（信号与信息处理专业论文）mimo系统中的空时频联合信号处理.pdf

中文摘要 中文摘要 在下一代宽带无线通信系统( 4 g ) 中，结合正交频分复用( o f d m ) 的多输入 多输出( m i m o ) 技术被认为是支持高速率和高性能传输的最有前途的关键技术之 一。特别是对空间、时间和频率域同时进行编码的m i m o 多天线技术，能在 m i m o - o f d m 系统的复杂信道环境下提供更可靠和更稳健的信息传输。本论文研究 了m i m o - o f d m 系统中抗衰落的分集技术，包括系统的分集度分析，高速率全分集 空时码的设计以及协作网络中的空时码的研究。论文的主要贡献如下： 1 分析了存在空间、时间频率相关的一般情况下m i m o - - o f d m 系统中空时频码 的虽大可达分集度。针对在发射端和接收端都存在空间相关的频率选择性且 时变衰落的m i m o 信道，分析了m i m o - o f d m 系统中空时频码的性能，基于成 对错误概率( p e p ) 准则，发现所能获得的分集度不仅与发射端相关矩阵和接 收端相关矩阵有关，而且还与信道的时间相关矩阵、频率相关矩阵有关。该 结论具有一般性，可以为全分集空时频码的设计提供理论指导意义。 2 分别提出了相邻子载波上信道传输函数为相等信道增益和不相等信道增益 情况下的空频码的单符号编解码方法。先给出了2 发天线系统中相邻子载波 信道传输函数为不相等信道增益时空频码的改进单符号解码方法。并把空频 分组码推广到4 发天线系统，还给出了一种适合4 发天线系统的空频分组码 的改进编解码方法。在相邻子载波上信道传输函数分别为相等信道增益和不 相等信道增益情况下所给出的编解码方法能完全消除符号间干扰，而且不以 牺牲分集增益为代价。在接收端，利用对角矩阵求逆的简单性，极大地减少 了计算复杂度。在快时变环境，性能效果接近极大似然解码的效果。 3 提出了能达到m i m o - o f d m 系统所能达到的最大分集度，且传输速率尽可能高 的空时频码的设计方法。为了获得存在多径衰落时m i m o - o f d m 系统的高速率 传输方案，提出了一种基于线性星座预编码和坐标交织的速率为1 的简单空 时频分组码，该传输方案通过线性星座预编码来获得频率分集增益，通过坐 标交织来获得传输速率为1 ，且能改善系统的误码性能；为了利用频率选择 性准静态块衰落m i m o - o f d m 系统中的完全分集度，利用代数空时码和 h a d a m a r d 变换构造的空时频码在4 根发射天线系统中的传输速率能达到2 4 提出了在放大转发中继模式( a f ) 和解码转发中继模式( d f ) 下分布式空时 码的单符号编解码方法以及自适应功率调整算法。针对协作通信系统，在发 射端和接收端的单天线用户共享彼此的天线，相互协作组成虚拟的m i m o 系 统，并进行联合空时编码。利用正交空时分组码的性质，将联合的极大似然 向量解码转化为单符号标量解码。同时分别提出了在放大转发中继模式下和 解码转发中继模式下的单符号解码算法。在接收端通过噪声平滑处理，能进 一步提高系统性能。如果适当调整目标信号功率和协作信号功率能获得更大 的性能提升，且在放大转发中继模式下的空时码性能接近在解码转发中继模 式下的空时码性能。因此综合考虑参与协作用户终端的硬件复杂度和算法复 杂度、性能之间的关系，自适应调整功率分配因子的放大转发( a f ) 中继模式 下的空时码不啻为一种替代解码转发( d f ) 中继模式下空时码的选择。 东南大学博士学位论文 5 提出了在采用放大转发中继协议的无线中继网络中迹正交空时码的设计方 法及其性能分析。为了提高m 个中继采用放大转发协议的无线中继网络的性 能，在中继端采用迹正交的空时码，并利用调制矩阵的性质，给出了等效复 合信道的传输形式。基于最小化条件成对错误概率准则，给出了在己知信道 质量信息( c 0 1 ) 和其统计信息的不同情形下的性能分析。仿真结果表明， 完整的信道质量信息对分集度的影响不大，但信道信息的缺失不仅会带来性 能上的损失，还会影响到该方案的分集度。 6 提出了多个中继节点参与协作的中继增强型的协作网络的最大流矩阵算法。 针对配置多个中继节点的协作网络，提出了网络最大流的矩阵算法。当中继 端的一些中继节点相互协作并组成一个虚拟整体时，能改变该路径上的等效 流量和网络的路由，从而改变整个网络的最大流。当某些中继节点不能正常 工作时，通过选择一些等效路由来替代，从而使系统具有较好的抗毁性。仿 真结果表明，通过适当地在中继端对中继节点进行分组，能增加网络的最大 流。同时，使得网络具有良好的稳健性。 关键词： m i m oo f d m 空时码分集度协作频率选择性衰落迹正交 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ea d v e n to ft h en e x tg e n e r a t i o n ( 4 g ) b r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ， t h ec o m b i n a t i o no fm 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 0 ) w i r e l e s st e c h n o l o g yw i t h o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m lh a sb e e nr e c o g n i z e da so n eo f t h em o s tp r o m i s i n gt e c h n i q u e st os u p p o r th i 2 l ld a t ar a t e sa n dh i g hp e r f o r m a n c e i n p a r t i c u l a r , c o d i n g o v e rt h e s p a c e ，t i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n sp r o v i d e db y m m o o f d mw i l le n a b l eaf a rm o r er e l i a b l ea n dr o b u s tt r a n s m i s s i o no v e rt h eh a s h w i r e l e s se n v i r o n m e n t i nt h i sa r t i c l e t h er e s e a r c hi sm a i n l yf o c u s e do nt h ed i v e r s i t y t e c h n o l o g yt oc o m b a t i n gf a d i n gi nm i m o o f d ms y s t e m s i n c l u d i n gt h ed i v e r s i t y a n a l y s i s ，t h ed e s i g n so fm g hd a t ar a t e f u l ld i v e r s i t ys p a c e t i m ec o d i n ga n dt h e r e s e a r c ho fs p a c e t i m ec o d i n gi nc o o p e r a t a t i o nn e t w o r k s t h em a i nc o n t r i b u t i o no f t h i sa r t i c l ei sa sf o l l o w s ： 1 