（信号与信息处理专业论文）mimo通信系统中的预编码技术与用户调度研究.pdf

摘要 利用m i m o 无线信道可以提高无线通信系统的链路可靠性和数据传输速率，当发 射端未知信道状态信息时，可以采用如空时编码、空分复用等技术充分利用m i m o 无 线信道的分集增益和复用增益以提高系统性能。当发射端已知全部或部分信道信息时， 可以采用预编码之类的技术提高系统的可靠性和数据传输速率。在多用户环境下，除了 上述技术外，还可以通过恰当的用户调度利用多用户分集，以提高系统吞吐量。本论文 研究内容包括开环m i m o 无线通信系统中的空时传输技术及其相应接收机技术，闭环 m i m o 无线通信系统中的预编码技术，多用户系统下行链路的用户调度以及基于码本的 空分多址接入技术。论文的主要贡献列举如下： 1 提出了一种m i m o o f d m 高分集度多码字分层传输方案，该方案发射端并不需要 任何信道状态信息，采用的子载波两维分组线性星座预编码技术能在不损失速率的 前提下显著提高系统的发射分集度( 空间分集、频率分集) 。针对上述发射系统， 同时提出了一种基于最大信干噪比准则线性滤波器的软输入软输出检测方案，采用 该检测方案的迭代接收机具有较低的复杂度，并对线性星座预编码引起的等效信道 的列相关性增强具有一定的鲁棒性，比传统的低复杂度迭代接收机具有更快的收敛 速度。 2 提出了一种空时编码o f d m 和多维波束形成的组合技术，该方案充分利用了发射 端已知的信道二阶统计信息，设计灵活、简单，并进行了详细的理论推导，分析表 明：该方案能获得期望的发射分集度和最大编码增益，对于相同的空时编码方式， 增加实际发射天线数时系统的编码增益能得到准线性的提高，信道环境相关性越强 时，通过增加实际发射天线数所获得的编码增益的效率越高。 3 针对空时分组编码和空分复用混合系统提出了一种鲁棒性的预编码技术，该技术首 先把系统等效成几个并行子系统，然后对子系统进行单独的预编码设计，这样可以 减少所需反馈信息量。该技术同时考虑了反馈误差，在设计预编码时采用了一种鲁 棒性的优化方案。针对上述混合系统同时提出了一种自适应天线分配技术，发射端 自适应为空时分组编码分配发射天线组，当接收机采用逐次组间干扰消除检测方 法，该技术能以非常小的反馈开销显著提高系统的性能。该技术还利用了q r 分解 特性简化了天线分配的复杂度。 4 提出了一种使用主码本结合辅助码本的有限反馈预编码技术，在原有预编码码本的 基础上，额外设计一个尺度较小的扰动码本，接收端根据信道状态信息在原有码本 中选择一个最优码字后，再选择一个最优的扰动码字，两个首选码字的乘积作为预 编码矩阵。这种方式能以很小的反馈代价充分考虑同一子空间内不同预编码矩阵形 式对线性接收机系统的性能影响，进一步提高预编码系统的性能，文中同时给出了 两种形式的扰动码本设计及其使用方法，并对旋转形式的扰动码本设计进行了详细 的理论分析。 5 提出了一种多用户m i m o s d m a 系统下行链路的随机预编码与复用技术，该技术 的预编码矩阵是在给定的码本内进行随机选取，然后调度信道条件匹配的多个用 户。该技术采用了一种逐次调度的方式，通过多次训练逐次选择用户和预编码矩阵， 这种方式能以很小的反馈量充分控制复用用户之间的相互干扰。 6 提出了两种下行链路的快度调度s d m a 方案，首先设计了一个由多个子空f 脚堆积 并在每个子空间内有不同扰动的s d m a 码本，在结构上表现为码本包含多个簇。 然后提出了两种基于码本的多用户快速调度技术，一种称为m a r k o v 调度技术，该 技术联合利用了前后两次调度的用户反馈信息，能在快速调度多个用户进行 s d m a 的同时有效控制复用用户之间的相互干扰，并对不同的码本具有一定的通 用性。另一种称为快速匹配调度技术，该技术充分利用了s d m a 码本的分簇结构， 能以很小的反馈开销快速完成s d m a 的用户调度，并具有很优的吞吐量性能。 关键词：m i m o 无线通信，分集增益，复用增益，子载波分组线性星座预编码，预编码 技术，多用户分集，s d m a ，用户调度 a b s t r a c t 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 ) w i r e l e s sc h a n n e l sa r ec a p a b l eo fi m p r o v i n gt h e r e l i a b i l i t ya n dd a t ar a t eo ft h ew i r e l e s sl i n k i fn oc h a n n e lk n o w l e d g ei s a v a i l a b l ea tt h e t r a n s m i t t e r ，t e c h n o l o g i e ss u c ha ss p a c et i m ec o d e sa n ds p a t i a lm u l t i p l e x i n gm a yb ee m p l o y e d t oi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c eb ye x p l o i t i n gd i v e r s i t ya n dm u l t i p l e x i n gg a i n s i ff u l lo r p a r t i a lc h a n n e li n f o r m a t i o ni sa v a i l a b l ea tt h et r a n s m i t t e r , t e c h n o l o g i e ss u c ha sp r e c o d i n g t e c h n i q u em a yb ea p p l i e dt oe n h a n