（交通信息工程及控制专业论文）MIMO关键理论技术及其在近海海上通信的应用研究.pdf

中文摘要 摘要 过去的十年当中，对高数据率高移动性无线通信需求的迅猛增长，在无线信 道中实现对多媒体业务( 包括语音、数据和图像等) 的支持己经成为通信系统发展 的必然趋势，需要更高速率、更大容量的无线链路的支持。决定无线链路传输效 能的最根本因素在于信道容量，然而单纯以增加带宽、功率的方式来扩展信道容 量是不切实际的。因此使人们对分析设计各种多输入多输出( m m o ) 通信系统产 生了浓厚的兴趣。与单天线相比，多天线信道在丰富的分散射环境中表现出更强 大的s h a n n o n 容量。多输入多输出( m m o ) 技术可以在不增加额外带宽的条件下 完成高速无线通信，因此具有良好的发展前景。 本文针对m i m o 无线通信系统中的若干关键问题进行了研究。详细阐述了对所 提出的统计m i m o 信道模型进行计算机仿真的问题。首先详细讨论了仿真设计的思 路、方法、仿真处理流程和相关衰落系数的产生，然后分别对这些m i m o 系统的m i m o 信道进行了仿真，验证了所提出的m i m o 无线信道模型的正确性，得出了包括信道 的衰落特性、空间相关性和信道容量在内的大量仿真结果，并对仿真结果进行了 详细的分析和比较。在无线移动通信中广泛使用了分集技术来减小多径衰落的影 响，着重研究发射分集技术。空时编码技术就是利用空间和时间上的编码，结合 了编码、调制和分集等技术，对抗无线移动信道的多径衰落，提高传输质量、信 道的利用率。本文主要研究了三种空时编码技术，并对其性能进行了分析比较。 在m i m o 检测算法方面，本论文提出了3 种新型的检测算法。后两种算法是垂直分 层空时结构( v - b l a s t ) 检测算法的两种快速算法，这两种算法在保持性能不变的同 时，复杂度低于现有的其它同类算法。 随着航运业的发展，制约近岸船舶高速数据通信的问题越来越突出。新一代无 线通信技术的出现有望应用到海上通信中解决该技术难题。但是该技术正处于理 论研究和实验室测试阶段，还需要一段时间才能得到商业应用，因此对m i m o 通信 系统的的关键理论技术进行的研究，特别是对通信系统物理层的研究有着重要的 理论和应用价值! 关键词：多输入多输出；信道模型；信道容量：空时编码；检测算法 英文摘要 r e s e a r c ho nk e yt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e sf o rm u l t i p l e i n p u t a n dm u l t i p l e o u t p u tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n di t s a p p l i c a t i o ni nc o a s tc o m m u n i c a t i o n a b s t r a c t t h ed e m a n df o rh i g hd a t ar a t ea n d o rh i g l lm o b i l i t yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n a p p l i c a t i o n sh a si n e a s e ds h a r p l yo v e rt h el a s td e c a d eo rs o ，t h es u p p o r to ft h e m u l t i m e d i as e r v i c e ( i n c l u d i n gs p e e c h ，i m a g ea n dv i d e o ) i nt h ew i r e l e s sc h a n n e li st h e t r e n do ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m i tm a yn o tb ee f f i c i e n to re v e np r a c t i c a b l et o e x p a n dt h ec h a n n e lc a p a c i t yb yp u r e l yi n c r e a s i n gt h eb a n d w i d t ha n dt r a n s m i tp o w e rd u e t ot h el i m i t a t i o no ft h es p e c t r a lr e s o u r c e s ，w h i c hh a sm o t i v a t e dt h ea n a l y s i sa n dd e s i g n o fv a r i o u sm u l t i p l e - i n p u ta n dm u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) 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 c o m p a r e dt ot h es i n