率，優(yōu)化了系統(tǒng)的性能。然后結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)和發(fā)射分集技術(shù)，針對(duì)MIMOOFDM系統(tǒng)研究了基于空頻分組編碼發(fā)射分集和基于空間復(fù)用的自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)方案，依靠自適應(yīng)比特和功率分配算法，達(dá)到在平均傳輸速率約束條件下最小化傳輸功率。研究表明，自適應(yīng)調(diào)制 MIMOOFDM 傳輸系統(tǒng)可以顯著提高傳統(tǒng)MIMOOFDM系統(tǒng)的誤比特率性能。 與多載波實(shí)現(xiàn)方案不同，近年來，單載波寬帶均衡技術(shù)也因其所固有的優(yōu)點(diǎn)引起了研究者的注意。本文針對(duì)寬帶 MIMO 系統(tǒng)均衡技術(shù)，分時(shí)域均衡 (TimeDomainEqualization， TDE)和頻域均衡(FrequencyDomainEqualization， FDE)兩個(gè)部分分別進(jìn)行了研究。 對(duì)于寬帶MIMO 時(shí)域均衡，本文提出了一種最小均方誤差 (MinimumMeanSquareError， MMSE)類盲均衡算法的凸組合策略。本文首先通 過對(duì)寬帶 MIMO 系統(tǒng)克服符號(hào)間干擾(InterSymbolInterference， ISI)的自適應(yīng)時(shí)域均衡技術(shù)的研究，給出了寬帶MIMO 系統(tǒng)的均衡方案。本文主要研究了單載波 MIMO 系統(tǒng)中時(shí)域線性均衡器(TimeDomainLinearEqualization， TDLE)及判決反饋均衡器(TimeDomainDecisionFeedbackEqualization， TDDFE)算法及對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證和性能分析。針對(duì)恒模均衡 (ConstantModulus， CM)算法收斂速度慢，收斂 性能好，剩余誤差大，而判決引導(dǎo) (DecisionDirected， DD)算法的收斂速度快，穩(wěn)態(tài)性能好，啟動(dòng)易發(fā)散的特點(diǎn)，我們提出了一種 MMSE 類盲均衡算法的凸組合策略和其錨定訓(xùn)練過程。同常規(guī)算法分析比較表明該方案具有收斂速度快穩(wěn)態(tài)性能好的特點(diǎn)。最后，本文在寬帶 MIMO 系統(tǒng)中對(duì)上述自適應(yīng)均衡算法進(jìn)行了仿真和比較。研究結(jié)果表明，應(yīng)用自適應(yīng)時(shí)域均衡能利用信道頻率分集，降低誤碼率，提高寬帶 MIMO 系統(tǒng)性能。 對(duì)于寬帶 MIMO 頻域均衡，本文研究了寬帶 MIMO頻域均衡及相關(guān)干擾抑制問題，研究了一種基于干擾雙向預(yù)測的 抑制窄帶干擾的算法。本文首先研究了單載波頻域均衡 (SCFDE)的基本原理、信號(hào)塊結(jié)構(gòu)。然后分析了單載波頻分多址系統(tǒng) (SCFDMA)原理和結(jié)構(gòu)。接下來分析對(duì)比了正交頻分多工 (OFDM)系統(tǒng)和單載波頻域均衡 (SCFDE)系統(tǒng)各自的特點(diǎn)和系統(tǒng)性能。然后針對(duì)寬帶 MIMO 系統(tǒng)，研究了 MIMOSCFDE 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，特別研究了 MIMO 系統(tǒng) SCFDE 線性均衡 (LE)算法。最后研究了一種基于干擾雙向預(yù)測的抑制窄帶干擾的算法。該算法基于寬帶 MIMOSCFDE系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)，在頻域均衡器的輸出端，根據(jù)窄帶干擾波形的相關(guān) 特性，設(shè)計(jì)了干擾預(yù)測器。該預(yù)測器在兩個(gè)方向上對(duì)中間傳輸數(shù)據(jù)塊中的窄帶干擾進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測的結(jié)果用于消除數(shù)據(jù)疊加的干擾波形，從而達(dá)到抑制窄帶干擾的目的。研究結(jié)果表明，自適應(yīng)頻域均衡技術(shù)能夠以較低的算法復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)寬帶 MIMO 均衡，是上行鏈路的較好解決方案。 正文內(nèi)容 移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，以及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的加速融合，使得對(duì)下一代寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)的需求日益迫切。寬帶多輸入多輸出(MultipieInputMultipieOutput， MIMO)技術(shù)能夠充分開發(fā)空間資源，在不增加頻譜資源和天線發(fā)送 功率的情況下，成倍地提高信道容量。因此，寬帶 MIMO 已經(jīng)被確定為下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。 