（信号与信息处理专业论文）mimo系统信道相关性及闭环空时算法研究.pdf

电子科技大学学位论文 摘要 近年来，随着无线通信技术迅速发展和新业务的不断出现，无线资源的使用日 趋紧张。如何利用有限的频谱资源获得更高的传输效率是当前乃至今后无线通信发 展的一个重要目标。新兴的多输入多输出( m l m o ) 技术正是由于取得了这方面的 重大突破而受到了广泛关注。普遍认为m 1 m o 有望成为下一代无线通信的关键技术 之一。 已有很多研究指出啪m o 能成倍的提高系统容量，这些研究多数是假设信道是 独立同分布的。然而实际的信道环境往往不符合这样的理想假设，信号的空间衰落 存在一定的相关性。因此本文从m i m o 系统出发，重点研究了信道相关性对信道容 量和误码率性能的影响，并且结合如酗o 实验系统( 8 6 3 项目计划) 的相关数据对 我们的理论分析进行了验证，具有重要的实际工程意义。本文还从信息论角度研究 了m i m o 系统的信道容量，分析和仿真了几种典型系统( s i s o 、m 【s o 、s d d o 、 m i m o ) 的平均信道容量，比较了这几种系统之间容量的差异，以及收发天线数量 的变化与容量之间关系：研究了闭环m i m o 系统空对算法，重点分析了基于发射天 线优化的空时分组码方案。文章的后部分详细的介绍m i m o 实验系统软件仿真平台 部分，深入分析了实验系统的部分数据处理结果，其中包括信道系数包络的概率密 度分布( p d f ) 、发射接收端信号相关性，比较了实际p d f 与理想瑞利、菜斯分布的 差异，把实际得到的发射，接收相关矩阵应用到s t b c 理论仿真中，比较理论仿真和 实验中误码率性能曲线的差异。 关键词：m i m o衰落相关信道容量空时分组码天线选择 电子科技大学学位论文 a b s t r a c t l nr e c e n ty e a r s w i t h _ 【h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n de m e r g i n g s e r v i c e s ，t h ed e m a n d sf o rt h el i m i t e df r e q u e n c yr e s o u r c ea r eb o o m i n g 1 ti sb e c o m i n ga s i g n i f i c a n tg o a li nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt ou s el i m i t e ds p e c t r u mr e s o u r c et oa c h i e v e h i g h e rs y s t e mc a p a c i t y m e a n w h i l e ，m i m o ( m u l t i p l ei n ，m u l t i p l eo u 0w h i c hu t i l i z e s m u l t i p l ea r l t e m a st ot r a n s m i ta n dr e c e i v eh a sd r a w nc o l l s i d e r a n ea t t e n t i o nf o ri t s 蛐珈 s p e c t r u me f f i c i e n c y t h e r ei sap o p u l a r v i e wt h a tm i m ow i l ll i k e l yb ea k e yt e c h n i q u e i n n e x t - g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e r n s o f a r , m a n y w o r k sh a v ep o i mo u tt h a tt i m e so f c a p a c i t y 咖b e a c h i e v e db ym i m o t e c h n i q u e ，m o s to f w h i c hm a k ea l la s s u m p t i o no f i n d e p e n d e n ta n di d e n t i c a l l yd i s t r i b u t e d i i d f a d i n g h o w e v e r , i nr e a lp m p a g a t i n ne n v i r o n m e n t s , t h ef a d e sa r en o ti n d e p e n d e n t d u e ，f o re x a m p l e ，t oi n m a f f i c i e n ts p a c i n gb e t a e e na l l t e r l n ae l e m e n t s t h ei m p a c to f e h a r m e l c o r r e l a t i o n so nt h ec a p a c