g l ea n t e n n ac a s e ，m u l t i - a n t e n n ac h a n n e l se x h i b i te n h a n c e ds h a n n o n c a p a c i t yi nar i c hs c a t t e r i n ge n v i r o n m e n t m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) a n t e n n at e c h n o l o g yi sp r o m i s i n gf o rh i g hs p e e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sw i t h o m i n c r e a s i n gt h et r a n s m i s s i o nb a n dw i d t h t h i st h e s i sf o c u s e so ns e v e r a li s s u e so fw i r e l e s sm i m oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i n t h ec o n t e x tw ed e s c r i b e dv a r i o u sc o n t e n t sc o n c e r n i n gt h es i m u l a t i o no ft h em i m e c h a n n e l f i r s t l y , t h ed e s i g nm e t h o d , t h ep r o c e s s i n gp r o c e d u r e sa sw e l la st h eg e n e r a t i o n o ft h ec o r r e l a t e df a d i n gc o e f f i c i e n t so ft h es i m u l a t i o nw e r ed i s c u s s e d s e c o n d l y , b a s e d o nt h es i m u l a t i o nm e t h o d sa n ds i m u l a t i o np l a t f o r m sw eh a ds i m u l a t e dt h em i m o w i r e l e s sc h a n n e l so ft h em i m os y s t e m s ，r e s p e c t i v e l yt ov a l i d a t et h em o d e lt h a tw e p r o p o s e d al o to fs i m u l a t i o nr e s u l t sw o r ep r e s e n t e d ，i n c l u d i n gt h ef a d i n gc h a r a c t e r i s t i c s ， t h es p a t i a lc o r r e l a t i o na n dt h ec h a n n e lc a p a c i t y , e t c t h er e s u l t sw e r ea n a l y z e da n d c o m p a r e dw i t ht h et h e o r e t i c a lv a l u e sa n dt h em e a s u r e m e n td a t af r o mr e f e r e n c e m a t e r i a l s i nt h ef i e l d so fw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , d i v e r s i t yt e c h n i q u e sh a v e b e e nw i d e l yu s e dt or e d u c et h ee f f e c t so fm u l t i - p a t hf a d i n g ，h e r es e v e r a lt e c h n o l o g i e s w e r ee x p l o r e da n de m p h a s i sw e r ep u to nt h et r a n s m i td i v e r s i t yt e c h n i q u e ss p a c e - t i m e c o d eu s e s s p a t i a la n dt e m p o r a lc o d i n gt e c h n o l o g y t o f i g l a tm u l t i - p a t hf a d e i n c o m b i n a t i o nw i t ht h et e c h n o l o g yo fc o d i n g ，m o d u l a t i o na n dd i v e r s