（信号与信息处理专业论文）接收天线选择与分布式mimo通信系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1i 页 摘要 无线移动通信技术的发展，使得通信技术已经从传统的语音通信逐渐发展到视频、 多媒体通信等业务，也因此对无线网络提出了更高带宽和更大容量的要求。多输入多 输出技术( m m o ，m u l t i p l ei 印u tm u l t i p l e 阢印u t ) 作为无线移动通信技术的重大突破， 能够极大的提高系统的容量和频谱的利用率，受到了越来越多的关注。然而，无线 m i m o 通信系统的多天线设置要求更多的射频链路，无形中增加了系统的硬件成本， 也加大了系统的复杂度。天线选择在系统性能损失不太大情况下，可以有效减少系统 的硬件成本和降低系统复杂度，为此本文就天线选择技术展开研究。 本文首先对无线m 蹦o 技术出现的背景、研究现状和存在的问题进行了详细的论 述，重点分析了天线选择对m i m o 系统性能的影响，并就天线选择对系统的误码率和 信道容量的影响进行了深入的探讨。接着，搭建了基于天线选择的m i m o 系统模型， 并对m 蹦o 信道容量公式进行了推导。 其次，基于现有的天线选择算法，提出了一种基于范数和奇异值的n s 新选择算法。 此算法在提升系统信道容量性能的同时，考虑了减少系统复杂度。在准静态瑞利衰落 信道下，实虚部采用均值为o 与方差为0 5 的复高斯独立同分布信道环境，设计了采用 v - b l a s t 编码、b p s k 调制和迫零检测的系统方案，利用设计的方案分别对通信信道 进行误码率性能仿真。研究表明，所提新算法同时降低了误码率和系统的复杂度。 最后，研究分析了分布式m i m o 系统及其信道衰落特性。介绍探讨了现有各种分 布式m m o 天线选择算法和性能特点，结合g o r o 姓o v 递增选择算法提出了一种适合 分布式m i m o 系统的改进递增选择算法。在准静态瑞利衰落环境下，经过实验仿真表 明，改进的递增选择算法在较小性能损失的情况下，实现了系统复杂度的降低，是一 种适合分布式m i m o 系统的有效选择算法。 关键词：信道容量，误码率，n s 算法，分布式m 叫o ，复杂度 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n t o fw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ym a k e st h a t c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sm o v e df r o mt h et r a d i t i o n a lt ot h ep r o g r e s s i v ed e v e l o p m e n t o fv i d e o t e l e p h o n ya n dm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n ss e r v i c e s t h e r e f o r eah i g h e rb a n d w i d t h a n dl a r g e rc a p a c i t yr e q u i r e m e n t sa r en e e d e df o rt h ew i r e l e s sn e t w o r k m i m ot e c h n o l o g y ( 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 ) i nw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya sa m a j o rb r e a k t h r o u g h ，w h i c hg r e a t l yi m p r o v e st h es y s t e mc a p a c i t ya n ds p e c t r u mu t i l i z a t i o n ，i s i n c r e a s i n g l yc o n c e r n e da b o u t h o w e v e r , m o r em u l t i - a n t e n n ar fl i n ka r er e q u i r e di nt h e w 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 ms e t , w h i c hn o to n l yp o t e n t i a l l yi n c r e a s e st h e h a r d w a r ec o s t s ，b u ta l s oi n c r e a s e st h ec o m p l e x i t yo ft h es y s t e m i nt h ec a s et h a tt h es y s t e m p e r f o r m a n c el o s si sn o tt o og r e a t , a n t e n n as e l e c t i o nc