c et h el i n kr e l i a b i l i t ya n di m p r o v ed a t ar a t e i nm u l t i u s e r e n v i r o n m e n t ，m u l t i u s e rd i v e r s i t yw i l lb ee x p l o i t e db yw a y so fo p p o r t u n i s t i cs c h e d u l i n g t h i s t h e s i ss t u d i e st h eo p e n - l o o pm i m ot r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gr e c e i v e r , p r e c o d i n gt e c h n i q u ei nt h ec l o s e d l o o pm i m oc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，u s e rs c h e d u l i n ga n d c o d e b o o k - b a s e ds d m ai nt h ed o w n l i n ko f m u l t i u s e rm i m os y s t e m t h em a i nc o n t r i b u t i o n s o f t h i st h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 a m u l t i p l e c o d e w o r dl a y e r e d t r a n s m i s s i o n t e c h n i q u e w i t h h i g hd i v e r s i t y i n m i m o o f d mi sp r o p o s e d i nt h i ss c h e m e ，n oc h a n n e lk n o w l e d g ei sr e q u i r e da tt h e t r a n s m i t t e r ，a2 d g l c p ( s u b c a r r i e r2 dg r o u p e dl i n e a rc o n s t e l l a t i o np r e c o d i n g ) i s p r o p o s e d ，w h i c hc a nc o n s i d e r a b l yi n c r e a s et h ea c h i e v e dd i v e r s i t yw i t h o u tr a t er e d u c t i o n b yi n v e s t i g a t i n g t h ef e a t u r e s o f t h e a b o v et r a n s m i s s i o n t e c h n i q u e ， a s o f t - i n p u t - s o f t - o u t p u tm u l t i - l a y e r d e t e c t o ri s p r o p o s e da n da p p l i e d i nt h ei t e r a t i v e r e c e i v e r , w h i c hi sb a s e do nal i n e a rf i l t e r i n ga n ds o f ti n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ，t h u sh a s l o wc o m p l e x i t y ，a n dt h el i n e a rf i l t e r i n gi so p t i m i z e du s i n gm a x i m u ms i n rc r i t e r i o n t h e p r o p o s e dr e c e i v e rs h o w sb e t t e rt o l e r a n c et ot h eg l c p c a u s e di n c r e a s i n go fs t a t i s t i c a l c o r r e l a t i o n sb e t w e e nt h ec o l u m n so ft h ee f f e c t i v ec h a n n e jm a t r i x ，a n dh a sf a s t e r c o n v e r g e n c et h a nt h ec o n v e n t i o n a ll o w c o m p l e x i t yi t e r a t i v er e c e i v e r 2 ac o m b i n i n gt e c h n i q u eb e t w e e ns t b co f d ma n dm u l t i p l eb e a m si sp r o p o s e d t h e s e c o n d o r d e rs t a t i s t i c a li n f o r m a t i o na b o u tc h a n n e l si su s e di nt h eo p t i m i z a t i o n ，a n dt h e c o m b i n i n gt e c h n i q u ei s f l e x i b l ea n ds i m p l e ad e t a i ld e r i v a t i o