i t y , w h i c hc a n v 英文摘要 i m p r o v et h ec o m m u n i c a t i o na n dq u a l i t ya n di n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo ft h ec h a n n e l s i m u l t a n e o u s l y h e r e t h r e ek i n d so f s p a c e t i m ec o d i n gm e t h o d o l o g i e s w e r e i n v e s t i g a t e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gp e r f o r m a n c ea n a l y z e d t h r e en o v e lc o m p u t a t i o n a u ye f f i c i e n td e t e c t i o na l g o r i t h m sw e r ep r o p o s e dw i 廿l r e s p e c tt ot h et o p i co fs i g n a ld e t e c t i o nf o rm i m os y s t e m ，t w oo fw h i c ha r et h ef a s t i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so fl a y e r e ds p a c e - t i m e ( v - b l a s t ) d e t e c to na l g o r i t h m st h a t w e r el e s sc o m p l e xt h a ne x i s t i n ga l g o r i t h m sa n dd e g r a d a t i o na v o i d e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es h i p p i n gi n d u s t r y , i th a sb e c o m eap r o m i n e n ti s s u e t h a tt h eh i g h - s p e e dd a t ac o m m u n i c a t i o n sf o rc o a s t a ls h i p p i n gw e r er e s t r i c t e db yt h e l i m i t a t i o no ft h ee x i s t i n gt e c h n o l o g y p e o p l eh a v ee x p e c t e dt os o l v et h i sp r o b l e mw i 廿la n e wg e n e r a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ef i e l d so fm a r i t i m e c o m m u n i c a t i o n s h o w e v e r , t h i sn e wt e c h n o l o g yr e m a i n si nat h e o r e t i c a la n dl a b o r a t o r y t e s t i n gs t a g e , a n d c o u l d n tb e e na p p l i e dc o m m e r c i a l l yi nas h o r tt i m e t h e r e f o r e , i ti so f t h e o r e t i c a la n da p p l i c a b l ei m p o r t a n c et oi n v e s t i g a t et h ek e yt e c h n o l o g yf o rm i m o c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，e s p e c i a l l yt h er e s e a r c hi nt h ep h y s i c a ll a y e ro f c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s k e yw o r d s ：m i m o ；c h a n n e lm o d e l i n g ；c h a n n e lc a p a c i t y ；s p a c e - t i m ec o d i n g ； d e t e c t i o na l g o r i t h m s 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位 论文 = = 丛! 数差键理论燕苤厘甚在堑瀣瀣土道信的廑围班究：一。