a l lr e d u c eh a r d w a r ec o s t sa n dc u td o w n s y s t e mc o m p l e x i t y i nt h i st h e s i s ，t h ea n t e n n as e l e c t i o nt e c h n i q u ei sr e s e a r c h e d f i r s t l y ，i nt h i st h e s i s ，t h eb a c k g r o u n do ft h ew i r e l e s sm i m ot e c h n o l o g ya p p e a r a n c e ， s t a t u sa n dp r o b l e m se x i s t i n gi nw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h e nt h ee f f e c to ft h ea n t e n n a s e l e c t i o nf o rm i m os y s t e mp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d ，a n dt h ea f f e c to ft h ea n t e n n as e l e c t i o n f o rb e ra n dc h a n n e lc a p a c i t yi sd i s c u s s e di nd e p t h t h e nas y s t e mb a s e do nm i m oa n t e n n a s e l e c t i o ni se s t a b l i s h e d a n dt h ef o r m u l ao fm i m oc h a n n e lc a p a c i t yw a sd e r i v e d s e c o n d l y ，b a s e do ne x i s t i n ga n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h m ，an e ws e l e c t i o na l g o r i t h mt h a t i sc a l l e da sn sb a s e do nn o r ma n ds i n g u l a rv a l u ei sp r o p o s e d t h i sa l g o r i t h mc o u l de n h a n c e t h es y s t e mp e r f o r m a n c eo ft h ec h a n n e lc a p a c i t y ，w h i l et h er e d u c t i o no fs y s t e mc o m p l e x i t yi s c o n s i d e r e d i nt h eq u a s i s t a t i cr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l w h i c hr e a la n di m a g i n a r yp a r t s 、) i ，i t h m e a n0a n dv a r i a n c e0 5i i di su s e da sc o m p l e xg a u s s i a nc h a n n e le n v i r o n m e n t v b l a s t c o d e s ，b p s km o d u l a t i o na n dz e r of o r c i n gd e t e c t i o ns y s t e mp l a ni sd e s i g n e d a n dt h eu s eo f d e s i g np r o g r a m sw e r ec a r r i e do u to nt h ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e lb i te r r o rr a t ep e r f o r m a n c e s i m u l a t i o n s t u d i e ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dn e wa l g o r i t h ms i m u l t a n e o u s l yr e d u c e st h ee r r o r r a t ea n dt h ec o m p l e x i t yo ft h es y s t e m f i n a l l y ，t h ed i s t r i b u t e dm i m os y s t e ma n dt h ec h a n n e lf a d i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h e d i s t r i b u t e dm i m os y s t e ma r er e s e a