i t yo f m i m o s y s t e m sh a sb e e n d i s c u s s e di nm a n y r e c e n t p a p e r s a l ls t u d i e sp o i n to u tt h a tf a d i n gc o r r e l a t i o n sd e g r a d e , s o i l l e t i m e ss e v e r e l y , t h em i m o e r g o d i ec a p a c i t yw h e nc o m p a r e dt ot h ei d e a lc a s eo fi n d e p e n d e n ti d e n t i c a l l yr a y l e i g h d i s t r i b u t e do i d ) c h a n n e l s n l ct h e s i sb e g i n n i n gw i t hm i m os y s t e me m p h a s i z e st h e r e s e a r c ho fi m p a c to fc h a n n e lc o r r e l a t i o n so i l c a p a c i t y a n db e ri ns t b cs y s t e m m o r e o v e r , i ti ss i g n i f i c a n tt h a tt h ev a l i d a t i o nt ot h e o r e t i ca n a l y s i si sd o n ew i t h r e a ld a d a f r o mm i m oe x p e r i m e n t a ls y s t e m sa s s o c i a t e dw i t h8 6 3p l a n i na d d i t i o n , t h et h e s i s a n a l y z e si n f o r m a t i o nt h e o r e t i cm i m oc a p a c i t y , s i m u l a l i n ga v e r a g ec a p a c i t yo fs e v e r a l t y p i c a ls y s t e m s ，s u c ha ss i s o , m i s o ，s i m o , m i m o ，c o m p a r i n gt h ed i f f e r e n c ea m o n g t h e ma n dd i s c u s s i n gt h er e l a t i o n s h i pb 吐w e e nt h ec a p a c i t ya n dt h ev a r i a t i o no fa n t e n r l a n u m b e r w em a k ear e s e a r c ho ns p a c e - t i m ea l g o r i t h mi nc l o s el o o pm i m os y s t e m ， d e t a i l i n ga s c h e m e o f o p t i m i z i n gt r a l l s l n i ta n t e n n a i ns t b c s y s t e m s t h em s tp a r to f t h e t h e s i sd e t a i l ss o t w a r ep l a t f o r mo fm i m o e x p e r i m e n t a ls y s t e m , d e e pa n a l y z i n gt h ed a t a f r o mh d w a r e s y s t e m ，i n c l u d i n gt h ep r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ( n oo fc h a n n e l c o e f f i c i e n t se n v e l o p s ，c h a n n e lc o r r e l a t i o n sa tt r a n s m i t t e r r e c e i v e rs i d e c o m p a r i n gt h en f a b o v ew i t ht h a to fi d e a lr a y l e i g hd i s t r i b u t i o na n dr i c e a nd i s t r i b u t i o n p u t t i n gt h er e a l d a t a sc o r r e l a t i o n si n t ot h e o r e t i cs i m u l a t i o nf o rs t b cs y s t e mt ov a l i d a t ew h e t h