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中山大学博士擘住论文多天线宽带无线通信中两维信号处理新算法研究 多天线宽带无线通信中两维信号处理薪算法研究 苑线电物理 姜永敏 周渊平 摘要 在接收端采用阵列天线的码分多址( c d m a ) 系统中，以往的研究给出了许 多针对智麓天线与r a k e 接浚辊级联缭奉棼静一维信号楚溪算法。为了充分藉用 联合空一时繇统的优势，提出了一种智能天线与r a k e 接收机并联的空时两维信 号处理结搀。萋予疆出静信号楚攥缝据，绘出了察辩嚣维叁适应数字波隶澎或 ( d b f ) 算法。该算法对智能天线和r a k e 接收机的性能进行联合优化处理，有 效她簿羝了接收端躲误玛率( b e r ) 。 频带效率是正交频分簸用( o f d m ) 无线通信系统中的个重要问题。已证 臻多毒鑫人多输窭( m i m o ) 技术熊够提高颓繁效率。淤往懿磅究给滋了空城残颧 域的一维淀水原理，但没有给出注水功率分配算法的显式解。基于拉格朗网乘数 法，提出了o f d m - m i m o 系统熬窆频蘧缀最霞注承漂理，并绘出了嚣维滚水功 率分配算法的显式解。在此基础上，利用信道频率响应矩阵的奇异慎分解( s d v ) 算法，绘照了嚣黎 窆承功率分配雾法o f d m - m i m o 系统豹容量分辨公式。谤真 结果表明，两维注水功率分配算法的系统容量明显高于平均功率分配算法的系统 容蕊。 两维浪水功率分配算法能够获得最大的系统容量。但它的计算复杂度很高。 利箱数字波素形戒( d b f ) 技术，箍窭了耱耨豹窆频蘧缎凌率分滗算法，并给 出了该算法o f d m - m i m o 系统的容量分析公式。仿真结果表明，提出的空频两 缝功率努酝算法瓣系统窑爨显然瓷羝予嚣维注末功率分配葵法静系统容量，但它 的计算复杂度较低。 关键词：多天线宽带无线通信，空时两维自适应算法，空频两维功率分配算法 基垒项耳：麒象自然科学基金( n o6 0 4 7 2 0 1 0 ) 资助课题；广东省自然科学基( n o0 3 6 5 9 3 ) 赘勘课题 中山大学博士学位论文多天线宽带无线通信中两雏信号处理新算法研究 n o v e lt w o - d i m e n s i o n a ls i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m si n w i d e b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sw i t hm u l t i p l ea n t e n n a s r a d i op h y s i c s y o n go u a nj i a n g y u a np i n gz h o u a b s t r a c t i nc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( c d i v l a ) s y s t e m sw i t ha r r a ya n t e n n a sa tr e c e i v e t e m f i n a l 、p r e v i o u ss t u d i e sh a v ep r e s e n t e dan u m b e ro fo n e d i m e n s i o n a ls i g n a l p r o c e s s i n ga l g o r i t h m sf o rt h ec a s c a d es t r u c t u r e so fs m a r ta n t e n n a sw i t hra k e r e c e i v e r s i no r d e rt ot a k et h ea d v a n t a g e so ft h ei o i n ts p a c e t i m es y s t e ms u 伍c i e n t l y , a t w o d i m e n s i o n a ls i g n a lp r o c e s s i n gp a r a l l e la r c h i t e c t u r ef o rs m a r ta n t e n n a sw i t h ra k er e c e i v e r si sp r o p o s e d b a s e do nt h ep r o p o s e da r c h i t e c t u r e t h es p a c e t i m e t w o d i m e n s i o n a l a d a p t i v ed i g i t a lb e a m f o r m i n gf d b f ) a l g o r i t h mi sg i v e n t h e a l g o r i t h mj o i n t l yo p t i m i z e st h ep e r f o r m a n c eo fs m a r ta n t e n n a sw i