t h em a x i m u ma v a i l a b l ed i v e r s i t yg a i no fs p a c e t i m e f r e q u e n c yc o d e s ( s t f c ) i s a n a l y z e di nt h eg e n e r a lm i m o o f d ms y s t e m sw h e nt h e r ei sc o r r e l a t i o na c r o s s s p a t i a l t i m ea n df r e q u e n c y f o rt h et i m e v a r i a n ta n df r e q u e n c y s e l e t i v ef a d i n g c h a n n e lw i t hs p a t i a lc o r r e l a t i o na tt h et r a n s m i t t e ra n da tt h er e c e i v e ri nm m o s y s t e m s t h ep e r f o r m a n c eo fs t f ci sa n a l y z e di nt h em i m o o f d ms y s t e m s b a s e do nt h ec r i t e r i o no ft h ea v e r a g ep a i r w i s ee r r o rp r o b a b i l i t y 伊e p ) o ft h e s y s t e m i tw i l la r r i v ea tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h em a x i m u ma v a i l a b l ed i v e r s i t yo f t h es y s t e mi sn o to n l yt h ef u n c t i o no ft h et r a n s m i t t e rc o r r e l a t i o nm a t r i xa n dt h e r e c e i v e rc o r r e l a t i o nm a t r i xb u ta l s ot h ef u n c t i o no ft h et i m ec o r r e l a t i o nm a t r i xa n d t h ef r e q u e n c yc o r r e l a t i o nm a t r i x t h i sc o n c l u s i o ni sg e n e r a l a n di ti st h e g u i d e l i n et od e s i g nt h ef u l ld i v e r s i t ys p a c e t i m e f r e q u e n c yc o d i n g t h es i n g l es y m b o le n c o d i n ga n dd e c o d i n gm e t h o d so fs p a c e f r e q u e n c yc o d i n g ( s f c ) a r ep r o p o s e dw h e n t h ec h a n n e lt r a n s ；f e rf u n c t i o n st ot h e a d ja c e n t s u b c a r r i e r sa r ee q u a lo ru n e q u a l f i r s t l y , t h ei m p r o v e m e n td e s i g n i n gm e t h o do f s i n g l es y m b o ld e c o d i n gm e t h o do fs f ci sp r o p o s e di n t h es y s t e mw i t h2 t r a n s m i t t e ra n t e n n a sw h e nt h ec h a n n e lt r a n s f e rf u n c t i o n st ot h ea d j a c e n t s u b c a r r i e r sa r eu n e q u a l t h e n t h es f ci se x t e n d e dt ot h es y s t e mw i t h4 t r a n s m i t t e ra n t e n n a s a n dt h ei m p r o v e m e n td e c o d i n gm e t h o do ft h es f ci s p r o p o s e d i n s t e a do fi n c r e a s i n gt h ec o m p l e x i t ya n ds a c r i f i c i n gt h ed i v e r s i t yg a i n s ， t h ep r o p o s e d e n c o d i n ga n dd e c o d i n gs c h e m e so fs f cc a ne l i m i n a t et h e i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c ec o m p l e t e l yw h e nt h ec h a n n e lt r a n s f e rf u n c t i o n st ot h e a d j a c e n ts u b c a r r i e r sa r ee q u a la n du n e q u a l a tt h er e c e i v e r , a p p l y i n gt h es i m p l e p r o p e r t yo ft h ei n v e r s eo p e r a t i o no ft h ed i a g o n a lm a t r i x ，t h ec o m p u t a t i o n c o m p l e x i t yw i l lb er e d u c e dg r e a t l y a n di nt h ef a s tf a d i n gc h a n n e l ，t h ep r o p o s e d s c h e m ew i l lg e tt h en e a r b ye f f e c to fm a x i m u ml i k e l i h o o d ( m l ) d e c o d i n gw i t h s i n g l es y m b o ld e c o d i n g t h ed e s i g nm e t h o d so ft h es p a c e t i m e f r e q u e n c y ( s t f c ) w h i c hc a no b t a i nt h e m a x i m u ma v a i l a b l ed i v e r s i t yg a i n so ft h em i m os y s t e m sa n di t st r a n s m i s s i o n d a t ar a t ea sh i g h l ya sp o s s i b l ea r ep r o p o s e di nt h em i m o - o f d m