（信号与信息处理专业论文）结合空时分组码的波束形成研究.pdf

鼻 4 、 篪、 ，火， 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业： 研究方向： 作者：华敏艳 指导教师：赵君喜 题目：结合空时分组码的波束形成研究 i i il l llllli l lll ll liii 【y 17 5 4 9 6 2 英文题目：r e s e a r c ho nc o m b i n e db e a m f o r m i n gw i t ho r t h o g o n a l s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g 主题词：正交空时分组码；波束形成；信道容量；误比特率 k e y w o r d s ： o r t h o g o n a ls p a c e t i m eb l o c kc o d e ；b e a m f o r m i n g c h a n n e l c a p a c i t y ；b i te r r o rr a t e v 0 一l 、 一、 琴 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 虽然传统的空时分组码可以带来分集增益以及提高系统的容量，但是多发射天线的使 用增加了符号间干扰以及多址干扰。利用结合空时分组码的波束形成可以有效地减少符号 间干扰和多址干扰，获得好的系统性能增益。 论文研究结合空时分组码的波束形成，将结合正交空时分组码的波束形成分别和发射 端天线选择及多用户调度同时考虑，提出了基于信道容量准则求波束形成权向量的方法。 本文首先对m i m o 系统及其相关技术进行了概述，讨论了几种分集方法、m i m o 无线 信道、空时编码、波束形成以及结合正交空时分组码的波束形成，对系统的容量和结合正 交空时分组码的波束形成进行了分析。然后将发射端天线选择与结合空时分组码的波束形 成同时考虑，根据最大路径增益方法进行天线选择，提出基于信道中断容量准则求波束形 成权向量的方法，使得根据最大路径增益选择发射天线的方法能在降低复杂度和资源消耗 的同时，保持系统性能不变，进而基于信道中断容量准则求波束形成权向量的方法能取得 较好的系统误码率性能和容量性能。最后研究了基于结合空时分组码的波束形成的多用户 调度算法，仿真表明多用户调度的系统性能优于随机选择接收端的系统性能。 关键词：正交空时分组码；波束形成；信道容量；误比特率 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t 1 1 l et r a d i t i o n a ls p a c e - t i m eb l o c kc o d i n gt e c h n o l o g ym a yb r i n gt h es i g n i f i c a n td i v e r s i t yg a i n a n de n h a n c et h ec a p a c i t yo ft h es y s t e m h o w e v e r , i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c ea n dm u l t i p l ea c c e s s i n t e r f e r e n c ea r ei n c r e a s e ds e r i o u s l ya l o n g 、i lt h eu s eo fm u l t i t r a n s m i t t i n ga n t e n n a s c o m b i n e d b e a m f o r m i n gw i t ho r t h o g o n a ls p a c e - t i m eb l o c kc o d i n gc a l lr e d u c ei n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c ea n d m u l t i p l ea c e s si n t e r f e r e n c ee f f e c t i v e l y , s ot h a tb e t t e rs y s t e mp e r f o r m a n c ec a nb ea c h i e v e d t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e sc o m b i n e db e a m f o r m i n gw i mo r t h o g o n a ls p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g w i t hc o n s i d e r a t i o no