（无线电物理专业论文）相关信道下mimo系统中天线选择技术的研究.pdf

论文题目：相关信道下m i m o 系统中天线选择技术的研究 专业：无线电物理 硕士生：王笛 指导教师：秦家银教授 摘要 本文介绍和分析了相关信道环境下，在m i m o 系统中采用快速天线选择方 法的性能。首先，推导了在相关信道环境下，利用空间相关矩阵对收发两端天 线同时进行快速选择的准则与算法；其次，对发送端所选择的优化天线集合采用 w a t e r f i l l i n g 的功率分配算法进行性能优化；第三，采用m o n t ec a r l o 方法，对 采用天线选择算法所获取的理论组合与实际容量最优的天线组合进行比较和分 析，其仿真结果与理论分析结果一致，从而验证了上述天线选择算法的正确性。 仿真方面，首先在指定角度扩散值( a s ：a n g u l a rs p r e a d ) 的前提下，对比和分 析了不同天线数量的m i m o 系统在不同信噪比( s n r ) 下使用本文天线选择算 法的性能，检验该算法的性能，同时采用w a t e r - f i l l i n g 进行优化并分析其性能特 点；其次在给定信噪比数值的情况下，分析不同m i m o 系统使用该天线选择算 法和w a t e r - f i l l i n g 算法在不同的角度扩散值( a s ) 下的容量性能验证。最后对 实验结果进行讨论和分析，总结出该天线选择算法和w a t e r - f i l l i n g 方法的适用范 围和优化准则。以上研究结果有助于提高m i m o 系统的实用性和天线选择的效 率，同时对于在实际系统中应用天线选择和分配发射端功率具有一定的参考价 值。 关键词：m i m o 系统，天线选择，空间相关信道，w a t e r - f i l l i n g 算法 h t l e ：s t u d yo f a n t e n n as e l e c t i o nf o rm i m os y s t e m s i nc o r r e l a t e dc h a h n e i s m a j o r ：r a d i op h y s i c s n a m e ：w a n gd i s u p e r v i s i o r ：p r o f q i nj i a y i n a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ep e r f o r m a n c eo fa p p l y i n gaf a s ta n t e n n as e l e c t i o ni nm i m o s y s t e m so v e rc o r r e l a t e dc h a n n e l sw a sa n a l y z e d f i r s t ，aj o i n tt r a n s m i t - r e c e i v ea n t e n n a s e l e c t i o na l g o r i t h mb ym e a n so fs p a t i a lc o r r e l a t e dm a t r i xi nc o r r e l a t e dc h a n n e l sw a s g i v e n s e c o n d l y , t h eo p t i m a ls e l e c t e da n t e n n as e t sw e r ea l s oo p t i m i z e db yu s i n gt h e p o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m ，w a t e r - f i l l i n g t h i r d l y , t ov a l i d a t et h ea n t e n n aa l g o r i t h m ， t h ec o m p a r i s o nb e t w e e no u rt h e o r e t i c a lr e s u l t sa n dt h em o n t e c a r l os i m u l a t i o nr e s u l t s o ft h eo p t i m a la n t e n n as e l e c t i o ns e t sw a si n t r o d u c e d i ns i m u l a t i o n ，f i r s t ，w i t ha c e r t a i na n g u l a rs p r e a d ，w ec o m p a r e da n da n a l y z e dt h ea n t e n n as d e c f i o np e r f o r m a n c e o fs e v e r a lm i m os y s t e m sw i t hd i f f e r e n ta n t e n n am o u n t sb yu s i n go u rs e l