未知信道秩的MIMO传输策略研究

作     者：陈辉 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘应状

授予年度：2020年

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：卫星MIMO 信道秩 机会式传输 keyhole信道模型 

摘      要：在过去的几十年间,卫星通信凭借着覆盖范围广、不受地理条件限制、可靠稳定等优点,成为陆地移动通信后的研究热点。但是随着数据传输需求的不断增长,如何进一步提高卫星通信的传输速率已经成为现阶段的研究重点。由于多输入多输出系统技术（Multiple Input Multiple Output,MIMO）在陆地端的显著成功,越来越多的学者致力于卫星MIMO系统的研究。卫星通信中直射分量占有极大的比重,且卫星周围的散射体极少,导致卫星MIMO信道之间相关性很强。现阶段成熟的卫星MIMO技术主要有单星极化MIMO和多星分布式MIMO系统,其中分布式MIMO系统通过优化天线距离配置调整相位保证信道满秩。但是终端移动性导致所处的环境变化以及大气层对卫星信道相位的随机扰动都会改变卫星MIMO系统的秩,这对卫星MIMO系统的稳定性提出了巨大的挑战。另外由于卫星链路传输时延大,通过向发射机反馈信道状态信息的可实现性也不强。因而卫星MIMO系统面临着信道矩阵的秩不定的问题,如果按照信道的最低秩进行保守传输,显然存在浪费信道自由度的可能;如果按照较高的秩进行较为激进的传输,则又存在当前信道无法支持、从而接收机无法成功检测的可能。如何在二者之间找到较好的平衡点、从而实现更高速率的传输是一个在理论上具备一定的挑战、同时也具有重要实用价值的问题。为了应对以上问题,我们的核心思路是采用机会式传输,即在信道的秩较高时,可以多传数据流,而在信道秩较低时,也不影响其中核心数据流的接收。这主要是通过机会式的ZF（Zero Forcing,迫零）传输来实现的。具体地,本文通过keyhole信道模型来刻画未知信道秩的情形,并在信道秩未知但发射机能获取部分信道知识的前提下,提出了一种不依赖于信道秩大小的机会式ZF传输策略。其次,为了进一步提升机会式ZF策略在中低信噪比下的容量性能,结合信道秩大小的概率分布,从数据流功率分配的角度对其进行了优化;最后分析了信道矢量模糊程度对机会式ZF传输策略性能的影响。通过对系统容量的仿真,验证了机会式ZF传输策略对信道秩大小依赖性低的特点,其能适应信道的变化,当信道条件变好时能充分利用MIMO系统的空间自由度,实现机会式传输。因此,该策略在整个信道变化过程中具有更大的等效自由度增益。且当信道矢量模糊程度比较低时,该策略的性能依然能够得到有效保证。本文研究成果对卫星MIMO系统实现数据流的可靠传输具有较大的指导意义和实际应用价值。