（交通信息工程及控制专业论文）MIMO空时通信理论及在衰落信道中的性能研究.pdf

摘要 未来的无线通信对通信业务和通信质量都提出了更高的要求，也就是不仅要 求能够提供高速可靠的数据传输，而且能够提供高的频谱利用率。针对无线通信 多径衰落的信道环境，分集是一种有效的对抗信道衰落的技术。同时，考虑到无 线通信频率资源的匮乏，未来的无线通信系统应该在物理层采用具有高频谱效率 的先进技术，其中发射机和接收机采用多天线的m i m o 作为关键技术是论文重 点研究的内容。m i m o 系统不仅可以利用多天线空间分集改善接收信噪比，而且 可以利用空间复用提高信道容量和系统的频谱利用率。论文从发射分集、空时分 组码、下行链路波束赋性以及空间复用等方面，通过理论分析和系统仿真研究了 多天线m 1 m o 系统提高无线通信的可靠性和数据传输速率，论文主要研究成果 有： 1 、信道容量是多天线m i m o 系统的研究重点。般衰落信道的m i m o 信道容 量已经得到广泛的研究，一些特殊信道的信道容量还有待进一步研究。论文 针对实际环境中存在的7 氐秩信道，研究了选择天线发射和接收对m i m o 信道 容量的影响。仿真结果表明，影响信道容量的关键因素之一信道相关性不仅 与天线间距、散射环境有关，而且依赖于各发射天线和各接收天线之间的相 对相移，从而可以利用选择天线发射提高系统的信道容量，降低射频成本。 2 、发射分集是多天线m i m o 系统的研究热点，在衰落信道中开环和闭环发射分 集的关系，不同信道状态条件下的性能对比还缺乏深入研究。论文研究了开 环发射分集和闭环发射分集在平坦瑞利衰落信道的性能。 在发射机己知信道状态的理想条件下，得出开环发射分集的瞬时误比特率 是闭环发射分集瞬时误比特率的上界的结论； 在发射机不能完全得到信道状态信息的非理想情况下，通过分析反馈延迟、 量化误差以及信道估计误差对发射分集性能的影响，指出：在快衰落信道 中反馈延迟是影响闭环发射分集性能的最主要因素。 通过分析天线空闾相关对开环发射分集性能的影响，得出系统性能随天线 相关性增强而下降，但这种相关性对系统的影响不是特别严重，例如两天 线相关系数达到o 5 时，信噪比只有o 6 d b 的损失。 3 、发射信号集设计是多天线m 1 m o 系统的主要研究课题。传统的空时分组码由 摘要 北京交通大学博士学位论文 曼! 曼! 奠毫寡曼鲁璺暑皇置蔓量量舞量鼍鼍寡鼍鼍詈詈曼鼍曼量暑鼍曼! 鼍詈詈詈暑量e i _ l 一5 1 墨量 于不需要信道状态信息而表现出设计简单的优点，但同时性能并没有达到最 优。 论文提出一种简单的最优功率分配空时分组码，利用注水原理，根据各支 路的信道增益重新分配各发射天线的功率，从而以反馈信道状态的代价换 取信嗓比的提高。与均匀功率分配方法相比，提出的注水功率分配法信噪 比提高了0 5 一i d b 。 传统的波束赋形和发射分集都受到信道多径角度扩展的限制，针对波束赋 形和发射分集的局限性，论文提出一种波束赋形发射分集方法一波束赋 形空时分组码( b e 趣n f o n n i n gs t b c ) ，该方法将波束赋形与正交空时分组 码相结合，用多个相互正交的波束代替多个天线，解决了空时分组码不适 合小角度扩展信道及波束赋形不适合大角度扩展信道的问题。 4 、分集重数和自由度是衡量多天线m 丑讧0 系统的两个重要指标。 论文探索用中断概率和中断容量重新定义分集重数和自由度，并且证明： 具有n ，个输入、，l ，个输出的瑞利衰落m i m o 信道，对于一般的线性空时编 码，当各发射天线平均分配发射功率时，可实现的最大分集重数和自由度 分别为 一，和r a i n , , 。，雄，o 分析了分集重数和自由度分别对传输错误概率和信道容量的影响，指出在 高信噪比区域内，传输错误概率主要由分集重数决定，而平均信道容量主 要由自由度决定。在低信噪比区或衰落相关信道，给出了有效分集重数和 有效自由度的概念。 针对分集增益与发射速率之间的矛盾，论文提出一种新的m i m o 系统数据 传输方法一分组分集复用法( g r o u p d i v e r s i t ym u l t i p l e x ) ，该方法可以根 据信道状态灵活地分配用于分集和复用的天线，解决了发射分集与空间复 用折衷的问题。 关键词：多天线m i m o ，发射分集，空时分组码，波束赋形，空间复用，分集， 自由度 珏 a b s t r a c t t h ef u t u r er a d i oc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sr e q u i r e dt op r o v i d en o to n l yr e l i a b l e h i g hr a t ed a t a ，b u t a l s o h i g hf r e q u e n c ye f f i c i e n c y a i m i n g a te n v i r o n m e n t sw i t h m u l t i p l ep a t h si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，d