t l lra k e r e c e i v e r s a n dr e d u c e st h eb i te r r o rr a t ef b e r ) a tt h er e c e i v et e r m i n a le f f e c t i v e l y t h eb a n d w i d t he f f i c i e n c yi sa ni m p o r t a n ti s s u ei no r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n gr o f d m ) w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m s t h em u l t i p l e i n p u t m l i l t i p l e o u t p u t 伍m 0 1 t e c h n i q u eh a sb e e np r o v e nt ob ea b l et oi n c r e a s et h e b a n d w i d t he 伍c i e n c y t h eo n e d i m e n s i o n a lw a t e r - f i l l i n gp r i n c i p l ew a ss h o w ne i t h e ri n s p a c e d o m a i no ri nf r e q u e n c y - d o m m ni np r e v i o u ss t u d i e s h o w e v e r , t h ee x p l i c i t e x p r e s s i o no ft h ew a t e r - f i l l i n gp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mi sn o td e s c r i b e d b a s e do n l a g r a n g e m e t h o d t h es p a c e 一丘e q u e n c yt w o d i m e n s i o n a l o p t i m a lw a t e r - f i l l i n g p r i n c i p l ei sp r o p o s e df o ro f d m - m i m os y s t e m s a n dt h ee x p l i c i te x p r e s s i o no ft h e t w o d i m e n s i o n a lp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mi sd e r i v e d w i t ha b o v er e s u l t 。t h e s i n g u l a rv a l h ed e c o m p o s i t i o nf s v d li sa p p l i e dt ot h ec h a n n e lf r e q u e n c yr e s p o n s e m a t r i xa n dt h es y s t e mc a p a c i t ye q u a t i o ni sg i v e nf o ro f d m m 【m os y s t e m sw i m t w o - d i m e n s i o n a lw a t e r - f i l l i n gp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ec a p a c i t yo ft h es y s t e mw i mt w o d i m e n s i o n a lw a t e r f i l l i n gp o w e ra l l o c a t i o n a l g o r i t h mi sg r e a t e rt h a nt h a to f t h es y s t e mw i t hu n i f o r mp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m t w o - d i m e n s i o n a lw a t e r - f i l l i n gp o w e ra l l o t a t i o na l g o r i t h mc a na c h i e v et h em a x i m a l s y s t e mc a p a c i t y , b u ti t sc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yi sv e r yh i g h e m p l o y i n gt h ed i g i t a l b e a m f o r m i n g ( d b f ) t e c h n i q u e ，an o v e