MIMO-OFDM宽带通信系统基于子群的信道估计和分配算法研究

高速、可靠和频谱利用率高的无线传输技术是目前移动通信领域的一个研究热点。正交频分复用技术(OFDM)是一种有效的高速数据传输技术,通过载波间正交和循环前缀能有效抑制多径造成的符号间干扰。多输入多输出天线技术(MIMO)通过在发射和接收端增加天线数目获取系统的分集增益。因此,将MIMO和OFDM技术相结合,能够抑制码间串扰和对抗多径哀落,是实现未来宽带无线通信系统的一种有效的传输技术。 在实际传输环境中,存在着多径衰落、空间相关性甚至直射分量等,不同传输结构和设计目标下对于性能和容量等参数的描述也不尽相同,这就需要针对特定的系统环境和目标推导相应的信道建模与编码准则。额外的空间维数也使得我们算法的推导、分析和应用变得更为复杂。本文对无线MIMO-OFDM系统下的空时分集编码、信道估计及自适应功率和子载波分配等方面进行研究,具体研究内容及成果如下: (1)在MIMO-OFDM系统离散信号模型下,分析了多种编码技术,包括在频率选择性衰落下的空时分组码、莱斯快衰落下的差分酉空时编码和垂直贝尔实验室分层空时码。文中具体推导出空时相关莱斯快衰落下空时分集编码的成对误差概率(PEP),并深入研究空时分集编码在莱斯衰落、空时相关下的性能,给出空时相关莱斯快衰落下码设计的距离准则和内积准则,并定量给出系统获得的最大分集增益、编码增益及其在相关快衰落下的变化趋势。考虑到在无法或者难以得到信道状态信息情况下差分酉空时调制的有效传输特性,论文推导出莱斯快衰落下差分酉空时调制的SNR和误差极限。借助于高斯-马尔可夫模型,进一步推导差分酉空时调制下系统的成对误差概率的近似结果,并给出的相应的系统性能仿真。同时考虑到无线信道的空间相关性和直射分量,给出V-BLAST在相关莱斯衰落MIMO-OFDM系统中的最大似然检测实现以及系统性能仿真结果。 (2)针对分群子载波MIMO-OFDM系统,提出基于独立子群的信道估计方法,给出导频序列的设计规则以及算法复杂度分析,计算机仿真给出了该算法在多径衰落信道下基于最小均方误差准则的分析结果。在分群空时频MIMO-OFDM系统中使用群化分组各子载波策略,将信道估计的导频序列离散于各独立子群中,由空频两域扩展到空时频域,降低了系统编解码以及导频序列设计的复杂度。提出的独立子群导频序列的信道估计策略,其“独占”准则是从分群子载波MIMO-OFDM系统中占用专门的子群作导频序列的发送,具很好的鲁棒性,能适用于不同的信噪比范围。传统的“共享”式信道估计方式相对于“独占”准则来说,是将导频序列插入数据块中传输,总体上有更好的容量表现,但相应的代价是反馈开销和计算复杂度的增加。采用独立子群的信道估计策略,对于寻求容量、复杂度和开销等方面的折衷无疑是一个可行的方案。 (3)针对分群子载波MIMO-OFDM系统中对最优子载波分配的需求,提出基于精准信道信息和经验模态分解的子载波分配策略。该算法对同一时刻不同子信道的载波序列信道增益函数进行经验模态分解,首次给出子群的“包络因子”和“抖动因子”的定义,并进一步讨论具体分配策略,给出基于子群“抖动因子”的平均子载波分配算法,基于子群“包络因子”的幂指数快速子载波分配算法,以及基于两者但具一定复杂度的位图子载波分配算法。其中幂指数快速子载波分配算法,能有效地提高系统的容量和减少资源分配信令的开销。仿真结果证实所述算法具有反馈信息量小和计算复杂的低等优点,在分群子载波MIMO-OFDM系统中较具应用前景。 (4)在分群子载波MIMO-OFDM系统中,基于前文已讨论的子载波分群策略,结合经验模态分解,提出基于天线或子群“效能因子”的最优功率分配算法。传统最优功率分配算法“注水原理”应用到分群子载波MIMO-OFDM系统中存在若干待解决的问题:(a)需要针对信道传输矩阵作奇异值分解,有一定的计算复杂度;(b)分配是基于天线的粗放型大粒度配给机制,在频率选择性衰落的宽度通信系统中,显然未能体现最佳功率分配优势;(c)将MIMO系统的经典算法移植于MIMO-OFDM系统中,需要合理考虑子载波对自适应功率分配的影响。论文提出的最优功率分配策略能很好的解决上述问题,算法首先给出了“效能因子”的定义,并依此作为后续功率分配依据,仿真结果证实在分群子载波MIMO-OFDM系统中,该算法在系统容量和频谱效率上表现良好,且具有实现简单、效率较高等优点。