（信号与信息处理专业论文）无线通信系统mimo检测技术研究.pdf

，1 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：么晕墨差一日期：堕扛：笪：缓 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在- 年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学 本人签名： 导师签名： ，适用本授权书。， r 期：呈三笸：么；丝 日期：圣里丝：曼：22 无线通信系统m i m o 检测技术研究 摘要 基于发送端和接收端多天线的多入多出( m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ，m i m o ) 技术是下一代无线通信系统的关键技术之 一，其最为显著的优势在于能充分利用随机衰落和空间多路径传播来 提高传输速率以及传输的可靠性。本文将关注空间复用策略下的 m i m o 接收机的设计，并针对其中的信号检测技术进行深入研究。 由于无线通信信道的特殊性以及系统成本的限制，在进行基带数 字信号处理算法的设计与实现时通常会遭遇性能和复杂度这一对矛 盾冲突。而在空间复用m i m o 检测的场景中，一方面m i m o 技术往 往伴随着较高的数据吞吐量，而空间复用也意味着数据流量的倍增。 另一方面，数据业务通常要求非常小的链路错误概率，而空间复用引 入的多流干扰( m u l t i s t r e a mi n t e r f e r e n c e ，m s i ) 会对系统性能产生 严重影响。这都将导致系统对性能和复杂度的要求大幅提高，从而进 一步激化两者之间的矛盾。 本文基于m i m o 检测中性能和复杂度的矛盾，结合具体的m i m o 检测技术进行深入研究，致力于提供能有效缓解性能和复杂度矛盾冲 突的技术方案。论文首先介绍m i m o 系统的基本模型，随后针对球 译码( s p h e r ed e c o d i n g ) 检测及其相关技术、搜索空间预定义检测器 ( s e a r c hs p a c ep r e d e t e r m i n e dd e t e c t o r ，s s p d ) 算法、并行计算对检 测算法的加速作用以及自动重传机制( a u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o n r e q u e s t ，a r q ) 带来的时间分集对复杂度压力的缓解作用等几方面 展开研究。本论文的创新工作如下： 首先，针对现有研究并未涉及球译码性能与复杂度的量化关系的 问题，提出以球半径为过渡参数，对检测性能与算法平均复杂度的定 量关系进行了理论分析。所做工作分为三部分：第一，对球译码的性 能进行理论分析，借助最优性能渐进界，将由搜索空间削减引发的性 能损失进行量化。由于性能损失与球半径的设置之间存在定量关系， 球半径即可作为表征球译码性能的参数；第二，根据球译码复杂度的 自身特点，推导了平均复杂度的上界，从而获得了直接反映平均复杂 度的指标球半径；第三，利用与性能和平均复杂度都有关联的球 半径作为纽带，构建了连接两者的桥梁。从而将性能与平均复杂度进 行了定量的关联，为设计兼顾性能与复杂度的检测方案奠定理论基 础。通过在多种m i m o 检测方案中的仿真，对相关理论分析结果进 行了数值验证。 其次，对于已有的球译码半径设置方法难以在控制复杂度的同时 保证性能的问题，提出了两种半径设置方法及其中一种方法的扩展应 用。其一，提出性能损失可控的半径约束方法，在严格抑制复杂度的 前提下使检测性能损失可控。分析表明通过合理地设置球半径，使得 球译码的平均复杂度在整个信噪比( s i g n a l t o n o i s er a t i o ，s n r ) 区 间内得到有效抑制。其二，提出无分集度损失的半径设置方法，在抑 制复杂度的同时避免分集度的损失，此外给出其在具有广度优先搜索 性质的检测算法中的应用，分析表明球半径作为一个辅助工具，能够 对该类检测算法进行进一步的复杂度冗余削减，从而降低目标算法执 行时的功耗。仿真验证了上述两种设置方法的有效性及扩展应用的可 行性。 再次，针对球译码等启发式搜索方法复杂度不可控的问题以及现 有检测算法在控制复杂度时无法兼顾性能的问题，提出了s s p d 算法， 其显著特征是在算法执行搜索之前预先确定出搜索空间。该算法能根 据信道的好坏自适应地调整搜索空间的大小，也能将硬件的最大处理 能力作为复杂度上限来限定搜索空间不至于过大，从而达到保证检测 性能的同时合理控制复杂度的目的。此外，对非理想的信道和噪声估 计带来的影响也进行了必要的理论分析，以此评估算法的适用性。提 出使s s p d 具备软输出能力的扩展设计方案。研究表明此扩展能有效 地提升检测性能，而且仅引入非常小的额外计算复杂度。针对实际系 统块处理场景中处理时间受限的问题，提出了基于平均复杂度上限分 配的s s p d 算法；并进一步引入动态计算能力分配的思想提出基于动 态分配复杂度上限的s s p d 算法，使其能够在块处理时限内降低计算 冗余度提升检测性能。仿真验证了上述算法的有效性。 最后，针对实际系统硬件处理能力面临的数据吞吐压力，提出了 基于并行计算的算法加速方法以及基于a r q 机制缓解复杂度压力的 系统设计方法。