i v e r s i t y i sas o r to fw e l l k n o w n t e c h n i q u e w h i c hc a ne f f e c t i v e l yr e s i s tf a d i n g c o n s i d e r i n gt h ep i n c ho ff r e q u e n c yr e s o u r c ei n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h ef u t u r er a d i oc o m m u n i c a t i o ns y s t e r ns h o u l di n t r o d u c e a d v a n c e dt e c h n i q u e sw h i c hh a v eh i 曲f r e q u e n c ye f f i c i e n c yi np h y s i c a ll a y e nm u l t i p l e i n p u tm u l t i p l eo u t p u tt h a tu s e sm u l t i p l ea n t e n n a sa tt h et r a n s m i t t e ra n dt h er e c e i v e ri s ak e yt e c h n i q u ea n dm a i nr e s e a r c ho ft h i st h e s i s am i m o s y s t e mn o to n l y c a n i m p r o v er e c e i v e ds n rt h r o u g hd i v e r s i t y , b u ta l s oc a ni n c r e a s ec a p a c i t ya sw e l la s f r e q u e n c ye f f i c i e n c yt h r o u g hm u l t i p l e x i n g 嗽t h e s i s s t u d i e sh o wt o i m p r o v e c o n y l a a u n i c a t i o nr e l i a b i l i t va n dd a t ar a t eu s i n gam u l t i a n t e n n am i m o s y s t e mw i t ha v i e wt ot r a n s m i td i v e r s i t y , s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g b e a m f o r m i n gi nd o w n l i n k s ，a n d m u l t i p l e xt h r o u g ht h e o r ys t u d ya n ds i m u l a t i o n t h em a i n c o n t r i b u t i o n sa r ea sf c l u o w s ： 1 t h ec a p a c i t yi sr e s e a r c he m p h a s e si nm i m o c a p a c i t yo fm i m 0h a sb e e nw e l l s t u d i e di nt r a d i t i o n a lf a d i n gc h a n n e l s ，b u ti th a sn o tb e e nw e l ls t u d i e di ns p e c i a l c h a n n e l s t h ee f f e c to f s e l e c t i n ga n t e n n at r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n go nc a p a c i t y o f1 0 w - r a n km i m oc h a n n e l si ss t u d i e di nt h i st h e s i s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tc h a n n e lc o r r e l a t i o nw h i c ha f f e c t sc a p a c i t yn o to n l yd e p e n d so na n t e n n a s p a c e a n ds c a t t e r s ，b u ta l s o d e p e n d so nr e l a t i v ep h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e nt r a n s m i t a n t e n n a sa n dr e c e i v ea n t e n n a s s ow ec a ns e