除论文中已经注明引用的内 容外，对论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。本论文中不 包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 敝作渤抄脾硼丛日 钟貉吁 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管 理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密团( 请在以上方框内打“”) 论文储签名钟嘶导师虢力劲 日期：炒净多月心日 m i m o 关键理论技术及其在近海海上通信的应用研究 第1 章绪论 1 1 论文的研究背景和实际意义 2 1 世纪是一个信息时代，全球信息的产生和传递及其速度，都将深刻影响社 会的各个方面的发展。随着社会进步，经济增长以及人们对物质生活和精神生活 水平快速提高，我们对通信技术也提出了更高的要求。因此，在信息支撑，市场 竞争和需求的共同推动下，无线通信技术取得了高速的发展。 当前无线通信技术高速发展，已经应用到各个领域，面向多媒体业务包括图 像和视频等高速率数据业务、以移动计算终端为界面的通信方式正在引领技术发 展的潮流。提高无线数据通信速率等效于提高无线通信信道容量，也等效于提高 频谱利用率，人们围绕这一问题做了大量的工作，力求最大限度的利用时间、频 率、功率和空间资源。 近二十年来海上通信技术也取得了快速发展，但是随着海上交通地快速的发 展，现有船岸无线通信技术仍然难以满足需求。由于海上通信业务在地理条件和 发展时间等方面的行业特殊性，和陆上无线数据传输技术还存在很大的差距，目 前国内近海船岸间的无线数据传输系统在传输距离、传输可靠性、传输速率、抗 干扰能力等方面仍存在很大的不足，尤其是在船岸间数据业务交流日益增加的今 天显得非常突出，因此船岸间无线传输技术有着广阔的应用市场和发展前景。结 合目前的现状，研究近岸高性能的高速无线数据传输技术更加具有实际意义。 以多输入多输出( m i m o ) f 1 】f 4 】f 5 】【6 】的无线通信系统为支撑的无线宽带接入系 统( 如w i k a x ：w o r l d i n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s 全球微波接入互操作 性技术) 瞳1 恰好有望解决无线通信的“最后一公里”无线接入难题。这种技术同 样有望可以解决近岸海上高速无线数据传输的难题，可望加快航运信息化的建设， 推进航运事业的快速发展! 本文就是在这样的前提下对新一代无线通信物理层关键技术( 多输入多输出 m i m o ，m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 进行研究，最后对这种新技术应用到近岸 海上通信中进行探讨。 第1 章绪论 1 1 1 无线通信系统的发展简史 从2 0 世纪6 0 年代美国贝尔实验室等机构提出蜂窝系统理论以来，移动通信 技术经历了从无到有的快速发展过程。第一代移动通信系统m 主要采用的是模拟 技术和频分多址技术，具有代表性的有北美的a m p s 、欧洲的t a c s 、日本的n t t 等。虽然取得了成功，但也存在许多缺点，如频带利用率不高、容量有限、保密 性差等。 第二代移动通信系统3 主要有欧洲的g s b t 系统、i s - 1 3 6t d k a 系统以及美国的 i s - 9 5c d m a 系统它实现了话音的数字化，并用时分多址和码分多址技术，大幅度 的增强了系统的用户容量但是即便如此，g s m 系统也只能提供2 4 9 6 k b p s 甚至 1 4 4 k b p s 的电路交换语音业务以及通过g p r s 和e d g e 分别提供1 4 4k b p s 和3 8 4 k b p s 的分组交换数据业务：i s - 1 3 6t d m 提供9 6k b p s 的电路交换语音和传真业 务，其最高数据传输速率可以达到4 0 - 6 0 k b p s 显然第二代系统不能满足用户日益 增长的对多媒体业务的需求。 第三代移动通信技术( 3 gg e n e r a t i o n ) 阻1 的提出正是针对二代系统的不足，3 g 的标准主要有三个：美国的c d m a 2 0 0 0 、欧洲的w c d m a 、中国的t d s c d m a 希望能利用更大的带宽支持更高的数据速率。依据不同的应用环境，3 g 应能支持 1 4 4 k b p s 至2 m b p s 的速率，支持分组数据业务，具有更高频谱效率和服务质量。 目前3 g 正处于大规模商用的前期阶段。但是3 g 系统还不能实现现有各种无线网 络之间的无缝漫游 随着i n t e r n e t 的迅猛发展，3 g 在支持高速多媒体业务上的不足显露出来， 于是超三代第四代( b 3 g 4 g ，b e y o n d3 g 4 t hg e n e r a t i o n ) 呻1 的构想被提出。8 3 g 4 g 应能满足以下要求：支持全i p h l 高速分组数据传输，数据速率为数十兆b p s 甚至 百兆b p s ；支持高的终端移动性，移动速度可高达每小时几百公里；支持高的传 输质量，数据业务的误码率低于十万分之一；提供高的频谱利用率，可高达每赫 兹1 0 比特：提高功率效率，发射功率可降低1 0 d b 以上；有效的支持在用户数据 速率、用户容量、服务质量和移动速度等方面大动态范围的变化。