e c t i o n a l g o r i t h mu n d e rd i f f e r e n ts n r a tt h es a m et i m e ，w es t u d yt h ep e r f o r m a n c eo ft h e w a t e r - f i l l i n ga l g o r i t h mb ya p p l y i n gi tt oo u rs e l e c t i o nm e t h o d s i m i l a r l y , w ea n a l y z e d t h ep e r f o r m a n c eo ft h es a m es y s t e m su n d e rd i f f e r e n ta n g u l a rs p r e a dw i t haf i x e ds n r f j n a l l y w ed i s c u s sa n dg e n e r a l i z et h ep r a c t i c a lr a n g ea n do p t i m a lc r i t e r i ao fo u r a n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h ma n dt h ew a t e r - f i l l i n gm e t h o d t h ea b o v er e s e a r c hi si n f a v o ro fi m p r o v i n gt h ep r a c t i c a b i l i t yo fm i m os y s t e ma n dt h ee f f i c i e n c yo fa n t e n n a s e l e c t i o n 。a n di tp r o v i d et h ea p p l i c a t i o no fa n t e n n as e l e c t i o na n dp o w e rl o c a t i o nw i t h v a l u a b l er e f e r e n c e s k e y w o r d s ：m i m os y s t e m s ，a n t e n n as e l e c t i o n ，s p a t i a l c o r r e l a t e dc h a n n e l s ， w a t e r f i l l i n ga l g o r i t h m i i 第1 章绪论 1 1 第三代移动通信技术的发展 无线通信技术从1 9 世纪开始，已经历了1 个多世纪的发展。随着社会的发 展，越来越多的人们对通信业务种类和质量提出更高的要求，第二代移动通信系 统( g s m ) 已无法满足。 为此，国际电联( i t u ) 提出了第三代移动通信系统( 3 g ) 的标准，并正式 命名为i m t - - 2 0 0 0 ，亦即工作在2 0 0 0 m h z 频段。目前世界范围内3 g 技术正在积 极投入商用之中。 众所周知，3 g 技术采用c d m a 码分多址，码分多址系统分为三种工作方式： 频分双工一直扩( f d dd s ) 、频分双工一多载波( f d dm c ) 、和时分双工( t d d ) 。 表卜1 给出了三种候选方案的对比吐 f d d0 sf d dm ct d d 候选方案w c d m a c d m a2 0 0 0t d s c d i a 提交方欧洲、日本美国中国 基本码片速率 3 8 4 m c h i p s 3 6 8 m c h i p s1 2 8 m c h i p s 网络层协议 g s mm a pa n s i - 4 1g s mm a p 与第二代兼容与g s m 兼容与i s 一9 5 兼容与g s m 兼容 表1 1 1 2 未来移动通信技术的发展 目前，3 g 无线系统的缺陷已经基本解决，其基站和移动台已经投入生产。 与此同时，无线电委员会已经开始讨论所谓4 g ，即新一代移动通信的设计。4 g 设计有可能不仅以当前无线通信系统的综合为重点，同时要强调业务和用户的需 求。因此也出现了技术和商业两方面的挑战。 1 2 1q o s 需求 q o s ( 业务质量) 的要求通常可以在用户、网络提供者积应用或业务提供商 之间选择或商谈。下一代移动网络将动态改变资源分配来适应网络网络吞吐量和 业务质量的要求。首先需要了解多种已有类型的业务质量要求，例如： ( 1 ) 数据应用，包括w e b 请求( h t t p ) 、文件传输( f t p ) 、和e - m a i l ( s 融t p ) 。 不允许数据有任何丢失，但是允许定的延时。 ( 2 ) 游戏应用，可以用一般带宽请求，但有严格时延要求，一般在几百毫 秒左右。 ( 3 ) 文件传输应用，适于在远离办公室的地方传送文件，要求没有任何数 据丢失。 ( 4 ) 音频视频应用，包括传统话音业务、v o i ? 、电视会议、实时音频视频 转播。其中视频数据流变化迅速而且突发比较多，因此要保证视频传送的质量就 必须考虑视频流的带宽峰值。 