MIMO通信系统中的天线选择与盲自适应处理算法研究

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随着无线通信系统业务需求的发展,无线通信系统已经从单纯的语音服务向图像,视频,数据等多媒体方向全面发展。丰富的媒体内容引发了高速接入的需求。接近Gbps的高速无线通信系统在日益发展的无线局域网(WLAN:Wireless Local Area Networks)中引起了人们极大的兴趣。未来家庭视听网络需要支持多种高速高清晰电视(HDTV:Hign-Definition Television)系统,这也大概需要上Gbps的速率。这么高的传输速率对有限的无线频谱资源来说是一个极大的挑战。从信息论角度的研究表明:在发送端和接收端同时使用多根天线的多输入多输出(MIMO:Multi-Input-Multi-Output)系统可以大大增加无线通信系统的容量,并可以大大改善系统的性能,非常适合B3G、4G无线通信系统中高速业务的要求。因而,MIMO技术成为下一代无线通信领域中的热门技术。MIMO系统可以同时提供复用和分集增益。空间复用增益一直以来被认为是MIMO通信系统带来的最大好处,空间复用通过扩展信道维数,在不增加额外功率和浪费额外带宽的情形下,可以提供与天线个数成线性比例的容量增长。这大大增强了频谱利用率。空间复用通过分层空时码来实现,目前有D-BLAST、V-BLAST及H-BLAST等方案。分集技术是一种有效对抗无线链路衰弱的技术。分集技术主要依赖于信号在多条独立衰弱路径(包括时间,频率和空间)中的传播,其中,空间(或叫天线)分集技术比起频率和时间维度的分集技术更为优越,主要是空间分集技术在传输时间和带宽上没有带来任何其他开销。分集增加了传输可靠率,可以带来服务质量的提高。假设MIMO信道有M_TM_R条独立衰弱路径,并且传输信号可以被合理构建,那么接收机可以利用收到的信号得到相比于单输入单输出系统(SISO:Single-Input-Single-Output)更低的能量衰变并且获得M_TM_R的分集增益。发射机在信道状态未知的情形下也能够利用分集增益,这个时候需要对发送端信号合理设计和发送,这种对应的技巧就被称为空时编码。目前研究较多的有空时分组码(STBC)和空时格码(STTC)。MIMO系统的核心是空时信号处理,这里的“时”就是普通数据通信中的“时间”维度;而“空”是通过在发送和接收端同时使用多根天线而构成的“空间”分布维度。这样的系统也可以被看作是传统智能天线(Smart Antennas)的一个自然延伸,后者是一种用来提高无线系统性能的技术。目前,MIMO系统的研究主要分布在信息论和编码研究、天线子集选择、天线设计和信道模型研究、MIMO-OFDM、发射预编码、多用户MIMO理论和编码技术等领域,本文的工作主要集中在MIMO系统天线选择算法和正交空时分组码MIMO系统盲自适应算法。发射/接收天线选择方法能以很小的性能损失换取射频成本的大幅度降低,使MIMO系统不完全受射频成本的限制。为了快速选择出使系统容量最优的发射/接收天线子集,给出了一个快速的迭代选择算法。该算法基于贪心思想:在当前获得的系统容量的基础上,优先考虑去除那根对系统容量影响最小的天线。通过在线的自动更新目标系数,该算法显示出快速的性能。通过一系列仿真结果说明:该方法可以快速的选择出天线子集,和不进行天线子集选择的系统性能非常接近。针对正交空时分组码(OSTBC:Orthogonal Space-Time Block Code)MIMO系统模型及正交空时分组码星座图不变性,提出了一种用于正交空时分组码MIMO系统的盲自适应接收机。该方法主要利用了正交特性,给出了一个针对正交空时分组码MIMO系统模型的无约束代价函数,并分析了该函数的全局最小值:该无约束代价函数的最小值实际上就是实际信道的归一化矢量。在该结论的基础上,通过投影逼近的方法将无约束代价函数由四阶近似为二阶的,之后对二阶代价函数给出最小均方误差(LMS)和递推最小二乘(RLS)自适应算法实现。仿真结果表明:该接收机可以很好的跟踪衰落信道的变化,在不利用导频信号的情况下很好的还原出原始的传输信号。
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