（通信与信息系统专业论文）mimo无线通信系统的预处理和频域均衡技术研究.pdf

申请+ 卜海交通大学博士学位论文 摘要 发射机和接收机均采用多个天线的多输入多输出( m i m o ) 无线通信技术可以有效地利 用多径衰落，提高频谱效率，成为未来高速无线系统的关键技术。将m i m o 和正交频分复 用( o f d m ) 或单载波频域均衡( s c f d e ) 技术相结合，可以有效地克服无线电波多径传 播所导致的符号间干扰。当发射机可以获得信道状态信息时，对发射信号进行预处理可以进 一步提高系统吞吐量，改善信息传输可靠性。本文研究m i m o 无线系统的预处理和频域均 衡技术，包括m i m o 空间复用系统的比特分配、多用户m i m o 系统的线性与非线性预编码 r l 及m i m o 单载波系统的频域均衡。 首先，根据最小平均误比特率( b e r ) 准则，分析m i m o 空间复用系统的比特分配问题。 在贝尔实验室垂直分层空时( v b l a s t ) 结构中，将发射功率平均分配给每个发射天线，通 过优化各发射天线的调制方式，改善了系统b e r 性能。提出贪婪比特分配算法和基于二分 法的比特分配算法。与传统v - b l a s t 系统相比，比特分配可以明显改善系统b e r 性能；与 现有的功率分配方案相比，比特分配没有性能损失，降低了对发射机功率放大器线性范围的 要求，节约了成本。 其次，针对多用户m i m o 系统下行链路，研究线性预编码技术。在分析现有的线性预 编码方法的基础上，提出一种联合线性预编码和功率分配的预编码方法，把复杂的联合线性 预编码设计和功率分配的优化问题，分解为两步，简化了问题的求解。首先，求解线性预编 码；在此基础上，根据各用户的信道状态信息，在总发射功率约束下，给各用户分配合适的 功率，使每个用户的信干噪比( s i n r ) 相同且最大化，从而改善系统b e r 性能。此外，对 最小均方误差( m m s e ) 线性预编码进行简化，设计次优m m s e 线性预编码( s u b m m s e ) 方法。给每个用户的接收机引入一个标量增益，将线性接收机归一化，设计一个贪婪算法求 解每个用户的归一化接收机向量；然后，基于m m s e 准则优化预编码向量和标量增益。 s u b m m s e 线性预编码方法的计算复杂度较低，性能接近最优的m m s e 线性预编码方法。 然后，探讨多用户m i m o 系统下行链路的非线性预编码技术。提出一种 t o m l i n s o n h a r a s h i m a ( t h ) 预编码方案，通过发射机和接收机的联合设计，有效地利用分集 增益；在此基础上，给出一个次优的用户排序算法，以较低的计算复杂度改善了系统b e r 性能。基于采用脏纸编码( d p c ) 的发射机和线性接收机，提出一个多用户m i m o 广播方案； 当系统用户数多于基站发射天线数时，设计一个多用户调度算法有效地利用多用户分集；所 提出方案的和速率容量接近s a t o 界，性能优于一些现有的方法。进一步，将该方案推广到多 用户m i m o o f d m 系统下行链路，提出一个简单的子信道分配方法；每个子载波上，各用 户的接收机采用其信道矩阵的左奇异值向量，把等效信道矩阵反馈给基站；基站通过d p c 预编码，分配空间子信道，将空间向量信道分解为一系列标量信道；利用注水功率分配获得 最大的和速率容量；该方法复杂度低，和速率信道容量接近s a t o 界，并且可以反馈部分信道 申请上海交通人学博上学位论文 信息实现接近最优的性能。 最后，研究单载波系统的频域均衡技术。针对以特定已知序列作为循环前缀的单载波单 输入单输出( s i s o ) 系统，基于迫零( z f ) 和m m s e 准则，推导基于噪声预测的频域信道 均衡方法。在均衡器输出端，计算出特定序列估计的噪声；利用均衡器输出数据估计的噪声 与特定序列估计的噪声的相关特性，预测并抵消数据估计的噪声。进一步，将噪声预测的均 衡结构推广到m i m o 单载波系统中。从理论上详细地分析了基于噪声预测的频域均衡器的 性能，与传统的频域均衡器相比，z f 噪声预测频域均衡器输出端可以获得更低的噪声功率， m m s e 噪声预测频域均衡器输出端的均方误差更小。仿真结果表明，噪声预测的频域均衡器 可以获得更好的b e r 性能。 关键词：m i m o ，比特分配，下行链路，线性预编码，t h 预编码，脏纸编码，频域均 衡，噪声预测 l i a b s t r a c t m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) s y s t e m s ，i nw h i c hb o t ht h et r a n s m i t t e ra n dt h e r e c e i v e ra r ee q u i p p e dw i t hm u l t i p l ea n t e n n a s ，c a nn o to n l ye x p l o i tt h em u l t i p a t hf a d i n g ，b u ta l s o i m p r o v et h es p e c t r a le f f i c i e n c y i th a sb e c o m eap r o m i s i n gt e c h n i q u ei nt h ef u t u r eh i 曲d a t a r a t e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m w h e no r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) o r s i n g l ec a r r i e rf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n ( s o f d e ) i sc o m b i n e dw i t hm i m o ，i n t e r - s y m b 0 1 i n t e r f e r e n c ec a nb ec o m b a t e de f f e c t i v e l y m o r e o v e r , w h e nt h ec h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o ni s a v a i l a b l ea tt h et r a n s m i t t e r , p r e p r o c e s s i n gt h et r a n s m i ts i g n a l sw i l li n c r e a s es y s t e mt h r o u g h o u ta n d e n h a n c et h er e l i a b i l i t y i nt h i st h e s i s ，w ew o u l ds t u d yt h ev a r i o u sp r e p r o c e s s i n gt e c h n i q u e sa n d f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o nf o rm i m os y s t e m s t ob e g i nw i t h ，a c c o r d i n gt ot h em i n i m u mb i te r r o rr a t e ( b e r ) c r i t e r i o n ，w ea n a l y z et h eb i t a l l o c a t i o n si nt h em i m o m u l t i p l e x i n gs y s t e m s ，i e v e r t i c a lb e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e - t i m e ( v - b l a s t ) a r c h i t e c t u r e t h et r a n s m i tp o w e ri se q u a l l ya l l o c a t e dt oe a c ha n t e n n aw h i l et h e m o d u l a t i o nm o d ep e ra n t e n n ai s o p t i m i z e dt oi m p r o v et h eb e rp e r f o r m a n c e w ep r o p o s e da g r e e d yb i ta l l o c a t i o na n dab i s e c t i o nm e t h o db a s e db i ta l l o c a t i o na l g o r i t h m i nc o n t r a s tw i t ht h e c o n v e n t i o n a lv - b l a s ts y s t e m ，b i ta l l o c a t i o n p e ra n t e n n ai sc a p a b l eo fi m p r o v i n gs y s t e m p e r f o r m a n c eo b v i o u s l y o nt h eo t h e rh a n d ，c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n gt r a n s m i tp o w e ra l l o c a t i o n s c h e m e ，b i ta l l o c a t i o nh a sn op e r f o r m a n c el o s sw h i l ei th a sr e d u c e dt h el i n e a rr a n g eo ft h ep o w e r a m p l i f i e ra n ds a v e dt h ec o s t s e c o n d ，w eh a v es t u d i e dt h el i n e a rp r e c o d i n gt e c h n i q u ef o rt h ed o w n l i n ko ft h em u l t i u s e r m i m os y s t e m s b a s e do nt h ea n a l y s e so ft h e e x i s t i n gm e t h o d s ，w ep r o p o s eas i m p l ej o i n t p r e c o d i n ga n dd y n a m i cp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m e t h ec o m p l e xp r o b l e m ，w h i c hi o i n t l yo p t i m i z e s l i n e a rp r e c o d i n ga n dp o w e ra l l o c a t i o n ，i ss i m p l i f i e da n dd e c o m p o s e di n t ot w os e p a r a t es t e p s o n t h eb a s i so ft h e p r e c o d i n g ，t r a n s m i tp o w e rf o rd i f f e r e n tu s e r si so p t i m i z e dt om a k et h