s y s t e m s t og e t t h eh i g hd a t ar a t et r a n s f e rs c h e m ei nt h em i m o o f d ms y s t e mw i t hm u l t i p a t h f a d i n gc h a n n e l s ，as i m p l et r a n s m i s s i o nd a t ar a t eo n es p a c e - t i m e f r e q u e n c yb l o c k c o d i n g ( s t f b c ) i sp r o p o s e dw i t hl 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 ( l c p ) a n d z 3 东南大学博士学位论文 c o o r d i n a t ei n t e r l e a v i n g t h i st r a n s m i s s i o ns c h e m ec a na c h i e v et h ef r e q u e n c y d i v e r s i t yg a i n sw i t h1 i n e a rc o n s t e l l a t i o np r e c o d i n ga n dc a nr e a c ht r a n s m i s s i o n d a t ar a t eo n ew i t hc o o r d i n a t ei n t e r l e a v i n ga n dc a l li m p r o v et h es y s t e m s p e r f o r m a n c e ；t oo b t a i nt h ef u l ld i v e r s i t yg a i n si nt h ef r e q u e n c y s e l e c t i v eb l o c k f a d i n gc h a n n e l si nt h em i m o o f d ms y s t e m s t h es t f cd e s i g n e db ya p p l y i n g l i n e a ra l g e b r as p a c e t i m ec o d i n ga n dh a d a m a r dt r a n s f 0 1 t i ii nt h e4 t xs y s t e m s c a nr e a c ht r a n s m is s i o nd a t ar a t et w o t h es i n g l es y r n b o le n c o d i n ga n dd e c o d i n gm e t h o d so fd i s t r i b u t e ds p a c e - t i m e c o d i n ga n di t sa l g o r i t h ma b o u ta d a p t i v e l ya d j u s t i n gt h ep o w e ro ft r a n s m i t t e r s i g n a l sa r ep r o p o s e dr e s p e c t i v e l yi nt h ec o o p e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sv i a a m p l i f y a n d f o r w a r d ( a f ) p r o t o e o la n dd e c o d e a n d f o r w a r d ( d f lp r o t o c 0 1 f o r t h ec o o p e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h es i n g l ea n t e n n au s e rn o d e sa tt h e t r a n s m it t e ra n da tt h er e c e i v e rs h a r et h e i ra n t e n n a sa n dc o o p e r a t ew i t he a c ho t h e r t of o r n lt h ev i r t u a lm i m os y s t e m sa n da p p l ys p a c e t i m ec o d i n gt o g e t h e r a p p l y i n gt h ep r o p e r t y o fo r g 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 ，t h eu n i o n m a x i m u ml i k e l i h o o df m l 1v e c t o rd e c o d i n gi st r a n s f o r m e dt ot h es i n g l es y m b 0 1 s c a l e rd e c o d i n g a n dt h es i n g l es y m b o ls c a l e rd e c o d i n gm e t h o d sa r ep r o p o s e d r e s p e c t i v e l yi nt h ec o o p e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sv i aa fp r o t o c o la n dd f p r o t o c 0 1 a tt h er e c e i v e r , t h ep e r f o f i n a n c eo ft h es y s t e mc a nb ef u r t h e ri m p r o v e d b ys m o o t h i n gt h en o i s e f u r t h e rr e s e a r c hh a ss h o w nt h a ti fs u i t a b l ya d j u s t i n gt h e t a r g e ts i g n a l sp o w e ra n dt h ec o o p e r a t i v es i g n a l sp o w e r , i tw i l la c h i e v eg r e a t e r p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t a n dt h ep e r f o r m a n c eo fs p a c e t i m ec o d i n gw i t ha f p r o t o c 0 1o b t a i n st h en e a r b ye f f e c t so ft h es p a c e t i m ec o d i n gw i t hd fp r o t o c 0 1 i f t h et r a d e o f rb e t w e e nt h ec o m p l e x i t yo ft h ec o o p e r a t i o nu s e rn o d e sh a r d w a r da n d i t sa l o g o r i t h ma n dt h ep e r f c i r m a n c eo ft h es y s t e mi sc