ls p a c e f r e q u e n c yt w o d i m e n s i o n a lp o w e r a l l o c a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e da n dt h ec a p a c i t ye q u a t i o nf o r0 f d m m i m 0s y s t e r n s w i t ht h i sa l g o r i t h mi sd e r i v e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ta l t h o u 吐t h ec a p a c i t yo f s y s t e m w i t ht h ep r o p o s e d s p a c e f r e q u e n c yt w o d i m e n s i o n a ld o w e ra l l o c a t i o n a l g o r i t h m i s s l i g h t l y s m a l l e rt h a nt h a to ft h es y s t e mw i t h t w o d i m e n s i o n a l w a t e r - f i l l i n gp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m i t sc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yi sl o w e r k e yw o r d s ：m u l t i - a n t e n n a sw i d e b a n d w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，s p a c e t i m e t w o d i m e n s i o n a l a d a p t i v ea l g o r i t h m ，s p a c e f r e q u e n c y t w o d i m e n s i o n a l p o w e r a l l o c a t i o na l g o r i t h m i i 中山大学博士学桩论支 多天线宽带无线通信中两维信号处理新算法研究 第1 章无线通信技术发展概述及本文结构 2 l 世纪是一个全球信息化的崭新世纪。信息化离不开信息系统的支持，通 信则是信息系统的纽带和核心。通信系统的终极目标为：任何人能够在任何地点、 任何时间以任何方式与任何用户进行高可靠性通信。无线通信技术是实现这一目 标的一个重要的关键技术，这就要求无线通信系统能够提供包括数据、语音、视 频等多种业务的多媒体服务能力。从技术的角度看，未来的无线通信系统应该具 有更高的数据速率通信能力。 随着数据速率的提高，无线电频率资源就变得越来越紧张。如何有效地利用 频率资源实现高速、可靠的无线数据传输，已成为无线通信新技术发展的一个焦 点问题。近年来，无线通信新理论新技术不断涌现，其中多天线无线通信技术， 包括智能天线技术以及多输入多输出( m i m o ) 技术，就是其中的重大突破。业 已证明，多天线无线通信技术能够充分利用空间资源，在不增加系统带宽和总发 射功率的情况下，能够进一步地提高通信系统的频带效率( 归一化容量) 。 为了获得更高的数据速率通信能力，一方面要提高通信系统的带宽效率，另 一方面也不得不提高通信带宽。随着通信带宽的提高，无线信道的多径时延扩展 造成了信道呈现出频率选择性衰落，窄带多天线技术严重受到符号间干扰( i s l ) 的制约，无法在频率选择性衰落的宽带信道中实现可靠的通信。因此宽带无线通 信技术是研究的另一个焦点问题。 为了既能克服宽带信道引入的符号间干扰，又能够实现高的频带效率，以获 得更高的传输数据速率，多天线宽带无线通信技术已成为一个主要的研究方向。 在接收端采用阵列天线的码分多址( c d m a ) 系统中，本文提出了智能天线 与r a k e 并联连接的空时两维信号处理结构。基于这种信号处理结构，给出了 空时两维自适应数字波束形成( 2 d a d b f ) 算法。该算法能够在空域自适应地 跟踪感兴趣用户的入射方向，同时在时域跟踪感兴趣用户的各延时分量，因而能 够联合抑制多址干扰( m a d 和i s i ，获得最优的空时域联合输出，提高了系统 容量。 在收发两端都采用多天线的宽带系统中，正交频分复用多输入多输出 ( o f d m m i m o ) 系统即能够工作于频率选择性衰落信道，又能够实现较高的频 带效率，使数据速率得到大幅度的提高。在此基础上，本文提出了o f d m m i m o 系统的空频域两维最优注水原理，并给出了两维注水功率分配算法的显式解。两 中山太学博士学位论文多戈线竞带克巍遗信中两维信号她理新算法研完 维注水功率分配算法能够获得最大的o f d m + m i m o 系统容量。 零章第l 节穰瑟慧结了蠢萋兰代移动逶镲系统兹关键技豢。第2 节穰揠奔绥了 第四代移动通信系统的关键技术。