l e c ta n t e n n a t r a n s m i t t i n g a n d r e c e i v i n gt oi n c r e a s ec a p a c i t ya n dc u tr f c o s t 2 t r a n s m i t d i v e r s i t yi sah o t s p o ti nm i m 0 r e s e a r c h i nf a d i n gc h a n n e l s t h er e l a t i o n o fo p e nl o o pt r a n s m i t d i v e r s i t y a n dc l o s e l o o p t r a n s m i t d i v e r s i t y a n dt h e i r p e r f o r m a n c ec o n t r a s t h a sn o tb e e ns t u d i e d t h ep e r f o r m a n c e so fo p e n l o o p t r a n s m i t d i v e r s i t y a n dc l o s e l o o p t r a n s m i t d i v e r s i t y i nf l a t r a y l e i 曲f a d i n g c h a n n e l sa r cs t u d i e di nt h i st h e s i s t h ec o n c l u s i o nt h a ti n g t a n t a n e o u sb i te l t o rr a t eo fo p e n l o o pt r a n s m i td i v e r s i t y i st h eu p p e rb o u n do fb i te r r o rr a t eo fc l o s el o o pt r a n s m i td i v e r s i t yu n d e r p e r f e c t c h a r m e ls t a t ci n f o r m a t i o na tt r a n s m i t t e ri sg i y e n u n d e ru n p e r f e c tc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n 也ee f f e c t so ff e e d b a c k d e l a y , q u a n t i z a t i o n e l o ra n dc h a n n e le s t i m a t i o ne r r o ro nt r a n s m i t d i v e r s i t y a l e s t u d i e d t h ec o n c l u s i o ni st h a ti ti sf e e d b a c kd e l a yt h a tp r i n c i p a l l ya f f e c t st h e p e r f o r m a n c eo fc l o s el o o pt r a n s m i td i v e r s i t yi nf a s tf a d i n gc h a n n e l s - 皿ee f f e c to fa n t e n n ac o r r e l a t i o no n o p e nl o o pt r a n s m i td i v e r s i t yi ss t u d i e d t h e c o n c l u s i o ni st h a tt h ep e r f o r m a n c eo fm i m 0 d e g r a d e sa sa n t e n n ac o r r e l a t i o n i n c r e a s e s b u ti ti sn o tv e r ys e r i o u s f o re x a m p l e t h es i g n a lt on o i s er a t el o s e s a b s t r a c t北京交通大学博士学位论文 o n l yo 6 d bw h e n c o r r e l a t i o no ft w oa n t e n n a si s0 5 3 1 a n s m i ts i g n a l d e s i g n i sam a i nr e s e a r c h p r o b l e m i nm i m o 。1 1 r a d i t i o n a l s p a c e t i m e b l o c kc o d i n gi s s i m p l e b e c a u s ei td o e sn o tn e e dc h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n b u ta tt h es a m et i m ei th a ss o m ep e r f o r m a n c el o s s 。 