fc o m b i n e db e a m f o r m i n gw i t ho r t h o g o n a ls p a c e - t i m eb l o c kc o d i n ga n dt h e s e l e c t i o no ft r a n s m i t t i n ga n t e n n a sa sw e l la s t h em u l t i - u s e rs c h e d u l i n gs i m u l t a n e o u s l y , a n a l g o r i t h mw h i c hg i v e st h eb e a m f o r m i n gw e i g h tv e c t o r su n d e rc h a n n e lc a p a c i t yc r i t e r i o ni s p r o p o s e d f i r s t l y ，m i m os y s t e m sa r ei n t r o d u c e da n dd i v e r s i t ym e t h o d s ，c h a n n e lc a p a c i t y , s p a c e - t i m e c o d i n g , c o m b i n e db e a m f o r m i n gw i t ho r t h o g o n a ls p a c e - t i m eb l o c kc o d i n ga r es u m m a r i z e d s e c o n d l y , c o m b i n e db e a m f o r m i n gw i mo r t h o g o n a ls p a c e t i m eb l o c kc o d i n ga n dt h es e l e c t i o no f t r a n s m i t t i n g a n t e n n a sa l es t u d i e d s i m u l t a n e o u s l yf o r t h ep u r p o s eo fr e d u c i n g t h es y s t e m c o m p l e x i t y an e wm e t h o dt h a ta i m st oi n c r e a s ep a t hg a i no fs e l e c t i n gt r a n s m i t t i n ga n t e n n a sa n d s e l e c tt h e b e a m f o r m i n gw e i g h t v e c t o r su n d e rc h a n n e l c a p a c i t y - m a x i m i z a t i o n c r i t e r i o ni s p r o p o s e d 1 1 1 es i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h es y s t e mc o m p l e x i t ya n dt h ec o n s u m p t i o no fr e s o u r c e s c a nb er e d u c e de f f e c t i v e l yb yo p t i m a l l yc h o o s i n ga n t e n n a sw h i l et h es y s t e mp e r f o r m a n c em a y n o tc h a n g ed r a s t i c a l l y b e s i d e s ，m e ya l s om a n i f e s tt h a tb e ra n dc a p a c i t yc a nb ei m p r o v e db y u s i n gb e a m f o r m i n gw e i g h tv e c t o r sb a s e do nc h a n n e l o u t a g e - c a p a c i t yc r i t e r i o n f i n a l l y ，t h ep a p e r s t u d i e st h em u l t i - u s e rs c h e d u l i n gb a s e do nc o m b i n e db e a m f o r m i n gw i t ho r t h o g o n a ls p a c e - t i m e b l o c kc o d i n g t h es i m u l a t i o n sa r eg i v e nt oi l l u s t r a t et h a tm u l t i