r c h e da n da n a l y z e d t h ee x i s t i n gv a r i e t yo fa n t e n n a s e l e c t i o na l g o r i t h ma n dp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa r ei n t r o d u c e da n di n v e s t i g a t e d 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a i m p r o v e di n c r e m e n t a ls e l e c t i o na l g o r i t h mc o m b i n e dw i t hg o r o k h o vi n c r e m e n t a ls e l e c t i o n a l g o r i t h mw h i c hs u i t s t oad i s t r i b u t e dm i m os y s t e mi sp r o p o s e d i nt h e q u a s i s t a t i c r a y l e i g hf a d i n ge n v i r o n m e n t ，s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ss h o w t h a tt h ei m p r o v e di n c r e m e n t a l s e l e c t i o na l g o r i t h ma c h i e v et h er e d u c t i o no fs y s t e mc o m p l e x i t yi n t h ee a s eo fs m a l l p e r f o r m a n c el o s s ，w h i c hi st h ee f f e c t i v es e l e c t i o na l g o r i t h mf o r ad i s t r i b u t e dm i m o s y s t e m k e yw o r d s ：c h a n n e lc a p a c i t y ，e r r o rr a t e ，n sa l g o r i t h m ，d i s t r i b u t e dm i m o ，c o m p l e x i t y 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 无线移动通信发展的现状 自2 0 世纪8 0 年代开始，无线移动通信技术以前所未有的速度飞快发展，从目前 的形势来看，这种势头还会继续下去，甚至会更快。随着互联网业务的拓展与智能手 机、掌上电脑以及个人数字助理( p d a ) 等电子消费品的普及，通过无线方式随时随 地的接入互联网，成为一种越来越迫切的需求。从最初的短信息、邮件到通过移动终 端设备浏览阿页、多媒体信息等。人们通过计算机、无线通信和互联网得到各种丰富 的业务信息。因此，丰富的业务种类、广泛的覆盖范围以及快捷与便利的接入方式勾 勒了未来无线移动通信的轮廓。 2 0 世纪5 0 年代至7 0 年代后期，半导体技术、微处理器和大规模集成电路器件的 发展使得无线移动通信进入商业运营成为可能。8 0 年代初，第一代只提供模拟电话移 动通信蜂窝网( i g ) 开始为公众使用。这一时期具有代表性的第一代无线通信系统有 北美的a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 、欧洲的t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 两大系统，以及日本的h c m t s 和北欧的n m t 。主要是采用频分多址( f d m a ) 技术实现对用户的动态寻址功能。实现以满足用户数量增长和服务范围的需求。 9 0 年代初期，泛欧的g s m ( 全球移动通信系统) 蜂窝网正式向公众开放使用，这 是第一个全球数字蜂窝移动通信系统。实际上，那是一个模拟网与数字网共享的蜂窝 通信系统。从此，全世界各国都加快研究开发数字蜂窝网，其中具有代表性的第二代 ( 2 g ) 移动通信系统有欧洲的时分多址( t d m - a ) g s m 、北美的码分多址( c d m a ) 。的i s 9 5 以及日本的p d c 系统。第二代移动通信系统主要采用t d m a ( g s m ) 、 c d m a ( i s 9 5 ) 技术实现对用户的动态寻址功能。然而，g s m 仅能提供2 4 - 9 6 k b p s 的 电路交换速率。俗称二代半( 2 5 g ) 的g p r s ( 通用分组无线业务) 虽然理论值达到 1 7 2 2 k b p s 分组交换速率，实际值也往往低得多。显然，第二代移动通信系统还不能满 足人们对多媒体业务的需求。2 0 世纪9 0 末至2 1 世纪初，为满足移动用户的需求和吸 引更多的新用户，诞生了第三代移动通信系统( 3 g ) ，3 g 又称之为i m t - 2 0 0 0 ( 国际移动 通信系统) ，以其多媒体业务为主要特征。