ni sp r e s e n t e da sw e l l ， w h i c hs h o w st h ef o l l o w i n gr e s u l t s ：t h ep r o p o s e dt e c h n i q u ec a na c h i e v et h ee x p e c t e d d i v e r s i t yg a i na n dm a x i m u mc o d i n gg a i n ；f o rt h eg i v e ns t b cs t r u c t u r e ，t h ec o d i n gg a i n w i l lb ei n c r e a s e dl i n e a r l yw i t ht h en u m b e ro ft r a n s m i ta n t e n n a s ；t h ei n c r e a s i n gs p e e do f c o d i n gg a i nw i t ht h en u m b e ro f t r a n s m i ta n t e n n aw i l lb el i f t e dw i t ht h es p a t i a lc o r r e l a t i o n d e g r e eo fc h a n n e l s 3 ar o b u s tp r e c o d i n gt e c h n i q u ei sp r o p o s e df o rs t b ca n ds mh y b r i ds y s t e m t h eo v e r a l l s y s t e mi sf i r s tt r a n s l a t e di n t os e v e r a lp a r a l l e ls u b s y s t e m s ，t h e ni n d i v i d u a lp r e c o d i n gf o r s u b s y s t e mi sp e r f o r m e di n d e p e n d e n t l y , b yt h i sw a y t h er e q u i r e di n f o r m a t i o no f f e e d b a c k w i l lb ec o n s i d e r a b l yr e d u c e d t h ep r e c o d i n go p t i m i z a t i o na l s oc o n s i d e r st h eu n c e r t a i n t y o ff e e d b a c ka n dp r o v i d e sr o b u s t n e s st ot h ef e e d b a c ke r r o r a l s o ，a na d a p t i v ea n t e n n a l l i 4 5 6 g r o u p i n g ( a a g ) t e c h n i q u ei sp r o p o s e df o rs t b ca n ds mh y b r i ds y s t e m w h e nt h e d e t e c t i o ns c h e m eo fs u c c e s s i v eg r o u p i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o ni sa p p l i e da tt h er e c i e v e r ， t h i st e c h n i q u ew i l lc o n s i d e r a b l yi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c ew i t hs e v e r a lb i t so f f e e d b a c ko v e r h e a d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fq r d e c o m p o s i t i o ni se x p l o i t e dt or e d u c et h e c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo f a a gp r o c e s s an e wl i m i t e df e e d b a c kp r e c o d i n gt e c h n i q u ei sp r o p o s e d ，w h i c hi sb a s e do nt w o p r e c o d i n gc o d e b o o k s a na u x i l i a r yc o d e b o o ki su s e di nt o g e t h e rw i t ht h ec o n v e n t i o n a l g r a s s m a n nc o d e b o o k ，t h er e c e i v e rf i r s ts e l e c t so n ep r e f e r r e dc o d e w o r df r o mt h e g r a s s m a n nc o d e b o o k ，t h e ns e l e c t st h eo t h e rp r e f e r r e dc o d e w o r df r o mt h ea u x i l i a r y c o d e b o o k ，a n du s e sm u l t i p l y i n go ft h e s et w op