u s e rs c h e d u l i n go u t p e r f o r m st h e r a n d o m l ys e l e c t e dr e c e i v e r k e y w o r d s ：o r t h o g o n a ls p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ；b e a m f o r r n i n g ；c h a n n e lc a p a c i t y ；b i te r r o rr a t e u v，0 乍一， 7 7 ； 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景l 1 2m i m o 技术概述2 1 2 1m i m o 系统的引入2 1 2 2m i m o 系统的特点3 1 2 3m i m o 系统的分集与复用4 1 2 4m i m o 系统的应用与展望5 1 3 相关课题研究现状7 1 4 主要工作和内容安排9 第二章m i m o 相关技术1o 2 1 分集技术1 0 2 1 1 分集的类型l o 2 1 2 发射分集技术一1 l 2 2m i m o 无线信道13 2 3m i m o 信道的容量1 5 2 3 1 静态信道15 2 3 2 衰落信道1 7 2 4 空时编码一1 9 2 5 本章小结2 l 第三章正交空时分组码与波束形成技术2 2 3 1 正交空时分组码2 2 3 1 1 编码原理2 2 3 1 2 译码原理2 3 3 2 无线通信系统中的波束形成2 4 3 3 结合正交空时分组码的波束形成。2 5 3 4 仿真结果及性能分析2 7 3 4 1 空时分组码与结合空时分组码的波束形成的性能比较2 7 i i i j 、 l ：； “ t 塑室坚皇奎堂堡圭堕壅生堂垡堡奎旦茎 3 4 2 不同速率的空时分组码与结合空时分组码的波束形成的性能比较。2 8 3 5 本章小结2 9 第四章一种结合空时分组码的波束形成算法3 0 4 1 系统模型3 0 4 2 理论推导31 4 2 1 发射端天线选择31 4 2 2 基于中断容量最大准则求解波束形成权向量3 2 4 3 仿真结果及性能分析3 6 4 3 1 空时分组码与结合空时分组码的波束形成误比特率比较。3 6 4 3 2 最优选取信道与随机选取信道的误比特率比较3 6 4 3 3 选取不同个数发射天线系统的性能比较。3 8 4 3 4 不同信噪比条件下的信道容量累积分布函数比较4 0 4 3 5 不同中断概率下的中断容量比较。4 1 4 4 本章小结4 2 第五章基于结合正交空时分组码的波束形成的多用户调度4 3 5 1 系统模型4 3 5 2 多用户接收调度算法。4 4 5 3 仿真结果及性能分析4 7 5 - 3 ：1 系统信道容量性能比较。4 7 5 3 2 不同信噪比条件下的信道容量累积分布函数比较。4 8 5 4 本章小结4 9 总结与展望f 5 0 j l i 谢5 1 参考文献5 2 气 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 2 l 世纪移动通信技术和市场飞速发展，在新技术和市场需求的共同作用下，未来移动 通信技术将呈现以下几大趋势：网络业务数据化、分组化，移动互联网逐步形成；网络技 术数字化、宽带化；网络设备智能化、小型化；应用于更高的频段，有效利用频率；移动 网络的综合化、全球化、个人化；各种网络的融合；高速率、高质量、低费用。并且移动 通信技术正朝着能“在任何时间，任何地点，向任何人提供快速可靠的通信服务 这一目 标发展，将更好的方便人们的生活工作。本章主要介绍了课题的研究背景、 m i m o ( 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 ) 技术以及相关课题的研究现状。 1 1 课题研究背景 在过去的1 0 年中，通信技术得到了快速的发展和广泛的应用，对推动社会的发展起 了很大的作用，信息产业在世界各国国内生产总值中所占的比重不断提高，已成为各国经 济发展的主要支柱产业。尽管全球经济在过去的几年中面临衰退，但通信产业特别是移动 通信产业仍保持较高的年增长率。目前我国移动通信技术已经发展到第三代：第一代移动 通信是上世纪7 0 年代中期至8 0 年代中期的模拟蜂窝移动通信网；第二代移动通信是以 g s m 和i s 9 5 为代表的数字蜂窝移动通信系统，从上世纪8 0 年代中期开始，至今仍在高 速发展中。在第一代和第二代移动通信系统中，主要提供的服务都是语音服务和低速率数 据服务。由于现代网络技术的高速发展，数据和多媒体通信发展迅速，所以第三代移动通 信的目标是宽带多媒体通信。