an e wp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m ea b o u ts t b cn a m e d w a t e r f i l l i n gi sp r o p o s e di n t l l i st h e s i s t 1 】ep r o p o s e ds c h e m ea l l o c a t e sp o w e rb e t w e e np a t h sa c c o r d i n gt o t h e i rc h a n n e l g a i n s a n d g e t sh i g hs i g n a lt on o i s e r a t ea tt h ec o s to fc h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n c o m p a r e dw i t hu n i f o r mp o w e ra l l o c a t i o n ，t h ep r o p o s e ds c h e m e i m p r o v e ss n r 0 5 1 d b t r a d i t i o n a l b e a m f o r m i n g a n dt r a n s m i t d i v e r s i t y a r el i m i t e d b y c h a n n e l m u l t i p a t ha n 譬l es p r e a d b e c a u s eo fd i s a d v a n t a g eo fb e a m f o r m i n ga n dt r a n s m i t d i v e r s i t y , an e wt r a n s m i td i v e r s i t ys c h e m en a m e db e a m f o r m i n gs t b ci s p r o p o s e d i nt h i st h e s i s t h ep r o p o s e ds c h e m ec o m b i n e sb e a m f o r m i n gw i t h o r t h o g o n a ls t b c a n dr e p l a c e sm u l t i p l ea n t e n n a sw i t ho r t h o g o n a lb e a m sa n d r e s o l v e st h ep r o b l e mt h a ts t b cc a n n o tb eu s e di ns m a l la n g l es p r e a dc h a n n e l s a n d b e a m f o r m i n g c a n n o tb eu s e di nl a r g ea n g l es p r e a dc h a n n e l s 4 d i v e r s i t yo r d e r a n d d e g r e e so f f r e e d o ma r et w o i m p o r t a n tg u i d e l i n e si nm i m e d i v e r s i t y o r d e ra n d d e g r e e s o ff r e e d o ma r ed e f i n e d a g a i n w i t h o u t a g e p r o b a b i l i t y a n d o u t a g ec a p a c i t y i nt h i s t h e s i s 。f o l l o w i n gt h e o r e m sa b o u t d i v e r s i t y o r d e ra n d d e g r e e s o ff r e e d o ma r e p r o v e d ：f o r a t y p i c a l l i n e a r s p a c e t i m ec o d i n g ，t h ed i v e r s i t yo r d e ro fan f i n p u t ，h ，o u t p u tr a y t e i g h f a d i n gm i m e c h a n n e li s n l n ，a n dt h ed e g r e e so ff r e e d o mo f a n fi n p u t ，n ? o u t p u tr a y l e i g hf a d i n gm 蹦oc h a n n e li sm i n n f ，l ， w h e nu n i f o r mp o w e r a l l o c a t i o ni su s e d e f f e c t so f d