具有代表性的有欧洲与日本的w c d m a 、北 美的c d m a 2 0 0 0 以及我国提出的t d s c d m a 系统，另外还有欧洲的d e c t 和北美的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 切c - 1 3 6 。第三代移动通信系统既可以为用户提供话音、数据和图像的单一业务，也 可以为用户提供多媒体通信业务。3 g 将采用数字技术和最新的无线电技术，发挥各种 通信技术的优点，实现无缝的全球通信网络，数据速率达到3 8 4 k b p s - 2 m b p s 。近来， 第四代移动通信系统( 4 g ) 的研究也已经展开。趋向于采用正交频分复用( o f d m ) 技术、 智能天线技术、空间复用与分集技术和联合检测技术相结合的方式以实现高速率的数 据传输，数据速率将达到2 2 0 m b p s 。 总之，移动通信技术的飞速发展已使其成为未来通信的支柱产业和通信方式i l j 。未 来的通信网络也将以无线移动通信网络为接入网，以光缆为主体的骨干网为核心网， 二者的相互结合构成未来通信网络的架构。高速率的传输性能、不同接入网的互联将 成为无线移动通信的发展方向。 1 2m i m o 系统的研究背景与意义 随着各种无线通信业务与多媒体技术的发展，人们对无线通信系统的容量提出了 更高的要求。传统的无线通信系统是基于单发射单接收天线的，其香农信道容量公式 为：c = bx l o g ：( 1 + s n ) 。b 表示信道带宽，s n 为信噪比，但是可利用的频谱资源 。 是非常有限的，在信道带宽b 一定时，信道容量由信噪比决定，信噪比越高，信道容 量越大。当信噪比达到一定值的时候，我们发现此时的噪声功率n 与信道带宽成线性 增长，即信道容量c 的极限值约为1 4 4 b 。自从香农公式问世以来，不少学者对其研究， 采用种种调制编码技术，试图超越香农公式的约束，但是最终都未能取得较满意的结 果。因此也成为未来无线移动通信系统发展的一大瓶颈。如何高效的利用有限的频谱 资源越来成为通信技术发展的关键所在，目前存在的方式有两种，一种方式是利用高 效的编码技术提高频谱的利用率。另一种方式即m i m o 技术。信息理论研究表明：发 射端与接收端同时使用多幅天线的m i m o 系统，在充足的散射环境下，可以显著提高 信道容量和增强系统的可靠性。因此，m 1 m o 技术成为未来高速率无线通信系统的一 个关键技术【2 】。 2 0 世纪9 0 年代中期，通信产业爆炸式的增长推动了理论界的深入探索。在s h a n n o n 等人对单天线信道容量理论研究的基础上，f o s c h i n i 和t e l a t a r 分别对基于加性高斯白 噪声下的多输入多输出信道容量进行了研究。在多输入多输出信道条件下，假设各发 射接收天线是互不相关的，得到的多天线信道系统比单天线系统在信道容量了有很大 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 幅度的提高。实验证明：在室内传播环境下，使用传统的无线通信技术，信道的频谱 利用率为1 5 b i t s h z ，而使用m i m o 无线通信技术，信道的频谱利用率可以达到 2 0 - - 4 0 b i f f s h z 3 1 。m i m o 技术也突破了传统的s h a n n o n 公式对信道容量的约束。 1 3m i m o 技术的特点 多径衰落、码间干扰( i s i ：i m e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 与共信道干扰( c c hc o c h a n n e l i n t e r f e r e n c e ) 是无线移动通信系统中的三个主要的有害因素。为了对抗信号衰落，m i m o 系统采用了分集技术处理，包括时间分集技术、空间分集技术、极化分集技术和频率 分集技术。时间分集通过发射技术实现；空间与极化分集则是通过多天线实现；频率 分集则是通过多径物理信获得。为了消除码间码间干扰，可以采用信道均衡技术。为 了消除共信道干扰，采用了自适应波束形成与多用户检测技术。当然这也以系统复杂 度增加为前提的。多径效应本身对无线通信系统是有害的，m i m o 技术则是充分利用 多径特性，结合各种发射合成技术，提高了无线通信系统的性能。 m i m o 技术可以有效提高空间复用增益和分集增益。另外，在采用多径的分集技 术的接收信号合并，实现了波束成型增益，通过增加接收端信噪比，扩大了m i m o 系 统的无线覆盖范围。 m i m o 无线通信系统能够极大的提高通信系统的性能，但是在不同的应用环境和 不同的需求下，对m i m o 系统的性能指标也有不同的要求，具体可分为三点，一是有 效性，这是针对频谱效率的；二是可靠性，对误码率的参数；三是复杂度，是根据成 本和实时性而严格界定的。在实际应该中，往往很难同时满足上述三都的要求，而是 根据具体的应用要求，设计具体的m i m o 通信系统指标，使更符合实际的需求。 1 4m i m o 技术现状及存在的问题 ，无线多媒体与无线互联网是下一代无线移动通信系统的主要目标【4 ，5 j 。关键是接入 的高速化、便捷的移动方式和实现全p 。