无线通信系统中的MIMO收发机设计研究

admin · 发表于 2024-3-1 15:32:29

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多输入多输出（MIMO）技术利用收发端的多天线资源能够在不增加发射功率和不占用更多频率资源的条件下显著提高系统性能，已经被众多现有无线通信系统所采用，并将成为未来移动通信系统的必选技术之一。未来通信系统追求更高的系统容量、更好的通信质量、更远的覆盖范围、更快的数据速率和更低的成本。除了传统的单用户MIMO技术，未来通信系统将采用更先进的多用户MIMO技术和网络化MIMO技术以满足其性能需求。因此，本文面向未来通信系统，分别研究了单用户MIMO系统、多用户MIMO系统以及网络化MIMO系统中的收发机设计题目。针对单用户MIMO系统的一些闭环收发机设计通常假设理想的信道状态信息反馈，并考虑平坦衰落信道。然而，在实际系统中由于受到信道估计误差、量化误差和传输时延等多方面因素的影响，发射端只能获得非理想的信道状态信息。本文首先分析了同时存在信道估计误差和反馈延迟的非理想信道状态信息对四种闭环MIMO发射分集技术的影响，并推导了它们的平均误码率的显示表达式。研究表明，过时的信道状态信息严重地降低闭环MIMO系统的性能。信道预测是发射端获取实时信道状态信息的有效途径。为此，本文进一步研究了时分双工（TDD）MIMO系统中用于信道预测的训练设计题目。针对一阶高斯—马尔可夫模型，我们证明了最优的训练符号位置位于上行帧的末尾；针对一般的信道模型，我们提出了基于交替搜索的低复杂度训练符号位置设计方案。数值结果表明所提出的训练设计方案的性能优于均匀插入的训练序列。最后，我们研究了频率选择性信道下的空间线性收发机设计题目。针对块传输系统，我们以最大化容量上界为准则提出了具有显示表达式的次优预编码算法；针对非块传输系统，我们提出了三种线性收发机算法，包括收发机迭代MMSE算法、基于串行搜索的特征波束形成算法和基于串行搜索的迫零（ZF）算法。仿真结果验证了所提算法的优越性能。多用户调度和多用户预编码是多用户MIMO系统收发机设计的关键题目。针对多用户MIMO系统，本文首先研究了空间相关信道下的多用户调度题目。我们通过推导两用户信道向量夹角的正弦值的概率密度函数，分析了多用户调度方法对所选用户间正交性的影响。结果表明在空间相关信道下现有的基于串行搜索的调度方法使被调度用户在统计意义上正交性较差。这导致基于串行搜索的调度算法与最优的穷举搜索之间存在较大的性能差距。为此，我们提出了一种基于交替搜索的多用户调度算法，在空间相关信道下它以低计算复杂度获得接近穷举搜索的最优性能。此外，本文还研究了基于实际的单天线功率约束的多用户预编码设计题目。我们提出一种具有显示表达式的ZF波束形成方法，并进行了渐近性能分析。与传统的基于信道伪逆的ZF波束形成方法相比，所提方法能够在不增加计算复杂度的前提下获得更好的性能。基于所提出的ZF波束形成方法，我们进一步证明了针对单天线功率约束的最优功率分配具有多水平面的灌水结构，并由此提出一种低复杂度功率分配方法。基于理想的信道状态信息，中心式网络化MIMO系统可以通过协作基站之间的相干传输完全消除蜂窝小区之间的相互干扰。然而，在实际应用中为中心处理器提供所有协作小区内所有用户的准确信道信息将产生巨大的反馈开销。同时，较大的骨干网传输延迟、上下行信道的非理想互易等因素导致中心处理器只能获得非理想的信道状态信息，从而抵消或降低了网络化MIMO系统的性能增益。针对以上题目，本文首先通过推导两用户信道向量夹角的概率密度函数，分析了在网络化MIMO系统中信道非对称性对用户正交性的影响，并提出了三种低反馈量多用户调度方法。仿真结果验证了所提方法在有限反馈条件下相对于现有方法的性能提升。其次，本文研究了具有低网络构造成本和低信道反馈延迟的网络化MIMO系统。我们提出了一种不依赖于中心处理器和低延迟骨干网的分布式网络化MIMO系统，以及基于空口传输（OTAC）的分布式多用户调度方法。在考虑典型的骨干网时延时，所提出的分布式网络化MIMO系统的性能优于现有的中心式和非中心网络化MIMO系统。最后，本文研究了基于非理想信道状态信息的协作多点传输方案设计题目。我们总结了三类常见的非理想信道信息模型，包括有限反馈与空间相关矩阵、信道均值与协方差矩阵以及与下行信道非理想互易的上行信道和上下行信道模糊因子的统计特征；然后，针对第二类和第三类非理想信道信息，提出了一种满足单基站功率约束的鲁棒多基站协作预编码。

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