目前基于下一代无线网络的q o s 标准研究已经有所进展，如多速率c d m a 技术，还有s m t p ( 同步m a c 数据包传输) 协议和w - j s q 协议等基于多速率c d m a 的协议都在研究之中。 1 2 2 全球漫游 3 g 无线通信的一种重要限制是各个标准之问相互不兼容，网络问漫游和相 互接入非常困难。3 g 和下一代移动通信全球漫游问题的解决可以分为以下两个 角度入手：标准化和技术改造。 我们只考虑技术方面，为支持全球漫游，移动网络需要做到世界范围内无 线设备的各个基本结构完全兼容且灵活性很高。有两个机动性要求：个人机动性 和终端机动性要求。个人机动性是指用户可以使用各种所需业务，并且与移动终 端所使用的配件无关。终端移动性是指一种网络能力，能够定位移动设备或者终 端，不考虑网络的接入点路由或输出信息的能力。还包括移动设备在网络问漫游 是保持连续通信的能力。 对于下一代移动网络来说，最好的解决办法是使用通用的基于i p 的核心网 络。发展全球移动i p 核心网是一项重大突破。但由于目前的运营商使用的2 5 g 和3 g 的基本结构进行了大量投资，而不希望马上升级到全i p 网络，因此需要建 立二者的兼容接口。下一代移动通信中，能够支持各种无线接口技术复用。所以 基于i p 的核心网很有可能得到空前发展。 1 2 3 软件无线电 在新一代移动通信中，需要很多移动天线系统和标准实现相互之间的兼容， 这是一件很困难的事。通常，如果使用面向硬件的方法，专门开发基础结构系统 来支持不同标准和带宽。这样虽然性能得到大幅提高，但灵活性比较差。若采用 软件无线电则具有相对高的灵活性。 软件无线电通过一个硬件的基础结构，将不同软件链接到系统中就可以解 决不同标准和带宽问题，比起直接用硬件解决既提高了灵活性，又降低了造价。 数字信号处理技术的发展也促进了软件无线电的发展，使得它可以完成中频及以 下的信号处理。 1 2 4o f d m 技术 图卜1o f d m 结构示意图嘲 o f d m 被认为最有希望称为4 g 的调制技术。由于现有3 g 无线通信采用单 载波调制技术。要进行高速数据传输，载波信号的带宽必须很高。而o f d m 将 高速数据流分割成多个低速数据流在带宽很窄的子载波上进行传输。通常在频分 复用系统中的信道并不完全正交，因而需要占用保护带宽以防止信道间干扰。但 在o f d m 中子载波相互正交，因而它们之间不会产生相互个人。由于子载波相 互正交，则它们可以喜欢重叠并且每个子载波的峰值都对应于其他子载波的零 值，因而也就提高了频谱的利用率。o f d m 的正交复用子载波的实现是通过d f t ( 二维傅立叶变换) 。 同时，o f d m 可以克服多径衰落的问题。因为予载波占有带宽较小，因此 对于每个子载波，系统都属于窄带系统。我们知道窄带系统相对于宽带系统的好 处在于它的信号符号时间大于时延扩展，因而不容易产生多径衰落。 o f d m 还有以下优点1 1 ： ( 1 ) 近年来v l s i 技术发展迅速，使得高速的f f t 码片技术商业化，因此 o f d m 技术得到有效补充。相比使用均衡的单载波技术，o f d m 的计算复杂度 要低很多。 ( 2 ) o f d m 采用d g p ，可有效利用射频频谱。通过使用相应的调制和分配 方式可以使得子载波适应变化的信道环境。因而o f d m 可以符合带宽要求又通 过了频谱利用率。 ( 3 ) o f d m 中信号问干扰只占符号周期的极小一部分，所窄带干扰不是 其主要问题。 ( 4 ) 使用o f d m 可实现单频率网络，这在广播业务重视是很实用的。 目前o f d m 与m i m o ( 多输入多输出) 技术的结合也越来越受到广泛关注。 我们知道，为了增加系统的容量，提高系统传输速率，使用o f d m 等多载 波调制技术的无线局域网需要增加载波的数量，而这种方法会造成系统复杂度的 增加，并增大系统的带宽，这对今日的带宽受限和功率受限的无线局域网系统就 不太适合了。 为了进一步增加系统的容量，提高系统传输速率，使用多载波调制技术的 无线局域网需要增加载波的数量，而这种方法会造成系统复杂度的增加，并增大 系统的带宽，这对今同的带宽受限和功率受限的无线局域网系统就不太适合了。 o f d m + m i m o 技术是通过在o f d m 传输系统中采用阵列天线实现空间分 集，提高了信号质量，是联合o f d m 和m i m o 而得到的一种新技术。它利用了 时间、频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增 加。 1 2 5 超宽带技术 超宽带技术( u 1 t r aw i d e b a n d ，u w b ) 是一种新的无线通信技术，与常规技术相 比有两大区别。首先，u w b 系统的带宽比中心频率高2 5 ，亦即高出1 5 g i - i z ， 这比目前所有宽带无线系统的带宽都要大；其次，传统天线系统都需要射频载波， 而u w b 则不需要。相反，u w b 调制采用几个纳秒范围内快升快降的脉冲信号， 因而形成从接近d c 到几个g h z 的宽带范围波形就形成了。