眾多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者已經(jīng)投入到寬帶 MIMO 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究中，并已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)某晒?，如寬?MIMO無線傳播信道建模、信道測量、寬帶 MIMO 系統(tǒng)容量和系統(tǒng)性能分析、載波同步、信道編碼、空 時(shí)均衡和空 時(shí)檢測等。然而，寬帶 MIMO 通信系統(tǒng)中還面臨大量實(shí)現(xiàn)問題亟待研究解決。 為了進(jìn)一步加快開發(fā)高頻譜利用率、高可靠性、易實(shí)現(xiàn)的寬帶 MIMO 通信系統(tǒng)以滿足新一代移動(dòng)通信需求，本文在及時(shí)跟蹤寬帶 MIMO技術(shù)研究領(lǐng)域國內(nèi) 外發(fā)展動(dòng)向的基礎(chǔ)上，針對(duì)寬帶 MIMO 系統(tǒng)的下列四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并取得了一些新的研究成果。 首先，本文研究了多輸入多輸出 正交頻分多工(MultipleInputMultipleOutputOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，MIMOOFDM)系統(tǒng)的容量和發(fā)射分集 MIMOOFDM 系統(tǒng)方案。在 MIMOOFDM 系統(tǒng)信道模型的基礎(chǔ)上，分析了 MIMOOFDM 空頻編碼 (SpaceFrequencyCoding， SFC)和復(fù)用方案下系統(tǒng)容量和性能。 重點(diǎn)討論了一種適合下一代無線通信系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)空頻編碼系統(tǒng)方案，該方案可以實(shí)現(xiàn)從普通 MIMO 空時(shí)編碼到寬帶 MIMOOFDM 空頻編碼的直接映射擴(kuò)展。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 MIMOOFDM 是寬帶 MIMO 的低復(fù)雜度、高效率實(shí)現(xiàn)。 其次，為了提高 MIMOOFDM通信系統(tǒng)的傳輸性能。本文提出了一種空頻分組碼的自適應(yīng)調(diào)制方案，并優(yōu)化了基于天線選擇發(fā)射分集的自適應(yīng)功率分配策略。本文首先研究了自適應(yīng)調(diào)制 (AdaptiveModulation， AM)MIMOOFDM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、自適應(yīng)調(diào)制算法在 MIMOOFDM 系統(tǒng)中的應(yīng)用。 研究了自適應(yīng) M 階正交幅度調(diào)制 (MaryQuadratureAmplitudeModulation， MQAM)方案，給出了基于最大頻譜效率的最優(yōu)功率和調(diào)制分配的封閉解。在此基礎(chǔ)上研究了普通 MIMO 系統(tǒng)和MIMOOFDM系統(tǒng)特征波束形成結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)傳輸方案，并且分別在功率和最大化速率條件下給出比特、功率分配算法。仿真表明自適應(yīng)調(diào)制提高了系統(tǒng)的頻譜利用率，優(yōu)化了系統(tǒng)的性能。然后結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)和發(fā)射分集技術(shù)，針對(duì)MIMOOFDM系統(tǒng)研究了基于空頻分組編碼發(fā)射分集和基于空間復(fù)用的自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)方案，依靠自 適應(yīng)比特和功率分配算法，達(dá)到在平均傳輸速率約束條件下最小化傳輸功率。研究表明，自適應(yīng)調(diào)制 MIMOOFDM 傳輸系統(tǒng)可以顯著提高傳統(tǒng)MIMOOFDM系統(tǒng)的誤比特率性能。 與多載波實(shí)現(xiàn)方案不同，近年來，單載波寬帶均衡技術(shù)也因其所固有的優(yōu)點(diǎn)引起了研究者的注意。本文針對(duì)寬帶 MIMO 系統(tǒng)均衡技術(shù)，分時(shí)域均衡 (TimeDomainEqualization， TDE)和頻域均衡(FrequencyDomainEqualization， FDE)兩個(gè)部分分別進(jìn)行了研究。 對(duì)于寬帶MIMO 時(shí)域均衡，本文提出了一種最小均 方誤差 (MinimumMeanSquareError， MMSE)類盲均衡算法的凸組合策略。本文首先通過對(duì)寬帶 MIMO 系統(tǒng)克服符號(hào)間干擾(InterSymbolInterference， ISI)的自適應(yīng)時(shí)域均衡技術(shù)的研究，給出了寬帶MIMO 系統(tǒng)的均衡方案。