第3 节论述了无线信邋的复杂性，并对现有无 线通信技术进行了概括分析。第4 节介绍了本文的结构以及主要的创新点。 1 1 前三代移动通信系统关键披术概述卅 簸草的陆上移动电话于1 9 2 1 年在美国底特律警察弱用于警车斡秃线谪度。 第一代移动通信系统( 1 g ) 的大规模商用开始于2 0 世纪八十年代初。主要的制 式裔：北欧的n m t 4 5 0 ，美国的a m p s ，英豳的t a c s 等。第一代移动通信系统 静耱点是采爰模麓频率谖毒l ( f m ) 、频势黢王( f d d ) 帮菝分多蛙( f d m a ) 工 作方式。基于电路交换技术。只考虑移动电话应用，保密性差，各国的制式不统 一。其关键技术为：基于蜂窝技术的频率再利用技术、越区切换技术、移动台载 波频攀灵活可控的窄荣摸援调频技零等。 第二代移动邋信系统( 2 g ) 盼大规模商厢开始于上艇纪九十年代秘。主要 的制式有：欧洲的g s m ，美国的d a m p s ( i s 1 3 6 ) ，美国的n c d m a ( i s 9 5 ) 等。第二代移动i 黢信系统的最大特点是采用滗线数字通信方式，为了降低通信数 据速率，采臻了语誊匿缩技术。g s 醚、d a m p s 采霜露分多垃( t d m a ) 、f d d 工作方式。在t d m a 第二代移动通信系统中，采用了先进的自适应均衡技术来 匹配和跟踪时变多径信道，克服多径信道造成的符号间干扰( i s i ) 和矮它用户 造戏熬共道于扰( c c i ) 。n - c d m a 系统采擐鹤分多址( c d m a ) 、f d d _ i 终方 式。n - c d m a 采鞠裙关解扩技术来降低多琥千抗( m a i ) ，采用r a k e 接收技术 来对抗码片间干扰( i c i ) ，并把不同延时的多径分量转化为时域的分集资源，进 行棚干合并。除北之外，2 g 数字无线通信系统中的关键技术还包括：信道编译 强投拳，数字谖露解谖技术，缓毂分集按零麓。 2 g 系统可实现扇区内、小区内、小区间、移动电话交换局间移动电话接续、 双向通话，可提供每信道9 6 1 4 4k b i 讹的数据业务。系绒安全性有很大的提高， 不荔被羧瞬、j 法劳援。2 g 系绫基予电路交换，提供数落警为主豹惫路交换韭 务，只能提供低速率的数据服务，如短消怠( s m s ) 业务等。 在g s m 的麟础上，g p r s ( g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ) 引入了无线分组 交换技术，实现多个用户共事阏一无线信道，提离了无线资源的剥用率，被称为 两代半技术。g p r s 采雳与g s m 裙目的额段、裙霜静搽帮宽度、褶鞠的突发结 构、相同的无线调制标准、相同的跳频规则以及相同的t d m a 帧结构。因此， 中山太学博士学位论文 多天线宽带无线通信中两维信号处理新算法研究 在g s m 系统上构建g p r s 系统时，g s m 系统中的绝大部分部件都不需要作酸 宰 改动，只需作软件升级。 e d g e ( e n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg s me v o l u t i o n ) 是一种增强型g p r s ( e + g p r s ) ，在空中接口上采用了一种新的调制方法( 8 p s k ) ，高效利用了2 0 0 k h z 带宽内合并在一起的8 个时隙，进一步提高了频率稠角率。e d g e 翡够为每一个 无线信道提供高达4 8 k b p s 的数据传输速率。采用8 个信道，一个收发机就能支 持离速3 8 4 k t p s 的数据传输速率。 对传送大量数掇业务的需求以及对高速无线接入i n t e r n e t 的渴望，使仅仅能 提供基本电信监务和低速率数据监务的i s 9 5c d m a 系统虽褥落伍了。基于l s 。鲻 的两代半技术产生了一系列的标准，如i s 一9 9 ，i s 6 5 7 ，i s 9 5 b ，i s 9 5 c 和i s 9 5 h d r 等，它们可媛提供无线鼗疆照务，萄直接接入i n t e m e t 标潦弼议，支持辑蠢戆 t c p i p p p p 协议。 i s 9 5 b 标准静核心思戆楚在不改变i s 9 5 a 裙毽朦的蘸凌下逶过舀适应髂遂 捆绑技术提供高速数据业务。这一业务的提供是通过码聚集( c o d e a g g r e g a t i o n ) 技术实现的。在数撼突发期阉，胃皱捂配最多8 令弱分蕊遘绘毫逮惫数据整务移 动螽。在同时存在话音和数据业务的情况下，话音业务有较高的优先级，因此对 于个激活瓣高速镪数据- 蝮务移动螽，至少憨骞一鏊零强努信道霹供馒弱，滏嚣 要更高的数据传输率时，移动台可以被指配艘多8 个补充码分信道，这段更高数 据搴茨操终麓称魏鼗摆突发朔。 2 0 0 1 年l o 月l 曰，日本最大手机公司n t td o c o m o 的第三代移动通信系 统( 3 g ) ，开始在衮窳及鼷选建送歪式登场。嚣奉选魏蘧威力全毽：器第一令将3 g 电倍技术商业化、市场化的国家。