（通信与信息系统专业论文）perance+analysis+of+spatial+multiplexing+mimo+with+time+reversal+technology.pdf

p e r f o r m a n c ea n a l y s i so fs p a t i a lm u l t i p l e x i n gm i m 0s y s t e mw i t ht i m er e v e r s a lt e c h n o l o v i i ；i i ；罱i i ；i i ；i ；i ；宣；i ；i ；罱i i i ；i i ；i ；i i ；i 罱i i ；i ；i ；i ；i ；音苫i i i ； 摘要 传输速率和可靠性是相互制约，若一个完全实现，另一个就几乎难以实现。在这种 条件下，只有根据系统的要求，在可靠性和数据传输速率之间作出平衡。本论文论述了 一些主要的无线技术，如空分多工( s m ) ，多输入多输出( m i m o ) 和时间反转技术( t r ) ， 这些技术都是为了在没有增加带宽和功率要求，而比特误码率保持在一个可接受范围的 情况下，提高系统的数据传输速率。 利用空分多工技术的多输入多输出( m i m o ) 系统可以减少传输时间，因此它可以在不 增加带宽和功率的情况下提高数据的传输速率。通过研究系统固有的时分和空分多工的 特点，再使用时间反转技术，就可保证接收数据的比特误码率。 在多输入多输出系统中，使用空分多工技术可以获得数据的传输增益，于此同时， 在使用了时间反转技术的发射端，完整的信道状态信启、有助于系统对数据序列进行预处 理，使得对瑞利衰落信道具有了更好的抗干扰能力。因此，数据的传输速率和比特误码 率都得到了提高。 关键词：信道状态信息；空分多工；m i m o ；时间反转；多址干扰 丝些星些堡些坚坠墼些鳖型坠一 a b s t r a c t l 。a n 8 m 1 8 8 1 0 ns p e e da n dt h er e l i a b i l j t yo ft h et r a n s m i s s i o ns e e m sc o m p l e m e n t a r v t o e a c ho t h e r , o n ef u l l ya c h i e v e d ，( ) nt h eo t h e rh a n di sa l m o s th a r dt or e a l i z e t h eo b j e c t i v e o ft h e s y s t e mr e q u i r e m e n t sr e m a i nt h eo n l yf a c t o rt om a k eac h o i c eb e t w e e nt h er e l i a b i l i t ya n d t h e d a t as p e o i ls u c hc o n d i t i o n s i nt h i s c o n t e x t ，t h i st h e s i sd e a l sw i t ht h ek e yw i r e l e s s e c h n o l 0 9 1 e 88 仳ha ss p a t i a lm u l t i p l e x i n g ( s m ) ，m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) a n d i1 m e r e v e r s a l ( t r ) t e c h n o l o g y t h eg o a li st oe n h a n c et h ed a t at r a n s m i s s i o nr a t eo f t h es y s t e m , w l t 上1 0 u tn oa d d l t i o n a lb a n d w i d t ha n d p o w e rr e q u i r e m e n t sb u te q u a l l y m a i n t a i n i n gt h e b i te r r o r r a t e ( b e r ) p e r f o r m a n c ei n t oc o n s i d e r a b l el e v e l m i m ow i t hs p a t i a lm u l t i p l e x i n gt e c h n i q u ei s u s e dt or e d u c et h et r a n s m i s s i o nt i m e n e n c n h a n c i n gt h ed a t as p e e d ，w i t h o u ta d d i t i o n a lb a n d w i d t ha n dp o w e rr e q u i r e m e n t t h e b e r p e r f o r m a n c eo f s u c hg a i n e dd a t as p e e di sm a i n t a i n e d b ：y rt h eu s eo f t i m er e v e r s a lt e c h n i a u e b ye x p l o i t i n gi t sp r o v e nf e a t u r e ss u c ha st e m p o r a la n d s p a t i a lf o c u s i n g s p a t i a lm u l t i p l e x i n gi nm i m o s y s t e mg i v e sd a t at r a e 【s m i s s i o ng a i no no n eh a n da n do n t h eo t h e rh a n dt h ep e r f e c tc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na t t h et r a n s m i t t e rs i d ei nt i m er e v e r s a l e c h n o l o g yh e l p sp r o v i d ep r e a d j u s t m e n ti nd a t as e q u e n c e 、w h i c hl e a d st oab e t t e ri m m u n i t v a g a l n s tt h er a y l e i g hf a d e dc h a n n e l h e n c e ，g a i ni n d a t ar a t e a l o n gw i t hb i te r r o rr a t e p e 渤r m a n c ei sa c h i e v e d k e y w o r d s ：c s i ；s m ；m i m o ；t r ；m s i p e r f o r r r l a n c ea n a l y s i so fs p a t i a lm u l t i p l e x i n gm i m os y s t e mw i t ht i m er e v e r s a lt e c h n o l o g y i i ；i i ；i i i ；i i i ；i ；i ；i 高；i ；i i i 高；i ；i ；i ；i ；i i ；i ；i 三；i ； l i s to ff i g u r e s f i g u r e1 1s h o w i n gc h a n n e lc a p a c i t yi n c r e m e n tw i t hn u m b e ro fa n t e n n a 2 f i g u r e2 1 i l l u s t r a t i o n so f d i f f e r e n tw i r e l e s sc h a n n e l 6 f i g u r e2 2 r a y l e i g hf a d i n g 7 f i g u r e3 1 m i m os y s t e m s 11 f i g u r e3 2rv i r t u a ls i s oc h a n n e l s 1 5 f i g u r e4 1s h o w i n gs i s o ，m i m ow i t hd i v e r s i t ya n dm i m ow i t hm u l t i p l e x i n g 17 f i g u r e4 2 s p a t i a l l ym u l t i p l e x e dm i m os y s t e m s 1 9 f i g u r e4 3d i v e r s i t yg a i n s p a t i a lm u l t i p l e x i n gg a i nt r a d e o f f 1 9 f i g u r e5 1 b l o c kd i a g r a mo fs i s os y s t e m 2 1 f i g u r e5 2 t r m i m os y s t e m 2 3 f i g u r e5 3 i m p l e m e n t a t i o no f t r m i m os y s t e m 2 4 f i g u r e6 1 s i m os y s t e mw i t hm a x i m u mr a t i oc o m b i n i n g 3 3 f i g u r e6 2 m i m os y s t e m 3 6 f i g u r e6 3 s h o w i n gt h es i g n a ls p a c ei st w od i m e n s i o n a l ，s p a n n e db yh la n dh 2 3 6 f i g u r e6 4 b e ro fs m 一2 x 2m i m o a n dr e c e i v e rs i d ee q u a l i z e r 3 9 f i g u r e6 5 b e ro f s m 一2 x 2m i m 0w i t ht r f i l t e ra n dr e c e i v e rs i d ee q u a l i z e r 4 0 f i g u r e6 6 b e ro fs m 一2 x 2m i m ow i t ht rf i l t e r m s if i l t e ra n dr e c e i v e rs i d ee q u a l i z e r 4 0 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t ym a s t e rd e g r e ed i s s e r t a t i o n ；i ；i i ；i i i ；i i ；i ；i i ；i i ；i i ；i i ；i i ；i ；i i ；i i ；i i ；i i i ；i ；i ； b 久n be r cs i d g i si l ) s 】v i s o 】v i i m o r c s i n l o s s m o s ! s g t r i i d r l a n ，s n a c r o n y m s b o d ya r e an e t w o r k b i te r r o rr a t e c h a r m e ls t a t ei n f o r m a t i o n d i v e r s i t yg a i n i n t e rs y m b 0 1i n t e r f e r e n c e l i n e _ o f s i g h t m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u 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 a x i m u mr a t i oc o m b i n e r ，m a x i m u mr a t i oc o m b i n i n g m u l t is t r e a mi n t e r f e r e n c e n o n l i n e - - 0 f - s i g h t s i n g l e i n p u tm u l t i p l e o u t ；l u t s p a t i a lm u l t i p l e x i n g s p a t i a lm u l t i p l e x i n gg a i n t i m er e v e r s a l i n d e p e n d e n ta n di d e n t i c a l l y d i s t r i b u t e d w i r e l e s s1 0 c a la r e an e t w o r k w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 b a c k g r o u n d h i g hr a t ed a t at r a n s m