本文主要研究了單載波 MIMO 系統(tǒng)中時(shí)域線性均衡器(TimeDomainLinearEqualization， TDLE)及判決反饋均衡器(TimeDomainDecisionFeedbackEqualization， TDDFE)算法及對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并 對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證和性能分析。針對(duì)恒模均衡 (ConstantModulus， CM)算法收斂速度慢，收斂性能好，剩余誤差大，而判決引導(dǎo) (DecisionDirected， DD)算法的收斂速度快，穩(wěn)態(tài)性能好，啟動(dòng)易發(fā)散的特點(diǎn)，我們提出了一種 MMSE 類盲均衡算法的凸組合策略和其錨定訓(xùn)練過程。同常規(guī)算法分析比較表明該方案具有收斂速度快穩(wěn)態(tài)性能好的特點(diǎn)。最后，本文在寬帶 MIMO 系統(tǒng)中對(duì)上述自適應(yīng)均衡算法進(jìn)行了仿真和比較。研究結(jié)果表明，應(yīng)用自適應(yīng)時(shí)域均衡能利用信道頻率分集，降低誤碼率，提高寬帶 MIMO 系統(tǒng)性能。 對(duì)于 寬帶 MIMO 頻域均衡，本文研究了寬帶 MIMO頻域均衡及相關(guān)干擾抑制問題，研究了一種基于干擾雙向預(yù)測的抑制窄帶干擾的算法。本文首先研究了單載波頻域均衡 (SCFDE)的基本原理、信號(hào)塊結(jié)構(gòu)。然后分析了單載波頻分多址系統(tǒng) (SCFDMA)原理和結(jié)構(gòu)。接下來分析對(duì)比了正交頻分多工 (OFDM)系統(tǒng)和單載波頻域均衡 (SCFDE)系統(tǒng)各自的特點(diǎn)和系統(tǒng)性能。然后針對(duì)寬帶 MIMO 系統(tǒng)，研究了 MIMOSCFDE 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，特別研究了 MIMO 系統(tǒng) SCFDE 線性均衡 (LE)算法。最后研究了一種基于干擾雙向預(yù)測的抑制窄帶干擾的 算法。該算法基于寬帶 MIMOSCFDE系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)，在頻域均衡器的輸出端，根據(jù)窄帶干擾波形的相關(guān)特性，設(shè)計(jì)了干擾預(yù)測器。該預(yù)測器在兩個(gè)方向上對(duì)中間傳輸數(shù)據(jù)塊中的窄帶干擾進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測的結(jié)果用于消除數(shù)據(jù)疊加的干擾波形，從而達(dá)到抑制窄帶干擾的目的。研究結(jié)果表明，自適應(yīng)頻域均衡技術(shù)能夠以較低的算法復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)寬帶 MIMO 均衡，是上行鏈路的較好解決方案。 移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，以及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的加速融合，使得對(duì)下一代寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)的需求日益迫切。寬帶多輸入多輸出(MultipieInputMultipieOutput， MIMO)技術(shù)能夠充分開發(fā)空間資源，在不增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，成倍地提高信道容量。因此，寬帶 MIMO 已經(jīng)被確定為下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。 眾多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者已經(jīng)投入到寬帶 MIMO 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究中，并已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)某晒鐚拵?MIMO無線傳播信道建模、信道測量、寬帶 MIMO 系統(tǒng)容量和系統(tǒng)性能分析、載波同步、信道編碼、空 時(shí)均衡和空 時(shí)檢測等。然而，寬帶 MIMO 通信系統(tǒng)中還面臨大量實(shí)現(xiàn)問題亟待研究解決。 為了進(jìn)一步加快開發(fā)高頻譜利用率、高可靠性、易實(shí)現(xiàn)的寬帶 MIMO 通信系統(tǒng)以滿足新一代移動(dòng)通信需求，本文在及時(shí)跟蹤寬帶 MIMO技術(shù)研究領(lǐng)域國內(nèi)外發(fā)展動(dòng)向的基礎(chǔ)上，針對(duì)寬帶 MIMO 系統(tǒng)的下列四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并取得了一些新的研究成果。 首先，本文研究了多輸入多輸出 正交頻分多工(MultipleInputMultipleOutputOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，MIMOOFDM)系統(tǒng)的容量和發(fā)射分集 MIMOOFDM 系統(tǒng)方案。在 MIMOOFDM 系統(tǒng)信道模型的基礎(chǔ)上，分析了 MIMOOFDM 空