因此u w b 也称为 “脉冲无线通信”。u w b 可以提供超高速率的数据传输，典型的u w b 系统可以 在1 0 米范围内提供5 0 0 m b i t s 的数据传输。u w b 还有以下优点： ( 1 ) u w b 与现有无线技术相比，它对多径具有免疫力。传送u w b 信号 时由于发送的是持续时间极短的脉冲信号，直接到达信号比经过反射的多径信号 早到达许多，因此由反射引起的散播的影响就会减弱，从而抑止多径。 ( 2 ) u w b 比现有天线技术的成本更低。 ( 3 ) u w b 的能量损耗比射频无线技术要低很多。 ( 4 ) 由于u w b 传送数字特性和它信号的低能量谱密度，检测u w b 信号 非常困难。所以相比现有技术，u w b 更加安全可靠。 ( 5 ) u w b 还提供了精确但是价格不高的地理位置定位归纳，此定位功能 与其通信能力相关，还可以结合其他通信、雷达和定位应用而应用于多功能系 统。 ( 6 ) u w b 没有严格的频带限制，因此它可以在世界范围内的每个国家使 用，因此它实现全球漫游也更加容易。 但是目前u w b 面临的最大难题是它和现有的射频通信系统之间的相互干 扰程度还不是很清楚。很多专家担心u w b 会给采用射频技术的通信业务带来不 利的影响。 1 3m i m o 技术的研究进展 如前所示，m i m o 系统结合o f d m 技术将是下一代移动通信网络的核心技 术之一。其中m i m o 技术因其能够显著地提高系统容量和无线传输链路质量， 成为第四代移动通信系统的关键技术之一圈，并己被宽带无线城域接入系统 唧m a n ) 的标准- - i e e e 8 0 2 1 6 所采纳，同时也纳入无线局域接入系统( w l a n ) 标 准一e e8 0 2 1 1 的研究范畴。目前，m i m o 技术已成为移动通信领域倍受青睐 的重点研究方向。 m i m o 技术早在上世纪8 0 年代已经提出【6 j ，近年来被广泛利用在通信系统 的各个领域。一个处于丰富散射环境中的m i m o 系统，其容量将是s i s o ( 单输 入单输出) 系统的m i n ( m ，) 倍，其中m 和，分别表示发送端和接收端的天线总数。 鉴于移动用户的数量和需求不断提高，而移动通信的频谱资源是有限的，因此如 何充分合理地利用m i m o 系统来提高移动通信系统的容量备受关注。目前单用 户m i m o 技术的研究正在日益完善，其重点集中在各种环境和系统结构下的系 统容量和误码率的准确估算、天线选择算法及其性能分析，以及发送端功率分配 等问题。多用户复用m 1 m o 技术的研究也正在积极展开，其中发送端用户复用 技术，以及接收端多用户优化接收及判决技术成为研究的重点内容【7 】。 1 4 本文的主要工作及内容说明 1 4 1 本文的研究背景 正如前文所说的，m i m o 将使系统容量至少提高m i n ( n , ，) 倍。但m i m o 的高性能同样使得其处理复杂度和成本大大提高。我们知道r f 射频设备比较昂 贵而且处理难度高。为了减小m i m o 系统的复杂度和降低成本，m i m o 系统中 的天线选择技术应运而生。 最优的天线选择需要将所有可能天线组合的性能进行对比，这样虽然能达 到最佳效果，却也增加了系统处理的复杂度和效率。文献1 4 1 中利用相关信道环境 中的空间相关矩阵，作为天线选择判决的依据，既加快了天线选择算法的处理速 度，同时也减少了天线选择对于c s i ( 信道状态信息) 的依赖。 本文正是借鉴这思想，考虑发射和接收端均处于相关信道环境中的情况。 并且同时利用各自的相关信道矩阵对收发两端的天线进行选择。在不显著降低 系统容量性能的前提下，减少收发两端r f 链路的数目，从而降低系统复杂度和 建设成本。同时使用发射功率分配的优化算法w a t e r - f i l l i n g 进一步改善系统性能。 获得了较优的效果。同时，仿真也为实际工程应用提供了参考。 1 4 2 本文的内容 第1 章简单介绍了第三代移动通信技术的反展现状和未来移动通信发展的 方向。 第2 章介绍了m i m o 系统中的关键技术和发展状况，以及m i m o 的结构， 信道环境和理论容量的计算。 第3 章详细介绍了各种天线选择技术的性能以及天线选择现有的基本算法。 第4 章着重介绍本文使用的天线选择算法和w a t e r - f i l l i n g 功率分配方法，并 对理论计算和仿真结果进行了对比，最后得出了仿真结果并进行了分析。 第5 章结束语对全文的理论和仿真工作进行了总结。 第2 章m i m o 系统中的理论基础及关键技术 m i m o 技术首先在上个世纪8 0 年代提出旧，其简单模型如图2 - 1 所示。 m i m o 技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，该技术在不增加带宽 的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，其技术特点体现在天线分集 与空分复用两方面。 