从移动通信系统数据传输速率的角度来看，第二代移动通信 系统的传输速率为9 6 - , 1 4 4 k b i t s ，目前2 5 代的g p r s 和e d g e 分别能提供1 4 4 k b i t s 与 3 8 4 k b i t s 的分组交换数据传输，支持多媒体业务的第三代系统则要求速率达到2 m b i t s ，未 来高速无线多媒体通信( b e y o n d 3 g ) 要求数据传输速率可达1 0 0 m b i t s ，这就要求下一代无线 通信系统必须具备更好的传输性能，包括功率效率和频谱效率。 阻碍无线通信网络发展的因素主要是无线通信环境。由于无线通信环境受气候和地形 影响较大，并且存在多径干扰，使得无线通信系统的性能远低于有线通信。低码率，高功 耗是现有无线通信的特点。为了实现宽带无线通信，就必须对无线通信信号进行处理，主 要有两种方式： ( 1 ) 时域处理：主要是各种纠错码、编码调制和交织等技术。 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 ( 2 ) 空时处理：主要是空时编码，在发送端和接收端采用多天线技术。 时域处理是在时域上在原信息序列中增加一些冗余信息，实现有效的信道编码，提高 传输的可靠性。空时处理是抵抗无线多径衰落的有效途径。空时处理是同时在空间域和时 域上引入冗余，采用多天线阵列的分集技术，在m i m o 衰落信道下对信息序列进行有效的 空时编码，实现可靠的传输。 随着人们对无线通信技术业务需求的不断提高，更高的数据传输速率、更大的系统容 量和更好的通信质量是新一代移动通信技术所要突破的关键。下行信道的性能成为整个无 线通信系统的关键【l 】。 传统的空时分组码技术可以带来分集增益以及提高系统的容量。但是随着多发射天线 的使用增加了符号间干扰以及多址干扰。波束形成技术可以有效地减少符号间干扰和多址 干扰，但是不能形成多重空间独立信道。因此，难以通过空间再利用提高系统容量。为了 满足未来无线通信大容量和高质量的要求，可以把空时分组码和波束形成技术有效地联合 起来，提高整个下行发射系统的性能【l 】。 从应用角度来看，空时分组编码与波束形成可以进行优势互补，通过将两者的结合能 够更好地提高系统的性能。二者结合的关键就是利用波束形成技术为空时分组编码提供更 好的完全不相关信道( 或相关性较弱) 的同时，使得阵列增益最大；利用空时分组编码提供 分集增益，抑制多径衰落，提高传输的可靠性，在已知部分信道状态信息时提高系统性能。 1 2m i m o 技术概述 1 2 1m i m o 系统的引入 传统的无线通信系统是采用一根发送天线和一根接收天线的通信系统，即所谓的单输 入单输出( s i n g l e i n p u ts i n g l e - o u t p u t ，s i s o ) 天线系统。s i s o 天线系统在信道容量上具有一 个通信上不可突破的瓶颈s h a n n o n 容量限制。不管采用哪种调制技术、编码策略或其 它方法，无线信道总是对无线通信工程作了一个实际的物理限制。这一点在当前的无线通 信市场中形势尤为严峻，因为用户对更高的数据传输速率的需求是非常迫切的，所以必须 进一步提高无线通信系统的容量。 可以实现这个目标的方法有很多，例如设置更多的基站、拓宽带宽等。但是增设基站 则意味着采用更多的蜂窝，这是提高容量代价最大的方法。由于目前实际的无线应用市场 仍是在3 g 系统和无线局域( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 之间，即微波频带( 3 g 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 系统大约为2 g h z ，w l a n 技术的i s m 频带为2 - s g l - l z ) ，加大该频带的带宽，就会导致与 现行系统的兼容问题，其代价也是很昂贵的，因此更高频段的使用在近期内不是提高无线 通信系统容量问题的最佳解决方案。 在单天线系统中，提高系统容量的另一个方法是加大系统的发送功率。这样产生的辐 射可能会对人类的身体健康产生影响，对硬件设计者来说，实现它也是非常困难的，因为 功放器件在大功率区域下的线性工作特性是很难设计的。另外，散热及发送功率的加大所 引起的功率消耗也是移动终端要考虑的问题。另外一个提高系统容量的方法是使用分集技 术，提高发送接收信噪比，从而增大系统的容量。近年来，主要是通过在接收端使用多元 阵列天线来获得接收信噪比增益。为减小接收端特别是移动终端的处理复杂度和体积，可 以考虑把接收分集处理技术平移到发送端( 如w c d m a 标准中) ，发送天线采用阵列结构而 接收天线采用单天线结构，这就是等价的m i s o ( m u l t i p l e - i n p u ts i n g l e - o u t p u t ) 系统。 s i m o ( s i n g l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ) 和m i s o 技术的进一步发展产生了发送和接收两端 同时采用阵列天线的系统m i m o 系统【2 】。 