e s i g n a l i n t e r f e r e n c e - n o i s er a t i o ( s r n r ) o fe a c hu s e re q u a la n dm a x i m u m ，w i t ht h er e s u l tt h a tt h e b e rp e r f o r m a n c ei se n h a n c e d i na d d i t i o n ，w eh a v es i m p l i f i e dt h ee x i s t i n gm i n i m u mm e a n s q u a r e e r r o r ( m m s e ) l i n e a rp r e c o d i n ga n dp r o p o s e das u b o p t i m u mm m s e ( s u b m m s e ) p e c o d i n g m e t h o d b yi n t r o d u c i n gas c a l a rg a i nt ot h ed e c o d i n gv e c t o rf o re a c hu s e r , w ep r e s e n tag r e e d y a l g o r i t h mt oo b t a i nas u b o p t i m u ms o l u t i o nt ot h en o r m a l i z e dd e c o d i n gv e c t o r s t h e n ，t h e t r a n s m i t t e rp r e c o d i n gv e c t o r sa n dt h es c a l a rg a i na r eo p t i m i z e db a s e do nm m s e c r i t e r i o n t h e p e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e ds u b m m s em e t h o dc a na p p r o a c ht h a to ft h eo p t i m u mm m s e s c h e m ew i t hl o w e r c o m p l e x i t y m o r e o v e r ，t h en o n l i n e a rp r e c o d i n gf o r t h ed o w n l i n km u l t i u s e rm i m oc h a n n e l si si n v e s t i g a t e d i i i 申请- 【：海交通人学博士学位论文 at o m l i n s o n h a r a s h i m a m u l t i p l ea n t e n n a sa te a c h p r e c o d i n g ( t h p ) s c h e m e r e c e i v e r a s s u m i n gs i n g l e t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rd e s i g ni sd o n et om a x i m i z e i sp r o p o s e df o rm u l t i u s e rm i m os y s t e m 、析t i l d a t as t r e a mc o m m u n i c a t i o nf o re a c hu s e r , j o i n t t h es i g n a lt on o i s er a t i o ( s n r ) f o re a c hu s e la h e u r i s t i cu s e ro r d e r i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e dt oo p t i m i z et h ee n c o d i n go r d e ra n di m p r o v et h eb i t e r r o rr a t e ( b e r ) p e r f o r m a n c ew i t ha c c e p t a b l ec o m p l e x i t y t h e n ，w ep r e s e n tam u l t i u s e rm i m o b r o a d c a s ts c h e m ew i t hd i r t yp a p e rc o d i n g ( d p c ) a tt h et r a n s m i t t e ra n dl i n e a re q u a l i z a t i o na tt h e r e c e i v e r am u l t i u s e rs c h e d u l i n ga l g o r i t h mi sp r e s e n t e dt oe x p l o i tm u l t i u s e rd i v e r s i t yw h e nt h e n u m b e ro ft h eu s e r si sl a r g e rt h a nt h a to ft r a n s m i ta n t e n n a s t h ep r o p o s e ds c h e m ec a na c h i e v et h e s u mr a t ec l o s et ot h es a t ob o u n da n ds u p e r i o rt os o m eo ft h ee x i s t i n gs c h e m e s f u r t h e r m o