e rt h eb e r c 1 1 r v ef r o mr e a ld a t ac a l lm a t c h t h et h e o r e t i cb e rc l l d e k e y w o r d s ：m i m oc o r r e l a t e df a d i n gc h a n n e lc 印a c i t ya n t e n n as e l e c t i o n 电子科技大学学位论文 a w g n c s 】 c s i t b e r i s i 1 1 d l s 幢o 儿 p d f q p s k s l s 0 s n r s t b c s t b d 缩略语 a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e c h a r m e ls t a t ei n f o r m a t i o n c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na tt h et r a n s m i t t e r b i te r r o rr a t e i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e i n d e p e n d e n t i d e n t i c a ld i s t r i b u t i o n l e a s ts q u a r e 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 a x i m u ml i k e l i h o o d p r o b a b i u t yd e n s i t y f u n c t i o n q u a t e r n a r yp h a s e s h i f tk e y i n g s i i 蟛ei n p u ts i n g l eo u t p u t s i g n a l - t o - n o i s e r a t i o s p a c et i m eb l o c k c o d e s p a c e t i m eb l o c kd e c o d e i 加性高斯白噪声 信道状态信息 发射端有信道信窟 误比特率 符号间干扰 独立同分布 最d , - 乘 多入多出( 系匀曲 最大似然 概率密度函数 四阶相移键控 单入单出( 系统) 信噪比 空时分组编码 空时分组解码 电子科技大学学位论文 符号 矩阵a 的共厄转置 矩阵a 的转置 矩阵a 的共厄 矩阵a 的f 范数 矩阵a 的行列式 矩阵a 的迹 矩阵的k r o n e c k o r 积 发射天线数 接收天线数 数学期望符号 i v b 0 a ， ； o娜蛳啦。坼略e 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位 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己在论文 中作了明确的说明，在此向他们表示谢意。 签名：i 丘五日期：施年f 月巧日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完垒了解电子搴i 技大学有关保留、使用学位论文的 规定，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 许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守 馘：卤缸鱼导臌： e l 期： 2 蕊年s - 月巧e t 电子科技大学学位论文 第1 章绪论 1 1移动通信的发展概述 随着信息社会的到来，各种信息的提取、传输、压缩、处理技术在人类的科研 生产生活种起到越来越重要的作用。通信技术作为信息传输的手段，在各种信息技 术中起着支撑作用，因而世界各国都在致力于现代通信技术的开发及现代综合通信 网的建设。通信技术的发达程度成为一个现代国家发达程度的标志。 移动通信技术由于给人们的生活工作带来很大的方便，因而移动通信系统能自 其商用之日起便得到了迅速的发展，并在现代通信中占着越来越重要的地位，目前 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。 尽管移动通信的发展从无线通信的发明之日起就开始了。但是真正的大规模商 用移动通信系统开始于二十世纪七十年代到八十年代初期，之后移动通信技术便以 一日千里的其实迅速发展起来，到目前为止商用移动通信系统的发展大致分为三个 阶段 1 ，即通常所说的第一代、第二代、第三代移动通信系统。 第一代移动通信系统开始于二十世纪七十年代到八十年代初期。主要的代表系 统有：美国的先进移动电话业务( a m p s ) ，英国全接入通信系统( t a c s ) ，北欧的移 动电话c m ，等。第一代移动通信系统是基于模拟技术，所有蜂窝系统均采用频率 调制，而移动通信系统提供的服务仅为语音通信。