非完美信道信息下MIMO通信系统传输技术研究

发布时间：2018-02-21 03:02

  本文关键词： MIMO 信道估计 有限反馈 中继 物理层安全技术 天线选择　出处：《东南大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着移动设备的普及与广泛应用,人们要求移动网络具备高速率的特性,而MIMO技术正满足这一需求。MIMO技术利用空分复用而提高频谱效率,但这需要系统可以获知信道状态信息。在实用的系统特别是频分双工(FDD)系统中,系统很难获得完美信道状态信息,因此,研究非完美信道状态信息对MIMO系统性能的影响就十分必要。本文分别研究非完美信道状态信息对多用户MIMO中继系统、MIMO接收天线选择系统和MIMO安全通信系统性能的影响。论文第二章研究非完美信道状态信息下多用户MIMO中继系统的性能。在本文研究的多用户MIMO中继系统中,中继采用放大转发的方式,中继与用户均采用信道估计技术估计出信道状态信息,然后再利用随机向量量化方案对信道状态信息的估计值进行量化。论文首先推导出该系统和速率的下界,并基于此下界推导和损失速率的一个上界以定量分析信道估计误差与量化误差对中继系统性能的影响。然后,论文根据此上界分别设计中继侧与用户侧的有限反馈方案,采用此有限反馈方案可以将系统的和损失速率控制在一定的范围内。另外,根据高信噪比下的系统可达速率,设计出最优的导频方案。最后,论文还给出系统和速率的上界。论文第三章研究非完美信道状态信息下MIMO接收天线选择系统的系统性能。在该系统中,接收端采用信道估计技术估计出信道矩阵并根据估计值选择信道质量最好的一根天线用来接收信号,然后采用随机向量量化方案对选中的信道向量进行量化。首先,论文考虑只存在量化误差的场景,针对该场景论文推导出中断概率与平均误符号率的闭合表达式,并给出遍历容量的近似闭合表达式。然后,针对同时存在信道估计误差与量化误差的场景,根据上一场景得到的结果直接推导出中断概率与平均误符号率的闭合表达式、遍历容量的近似闭合表达式。最后,我们用数值仿真结果验证了两种场景下推导结果的正确性,同时表明遍历容量的近似闭合表达式可以很好地近似遍历容量。论文第四章与第五章分别研究非完美信息状态信息下MISOSE(仅发送端配置多根天线的安全系统)和MIMOME(发送端和接收端均配置多根天线的安全系统)的系统性能。在这两种系统中,合法接收者分别采用信道估计技术估计出信道向量与信道矩阵。然后,在MISOSE系统中,采用随机向量量化对合法接收者信道向量的估计值进行量化；而在MIMOME系统中,采用随机矩阵量化对合法接收者信道矩阵的估计值进行量化。针对MISOSE系统和MIMOME系统,论文第四章和第五章分别推导出对应的安全通信速率损失的上界以定量分析信道估计误差与量化误差对安全通信系统性能的影响,并根据该上界,分别设计出相应的有限反馈方案。而在MISOSE和MIMOME系统中,只要采用对应的有限反馈方案,安全通信速率损失均可以控制在特定的范围内。另外,针对MIMOME系统,第五章还推导出可达安全通信速率的上界。
[Abstract]:With the popularity of mobile devices and applications, people require mobile network has characteristics of high rate, while MIMO technology is using.MIMO technology to meet the needs of spatial multiplexing and improve the spectrum efficiency, but it needs a system can know the channel state information. In practical system especially the frequency division duplex (FDD) system. The system is difficult to obtain perfect channel state information, therefore, study the effect of non perfect channel state information on the performance of MIMO system is very necessary. This paper studies the imperfect channel state information for multi-user MIMO relay system, MIMO receiving antenna selection system and the safety performance of MIMO communication system. The second chapter studies the non perfect performance the channel state information under the multi-user MIMO relay system. In this paper the multi-user MIMO relay system, the relay amplify and forward relay, and users are using the channel The estimation of channel state information, and then use random vector quantization scheme to estimate the channel state information. Firstly, the lower bound value of quantitative push the system speed and derived, and an upper bound of the lower bounds are derived and the loss rate based on quantitative analysis of effect of channel estimation error and quantization error on the performance of relay system. Then, the limited feedback scheme design of relay side and user side according to the upper bound, using the limited feedback scheme and the loss rate of the system can be controlled in a certain range. In addition, according to Gao Xin SNR achievable rate, the optimal pilot design. Finally, this paper also gives the upper bound of the system and the rate of. The third chapter studies the imperfect channel state information MIMO antenna selection system and the performance of the system. In this system, the receiver uses the channel estimation. With estimated channel matrix for receiving antenna signal channel quality best choice according to the estimated value, and then use random vector quantization scheme to quantify the channel vector chosen. First of all, this paper only consider the existence of quantization error for the scene, the scene of the derived outage probability and the average symbol error rate of the closed expression, and given the approximate closed form expressions for the ergodic capacity. Then, with the presence of channel estimation error and quantization error of the scene, a scene according to the results obtained directly derive the outage probability and the average error rate of the closed expression symbol, approximate closed form expressions for the ergodic capacity. Finally, we verify the correctness of the two scenarios derived results the numerical simulation results show that, at the same time approximate closed form expressions for the ergodic capacity can be well approximated ergodic capacity in the fourth and fifth chapter. Of imperfect information state information MISOSE (security system only transmitter with multiple antennas (MIMOME) and security system of the sending end and the receiving end are equipped with multiple antennas) the performance of the system. In these two systems, were used to estimate the legal receiver channel vector and channel matrix technique. Then channel estimation and in the MISOSE system, the estimation of random vector quantization of the legitimate receiver channel vector quantization value; but in the MIMOME system, estimation of random matrix quantization of the legitimate receiver channel matrix using value quantization. According to the MISOSE system and MIMOME system, the upper bound of secure communication rate loss in the fourth chapter and the fifth chapter is derived the quantitative analysis of effect of channel estimation error and quantization error on the performance of security communication system, and according to the upper bound, then presents the limited feedback In the MISOSE and MIMOME systems, if the corresponding finite feedback schemes are adopted, the loss of the security communication rate can be controlled in a specific range. In addition, for the MIMOME system, the fifth chapter also deduces the upper bound of the achievable security communication rate.

【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN919.3

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本文编号：1520812