r e ，t h e s c h e m ei se x t e n d e dt ot h em u l t i u s e rm i m o o f d md o w n l i n k a te a c hs u b c a r r i e r , e v e r yu s e r u t i l i z e st h el e f t s i n g u l a rv e c t o r so fi t sc h a n n e lm a t r i xa sr e c e i v e r d p cp r e c o d i n gi s a p p l i e dt o a l l o c a t et h es p a t i a ls u b c h a n n e l st ou s e r s w a t e r - f i l l i n gp o w e ra l l o c a t i o ni sp e r f o r m e dt oa c h i e v et h e o p t i m u ms u m r a t ec a p a c i t y t h ep r o p o s e dm e t h o dc o u l da p p r o a c ht h es a t ob o u n dw i t hl o w e r c o m p l e x i t ya n dp r o v i d eat r a d e o f fb e t w e e ns y s t e mp e r f o r m a n c ea n dp a r t i a lf e e d b a c k f i n a l l y , w ep r e s e n tt h ef r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o nf o rs i n g l ec a r r i e rs i n g l e - - i n p u ts i n g l e - - o u t p u ts y s t e m b a s e do nt h ez e r of o r c i n g ( z f ) a n dm m s ec r i t e r i ar e s p e c t i v e l y , w ed e r i v e dt w o n o i s e - p r e d i c t i v ee q u a l i z a t i o ns c h e m e sf o ru n i q u e w o r d ( u w ) b a s e ds i n g l e c a r d e rs y s t e m s t h e c o r r e l a t i o np r o p e r t i e so ft h en o i s e si nt h eo u t p u t so ft h ef r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z e rh a v eb e e n e x p l o i t e dt op r e d i c ta n dc a n c e lt h en o i s e si nt h ee s t i m a t i o no fd a t a t h ep r o p o s a li sf u r t h e r e x t e n d e dt om i m os i n g l e - c a r r i e rs y s t e m s t h e o r e t i c a la n a l y s e ss h o wt h a tb o t ho ft h ep r o p o s e d t e c h n i q u e sp e r f o r mb e t t e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a lf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z e r s s i m u l a t i o nr e s u l t s h a v ec o n f i r m e dt h es i g n i f i c a n tp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n tt h e yc a na c h i e v e k e y w o r d s ：m i m o ，b i ta l l o c a t i o n ，d o w n l i n k ，l i n e a rp r e c o d i n g ，t o m l i s o n - h a r a s h i m a p r e c o d i n g ，d p c ，f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n ，n o i s ep r e d i c t i o n i v 申请上海交通大学博j 二学位论文 ( 旷 ( 矿 ( 司 a 】， a ( i ，：) a ( ：，) a ( f 1 ：f 2 ，：) a ( ：， ：五) f t r ( a ) d e t ( a ) r a n k ( a ) o i m l x j l x l i l x i i e ( 9 矩阵或向量的共轭转置 矩阵或向量的转置 标量或向量的共轭 符号表 矩阵a 的第，行、第歹列元素 矩阵a 的第f 行 矩阵a 的第列 矩阵a 的第行到第之行 矩阵a 的第五列到第j 2 列 矩阵a 的f r o b e n i u s 范数 矩阵a 的迹 矩阵a 的行列式 矩阵a 的秩 k r o n e c k e r 积 m x m 的单位矩阵 小于或等于x 的最大整数 标量x 的绝对值 向量x 的2 范数 