第一代移动通信系统包括移动台 ( m s ) 、基站( b s ) 和移动切换中心( m s c ) ，由m s c 完成对整个m s c 覆盖区域的管 理、维护以及提供与其他m s c 或者公用电话网络( p s l n ) 的接口。尽管第一代移动 通信系统在当时发展迅速，但是它存在许多问题，如：频率利用率低，系统容量小； 不能提供高速数据业务服务；保密性差；移动设备成本高，体积大等。 第二代移动通信系统兴起于二十世纪九十年代。主要的代表系统有：欧洲全球 移动通信系统g s m ( 1 9 9 1 年) ，美国通信工业协会( t i a ) 颁布的i s 一9 5 ( 1 9 9 4 年) ，英 国的无绳电话系统c t 2 ( 9 8 9 年) ，欧洲电信标准协会( e t s i ) 制订的数字无绳电话 d e c t ( 1 9 9 2 年) ，美国贝尔公司提供的个人接入通信系统p a c s ( 1 9 9 2 年) ，日本数 字蜂窝系统j d c ( 1 9 9 1 年) ，日本个人手提电话系统p h s ( 1 9 9 3 年) 等。第二代移动 通信系统采用数字调制技术和先进的呼叫处理技术及新的网络结构。其系统结构在 第一代移动通信系统的基础上增加了基站控制器( b s c ) 或者功能类似的单元，从而 电子科技大学学位论文 大大降低了m s c 的处理负担，使系统结构更为合理。 南于第二代移动通信系统的巨大成功，全球范围内的移动通信用户数量急剧增 加，1 9 9 5 年全球的移动通信用户数为9 0 0 0 万，1 9 9 7 年达到2 亿，1 9 9 8 年为2 亿 8 0 0 0 万。移动用户数目如此高速的增长，迫使现在的移动通信系统急于解决如何进 一步提高系统的频谱利用率和增大系统的容量的问题；另一方面在全球移动通信用 户激增的同时，i n t e r n e t 也在飞速发展，使得移动通信技术与i n t e m e t 技术结合起来， 或者说要求无线通信系统能够承担更高速率的数据业务越来越成为移动用户的迫 切要求。这一切成为第三代移动通信系统发展的主要动力。 第三代移动通信系统又称为i m t - 2 0 0 0 ，其主要的目标可以概括如下 2 3 ：在 全球形成统一的频率、统一的标准、实现全球漫游并且提高多种业务的服务。对 i m t - 2 0 0 0 无线传输技术而言，i t u 要求在室内环境信息的传输速率为2 m b s ，室外 步行环境下的传信率为3 8 4 k 眺，室外高速环境下达到1 4 4 k b s 根据i m t - 2 0 0 0 的要求，截至1 9 9 8 年6 月底，各国提交给u 的第三代移动通 信系统的无线几口方案多达1 0 种，经过多方的努力，将这些方案种类似的技术进行 合并，蛩l 现在为止，还存在3 种方案，即由欧洲和日本支持的w c d m a ，由美国提 出的c d m a 2 0 0 0 ，由中国和西门子等公司提出的t d - s c d m a 。 从第三代移动通信系统的各种候选方案中可以明显看出，基于c d m a 技术的解 决方案成为主流技术。这主要是由于c d m a 系统具有相对于f d m a 、t d m a 系统 更高的系统容量。 可以预料，在3 g 大规模商用以后，多媒体服务与应用将会得到广泛应用，而随 之3 g 在速率、o o s 、无缝传输等方面的局限性也将日益显露出来，势必需要带宽更宽 的无线系统。故移动通信的下一步必定是走向容量更大、速率更高、功能更强的 b 3 g 4 g ，以在移动环境中支持高清晰度视像和其它宽带多媒体业务与应用。所以在 第三代移动通信还没有完全铺开，距离完全实用化还有一段时间的时候，已经有不少 国家开始了对下一代移动通信系统( 4 g ) 4 的研究。相对于3 g 而言，4 g ；笙技术和 应用上将有质的飞跃，而不仅仅是在第三代移动通信的基础上再加上某些新的改进 技术。 作为新的移动通信系统，4 g 将不仅仅应用于蜂窝电话通信领域，它还能够提供 全息录音、远程控制卡以及移动虚拟现实等功能。但这样的系统要得到广泛的应用， 尽快地被人们接受，还应该考虑到让更多的用户在投资最少的情况下轻易地过渡到 4 g 通信。展望4 g 可以预见未来移动通信系统应该具有下述特征 5 6 ： 2 电子科技大学学位论文 1 ) 信息传输速率更快 专家预估，第四代移动通信系统的速度可以达到】0 2 0 m b i t s ，最高可以达到 1 0 0 m b i t s ，室外移动环境下的传输速率至少可以达2 m b i t s ，这相当于3 g 在室内环境 下的传输。 2 ) 带宽更宽 要想使4 g 通信达到很高的传输速度，其所需要的带宽要比3 g 网络高出许多。据 研究，每个4 g 信道将占有1 0 0m z 或更多的带宽，而3 g 网络的带宽则在5 2 0m h z 之间。同时，两者使用的频段也将不一样。z i g 的使用频段将在2 8 g h z 的范围内，要 比3 g 的1 8 0 0 2 4 0 0m h z 高很多。 3 ) 容量更大 据估计，1 0 年后，每个人所获取的信息要比今天至少高3 4 个数量级，而3 g 的 容量将不能满足这种增长的业务量需求，所以在4 g 里将采用新的网络技术来最大限 度提高系统的容量，如s d m a ( 空分多址) 技术等，来满足未来大信息量的需求。 