離散調制信號MIMO傳輸技術

吳泳澎

博士,現任上海交通大學長聘教軌副教授，主要從事空時無線通信理論與關鍵技術研究，目前已在IEEE期刊發表論文90余篇，多篇論文入選ESI熱點及高被引論文。獲國家自然基金委優 秀青年科學基金項目資助，獲IEEE通信學會亞太區傑出青年研究學 者獎等榮譽和獎勵，入選中國科協“青年托舉人才計劃”和2014德國洪堡學 者。現任IEEE 資 深會員，並受邀擔任IEEE Transactions on Communications, IEEE Wireless Communication以及 IEEE Communications Letters編委。現主持國家自然科學基金、國家重點研發計劃子課題以及華為、中興、國家電網等科研項目多項。

第 1章 移動通信系統和MIMO傳輸技術的發展歷程及趨勢. 1

1.1　移動通信系統的發展歷程.2

1.1.1　第 一代移動通信系統2

1.1.2　第二代移動通信系統4

1.1.3　第三代移動通信系統4

1.1.4　第四代移動通信系統6

1.1.5　第五代移動通信系統7

1.2　MIMO 傳輸技術的發展歷程.9

1.2.1　智能天線技術9

1.2.2　單用戶MIMO 傳輸技術.10

1.2.3　多用戶MIMO 傳輸技術.12

1.2.4　大規模MIMO 傳輸技術.15

1.3　MIMO 傳輸技術的發展趨勢18

1.3.1　毫米波MIMO 通信.18

1.3.2　低軌衛星MIMO 通信18

1.3.3　MIMO 巨址無線通信.19

1.4　本章小結.20

參考文獻20

第　2章 MIMO傳輸理論極限　27

2.1　MIMO 信道建模28

2.1.1　MIMO 物理信道建模.28

2.1.2　MIMO 統計信道建模.31

2.2　單用戶MIMO 信道容量35

2.2.1　發射端完全已知瞬時CSI　35

2.2.2　發射端完全未知CSI36

2.2.3　發射端僅知統計CSI37

2.3　上行MIMO MAC 容量44

2.3.1　發射端完全已知所有用戶的瞬時CSI44

2.3.2　發射端僅知所有用戶的統計CSI46

2.4　下行MIMO BC 容量47

2.4.1　發射端完全已知所有用戶的瞬時CSI47

2.4.2　發射端僅知所有用戶的統計CSI50

2.5　本章小結.53

參考文獻54

第3章　離散調制信號基礎理論　57

3.1　高斯信道下互信息與MMSE 的關系.58

3.1.1　標量高斯信道模型58

3.1.2　連續時間高斯信道模型63

3.2　MIMO 高斯信道下互信息的梯度68

3.2.1　互信息關於信道的梯度68

3.2.2　互信息關於其他系統參數的梯度.73

3.3　本章小結.77

參考文獻77

第4章　離散調制信號下的點對點MIMO傳輸　79

4.1　並行高斯信道下的最優功率分配策略80

4.1.1　系統模型80

4.1.2　最優功率分配策略81

4.1.3　水銀註水功率分配策略85

4.2　一般性MIMO 復高斯信道預編碼設計.87

4.2.1　系統模型87

4.2.2　互信息函數的性質89

4.2.3　預編碼設計.94

4.2.4　仿真驗證96

4.3　大規模MIMO 系統的低復雜度分塊傳輸策略98

4.3.1　分塊傳輸的基本思想.98

4.3.2　系統模型99

4.3.3　大維矩陣下的互信息.100

4.3.4　預編碼結構104

4.3.5　預編碼優化設計.107

4.3.6　一些特殊信道模型109

4.3.7　仿真驗證113

4.4　本章小結.116

參考文獻117

第5章　離散調制信號下的多用戶MIMO傳輸119

5.1　上行MIMO MAC 的預編碼設計.120

5.1.1　系統模型120

5.1.2　離散調制信號下的MIMO MAC 速率域121

5.1.3　上行MIMO MAC 下最優預編碼矩陣的必要條件.122

5.1.4　最大化加權和速率的預編碼疊代算法124

5.1.5　MIMO MAC 下的疊代接收機.125

5.1.6　仿真驗證127

5.2　下行MIMO BC 的預編碼設計.129

5.2.1　系統模型129

5.2.2　離散調制信號下的MIMO BC 可達速率129

5.2.3　下行MIMO BC 下最優預編碼矩陣的必要條件.132

5.2.4　最大化加權和速率的線性預編碼疊代算法135

5.2.5　MIMO BC 下的疊代接收機136

5.2.6　仿真驗證137

5.3　本章小結.139

參考文獻139

第6章　基於概率幅度成型的離散調制信號MIMO傳輸　141

6.1　PAS 的基礎知識142

6.1.1　離散時間信道模型142

6.1.2　加性高斯白噪聲信道容量143

6.1.3　幅移鍵控與信道容量.143

6.1.4　熵最大化輸入分布144

6.1.5　PAS 的理論增益.145

6.1.6　系統編碼146

6.1.7　分塊最大似然解碼147

6.2　PAS 系統.148

6.2.1　固定成分分布匹配器.148

6.2.2　PAS 的主要思想和步驟150

6.2.3　最優操作點151

6.2.4　比特度量解碼154

6.2.5　格雷映射156

6.2.6　實際操作點158

6.2.7　速率調節159

6.3　算術編碼的實現.160

6.3.1　算術編碼的基礎.161

6.3.2　使用浮點數進行編碼和解碼.161

6.3.3　使用無限長度整數進行編碼和解碼.163

6.3.4　使用有限長度整數實現無限精度的算術編碼163

6.4　LDPC 的編碼和解碼164

6.4.1　LDPC 簡介164

6.4.2　LDPC 編碼165

6.4.3　LDPC 解碼166

6.5　基於PAS 的MIMO 傳輸167

6.5.1　系統模型167

6.5.2　互信息優化168

6.5.3　仿真驗證172

6.6　本章小結.175

參考文獻175

主要術語表　177