我国也将b 3 g 4 g 的研究作为战略研究重点领域之一，称为f u t u r e 口1 ( f u t u r et e c h n o l o g i 骼f o r u n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t ) 计划。 m i m o 关键理论技术及其在近海海上通信的应用研究 随着各种无线通信业务和宽带数据业务的不断发展，无线资源，尤其是频谱资 源变得越来越紧张，如何更高效地利用这些有限的通信资源成为无线通信技术发 展的焦点所在。研究表明，使用多天线的m i m o 技术能够充分的利用空间资源，在不 断增加系统带宽和天线总发射功率的情况下，可以有效对抗无线信道衰落的影响， 大大提高系统的频谱利用率和信道容量，是高速数据传输的优选技术之一。 1 1 2 新一代无线通信系统的关键技术 近年来无线通信领域中的新技术不断涌现，具有代表性和突破性的有以下几 种： 多输入多输出( m i m o ，m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) ：m i m o 技术是利用 多发射、多接收天线进行空间分集的技术，能够有效的将通信链路分解成为许多 并行的自信道，从而大大提高容量。信息论的最新研究表明，m i m o 系统的信道容 量要高于传统的单输入单输出n 1 ( s i s o ，s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 系统，为高速 通信指出了新的方向。m i m o 又可分为两种，一种称为分层空时结构瞄引，是将发 射端的多根天线用于数据的并行传输，直接提高传输速率，其本质上是一种空间 复用技术；另一种称为空时编码m 儿 ，其通过特殊的编译码技术，利用发射端多 天线实现发射分集，减小传输的错误概率，其本质上是一种空间发射分集技术； 实际中这两种方式还可以相互结合起来。m i m o 被认为是未来实现高速通信的最重 要的技术之一。本文中将就m i m o 关键技术展开研究。 正交频分复用嘲( o f d m ，o 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 ) ：o f 嘲 技术是一种多载波技术，它利用了离散傅立叶变换( d f t ；d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ) 和反变换( i d f t ，i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 来分别实现接 收端的信号分离和发送端的信号并行传输，这样就可以用一个模拟前端来代替传 统多载波系统中的多个模拟前端，并且d f t i d f t 可用快速傅立叶变换( f f t ，f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m ) 和反变换( i f f t ，i n v e r s ef a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ) 来实现，大 大减小了复杂度。0 f d m 的其它主要优点一是克服了传统多载波技术频谱效率低的 缺点，二是o f d m 将整个频带上的频率选择性衰落转变为各个并行子信道上的平坦 衰落，大大降低了均衡的复杂度。目前o f d m 已成为宽带无线系统的主流技术之一。 迭代处理1 2 11 9 9 3 年b e r r o u 等提出了一种接近香农限的信道编码称为 第1 章绪论 t u r b o 码，其最大的特点就是接收端采用了迭代译码技术。然而t u r b o 码的意义 不仅在于提出了一种纠错能力极强的新编码，更重要的是其迭代译码的思路开创 了迭代处理这一重要思想先河。目前迭代的思想已被大大扩展了，被应用到通信 的其它方面，比如迭代均衡、迭代检测等。 除了以上3 种关键技术，还有其它一些新技术也非常重要，比如：智能天线 ( 也有文献将其归为m i m o 的一类) 、自适应调制编码、混合自动重传请求、软件 无线电等等，这里就不全部进行介绍。 1 2 川m o 关键技术研究现状及其应用 1 2 1 无线通信的基本原刚 无线通信实质上是一种资源受到限制的信息传输系统。这里所讲的资源是指 无线通信用到的时间、频率、空间、功率和用户等资源。受到限制指这些资源在 每个维度上都不是无限的，而是一个受限系统。因此，无线通信物理层的技术、 算法就是作用在以下几个方面，可以分为：从传输的信号载体角度有t d m a 、f d m a 、 c d m a 、o f d m 和m i m o 等技术，从传输的发射端角度有调制、波束成形、脏纸编码 等自适应技术，。从传输的接收端角度有信道估计、信道均衡、同步、检测等随机 信号处理技术。从资源的角度有自适应等技术，包括资源分配算法；从信息的角 度有信源、信道编译码技术，空时编译码等技术。 