i v e r s i t yo r d e ra n dd e g r e e so ff r e e d o mo nb i te r r o rr a t ea n dc a p a c i t y a r es t u d i e d t h ec o n c l u s i o ni st h a ti nh i g l ls i g n a lt on o i s er a t er e g i o n ，b i te r r o r r a t ei sd e p e n d e n to nd i v e r s i t yo r d e ra n d c a p a c i t yi sd e p e n d e n to nd e g r e e so f f r e e d o m e 饪e c t i v ed i v e r s i t yo r d e ra n de f f e c t i v ed e g r e e so ff r e e d o ma r eg i v e n i nl o w s i g n a lt on o i s er a t er e g i o no rc o r r e l a t i o nf a d i n gc h a n n e l s 。b e c a u s eo ft h ec o n f l i c tb e t w e e nd i v e r s i t yg a i na n dd a t ar a t e ，an e wt r a n s m i t s c h e m en a m e dg r o u pd i v e r s i t ym u l t i p l e xi sp r o p o s e d n ep r o p o s e ds c h e m e n e a t l y a l l o c a t e sa n t e n n a sb e t w e e nd i v e r s i t y a n d m u l t i p l e x i n ga c c o r d i n gt o c h a n n e ls t a t ea n dr e s o l v e st h et r a d c o f fb e t w e e n d i v e r s i t ya n dm u l t i p l e x i n g k e yw o r d s ：m u l t i a n t e n n am i m e ，t r a n s m i t d i v e r s i t y , s t b c ，b e a n a f o r m i n g ， m u l 卸l e x ，d i v e r s i t y , d e g r e e so ff r e e d o m 独创性声明 本人声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：苏高暑 2 0 0 3 年1 0 月 第一章绪论 随着社会信息化的发展，无线通信已经成为人们日常工作和生活中信息传递 的主要手段之。人们对无线通信的需求不仅仅停留在过去简单的话音传输，而 且要求提供各种高速的数据和图像业务，这些高速的数据和图像业务对传输时延 和误码率都提出了更高的要求。另一方面，无线通信的质量受衰落信道影响严重， 并且各种无线通信需要分享有限的频谱资源，因此研究具有高可靠性、高频谱效 率的无线通信技术才能不断改善无线通信链路的性能，满足日益增长的各种无线 通信业务的需求。 1 1 论文研究背景 1 1 1 无线通信的限制 无线信道恶劣的传播环境对无线通信系统的性能影响很大，尤其是对高速传 输的数据业务，主要表现在三个方面：信号衰落、符号间干扰( i s i ) 以及同信 道干扰( c c d 。信号衰落和i s i 是由于信号的多径传播造成的，而c c i 来自于系 统中的同信道用户。消除i s i 可以采用各种信道均衡技术，例如在时分多址 ( t d m a ) 系统采用自适应均衡器，在码分多址( c d m a ) 系统采用r a k e 接收 机等【1 】【2 l 。消除c c i 可以采用各种干扰消除技术，例如干扰信号不确定时，可以 采用自适应波束赋形技术，而对于已知的干扰信号可以采用多用户检测技术。在 无线信道中，多径是造成信号衰落的主要原因，因此多径衰落成为无线移动通信 研究衰落信道的主要内容。 多径衰落是影响无线数据传输的最主要因素，主要表现为： 信号强度在很小的传播距离或很小的时间间隔快速变化。 不同路径信号d o p p l e r 频移的变化引起随机频率调制。 多径传播延迟引起时问弥散。 多径引起的时间弥散使发射信号经历平坦衰落或频率选择性衰落，而多径引 起的d o p p l e r 扩展使发射信号经历慢衰落或快衰落。当发射信号的带宽远小于信 道相干带宽，或者发射信号的信号周期远大于信道的均方根( r m s ) 延迟扩展时， 多径信号经历平坦衰落；当发射信号的带宽大于信道相干带宽，或者发射信号的 信号周期小于信道的均方根延迟扩展时，多径信号经历频率选择性衰落。