啊， 图2 - 1m i m o ( 多输入多输出) 系统 如图2 - 1 所示，在一个具有多收发天线的无线系统中，传播路径的数量至少 是n r 和n t 的乘积，其中n r 和n t 分别表示发射和接收天线的数量。我们知道， 接受机从这些互不相关的信道获得同一信号时会产生多种的增益。同时，在一个 多径信道中接收机也可以收到同一个信号的多个延迟信号。延迟信号可以由某种 信道均衡算法来产生，例如利用一个r a k e 接收机。m i m o 正是利用了丰富的 散射环境中多径信道的这些优点，得以产生空分复用和天线分集，并经过一些特 殊的处理，从而达到提高系统性能和容量以及频谱利用率的目的。 2 1m i m o 的分集和复用 2 1 2m 1 m o 系统中的分集技术 m 1 m o 中的天线分集主要用于抗路径衰落，其中接收天线分集的理论研究 目前已经比较成熟，这一点类似于r a k e 接收机，而发射天线分集的研究始于上 个世纪9 0 年代。 如果发射端知道信道状态信息( c s i ) ，则可以自适应地对不同的信号实行 加权合并，然后通过多根天线发射出去，这就是最大比传输问题( m r t ) 。如果 发射端不知道c s i ，则必须采取延迟分集、空时编码等策略暇9 1 ，其中空时编码方 案包括空时格码( s t r c ) 以及由a l a m o u t i 提出的一种简易发射分集。 现将比较简便的a l a m o u t i 分集方式简单介绍如下，其处理模型如图2 2 所 示【1 们： x 1 x2 图2 - 2a l a m o u t i 空时编码示意图 发射天线2 假定采用m 进制调制方案，在a l a m o u t i 空时编码中先调制每组 m ( m = l o g ：m ) 信息比特。然后在每次编码操作中取两个调制符号葺和砭的分 组。根据有如下编码规律的矩阵将它们映射到发射天线： 弘眭- - i x ： 弦t ， 经过编码之后将上述矩阵在两个连续的发射周期分别从两根发射天线发射 出去。第一个周期信号五和x ，同时从天线1 和天线2 分别发送。在第二个周期中， 信号一蔓从天线1 发送，而# 从天线2 发送t 其中i 是葺的复共轭。 该方法同时在空间域和时间域进行编码，用x 1 和z 2 分别表示天线1 和2 的 发射序列： 5 x 1 ，- - x 2 ( 2 2 ) x 22 x 2 ，x ! + ( 2 - 3 ) a l a m o u t i 方法的最主要特点是两个发射天线序列正交： 工1 x 2 = 五x ；一工：葺= 0 ( 2 4 ) 因而编码矩阵也具有如下特性： - r 。- r ”= j j l 2 + 0 i z 2 1 2l，ji：+0i。ji：】 c z - s ， = ( 蚶+ 时) 厶 若假定衰落系数在两个连续符号发射周期之间不变，则可以表示为： 啊( f ) - h , ( t + t ) 。 ；i 啊l p 旭 ( 2 6 ) ：o ) = 吃o + r ) = ：- i h ：i p 8 2 ( 2 - 7 ) 其中l h , l g o , ( i = 1 ，2 ) 分别是发射天线f 到接收天线的幅度增益和相移，t 为 符号持续时间。 在接受天线端两个连续符号周期的接收信号( t 时刻和t + z 时刻的接收信号 分别表示为和r 2 ) 可表示为 = 啊而+ 2 工2 + ，h ( 2 8 ) ，2 = 一”：+ 2 i 十，1 2 ( 2 9 ) 这里的n 。和h ：是每一维均值为0 且功率谱密度为0 2 的独立复变量分别 表示t 时刻和t - i - t 时刻加性高斯自噪声的取样值。 对于该系统的译码，如图2 - 2 所示，采取合并和最大似然译码。 如果我们能够在接收端完全恢复信道衰落系数h ，和h ：的话，则译码器将它 们用作信道状态信息( c s i ) 。假设调制星座图中每个信号的出现都是等概率的， 1 0 则最大似然译码则是通过判决选择使得如下距离量度最小的一对信号。，三：) 做 为接收端获取信号。 d 2 姒磊+ 如；：) ( r 2 ，咄翕+ 吃葛) = k 一嘎；，一心；：悱+ 如荔一心翕 2 将( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 代入( 2 1 0 ) 中，则最大似然译码可表示为： ( 2 、1 0 ) ( 赫：) = a r gm 迪( 蚶+ h 2 z - 1 ) ( i x - 1 2 + 时) + d 2 6 ，札d2 6 z ，；：) ( 2 1 1 1 ) ( x l , x z _ 1 c 。 式中c 为调制符号对( 毛，；：) 所有可能的集合，；，和；：是经过合并接收信号以 及c s i 构造产生的曲个判决统计。统计结果司表不为 x 1 = + 2 ( 2 1 2 ) 一f x 22 h 2 r t + 啊，2 ( 2 1 3 ) 将( 8 ) ( 9 ) 代入，统计结果可以表示为 ；- = 帆1 2 + l h ：j 2 ) z 。+ 砰n ，+ h 2 n * z ( 2 1 4 ) 王z = ( i 啊1 2 + 蚓2 沁：一咖：+ 1 l ：刀。 ( 2 1 5 ) 对于给定了信道实现 和h ：来说，统计结果蟊o = 1 ，2 ) 仅仅是鼍( f l 2 ) 的函数。