i s s i o na l o n gw i t hr e l i a b i l i t y ，i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，h a s b e e nt h es u b j e c to fr e s e a r c hi n t e r e s ta m o n g t h er e s e a r c h e r st h e s ed a y s ，d u et o t h e a d v a n c e m e n ti nt e c h n o l o g i e ss u c ha sh i g hd e f i n i t i o n ( h d ) t e l e v i s i o n ，v i d e oo nd e m a n d ，h o m e t h e a t e r ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，b o d ya r e an e t w o r k ( b a n ) e t c i n o u rq u e s tt oa c h i e v et h e s e h i g ht r a n s m i s s i o nr a t e s ，i ti so fh i g hc o n c e i t lt h a t ，t h es y s t e m u t i l i z e st h em i n i m u mr e s o u r c e s a n dc o m eo u tw i t ht h er e q u i r e da c c u r a c y t o d a y ，w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) w i t h t h es p e e do f p e a kr a t e so f 5 4m b s i sa l m o s tr e a l i z e da n dat a r g e to f6 0 0m b s ，s u c ha s i e e e a 0 2 1i nw l a n s ，w i l ls o o nb e r e a l i z e d w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r ki se x p e c t e dt op r o v i d ed a t ar a t eu pt o2g b sa n d o p r i m a lc a p a c i t yi se x p e c t e dt or e a c ha sm u c h a s3g b sa sp e rt h ei e e e8 0 2 1 5 3 c ，f o rc a b l e r e p l a c e m e n t h o w e v e ra sp e rt h er e c o m m e n d a t i o ni ni e e e8 0 2 1 l n t h ed a t ar a t eh i g h e rt h a n5 0 m b sc a n n o tb ea t t a i n a b l eu n t i ls o m et e c h n o l o g i e ss u c ha sn l u l t ii n p u tm u l t io u t p u t ( m i m o ) a n do 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 ) i s ；a d o p t e dp r o p e r l y i th a sb e e nc o n s i d e r e dt h a ts p a t i a lm u l t i p l e x i n g ( s m ) o fm i m oc o m b i n e dw i t ht i m e r e v e r s a l ( t r ) t e c h n o l o g yw o u l dp r o v i d eaw a y o u t m i m oi sk n o w nf o rp r o v i d i n gr e m a r k a b l es p e c t r a le f f i c i e n c y 1 _ 【4 a n dc a n b eu s e dt o i n c r e a s et h ed a t ar a t et h r o u g hm u l t i p l e x i n go rr e l i a b i l i t yt h r o u g hd i v e r s i t y s mi n c r e a s e sd a t a t h r o u g h p u tb yr e d u c i n gt h et r a n s m i s s i o nt i m ew i t h o u ti n c r e a s i n gt h et r a n s m i s s i o np o w e r a n d a d d i t i o n a lb a n d w i d t h i no t h e rh a n dw i t ht h ef e a t u r e so ft e m p o r a la n ds p a t i a lf o c u s i n g 5 6 ， t rn o to n l yc a np r o v i d ei m m u n i t ya g a i n s tf a d i n gf o rs p a t i a l l ym u l t i p l e x e dd a t as t r e a mb u t a l s o h e l pb o o s t m u l t is t r e a mi n t e r f e r e n c e ( m s i ) l i m i t e dp e r f o r m a n c eb ym i t i g a t i n gi t h e n c e ，m a n y r e s e a r c h e sh a v eb e e nc a r r i e do u t ，c o n s i d e r i n gs m m i m o t rt h e s ed a y s ，c o n s i d e r i n gv i v i d e n v j r o n m e n t a lc o n d i t i o n s