从无线传输、业务和网络的角度来讲，所涉 及到未来无线移动通信系统的关键技术有m i m o 技术、信道编码技术、空时编码技术 和物理层自适应技术等。因此，未来的通信系统必将采用更高的频段；卫星、蜂窝、无 线局域网等无线通信系统得到更广泛的应用；实现三网合一的一个统一的全球通信网； 能够提供多种空中接1 2 和q o s 保证；支持全m 高速分组传输；达到高的移动性和高的传 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 输质量。自1 9 9 7 年w i f i 无线产品问世以来，1 1 m b p s 的8 0 2 1 1 b 无线产品让人们感受 到无线接入带来的便利，然而接入的速率远远不能满足人们的实际需求。2 0 0 1 年以后， 5 4 m p b s 的8 0 2 1 l n 无线产品的问世，但与百兆的有线网络仍存在有较大的差距。随着 以m i m o 技术为代表的产品出现，无线产品大有取代有线接入网产品的趋势。 多天线是m i m o 系统的基本特征，所谓的多天线即是指将网络信息分割成几部分， 然后转化为无线网络讯号通过多幅同步天线进行发送，在接收端采用多幅天线同时接 收，然后通过重新计算的方式，将分开的网络信息重新组合。从技术上讲，m i m o 技 术是无线移动通信领域中智能天线技术的一种突破。m i m o 技术完全兼容当前无线局 域网8 0 2 1l a b g 标准，同时也扩展了信号的范围，m i m o 技术能够保证在一定的范围 内无线信号的稳固接入，也能保证所要求的信号的服务质量。不仅提高了系统的信道 容量，同时也提高了系统的可靠性，降低了误码率。 1 4 1m i m o 技术现状 空时处理技术始终是通信理论界的一个研究活跃的领域。早期的研究，学者们主 要关注的是空间信号的传播和信号的处理，对信息的空间处理理论没有进行过深入的 探讨。实际上，早在1 9 0 8 年马可尼就提出利用多天线的m i m o 技术来抵抗信号的衰 落。在发射端与接收端同时采用多幅天线，利用无线信道多径传播的特点，建立并行 空间传输通道。但是受当时技术和成本的限制，m i m o 技术的研究工作也仅仅是停留 在理论的研究方面，并没有得到实际的应用。真正推动m i m o 技术向前发展的具有重 要意义的工作是f o s c h i n i 和t e l a t a r 【6 】等人在贝尔实验室进行研究的，1 9 9 5 年，t e l a t a r 分析了在瑞利信道条件下的m i m o 信道容量，1 9 9 6 年，f o s c h i n i 提出了基于m i m o 的 d b l a s t 分层空时结构，之后又提出更简单的v o b l a s t 分层空时结构 7 1 。1 9 9 8 年， t a l ( 1 l 【8 】等人研究了m i m o 空时编码，并提出了空时网格码( s t t c ) ，与此同时，a l a m o u t i 发现了一种更为简洁的发射分集方案，t a r o k h 在研究a l a m o u t i 发射分集方案的基础上， 将其归并为空时分组码( s t b c ) ，由于空时分组码构造容易，译码简单等特点，因而 被选为3 g 标准。同年，w b l l l i a n s k y 【9 1 采用了f o s c h i n i 所提出的v - b l a s t 分层空时结 构构建了m i m o 系统，并得出了一些有价值的结论。 m i m o 系统在信道容量和误码率方面有着极大优越性能和巨大潜力，促使人们不 断进行科学研究。关于m i m o 技术的研究目前主要从以下几个部分进行的，其一，信 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 息理论与编码技术；其二，天线与信道研究；其三，天线子集选择；其四，m i m o 与 c d m a 结合技术；其五，m i m o 与o f d m 结合技术；最后，预编码与多用户技术研究。 传统的m i m o 传输方案的目标设计可分为两大类：空间分集系统与空间复用系统，设 计时通常最大化其中之一的增益。 1 4 2m i m o 存在的问题 伴随着经济社会的发展，无线移动通信技术成为当今最为活跃的研究热点【1 0 1 。无 线宽带业务和数据通信业务的扩展，人们对无线通信系统的容量要求越来越高，当前 较低的通信速率和人们需求之间的鸿沟越来越突出。信息理论研究表明，通过基站与 终端同时安装多幅天线，构成的无线m i m o 通信系统可以有效利用空间资源，在不增 加系统带宽和发射功率的情况下，可以很好的提高频谱利用率和信道容量。如此同时， 在增加天线个数也带了硬件成本的增加，昂贵的射频链路成本无疑限制了m i m o 技术 的使用。虽然多输入多输出技术在理论与实验过程中取得了一些重要的成就，但是真 正距离实际的应用还有很长的一段路要走，有几点必须得到有效的解决，首先，多幅 天线要保持一定的数量和间距以实现提高m i m o 系统的性能。天线太多会对周围的环 境造成较大的辐射，同时天线又要保持足够的距离，否则会产生很强烈的共信道干扰， 这样对移动台的安装造成很强烈的限制。其次，多天线无疑增加了系统的复杂度和成 本。多天线的设计在信号传输易引起码间干扰和共信道干扰，为了消除这些有害因素， 系统的设计要求一些附加的处理模块。