这项被d o c o m o 命名为“f o m a ”的新服务，允 诲专撼蠲户透过手援收发耄予郏终、进毒亍褪潺逶话，甚至上魉嚣多入连线游戏。 3 g 系统被公认的主流的无线接口标准肖：欧洲、日本的w c d m a ，美国的 c d m a 2 0 0 0 ，中国鹣t d s c d m a 。这三穆搽准蒸采粥了c d m a 援本。w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 基本上是i s 一9 5 技术的改进，提高了扩频带宽，以实现熨高的传输速 率。t d - s c d m a 标准采弱t d d 双王方式、麓予密黢天线的翅步技术，另外还建 议采用软件无线电、多用户联合检测等最新技术。 l 。2 第疆代移动通信系统关键技术概述 在3 g 逐没套大援模投入囊薅豹壤援下，国内终载移动遴焦专家基经在进行 第四代移动通信系统( 4 g ) 的研究和开发工作。4 g 系统对传输速露提出了更高 中山大学博士学位论文 多天线宽带无线通信中两堆信号处理新算法研究 的要求，其目标速率是1 0 0 m b i t s 。当信息宽带远大于信道的相干带宽，信道将 引入严重的i s i ，这对自适应均衡器和r a k e 接收技术构成了严峻的挑战。 正交频分复用( o f d m ) 技术i l0 】把高速率数据流分配到传输速率相对低得多 的众多并行子信道中进行传输。在发射端，o f d m 的正交子载波调制可以由逆 离散傅氏变换( i d f t ) 或其快速算法( i f f t ) 来实现；在接收端，o f d m 的解 调可以由离散傅氏变换( d f t ) 或其快速算法( f f t ) 来实现【u 叫4 1 。o f d m 技术 将时域中信号通过信道的解反卷积问题，转化为频域中的除法问题，在没有白适 应均衡器的情况下，只要在时域插入的循环前缀( c p ) 长度大于信道冲激响应 长度，则可很好地克服i s i 的影响，即o f d m 的每一个频域并行子信道都可视为 平衰落信道0 5 , 1 6 1 。o f d m 具有频带效率高、实现简单、多址灵活等特点，被普遍 认为是4 g 系统的首选技术。 多输入多输出( m i m o ) 技术也是4 g 系统拟采用的关键技术之。广义 m i m o 技术包括发射分集技术和空间复用技术。在接收端采用多个天线的接收分 集技术相当简单，已有广泛的应用。但在可移动接收机上安装多个天线受到限制， 近年来提出了发射分集技术。发射分集是指在不同的天线上发射“相同的信息” ( 信号形式可能不同、发射时间和或频点不同) ，在接收端采用信号处理算法获 得分集增益甚至编码增益，以提高通信的可靠性。空间复用技术是指在不同天线 上并行发射的是不同的信息，目的是为了提高传输速率。空间复用技术更加直接 地体现了m i m o 提高频带效率的优势。 发射分集的编码技术包括空时码( s t c ) 1 7 q 0 、空频码( s f c ) 【2 m 6 】和空时 频码( s t f c ) 【2 7 】技术。最早提出的发射分集编码技术是空时码( s t c ) ，s t c 主 要有：空时块码( s t b c ) ，空时格码( s n ) 等。1 9 9 8a t & t 的s m a l a m o u t i 提出了一种非常简单实用s t b c 技术。s t b c 采用2 个发射天线1 个接收天线时， 可获得全速率的编码方案。s t b c 技术很快进入了3 g p p 及3 g p p 2 标准。同年 a t & t 的v t a r o k h 等人提出了s t c 发射分集的性能准则和构造方法。t a r o k h 等 人提出的s t t c 编码，将编码、调制、发射分集、接收分集技术结合起来，可同 时获得分集增益和编码增益，使误码率( b e r ) 性能有了很大提高。s t t c 基于 欧氏距离的v i t e r b i 译码算法复杂度较高，如何寻找好码、寻找高效译码算法， 还有待进一步研究。 空间复用技术最早由b e l l 实验室f o s c h i n i 等人提出的b l a s t 技术【”】。 b l a s t 技术能够较好地逼近m i m o 系统的山农容量。根据结构方式的不同， b l a s t 技术可分为水平分层空时结构( h b l a s t ) 、垂直分层空时结构 ( v - b l a s t ) 和对角分层空时结构( d b l a s t ) 。 在窄带频域平衰落信道中，m i m o 系统能够实现比单输入单输出( s i s o ) 系统更高的频带效率1 2 9 q 2 1 。随着数据速率的提高或者是信道时延扩展的增大， 中山大学博士学位论文多天线宽带无线通信中两堆信号处理新算法研究 无线信道则表现为频率选择性衰落信道。传统的m i m o 技术不能直接应用于频 率选择性衰落信道。正交频分复用( o f d m ) 技术把高速率数据流分配到传输速 率相对低得多的众多并行子信道中进行传输，即o f d m 的每一个频域并行子信 道都可视为平衰落信道。因此，m i m o o f d m 系统即能够工作于频率选择性衰 落信道，又能够实现较高的频带效率，使数据速率得到大幅度的提高。