因此( 2 1 1 ) 可以分别写为五和岛的独立算法： 涵唱睁( 岍蚶一唰2 + d 2 蕊) ( 2 - 1 6 ) x 6 2 = a r g m ，：。i n ( 1 h d 2 + i 1 2 1 ) l 三：1 2 十口2 h - z ，王z ) ( 2 - 1 7 ) 由于在m p s k 信号星座图中，给定信号衰落系数的前提下， 啊1 2 + i ：1 2 1 ) 引2 ( f = 1 ，2 ) 对于所有信号都恒定。因此，( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 的判决 可以进一步简化为： x 1 = a r g m i n d 2 ( z l ，z 1 ) ( 2 - 1 8 ) j 1 日 z 2 ；a r g m i n d 2 0 2 ，了2 ) ( 2 - 1 9 ) 以上介绍的是发射天线数为2 ，接收天线数为1 的系统。相似的，还可以推 广到发射天线为2 ，接收天线为，l 。的情况。 空时分组码中，a l a m o u t i 是最简便而经典的方法。此外除了空时分组码外， t a r o k h 等把a l a m o u t i 方案迸一步发展成为空时分组码，亦称为块空时码( s t b c ) 。 对于一个具有n 根接收天线和m 根发射天线的m i m o 系统，如果应用空时编码， 可以获得m 的分集度，提供分集增益。因此即使在非常复杂的传播环境下， m i m o 系统也可以实现单数据流的高质量传输。 相应的发送编码方式、接收处理方式以及相关的性能分析可见伽。 2 1 3m i m o 系统中的空间复用 空分复用采用f o s c h i n i 等提出的b e l l 实验室分层空时结构( b l a s t ) 及其 变体，它将不同的数据流同时从不同的天线上发射出去，在接收端用多根天线来 分离不同的数据流，此时系统的容量几乎与m i n n ，m ) 成线性增长关系1 1 ，这一 结果推广了香农定理。 对于单用户的m i m 0 系统来说，空间复用可以使得该用户在同一时刻通过不 同的天线传送不同的信息，从而增加该用户的传输速率。而在多用户的m i m 0 系 统研究中，则可以利用空间复用使得一个发射天线阵列同时容纳多个用户传送数 据。文献m 提出的较新方法s s s m a 较好的实现了这一目标。 从下图2 - 3 中，我们可以看到一个t d m a - m i m o 系统与s s s m a 系统的对 比。在t d m a m i m o 中，每一个用户占用一个独立的时隙，而该用户的所有信 息都在这个时间以及空间上传输，这与单用户m i m o 技术其实是一样的，因此 也不存在m a i ( 多址干扰) 。另一方面，在s s s m a 中，多个用户信道的码元在一 个时隙内复用起来( 称为扩展周期) ，在后继的周期中将重复这一操作，直到传 输完所有信息为止。s s s m a 利用了多传输天线所产生的所有可用的自由度，并 由此产生多址。因此它能够支持最多n 个不同用户的n 个码元在每个时隙内同 时同时传送( n 为传输天线数) 。也就是说，由m i m o 信道提供的较宽的传输链 路在此被被分割和分配到不同的用户，而不是在一个时隙只分配给一个用户。所 以，每个用户在整个传输时间和频域内都有自己的空域链路。s s s m a 的创新在 于相对于传统多用户方法，它属于空时多址技术，允许m a i 多址干扰的存在( 不 使用正交信道) ，但同时产生了大量的用户信道。 t d m a 多用户复用 s s s m a 多用户复用 图2 3s s s m a 与t o m a 复用技术对比 假设在b s ( 基站) 端有n 根传输天线，每个接收用户有m ( m2 n ) 根接 收天线。扩展周期占用的时间为q t ，这里e 和分别为处理增益和码片时间。 当空域被充分利用时，将具有n 码片每赫兹每秒的容量，并且在每个扩展周期 内将传送n q 个唯一的时空扩展序列，每个序列可以只调制唯一一个用户的数 据。 图2 4s s s m a 编码示意图 在此空时复用系统中，每一个用户的信息码元被一个唯一的二维实扩展序列 所调制( 码片值由空时函数所组成) 。为第i 个用户分配的二维序列如下所示： s = s i 。1s t ，2 s hs ；，2 略js ；，2 ( 2 2 0 ) 其中。e ( o ，1 ) 表示在第t 个时间在第n 根天线传送的第i 个用户的序列。 每个非零的码片占用一个空时码片，而每个用户的编码序列在扩展调制复用中在 多个空时码片中扩展开来。可由如图2 4 获知详细的编码过程。在s s s m a 中使 用的是s t d ( 时空对角) 扩展序列。为了获取最大的自由度，s t d 将用户数据 通过不同天线在空间和时间上分割开来。在n 个传输天线的系统中，可以有n 个这样的s t d 集合，每个包括了g 个码片，如图2 4 。s t d 序列集合是从一个 g x g 的w a l s h h a d a m a r d 矩阵中抽取出来的。图2 5 简单的示范了n = 2 ，g = 2 的 情况。 1 4 咖；加 天线1 天线2 孑一研：、l , e k - - ! r , ，7 角a 。 