1 2 2m i m o 系统的特点 无线通信中的m i m o 技术是指在无线通信系统的发送端和或接收端使用多根天线或 天线阵列构成一个m i m o 系统来进行信息传输的技术。使用m i m o 技术的无线通信系统 称为无线m i m o 系统。无线m i m o 系统按照发送端和接收端配置的天线数的不同又可细 分为：单输入多输出( s i m o ) 系统；多输入单输墨( m i s o ) 系统；多输入多输出( m i m o ) 系统。 无线通信系统的三个最主要的有害因素是：信号衰落、码间干扰( i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) 和同频道干扰( c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ，c c i ) 。信号衰落和i s i 是由无线信 道的多径产生的，c c i 一般是由共道用户或位于系统中的干扰源产生的。为了对抗信号衰 落，单用户m i m o 系统采用分集技术来处理，如空间分集、时间分集、极化分集和频率分 集。空间分集和极化分集采用阵列天线而获得，频率分集通过多径信道而获得，时间分集 可通过具体的( 编码调制) 发送技术而获得。为了消除或利用无线通信系统中的i s i ，信道均 衡技术包括自适应均衡或r a k e 接收，可以用来均衡多径信道。为了消除共道干扰，自适 应波束形成是在干扰信息未知时所采用的技术，当干扰信息在接收端已知时，采用多用户 检测是更好的选择。虽然，自适应波束形成技术与多用户检测技术的组合能进一步提高系 统的性能，但它是以系统复杂度的增加为条件的。采用阵列天线技术，m i m o 系统能够充 分利用信号的所有空时频域的特性，具有以下优点： 3 乏 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 ( 1 ) 利用或减轻多径衰落：m i m o 技术能够充分采用多径的各种发送合成技术，提高 无线通信系统的性能。 ( 2 ) 消除共道干扰：m i m o 系统能够采用自适应波束形成技术或多用户检测技术对共道 干扰进行有效抑制或消除。 ( 3 ) 提高频谱利用率、增加发送效率、减小发送功率、减小空间电磁干扰以及增大系统 容量：由于阵列天线可以降低共道干扰和多径衰落的影响，因此在一定的信噪比( s i g n a lt o n o i s er a t i o ，s n r ) 条件下可以降低误码率，或者在一定的误码率下可以降低检测所需的信 噪比。m i m o 系统能够有效抑制或消除共道干扰以及码间干扰，同时利用分集技术提高接 收信号的信噪比，因此基站和移动终端的发送功率可以得到一定程度的降低，同时减小空 间电磁干扰的影响、延长移动终端电池使用时间、减小对生态环境的影响、降低系统对功 率控制精度和器件的要求。 由于在不同应用环境下需要考虑的因素不同，m 1 m o 系统具有不同的性能指标。m i m o 系统性能的主要参考指标包括： ( 1 ) 有效性：目标是在单位带宽内提供尽可能高的比特率，也称为频谱利用率。在高斯 信道条件下，定义为在任意低误码率下可以获得的最高比特率。 ( 2 ) 可靠性：又称发射的鲁棒性，用于衡量给定比特率下系统的通信质量。一般来说， 比特率越高，可靠性越低。 ( 3 ) 复杂度：由于蜂窝系统无线链路的其中一端一般是靠电池供电，系统复杂度越高， 功率消耗越大。因此，设计收发两端不对称，在电池供电的一端具有较低复杂度的方案是 更符合实际的。 上述的性能指标是相互矛盾的，系统设计者必须仔细考虑，选择一个包括性能、经济 性和移动性在内的整体系统优化的折中【2 1 。 1 2 3m i m o 系统的分集与复用 通过对无线通信系统的发射机和接收机上安装多元天线阵，就能够采用多种手段来克 服无线信道的不良影响，从而提高通信的质量。概略地说，m i m o 系统主要能获得以下两 方面的性能增益：空间复用增益和空间分集增益。 一方面，在m i m o 系统中，多径衰落提高了通信系统可以利用的自由度。若各个收发 天线对之间路径增益衰落是独立的，这种情况下就构建了多个并行的空间子信道，在这些 子信道间发射不同的信息流，数据传输率自然就会提高，这种方法叫空间复用。它在自由 4 塑室坚皇查兰堡主堕壅生堂垡笙茎兰= 兰堑丝 度有限系统( 相对于功率有限系统) 的高信噪比( s n r ) 区域是特别重要的。复用的性能衡量就 是系统所能提供的最大容量，著名的b l a s t 结构就是一种能够提供系统最高容量的满空 间复用系统。 另一方面，m i m o 系统也可以用来实现空间分集，以对抗信道衰落。系统通过提供分 集增益来提高无线链路的可靠性，其基本思想是给接收机提供信息符号的多个独立衰落副 本，使得所有信号成分同时经历深度衰落的概率很小。在任意接近于信道遍历容量的数据 传输率进行可靠通信要求时，在时间上对许多信道的独立实现作统计平均，这主要是用来 对抗信道衰落的随机性的。一个信道的多个不同随机实现的统计平均能够决定信道的统计 特征分布。