本文選題：MIMO + 分集增益　； 參考：《南京大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：經(jīng)過將近二十年持續(xù)而廣泛的研究,多天線/多入多出技術(shù)(MIMO)已經(jīng)成為了無線通信系統(tǒng)性能的重要保障手段之一,被廣泛應(yīng)用于各類無線通信系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)之中,包括3G、4G、802.11、802.16、無線自組織網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信等,并仍將在未來5G和各類新型無線通信系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。MIMO技術(shù)為無線通信系統(tǒng)提供了除了傳統(tǒng)的時間域、頻率域、編碼域之外的新的自由度——空間域(或極化域)自由度。在此基礎(chǔ)上MIMO系統(tǒng)對于系統(tǒng)性能能夠提供至少兩種實際而重要的幫助,即分集增益和復(fù)用增益。依靠分集,無線通信系統(tǒng)可有效克服無線信道衰落等不利影響。一直以來,關(guān)于如何實現(xiàn)MIMO系統(tǒng)的分集,包括發(fā)射分集、接收分集、協(xié)作分集等,始終是眾多MIMO系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵問題。雖然學(xué)術(shù)界、工業(yè)界已經(jīng)對分集實現(xiàn)技術(shù)開展了深入而廣泛的研究,但是,隨著技術(shù)的發(fā)展MIMO系統(tǒng)中分集的實現(xiàn)也面臨著各種新的、現(xiàn)實的問題,仍然有待進(jìn)一步研究。 本文在系統(tǒng)分析MIMO分集實現(xiàn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,針對當(dāng)前MIMO技術(shù)若干典型應(yīng)用場景中分集實現(xiàn)技術(shù)所面臨的關(guān)鍵問題,包括1)低復(fù)雜度全接收分集信號檢測算法設(shè)計,2)非理想特性對基于波束成形的協(xié)作分集獲取的影響,和3)衛(wèi)星正交極化MIMO系統(tǒng)設(shè)計與分集改善等,通過理論分析,針對各類系統(tǒng)中的實際問題提出了相應(yīng)的解決方案,并完成了實驗仿真。主要工作包括： 1.考慮MIMO系統(tǒng)中接收分集的實現(xiàn),格基約減輔助的(LRA)信號檢測算法能夠以多項式復(fù)雜度實現(xiàn)近似最優(yōu)檢測的性能,提高了全部接收分集的可實現(xiàn)性。然而,隨著無線通信系統(tǒng)需求的不斷提升,MIMO系統(tǒng)的天線數(shù)量不斷增長,這使得系統(tǒng)運算復(fù)雜度同樣顯著增長。本文第一部分的工作重點圍繞MIMO系統(tǒng)中全部接收分集的低復(fù)雜度實現(xiàn)問題,著重考慮格基約減的改進(jìn)算法。通過對經(jīng)典格基約減算法Lenstra Lenstra Lovasz(LLL)算法的深入分析研究,本文從格基約減順序的優(yōu)化和近似格基約減兩個方向入手,ⅰ)首先理論1如果:MIMO系統(tǒng)中各天線采用不同的正交極化方式以實現(xiàn)信道的正交性,則稱為極化MIMO2本文中不區(qū)分解碼和信號檢測的概念。證明了原LLL算法的約減順序不是最優(yōu)的,甚至弱于隨機(jī)順序約減,在此基礎(chǔ)上提出了LLL算法的最優(yōu)順序約減條件,保證改進(jìn)后的算法能夠以最少的約減次數(shù)、更低的算法復(fù)雜度獲得相同的約減性能；ⅱ)提出了一種新的近似約減條件以實現(xiàn)一類新的近似LLL約減算法。通過理論推導(dǎo)和計算機(jī)仿真,本文證明了經(jīng)算法約減后,線性的迫零(ZF)算法、最小均方誤差(MMSE)算法和非線性的串行干擾消除(SIC)算法都能夠獲得全接收分集,且其運算復(fù)雜度與原LLL算法相比大幅下降。 2.考慮協(xié)作MIMO通信中發(fā)射分集的實現(xiàn),目前有多種實現(xiàn)方案,例如分布式空時編碼、基于波束成形的信號合并等�；谝阎诺佬畔�,中繼節(jié)點通過簡單的波束成形,可以實現(xiàn)類似接收分集的效果。這類協(xié)作分集方案可以避免節(jié)點間的協(xié)作策略設(shè)計等復(fù)雜問題,實現(xiàn)簡便,在理想條件下有較好的效益。然而,在實際通信環(huán)境下,各類非理想特性可能對這類系統(tǒng)所期望的分集增益產(chǎn)生致命的影響。本文通過嚴(yán)格的理論推導(dǎo)分析了一類關(guān)鍵的非理想問題,即載波頻偏,對基于波束成形的協(xié)作通信系統(tǒng)獲取發(fā)射分集增益的影響,理論證明了即使很小的頻偏都可能引起協(xié)作分集的嚴(yán)重?fù)p失。受協(xié)作波束成形技術(shù)啟發(fā),我們還考慮了無線網(wǎng)狀網(wǎng)中,基于IEEE802.11s標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)節(jié)點協(xié)作并利用波束成形提高網(wǎng)絡(luò)容量的方法。 3.近年來移動衛(wèi)星通信中同樣開始考慮通過多天線提高復(fù)用增益或?qū)崿F(xiàn)分集。然而,由于衛(wèi)星通信信道固有的特征,傳統(tǒng)的基于天線間獨立信道產(chǎn)生的空間分集難以實現(xiàn),通過雙正交極化天線實現(xiàn)的2x2極化MIMO是目前唯一可行的單衛(wèi)星MIMO方案。針對這一特殊MIMO場景,本文提出了一種新型極化調(diào)制傳輸方案,基本思路是通過天線極化特征承載信息,避免交叉極化干擾。仿真實驗結(jié)果表明,在相同的傳輸速率條件下,新方案與傳統(tǒng)極化復(fù)用方案相比,能夠獲得更好的誤碼性能。 本文對于當(dāng)前MIMO系統(tǒng)發(fā)展中幾種典型的應(yīng)用場景,針對相關(guān)現(xiàn)實問題與挑戰(zhàn),進(jìn)行了較為深入的理論分析與研究,對于MIMO系統(tǒng)性能的提升具有較為重要的現(xiàn)實意義。
[Abstract]:MIMO has been widely used in wireless communication systems and standards , including 3G , 4G , 802.11 , 802.16 , wireless ad hoc networks , satellite communications , etc .