对角b 、 ，是旃岛输，只、， 在s s s m a 里边，用户所使用的信道编码方式使得它们成为s i s o ( 单输入 单输出) ，等价于单天线编码方式。经过复用之后，由不同用户信道产生的s i s o 码字构建成一个复合的多用户空时码字，表示如下： c 2 s 。q ( 2 - 2 1 ) 其中c i 是包含第i 个信道的s i s o 码字的行向量，o 表示k r o n e c k e r 乘积。为 获取最大的分集，复合的码字必须满足下面的条件：对于所有码字对( c ，c ) ，成 对错误矩阵c a 是满秩的。但是对所有多用户码字对，s t d 序列不能全都使得 它们满秩。这使得我们需要使用交织，这样就能改变符号在s i s o 码字中的序列 1 2 1 。 迭代f r u r b o ) 处理接收机由于s s s m a 采用多用户复用，因此每个用户检测 自己信号的同时也检测干扰的信号。接收端将使用多用户检测和解码技术来减小 m a i 的影响。该文提出的接收机如图2 - 6 所示： 内信息外莉盲息 归纳蒯晕( a p p ) 图2 - 6s s s m a 的多用户接收检测 限波器 它包括两个主要部分： 1 ) 基于线性最小均方误差( m m s e ) 滤波的并行干扰消除( i c ) 处理：( 多 用户检测) 。 2 ) s i s o 解码器组，每个解码器为一个编码用户信道。 关于m m s e 和t u r b o 解码在文献0 1 有详细描述。 综上所述，天线分集和空间复用技术利用了m 1 m o 在分集上的优势，使得系 统的传输性能和传输速率都得到提高，同时也提高了传输的灵活性以及频谱和天 线等资源的利用率，这也是该技术受到广泛青睐和得以在新一代宽带无线系统中 成为核心技术的重要原因。 2 2m i m o 的信道模型 众所周知，无线信道产生的时变衰减和延迟会降低通信系统的性能。由于 大范围地理环境中运动产生的大幅度衰减和盲区可以由外环功率控制来补偿，这 里我们主要讨论小尺度衰减1 3 1 。 关于瑞利( r a y l e i g h ) 莱斯f r i c e a n ) n a k a g a m i 等衰落各类书籍资料都有详 细介绍，在这里就不详述。我们主要考虑与m i m o 特点有关的信道特性。 2 2 1 多径信道 信号的不同传输路径导致了各接收机的不同延迟。这种延迟的扩散又导致 了时间漂移和频率选择性衰落。最简单的方法是把每个信道分支看作具有相关功 率谱的独立过程。 对于不同多径环境的描述在文献1 3 1 中有记载，如表2 1 所示： 事例速率( k m h )延迟描述( n s )功率描述( d b ) 13 0 ，9 7 60 , - 1 0 23 0 ，9 7 6 ，2 0 0 0 00 ，0 ，0 31 2 0 0 ，2 6 0 ，5 2 1 ，7 8 10 ，一3 , - 6 , - 9 4 3 0 ，9 7 6 0 ，0 5 5 0 0 ，9 7 6 0 , - 1 0 62 5 0 0 ，2 6 0 ，5 2 1 ，7 8 10 , - 3 , - 6 , - 9 表2 1 这里不同功率是指的平均功率，而且所有分支都有一个经典的多普勒频谱。 具有3 8 4 码片速率时，在3 ，6 情况下的延迟与码长的波长成倍数关系。然而我 们只要把分枝节点和最近的芯片联系起来，就可以把情况1 ，4 和5 的第二个分 支和邻近两个芯片匹配，因为实际上这和单径信道是一致的。 2 2 2 空间信道 在具有两个发射天线时，链路级模拟中假设两个信道不相关。然而当发射 天线数量增加时，假设则不成立。文献【1 4 】中的3 g p p 文献提出3 个空间信道模型 进行模拟研究，是对4 个发射天线和一个接收天线时闭环传输多样性进行的。为 得到从不同天线发射出来的信号的空间相关性，用一个c h o l e s k y 或者空间相关 矩阵的平方根矩阵与信号相乘。在此假设了一个密集散射模型，其中运动站的到 达角度( a o a ) 均匀分布于f 玎，玎) 区间上，所以由空间相关产生了独立的时域 衰减。文献【1 4 1 给出的随机信道模型比较容易产生和应用，这种随机方法能够得 到相对快速的链路级模拟结果。其他的空间信道建模方式还有几何建摸和射线跟 踪。综上所述，基站( 下行链路) 的空间相关由下式给出： 墨； 晦陡p 长 廊砖硪 舔? 1 舔? 2 陡? 。 其中砖指天线f 和，之间的相关系数，且绔= ( 砖) 图2 6 功率均匀分布在以7 5 度为中心的1 0 度扇型内的平面波 ( 2 2 2 ) 在偏远地区反射信号以一个窄带扇型方位角到达基站，散射主要发生在距 移动台近的地方。在极小的蜂窝如微和皮级上在基站附近也有散射，这导致了反 射信号的宽角度入射。根据参考文献 1 4 1 评估相关系数时，假设平面波功率均匀 分布在一个扇形区域内，这个区域以一个固定的垂直于通用线性阵列( u l a ) 的 入射角为中心。如图2 - 6 所示为一个方位区域f a s ) 为l o 且a o a 为7 5 的宏蜂窝 的例子。天线阵列各部分之间的相关性可以按照参考文献。司计算出来。可用文 字表述的其他功率方位扩展( p a s ) 的分布有：平头高斯分布“6 】，拉普拉斯分布1 7 】 和余弦函数次幂分布1 堋。 