無線通信MIMO和自適應(yīng)陣列系統(tǒng)的波束形成及性能.pdf

1、本文圍繞提高自適應(yīng)陣列波束形成算法的性能與復(fù)雜度比，結(jié)合實際系統(tǒng)的應(yīng)用研究，以及不完美CSI條件下的MIMO系統(tǒng)發(fā)射和接收波束形成的性能分析和魯棒設(shè)計而展開，在回顧已有研究的基礎(chǔ)之上，提出新的波束形成技術(shù)和算法，或者在原有方法的基礎(chǔ)上加以改進，降低算法的計算復(fù)雜度和提高性能，以及理論性能分析和魯棒設(shè)計等。分別提出了適用于寬帶碼分多址(WCDMA)系統(tǒng)的最小化誤碼率解擴重擴波束形成方法(MBER-DRB)和最大化信干噪比波束形成廣義特征值

2、問題(GE)的改進線性廣義拉格朗日乘子自適應(yīng)算法(MSINR-MLGLM)；一種用于正交頻分多路復(fù)用(OFDM)自適應(yīng)陣列接收、有更高性能與復(fù)雜度比的增強子載波分組波束形成方案(ESCG-BF)；假設(shè)接收機信道估計錯誤、CSI量化誤差和反饋延遲的閉環(huán)MIMO系統(tǒng)聯(lián)合發(fā)射和接收波束形成系統(tǒng)性能分析和魯棒設(shè)計，以及MBER優(yōu)化發(fā)射功率分配的LambertW函數(shù)求解方法。 第2章簡單介紹了多天線信道和信號模型，及OFDM傳輸技術(shù)在頻率

3、選擇性多天線無線通信環(huán)境中的應(yīng)用。并簡要介紹了多天線系統(tǒng)優(yōu)化線性接收，以及MIMO系統(tǒng)應(yīng)用CSI的發(fā)射和接收系統(tǒng)設(shè)計等。 第3章結(jié)合3G空中接口標準WCDMA實際應(yīng)用環(huán)境討論了最小化誤碼率(MBER)接收波束形成技術(shù)和最大化信干噪比(MSINR)波束形成的自適應(yīng)算法。經(jīng)典的波束形成技術(shù)大多都是優(yōu)化系統(tǒng)均方誤差(MSE)、信干噪比(SINR)或信噪比(SNR)等。誤碼率(BER)是通信系統(tǒng)設(shè)計的一項重要性能測度，結(jié)合3G空中接口標

4、準WCDMA系統(tǒng)，本文討論了基于最小化誤比特率準則的接收波束形成技術(shù)，提出了MBER解擴重擴波束形成方法(MBER-DRB)，通過直接優(yōu)化系統(tǒng)誤碼率以確定波束形成加權(quán)系數(shù)。利用基于樣本的kernel概率密度函數(shù)估計設(shè)計了權(quán)向量自適應(yīng)更新算法，并借助解擴重擴技術(shù)提供算法所需的參考信號?？臻g合并后，用RAKE接收進行時域多徑信號合并。其次，為了提高MSINR波束形成自適應(yīng)算法的性能與計算復(fù)雜度比，本文提出了一種改進線性廣義拉格朗日乘子算法(

5、MSINR-MLGLM)。廣義特征值可以表示成期望信號和干擾噪聲信號協(xié)方差矩陣特征值的函數(shù)，改進算法利用了期望和干擾噪聲信號的長期和瞬時信號分量，用線性迭代的方式搜索最大廣義特征值，并利用最陡下降法更新波束形成權(quán)向量。最后，提出MBER-DRB和MSINR-MLGLM被應(yīng)用于WCDMA無線通信環(huán)境上行陣列接收信號處理。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，提出MBER-DRB波束形成獲得了較基于其它準則波束形成技術(shù)更好的BER性能，且具有比較平穩(wěn)的算法收斂

6、性能；與MSINR波束形成的其它算法相比，提出的MLGLM算法獲得了更高的系統(tǒng)性能與計算復(fù)雜度比和更好的陣列響應(yīng)性能，并且提高了算法的收斂速率。 為了提高OFDM自適應(yīng)陣列接收頻域波束形成處理的性能和計算復(fù)雜度比，第4章提出了一種新的增強子載波分組波束形成技術(shù)(ESCG-BF)。新方案不同于已存在全自適應(yīng)波束形成(FA-BF)或子載波分組波束形成(SCG-BF)的是：在子載波分組波束形成信號處理后，級聯(lián)了波束形成后信道估計和均衡