r e f e r r e dc o d e w o r d sa sp r e c o d i n gm a t r i x t h i st e c h n i q u ec a l lc o n s i d e rt h ee f f e c to fu s i n gd i f f e r e n tp r e c o d i n gm a t r i c e sw h i c h b e l o n g st ot h es a m es u b s p a c eo ns y s t e mp e r f o r m a n c ew i t hl i n e a rr e c e i v e r , a n dp r o v i d e s a d a v a n t a g eo v e rt h ec o n v e n t i o n a lc o d e b o o k b a s e dp r e c o d i n gt e c h n i q u e a l s o ，t w ow a y s o fa u x i l i a r yc o d e b o o kd e s i g ni sp r o p o s e di nt h et h e s i sa n dt h et h e o r e t i c a ld e r i v a t i o ni s p r o v i d e dt o o ar a n d o mp r e c o d i n ga n dm u l t i p l e x i n gt e c h n i q u ei sp r o p o s e da n da p p l i e di nt h ed o w n l i n k o fm u l t i u s e rm i m o s d m ac o m m u n i c a t i o n ss y s t e m i nt h i st e c h n i q u e ，p r e c o d i n g m a t r i c e sa r er a n d o m l ys e l e c t e df r o mt h eg i v e nc o d e b o o k ，a n da r es c h e d u l e do nm u l t i p l e u s e r sw i t hm a t c h i n gc h a n n e lc o n d i t i o n s as u c c e s s i v es c h e d u l i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e d t os e l e c tm u l t i p l eu s e r sa n dp r e c o d i n gm a t r i c e st h r o u g hs e v e r a lt r a i n i n gp r o c e s s e s ，t h u s t h em u t u a li n t e r f e r e n c eb e t w e e nm u l t i p l e x i n gu s e r si sf u l l ys u p p r e s s e d t w os c h e m e so fq u i c ks c h e d u l i n gs d m aa r ep r o p o s e d an e ws d m ac o d e b o o k i n c l u d i n gm u l t i p l ec l u s t e r si sf i r s td e s i g n e d ，w h i c hi sp a c k e dw i t hm u l t i p l es u b s p a c e sa n d h a sm u l t i p l ec o d e w o r d si nt h es a l l l es u b s p a c e t h e nt w os c h e d u l i n ga l g o r i t h m sa r e p r o p o s e d ，t h ef i r s ti sc a l l e dm a r k o vu s e rs c h e d u l i n g ，e a c ht i m et h i ss c h e d u l e ru t i l i z e st h e f e e d b a c ki n f o r m a t i o nn o to n l yf r o mt h ec u r r e n ts c h e d u l i n gt i m e ，b u ta l s of r o mt h e p r e v i o u ss c h e d u l i n gt i m e i ti ss h o w nt h a tt h i sa l g o r i t h mw i l lq u i c k l yf i n i s ht h es d m a u s e rs c h e d u l i n ga n dh a sag o o dc o n t r o lo fm u t u a li n t e r f e r e n c eb e t w e e nu s e r s a l s o ，t h i s a l g o r i t h mh a sn os p e c i f i cr e q u i r e m e n tf o rt h es t r u c t u r eo fs d m a c o d e b o o k t h es e c o n d i sc a l l e dq u i c k - m a t c h i n gu s e rs c h e d