接收机的信号检测也增加了无线通信系统的复 杂性，造成硬件成本过大，m i m o 系统的过高成本也会阻碍m i m o 技术的发展。为了实 现信号的实时处理，降低系统的复杂度也是关键点，本文所研究的天线选择算法也是 基于此展开的。再次，m i m o 信道估计也是一个难点。信道参数的估计很大程度上影 响着系统的性能，但是实际信道传播的环境受气候、场所、温度、相关性、角度扩展 等因素影响。最后，系统结构、信号处理和信道状态获取至关重要。恰当的系统结构 设计和对发射信号与接收信号的处理对系统性能的提升有非常重要的影响，而如果能 够准确获得信道的状态信息，由注水原理根据信道状态的好坏分配不同的发射功率， 使功率的利用率达到最大化。但设计出优良的系统结构和准确获信道状态信息在目前 还存在一定的困难。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 1 5 天线选择的现状与意义 天线选择技术由于可以很好的利用抗衰落信道条件较好的天线又能使硬件成本开 销不太大，而得到深入而广泛的研列“】。即从所有天线阵中选择出性能较好发射、接 收天线，每幅天线对应单独的射频链路。目前，对天线选择的准则主要有两种：一种 是基于提高系统性能，降低误码率的分集技术准则。另一种是基于最大化信道容量的 空间复用技术准则。 上世纪9 0 年代，以贝尔实验室的学者为代表的研究人员对m i m o 无线通信理论作了 大量的科学研究和开创新的工作，推导了信道容量公式及其容量的计算方法，提出了 分集技术、空间复用解决方案。这些为m i m o 技术的发展打了坚实的基础。之后，人们 开始对天线选择技术进行了深入的研究，得出了一些比较经典的天线选择算法。最优 天线选择算法是基于穷举的方法，在所有天线中选择出用于发射、接收的天线，得到 最优的信道传输，但是这种方式计算的复杂度太高，在实际中不能得到应用。次优的 天线选择算法，即递增递减天线选择算法，这种算法性能略微低于最优的天线选择算 法，但是在一定程度上减少了天线选择计算的复杂度。不失为一种有效的方法。基于 范数的天线选择算法是从信道矩阵中的所有行中，选择行向量模值较大的行作为所选 择的天线为传输信道，这种方法计算简单，较易实现，在信噪比较低时，也是一种非 常不错的方法。基于相关性的天线选择算法是得到最大不相关的各行向量的子矩阵传 输信道，这种方法也具有计算复杂度小的特点，但是与最优方法相差较大。近年来， 对天线选择也出现了一些新的方法，基于次优递增递减改进的天线选择算法，每循环 一次选择最好的一幅天线和删掉最差的一幅天线，减少了计算的复杂度n 羽。基于凸化 优理论的天线选择算法，通过凸优化得到选择的天线也是一种较好的方法。z h e n g 和 t s e u 3 1 等人也提出了一种基于分集技术与空间复用的混合天线选择算法，提出了将分集 与复用通过统一的框架结合起来。本文即是从信道容量和误码率考虑，同时考虑降低 系统的复杂度，实现整体系统优化的良好折中方案。 多天线设置可以很好的提高系统性能，而较多的射频链路也会增加系统的成本和 复杂度，这使得理论与实际应用存在一定的矛盾，天线选择较好地实现了系统的性能 提升和复杂度降低，很好的解决了m i m o 系统的不足。因此，天线选择技术成为m i m o 技术中不可或缺的重要组成部分n 钔。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 1 6 论文的主要研究内容 本文是在研究无线通信技术的背景、现状和发展的趋势的基础上，分析了m i m o 技术的基础理论和m i m o 技术的发展现状与存在的问题，以天线选择作为本论文的研 究课题，深入的研究了已有的m i m o 天线选择算法，结合已有选择算法提出了一种n s 新选择算法，所提算法的信道容量性能接近最优的选择算法。在误码率方面，此算法 明显优于随机算法和范数算法。另外，复杂度较最优算法有大幅的降低，是一种较好 选择算法。接着，研究了分布式m i m o 系统天线选择技术【l 引，给出一种改进的递增选 择算法，结果表明，改进的递增算法是一种适合分布式m i m o 系统的选择算法。具体 来说，本论文的研究内容和成就： 1 、分析了m i m o 无线信道模型，在瑞利衰落信道条件下，研究了在信道状态已知 情况下的信道容量和信道状态未知情况下的信道容量，验证了天线数量对m i m o 系统 性能的影响。探讨了空时编码对系统性能的影响，同时研究了基于z f 、m m s e 、m l 等检测算法的接收机对m i m o 系统性能的影响，并进行了检验。 2 、分析了已有的天线选择算法，对已有天线选择算法进行了理论推导，在此基础 上，提出一种n s 新选择算法，此算法考虑了信道容量与误码率性能，同时降低了系统 的复杂度。经过实验仿真，结果表明所提算法是一种有效的选择算法。 3 、根据分布式m i m o 信道模型及其特点，在已有选择算法的基础上，提出了一种 改进的递增选择算法，实验仿真表明，改进的递增算法在较小的性能损失情况下，实 现了系统复杂度的较大幅度降低，是一种适合分布式m i m o 系统的选择算法。 论文的具体安排如下： 第一章：绪论。主要介绍了m i m o 通信的背景、发展状况。接着引出天线选择的 现状及其研究意义。描述了论文的研究内容、组织安排。 第二章：讨论了m i m o 信道模型，研究了m i m o 系统的构架，同时分析了已有的 空时分组码和空时分层码。