在物理层链路中，各种技术、算法是用来有效保证信息或信号在信源和信宿 问的可靠传输，而且它们是在链路中是级联影响和作用的，比如发射端的不同的 自适应、分集技术和不同确定信号传输载体技术、接收端的不同随机信号处理技 术和算法以及发收两端的不同编译码方式和结构等，如下图1 1 。 无线通信技术发展的根本目标是不断追求尽可能小的差错概率和尽可能大的 信道容量，而解决问题的最基本思路是最优化系统性能和最低实现复杂度，这是 基本的矛盾。发射端的任务就是保证可靠传输的基础上尽量提高信道容量，即考 虑不同的编码、自适应、分集以及传输载体技术来实现这一要求，是研究可靠性 和有效性的关系。接收端的任务就是尽量从接收到的随机信号中恢复发送的信号 和信息，即考虑不同的信道估计、均衡、同步、检测算法以及译码算法来实现这 4 m i m o 关键理论技术及其在近海海上通信的应用研究 一要求，是研究系统性能和复杂度的关系。另外，信源和信宿出现的差错是发射 端、无线信道和接收端联合影响造成的。 一 恒也张 ：函： 图1 1 无线通信物理层链路技术 f i g 1 1p h y s i c a ll a y s l i n kt e c h n o l o g yo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s 1 2 2 无线m i 帅系统的概念 一般来讲，多径效应要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明， 对于m i m o 系统来说，多径效应可以作为一个有利因素加以利用。m i m o 系统 在发射端和接收端均采用多天线( 或阵列天线) 和多通道，m i m o 技术的多输入 多输出是针对多径无线信道来说的。图1 2 所示为m i m o 系统的模型图。传输 信息流s ( k ) 经过空时编码形成m r 个信息子流c ：f ( 七) ，i = l ，2 ，鸩。这坞个子流由 发射天线坼 接收天线 图1 2 m i m o 系统天线模型 f i g 1 2a n t e n n am o d e lo f m i m os y s t e m 计 街 一 一射射击襄舷罄藤燃；：l雌蛾；蚕硼卜-雕锄罅 黼均黼检一 一榻聃采 蒜涨磊警 第1 章绪论 m r 个天线发射出去，经过空间信道后由m 。个接收天线接收。多天线接收机利用 先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳接收处理。 特别是，这膨，个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并 未增加带宽。若各发射、接收天线间的通道响应独立，则多输入多输出系统可以 创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可 以提高。m i m o 将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现 高的通信容量和频谱利用率。 m i m o 系统的概念非常简单，任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收 端均采用了多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线m i m o 系统。 1 2 3 _ i 帅技术研究现状 在国外美国贝尔实验室最先开始对多天线技术进行研究，其研究员 i e t e l a t a r 、g j f o s c h i n i 、g d g o l d e n 、p w w b l n i a n s k y 、m j g a n s 、r a v a l e n z u e l a 、 等长期从事m i m 0 技术研究，其第一个空时方案就是著名的b l a s t 结构。b l a s t 技 术是移动通m i m 0 系统中若干关键技术的研究信方面领先的m i m 0 应用技术，是其 智能天线的进一步发展。b l a s t 技术就其原理而言，是利用每对发送和接收天线 上信号特有的“空间标识 ，在接收端对其进行“恢复一。利用b l a s t 技术，如同 在原有频段上建立了多个互不干扰、并行的子信道，并利用先进的多用户检测技 术，同时准确高效地传送用户数据，其结果是极大提高前向和反向链路容量。但 该系统仅对窄带信号和室内环境进行了研究，在现实的应用中尚有较大的距离n 引。 斯坦福大学a j p a u i r a j 教授是研究空时无线通信技术的先锋，长期从事智 能天线与空时处理研究( w w w s t a n f o r d e d u a p a u l r a j ) ，在m i m 0 技术研究方面具有 很深的造诣，取得了很大的展，特别是在无线接入技术。伯克利加州大学 ( u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i aa ta e f k d e y ) 电子工程与计算机科学系d a v idt s e 教授 ( h t t p ：w w w e e c s b e r k e l e y e d u ) 的主要研究h l i m 0 无线通信系统、信道容量、分集 与复用等啪1 。