近年来， m i m o o f d m 技术越来越受到人们的重视，被普遍认为是宽带无线通信的一种 最具前景的技术。 1 3 无线信道的复杂性及现有技术分析 无线信道是一种时变多径衰落信道。从大尺度时间范围内观测，无线信道存 在着时阃选择性衰落。对于窄带系统，无线信道表现为频域平衰落信道；对于宽 带系统，无线信道表现为频率选择性衰落信道。由于电波传播的多径性，各多径 分量在空间的不同位置进行随机的矢量叠加，造成了无线信道的空间选择性衰 落。无线信道的时间、频率和空间选择性衰落同时存在，构成了无线信道的复杂 性【3 3 l 。 当符号持续期较短时，无线信道可近似地用时不变系统来等效；而当符号持 续期较长时，如o f d m 系统的子载波数量较大时，无线信道的时变性就不得不 考虑。采用信道交织技术和信道编码技术，能够在一定程度上克服无线信道的时 问选择性衰落，但这是以降低信道利用率为代价的。时域自适应均衡技术能够匹 配和跟踪时变多径信道，可用持续的短时间内的时不变系统来近似等效时变信 道。 尽管o f d m 技术可以克服i s i 的影响，适合信号在频率选择性衰落信道中传 输，但信道的频率选择性衰落同样制约了o f d m 性能的进一步提高，这是因为 在信道频率响应深衰落处的o f d m 子载波的通信可靠性将显著下降。根据注水 原理口4 1 ，通过给每个子载波分配不同的发射功率，可获得比平均功率分配算法更 大的容量。 在2 g 和3 g 系统中，采用天线分集技术来克服无线信道的空间选择性衰落。 另外智能天线技术、r a k e 接收技术也能够在定程度上降低空间选择性衰落的 影响。在c d m a 系统中，联合智能天线技术与r a k e 接收技术的空时两维信号 处理技术 3 5 3 7 】，能够进一步提高系统的性能。 天线分集技术是一种克服空间选择性衰落的简单而有效的技术，同时天线分 集技术也能够在一定程度上克服时间选择性衰落，但天线分集技术并不能有效地 中山大学博士学位论文多天线宽带无线通信中两维信号处理新算法研究 克服信道的频率选择性衰落。近年来提出的m i m o 技术，在利用多天线系统提 供的空间信道资源方面有了新的突破。通过空间复用技术，m i m o 系统将高速率 数据流分解成多路速率相对低的数据流，在多路空间信道上并行传输，降低了信 号带宽，从而降低了信道频率选择性衰落的影响。m i m o 系统比相同技术的s i s o 系统具有更大的传输速率。 m i m o 技术原本只适用于准平坦衰落信道【1 7 ，l ”。o f d m 通过串并转换将高 速信息流分配到众多子载波上并行传输，每个子载波信道都是准平坦衰落信道， 因此m i m o 技术与o f d m 技术具有天生的结合优势。m i m o o f d m 技术已成为 宽带无线通信的研究热点，可实现比o f d m 技术更高的数据速率。 1 4 本文结构与主要创新点 无线数据业务的迅速发展，包括新一代移动通信、宽带无线局域网 ( w w l a n ) 、地面数字电视广播( d t t b ) 、地面数字音频广播( d a t b ) 等， 对无线通信的数据速率、频带效率和可靠性提出了越来越高的要求。目前在全世 界范围内，正在兴起研究高性能无线通信技术的热潮，一方面是因为这其中有许 多理论问题有待进一步研究，另一方面则是因为应用市场又有迫切的需求。 要精确地预测、分析各种无线通信系统的性能，必须研究相应的信道模型。 单输入单输出( s i s o ) 系统的输入输出关系，可用时变冲激响应模型来描述。 对于智能天线技术，目前普遍采用矢量冲激响应模型来描述空间信道口o 】。对 于m i m o 系统，目前普遍采用冲激响应矩阵来描述空间信道。本文第2 章将介 绍主要的信道模型。包括统计信道模型( s c m ) 和几何信道模型( g c m ) 两大 类。利用智能天线的数字波束形成( d b f ) 算法，提出了空间信道的正交波束分 割方法。针对宽带空间信道，给出了波束信道频率响应特性的分析算法，并与全 向天线信道的频率响应特性进行了比较h ”。在此基础上，给出了空间信道频率响 应特性间的相关性分析算法，并进行了分析比较 4 2 l 。 空域一维智能天线的自适应数字波束形成算法( d b f ) ，能够在空域自适应 地跟踪感兴趣用户的入射方向，但无法同时在时域跟踪感兴趣用户的各延时分 量；在直接序列扩频码分多址( d s - c d m a ) 移动通信接收系统中，时域一维瑞 克( r a k e ) 接收技术，能够在时域提取感兴趣用户的各延时分量并实现相干合 并，但无法同时在空域跟踪感兴趣用户的入射方向。因此，智能天线技术与r a k e 接收技术的结合值得研究。已提出的两维r a k e 接收机( 2 一d r r ) 瞰】与导频符 号辅助相干自适应天线阵列分集接收机( p s a c a a a d r ) 3 6 l 技术，实际上为智 中山大学博士学位论文多天线宽带无线通信中两堆信号处理新算法研究 能天线与r a k e 的串联接收技术，只是分别利用了智能天线技术和r a k e 接收 技术，未能将两者有机地结合起来。本文第3 章提出了种新的空时两维信号处 理结构，这是一种“智能天线与r a k e 接收机的并联连接”( p i s a & r r ) 结构。 