u l i n g ，t h i ss c h e d u l i n ga l g o r i t h mf u l l ye x p l o i t st h e c l u s t e rs t r u c t u r eo ft h ep r o p o s e ds d m ac o d e b o o k ，a n di sc a p a b l eo fq u i c k l ya n d e x c e l l e n t l yf i n i s h i n gt h ep r o c e s s o f u s e rs c h e d u l i n gw i t hl i t t l ef e e d b a c ko v e r h e a d k e yw o r d s ：m i m oc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，d i v e r s i t yg a i n ，m u l t i p l e x i n gg a i n ，s u b c a r r i e r g r o u p i n gl i n e a rc o n s t e l l a t i o np r e c e d i n g ，p r e c o d i n g ，m u l t i u s e rd i v e r s i t y , u s e rs c h e d u l i n g a a g a m c b e r b l a s t b p s k c d m a c q i c s i d p c f d d g l c p h a r q l l r m a p m i m o m m s e m s e b u p e p q a m q p s k s c m s d m a s e r s m s i n r s n r s t b c s r r c s v d t d d v - c s l z f 缩略词表 自适应天线分配( a d a p t i v ea n t e n n ag r o u p i n g ) 自适应调制和编码( a d a p t i v em o d u l m i o na n dc o d i n g ) 误比特率( b i te r r o rr a t e ) 贝尔实验室分层空时结构( b e l ll a b sl a y e r e ds p a c et i m e ) 二进制相移键控( b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) 码分多址接入( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 信道质量标示( c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r ) 信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 脏纸编码( d i r t yp a p e rc o d i n g ) 频分双工( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ) 分组线性星座预编码( g r o u p e dl i n e a rc o n s t e l l a t i o np r e c o d i n g ) 混合自动重传请求( h y b r i d a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 对数似然比( l o g l i k e l i h o d dr a t i o ) 最大后验概率( m a x i m u mp o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y ) 多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 最小均方误差( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o o 均方误差( m e a ns q u a r ee r r 0 0 脉冲幅度调制( p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 成对错误概率( p a i r w i s ee r r o rp r o b a b i l i t y ) 正交幅度调制( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 四进制相移键控( q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ) 空间信道模型( s p a t i mc h a n n e lm o d e l ) 空分多址接入( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 误码率( s y m b o le r r o rr a t e ) 空分复用( s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ) 信干噪比( s i g n a l t oi n t e r f e r e n c e p l u s - n o i s er a t i o ) 信噪比( s i g n a lt on o i s er a t i o ) 空时分组码( s p a c et i m eb l o c kc o d e s ) 空时格码( s p a c et i m et r e l l i sc o d e s ) 