4 ) 能实现更高质量的多媒体通信 4 g 通信能提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等，大量信息透 过宽频信道传送出去，因此4 e 电是一种实时的、宽带的以及无缝覆盖的多媒体无线 通信。 为了实现上述的目标，关键因素之一需要在物理层采用更加高速的无线传输技 术 5 6 ，而且还必须寻找提高频谱利用率的解决方案。在众多的信号处理技术中， 最引人注目的是m i m o 技术，普遍认为，m i m o 技术将是新一代移动通信系统必须 采用的关键技术之一。 1 2m i m o 技术发展现状 信息理论的一些近期研究成果显示了m i m o 系统在提高无线链路传输能力上 的巨大潜力以及在宽带无线系统中的广阔应用前景。m i m o 系统在通信接收、发射 双方都使用一组天线阵列，在发送端将个用户的数据信息分成多路并行信号，并 分别由多个天线元同时、同频段发送；接收方通过空时解码算法分辨出不同的并行 子码流。不同的空时编解码方案对系统有不同的要求，如b l a s t 必须使用数目不 少于发送天线数目的天线组进行接收，并依靠特殊的编码方式与信号处理过程实现 子信号流的分离。最后将恢复出的子信号流合并成原有的发送串行信号。m i m o 系 统是一种将信号的空间域与时域处理相结合的技术方案，空间域的处理实际上是利 3 电子科技大学学位论文 用了多径环境中的散射所产生的不同予信号流的不相关性而在接收方对不同的信号 流进行分离。m i m o 将信道视为若干并行的子信道，在不需要额外带宽的情况下实 现近距离的频谱资源重复利用( 多个发射天线近距离同频、同时传输) ，理论上可以 极大的扩展频带利用率、提高无线传输速率，同时还增强了通信系统的抗干扰、抗 衰落性能。 目前m i m o 技术已经成为一项研究热点，2 0 0 2 年曾被美国 t e l e c o m m u n i c a t i o n s ) ) 评为十大热门通信技术之一。m i m o 技术的主要研究内容 包括： 1 ) 信道模型：精确的构建能够更加准确反映m i m o 信道特性的数学模型。 2 ) 信道容量：根据更实际的信道模型，计算由信息理论确定的信道传输速率界限。 3 ) 发射与接收处理目标：空闻复用或分集。 实现上述目标的算法，前者主要是指各种b l a s t 算法，后者指空时编码。 朗讯科技的贝尔实验室b l a s t ( b e l l l a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e ) 是移动 通信方面领先的m i m o 应用技术，其中一弛简化的b l a s t 方案( v 冯l a s l 一 v e r t i c a l - b l a s t ) 将信源数据分成，l l 爪子数据流，独立进行编码觖射，调制。目前贝 尔实验室已经构建了1 9 g h z 载频、3 0 k h z 带宽的v - b l a s t 试验系统，并获得了 非常高的频带利用率。 为了充分利用m i m o 系统的信道容量，还有多种空时处理方案。如a t & t 的 t a r o k h 等人在发射延迟分集的基础上理出了基于发射分集的空时编码。a l a m o u l i 提出了一种简单的发射分集方案，t a r o k h 等人将其进一步推广，提出了空时分组 编码。空时分组编码具有较低的译码复杂度，已经被正是列入w c d m a 提案。 m i m o 技术是在分集技术的基础上发展而来的。事实证明，利用m i m o 构架的 数字通信技术是现代通信领域最重大的技术突破之一。这种技术将是解决新一代无 线通信业务通信容量瓶颈问题的最有效方案。 m i m o 在概念上和c d m a 有一定程度的相似性。在c d m a 方案中，不同用户 将共享共同的时频信道，信号分离将依靠睢一的码序列来完成。而m i m o 的优势在 于，输入数据流的唯一表征将由信道近似于正交( 依赖于衰落的相关性) 的自然特 性来实现。这样，不会出现频率扩展，也就没有频谱效率的损失。具有联合对多数 据流的编解码铯力是m i m o 的另一个优势。虽然m i m o 和c d m a 具有类似性，但 它们的接收机算法设计却可以涉及到不同的领域。特别需要注意的是，c d m a 中不 4 电子科技大学学位论文 同用户的身份表征是依靠系统设计完成，而m i m o 信道的分离依赖于丰富的自然多 径环境。因此，可以浼m i m o 是充分利用无线通信的多径条件，而非像包括智能天 线在内的许多其它技术那样，往往是依靠减弱多径的影响来达到目的。总之，m i m o 系统方案能够在多径环境下，保持高频谱效率地大幅度提高信号传送质量。所以它 是新一代无线通信最值得期待的技术之一。 1 3 相关信道下的m i m o 性畿研究现状 当前已有很多研究表明m i m o 能在不增加系统带宽的情况下成倍提高系统容量 【7 1 1 8 9 】【1 0 1 1 ，然而我们在庆幸这个重大发现的同时必须意识到，这些研究总是 假设发射胺收信号经历的空间衰落是独立的，即收发天线间的信道系数满足i i d 条 件。