弗吉尼亚理工大学t s r a p p a p o r t 博士领导的移动和便携无线电m p r g 研究小组从事无线通信、信道模型与智能天线研究：r m b u e h r e r 教授等从事无 线通信、自适应天线、信号空间相关性与天线分集方面的研究( h t t p ： 6 m i m o 关键理论技术及其在近海海上通信的应用研究 w w w m p r g o r g p e o p l e ) 啦u 。欧盟i s t l v i e t r a ( i n f o r m a t i o ns o c i e t yt e c h n o l o g i e s p r o g r a m m em u l t i e l e m e n tt r a n s m i ta n dr e c e i v ea n t e n n a s ) 的项目资助评估在3 g 的 移动终端引入多元自适应天线结合自适应基站天线阵列的性能，及其可行性分析。 研究员j r k e n n o d 、r e m o s e n s e n 、和g e p c d c r s e n 等在丹麦奥尔堡大学进行了大 量外场测试与研究，并提出了一些m i m o 信道模型，促进了m i 技术的发展。 日本与韩国等国家也正在积极进行m i m 0 无线系统的研究与开发。 在国内，北京邮电大学、清华大学、电子科技大学、华南理工大学等高校与 华为、中兴通讯公司等企业与科研所等研究机构也正进行m i m o 通信技术的研究与 现场测试，提出了多种编码算法与信道模型，并研制了多种m i m 0 天线，进行了信 道相关性等研究。 我国科技部和信息产业部对新一代无线通信技术相当重视，启动了未来通用 无线通信技术研究计划( f u t u r e ) ，拟以三阶段实施：第一阶段( 2 0 0 1 1 2 - 2 0 0 3 1 2 ) ， 开展b 3 g 4 g 蜂窝通信空中接口技术研究，完成b 3 g 4 6 无线传输系统的核心软、 硬件研制工作，开展相关传输实验，向i t u 提交有关建议，申请一批核心技术专 利：第二阶段( 2 0 0 4 1 - 2 0 0 5 1 2 ) ，使b 3 g 4 g 空中接口技术研究达到相对成熟的水 平，进行与之相关的系统总体技术研究( 包括与无线自组织网络、游牧无线接入网 络的互联互通技术研究等) ，完成联网实验和演示业务的开发，建成具有b 3 g 4 g 技术特征的演示系统，向i t u 提交初步的新一代无限通信体制标准：第三阶段 ( 2 0 0 6 卜2 0 1 0 1 2 ) ，完成通用无线环境的体制标准研究及其系统实用化研究，开 展较大规模的现场实验，完成预商用系统的研制。 虽然m i m 0 其理论、性能、算法和实现的各方面均被学者广泛地进行着研究。 但是由于无线移动通信m i m 0 信道是一个时变、非平稳多输入多输出系统，尚有大 量问题需要研究。空时编码是m i m o 的基本问题，相关文献中已提出了不少m i m o 及空时编码算法。但是为了在新一代系统中实际应用m i m 0 ，在空时编码算法研究 上还有大量工作要做。在新一代系统中实际应用m i m o 技术，就必须结合具体通信 体制( 多址方式、双工方式、调制方式、常规信道编码方式、多用户检测方式、波 束形成方式等) 进行性能研究和系统设计。 随着m i m o 技术的更加深入研究，以m i m 0 技术为支撑的w i m a x 技术应用到海 7 第1 章绪论 上通信中，有望解决近岸海上高速数据通信的难题。 1 2 4m i m o 技术有待解决的问题 对m i m o 技术的已经取得了很多成果，但是m i m o 提供的吞吐量增益是在理想 情况下获得的，且对信道条件很敏感。m i m o 增益的代价是增加基站和手机的接收 机复杂度，不同的因素，如不正确的天线相关性，多普勒频移，以及信号设计和 处理等都会影响理想系统的性能，下面我们列出一些在m i m o 商用之前需要解决的 问题： ( 1 ) m i m o 信道模型 因为m i m o 无线系统的性能，在许多方面跟所处环境的多径信号的性质有关， 特别要受各条路径之间的相关性、角度扩展和时延扩展的影响，所以了解和掌握 户内和户外环境中，无线m i m o 信道的特性，对实现潜在的信道容量、取得预期的 效果、选择合适的系统结构和设计优良的信号处理算法非常重要，为此必须建立 合适的信道模型，用于预测系统的性能和评估算法的优劣。为了适应信道的时变 特征，不仅需要建立m i m o 信道的静态模型，还要建立特定的动态模型，因为提出 新的并且更具体的信道模型，可用于分析现有的传输算法是如何影响系统的性能 的，同时为适应这些更具体的模型要求，能否能提出一些新的算法。 ( 2 ) 天线因数 各天线之间距离和天线的数量是m i m o 系统设计的非常重要参数，要实现m 1 m o 系统的高频谱效率，前者更为重要。在基站安装大量的天线，对周围的环境会造 成一定的损害，因此天线的数量宜限制在折中的水平，比如4 根，它们之间的距 离一般选择为1 0 个波长，或者这个距离稍微偏大，因为这样的选择是由于基站一 般安装在较高的位置，不能保证总是存在能使衰落去相关的本地散射体。如果使 用双极化天线，在2 g h z 的频率上，1 0 倍波长的间隔，4 根天线占据的空间约为 1 5 米。