分集的性能一般采用分集增益来衡量，最常用的分集的例子是空时编码和波束 形成。 综上所述，m i m o 系统能够提供两种类型的增益：空间分集增益和空间复用增益( 编码 增益是时间分集) ，m i m o 系统分集与复用的折中本质上是系统错误概率与系统数据传输率 的折中。由于m i m o 系统本身的自由度是有限的，提高一种增益必定降低另一种增益。因 此，不同体制和不同系统的性能比较是相当困难的，系统设计者需要综合考虑这两种增益 在给定实际条件下的折中【2 1 。 1 2 4m i m o 系统的应用与展望 m i m o 技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破。该技术利用无线m i m o 系统的 多根发送天线和多根接收天线，采用分集技术获取空间分集度( 发送分集度和接收分集度) 以提高信息传输的可靠性；利用不同收发天线间的空间信道，采用空间复用技术同时传输 多个数据流以增加信息传输的有效性。由于各发送天线同时发送的信号占用同一频带，所 以能在不额外增加带宽的前提下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，极大地提高信 息传输速率和改善信息传输性能。m i m o 技术超越了以往人们认为高的信息传输速率要么 要求宽的频带、要么要求大的发送功率的传统观念。所要付出的代价是发送端和或接收端 要进行计算复杂度相对高的空时信号处理【3 】，但是随着集成电路技术与工艺和信号处理理 论与技术的发展，终端的信号处理能力将随时间以指数形式得到提高。 由于其巨大的前景，m i m o 系统已经应用到未来几个无线通信系统的标准中，特别是 无线局域网和蜂窝网，例如i e e e8 0 2 1 1 、8 0 2 1 6 和第三代合作伙伴项目( 3 坩g e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c t ，3 g p p ) 标准。基于i e e e8 0 2 1l 标准已经产生了w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 。 w i f i 通常用于公共无线接入【通常所说的热点区域( h o t s p o t s ) ，比如咖啡店、机场和购物中 s 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 心等地方的接入，该种标准的一个早期版本( i e e e8 0 2 1 l a ) 支持高达11 m b s 的数据速率， 而最新标准( i e e e8 0 2 1 l n ) 引入了m i m o 通信。 基于i e e e8 0 2 1 6 标准已经产生了所谓的w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s ) 。该标准的i e e e8 0 2 1 6 e 版本采用m i m o 通信作为一个选项，其中考虑了2 1 和 4 * 4m i m o 配置( i e e e8 0 2 1 6 ep a r t1 6 ，2 0 0 4 ；i e e e8 0 2 1 6 e d 1 2 ：p a r t1 6 ，2 0 0 6 ) 。在某些 情况下，多天线用于对用户进行高数据速率传输，而在其他一些情况下，特别是在蜂窝网 络中，多天线用于波束形成( b e a r n f o r m i n g ) ，从而提高整个网络容量。 3 g p p 技术也称为宽带码分多址( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，w - c d m a ) ， 作为c d m a 技术的一个扩展，用于第三代( 3 g ) 蜂窝网络中。引入w - c d m a 背后的动机在 于相比早期版本c d m a 的高数据速率传输，它可以在多径衰落信道中获得额外的分集。 m i m o 通信已经引入此标准，特别是在第7 版本和第8 版本中，其中后者称为长期演进( l o n g t i m ee v o l u t i o n ，l t e ) 。第7 版本采用了基于空时分组码的2 1 和4 * 2m i m o 配置，而2 * 2 和4 * 4m i m o 配置用于第8 版本中【t s g r 1 ( 0 4 ) 0 3 3 6 ，2 0 0 4 】。 i e e e8 0 2 2 0 和8 0 2 2 2 标准同样考虑采用m i m o ，但是没有定论。i e e e8 0 2 2 0 标准旨 在移动宽带无线接入插入地址指定，该宽带接入为i p 服务提供基于包交换的空中接口。 i e e e8 0 2 2 2 标准旨在使用已经分配的电视频谱中未用到的信道构建无线本地网络【4 】。 回顾无线通信的发展历史，从移动通信系统的蜂窝化和无线通信中天线分集的应用开 始，对空间资源的利用一直是提高无线系统频谱利用率的有效手段。