在实际无线信道环境中，天线间距不大、散射体数量有限和信号到达角的角度 扩展过小都可能是天线间的信号存在或多或少的相关性而违背理想的i i d 假设。研 究表明，在这种非理想的衰落信道环境中，m i m o 优异的性能会受到削弱。基于这 种情况，1 2 1 3 指出衰落相关时信道的容量比理想i i d 假设下的信道容量小的多。 d a - s a h ns h i u 在0 4 中采用单环信道模型进一步对影响衰落相关性的因素以及相关 性对m i m o 容量的影响研究发现，相关衰落将会恶化特征值子信道的功率增益。在 i i d 瑞利信道中，发射端无c s i 时，m i m o 的信道容量等效为多个s i s o 特征值子 信道容量的代数和，因此子信道的功率增益减弱将直接导致系统容量降低。为了能 直接分析信道容量和发射端接收端的相关性的关系，【1 5 】推导出了平坦瑞利信道中 信道容量和发射接收相关性的闭式解。其中的分析结果表明，发射端或接收端相邻 天线间的相关系数小于0 5 时，系统性能的损失都是可以忽略的。这与【1 6 】中的结论 是基本一致的，【1 6 】指出对于接收分集而言，天线信号包络的相关系数见“0 7 是可 以接收的。 除了以上这些研究成果外，近期f 1 7 】研究了快衰落瑞利信道下空对码的性能。当 移动台移动速度较快时，无线信道的变化也较大，应用准静态衰落模型己不能准确 地表述实际的情况。1 7 幂u 用多变量统计学和矩阵变换的方法深入研究了m i m o 系 统中空时编码的误码性能，得到平均成对差错概率的上界的准确闭合解。【1 8 】甚至 提出完全相反的结论，以上的研究结果都是基于把信道相关矩阵建模成发射和接收 相关矩阵的k r o n e c t e r 积而进行的。然而0 8 表明了，这种模型在某些假设下是不完 善的，以至会低估平均信道容量。基于这种观点，【1 8 】通过平均信道容量的上界的 表达式，给出了信道之间的互相关( c r o s s - - c o r r e l a t i o n ) 可以改善信道容量的结论。 5 电子科技大学学位论文 虽然这只是部分特定的假设下才可能实现，但毕竟给为我们提供了一个全新的观点。 由此可以看出空间研究衰落相关性对m i m o 性能的影响是很重要的一个课题。 基于此，本文从信息论信道容量和空时分组码系统的误码率角度研究并仿真了相关 性对m i m o 性能的影响，给出了发射接收端的相关矩阵在不同的相关系数时系统 性能的变化情况。而且更具有现实意义的是，本文结合了实际i v l i m o 实验系统的收 发数据分析了相关性的问题。 需要说明的是，相关性对m i m o 的性能影响只是本文的一个方面，文中还对 m i m o 的信道容量和具有信道反馈的s t b c 系统的发射天线优化算法等作了研究工 作。 1 4 钾曩i 来源及黻主要工作 本课题来源于国家高技术发展计划( 8 6 3 计划) 个人通信技术专题方向的“新 型天线与分集技术研究课题”，课题编号为：2 0 0 2 a a l 2 3 0 3 2 ，它的研究对象为新 一代移动通信系统( 4 g ) 的物理层，其研究目标是：面向移动通信系统应用，研究 适用于终端和基站的分布式或多天线结构，探索可穿戴式天线或分布式天线在手机 终端上的应用，研究相应的提高系统容量和降低发射功率的方法。探索其关键技术 的实现，完成相应的技术示范。以系统应用为目标，探索基于分布式天线或多天线 阵子的发射分集、空时编码、接收分集技术及其在手机和基站上的应用，提出相应 的解决方案，申请有关发明专利。研制2 - 5 g 频段的、适用于终端或基站的分布式 或多天线结构，基站天线等效阵子数不少于8 个，手机天线等效数阵子不少于4 个， 阵子间等效间距不小于1 2 波长，可支持未来的m i m o 发射与接收分集和系统应用。 在该项目中，本人主要从事信道相关性对m i m o 性能影响以及闭环空时算法的研 究。 全文共分七章： 第一章介绍了无线通信的发展过程及其发展方向，概述了m i m o 技术的研究现 状。简介了本文的研究背景及理论基础，说明了该文的实际和理论意义。 第二章分析了无线信道的特征，从信息论角度研究了m i m o 系统的信道容量。 第三章研究了信道相关性对m i m o 信道容量和误码率性能的影响并且结合 m i m o 实验系统( 8 6 3 项目计划) 的相关数据对我们的理论分析进行了验证。 6 电子科技大学学位论史 第四章研究r 闭环m i m o 系统空时算法，重点分析了基于发射天线优化的空时 分组码方案。 第五章详细的介绍m i m o 实验系统软件仿真平台部分。 第六章对m i m o 实验系统的部分实验结果进行了深入分析，其中包括信道系数 包络的概率密度分布( p d f ) 、发射，接收端信道相关性。验证了第3 章中关于信道 相关性对m i m o 的影响的理论分析结果。 第七章将对全文研究进行总结。 7 电子科技大学学位论文 第2 章m m o 信道容量 在实际的移动通信环境中，存在多个散射体、反射体，在无线通信链路的发劓 与接收端存在不止一条传播路径，多径传播对通信的有效性与可靠性造成了严重的 影响。然而研究却表明，完全可以利用多径引起的接收信号的某些空间特性实现接 收方的信源分离。