探讨了z f 、m m s e 和m l 等检测算法，分析了编码、传输 信道和基于不同检测算法的接收机组成的m i m o 系统的性能影响，推导了m i m o 信道 容量公式，并分析了天线选择的影响。 第三章：搭建了m i m o 系统天线选择模型，分析了已有经典的天线选择算法，推 导了基于容量的天线选择算法理论，研究了基于误码率的奇异值算法，进而提出一种 n s 新选择算法，和原有的算法相比较，实验仿真了各种算法信道容量与误码率性能， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 并对实验结果进行了分析。 第四章：研究了分布式m i m o 系统信道模型和信道容量，结合现有的各种分布式 天线选择算法，提出了一种改进的递增选择算法，并对所提出的改进算法进行了比较 与性能仿真，分析了实验数据。 结论：对全文进行总结，并指出进一步要研究的内容。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 第2 章m i m o 信道模型及其相关技术 2 1 引言 在无线通信系统中，信道传播的特性是m 蹦0 技术的理论基础。众所周知，在复 杂的无线通信环境中，陆地上的无线通信通过电磁波在大气中传播实现的，电磁波的 传播机理可以归为反射、散射和绕射三种，就信号传播根据距离尺度分为小尺度衰落、 中尺度衰落和大尺度衰落。在无线蜂窝通信系统环境下，发射信号到达接收信号往往 要经过很多变化，同时，发射机发射信号到达接收机也会从不同的路径传播，信号的 路径、时间、幅度和相位均发生变化，这种特性称作多径衰落。描述接收机在小范围 内移动，由反射引起的功率变化，称为多径效应属于小尺度衰落。在较大范围内移动， 信号由于高大物体阻碍引起的功率的波动，这种现象属于中尺度衰落，也称为阴影效 应。相对的大尺度衰落则是在开阔地接收信号引起衰落的一种现象【1 4 1 。传统的无线系 统中，对于小尺度衰落通常用瑞利分布与莱斯分布作为信道的特征描述，发射机与接 收机之间直接传播时，用莱斯分布信道模型来描述效果较好，发射机与接收机之间不 能直接进行传播时，用瑞利分布信道模型来描述【1 6 1 。对于m i m o 信道模型则要复杂许 多，t e l a d a r 等人对m i m o 信道模型进行了深入的研究，得出了一些开创性的理论成果。 自此以后，人们不断的探索，总的说来，已有的信道模型可归结为确定性信道模型和 随机性信道模型二大类，而广大研究人员所作的种种探索也即是为了所建立的m m o 信道模型，能够最大程度的接近实际的通信环境，使得信道传输特性能够通过该信道 模型充分的反映出来。 2 2m i m o 信道模型 m m 0 信道模型是研究m 蹦o 无线通信系统的基础，本文主要介绍的是小尺度衰 落信道模型，构建随机性瑞利平坦衰落信道，即不存在直线传输路径时，接收和发射 均存在衰落，由此引起多径效应的接收信号幅度服从瑞利分布： 厂( 口) ：j 吾e x p ( 一寺) ，眶“( 2 - u厂( 口) ： 7 以义一驴j 呱聪( 2 1 ) 【0 ， 口o 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 其中，口是接收信号的幅度，仃是包络检波前接收电压信号的均方根值，同时，瑞利 分布的信号平均幅度值日m 为【5 】= 铲e 陆r 咖) d a = 仃据( 2 - 2 ) 在m i m o 信道模型仿真时，产生rx n 尺( 坼：发射天线个数，：接收天线个数) 个 衰落系数。 上述是传输信道电磁波在传播过程中的衰落特性，下面分析影响移动通信系统性 能的主要噪声即加性高斯白噪声，这里的加性表示的是信号与噪声的混叠而成的一种 线性关系，高斯是指正态高斯分布，也是描述噪声分布的一种特点，白噪声即是频谱 为平坦的噪声。加性高斯白噪声信道是一种复高斯随机过程。 在准静态平坦瑞利衰落环境下 1 刀，以基站与移动台为m i m o 系统的收发端构建模 型，假设接收端的天线个数为m ，发射端的天线个数为n ，以此为基础的m i m o 无线 通信系统结构如图2 1 与图2 2 所示。 图2 1m i m o 系统发射端方框图 图2 - 2m i m o 系统接收端方框图 m i m o 系统信道模型中1 8 1 ，信道矩阵各元素为方差是o ，实虚部均方差是o 5 的独立同 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 分布随机高斯变量( i ：表示接收端天线，j ：表示发射端天线) 。加性高斯白噪声为方 差是0 ，实虚部均方差是i 的随机高斯变量n ( i ) 。其系统信道模型 1 9 加】为： 鹱 空时译码与 溅凝、芦 骶 信息处理 图2 - 3 m i m o 系统信道模型方框图 多输入多输出天线系统信道模型如图2 3 所示，假设输入为各元素均值为0 ，方差为占2 的互不相关独立随机数的矢量信号x ( j ) 。表示为第i 幅接收天线与第j 幅发射天线之 间的衰落系数，用矩阵的形式表示为： h = 忽。盔2 ，魄r 。2 吃3 m h n r 、h n , t 2h n a 3 h n r n r 其中定义输入信号表不为： x ( f ) = i x 。