一方面，在给出了复杂算法的通用并行设计流程之后， 将其运用到m i m o 检测k 最短路径( k s p ，ks h o r t e s tp a t h e s ) 算法 中，最终得到了存储开销较低的并行设计。使得相应的m i m o 检测 更便于付诸硬件实现。通过软件和硬件的仿真表明了该方法在加速算 法运行时的有效性。另一方面引入a r q 机制带来的时间分集增益可 以有效缓解m i m o 检测的复 种优势将普遍适用于性 ( z e r o f o r c i n g ，z f ) 检测和 进行仿真验证。 关键词：多入多出技术；信号检测；复杂度；空间复用；分集度；并 行计算；自动重传机制 i i i m u l t i p l e x i n ge n v i r o n m e n t ，i e ，t r a n s m i ts e n d ss e p a r a t e l y t h eu n c o d e d d a t as t r e a m st oe a c ha n t e n n a ，a n dt h ei n t e r e s t i n ga r e ai sd e t e c t i o n a l g o r i t h m d u et ot h es p e c i a l t yo fc h a n n e li nw 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 a sw e l la sr e s t r i c to fs y s t e mc o s t ，t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fa l g o r i t h m s i nb a s e - b a n dd i g i t a lp r o c e s s i n ga l w a y sm e e t sw i t ht h ec o n f l i c tb e t w e e n p e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t y w h i l ei nt h ec a s eo fs p a t i a lm u l t i p l e x i n g ， s u c hc o n f l i c tb e c o m e se v e nw o r s e b e c a u s e g e n e r a l l y t h em i m o t e c h n o l o g ya c c o m p a n i e sw i t hq u i t eh i g hd a t at h r o u g h p u t m e a n w h i l e ， s p a t i a lm u l t i p l e x i n gi m p l i e st h ei n c r e a s eo f t h en u m b e ro fd a t as t r e a m s ，i n o t h e rw o r d s ，s e v e r a lt i m e so ft h r o u g h p u ti n c r e a s e a tt h es a m et i m e ，d a t a s e r v i c e sr e q u i r ee x t r e m e l yl o wl i n ke r r o rp r o b a b i l i t y , w h i l eu n f o r t u n a t e l y t h es p a t i a lm u l t i p l e x i n gw i l li n t r o d u c et h ei m p a c to ft h em u l t i s t r e a m i n t e r f e r e n c e ( m s i ) i ns u m m a r y , c o n s i d e rt h em i m od e t e c t i o n ，t h e r e q u i r e m e n t sf r o ms y s t e ml e v e lu p o np e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t yb o t h g r o ws t r i c t ；h e n c em a k et h ea f o r e m e n t i o n e dc o n f l i c tw o r s e t h e r e f o r e s t r i c t l ys p e a k i n g ，t h i sd i s s e r t a t i o na d d r e s s e st h ep r o b l e mo ft h ec o n f l i c t b e t w e e np e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t yw i t h i nt h em i m o d e t e c t i o n k