当发射 信号的信号周期大于信道的相干时间，或者发射信号的带宽小于信道的d o p p l e r 扩展时，多径信号经历快衰落；当发射信号的信号周期远小于信道的相干时间， 或者发射信号的带宽远大于信道的d o p p l e r ：l 广展时，多径信号经历慢衰落印 由于多径传播使信号在时域和频域上产生重叠，因此多径衰落严重影响了发 射信号的正确接收。研究表明【钔，在加性白高斯噪声( a w g n ) 信道，采用一般 的调制和编码方法将误比特率从1 0 降低到1 0 。3 ，只要求信噪比( s n r ) 提高 l 。2 d b ，而在多径衰落信道，达到同样的误比特率结果要求s n r 至少提高1 0 d b 。 在无线移动通信中，对抗多径衰落的方法有很多种，例如前面提到的均衡器 和r a k e 接收机。从理论上讲，对抗衰落最有效的技术是发射功率控制，但是功 率控制不仅受到发射机动态范匿的限制，而且对信道估计错误也比较敏感，因此 功率控制在很多环境不能完全发挥作用。目前广泛采用的另一种对抗衰落的技术 就是分集，其基本思想是信号从多个路径传输，每个路径的信号承载相同的信息， 但经历独立的衰落，并且所有路径的平均信号强度近似相等，接收端采用适当的 方法合并多径信号，达到降低衰落程度、提高传输可靠性的目的。实践证明这是 一种非常有效的方法，例如当分集支路数为2 时，信噪比增益就可以达到5 1 0 d b 1 5 1 。 根据独立路径信号不同的生成方式，可以有很多种分集方法，比较常用的分 集方法包括频率分集、时间分集和空间分集等1 6 l 。频率分集是指用不同的频率生 成独立的分集支路，为保证不同频率承载的信号经历不相关的衰落，频率间隔必 须足够大。一般采用相干带宽来衡量不同频率承载信号的相关程度，在相干带宽 之内，频率选择性衰落对信号传输没有影响，只有频率间隔大于几倍的相干带宽 时，信号经历的衰落才是不相关的。对于无线移动通信环境，测量结果表明相干 带宽大约在5 0 0 k 也e 右，因此频率分集各支路信号载频间隔要求至少1 。2 m h z 6 1 。时间分集是指在不同的时间发射承载相同信息的信号，信号在足够的时间间 隔内经历不同的衰落。为保证不同时间发射的信号经历不相关的衰落，时问间隔 必须大于衰落带宽( 最大d o p p l e 濒移厂啊) 的倒数。对于无线移动通信环境，由 于l = v 2 ，因此分集支路信号的最小时间间隔与移动台的速度成反比，也就 是说，当移动台处于静止状态时，时间分集是不起作用的。虽然频率分集和时间 分集可以利用无线信道本身具有的时变性和多径传播得到，但是频率分集和时间 分集的应用是受到环境限制的。在慢衰落环境，结合交织的时间分集会带来很大 的时延，这对于延迟受限的业务是不能接受的。在频率非选择性衰落信道，频率 分集不会产生太多的分集增益。空问分集利用发射机和接收机的多个天线生成分 集支路，只要天线间距足够大，就可以保证各支路信号经历独立的衰落。与频率 分集和时间分集相比，空间分集不需要额外的频率资源，并且在各种无线移动环 2 境都表现出稳健的性能，因此受到越来越多的重视和研究。 1 1 2 论文的选题 由于无线信道固有的限制，使目前的无线通信的可靠性受到影响。面对未来 无线通信网络要求的更高的数据速率和可靠性，并且考虑到无线频谱资源的匮 乏，未来的无线通信系统必须采取具有高可靠性、高频谱效率的技术来提高系统 的综合性能。 目前已经有多种提高频谱效率和传输可靠性的技术得到广泛研究，甚至有些 已经在现有或即将出现的数字蜂窝移动通信系统得到应用，它们主要包括； 空时信号处理技术 7 1 - 9 1 传统的信号处理一般局限在时域上，很难完全消除i s i 和c c i 的影响【1 0 l 。空 时信号处理利用发射机和接收机的多个天线可以完成信号在时间和空间上的分 离。大多数目前的无线通信系统还没有有效地开发空间域，而对信号的空域处理 不仅可以有效消除c c i ，而且可以提供分集增益、阵列增益，乃至减小i s i 的影 响。在接收机采用空时信号处理可以通过干扰消除改善信噪比，通过接收分集降 低衰落信道的影响，通过阵列增益提高信噪比，通过空间均衡减小符号间干扰。 同样，在发射机采用空时信号处理减少了同道干扰的生成，改善了发射分集。 高效调制和鳊码技术【1 1 】【1 2 】 要想传输高速率的数据业务，简单的二进制调制( 如b p s k ) 是不够的，应 该采用高进制调制，如m p s k 和m q a m 。采用高进制调制时，不可避免的造成 星座点密度的增加( 4 l ，因此必须提高信噪比，以保证调制符号的可靠传输。在衰 落信道环境，信号往往在时间上呈现大范围的波动，为保证用户始终处于高信噪 比环境，可以采用频率分集、时间分集和空间分集。采用多个天线的空间分集是 常用的方法，接收机可以通过各种分集合并方法提高接收端的信噪比，例如最大 比合并( m r c ) 、等增益合并以及选择合并【6 1 。另外，高迸制调制与适当的编码 方式相结合可以进一步提高系统的频谱效率。传统网格编码调制( t c m ) 方 法只能提供有限的分集，最近提出的比特交织编码调制( b i c m ) 方法1 1 4 h 圳， 将编码和调制作为两个分离的部分考虑，b i c m 以比特交织代替符号交织，增加 了码字的分集数，使编码信号更适合在衰落信道传输。 