双选择性信道与空间相关信道下MIMO无线通信系统中的信道估计

摘要

多输入多输出(MIMO)技术是未来移动通信系统实现高数据速率，提高传输质量的重要途径。高速分组宽带传输和高移动性终端的要求，使得无线MIMO通信信道具有时间选择性与频率选择性两个特征，因此未来的MIMO通信系统将面临双选择性衰落信道模型。然而发射天线阵或接收天线阵的各单元之间还存在一定的相关性以及传输中的针孔效应等因素，使无线MIMO衰落信道模型更复杂，因此所涉及的MIMO空时信号处理也有很多困难亟待解决。对MIMO信道的估计与跟踪是相当重要的，因为其估计的精确性对整个通信系统的性能有着很大影响。当天线数目增加时，信道估计遇到了极大的挑战，因为未知的信道抽头个数增加，且发送能量被分割。 本文对双选择性信道与空间相关信道下MIMO无线通信系统中的信道估计等问题进行了深入研究，主要工作如下： 提出了基于训练序列和序贯蒙特卡罗滤波的MIMO时变频率选择性衰落信道的估计与跟踪方法。根据时变无线信道的动态性，将信道冲激响应近似看作一个低阶的自回归(AR)矢量过程，以便于进行时变信道的跟踪。接着在此模型的基础上，利用序贯蒙特卡罗滤波对MIMO通信系统中的双选择性信道进行了跟踪；跟踪过程中需要与信号检测交替进行，即在状态变量的预测和新息修正的中间要进行一次码元的检测，所采用的方法是MMSE-DFE，最后与扩展卡尔曼滤波方法作了比较。 在数据分组传输方式下，提出了一种基于导频符号辅助调制(PSAM)的MIMO时变频率选择性信道估计方案。首先，对时间．频率双选择性MIMO信道，建立了一个复指数基扩展信道模型；然后基于该复指数基扩展信道模型，提出了采用PSAM的。MIMO双选择性信道估计方法；最后在该估计算法的基础上，基于信道估计MSE最小、检测信号的MSE最小以及平均信道容量最大原则，对PSAM的参数进行了优化设计，主要包括导频的插入方式、导频块的结构、分块传输数据子块的个数、以及能量分配等。 在数据分组传输方式下，提出了基十多项式内插的MIMO时间一频率双选择性信道估计方法。将时间一频率双选择性MIMO信道，建模为一个随时间变化的多项式内插信道模型；然后，根据信道Doppler衰落速率、多项式模型中的误差项，确定出模型的阶数以及整个数据块的长度；最后，基于该多项式内插信道模型，提出了采用PSAM的MIMO双选择性信道估计方法。 对MIMO-OFDM系统中基于导频的时间一频率双选择性衰落信道的估计和最优导频参数的设计问题进行了研究。利用复指数基扩展信道模型来表示一个OFDM符号周期内双选择性衰落信道的变化；然后基于该复指数基扩展信道模型，提出了一种有效的MIMO-OFDM双选择性衰落信道的估计方法；最后在该估计算法的基础上，基于信道估计均方误差最小准则，对导频及其参数进行了优化设计，主要包括导频的个数、导频的插入位置以及导频的表达形式等。 对MIMO系统中基于训练序列的空间相关、路径相关信道的估计及最优训练序列设计问题进行了研究。提出了一种有效的MIMO空间相关与路径相关信道估计方法，计算了信道估计的均方误差；根据信道估计均方误差最小的原则，对训练序列进行了优化设计。分析是基于最近提出的空间相关信道模型——Kronecker内积模型，其假定收发天线阵列引起的信道统计量是可分离的。然而，分析框架可应用于更一般的相关信道模型。 提出了空间相关、路径相关MIMO-OFDM通信系统中的空频统计预编码方案。利用Kronecker内积结构对空间相关、路径相关MIMO-OFDM信道进行了建模；在该模型的基础上，基于平均信道容量最大原则，利用统计注水方法对发送端进行了空频统计预编码，这个方法只需知道信道的相关特性，即信道的二阶统计量，不必对其频繁更新，且容易获得。理论分析表明，若在发送端利用空间相关、路径相关的信息，则空频统计预编码可以提高MIMO-OFDM系统的信道容量。仿真结果也进一步验证了上述结论。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图形目录、表格目录、主要缩写词与符号对照表

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第一章绪论

1.1论文研究背景

1.2 MIMO无线通信技术的发展及其研究现状

1.3 MIMO信道估计方法综述

1.3.1非盲信道估计

1.3.2盲信道估计

1.3.3半盲信道估计

1.4沦文的课题来源

1.5论文的主要贡献及章节内容

第二章无线通信的信道特性、分类与建模

2.1信道的主要特性参数

2.1.1大尺度效应

2.1.2小尺度效应

2.2衰落信道的主要分类

2.2.1平坦衰落信道与频率选择性衰落信道

2.2.2慢衰落信道与快衰落信道

2.2.3 空间不相关信道与空间相关信道

2.3本章小结

第三章基于序贯蒙特卡罗滤波的MIMO快时变信道跟踪

3.1引言

3.2 MIMO系统模型

3.3信道模型

3.3.1 Jakes模型

3.3.2 AR模型

3.4序贯蒙特卡罗滤波

3.5时变信道跟踪算法

3.6实验结果与性能分析

3.7本章小结

第四章基于PSAM的MIMO时间-频率双选择性信道的估计

4.1引言

4.2系统模型

4.2.1MIMO系统分块传输的设计

4.2.2时间-频率双选择性MIMO信道模型

4.3基于PSAM的MIMO双选择性信道的估计

4.4 MIMO系统性能的度量

4.4.1 MIMO双选择性信道的平均容量

4.4.2检测信号的最小均方误差

4.5 PSAM参数的优化选取

4.6实验结果及性能分析

4.7本章小结

第五章基于多项式内插的MIMO时间-频率双选择性信道的估计

5.1引言

5.2 MIMO系统模型与双选择性信道的内插模型

5.3基于多项式内插的MIMO双选择性信道的估计

5.4实验结果及性能分析

5.5本章小结

第六章MIMO-OFDM系统中时间-频率双选择性衰落信道的估计

6.1引言

6.2系统模型

6.2.1MIMO-OFDM系统的模型

6.2.2时间-频率双选择性MIMO信道模型

6.3 MIMO-OFDM信道估计

6.4导频及其参数的优化设计

6.5实验结果及性能分析

6.6本章小结

第七章空间相关与路径相关MIMO信道的估计

7.1引言

7.2 MIMO系统模型

7.3空间、路径相关信道模型

7.4 MIMO空间相关与路径相关信道估计

7.5训练序列的优化设计

7.6实验结果及性能分析

7.7本章小结

第八章空间相关与路径相关MIMO-OFDM系统中的空频统计预编码

8.1引言

8.2系统模型

8.2.1MIMO-OFDM系统模型

8.2.2空间、路径相关信道模型

8.3空频统计预编码

8.4实验结果与讨论

8.5本章小结

附录：命题8.1的证明

第九章结束语

9.1论文的主要成果

9.2研究展望

参考文献

作者攻读博士期间完成的论文

致谢