o ) ，x 2 ( f ) ，黾( f ) ，z ，( r ) 】r 这里的t 表示转置，噪声信号表示为： 疗( r ) = k ，o ) ，n 2 ( t ) ，n 3 ( t ) ，刀o ) j r 定义输出信号表示为： y ( r ) = mo ) ，y 2o ) ，y 3 ( t ) ，y o ) 】r 因此输出信号用矢量表达形式为： y ( t ) = h x ( t ) + 胛( ，) 对其进行归一化处理，则每一幅天线接收到的信号即 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 _ 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 2 3 空间复用技术 肌 y s ( f ) = - l 红，) _ ( f ) + 吩( f ) l l ( 2 8 ) 所谓空间复用技术就是在发射端发射互不相关的信号，然后接收端采用干扰抑制 的办法进行解码。由于各个天线发射的是不同的数据信号，因此，能够显著提高系统 的传输数率。信息通过系统分割成多个部分，然后经过不同的天线发射出去，利用各 信道独立互不相关特点，接收端分离出这些并行的数据，因为每一幅天线发射的数据 信息各不相同，因而可以采用纠错能力较强的编码方式加以弥补，同时，由于是采用 的每幅天线发射不同信息，成线性的提高了系统的传输速率，则可以较低的调制阶次 方式，以降低了有效信息的载荷成本，其如图2 - 4 所示： 图2 4 空间复用系统结构方框图 在采用空间复用技术时【2 ，必需要利用到复杂的解码算法，目前已有的解码算法主有 要：m m s e 最小均方误差解码算法、z f 迫零解码算法【2 3 1 、m l 最大似然解码算法【2 4 二5 】 以及l s t 分层空时解码算法。其中，基于m m s e 最小均方误差算法与基于z f 迫零算 法的接收机是两种常用的线性接收机，线性接收机构造简单，易于实现，但是性能不 是太好。基于m l 最大似然算法的接收机译码性能较好，但是解码的复杂度却是随着 发射天线数量呈指数形式增长，因而也难用于在实际当中去。通过研究分析表明， b l a s t 算法在性能和复杂度上是最优的一种解码算法。 分层空时码( l a y e rs p a c e t i m ec o d e s ) 最初是由贝尔实验室里的f o s c h i n i 等人于 提出来的，它采用的是一维的处理方法，实现对多维空间信号的处理，因而极大了减 少了译码的复杂度。其编码原理图如图2 5 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 分 层 空 时 译 码 输 出 数 据 图2 5 分层空时编码方框图 在设计编码是，他们设计的d b l a s t 对角化分层空时码能够达到m i m o 信道容量的 下界。通过对每一个不同的数据流进行独立编码，被不同的天线发射出去，每一幅天 线发射的信息能被不同的天线接收到，这固然增加了信道的可靠性，但系统的复杂度 较大。没多久，f o s c h i n i 等人在d b l a s t 的基础上，提出了一种更简单的v - b l a s t 算法【2 6 】，该v - b l a s t 算法不再是对所有接收到数据信号进行解码，而是先对强数据信 号进行解码，然后再除去该强信号中的剩余信号中的强数据信号进行解码，依次方法 直到实现全部信号的解码过程。 2 4 分集技术 在无线通信系统中，分集技术被认为是有效对抗多径衰落和提高系统性能的一种 有效方法。在无线通信环境下，由于受到多径效应、时变性和衰落特性等影响，无线 通信信道在传输过程会严重衰减。其中，快衰落时信号的衰减达到3 0 n 4 0 d b ，目前，衰 落效应成为无线信道中影响信号质量的一个主要因素。如果通过提高天线的发射功率， 加大天线的长度和尺寸以此克服信号衰落，在现实无线环境中，增加天线的发射功率 需要消耗更多的终端设备的能量，而且会造成对其它平台的干扰，在现实环境中显然 是不现实的。为此，通过多天线传输同一信息的不同副本，然后通过接收机合并技术 将各天线支路信号合并输出，这种方法被称为分集技术。 在实际的移动通信环境中，通信信号受城市建筑群与复杂的地理特性影响，发送的 信号经过反射、折射路径的传播后，到达接收端的信号往往是幅度多相位的叠加，即 多径效应。同时存在着不同的延时和附加的信道噪声，使得得到的复加信号或是增强 或是削弱，导致原始信号较大程度的损失。甚至于造成收到的信号产生波形重叠、失 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 真和畸变，进而通信系统解调器输出出现大量差错信号信息，以至完全不能通信。另 外，处于移动环境下的无线通信，信道环境发生变化，信道特性也必然发生变化，由 此产生的多普勒效应而使得原始信号更大程度的失真现象。为此，为了改善信道的传 输性能，通过分集技术、信道编码和均衡技术三种方式以提高信号的传输质量。从技 术角度讲，分集技术主要目的： ( 1 ) 使得接收机能够同时接收到多个独立的，包括同一信息的衰落信号； ( 2 ) 将多个独立衰落的信号进行合并，以减少衰落效应对信号的影响。 2 4 1 分集形式 从某种程度上说，分集技术也是集空间、频率、时间和编码等技术的一种组合， 从资源的利用上可以将分集技术归为三大类1 4 】： ( 1 ) 空间分集 在无线通信