统计平均 v 申请上海交通大学博上学位论文 3 g 4 g a w g n b c b e r c c i c d f c d m a c p c s i d f e d f t d p c e d g e f d d f d m a f f t f m g d f e g m d g p r s g s m i d f t i f f t i s i i t u m a c m a i m i m o m l m m s e m r c 缩略语表 3 r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a i t o ns y s t e m s第三代移动通信系统 4 t hg e n e r a n t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 第四代移动通信系统 a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e 加性高斯白噪声 b r o a d c a s tc h a n n e l广播信道 b i te r r o rr a t e 误比特率 c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e共信道干扰 c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n累积分布函数 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s码分多址 c y c l i cp r e f i x循环前缀 c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n信道状态信息 d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z a t i o n判决反馈均衡 d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f 0 1 t n离散傅立叶变换 d i r t yp a p e rc o d i n g 脏纸编码 e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n增强数据速率g s m 演进 f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x i n g 频分双工 f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s频分多址 f a s tf o u r i e rt r a n s f o r i l l快速傅立叶变换 f r e q u e n c ym o d u l a t i o n 频率调制 g e n e r a l i z e dd e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z a t i o n广义判决反馈均衡 g e o m e r t r i cm e a nd e c o m p o s i t i o n 几何均值分解 g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e通用分组无线业务 g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s全球移动通信系统 i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m逆离散傅立叶变换 i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o i t l l快速傅立叶反变换 i n t e r s y m b o li n e r f e r e n c e符号问干扰 i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n 国际电联 m u l t i p l ea c c e s sc h a n n e l 多址接入信道 m u l t i a n t e n n ai n t e r f e r e n c e多天线干扰 m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 多输入多输出 m a x i m u ml i k e l i h o o d 最大似然 m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r 最小均方误差 m a x i m u mr a t i oc o m b i n a t i o n最大比合并 v l 申请上海交通大学博f ：学位论文 m r tm a x i m u m s i g n a l t o - n o i s er a t i ot r a n s m i t 最大信噪比发射 m s em e a ns q u a r ee r r o r 均方误差 n pn o i s ep r e d i c t i o n噪声预测 o f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 正交频分复用 o s i c o r d e r e ds u c c e s s i v ei t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n排序的连续干扰抵消 p a rp e a kt oa v e r a g er a t i o 峰均比 q p s kq u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g 正交相移键控 q a mq