e e p a b o v er e s e a r c hi d e aa n do b je c t i v ei nm i n d ，f a c i n gw i t hs e v e r a lm i m o v d e t e c t i o nt e c h n i q u e s ，w ea i mt op r o v i d ee f f e c t i v ea p p r o a c ho fd e a l i n g w i t ha b o v ec o n f l i c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ef u n d a m e n t a lm o d e lo fm i m o s y s t e mi sf i r s t l yi n t r o d u c e d ，a f t e rt h a tt h ed i s c u s s i o n so ns p h e r ed e c o d i n g ( s d ) a n di t ss u r r o u n d i n gt e c h n i q u e s ，s e a r c hs p a c ep r e d e t e r m i n e dd e t e c t o r ( s s p d ) a l g o r i t h m ，t h ea c c e l e r a t i n ge f f e c t o fp a r a l l e l c o m p u t i n go n a l g o r i t h mi m p l e m e n t a t i o na sw e l la st h ea l l e v i a t i o ne f f e c to fa u t o m a t i c r e t r a n s m i s s i o nr e q u e s t ( a r q ) o nc o m p l e x i t yp r e s s u r ea r ep e r f o r m e d t h e m a i nc o n t r i b u t i o n sa n di n n o v a t i v er e s e a r c hf i n d i n g sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1a sf a ra si s k n o w n ，f e wl i t e r a t u r ed e a l sw i t ht h eq u a n t i f i e d r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o m p l e x i t ya n dd e t e c t i o np e r f o r m a n c eo fs d s p h e r er a d i u si sp r o p o s e dt ob eat r a n s i t i o np a r a m e t e r , t h u st h eq u a n t i f i e d r e l a t i o n s h i pi sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h i sp a r to fw o r kc a nb ed i v i d e d i n t ot h r e ep a a s ：1 ) i no r d e rt oa n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo fs d ，t h e a s y m p t o t i cb o u n do fo p t i m a lp e r f o r m a n c ei su t i l i z e d ，a n d l a t t e rt h e p e r f o r m a n c el o s sc a u s e db ys e a r c hs p a c er e d u c t i o ni sq u a n t i f i e dw i t ht h e h e l po fa b o v eb o u n d s i n c et h ep e r f o r m a n c el o s si sa f f e c t e db yt h es p h e r e r a d i u sd i r e c t l y , s p h e r er a d i u sc a nb eu s e dt or e p r e s e n tt h ep e r f o r m a n c e f e a t u r eo fs d 2 ) b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co f c o m p l e x i t yo fs d ，d e r i v e a l l u p p e r b o u n do fa v e r a g ec o m p l e x i t y ；t h e r e f o r et h es p h e