On the basis of systematic analysis of the present situation of MIMO diversity , this paper presents some key problems for diversity realization in several typical application scenarios of MIMO technology , including 1 ) low complexity fully - received diversity signal detection algorithm design , 2 ) the influence of non - ideal characteristics on cooperative diversity acquisition based on beamforming , and 3 ) the design and diversity improvement of satellite orthogonal polarization MIMO system .

1 . Considering the realization of receive diversity in MIMO system , the ( LRA ) signal detection algorithm can achieve the performance of approximate optimal detection with polynomial complexity and improve the realizability of all receive diversity .
In this paper , a new approximate reduction condition is proposed to achieve a new approximate LLL reduction algorithm . Through theoretical derivation and computer simulation , this paper proves that the linear zero forcing ( ZF ) algorithm , the minimum mean square error ( MMSE ) algorithm and the non - linear serial interference cancellation ( SIC ) algorithm can obtain the full - receive diversity through theoretical derivation and computer simulation , and the operation complexity of the algorithm is greatly reduced compared with the original LLL algorithm .

2 . Considering the realization of transmit diversity in cooperative MIMO communication , there are a variety of implementation schemes , such as distributed space - time coding , beam - forming - based signal combining , etc . Based on the known channel information , the relay node can realize similar reception diversity based on the known channel information .

3 . In recent years mobile satellite communication has also begun to consider increasing the multiplexing gain or realizing diversity through multi - antenna . However , due to the inherent characteristics of satellite communication channel , the traditional spatial diversity based on inter - antenna independent channel is difficult to achieve .

In this paper , some typical application scenarios in the development of MIMO system are analyzed and studied , which is of great practical significance for the improvement of MIMO system performance .
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TN919.3

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本文編號：2110846