u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n 正交幅度调制 q o sq u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 s c f d e s i n g l ec a r d e rf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n 单载波频域均衡 s i cs u c c e s s i v ei t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n连续干扰抵消 s i s o s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t单输入单输出 s i n r s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o 信干噪比 s j n r s g n a lt oj a m m i n ga n dn o i s er a t i o 信号与人为干扰噪声比 s n r s i g n a lt on o i s er a t i o 信噪比 s u b m m s es u b o p t i m u mm i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r次优最小均方误差 s v d s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n奇异值分解 t b at r a n s m i tb i ta l l o c a t i o n s 发射比特分配 t d dt i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g 时分双工 t d m a t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s时分多址 t h pt o m l i n s o n h a r a s h i m ap r e c o d i n gt h 预编码 t p at r a n s m i tp o w e ra l l o c a t i o n s 发射功率分配 u c du n i f o l i nc h a n n e ld e c o m p o s i t i o n 均匀信道分解 v b l a s tv e r t i c a l lb e l ll a b sl a y e r e ds p a c e t i m e 垂直贝尔实验室分层空时 z f z e r of o r c i n g迫零 z m c s c gz e r om e a nc i r c u l a r l ys y m m e t r i cc o m p l e x零均值循环对称复高斯 g a u s s i a n v i i 附件四 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：车小席太 日期：7 0 d 9 年多月日 附件五 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：耷j ，才木 指导教师签名：仃万形 协 日期：7 泖年弓月2 f 日 日期：山1 年弓月卅日 申请上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 本章首先简要描述了课题的研究背景，然后综述了m i m 0 无线通信系统发射机预处理和 接收机检测与均衡技术，最后介绍了本文研究工作，给出了全文内容安排。 1 1 研究背景 在过去三十年里，随着人们对无线传输业务需求的迅速增长，无线通信技术得到了突飞 猛进的发展。从基于模拟技术和语音业务为主的第一代系统发展到以数字技术、多媒体业务 和宽带数据传输为特点的第三代系统，并且朝着高速率、高频谱效率和低成本的第四代系统 演进【1 1 。 第一代移动通信系统是在2 0 世纪8 0 年代初提出的，以n m t 、a m p s 和t a c s 系统为代表； 采用蜂窝组网、频分多址( f d m a ) 和模拟调频( f m ) 技术，仅支持语音业务。第二代移 动通信系统在9 0 年代初期开始商用，典型系统包括g s m 和c d m ai s 9 5 ；采用时分多址 ( t d m a ) 、码分多址( c d m a ) 和数字调制与编码技术，改善了频谱效率和语音质量。g s m 系统的数据速率为9 6 k b w s ，采用通用分组无线业务( g p r s ) 可达到1 1 5 2k b i v s 的数据速率， 增强数据速率g s m 演进( e d g e ) 技术可实现3 8 4k b w s 的高速数据传输。 在本世纪初，国际电联( i t u ) 提出第三代( 3 g ) 移动通信系统，采用c d m a 、t u r b o 编码 和高阶调制等技术，目前通过的标准包括：w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 和w i m a x ， 已经在欧洲和北美部分国家开始运营。3 g 系统可提供宽带业务如高速数据传输、慢速图像与 电视图像等；可支持的数据速率：卫星用户9 6 k b i f f s 、车载用户1 4 4 k b w s 、步行用户3 8 4 k b i v s 、 室内环境2 0 4 8 m b i v s 。但是，3 g 系统各标准间存在相互兼容问题，难以实现真正的个人通信； 频谱效率较低，不能充分利用宝贵的频谱资源；数据速率还不够高。这些不足激发了人们研 究第四代( 4 g ) 通信系统的热情。 