r er a d i u s b e c o m e st h em e t r i co fa v e r a g ec o m p l e x i t y 3 ) b ym a k i n gu s eo f s p h e r e r a d i u s ，t h eb r i d g eb e t w e e np e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t yc a nb eb u i l t t h e c o m p u t es i m u l a t i o n sv e r i f ya b o v ea n a l y s i sf o r d i f f e r e n tm i m o u s ec a s e s 2i ti sd i f f i c u l tf o re x i s t i n gr a d i u sd e t e r m i n em e t h o d st om a i n t a i n t h e i rd e t e c t i o np e r f o r m a n c ew h i l ek e e p i n gt h ec o m p l e x i t yo fs du n d e r c o n t r 0 1 d u et ot h et i g h tc o n n e c t i o n so fs p h e r er a d i u sw i t hp e r f o r m a n c e a n dc o m p l e x i t y , t h es t u d yo fi t ss e t t i n gp r o b l e mi si n t e r e s t i n gf o ru s t w o m e t h o d so fr a d i u sd e t e r m i n ea r ep r o p o s e dw h i c hc a l l e dc o n t r o l l a b l e p e r f o r m a n c el o s sb a s e dr a d i u sd e t e r m i n em e t h o da n dr a d i u sd e t e r m i n e m e t h o dw i t h o u td i v e r s i t yl o s s r e s p e c t i v e l y m e a n w h i l e ，a ne x t e n d e d a p p l i c a t i o no ft h el a t t e ri ss h o w n ，i e s e tr a d i u st or e m o v et h er e d u n d a n c y o fb r e a d t h f i r s ts e a r c h s t y l e d e t e c t o r ss oa st or e d u c et h e p o w e r c o n s u m i n g t h es i m u l a t i o n sv a l i d a t et h e s et w om e t h o d s 3s i n c et h eh e u r i s t i cs e a r c hm e t h o dl e a d st ou n c o n t r o l l a b l e c o m p l e x i t ya n de x i s t i n gd e t e c t i o na l g o r i t h mc a n n o tg i v ec o n s i d e r a t i o nt o b o t hp e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t y , t h es s p da l g o r i t h mi s p r o p o s e d ， w h i c hd e t e r m i n e st h es e a r c hs p a c ee v e nb e f o r et h ep r o c e s s i n go fs e a r c h a n dt h i sb e h a v i o ri se v i d e n t l yd i f f e r e n tf r o mt h a to fs d t h es e a r c hs p a c e d e t e r m i n es t r a t e g yb e h i n ds s p d ，f i r s t l yt a k e st h ec h a n n e lc o n d i t i o ni n t o c o n s i d e r a t i o nt h e nc a na d a p t i v e l y c h a n g et h e s i z eo fs e a r c hs p a c e ， s e c o n d l y , u s et h eh a r d w a r ec a p a b i l i t yt ob o u n dt h es e a r