m j m o 技术在通信链路的收发两端均使用多个天线，发端将信源 输出的串行码流转换成多路并行子码流，分别通过不同的发射天线元同时发送，接 收方则利用多径引起的多个接收天线上信号的不相关性从混合信号中分离估计出原 来发送的各路子码流。这样实际相当于近距离的频带资源重复利用，因而可以在原 有的频带内实现高速率的信息传输。本章介绍了m m o 的系统模型，劳对其信道 容量进行了分析。 2 1 无线信箱翳征 2 1 1无线信道 信道是发射端和接收端之间的传播媒介的总称。它是通信系统三大组成部分( 信 源、信道、信宿) 之一，是任何一个通信系统不可或缺的组成部分。按传播的媒介 的不同，信道又分为有线信道和无线信道两大类。有线信道通常是平稳其可预测的， 而无线信道一般则是随机和不易分析的。无线通信系统中发射机与接收机之间的无 线电波传播路径非常复杂，从简单的视距传播到遭遇到各种复杂障碍物( 如建筑物、 山脉和树叶等) 的传播情况。一个通过无线信道传播的信号往往会沿一些不同的路 径到达接收端，这一现象称为信号的多径传输。这些多径是由于空间中的物体的散 射、反射和衍射作用，以及传输介质的折射作用产生的。信号的多径传输造成了无 线信道中最有特色的多径衰落。在数十波长的范围内，接收信号的场强的瞬时值呈 现快速变化的特性。这就是多径衰落。 信号从发射端经过无线信道到达接收端，功率会发生衰减，主要表现为：平均 路径损耗、大尺度衰落、小尺度衰落。信号在宏小区环境中传播时，必然会发生反 射。由反射定理知，信号的部分能量在反射时被反射体吸收( 如地面、树木等) ，从 而导致了平均路径损耗。大尺度衰落主要是由于建筑物、高山等的阻挡造成的，因 此也叫作阴影衰落。接收端收到的信号通常是由发射信号经过多径传输后的矢量合 成，多径的随机性使信号的相位也具有随机性，因此接收端信号经过矢量合成后有 可能发生严重的衰落。这种衰落往往只要求无线信号经过短时间或短距离传输，我 8 电子科技大学学位论文 们称之为衰落叫做小尺度衰落，也叫快衰落。由于小尺度衰落导致信号的幅度快速 衰落，以致大尺度衰落可忽略不计，而且平均路径损耗和阴影衰落主要影响到无线 区域的覆盖，通过合理的设讨町消除这种不利影响；而多径衰落严重影响信号传输 质量，并且是不可避免的，只能采用抗衰落技术来减少其影响。在这里我们重点考 虑小尺度衰落。 2 1 2小尺度衰落：多径信遒参数 多径传输会导致无线信号在不同维度扩展。这些扩展包括：时延扩展、频率扩 展( 多普勒频展) 和角度扩展。这些扩展从不同方面对信号产生重要的影响，而且 也是划分小尺度衰落类型的参数依据。以下，我们将对它们分别介绍。 时延扩侵 无线信号的多径传输会产生时延扩展。各个路径的长度不同，到达时间也不相 同。若从基站发射一个脉冲信号，则接收信号中不但包括该脉冲，而且还包括它的 各个延迟信号。这种由于多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度扩展现象，称为时 延扩展f r i m ed e l a ys p r e a d ) ，它可用第一个码元信号至最后一个多径信号之间的时间 来测量。郊区的时延扩展为0 5 m s ，市区为3 m s 。山区反射波引起的时延扩展通常比 近端区的时延扩展大得多。 在数字传输中，由于时延扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到其他码元 周期中，引起码间串扰。为了避免码间串扰，应使码元周期大于多径效应引起的时 延扩展a ，即码元速率最小于时延扩展的倒数，即 岛 1 a ( 2 一1 ) 相于带宽 与时延扩展相关的一个概念是相干带宽。当信号通过移动信道时，根据不同频 率分量受到的衰落是否相同，可把多径衰落分为频率选择性衰落和非频率选择性衰 落( 即平坦衰落) 。频率选择性衰落是指信道对信号中不同频率成分有不同的随机响 应。由于信号中不同频率成分衰落不一致，所以衰落信号波形将失真；非频率选择 性衰落是指信号中各频率成分的衰落具有一致性，相关性，因而衰落信号的波形不 失真。 是否产生频率选择性衰落，是由信号和信道两方面决定的。对于移动信道来说， 存在一个相干带宽。当信号的带宽小于相干带宽时，产生非频率选择性衰落；当信 9 电子科技大学学位论文 号的带宽大于相干带宽时，产生频率选择性衰落。 当信号包络相关系数等于0 5 时所对应的频率问隔被称为相干带宽，其表达式 为： 县= 熹 ( z z ， 相干带宽表征的是信号中两个频率分量基本相关的频率间隔。衰落信号中的两 个频率分量，当其频率间隔小于相干带宽时，它们是相关的，其衰落具有一致性； 当频率问隔大于相干带宽时，它们的衰落就不具有致性了。对于具有某一时延扩 展的移动信道，衰落信号中的两个频率分量是否相关，取决于它们的频率间隔。 相干带宽实际上是对移动信道传输具有一定带宽信号的能力的统计量度。对于 某个移动环境，其时延扩展可出大量实测数据经过统计计算出来，并可由此估计这 个信道的相干带宽。 当一个具体的信号通过信道时，出现频率选择性衰落还是平坦衰落，取决于信 号本身的带宽。对于数字移动通信来说，当码元速率较低，信号带宽远小于信道相 干带宽时，信号通过信道传输后各个频率分量的变化具有一致性，无码问串扰，为 平坦衰落；当码元速率较高，信号带宽大于信道相干带宽时，信号通过信道传输后 各个频率分量的变化不具有一致性，这将引起波形失真，造成码问串扰，为频率选 择性衰落。 