奇异值分解( s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ) 时分双工( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 虚拟信道状态信息( v i r t u a lc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 迫零( z e r of o r c i n 曲 ( ) ( ) r ( ) 数学符号表 第所个元素为l 其余元素为0 的矢量 复参数的共轭 矩阵的转置 矩阵的共轭转置 均值为0 、方差为a 2 的循环对称复高斯分布 t x t 单位矩阵 由括号内序列构造的对角阵 实数的绝对值或复数的模 矩阵的行列式 矩阵的迹 矩阵的秩 矩阵的拉直运算，即利用矩阵的各列组成一个长列向量 数学期望 矩阵的k r o n e c k e r 乘积 向量的l 范数 矩阵的f r o b e n i u s 范数 矩阵a 的第( t l ) 元素 矩阵a 的最大特征值 矩阵a 的最小特征值 数量级符号 矢量x 的协方差阵 由m x 一矩阵构成的复域空间 h e r m i t i a n 矩阵a 的h e r m i t i a n 均方根 矩阵a 的逆 以l o 为底的对数 以2 为底的对数 求序列中的最大值 求序列中的最小值 返回使代价函数最大的参数 返回使代价函数最小的参数 从t 个样本中选择k 个样本所包含的选择方法的数目 i x 筹筹赢悱拶竺= 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：堡垒塑 导师签名：习匠缍i 妻日期：哆。j 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在过去的2 0 多年中，移动通信技术得到了快速的发展和广泛的应用。实现任何人 在任何地点、任何时间以任何方式和任何人进行信息交流是移动通信技术发展的目标。 移动通信已经经历了从第一代模拟通信、第二代数字通信到第三代宽带多媒体通信三个 阶段，目前第三代移动通信技术正逐步在全球范围内进入实施阶段。然而，虽然第三代 移动通信系统相比第二代移动通信系统在通信容量和质量上有明显的提高，但由于其核 心技术并未发生革命性的变革，随着日益增长的语音业务、数据业务以及宽带i n t e m e t 业 务，第三代移动通信技术并不能解决在有限的频谱资源上提供广泛覆盖目速率达到1 0 0 m b p s 以上的宽带乃至广带的移动多媒体业务。目前，世界各国在推动第三代移动通信产业化的同 时，已经把重点转移到后三代或者第四代( b 3 g 4 g ) 移动通信技术研究上，从而使无线通 信系统的频谱利用率、容量和速率有十倍乃至百倍的提高。从技术角度来说，4 t 3 与目前的 增强型3 g 标准有本质性的区别，其核心网络可以以演进形式发展，但空中接口应当是革命 性的。随着信号处理器以及专用集成电路性能的提高，一些计算复杂度较高的技术，比 如联合发送、联合接收，t u r b o 接收等，在工程实现上已经成为可能；基于c d m a 的 第三代移动通信技术虽然能够支撑一定的宽带多媒体业务，但从频谱利用率、系统容量 等角度看，这些技术并未能产生质的飞跃。第四代移动通信系统需要传送峰值数据速率高 达1 0 0 m b p s 以上的业务，为了在有限的频谱资源上传输高速率的数据，利用信道空间资源 的多天线传输和接收技术，也即多输入多输出m i m o 技术，已经势在必行。理论研究表明： m i m o 信道容量在较高信噪比区域随着发射天线数和接收天线数中的较小值成线性增 长关系 1 1 1 2 1 ，这揭示了m i m o 通信技术在提高频谱利用率方面的巨大潜力。相比传统 的单天线( s 1 s o ，s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 通信系统，m i m o 系统利用了额外的空间 自由度，同时提供了复用和分集等增益，可以在不增加带宽和发射功率的前提下显著提 高系统的传输速率和链路可靠性。m i m o 系统为提高频谱利用率提供了一种新的思路， 但由此带来的挑战是一系列比较复杂的空时信号处理问题。 数据业务是未来移动通信的竞争焦点，突发式的分组数据业务传输将占据主导地 位。3 g 是按照话音为主业务需求设计的，面向连接，提供固定带宽信道，用于突发分 组数据i p 业务效率很低。3 g 采用的直接扩频c d m a 技术由于其同步以及捕获等方面 的限制很难适应4 g 高速动态数据业务的高求。为了实现固网和移动网络的真正融合， 无论是3 g p p 的长期演进计划l t e 、3 g p p 2 的空中接口演进a i e ，还是8 0 2 1 6 d e ，面对 同一宽带无线接入市场的不同技术殊途同归，基本上都采用了以下三种技术：自适应调 东南大学博士学位论文 制与编码( a m c ) 技术、混合快速自动重发( h a r q ) 技术和快速调度多用户共享数 据通道，适应突发型分组数据，提供高的平均吞吐量。当融入m i m o 通信技术后，系 统的性能能得到进一步的提高，由于m i m o 信道可以空分成几个并行的子信道，宽带 无线接入技术除了时分频分接入外还可以选择空分接入( s d m a ，s p a d i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) ，以进一步提高系统的频谱利用率。 1 2m i m o 系统模型 i 史二7 乜江 耋器釜 图1 1t 发m 收m i m o 系统 图1 1 给出了一配置r 根发射天线和m 根接收天线的m i m o 系统示意图，对应的 m i m o 信道共包含由t x m 个收发天线对组成的单输入单输出s i s o 信道，各接收天线 上的接收信号为r 根发射天线所发送的信号经衰落信道后的叠加并受到加性噪声的污 染。