c hs p a c e t h e i m p a c t sc a u s e db yi m p e r f e c tc h a n n e la n dn o i s ee s t i m a t e sa r ei n v e s t i g a t e d a s w e l l ，i no r d e rt oe v a l u a t et h ea l g o r i t h mi nr e a le n v i r o n m e n t s f u r t h e r m o r e ，e x t e n dt h es s p dt og e n e r a t et h es o f to u t p u t ，w h i c hi n c u r t i n ye x t r ac o m p l e x i t y f i n a l l y , i nt h eb l o c kp r o c e s sm o d e l ，i n t r o d u c et h e i d e ao fd y n a m i cc o m p u t i n gp o w e ra l l o c a t i o nt os s p d ，a n dt h e nm a k ei t w o r kb e t t e r 41 1 1 ei d e a so fa c c e l e r a t i n gt h e i m p l e m e n t i n go fa l g o r i t h ma n d a l l e v i a t i n gt h ec o m p l e x i t yp r e s s u r et h r o u g ht h ea p p r o a c h e so u t s i d et h e a l g o r i t h mi t s e l fa lep r o v i d e d t h ec a p a b i l i t yo fp a r a l l e lc o m p u t i n gt o s p e e d u pt h ei m p l e m e n t i n gi se x p l o i t e d a f t e rp r o v i d i n gt h eg e n e r a l m e t h o d o l o g yo fp a r a l l e ld e s i g nf o rc o m p l i c a t e da l g o r i t h m s ，a p p l yi t t o k s pb a s e dm i m od e t e c t o ra n do b t a i nam e m o r yc o s te f f i c i e n tp a r a l l e l a l g o r i t h m s h o wt h a tt h ea r q c a na l l e v i a t et h ec o m p l e x i t yp r e s s u r eo f m i m od e t e c t i o n ，b e c a u s ea r qi sa b l et ob r i n gi nt h et i m ed i v e r s i t yg a i n a p r a c t i c a le x a m p l ei sp r o v i d e da sw e l l k e y w o r d s ：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 ) ；d e t e c t i o n ； c o m p l e x i t y ；s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ；d i v e r s i t yo r d e r ；p a r a l l e lc o m p u t i n g ； a u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o nr e q u e s t ( a r q ) v i i 目录 第一章绪论l 1 1研究背景l 1 1 1m i m o 技术1 1 1 2m i m 0 检测技术5 1 2论文的赢论依据及研究内容6 1 3论文的主要贡献及结构安排8 1 4本章参考文献1 0 第二章m i m o 系统及其检测技术1 5 2 1 引言1 5 2 2m i m o 系统模型l5 2 2 1模型定义1 6 2 2 2发送技术17 2 2 2 j空间复用l7 2 2 2 2空间分集l8 2 2 2 3发送端获取c s i 19 2 2 2 4 预编码1 9 2 2 3m i m o 信道。2 0 2 2 王j独立同分布信道模型2 0 2 2 i 2信道模型的扩展2 0 2 2 王3统计特性分析2 l 2 2 4 接收技术2 2 2 2 4 1信道估计2 2 2 2 4 2 信号检测2 2 2 3 m i m o 检测技术2 5 2 3 i 性能与复杂度的矛盾2 5 2 3 2需求与现实的矛盾2 6 2 3 2 1m i m o 检测算法的设计2 6 2 i 2 2复杂度不可控2 7 2 土2 3性能损失不可控2 7 2 i 2 彳解决两个不可控的迫切性2 8 2 4 本章小结2 9 2 5本章参考文献2 9 i x 第三章球译码的性能和复杂度关联的研究3 3 3 1研究背景及研究内容3 3 3 2球译码算法模型3 6 3 2 1问题模型3 6 3 2 2 复数形式的球译码3 7 3 2 3 实数形式的球译码3 8 3 3球译码的性能分析3 9 3 4球译码的复杂度分析4 0 3 4 1球译码复杂度特点。