无线通信系统设计论文提纲

论文题目：用于高移动性无线通信的非理想信道估计条件下多天线系统设计与性能分析

摘要：近年来,高速铁路（HSR）系统对高可靠性的宽带无线通信的需求不断增长。但当前主要的高速铁路无线通信系统仍然是基于第二代（2G）无线通信系统的全球铁路通信系统（GSM-R）。GSM-R系统支持基本的实时列车操作,如列车调度和控制,这些应用不需要海量的带宽或高数据速率。但GSM-R系统缺乏能力支持诸如车载视频监控等宽带多媒体应用,而这些应用正日益成为带宽密集型和宽带应用,如现代互联网服务。由于发射器和接收器之间高速的相对运动引起的多普勒效应,设计面向HSR系统的高可靠性的宽带高移动性无线通信系统仍然是一个巨大的挑战。因为强烈的多普勒效应,无线信道遭受快速衰落,这降低了信道估计和数据检测的准确性,从而严重恶化了系统性能。进一步地,高移动性是即将到来的第五代（5G）无线网络的重要性能指标之一。5G系统期望为高达500km/h的移动用户提供满足的服务。这对设计面向HSR系统的高可靠的宽带高移动性无线通信系统提出了更大的挑战。在本论文中,我们致力于为诸如HSR系统等高移动性场景提供高可靠的宽带无线通信这个具有终极挑战性的任务。本文采用多普勒分集和空间（天线）分集来减轻高移动场景中由于多普勒效应引起的信道估计误差的负面影响。我们的努力主要集中在存在信道估计误差的单输入多输出（SIMO）高移动性系统的最佳多普勒分集设计。本研究旨在为实际高移动性无线通信系统的设计提供指导,其研究工作如下:首先,通过研究具有不完全信道状态信息（CSI）的SIMO高移动系统的最大多普勒分集阶,建立了多普勒分集与信道估计误差之间的权衡关系。通过简单的重复码、导频辅助传输方案和导频辅助最小均方误差（MMSE）信道估计算法来估计快时变信道。在对信道估计进行统计分析的基础上,提出了一种融合信道估计误差统计信息来高效地获取系统固有的空间（天线）分集和多普勒分集的新型优化SIMO分集接收机。分析了新型优化接收机的符号误码率（SER）,以此量化了信道估计误差对系统性能的影响。通过对SER进行渐近性分析,获得了具有不完备CSI的SIMO高移动系统的最大多普勒分集阶。分析结果表明,在高移动环境下,如果导频符号的能量与数据符号的能量呈线性关系,那么在高移动性场景下具有不完全CSI的SIMO系统可以达到与具有完全CSI的SIMO系统相同的多普勒分集阶。而导频能量与数据符号能量之间呈非线性关系往往会导致多普勒分集的损失。研究还表明,尽管具有不完全CSI的SIMO系统可以实现与具有完全CSI的SIMO系统相同的多普勒分集阶,但对于编码增益,总存在不可忽略的能量损失,这种能量损失可以最小化,但不能完全消除。其次,在上述实现的基础上,研究了具有不完全CSI的SIMO高移动性无线通信系统的性能界。基于所提出的新型优化的SIMO多普勒分集接收机的SER性能,使用不完全CSI的最大可达分集（包括多普勒分集和天线多样性）和由于信道估计误差的编码增益损失这两个指标来量化了新型优化的SIMO多普勒分集接收机中多普勒分集和信道估计错误的基本权衡。然后,将分析结果用于优化分配导频符号和数据符号的传输能量,以最大化SIMO高移动性系统可达的多普勒分集阶和最小化信道估计误差导致的编码增益损失。结果揭示了在不完全CSI情况下SIMO多普勒分集系统的基本性能界。这些结果可以指导设计具有接近性能界的优化SIMO高移动系统。最后,本文在发射机端使用重复码作为预编码的一种形式,对具有不完全CSI的SIMO高移动系统的优化设计进行了研究,以保证系统的最大多普勒分集阶。这种预编码方案以低频谱效率为代价实现最大的多普勒分集阶。为了改善系统的频谱效率,本研究采用了一组线性调制方案,即MPSK、MASK和MQAM,并在这些线性调制方案中采用频谱效率最高的调制方案来提高系统的频谱效率。仿真结果表明,与MPSK和MASK调制方案相比,MQAM可以实现更高的频谱效率。