7、處理。與子載波分組波束形成和全自適應(yīng)波束形成技術(shù)相比，提出ESCG-BF通過減少子載波分組數(shù)目以大幅降低計算復(fù)雜度，以增加低復(fù)雜度的波束形成后均衡處理來維持或提高性能，取得了系統(tǒng)性能與計算復(fù)雜度比的提高。并且，在頻率選擇性信道通信環(huán)境下，提出ESCG-BF比SCG-BF具有更魯棒的性能。最后，提出ESCG-BF被應(yīng)用于OFDM無線局域網(wǎng)(WLAN)通信環(huán)境，各種無線信道環(huán)境下的數(shù)值模擬結(jié)果驗證了ESCG-BF的性能提高。 第5章

8、主要研究了閉環(huán)MIMO系統(tǒng)中，線性發(fā)射和接收波束形成設(shè)計的優(yōu)化功率分配和不完美CSI對系統(tǒng)性能影響的理論分析。MIMO線性發(fā)射和接收波束形成系統(tǒng)中，基于系統(tǒng)容量、MMSE、MSINR等準則的優(yōu)化功率分配問題可以運用拉格朗日乘子技術(shù)和KKT條件獲得優(yōu)化功率分配的閉式解，但基于最小化BER(MBER)準則的優(yōu)化發(fā)射功率分配策略由于包含復(fù)雜的Q函數(shù)而沒有簡單的閉式解。這類優(yōu)化問題可以采用通用的算法求解，如內(nèi)點法；或利用Q函數(shù)的契爾諾夫(Che

9、rnoff)上邊界，獲得近似優(yōu)化功率分配，稱為Q函數(shù)契爾諾夫功率分配。因此，本文提出了一種利用LambertW函數(shù)的求解方法-LambertW函數(shù)功率分配?；贛BER準則的優(yōu)化功率分配問題的優(yōu)化解可以用LambertW函數(shù)的主分支函數(shù)表示，從而轉(zhuǎn)化為求解關(guān)于W函數(shù)的問題，而W函數(shù)的求解已具有簡單的優(yōu)化算法。接下來，本文重點分析了信道估計錯誤、量化噪聲和反饋延遲導(dǎo)致的不完美CSIR和CSIT對閉環(huán)MIMO發(fā)射和接收波束形成系統(tǒng)的性能影響

10、。給定接收信道估計誤差和量化噪聲的二階統(tǒng)計量，以及CSI反饋延遲模型，利用發(fā)射和接收波束形成權(quán)向量分別與真實信道右和左奇異向量之間的互相關(guān)系數(shù)，本文首先給出了不完美CSI條件下的發(fā)射和接收波束形成增益損失、子信道間干擾和子信道信干噪比(SINR)的分析表達式；并用矩陣擾動理論分析了不完美CSI對互相關(guān)系數(shù)的影響和相互關(guān)系。分析表明，系統(tǒng)性能除與CSI誤差有關(guān)外，還與信道奇異值的分布相關(guān)。 根據(jù)閉環(huán)MIMO系統(tǒng)線性發(fā)射和接收波束形

11、成聯(lián)合設(shè)計框架，以及不完美CSI條件下的性能分析，第6章研究了信道估計錯誤、量化誤差和反饋延遲導(dǎo)致不完美CSI條件下的線性發(fā)射和接收波束形成系統(tǒng)的隨機魯棒設(shè)計問題。假設(shè)已知MMSE信道估計誤差和CSI量化噪聲的方差，給定CSI反饋延遲導(dǎo)致的CSIT和CSIR相關(guān)模型，本文首先給出了每個子信道上的平均條件均方誤差(MSE)、平均條件信干噪比(SINR)和平均條件誤碼率(BER)的表示式。然后根據(jù)最小化子信道均方誤差和準則(MSMSE)和最

12、小化誤碼率和準則(MSBER)，給出了平均發(fā)射功率約束系統(tǒng)的隨機魯棒發(fā)射波束形成矩陣優(yōu)化設(shè)計，并分別用修改注水算法和LambertW函數(shù)求解約束優(yōu)化問題，分別得到優(yōu)化發(fā)射功率分配的閉式解。然后，本文將提出方法擴展應(yīng)用于多載波MIMO(MIMO-OFDM)系統(tǒng)，并提出了全局子信道選擇發(fā)送策略，發(fā)射機能根據(jù)信道頻率選擇性衰落的變化而適當調(diào)整發(fā)射符號的子載波和子信道，進一步增強系統(tǒng)的魯棒性能。 本文第7章是全文總結(jié)和結(jié)論，并對進一步工