提高MIMO系统容量的功率分配与编码方法的研究

如何在带宽和功率都受限的条件下，提高无线通信系统的信道容量，实现高速、可靠的信息传输是目前无线通信领域中最重要的研究课题之一。运用功率分配和空时编码技术可以在MIMO系统中提高频谱效率、改善系统性能。功率分配通过动态匹配信道衰落特性来提高信道容量；空时编码技术将编码矩阵构造与天线分集技术相结合，为无线传输提供了分集增益和编码增益，并且能够提供远高于传统单天线系统的频带利用率，为解决无线信道的传输问题提供了新的解决途径。 围绕功率分配和空时编码技术问题，本文系统阐述了无线移动信道的衰落特性、MIMO系统的信道模型、信道容量公式的推导、空时编码的基本原理以及平坦哀落信道下的空时编码设计准则。分析了两种典型功率分配算法：平均分配和注水分配。研究了相干检测空时编码：空时网格码(STTC)、分层空时码(LSTC)、空时分组码(STBC)；和非相干检测空时编码：酉空时码(USTC)和差分空时码(DSTC)。本文对这两类空时编码的编译码原理、特点和性能进行了分析和仿真比较，并以空时分组码为例，分析了最优功率分配时空时分组码的性能。从有效性和可靠性折中的角度，本文还对混合编码思想进行了研究，分析了半正交代数空时码(SAST)的编译码方法，进行了性能仿真。为了在频率选择性衰落信道中应用空时编码，本文又研究了空时编码与正交频分复用技术(OFDM)的结合原理，并结合具体编码进行了性能仿真，验证了STC-OFDM系统克服多径干扰的能力。 在分析研究前人成果的基础上，本文也提出了作者的两个新思想。一是提出了一种简单的、在发射端不知道信道状态信息情况下，提高MIMO系统容量的功率分配算法，该方法基于黄金分割原理，随机选择发射天线并平均分配功率，仿真结果表明在低信噪比时，其性能优于一般的功率平均分配方法。二是提出了一种改进的分层结构的空时编码(ECLST)。这种空时编码结合了LSTC和STBC的特点，通过嵌入校验元使接收端进行分层干扰抑制，用QR分解方法实现解码。仿真结果表明这种改进的空时编码具有高于STBC的频谱效率，并且抗干扰性能优于LSTC。