关键词：高移动无线通信;SIMO系统;多普勒分集;非理性信道状态信息;信道估计误差

学科专业：信息与通信工程

摘要

ABSTRACT

LIST OF SYMBOLS AND NOTATIONS

LIST OF ABBREVIATIONS

CHAPTER1 INTRODUCTION

1.1 Research Background

1.2 Motivation

1.3 Research Problem

1.4 Significance of the Research

1.5 Research Objectives and Contributions of Dissertation

1.6 Dissertation Outline

1.7 Summary

CHAPTER2:A SURVEY ON HIGH MOBILITY WIRELESS COMMUNICATIONS

2.1 Introduction

2.2 Overview of High Mobility Wireless Communications

2.3 HST Wireless Communications Propagation Scenarios

2.4 HST Channel Models

2.4.1.Statistical Models

2.4.2.Geometrical Models

2.5 Design Challenges of Wireless Communications in High Mobility Scenarios

2.5.1.High Penetration Loss

2.5.2.Fast and Frequent Handovers

2.5.3.Doppler Effect

2.6 Strategies to Mitigate Impairments of Carrier Frequency Offset and Fast Time-varying Channels

2.6.1 Carrier Frequency Offset

2.6.1.1 Carrier Frequency Estimation

2.6.1.2 Blind CFO Estimations

2.6.1.3 Redundancy-based CFO estimations

2.6.2 Fast Time-varying Fading Channels

2.6.2.1 Channel Estimation Errors

2.6.2.2 Doppler Diversity Transmissions

2.6.2.3 Doppler Diversity with Perfect CSI

2.6.2.4 Doppler Diversity with Imperfect CSI

2.7 Research Gaps in Doppler Diversity Transmissions

2.8 Summary

CHAPTER3 MAXIMUM DIVERSITY ORDER OF SIMO HIGH MOBILITY SYSTEMS WITH IMPERFECT CHANNEL STATE INFORMATION

3.1 Introduction

3.2 Related Research

3.3 System model

3.3.1 Pilot Assisted Transmission

3.3.2.Channel Estimation and Statistical Properties of Channel Estimation Errors

3.3.2.1 MMSE Channel Estimation

3.3.2.2 Channel Estimation MSE

3.3.2.3 Asymptotic Channel Estimation MSE

3.4 Optimum Diversity SIMO Receiver with Imperfect CSI

3.4.1.Optimum SIMO Diversity Receiver

3.4.2.Error Probability of SIMO Diversity Receiver

3.5 Normalized Diversity Order

3.6 Numerical and Simulation Results

3.7 Summary

CHAPTER4 FUNDAMENTAL TRADEOFF BETWEEN DOPPLER DIVERSITY AND CHANNEL ESTIMATION ERRORS IN SIMO HIGH MOBILITY COMMUNICATION SYSTEMS

4.1 Introduction

4.2 Related Research

4.3 System Model

4.3.1.Channel Model

4.3.2.Pilot-Assisted Transmission

4.4 Channel Estimation and Statistical Properties of Imperfect CSI

4.5 Optimum Diversity SIMO Receiver with Imperfect CSI

4.5.1.Optimum SIMO Diversity Receiver

4.5.2.Error Probability with Imperfect CSI

4.6 Doppler Diversity Order and Coding Gain in the presence of Imperfect CSI

4.6.1 Normalized Diversity Order

4.6.2.Coding Gain

4.7 Numerical and Simulation Results

4.8 Summary

CHAPTER5 PERFORMANCE OF LINEARLY MODULATED SIMO HIGH MOBILITY SYSTEMS WITH CHANNEL ESTIMATION ERRORS

5.1 Introduction

5.2 Related Research

5.3 System Model

5.3.1.Pilot Assisted Transmission

5.3.2.Channel Estimation

5.4 Optimum SIMO Diversity Receiver with Imperfect CSI

5.4.1.Optimum Diversity Receiver

5.4.2.Unified Error Probability with Channel Estimation Errors

5.4.3.Normalized Diversity Order

5.4.4.Spectral Efficiency

5.5 Numerical Results

5.6 Summary

CHAPTER6 CONCLUSION AND FUTURE WORKS

6.1 Conclusions

6.2 Future Works

APPENDICES

A Proof of Lemma4-1

B Proof of Theorem4-1

C Proof of Theorem4-2

D Proof of Theorem4-3

E Proof of Theorem4-4

F Proof of Corollary4-1

ACKNOWLEDGEMENTS

REFERENCES

LIST OF PUBLICATIONS