若各s i s o 信道经历平坦衰落，则从发射天线f 到接收天线m 间的等效基带信道可 表示为一复衰落系数k ，。考虑离散基带等效模型，当丁根天线上的发射符号分别为 钆，s t ，特定时刻任意接收天线m 上的接收信号可表示为 = 品+ ，m = l 2 ，m ( 1 1 ) t = l 式中表示加性噪声。式( 1 1 ) 可组合成更简洁的由向量和矩阵构成的系统方程： y = i i s + w( 1 2 ) 式中s = h j 2 ，r r 、y = m ，y 2 ，y m 7 和w = w i ，w 2 ，w m 7 分别为发射信号向量、接收 信号向量和加性噪声向量：h 为m t 信道矩阵，其第沏，) 元素为，这里假设信道 为平坦衰落。式( 1 2 ) 中的系统模型可以推广到频率选择性信道环境，实际上，如果采用 正交频分复用( o f d m ) 传送方式，频率选择性信道可以分解成多个独立的并行平坦衰 2 第一章绪论 落子信道。 1 3m i m o 无线信道 无线信道由于经历了复杂的传输环境，无线通信系统中一般采用多径衰落、多普勒 频移等多个参数来描述。当发射端和接收端布置多根天线，收发端之间存在多个链路， 信道环境则表现为矩阵信道，相比单输入单输出s i s o 信道，我们需要额外的参数来描 述m i m o 信道，比如信道的天线相关性、信道的秩等。 1 3 1 信道的多径衰落 假设发射信号为s ( t ) = r e s t ( t ) e j 2 x f 。 ，其中唧( r ) 为带宽为b 的复基带信号，是载波 频率。相应的无噪声接收信号【3 1 为： j ( ，) = o t 。( t ) s ( t - r n ( t ) ) ( 1 3 ) 其中( r ) 称为第”条物理路径上的衰落因子，而( ，) 称为第h 条路径上的时延。( j 3 ) 式可以重写为： 川) = r e ( ( f ) 卸( f 一( f ) 。2 町o ) 一2 “。) ( 1 4 ) n 则接收信号的等效基带模型为 ( f ) = ( ，) 唧( 卜如( 咖一2 砒o h 因此，等效低通信道可用如下时变脉冲响应来描述： c ( r ；t ) = o t n ( t ) e 一2 4 j ( f 一如( r ) ) 月 ( 1 5 ) ( 1 6 ) 通过研究它的相关函数和功率谱密度谱函数，我们可以定义信道的多径时延扩展乙， 如果时延扩展远小于符号周期，则信道是平坦衰落的，也就是信道响应在信号带宽b 内是固定不变的，此时信道可以等效表示为： ( r ) = ( f 沁。2 以= ( f ) p 属 ( 1 7 ) 月 当物理径足够多，即n 很大时，信道响应的幅度l h ( t ) l 服从r a i l e i g h 分布【3 】。 实际上，在发射机和接收机之间可能存在视距( l o s ) 路径，这些路径的衰落特性 与散射路径衰落的特性不同，他们被称为直达路径。如果存在直达路径，则l h ( t ) l 服从 东南大学博士学位论文 r i c i a n 分布。 随着信号带宽b 的增加，即符号周期的减少，时延扩展将大于符号周期。此时接收 信号将是原始信号的多个延时叠加，其中每个有( ，) 的时延，信道系数则表示为： ( f ；f ) = ( ，) 占( f 一( r ” ( 1 8 ) s s l 其中上表示可分辨的统计径数。上述特征在频域表现为信道响应在信号带宽内变化，因 此称之为频率选择性信道。 1 3 2 信道的多普勒频移 由于用户或周围环境处于不断移动或变化状态，无线信道经常处于时变状态。用户 端的移动性引入了频率偏移从而导致载波频率扩展，称之为多普勒扩展。最大多普勒频 移定义为厶= 2 z v 2 ，其中v 为有效移动速度，五是载波波长。 在移动通信系统中，当单根移动速度为v 的发射天线连续发送载频为正的信号时， 接收信号的多普勒频谱为【3 】： 1 2 s ( ，) = 7 = = 亍兰兰皇= = = = = = 亍，l 厂一五峰力 ( 1 9 ) a j t 一f 。、 其中2 蠢是平均信号功率。假设西= 1 ，图1 2 给出了最大多普勒频移为5 0 h z 的多普勒 功率谱。 型 襁 拯 豁 嚣 多普勒颍移( h z ) 图1 2 移动环境下的多普勒功率谱 4 第一章绪论 定义最大多普勒频移的倒数q = 】，厶为信道的相干时间，它是用来反映信道变化快 慢的参数。相干时间小意味着信道变化快。该参数也对无线通信系统的设计起着非常重 要的作用。绝大多数的无线通信系统要求接收端对信道参数进行准确的估计。为了进行 信道估计，发射机往往需要发送训练序列至接收端。如果相干时间较小，发射机则要周 期性不断地对接收机重复进行训练。 1 3 3 矩阵信道的天线相关性以及秩 在很多应用场合中，发射天线之间或者接收天线之间存在一定的相关性。例如，在 蜂窝移动通信系统中，基站天线周围一般由于其位置较高而散射体不够充分，这往往导 致了基站天线之间存在相关性，从而使得m i m o 信道矩阵h 的各元素之间不是独立衰 落的。 考虑一个m x t 的平衰落m i m o 信道矩阵h ，定义发射天线之间的相关矩阵为： r r2 1 n j p 2 j i ； , o r ，i n j ： ： l ( 1 1 0 ) 其中，n ，为第i 根发射天线和第根发射天线之间的相关系数。同样可以按上述方式对 接收天线之间的相关矩阵r 。进行定义。 如果接收天线相关而发射天线之间是相互独立的，那么h 只有各行之间是相关的。 信道相关矩阵可由下式给出： b o r r = e v e c ( h ) v e c ( h ) “( 1 1 1 ) 其中。是矩阵的k r o n e c k e r 积【4 】。类似地如果仅仅发射天线相关，有： r ro k = e v e c ( h ) v e c ( h ) ”) ( 1 1 2 ) 如果发射端和接收端天线之间均是相关的，则有： r ro