4 0 3 4 2 平均复杂度分析4 0 3 5构建性能与复杂度的桥梁4 1 3 5 1 理论分析4 2 3 5 2仿真和讨论4 3 3 6本章小结4 6 3 7本章参考文献4 6 第四章球译码半径设置方法及其扩展应用的研究4 9 4 1研究背景及研究内容4 9 4 2性能损失可控的半径约束设定方法5 2 4 2 1性能损失可控的半径约束设定5 2 4 2 2性能仿真。5 5 4 - 3无分集度损失的设置方法及应用5 7 4 3 1 无分集度损失的半径约束设定方法5 7 4 3 2固定复杂度球译码( f s d ) 的冗余消除5 8 z 王2 j 算法原理5 9 么i z 2仿真性能6 l 4 4本章小结6 3 4 5本章参考文献6 3 第五章搜索空间预定义m i m o 检测算法的研究6 5 5 1研究背景及研究内容6 5 5 2 算法框架6 6 5 2 1搜索空间预定义检测器( s s p d ) 算法6 7 5 2 2 基于后验概率的搜索空间确定策略6 8 i 2 2 j基于后验概率的策略6 8 5 2 2 2 复杂度分析7 0 x 5 5块处理中的算法优化7 9 5 5 1块处理m i m o 系统模型8 0 5 5 2 块处理算法8 0 5 5 3 仿真试验8l 5 6本章小结8 3 5 7本章参考文献8 4 第六章m i m o 检测算法的加速和减压策略研究8 7 6 1研究背景与研究内容8 7 6 2基于并行计算的算法加速方法8 8 6 2 1 通用并行算法设计流程8 9 6 2 2m i m o 检测k s p 算法的并行实现9 l 6 , 2 2 1k s p 问题定义9 1 6 2 2 2k s p 问题的分解9 2 6 , 2 , z 3m y h 算法的并行设计9 6 6 , 2 2 4性能仿真9 7 6 3 基于a r q 机制缓解复杂度压力的系统设计方法一9 9 6 3 1m i m o 系统中引入a r q 机制9 9 6 3 2 a r q 机制对性能与复杂度的影响1 0 0 6 3 3z f 检测和a r q 机制结合的例子1 0 2 6 王i j 方案介绍1 0 2 6 , 3 3 2 性能仿真1 0 2 6 4本章小结1 0 4 6 5本章参考文献10 4 第七章全文总结1 0 7 7 1本文的研究内容及创新1 0 7 7 2应用前景1 0 8 7 3对未来研究工作的展望1 0 9 x i 致谢1 13 作者攻读博士学位期间发表和完成的论文1 1 5 x 1 1 研究背景 第一章绪论 近二十年来，随着无线通信技术突飞猛进的发展，系统所能支持的数据吞吐 能力也急剧增强，从第二代( 2 g ) 移动通信系统如全球移动通信系统( g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，g s m ) 只支持k b p s 级别的业务速率，到第 三代( 3 g ) 移动通信系统能支持接近甚至达到m b p s 级别的速率，而当前第三代 移动通信合作计划长期演进( 3 g p p l t e ) 等系统已能支持的1 0 0 m b p s 量级的业 务速率【l 】，同时通信系统向g b p s 量级的数据吞吐能力这一目标迈进的步伐也一 直没有停歇【2 】。另外，技术的进步给应用带来了极大的空间。无线应用带来的 便利与快捷已经为世人所共知。中国工业和信息化部于2 0 0 9 年4 月2 4 号发布的 2 0 0 9 年3 月通信业主要指标完成情况显示，我国移动电话普及率已超过五 成。这说明了无线应用已经融入到了人们的日常生活中，它甚至在一定程度上改 变了人们的生活习惯。与此同时，应用需求不断提高也给无线通信技术提出了新 的、更为苛刻的要求。在这样的发展趋势下，m i m o 技术崭露头角，它使得在不 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成为现实。 在发送端和接收端采用多天线的m i m o 技术被公认为下一代无线通信系统 的关键技术【3 】。3 g p p 已经在标准中加入了m i m o 技术相关的内容，比如，高速 分组接入增强( h i g h - s p e e dp a c k e ta c c e s sp l u s ，h s p a + ) 和l t e 等标准在制定 时已经将m i m o 技术纳入到协议范畴中【l 】；超三代( b 3 g ) 和第四代( 4 g ) 的 系统中也将应用m i m o 技术【4 】；在无线宽带接入系统中，i e e e8 0 2 1 1 n 和i e e e 8 0 2 2 0 等标准也采用了m i m o 技术 5 1 1 6 ；而在其他无线通信系统研究中，如超 宽带( u w b ) 系统、认知无线电( c r ) 系统，都在积极考虑应用m i m o 技术【7 】。 