基于p i s a & r r 结构，提出了空时两维自适应数字波束形成算法( s t 2 一d a d b f ) f 3 7 1 。s t 2 一d a d b f 算法能够对智能天线和r a k e 接收机进行联合优化，获得联合 空时域的最优输出。s t 2 d a d b f 算法能够联合抑制m a i 和i s i ，使接收信号与 干扰噪声比( s i n r ) 得到进一步的提高。 当波达角度( a o a ) 扩散量较小时，智能天线技术在多用户系统中能够大 副降低m a i 的影响。当a o a 扩散量较大时，智能天线技术对系统性能的提高受 到制约。最近的研究表明，当a o a 扩散量较大时，多输入多输出( m i m o ) 技 术在不增加发射功率的前提下具有大幅提高频带效率的潜j 3 4 3 。从理论上分析 m i m o 系统的容量极限，对开展m i m o 技术的研究是有意义的。利用注水 ( w a t e r - f i l l i n g ) 原理，通过给每个空间子信道分配不同的发射功率，m i m o 系统 能够获得最大的频带效率，但注水原理并没有给出功率分配算法的显式解。本文 第4 章讨论了注水原理，并给出了注水功率分配算法的显式解。在此基础上，推 导给出了注水功率分配算法m i m o 系统的容量分析公式，并与平均功率分配算 法的系统容量进行了比较。利用数字波束形成( d b f ) 技术，提出了一种新的 m i m o 系统功率分配算法，该算法的计算复杂度低于注水功率分配算法的计算复 杂度，却能够实现与注水算法相近的m i m o 系统容量。 随着数据速率的提高或者是信道时延扩展的增大，无线信道则表现为频率选 择性衰落信道。传统的m i m o 技术不能直接应用于频率选择性衰落信道。正交 频分复用( o f d m ) 技术把高速率数据流分配到传输速率相对低得多的众多并行 子信道中进行传输，即o f d m 的每一个频域并行子信道都可视为平衰落信道。 因此，o f d m m i m o 系统即能够工作于频率选择性衰落信道，又能够实现较高 的频带效率，使数据速率得到大幅度的提高。从理论上分析o f d m m i m o 系统 的容量极限，对开展o f d m m i m o 技术的研究是有意义的。基于奇异值分解 ( s v d ) 方法，本文第5 章给出了平均功率分配算法o f d m m i m o 系统容量分 析公式的详细推导过程。基于拉格朗日乘数法，提出了o f d m m i m o 系统空频 域两维注水原理，并给出了两维注水功率分配算法的显式解。在此基础上，推导 给出了两维注水功率分配算法的系统容量分析公式，并与平均功率分配算法的系 统容量进行了比较。最优注水算法能够获得最大的系统容量，但它的计算复杂度 很高。利用数字波束形成( d b f ) 算法，提出了空频域两维功率分配的低计算复 杂度算法，并与两维注水功率分配算法、平均功率分配算法的系统容量进行比较， 得出了一些相应的结论。 中山大学博士学位论文 多天线宽带无线通信中两维信号处理新算法研究 参考文献 【l 】郭梯云，邬囤扬，李建东，移动通信，聪安：西安电子科技大学出版社，2 0 0 0 。 【2 】朱近康，c d m a 通信技术，北京：人民邮电出版社，2 0 0 1 。 3 】j s l e e ，l e m i l l e r , 许希斌等译，c d m a 系统工稷手册，北京：人民邮电 出版社，2 0 0 1 。 【4 】孙立新，茏海虎，张萍，第三代移动通信技朱j e 京；入氏稚电疆版校，2 0 0 1 。 【5 】to j a n p e r a , r p r a s a d ，朱怒经等译，宽带c d m a ：第三代移动逶僖技本，就 京：人民邮电出版社，2 0 0 0 。 6 】张乎，王卫东，陶小峰，w c d m a 穆动通信系统，北京：人民邮电出版社， 2 0 0 l 。 7 】邱玲，朱近康，孙葆根，张磊，第三代移动通信技术，北京：人民邮电出版 衽，2 0 0 1 。 【8 】杨大藏，e d m a 2 0 0 技术，裁索：l 京辩毫大学爨舨鼓，2 0 0 0 。 【9 】吴镩陵，移动逯信中豹关键技拳，l 岽：l 京郏邀大学出版鼓，2 0 0 1 。 【1 0 】j l e o n a r d ，j 。r c i m i n i ，a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no f ad i g i t a lm o b i l ec h a n n e l u s i n go r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，i e e et r a n s c o m m u n ， l9 8 5 ，3 3 ( 7 ) ：6 6 5 * 6 7 5 【ll 】王文博，辩侃，浇带无线遥信o f d m 技术，j 京：人民豁电出版社，2 0 0 3 。 【1 2 】佟学稔，罗涛，o f d m 移动遥僖技术原理与应掰，乾素：人民郯毫出版柱， 2 0 0 3 。 