过去的5 0 年里，人们 对多天线技术提高频谱利用率的认识和应用也在不断深入和发展，从早期利用多天线空间 分集和天线极化分集改善无线链路传输性能，到基于自适应信号处理方法开辟自适应天线 阵列处理理论，及至智能天线( s m a r ta n t e n n a ，s a ) 、空分多址( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，s d m a ) 被用于蜂窝通信，再到今天，国内外众多研究者广泛关注发送端和接收端 同时使用多个天线阵元的多输入多输出( m i m o ) 通信结构，以m i m o 技术为代表的多天线 技术在无线通信中扮演的角色越来越重要，多天线技术在无线通信中的应用也越来越广泛。 目前，从国际国内的无线通信研究趋势的发展中可以发现，在无线通信传输理论和技 术领域，基于多天线( 包括天线阵列) 的信号处理、编码、调制和资源管理等技术均处于研 究和应用的最前沿。 综上所述，无线通信应用需求的持续增长直接推动着无线通信网络的发展和无线通信 新技术的诞生。而在众多新技术中，m i m o 技术作为未来一代宽带无线通信系统的框架技 术，是实现充分利用空间资源以提高频谱利用率的一个必然途径，基于m i m o 的无线通信 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 理论和传输技术显示了巨大的潜力和发展前景 2 1 。 1 3 相关课题研究现状 众所周知，在实际的无线移动通信过程中，多径衰落和各种干扰( 包括同信道干扰、邻 信道干扰或外来干扰) 的广泛存在、有限的频谱资源以及数据传输速率需求不断提高这些问 题是同时存在的。如果单纯选用多天线技术中的一种，在很多时候很难满足实际需要【5 】。 因此，在一个系统中联合多种多天线技术的方案和策略的研究就越发显得重要。本文重点 研究波束形成技术与空时分组码技术相结合的相关技术与策略。 空时分组码技术可以在不牺牲带宽的情况下获得很高的编码增益和分集增益【6 】，在接 收机结构相对简单的情况下，空时分组码的空时结构可以有效提高无线系统的容量【| 7 8 1 。但 是，空时分组码在带来显著分集增益的同时，也增加了符号间干扰和用户间干扰。而波束 形成技术的优势就是可以降低符号间干扰和抑制用户间干扰。因此，很自然的想到要把两 者联合起来【9 】，优势互补，满足未来移动通信发展的需要。在学术领域，许多研究学者和 研究机构在近几年内都已经开展了对结合空时分组码的波束形成技术的研究。最早是美国 卡纳基梅隆大学电子与计算机技术学院的印度籍学者n e g i 1 0 】提出，之后受到美国、欧洲、 韩国以及我国众多研究人士的重视。目前该方面的研究主要包括对智能天线系统结合空时 分组码的波束形成技术、m i m o 系统结合空时分组码的波束形成技术两个方向。 国内外对结合空时分组码的波束形成技术的研究主要集中在以下几个方面： 日本电气与电子通信大学的n t x u a n 等人在2 0 0 4 年提出了一种在上行链路结合空时 分组码的波束形成的方法【l l 】。这种方法的基本思想是在基站接收机侧使用智能天线阵列进 行波束形成，而在移动终端发射机侧重点使用空时编码。此方法在上行链路无线传输中确 实非常有效。但不能直接移植到下行链路，因为在移动台侧由于尺寸的限制无法使用天线 阵列，以及无法承受波束形成的复杂度负担。但是在未来移动通信系统中，下行链路将承 载更多的多媒体业务，需要更高的系统容量和通信质量。因此应用于下行链路在基站端完 成的结合空时分组码的波束形成技术的研究显得更为重要。 丹麦n o k i a 公司的p e a e r s o n 等学者在2 0 0 1 年提出了应用于下行链路的基于极化天线 的结合空时分组码的波束形成技术 1 2 , 1 3 。此类技术的基本思想是利用天线的不同极化来实 现信道的不相关，应用空时分组编码，然后在每一个极化方向上进行波束形成。这种方法 的优点是结构简单，天线阵列的阵元间隔可以为半波长，在各个极化方向上分别形成对准 期望用户的波束。其缺点是系统性能受极化交叉极化鉴别度( x p d ) 影响很大，x p d 值很高 7 蠢 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 时，两个极化信道之间的相关性升高，此时空时编码的效果将有所下降，会给接收机译码 带来更高的误检概率。 美国斯坦福大学的r o b e r t 等人在1 9 9 9 年提出了一种下行链路基于子阵列分集结构的 结合空时分组码的波束形成技术【1 4 】。该技术一般都假设空时编码器输出的n 路子数据流， 分别送入n 个天线子阵列，每个子阵列与接收机天线之间的信道是互不相关的，用以满足 空时码传输对信道不相关性的要求。而在每一个子阵列内部，所有天线阵元与接收机天线 之间的信道则是高度相关的，可以使用波束形成来获得阵列增益。该方案的优点在于结构 简单，对接收机要求较低。