h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t ym a s t e rd e g r e ed i s s e r t a t i o n ；i i i i i i ；i i ；i i i i ；i i i ；i i ；i i ；i i i i i ；i i i i ；i i i i ；i ；i 1 2m o t i v a t i o n i nt o d a y sw o r l d ，i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ni nas h o r tt i m ew i t hh i g hd a t ar a t e ，w i t h o u t a ：t d i t i o n a lb a n d w i d t ha n dp o w e rr e q u i r e m e n t ，a l o n gw i t ho p t i m u ma c c u r a c y ，f i n d si t s a ? p l i c a t i o ni nt h e v a r i o u sf i e l d so fw i r e l e s sc o l m n u n i c a t i o n w h e ni tc o m e sw i t hi n c r e a s i n gt h ed a t as p e e di nc o m m u n i c a t i o n ，m i m oo u t p e r f o r m s t la d i t i o n a ls i s os y s t e mi nm a n ya s p e c t s m a n ys t u d i e sh a v es h o w nt h a tm i m ow i t hi t sa r r a y ga i n ( a g ) ，d i v e r s i t yg a i n ( d g ) a n ds p a t i a lm u l t i p l e x i n gg a i n ( s m g ) b o o t s t h es y s t e r n pe r f o r m a n c ei nc o m p a r i s o nt o t h er e s o u r c e si tu t i l i z e s i ti sf o u n dt h a tm i m oc a p a c i t y f i m r e a s e s l i n e a r l y w h e r ea s s i s o ，m i s o a n ds i m op e r f o r m a n c e o n l y i n c r e a s e s 1 ( ) g a r i t h m i c a l l y n u m b e ro fa n t e n n a s f i g u r e1 1s h o w i n gc h a n n e lc a p a c i t yi n c r e m e n tw i t hn u m b e ro fa n t e m t a m o r e o v e r ，w i t ha b u n d a n tp o t e n t i a lo fg a i n sa n di t sf l e x i b i l i t y ，m i m c lh a sb e co m et h e i l l t e g r a lp a r to fe m e r g i n gw i r e l e s ss y s t e ms u c ha s3 g p pl t e ( l o n g t e r m 。e v o l u t i o n ) 7 ， 3 g p p 2u l t r am o b i l eb r o a d b a n d ，a n di e e e8 0 2 1 6w i m a x 8 u n l i k es i s o ，d i v e r s i t yg a i n ( d g ) - a n ds p a t i a lm u l t i p l e x i n gg a i n ( s m g ) h e l p , , ；m i m o t ( ) b eap r o m i s i n gc a n d i d a t ef o rf u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n - s y s t e m ，h o w e l v e r ，t h ed i v e r s i t y a ；p e c to ft h em i m oc a nb ef o u n di nm i s oa n ds i m oa sw e l l s mi so n eu n i q u ef e a t u r et h a t m i m oo f f e r s t h o u g h ，r e s e a r c h e si nd i f f e r e n tt i m es u g g e s t e dt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so f m i m os y s t e mi st h et r e a do f fs c h e m e sb e t w e e nd ga n ds m ，h o w e v e r ，：f o rr e d u c i n gt h e ua n s m i s s i o nt i m ea n di n c r e a s i n gt h et r a n s m i s s i o ns p e e ds mi st h ef e a t u r eo f m i m ot h a th a st o b ：e x p l o r e d n工，。