m i m o 技术的出现无疑给无线通信系统带来了迸一步改善和发展的重大机 会，现己成为广受学术界和产业界关注的技术热点，但同时还存在不少新的问题 和挑战。 1 1 1m i m o 技术 m i m o 技术的思路由来已久，早在1 9 0 8 年m a r c o n i 就提出利用多天线来抑 北京邮电大学博士学位论文 制信道衰落。p a u l r a j 和k a i l a t h 在1 9 9 3 年提出借助m i m o 思路来实现空间复用 的概念，并且于1 9 9 4 年申请了专幂f j 8 】。而对于无线通信系统m i m o 技术产生巨 大推动的奠基工作则主要是在上世纪由a t & tb e l l 实验室的学者们完成的。他们 的工作可以追溯到7 0 年代由k a y e 、g e o r g e 和e t t e n 所作的相关工作；此后在8 0 年代，w i n t e r s 和s a l z 发表了空间波束赋形方面的研究成果；1 9 9 5 年t e l a t a r 给出 了在衰落情况下的m i m o 信道容量；1 9 9 6 年f o s c h i n i 提出了一种m i m o 处理算 法对角分层空时( d b l a s t ) 算法：1 9 9 8 年t a r o k h 等研究了用于m i m o 系统的空时码；1 9 9 8 年w o l n i a n s k y 等人采用垂直空时( v - b l a s t ) 算法建立了 一个m i m o 实验系统，在室内试验中达到了2 0b i t s h z 以上的频谱利用率，这 一频谱利用率在单天线系统中极难实现。上述工作引起各国学者的极大兴趣，使 得后续的研究工作迅速展开，从而m i m o 技术也成为学术界和产业界关注的焦 点。 迄今为止，m i m o 技术的研究已经形成了一个系统的理论体系。构建这个体 系离不开那些开创性和起支撑作用的研究工作，而这些工作通常也能展现相关领 域的整体发展水平和揭示未来的研究方向。因此，下面将通过对大量研究工作中 部分有代表性的研究成果进行介绍，对m i m o 技术的几个主要研究领域进行展 示： 一、m i m o 信息论。由于引入m i m o 技术，信道模型与传统单天线场景中 有所不同，所以s h a n n o n 的信息论【9 】需要进一步扩展从而支持多天线的场景。 a t & tb e l l 实验室的z e l a t a r 分析和推导了在发送端和或接收端配置多天线且信 道存在加性高斯噪声情况下( 信道条件主要是r a y l e i g h 衰落) 的信道容量和错误 指数( e r r o re x p o n e n t ) 1 0 1 ，并在后续工作 1 l 】中扩展研究了更多信道条件下的 容量问题。而l e b r u n 等研究者给出了在r i c e a n 信道条件下m i m o 系统信道容量 的渐进分析 1 2 1 。此后m e s t r e 等研究者调研了在非频率选择m i m o 信道中存在 衰落相关性情况下的渐进信道容量 1 3 】。g o l d s m i t h 的研究组论证了单用户m i m o 信道容量增益的获得严重依赖于发送端信道信息( t r a n s m i tc h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n ，c s i t ) 和接收端信道信息( r e c e i v ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i r ) 的质量、信噪比以及信道相关性 1 4 】。而在【1 5 】中，他们进一步关注m i m o 广播 和多址接入信道中( 也就是m i m o 多用户的场景) 的容量区域( c a p a c i t yr e g i o n ) 问题，即意味着将信道容量问题向多用户场景进行了延伸，并且探讨了多小区 m i m o 信道下的基站协作。v u 和p a u l r a j 在引入信道的时变特性后建立了动态 c s i t 模型，然后在此模型下对无线m i m o 信道进行容量分析 1 6 1 。其中利用了 时间相关因子来表征c s i t 的质量，因而能将从理想c s i t 到统计c s i t 的所有可 能情况都纳入到他们所提的研究框架中。此外，h o c h w a l d 和b r i n k 提出了利用 2 绪论 信道编解码和空时处理相结合的迭代处理来逼近s h a n n o n 信道容量的方法，并论 证了该方法能获得极高的数据速率i 1 7 】。 二、m i m o 系统主要技术指标的基本折衷。例如，在此前研究只关注最大化 m i m o 系统的空间分集增益或者空间复用增益时，z h e n g 和t s e 则考虑了两者并 存的情况，构建了分集复用折衷( d i v e r s i t y m u l t i p l e x i n gt r a d e o f f ) ，并在此基础 上探讨了如何获得最佳折衷的问题【1 8 】。而a r q 机制与m i m o 技术的结合，又 产生了分集复用时延折衷的问题，【1 9 2 0 等研究就是据此展开的讨论。另外， m a u r e r 等研究者通过精心设计m i m o 检测算法构建了连续的分集复杂度的折衷 2 l 】。 三、空时