MIMO-OFDM系统中的自适应资源分配

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正交频分复用技术(OFDM)采用多载波调制方式,能够有效地利用频谱资源并很好地消除码间串扰的影响。多天线阵列(MIMO)系统利用了多径离散环境中空间分离天线可得到的空间分集优势,可以显著地提高带限无线信道的系统容量,其高容量使得高速率传输成为可能。MIMO和OFDM技术的结合已经成为新一代移动通信系统中的核心技术之一。 链路自适应技术根据信道的瞬时特性动态地调整调制、编码速率、功率和其他传输系数,可以充分利用信道资源,减少系统总的发送功率,是最优化给定系统的有效方法之一。将自适应技术应用于MIMO-OFDM系统,使用低复杂度的自适应比特加载和功率分配算法来提高系统性能,这对于新一代移动通信系统有着十分重要的意义。 本文围绕当前无线前沿MIMO-OFDM传输技术,对自适应资源分配技术做了详细研究并提出了新的算法。首先简要介绍MIMO-OFDM系统模型,总结其关键技术并且推导其信道容量极限。接着介绍比特加载和功率分配算法的最优化准则,提出一种可应用于MIMO-OFDM系统的快速并行比特分配方法。该方法利用系统本身蕴涵的高度可并行性,通过对子信道进行分组,然后在各组内独立进行局部比特分配,并行地解决裕量最大化准则下的最优比特分配问题。仿真结果表明,该算法在提高最优比特分配问题的计算速度的同时,在总传输功率上几乎没有损失,且不受天线数目多少的限制。在这种算法的基础上,又提出一种改进的部分并行结构的比特分配方法,该算法可以在并行度和复杂度之间作灵活的调整,对于实际应用中因为复杂度的限制无法实现高并行度的情况有重要的意义。 然后研究基于奇异值分解(Singular Value Decomposition)的MIMO-OFDM系统中的自适应比特加载和功率分配方案。首先介绍奇异值分解法的数学依据并探讨基于奇异值分解的MIMO-OFDM系统过滤器的构造和反馈压缩的性能。接着将经典 “注水”算法推广应用到MIMO-OFDM系统,引入“平坦频率限制”(Flat Frequency Constraint),提出一种简化的算法。通过推导Wishart矩阵特征值的有序边缘概率密度分布揭示出子信道增益分布的中心化现象,并且给出平坦频率限制所引起的最大性能损失边界,从理论上证明MIMO-OFDM信道比特加载中使用此限制的合理性。同时利用信道矩阵奇异值的排序统计特性,提出一种新的低复杂度、接近最优的比特分配方案。 最后,研究基于V-BLAST的MIMO-OFDM系统中根据不同的检测技术,以固定速率下最小化系统检测每一阶段平均误比特率为优化目的的天线功率提升算法。仿真结果表明使用天线功率提升的V-BLAST MIMO-OFDM系统相对于均一功率分布的V-BLAST MIMO-OFDM系统有显著的误码率性能改进。
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