m s，兰直l=o町口揶u i a c c 碍l i u c h a p t e r 一1i n t r o d u c t i o n ；宣；i ；i i ；i ；i i i ；i i ；i ；i ；i ；宣i ；i i ；i ；i ；i i ；i i ；i ；暑；i i ；i ；i i ；i ；i ； m o r e o v e r ，t h ei d e ao fd i v e r s i t yi si n s e p a r a b l ya s s o c i a t e dw i t ht h eu n c e r t a i n t yo ft h e c h a n n e l ，i ft h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) i sm a d ea v a i l a b l ea tt h et r a n s m i t t e rb e f o r e t r a n s m i s s i o n ( s o m e t i m e sr e f e r r e dt oa sc l o s el o o pm i m od i v e r s i t yg a i n ) ，t h et r a n s m i t t e db i t s c a nb ep r e a d j u s t e di no r d e rt om a k ei ti m m u n et ot h ec h a r m e l t h i st r e m e n d o u s l y ，d e c r e a s e s t h ec o m p l e x i t yo ft h er e c e i v e r ，a sm o s to ft h ew o r kt h a tar e c e i v e ri ss u p p o s e dt op e r f o r mi s d o n ea tt h et r a n s m i t t e r c o n v e n t i o n a lc o h e r e n td e t e c t i o n r e q u i r e s c h a n n e le s t i m a t i o na n di n t r o d u c e s c o m p l e x i t y i na d d i t i o nt ot h i s ，d e n s em u l t i p a t hc o m p o n e n tr e q u i r e sr a k er e c e i v e r sw i t ha t l e a s t2 0t a p so rm o r ei no r d e rt oh a r v e s te v e nh a l f o f t h ee n e r g yd i s t r i b u t e di nt h ee n t i r ei m p u l s e r e s p o n s e f o rm a n yw i r e l e s sd e v i c e s s u c had e s i g ni sn o tl o wc o s t t h ed e n s em u l t i p a t ha l s o c a u s e sg r e a td i f f i c u l t y c o m p l e x i t yf o rt h es y n c h r o n i z e ra n de q u a l i z e r t ri sat e c h n i q u et of o c u sb r o a d b a n ds i g n a l st i g h t l yi ns p a c ea n dt i m e 9 ，w h e r et h e m u l t i p a t hc h a n n e lw i t hr i c hs c a t t e r i n gi se x p l o i t e db ya c t i v e l ym o d u l a t i n gt h es i g n a la tt h e t r a n s m i t t e rs i d eu s i n gt h ec h a n n e li n f o r m a t i o n ，i n s t e a do fb e i n gp r o c e s s e da tt h er e c e i v e rb y e q u a l i z e r so rr a k ec o m b i n e r sa si nt h et r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h i sh e l p sr e d u c e t h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya tt h er e c e i v e r a d d i t i o n a l l y ，w i t ht h ef e a t u r e so ft e m p o r a la n d s p a t i a lf o c u s i n g ，t rn o to n l yc a np r o v i d ei m m u n i t ya g a i n s tf a d i n gf o rs p a t i a l l ym u l t i p l e x e d d a t as t r e a mb u ta l s oh e l pb o o s tm u l t is t r e a mi n t e r f e r e n c e ( m s i ) l i m i t e dp e r f o r m a n c eb y m i t i g a t i n gi t h e n c e ，t h et i m e r e v e r s a l ( t r ) t e c h n i q u ec o m b i n e dw i t hs m m i m oo f f e r san e w p o s s i b i l i t y f o r i n c r e a s i n g t h ee n h a n c i n gt h et r a n s m i s s i c md a t as p e e dm a i n t a i n i n gt h e c o n s i d e r a b l eb e r p e r f o r m a n c el e v e lo ft h es y s t e m 1 3 s i g n i f i c a n c eo ft h et h e s i s i nt h eb a c k d r o po ft rb e i n ga so n eo ft h ep r o m i n e n tt e c h n o l o g y ，w h e r ed a t aa r e p r e - p r o c e s s e db e f o r et r a n s m i s s i o n ，t h a nt h et r a d i t i o n a lr e c e i v e rs i d ed a t ap r o c e s s i n