多栽波及正交频分复用( o f d m ) 技术【1 7 1 1 1 8 l 多径效应使无线信号在传播时产生i s i 。对于低速传输的数据，由于信道的 最大时延小于符号周期，不用均衡技术就可以消除i s i 。而在高速数据传输时， 3 多径效应会产生严重的i s i ，即使用非常复杂的均衡技术也很难完全消除i s i 。多 载波发射或者o f d m 是一种非常适合在多径环境中传输的技术，它将一个高速 数据流分解成多个低速数据流，以并行的方式在多个子信道发射，使得在每个子 信道中符号周期都远大于信道的最大时延，从而解决i s i 问题。由于o f d m 可以 将频率选择性衰落信道改造成多个并行的平坦衰落信道，在o f d m 系统使用多 发射多接收天线可以大大提高系统容量”州。 多输入多输出( m i m o ) 传输技术【2 0 1 1 2 1 m i m o 就是在发射机和接收机使用多个天线进行数据传输的技术，这种多天 线发射接收可以大大提高系统的容量。天线阵列很早就被用于接收机分集，智能 天线l 露i t 纠提出以后，天线阵列在无线通信系统的应用进一步得到广泛深入的研 究。与接收分集和智能天线相比，m i m o 不仅能够提供分集增益和阵列增益，而 且可以采用空间复用的方式提高系统容量。无论发射机还是接收机的天线都是有 限的，因此增加分集增益和提高发射速率是相互矛盾的，空时编码【2 4 1 - z r l 的提出 较好的解决了这矛盾。空时编码将编码与发射分集相结合，实现了发射速率与 分集增益的折衷。 从以上这些技术的特点可以看出，提高频谱效率和可靠性是未来无线移动通 信发展的方向。从这些技术的实现方式来看，在发射机和接收机使用多个天线或 天线阵列，将是未来无线移动通信系统不可或缺的组成部分。论文在国家自然科 学基金项目“宽带高速无线通信传输理论及关键技术的研究”( 项目批准号 n o 。9 0 1 0 4 0 1 6 ) l ls 】和高等学校博士学科点专项科研基金项目“基于自适应空时信 号处理的移动通信传输技术研究”( 项目批准号n o 2 0 0 2 0 0 0 4 0 2 2 ) 【9 】两个项目的 基础上，选择了“m i m o 空时通信理论及在衰落信道中的性能”为研究对象，以 发射分集、空时分组码、下行链路波束赋性和空间复用为主要研究内容，寻求适 合未来无线通信的高速率、高可靠性要求的新的数据传输技术。 1 2 多天线l l l l l 0 系统基础及研究进展 1 2 1 多天线r i f t 0 系统基础 无线传输受到信号衰落和干扰的影响，高数据速率和高业务质量要求需采用 新技术提高频谱效率、改善链路可靠性。在无线链路的两端同时使用多个天线可 以有效提高频谱效率和链路可靠性，这种系统称为多输入多输出( m i m o ) 无线 通信系统( 见图1 1 ) 。与多输入多输出系统相对应，称收发两端只有单天线的系 统为单输入单输出( s i s o ) 系统。m i m o 与s i s o 的区别不仅仅表现在收发天线 的增加，更主要的是m i m o 将一个单数据符号流通过一定的映射方法( 编码、 4 调制) 生成多个数据符号流，相应的接收端通过反变换恢复出原始数据符号流。 谐甘 ( b ) 图1 - 1 ( a ) s i s o 系统( b ) m i m o 系统 m i m o 的指导思想就是对多个发射天线和多个接收天线形成的空间维进行 开发和利用，或者通过收发天线形成的多个数据通道提高信号的传输速率，或者 通过分集发射和接收改善信号的传输质量。m i m o 系统采用空时信号处理技术， 多天线引入的空间维使系统能够在空间和时间对信号进行二维处理，从而在不增 加带宽和发射功率的前提下提高用户数据速率或接收信噪比。m i m o 系统是一个 广泛的定义，根据无线链路的结构可以分成几种特殊情况，除了前面提到的s i s o 系统和m i m o 系统外，还包括接收端采用多天线的单输入多输出( s i m o ) 系统， 以及发射端采用多天线的多输入单输出( m i s o ) 系统。对于确定的m i m o 系统 结构，需要解决的问题是，如何设计映射方法使无线链路的性能达到最佳? 根据 系统不同的衡量指标( 比特速率、可靠性等) ，m i m o 系统采用的映射方法主要 有空间分集、空间复用、波束赋形等，它们分别以不同的系统设计准则完成数据 符号流的映射关系。 空阅分集 发射信号经过多径传播之后到达接收机，当接收机各天线之间的间距足够大 时，各信号副本经历独立的衰落，这些信号副本经过接收机的分离合并得到分集 5 第一章绪论 北京交通大学博士学位论文 增益。由于各信号同时经历深衰落的概率大大降低，因此分集提高了无线链路传 输的可靠性，并可以进一步转化为数据速率的提高或发射功率的降低。同样，发 射机使用多个天线发射同一信号的多个副本，如果发射机各天线之间的间距足够 大，各信号副本也经历独立的衰落，对于单接收天线也可以达到分集的目的。如 果发射机和接收机都使用多个天线，系统的最大分集数就等于收发天线个数的乘 积。 空阃复用 无论多天线在发射端还是接收端都可以得到空间分集增益( m i s o 系统和 s i m o 系统) ，而空间复用贝要求收发两端都采用多个天线【船l 。