2 2 3m i m o 系统信道模型 在m i m o 系统中，当和m i s o 系统比较时，需要增加许多参数来描述信道。 3 g p p 文献1 9 1 中为w c d m a 链路级模拟假设了标准的m i m o 无线信道模 + + + j 型，原则和m i s o 相同，但多了影响模型参数的移动站天线阵列类型。而且，这 个模型也包括了移动站的运动方向，所以在模拟过程中信道的空间性质随之改 变。参考文献 1 9 - 2 1 1 中对m i m o 模型的介绍是为了便于使用，而且可以不必对信 道建模深入了解就可以修改参数。 例如在a “2 间隔的宏蜂窝( 情况2 ) 中，传输方向( d o t ) 为2 0 。，a s ( 角 度扩散) 为5 。时，四维线性天线阵列的空间相关性由下式给出。 & ，2 1 0 9 7 e “3 4 ”j 0 8 9 e o “， 0 7 7 e o 9 ” 0 9 7 e o3 4 4 j 1 0 9 7 e - o 3 4 一j 0 8 9 e o “j 0 8 9 e o “4 j 0 9 7 e 0 3 4 一， 1 0 9 7 e 4 ”4 j 0 7 7 e o - ”j 0 8 9 e o _ “， 09 7 e o 3 。“ 1 ( 2 2 3 ) 假设传输方向和a o a 相等，在传输方向为1 0 的微蜂窝模型中，a s 为1 5 。， 天线间隔为a 2 ，基站空间相关矩阵为下式： & ，5 。 l 0 2 5 e - 0 5 “i 0 4 3 e “3 5 4 j 0 7 6 e o 1 7 “j 0 7 6 e 0 , 1 1 。i 1 0 2 5 e 一”3 a - j 0 4 3 e - o 3 “ 0 4 3 e 2 3 跏 0 7 6 e o 1 7 m ， 1 0 2 5 e - 0 5 “， 0 2 5 e ”“， 0 4 3 e o 3 5 4 ， 0 7 6 e o 1 7 “， 1 ( 2 2 4 ) 对于移动站的一个典型假设是反射信号没有主波方向。假设入射角均匀分 布在【石，石) 区间内，天线的间距为1 2 波长，得到空问相关函数j 。o 捕) ( 第一类 零阶贝赛尔函数) ，k = o ，1 ，2 ，3 5 & 3 曲5 1 - 0 3 0 4 3 o 2 2 0 3 0 1 8 1 2 - 0 3 0 4 3 1 - 0 3 0 4 3 0 2 2 0 3 0 2 2 0 3 一o 3 0 4 3 l 一0 3 0 4 3 0 1 8 1 2 0 2 2 0 3 - 0 3 0 4 3 1 ( 2 2 5 ) 上式可以用于对皮蜂窝基站的偏移角建模。 一个，t m m 维的m i m o 相关矩阵可以写成： v e c ( 日v e c ( 日) + ( 2 2 6 ) 其中v e c ( h ) = 眠， 蚱 由向量= 【岛埘，h n ，r 组成，元素表示第一个 发射和第j “个接收天线部分之间的信道。 1 9 假设所有天线组成部分都有相同辐射形式，空间相关性独立于阵列中天线 的位置，因此所有组成部分有相同的辐射，在这个基础上，为m i m o 的相关建 立简化的物理模型。根据这些假设，m 以，m 维信道相关矩阵可以用发射接 收矩阵的一个k r o n e c k e r 乘积很好地近似表示1 2 2 1 ： r m = r r , j k ( 2 2 7 ) 其中移动基站地空间相关矩阵由下式给出： 心一 p 备p 瓮 p 器晚 p 爱，砖： ( 2 2 8 ) 且莳= ( p ) + 。从文献，由2 2 8 可知，信道矩阵变为： h = 嗖2 h 。( 碳2 ) + ( 2 - 2 9 ) 其中h ，是一个s t o c h a s t i c m m 维矩阵，且元素为i i d 高斯复数，( ) “2 表示一个 矩阵的平方根，例如r “2 “2 ) = 尺a 在上行传输中，氏 心。 2 3m i m o 系统的理论容量 空间多路技术是m i m o 通道的一个重要特征。基础测量报告。2 5 1 显示：当 发射机和接收机天线的数量增加时，相应容量也应该增大。从理论上来看，应该 与m i n ( n , ，) 相当。这就是说。同时增加发射机和接收机天线数量时，带宽利 用率将线性增长；利用相同的总功率，将能够传送几倍于m i n ( m ，r ) 的信息量。 这个性质称为”速率增长” a l 。 2 3 1 在发送端无c s i 时的容量 假设在一个理想系统中，有，个发射天线和n 根接收天线，每个发送和 接收天线对之间是具有独立相等分区频率的平坦衰落信道。因而在一个m m n 磕磕；呶 的信道矩阵中，m 和r 是独立的衰减信道。 简单起见，我们先假设发送端没有信道状态信息( c s i ) 的情况。m i m o 传 送应用向量调制x = k ，艺，h 】，即每个信道发送一个独立的符号： y-hx+噪声(2-30) 只要h 满秩，m 个发送信号就可以被解调出来。 采用这个信号模型，相应的信道容量就可以被计算出来。对于一个标量信 道，不断输入高斯信号达到它的容量： c = e ( i 。g ：0 + ，7 m ) 。( 2 - 3 1 )