g ，o n t h e o t h e rf l i bw h e r e ，m i m oi sr e g a r d e da so n eo ft h ep r o m i s i n gt e c h n o l o g yf o rf u t u r ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，b o t ht e c h n o l o g i e sh a v ed r a w nh u g ea t t e n t i o nr e c e n t l y h o w e v e r ，m a n yi s s u e s a b o u tt h ea f o r e m e n t i o n e dt e c h n o l o g i e sa r ey e tt ob es t u d i e d w i t h i nt h i st h e s i se f f o r t sa r e c o n c e n t r a t e do np e r f o r m a n c ea n a l y s i so fs m m i m o t rs y s t e mw i t ht h ef o l l o w i n gw o r k s ： s t u d ya b o u tt h ei n s i g h to fm i m of o c u s i n go ni t ss m ；a s p e c t s w i t ha n a l y t i c a le x p r e s s i o n st h ec o n c e p t so ft rt e c h n o l o g yi se x p l o r e d s mb a s e dm i m oc o m b i n e dw i t ht rf o re n h a n c i n gd a t as p e e dw h i l em a i n t a i n i n gt h e c o n s i d e r a b l eb e r1 e v e li sp r o p o s e da n dr e s u l t sa r ea n a l y z e dw i t hs i m u l a t i o nc u r v e s u s eo faz e r o f o r c i n g ( z f ) a l g o r i t h mf o rm i t i g a t i n gm u l t is t r e a mi n t i s r f e r e n c e ( m s i ) e f f e c to ns m m i m o t rs y s t e m 1 4l i t e r a t u r er e v i e w m a n yr e s e a r c h e s ，i no r d e rt oe x p l o i tt h ed i v e r s i t yg a i n ( i e m u l t i p l er e f i l i c ao ff h es a m e i rp u ts i g n a l sa r es e n tf r o mt h et r a n s m i t t e r sf o rc o m b a t i n gf a d i n g ) a n ds p a t i a lm u l t i p l e x i n g g a i n ( i e s i m u l t a n e o u s l ys e n d i n gp a r a l l e ld a t as t r e a mb yi n d i v i d u a la n t e n n af o ri n c r e a s i n g d ；1 t ar a t e ) o fm i m oh a v eb e e nc o n d u c t e d 10 一 13 t h e r ea r ea l s os c h e m e sw h i c hs w i t c h b , t w e e nt h et w om o d e s ，d e p e n d i n go nt h ei n s t a n t a n e o u sc h a n n e lc o n d i t i o n 14 i na d d i t i o nt o t l ：i s ，d i v e r s i t y - m u l t i p l e x i n gt r e a do f f ss c h e m e sf o rt h ep u r p o s eo fb o t hc o m b a t i n gf a d i n ga n d a c c o m m o d a t i n gh i g h e rd a t ar a t e sw i t hi n c r e a s e ds n r i sa l s ot h e r e 15 i nt h em o s tr e c e n ts t u d y ， e i v e r s i t yv e r s u sm u l t i p l e x i n gi sd i s c u s s e di nm o d e r ns y s t e mi n 1 6 h o w e v e r ，a sd i v e r s i t y g t i na s p e c tc a l lb ef o u n di ns i m o ，m i s oa sw e l l ，t h es p a t i a lm u l t i p l e x i n g ，a c c e p t e dw i t h p ) t e n t i a lt oo f f e ri n c r e a s ei nd a t ar a t ew i t hn oa d d i t i o n a lb a n d w i d t ha n dp o w e rr e q u i r e m e n t s ，i s t te u n i q u ef e a t u r et h a tm i m oo f f e r s m o r e o v e r ，i ti sw o r t h w h i l et on o t et h a tt h ei d e ao fd i v e r s i t yi si n s e p a r a b l ya s s o c i a t e d i t ht h eu n c e r t a i n t yo ft h ec h a n n e l i fc s i