4 g 系统融合了蜂窝网络和无线局域网，提供低时延、低成本、全业务、高速率和无缝接 入等服务；在1 0 0 m h z 信道带宽下，静止终端数据速率为1 g b i v s ，移动终端数据速率为 1 0 0 m b i f f s 2 。由于4 g 系统目标传输速率很高，无线电波多径传播导致的符号间干扰( i s i ) 非常严重，应采取有效的技术克n 爱i s i 。此外，在带宽受限信道中应设法提高频谱效率，有效 地利用宝贵的频谱资源。近十年来，人们对正交频分复用( o f d m ) 、多输入多输出( m i m o ) 和单载波频域均衡( s c f d e ) 等无线传输技术的研究为解决这些问题提供了有力的保障。 o f d m 是一种多载波调制方案【3 】，将要传输的比特流分解为多个子比特流，调制到多个 相互正交的子载波上。o f d m 系统各子载波数据速率远小于总数据速率，各子载波的信号带 宽低于信道相干带宽，每个子载波的信道衰落为平坦衰落，可以有效地抵抗多径时延扩展。 在各o f d m 符号间插入保护间隔，其长度大于信道的时延扩展，可抑制不同o f d m 符号间 申请上海交通大学博上学位论文 干扰；将保护间隔设置为o f d m 信号的循环复制，形成循环前缀( c p ) ，可抵消一个o f d m 符号内各子载波间干扰。此外，插入c p 可将发射信号与无线信道的线性卷积转变为循环卷 积，可使用快速傅立叶变换( f f t ) 和逆快速傅立叶变换( i f f t ) ，降低了调制和解调的实 现复杂度。 m i m o 无线通信系统的发射机和接收机均采用多个天线，可提供阵列增益、分集增益、 复用增益和干扰抑制【4 】。与传统的单输入单输出( s i s o ) 系统相比，m i m o 系统可以显著提 高频谱效率。研究表明，m i m o 信道容量随着发射天线数和接收天线数的较少值近似线性增 长，在不增加发射功率和信道带宽的前提下，通过增加发射机和接收机的天线数可获得更高 的信道容量【5 j 。在m i m o 通信中，各发射天线在不同时刻发射相关的数据流，利用空时编码， 可获得分集增益，平坦衰落信道下最大空间分集增益为发射天线数与接收天线数之积【6 1 ；还 可以使用贝尔实验室的垂直分层空时( v b l a s t ) 【7 】结构，不同发射天线上并行发射相互独 立的数据流，在散射体丰富的环境中，各发射一接收天线对之间的信道衰落系数相互独立， 接收机利用信道信息通过有效的信号处理技术估计每个数据流，获得复用增益1 8 j 。此外，当 发射机已知信道状态信息( c s i ) 时，设计合适的预编码器，可以提高平均信噪比，获得阵 列增益【9 j ；同时使用功率分配和自适应调制可以改善系统性能【l0 1 。多用户m i m o 系统中，基 站发射机可以利用所有用户的c s i 设计预编码器，有效地抑制共信道干扰( c c i ) 信号【1 1 l 。 在频率选择性衰落信道中，为了提高m i m o 系统抵抗i s i 的能力，将m i m o 技术和o f d m 调制相结合，构成m i m o o f d m 系统【l2 1 。m i m o o f d m 系统将频率选择性信道转变为多个 独立、平坦衰落m i m o 信道，在每个子载波上单独传输和处理，降低了接收机信号检测的 复杂度。 另外，s c f d e 技术是克服i s i 的一个非常有效的技术【l3 1 。与o f d m 相比，s c f d e 具 有更小的峰均比( p a r ) ，对相位噪声的敏感性更低。此外，与时域均衡相比，在获得同样 的系统性能时，频域均衡的计算复杂度更低。单载波频域均衡需要在数据传输过程中插入 c p ，用于将发射信号与无线信道的线性卷积转变为循环卷积，这样接收机可以利用f f t 和 i f f t 降低复杂度。因此，s c f d e 成为上行链路一种有效的高速信息传输技术。同样，可以 将s c f d e 和m i m o 相结合，构成m i m os c f d e 系统【l4 。，以有效地利用空间自由度，降 低了m i m o 系统信道均衡的复杂度。 m i m o 、o f d m 和s c f d e 由于其显著的性能优势，成为未来高速通信系统的关键传输 技术，目前3 g 演化标准包括l t e 、u m b 和i e e e8 0 2 1 6 m 等都采用了这些技术，本文将对 发射机预处理和接收机频域均衡问题进行研究。 2 申请上海交通人学博士学位论文 1 2 研究现状 1 2 1m i m o 预处理 在m i m o 无线系统中，当发射机已知c s i 时，可以对发射信号进行预处理，获得更高 的频谱效率和传输质量【l5 1 。预处理技术所获得的性能改善是以增加发射机复杂度为代价，通 常应用于下行链路。在时分双工( t d d ) 系统中，可以利用上行链路和下行链路无线信道的 互易原理，通过估计上行链路c s i ，预测下行链路c s i ；在频分双工( f d d ) 系统中，接收 机估计下行链路c s i ，经反馈信道将其传输给发射机。通常要求发射机所获得的c s i 反映当 前信道状态，因此，预处理技术主要应用于静止或慢变信道环境。 自适应调制和预编码是两种关键的预处理技术。自适应调制根据c s i ，优化发射数据符 号的功率、调制与编码方式，目标是在提供一定服务质量( q o s ) 的前提下降低发射功率、 或保持发射功率不变而改善系统q o s 1 6 j 。预编码通过对发射数据符号进行线性或非线性变 换，简化接收机处理和提高系统性能【l7 1 。 自适应调制 m i m o 系统自适应调制包括：特征模m i m o 系统自适应调制和v b l a s t 空间复用系统 自适应调制。在特征模m i m o 系统中，假设发射机和接收机都完全已知m i m o 信道矩阵， 首先通过奇异值分解( s v d ) 将m i m o 信道分解为多个并行的特征子信道：然后在总发射 功率和误比特率( b e r ) 的约束下，根据各子信道增益，优化每个子信道的功率和信息速率， 使得整个系统平均信息速率最大【l o ，1 8 】，可以