相關(guān)信道下MIMO系統(tǒng)容量和基于訓(xùn)練序列的傳輸體制研究.pdf

1、在頻譜資源日益匱乏而高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求無(wú)限增長(zhǎng)的現(xiàn)實(shí)下，通過(guò)增加天線數(shù)目來(lái)增大空間自由度、改善系統(tǒng)性能、提高頻譜利用率已經(jīng)成為無(wú)線通信領(lǐng)域中的研究重點(diǎn)。多輸入多輸出(Multiple-lnputMultiple-Output，MIMO)技術(shù)憑借其特有的復(fù)用、分集和干擾抑制等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前乃至未來(lái)移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)之一。同時(shí)，MIMO技術(shù)的研究是一項(xiàng)系統(tǒng)化的工程，涉及到的研究?jī)?nèi)容非常廣泛，涵蓋了信道建模、信道容量、信道參數(shù)估計(jì)、空時(shí)編/解

2、碼、天線選擇/設(shè)計(jì)、聯(lián)合收發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)等方方面面的研究。本文針對(duì)存在相關(guān)性的MIMO信道，對(duì)其信道容量和訓(xùn)練估計(jì)機(jī)制中的一些問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，主要內(nèi)容和創(chuàng)新如下： 1.聯(lián)合考慮了信道空域相關(guān)性、不同時(shí)延的多徑間相關(guān)性和直射路徑等因素，推導(dǎo)出了頻率選擇性萊斯相關(guān)信道的容量表達(dá)式和其在特定場(chǎng)景下的簡(jiǎn)化表達(dá)式，使得基于Kronecker相關(guān)模型的信道容量公式更為統(tǒng)一化。研究表明，在發(fā)射端未知信道信息時(shí)，空域相關(guān)和多徑間相關(guān)以及信道直

3、射分量的存在，都會(huì)惡化信道容量；當(dāng)不存在多徑間相關(guān)和信道直射分量時(shí)，頻率選擇性信道與平坦信道的各態(tài)歷經(jīng)容量相等，即多徑數(shù)目的增加并不會(huì)帶來(lái)信道容量的增加；對(duì)于只有前幾徑存在直射分量的頻率選擇性信道，多徑數(shù)目的增加會(huì)降低直射分量的比例，從而有助于信道容量的增加。 2.證明了信道容量的增減和信道相關(guān)性的強(qiáng)弱之間所對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，分析了信道相關(guān)性對(duì)于信道容量的(定性)影響。研究表明，當(dāng)發(fā)射端未知信道信息而采用等功率傳輸時(shí)，信道容量是信

4、道相關(guān)性的Schur-concave函數(shù)，即信道容量將隨著信道相關(guān)性的增強(qiáng)而降低。然而，在低SNR區(qū)間，且發(fā)射端已知信道信息時(shí)，信道容量是信道相關(guān)性的Schur-convex函數(shù)，這表明，在低SNR區(qū)間，信道相關(guān)性對(duì)信道容量具有提升作用。 3.基于Kronecker平坦和頻率選擇性塊衰落相關(guān)信道，采用時(shí)分復(fù)用的訓(xùn)練+數(shù)據(jù)模式和MMSE估計(jì)器，提出了具有最小均方估計(jì)誤差的(時(shí)域)最優(yōu)訓(xùn)練序列所應(yīng)具有的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。該訓(xùn)練序列的設(shè)計(jì)從時(shí)

5、域出發(fā)，且不限定訓(xùn)練序列的長(zhǎng)度，類(lèi)似于一種空間濾波結(jié)構(gòu)。研究表明，相比于正交訓(xùn)練序列，推導(dǎo)出的最優(yōu)訓(xùn)練序列能夠最大限度地利用已知的信道相關(guān)信息，提高信道估計(jì)的精度。證明了信道估計(jì)的均方誤差是信道相關(guān)性的Schur-concave函數(shù)，即信道相關(guān)性的增強(qiáng)有助于降低信道估計(jì)誤差。同時(shí)，分析還表明，滿足信道估計(jì)可辨識(shí)性的訓(xùn)練序列長(zhǎng)度取決于具體的信道相關(guān)強(qiáng)度。 4.基于最大化最差情況下的容量下界的思想，給出了塊衰落時(shí)分復(fù)用訓(xùn)練模式下的訓(xùn)

6、練和數(shù)據(jù)的最優(yōu)功率分配比例，推導(dǎo)出了基于訓(xùn)練估計(jì)的MIMO相關(guān)信道的容量下界(和截止速率)，以及其在準(zhǔn)靜態(tài)信道時(shí)的極限值。研究表明，對(duì)于相關(guān)信道，使信道估計(jì)準(zhǔn)確性和容量最大化之間實(shí)現(xiàn)最優(yōu)折衷的訓(xùn)練序列長(zhǎng)度不再等于發(fā)射天線數(shù)目，而是直接取決于信道的相關(guān)強(qiáng)度；信道相干時(shí)間的增長(zhǎng)，有助于提高訓(xùn)練容量下界。 5.針對(duì)基于時(shí)分復(fù)用的訓(xùn)練估計(jì)模式下的MIMO傳輸系統(tǒng)的極限性能，理論證明并分析了訓(xùn)練容量在高SNR時(shí)的空間自由度和低SNR時(shí)的能

7、量效率。研究表明，基于訓(xùn)練估計(jì)的MIMO系統(tǒng)在高SNR時(shí)可以提供的空間自由度是(1-K*t/Tc)K*t，其中K*t是發(fā)射端空域相關(guān)矩陣的秩、接收端空域相關(guān)矩陣的秩以及信道相干時(shí)間的一半這三者之間的最小值。低SNR時(shí)的分析表明，與理想情況下的相干通信(接收端已知完美的信道狀態(tài)信息)和非相干通信(假定接收端未知信道狀態(tài)信息且并不采用明確顯式的信道估計(jì))不同的是，當(dāng)SNR低于某一臨界值時(shí)，MIMO訓(xùn)練傳輸系統(tǒng)可靠通信所需的比特能量開(kāi)始急劇上