空间复用的基 本思想是，发射机和接收机采用多个天线，利用传播环境丰富的散射，在同一频 带形成多个数据通道，使系统容量随天线数线性增长。这种容量增加不需要额外 带宽和功率消耗，因此具有很好的应用前景。空间复用的基本原理是，发射的高 速数据流经解复用被分成几个并行的低速数据流，在同一频带从多个天线同时发 射出去。由于多径传播，每个发射天线对于接收机产生不同的空间签名，接收机 利用这些不同的签名分离出独立的数据流，最后再复用成原始数据流。因此空间 复用可以成倍提高数据传输速率。 波束赋形 波束赋形是智能天线的基本技术，其主要原理是，基站采用自适应天线阵， 根据用户信号空间不同的到达方向( d o a ) ，利用波束赋形( b e a m f o r r n i n g ) 技 术在目标用户方向形成波束，在干扰用户方向形成零陷，从而实现基于干扰抵消 的空间滤波；另外如果信号到达天线的角度可以足够分离，波束赋形还可以实现 空分多址接入( s d m a ) 。同样，如果发射机与接收机之间存在反馈链路，发射 机可以得到准确的信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) ，就可以在基站使用 阵列天线对目标用户形成下行波束赋形，这样不仅减少了对其它用户的干扰，而 且可以得到阵列增益。 图1 2 给出了m i m o 系统的具体分类及对应关系。过去的研究表明，s i s o 系统在衰落信道的性能很差1 3 0 j ，而s i m o 系统也已经得到比较深入的研究，例如 上行链路的接收分集和波束赋形。本论文主要研究m i s o 系统和m i m o 系统在 衰落信道的性能，并且将研究重点集中在发射端的各种映射方法上。 6 、一 根据链路结构 分类 、，_ 根据映射方法 分类 图1 2m i m o 系统分类及对应关系 1 2 2 多天线m i m o 系统研究进展 发射分集 现有的无线移动通信系统，由于移动台发射功率的限制，一般认为上行链路 是数据传输的瓶颈，对空间分集的研究主要集中在接收机一方，例如基站使用多 天线、多角度和多种极化方式进行接收分集( s i m o 系统) 1 6 】。由于接收机比较 容易获得信道参数的统计量，因此接收分集利用基站接收的复杂度换取了系统信 噪比和可靠性的提高。但是在未来的移动无线应用环境中，大量高比特率数据业 务使下行链路负担越来越重，而且对于下行链路来说，由于受到移动台体积、功 率的限制，不可能在移动台采用类似基站的多接收天线，因此人们希望通过基站 多天线发射分集达到与接收分集类似的效果，这一思想逐渐成为研究的热点 3 i l 1 3 4 1 1 2 4 m 2 7 1 1 3 5 1 。 较早的空间发射分集都是通过频率分集和时间分集实现的，例如故意频偏发 射分集【3 6 l 和延迟分集 3 2 1 1 3 4 。文献【3 6 】提出的故意频偏发射分集的基本思想是，原 始数据复制成两个支路，正常的信号从第一个天线发射，一个经过频移的信号副 本从第二个天线发射，只要保证两个信号的载频间隔大于信道的相干带宽，两支 路信号就会经历独立的衰落，接收机对经历独立衰落的两个信号相干叠加，从而 得到分集增益。由于频率分集的方法要求额外的带宽消耗，因此文献 3 1 1 1 3 3 1 提 7 出了带宽有效的时间分集方法，文献 3 2 3 4 1 提出的延迟分集可以看作是文献 r 3 1 1 1 3 3 1 的特例。文献 3 2 1 1 3 4 提出的延迟分集的基本思想是，原始数据符号从两 个天线发射，正常的数据符号从第一个天线发射，经过延迟一个符号周期的同一 数据符号从第二个天线发射，产生多径效果，两径信号经历独立的衰落，接收机 对经历独立衰落的两径信号相干叠加，从而得到分集增益。延迟分集的缺点是信 号的重复发射降低了系统的数据传输速率。由于带宽扩展或发射速率降低，影响 了故意频偏发射分集和延迟分集在实际系统的应用，对实际的无线移动通信系统 更有效的发射分集技术得到更多的研究。 随着第三代移动通信系统标准的出台，发射分集技术得到了空前的研究和发 展，多种发射分集技术已经被纳入第三代移动通信系统的标准当中1 3 r l - f 3 9 | 。在北 美的c d m a 2 0 0 0 标准中，采用的两种发射分集技术分别是空时扩展( s t s ) 4 0 l 和 正交发射分集( o t d ) 【4 “。在欧洲的w c d m a 标准中，前向链路发射分集分为 开环发射分集和闭环发射分集，其中开环发射分集采用空时发射分集( s t i t ) ) 2 6 1 ，闭环发射分集采用闭环模式一( c l l ) 和闭环模式二( c l 2 ) 。文献【4 2 1 总结 了3 g 标准中的几种开环和闭环发射分集技术，并对其性能进行了比较。结果显 示，虽然闭环发射分集由于阵列增益而具有更好的性能，但是发射机要求接收机 反馈c s i ，不但减少了反向链路的有效传输容量，而且对信道变化以及信道估计 都很敏感。与闭环发射分集相比，开环发射分集由于发射机不要求c s i ，不但节 省了反馈链路开销，而且更适合于信道跟踪和信道估计困难的移动台高速运动环 境。文献 4 3 】则对几种前向链路开环发射分集方法进行了比较，指出s t s