1 3 】j c a i ，x m s h e n ，a n dj w m a r k ，r o b u s tc h a n n e le s t i m a t i o nf o r0 f d m w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，i e e et r a n s w i r e l e s sc o m m u n ，v 0 1 3 ，p p 2 0 6 0 2 0 7 1 ，n o v 。2 0 0 4 ， 【1 4 】j 。h e i s k a l a , j 。强牲y ，扬晓参等译，o f d m 笼线鼹域测，北家：电子王业如叛 社，2 0 0 3 。 15 j c h u a n ga n dn s o u e n b e r g e r ，b e y o n d3 g ：w i d e b a n dw i r e l e s sd a t aa c c e s s b a s e do i lo f d ma n dd y n a m i cp a c k e ta s s i g u n l e m i e e ec o m m u n i c a t i o n s m a g a z i n e ，j u l y2 0 0 0 ：7 8 8 7 。 1 6 】b g y a n g ，k b l e t a i e f , r s ，c h e n g ，a n dz h g c a o ，c h a n n e le s t i m m i o n f o ro f d mt r a n s m i s s i o ni nm u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l sb a s e do np a r a m e t r i c c h m m e lm o d e l i n g 。l e 冕et r a n s + c o m m u ，2 0 0 1 ，4 9 ( 3 ) 4 6 7 4 7 9 。 【1 7 a l a m o u t ism as i m p l et r a n s m i td i v e r s i t yt e c h n i q u ef o rw i r e l e s s c o n u n u n i c a t i o n s i e e ej s e l e c t a r e a sc o m m u n ，1 9 9 8 ，1 6 ( 8 ) ：1 4 5 l - 1 4 5 8 中山尢学博士学位论文 事天线宽带光线通信中两维信号处理新算法研究 【l8 】 1 9 】 2 0 】 疆i 】 2 2 】 2 3 】 【2 4 】 2 5 】 口6 】 【2 7 】 2 8 i 2 9 j 3 0 】 3 1 】 t a r o k hv ，s e s h a d r in ，a n dc a l d e r b a n ka r s p a c e t i m ec o d e sf o r h i g hd a t ar a t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ：p e r f o r m a n c ec r i t e r i o na n dc o d e c o n s t r u c t i o n i e e et r a n s i n f o r m t h e o r y ，1 9 9 8 ，4 4 ( 2 ) ：7 4 4 7 6 5 r a l e i g hgg ，a n dc i o f fjm s p a t i o * t e m p o r a lc o d i n gf b rw i r e l e s s c o n m m n i c a t i o n i e e et r a n s 。c o m m u n ，1 9 9 8 ，4 6 ( 3 ) ：3 5 7 * 3 6 6 ， g e s b e r td ，s h a f im ，s h i ud ，e ta 1 f r o mt h e o r yt op r a c t i c e ：a no v e r v i e w o fm i m o s p a c e - t i m ec o d e dw i r e l e s ss y s t e m s ，i e e ej 。s e l e c t 。a r e a sc o r r t m u n 。， 2 0 0 3 ，2 1 ( 3 ) ：2 8 1 3 0 2 y g o n g a n dk 。b 。l e t a i e f , a ne f f i c i e n ts p a c e f r e q u e n c yc o d e do f d m s y s t e m f o rb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，i e e et r a n s c o m m u n ，v 0 1 5 l ，p p 2 0 1 9 2 0 2 9 n o v 2 0 0 3 w f s u ，z