对于终端，选择半个波长的天线间距足以保证有相当数量的不相关衰落， 因为终端一般处于本地散射物之间，而且不存在直接传播路径，终端天线的最大 数量预计为4 根，但是实际实现时，一般选择最小的数目为2 根。据计算4 根双 极化天线要占据7 5c m 的空间，这4 根天线可以非常容易地嵌入诸如笔记本电脑 的外壳中，然而对于手机，即使是安装2 根天线也成问题。因为手机目前的设计 i v l i l v l o 关键理论技术及其在近海海上通信的应用研究 趋势是把天线嵌入到机壳中，目的是增加产品的吸引力，因此天线间距要求会成 为一个非常关键的问题。 ( 3 ) 接收机复杂性 m i m o 接收机与单天线接收机相比，复杂性明显要增加，具体表现在由于多用 户、多天线的存在，消除空间干扰的空时合并器和信号检测器的设计变得异常复 杂，m i m o 系统与单天线接收机相比，复杂性要增加约2 倍：由于m i m o 接收机受周 围环境的散射影响，存在角度扩展和延时扩展，在均衡和干扰对消方面需要增加 一些附加的处理：m i b l o 信道估计也要导致复杂性的增加，因为整个信道矩阵的每 一条路径延时( 在o f d m 中为每一个时隙) ，都需要及时跟踪和更新，而不是只跟踪 和更新单个系数：额外的复杂性还来自增加的r f 链( 与r x 天线的数目相等) 和相应 的基带运算单元，还有接收机的隔离算法等。对于蜂窝手机，电池的寿命长短也 跟接收机的复杂性有关。 ( 4 ) m i m o 系统的设计和信号设计 m i m o 信道的识别、对于已知信道应如何设计最佳发送信号，即设计出适合于 大多数信道模型的通用信号、接收端信号处理如何对应信号设计，这些都是实际 可用的m i m o 系统必须考虑的问题。使用最优的发送信号方案，可以大大简化对接 收信号的处理。还有就是m i m o 系统需要与现有的非m i m o 通用网络集成、向后兼 容，即未来的m i m o 接收机应该是双模式的。m i m o 在未来网络中的应用中，m i m o 技术将发挥巨大的作用，但还有很多工作需要进行深入研究：m i m o 算法如何应用 在由于用户移动造成的快速时变信道中，减少附加天线所带来的干扰，研究开发 适合蜂窝网络的m i m o 链路，设计利用m i m o 信道实现在降低干扰和提高速率之间 最优的折衷算法。 1 3 本论文研究内容 本文的研究内容是m i m o 通信系统物理层关键理论技术，即m i m o 无线信道基 本特性，无线信道模型和空间相关性，空时编码技术，垂直空时码的( v b l a s t ) 信号检测，最后对m i m o 技术在近海海上通信中的应用研究。本文所有的仿真是建 立在m a t l a b7 0 平台之上。 全文的内容安排如下： 9 第1 章绪论 第二章分析m i m o 无线信道基本特性，推导出m i m o 信道容量。 第三章研究无线信道模型和空间相关性，最后进行计算机仿真。 第四章研究m i m o 技术应用的空时编码技术，包括空时分组码( s p a c e t i m e b l o c kc o d es t b c ) ，空时网格码( s p a c e - t i m et r e l l i ss t t c ) 最后在各种不同的条件 下进行计算机仿真。 第五章研究垂直一贝尔实验室分层空时码检测算法( v e r t i c a lb e l ll a b o r a t o r i e s l a y e r e ds p a c e - t i m ev b l a s t ) ，研究三种检测算法并对其进行计算机仿真验证。 第六章对m i m o 技术应用在近岸海上通信进行研究。 第七章，对全文总结，提出进一步的研究方向。 i o m i m o 关键理论技术及其在近海海上通信的应用研究 第2 章无线衰落信道描述及信道容量分析 无线信道是影响通信的最根本的因素，无线信道能本质上影响通信的可靠性 和有效性，因此物理层的所有技术和算法都是围绕着信道进行研究的。而无线信 道具有很多自身的特性，深刻理解其特点是研究各种无线移动通信技术的前提。 无线环境中，多径传播和多普勒影响是造成信道变化的主要因素。多径传播与无 线信道链路周围的环境有关系，这是因为电磁信号在无线发射机和接收机之间传 播时会存在直射、反射、衍射和散射等多种传播机制。多普勒影响与载波频率、 发射机和接收机之间的相对运动速率有关，由于高载波频率的使用是今后通信发 展的方向，移动性将引起更大的多普勒影响。 因此，本章将从时域( 多径传播) 和频域( 多普勒影响) 两个方面对无线信道的 特点进行归纳总结，分析信道模型和衰落特征。 2 1 无线信道模型 连续时间线性时变信道的最一般形可以描述为阻1 ： y ( f ) = ih ( t ，r ) s ( t - r ) d r + ，l ( f ) ( 2 1 ) 其中s o f ) 和y ( o 是信道的输入和输出函数， l ( f ，f ) 是信道脉冲响应，疗( f ) 是加性 噪声，一般来说，如果给定一个实信道( 比如反射、衍射和散射等) 的物理交互信 息，那么信道的脉冲响应j j l o ，f ) 就是一个二维的随机过程，可是在许多实际应用 中，随机过程的实现能够用有物理意义的参数来精确描述