但是由于要满足各子阵列与接收端所形成的信道之间不相关， 子阵列之间的间隔就要求足够远，这样实际上大大增大了基站天线阵列的尺寸。此外，每 一个子阵列都是单独完成波束形成功能，因此，每个子阵列都需要配置足够多的阵元。这 就加大了对基站端天线阵元数量的需求。 新加坡通信研究所的学者z h o n g d i n gl e i 等人在2 0 0 2 年提出了一种使用单个智能天线 阵列实现的下行链路结合空时分组码的波束形成技术【1 5 】。该技术的基本思想是通过对信道 的相关矩阵的特征分解，获得同时应用到同一发射天线阵列的两个并列的加权向量，这两 个并列的加权向量可以同时实现：首先，保证两个到达接收机的加权信号互不相关，这是 首要目的；其次，在满足第一个目的的基础上对权值进行筛选，使接收端的信噪比尽可能 高。与前一方案相比，该方案的优点是使用的是单一的天线阵列，可以降低对基站端天线 尺寸的要求。另外，对用户的两路发射波束是使用同一个天线阵列完成的，实现了两个波 束间天线阵元的共用，因此，可以降低对基站总天线阵元数量的需求。ez h u 在文献 9 ，1 5 ，1 6 ，1 7 ，1 8 ，1 9 中对这种方案进行了扩展，使用两个互相相关的子天线阵列进行发射，性 能虽有所提高，但需要增加天线阵列中阵元的数量。 另外，文献 2 0 ，2 1 分析了不同角度扩展对结合空时编码的波束形成发射策略的性能的 影响，研究表明，当角度扩展较小时，波束形成起主导作用，当角度扩展较大时，空时编 码起绝对作用。文献 2 2 ，2 3 ，2 4 ，2 5 贝, t j 对结合空时编码的波束形成技术在频率选择性衰落信道 中的性能和算法分别进行了研究。文献 2 6 中对基于相关空时信道的天线阵列的空时分组 码与波束形成联合技术进行了详细阐述。 近年来，国内的诸多学者和科研机构也对空时编码与波束形成的联合技术产生了浓厚 的兴趣，并展开了卓有成效的研究。 吉林大学的王树勋教授等人在文献 2 7 】中提出了一种基于三阶循环统计量的波束形成 方法。并将该波束形成方法与空时分组编码联合应用，提出了一种基站采用双天线阵列发 8 壹室堂皇奎兰堡主塑壅生堂垡堡奎 兰二兰堑笙 射，移动终端多天线阵元接收的波束形成与空时分组码联合处理的方案。在文献 2 3 1 中对 子阵列分集结构在f d dd s c d m a 系统中的应用进行了研究，在该应用中，波束形成主要 用来克服由空时分组码带来的符号间干扰闯题。 解放军理工大学指挥自动化学院的沈克勤学者在文献 2 8 】中提出一种基于自适应波束 形成循环平稳信号算法的系统。该系统利用信号的循环平稳性实现自适应波束形成，然后 基于对上行链路感兴趣信号的多个分量的波束形成的估计来构造一对低相关的发送波束发 送空时分组码的两路输出。 1 4 主要工作和内容安排 本论文主要研究结合正交空时分组码的波束形成，将结合正交空时分组码的波束形成 和发射端天线选择及多用户调度同时考虑，提出了基于信道容量准则求波束形成权向量的 方法，并分析了基于最小误码率的自适应功率分配方法。 论文的内容安排如下： 第一章：主要介绍了课题的研究背景、m i m o 技术以及相关课题的研究现状。 第二章：主要对m i m o 相关技术进行了概述，介绍了几种分集技术、m i m o 无线信道 及空时编码技术，对系统在各种信道下的容量进行了分析。 第三章：介绍了正交空时分组码，波束形成以及结合正交空时分组码的波束形成技术。 仿真得出结合正交空时分组码的波束形成的性能并且与正交空时分组码性能进行比较。 第四章：基于最大路径增益从多根发射天线中选择最优的n 根发射天线进行下行发射， 提出基于信道中断容量准则求波束形成权向量的方法，通过仿真对算法进行性能分析。 第五章：主要研究了基于结合空时分组码的波束形成的多用户调度算法，通过仿真进 行性能比较分析。 最后，对全文进行了概括性的总结并对进一步的研究作了展望。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m i m o 相关技术 第二章m i m o 相关技术 m i m o 系统通过在无线通信系统的发射机和或接收机上使用多根天线或天线阵列，从 而能够克服无线信道的多径衰落以及提高信道容量，取得更好的通信质量。本章主要介绍 m i m o 相关技术，包括分集技术、m i m o 无线信道模型、m i m o 信道的容量以及空时编码 技术。这些技术是后续各章节的理论基础。 2 1 分集技术 在无线通信系统中，分集是提供可靠通信最重要的方法之一，它能以较低的成本补偿 衰落信道的损失，从而改善无线通信的性能。分集技术是通过将同样的信息进行多次传输， 每个副本经历不同( 理想情况下为独立的) 信道来改善性能方法的统称，它寄希望于至少一 个副本将被正确的接收，或者至少有一个分集支路将具有足够大的瞬时信噪比，从而发射 信号被f 确地接收，系统不会发生中断。 假设可用的分集支路数为三，并且每个支路的衰落是独立的，如果其中一个支路的差 错概率为p ，那么三个并行传输的支路的差错概率为p 工。因此，系统的性能得到了改善。 在瑞利衰落信道下，