在实际中，常用最大时延瓦的倒数来规定相干带宽即： 毽= 专 - 3 ， 多普勃扩凌静相干时间 时延扩展和相干带宽是用于描述本地信道时间色散特性的两个参数。然而它们 并未提供描述本地信道时变特性的信息。这种时变特性是由于移动台和基站的相对 运动后信道路径中物体的运动引起的。多普勒扩展和相干时间就是描述小尺度内信 道时变特性的两个参数。 与多普勒频移相关的一个概念是相干时间，它是多普勒扩展在时域的表现， 用于在时域描述信道频率色散的时变性。 它与多普勒频移成反比，即： 瓦* ( 2 4 ) j ” 1 0 电子科技大学学位论文 相干日, j f b q 是信道冲击响应维持不变的时间间隔的统计平均值。就是指在一段时 间间隔，两个到达信号有很强的幅度相关性。若基带信号带宽的侄4 数大于相干时间， 则传输中基带信号可能发生改变，导致接收机信号失真。若时间相关函数定义为大 于0 5 ，相干时间近似为： 9 7 1z ( 2 - 5 ) 1 6 n f m 其中l = v 2 为多普勒频移的最大值。在现代通信中，一种普遍的定义方法是 将相干时间定义为以上两式的几何平均，即： i = 0 4 2 3 j 。 穗受扩疑和撩干距离 角度扩展a ( a z i m u l hs p r e a d ) 是用来描述空间选择性衰落的重要参数，是由移 动台或基站周围的本地散射体以及远端散射体引起的，它与角度功率谱( p a s ) e ( 0 ) 有关。p a s 是信号功率谱密度在角度( 到达角a o a 或离开角a o d ) 上的分布。 反映了p a s 的二阶统计特性： a = 其中0 是到达角：万是平均到达角，定义为 口= ( 2 7 ) ( 2 8 ) 角度扩展引起空间选择性衰落，即信号的幅度依赖于天线的空间位置。空间选 择性衰落通过相干距离d c 来刻画。相干距离指天线收到信号的自相关函数的值随空 间距离增大而衰减到一定程度时空间距离的大小，通常去衰落到0 7 时的空间距离。 相干距离与角度扩展有反比关系： dc“i1(2-9) 上式说明，越大，d c 越小，天线间的信号的相关性越弱；反之，天线间的信号的 相关性越强。 在实际的无线通信中，移动台( m s ) 往往会被丰富的本地散射体包围，角度扩 1 1 磊 r，卜ui 电子科技大学学位论文 展较大，在市区环境的相干距离分布于0 2 s l 一5 丑，乃为载波波长；基站( b s ) 的天线一般位于高位置，不会被本地散射体包围，信雩的到达角度范围小，因此角 度扩展较小，在丘陵或市区环境的相干距离分布于3 丑一2 0 乃。如果要保证m s b s 天线信号不相关，则b s 间的天线间距要远大予m s 的天线闻距。通常b s 和m s 天 线间距取】o 五和o 5 五。 2 1 3小尺度衰落类型 当信号通过移动无线信道时，其衰落特性取决于发送信号的特性和信道特性。 无线信道中时问色散和频率色散可能产生四种显著效应，这是由信号发送速率和信 道特性决定的。多径的时延扩展引起的时间色散及频率选择性衰落时，多普勒频展 就会引起频率色散及时问选择性衰落。 多径时延扩展引起的时间色散，导致发送信号产生平坦衰落或频率选择性衰落。 若无线信道带宽大于发送信号带宽，且在带宽范围内有恒定增益及线性相位，则接 收信号就会经历平坦衰落，此时的信道可以看成窄带信道。经历平坦衰落的条件如 下： 最 咋 ( 2 1 0 ) 其中i 是信号带宽的倒数，皿是信号带宽，c r f ，e 分别为时延扩展和相干带宽。 若信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围小于发送信号带宽，则该信道特性 会导致接收信号产生频率选择性衰落。在这神情况下，信道冲击响应具有多径时延 扩展，此时接收信号中包含了经历了衰落和时延的发送信号波形的多径波，因此产 生接收信号失真。频率选择性衰落是由信道中发送信号的时 两色散引起的。这样信 道就引入了码问干扰。此时的信道可以看成宽带信道。信号产生频率选择性衰落的 条件是： 琏 b e ，t 瓦，毽(2-12) 在慢衰落信道中，信道冲击响应变化率比发送的基带信号变化率低得多，因此 1 2 电子科技大学学位论文 可假设在一个或几个带宽的倒数间隔内，信道均为静态信道。在频域中，这意味着 信道的多普勒扩展比基带信号的带宽小得多。所以信号经历慢衰落的条件是： l ( 2 1 3 ) 显然，移动台的速度( 或信道路径中物体的速度) 及墓带信号发送速率，决定了信 号是经历快衰落还是睫衰落。 。基掣；誓游展， r _ ，- - - 、 信号著善专带宽篱黼笋喜繇宽 ( 1 ) 信号带宽( 信道带宽c 1 ) 唇尊奢浠。厂蓓蠢带盘 ( 2 ) 对延扩展( 符号周期( 2 ) 时延扩展 符号周期 小尺度囊落 ( 基于多普劫扩展) r - - _ - i - 快衰落慢衰落 ( 1 ) 高多普勒频移( 1 ) 的多普勒频移 ( 2 ) 相干时间 符号周期 ( 3 ) 信遒变化挟子基带信号变化( 3 ) 信道变化馒于基带信号变化 图2 1 小尺度衰落类型 2 2i i m o 系统摸型 2 2 1系统概述