面向绿色通信的高效调制MIMO系统研究

As the key technique of future high efficiency wireless communication system, the efficient modulation can maintain efficiency spectral and power utilization at the same time by using carrier modulation and tightening the transmit signal band. By exploiting the space diversity with more antennas at both transmitter and receiver, multi-input and multi-output (MIMO) communication system can significantly improve the channel capacity. However, in the MIMO system, the traditional modulation methods limit the further improvement of the transmission rate. In the project we take the spectral optimization as cut-in-point, establish the green MIMO communication system by maximizing the spectral, power and resource efficiencies. The objective is to solve the following problems such as the signal distortion that raised by present spectral optimization algorithm, the non-narrow part of the modulated signal not compatible with the space-time/frequency coding and so on. Then, propose a novel spectral optimization algorithm and using the impacting response replace the complex channel parameters, finally establish the green MIMO communication system based on the novel efficient modulation technique, moreover, the test and simulation of the system performance is provided under the channel model of practical transmission environment. The research achievements are promising have some innovations, and can establish the theoretic supports for efficiency, green MIMO communication with efficient modulation.

高效调制技术可通过载波调制并紧缩信号发射带宽实现频谱和能量利用率的同时高效，是构建未来高效能绿色无线通信系统的关键所在，MIMO技术可成倍提高系统信道容量，但其物理层采用的传统调制解调技术限制了MIMO系统性能的进一步提高，亟需结合高频谱利用率的调制技术，以最大化频谱、能量、功率效率为目标建立一套高效能MIMO通信系统：研究高效调制信号的频谱优化方法，提高系统频谱利用率；结合传统空时/频编码建立高效调制MIMO系统的完整技术框架和理论体系；在面向实际传播环境信道模型基础上分析信道容量、误码性能、能量－频谱效率等指标，以实现绿色MIMO通信。重点研究信号频谱优化后系统频谱效率与误码性能的折中、高效调制与传统空时/频编码直接结合的难题以及能量、频谱效率的优化准则等关键科学问题。取得的创新性研究成果，有望为建立一套有别于传统宽带通信系统的缩频通信体制打下扎实的理论基础和提供关键技术储备。

本项目以最大化频谱、能量以及功率效率为目的，通过将高效调制、非正交多载波和MIMO技术相结合，研究高效、绿色、高速的窄带通信系统。主要研究内容如下：1. 搭建MIMO高效调制系统模型，提出一种基于四阶累积量的特征矩阵联合近似对角化算法，实现了非正交多载波高效调制系统的盲源信号分离，以及无保护间隔情况下两路信号带内混合发送；2. 在瑞利衰落信道中，提出一种非正交多载波高效调制系统，设计高效调制波形以进一步提高系统的频谱利用率，同时，结合多进制高效调制，进一步提高吞吐量；3. 将高效调制技术与雷达定位相结合，提出一种双基地MIMO雷达阵列，进行远场目标的DOD和DOA估计，可应用于电子对抗和信息安全领域，实现信息的隐藏、伪装、示假和乱真；4. 提出了一种雷达辅助的毫米波MIMO车载通信系统，给出一种基于高效调制的混合波束成型方案，通过毫米波雷达探测辅助高效调制通信系统以节省信道估计开销，提高能量和功率效率；5. 采用高效调制信号进行目标探测，通过挖掘探测区域的稀疏特性，提出了基于压缩感知的DOA估计算法，并推导估计性能的理论Cram´er-Rao界；6. 针对非理想阵列，给出一种基于贝叶斯学习的测向方法，深入分析了高效调制MIMO系统在非理想硬件条件下的系统性能；7. 基于高效调制MIMO系统，设计了一种适用于港口自动导引车（AGV）的高精度定位方案。以上研究成果可以用于突发通信、高速数传、雷达通信一体化等，实现在HF频段且脉冲宽度只有1ms时，采用10 MHz载频，一个“突发”内传送1250字节数据。综上所述，本项目达到了预期目的，取得了丰硕的理论成果，且部分成果已经在课题组承担的中央军委装备领域预研基金项目中得到应用，这为高频谱利用率和能量利用率通信系统、电子对抗、雷达通信一体化等相关信号处理领域的发展都提供了重要的理论依据。