o n s i d e r e d t h es p a c e t i m e c o d i n gv i aa fp r o t o c o lw i t ha d a p t i v e l ya d j u s t i n gs i g n a l sp o w e r i sag o o dc h o i c e w h e nc o m p a r e dt ot h es p a c e t i m ec o d i n gv i ad f p r o t o c 0 1 t h ed e s ig n i n gm e t h o d so ft r a c e o r t h o g o n a ls p a c e t i m ec o d i n g ( t o s t c ) a n di t s p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa r ep r o p o s e di nt h em u l t i p l er e l a y sw i r e l e s sn e t w o r k sv i a a m p l i f y a n d f o r w a r d ( a f ) p r o t o c 0 1 t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e m u l t i p l er e l a y sw i r e l e s sn e t w o r k sw i t ha na r n p l i f y a n d f o r w a r d ( a f ) p r o t o c o l ，t h e t r a c eo r t h o g o n a ls p a c et i m ec o d i n g ( t o s t c ) i su t i l i z e da tt h er e l a y s a p p l y i n g t h ep r o p e r t yo ft h em o d u l a t i o nm a t r i x e s ，t h ei n p u to u t p u tt r a n s m i s s i o ne x p r e s s i o n o ft h ee q u i v a l e n tc o m p o s i t ec h a n n e l si se s t a b l i s h e d b a s e do nt h ec r i t e r i ao f m i n i m i 。z i n gt h ep a i r w i s ee r r o rp r o b a b i l i t yc o n d i t i o n e do nt h ea v a i l a b l ec h a n n e l s 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 ( c s i t ) t h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i si sp r o p o s e d i nc a s eo fd i f f e r e n tk n o w l e d g ea b o u tt h ec h a n n e lq u a l i t yi n f o r m a t i o nf c q i ) a n d t h e i rs t a t i s t i c a li n f o r m a t i o n t h es i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ep e r f e c tc h a n n e lq u a l i t y i n f o r m a t i o nh a s1 i t t l ee f f e c to nt h es y s t e m sd i v e r s i t yo r d e r , b u tt h ed e f i c i e n c yo f t h ec h a n n e l si n f o r m a t i o nw i l ln o to n l yc a u s et h ep e r f o r m a n c el o s s b u ta l s oh a v e m u c hi n f l u e n c eo nt h es y s t e m sd i v e r s i t yg a i n s t h em a t r i xa l g o r i t h mo ft h en e t w o r k sm a x i m u mi n f o r m a t i o nf l o wi sp r o p o s e di n t h er e l a ye n h a n c e dw i r e l e s sc o o p e r a t i v en e t w o r kw i t hm u l t i p l er e l a y s f o ra c o o p e r a t i v en e t w o r kw i t hm u l t i p l er e l a y s ，t h em a t r i xa l g o r i t h mo fn e t w o r k i n f o r m a t i o nf l o wi sp r o p o s e d 、e ns o m er e l a y sc o o p e r a t e dw i t he a c ho t h e ra n d a r eg r o u p e da sav i r t u a lw h o l e ，i tw i l lc h a n g et h ee q u i v a l e n ti n f o r m a t i o nf l o wo f t h er o u t i n ga n dt h er o u t i n g so ft h en e t w o r k w h i c hw i l lc h a n g et h ew h o l e n e t w o r k s m a x f l o w 、v h e ns o m er e l a y sd on o tw o r k b yc h o o s i n gs o m ee q u i v a l e n t r o u t i n gi n s t e a d ，t h es y s t e mh a sag o o df a c u l t yt oc o m b a t i n gd e s t r o y , w h i c h i m p r o v e st h en e t w o r kr o b u s t n e s s t h es i m u l a t i o n ss h o wt h a ti fs u i t a b l yg r o u p i n g 禾 生 6 a b s t r a c t t h er e l a yn o d e s ，i tc a l le n l a r g et h em a x i m u mi n f o r m a t i o nf l o wo ft h es y s t e m a n d i tc a nm a k et h er e l a ye n h a n c e dw i r e l e s sc o o p e r a t i v en e t w o r kr o b u s t l y k e yw o r d s ：m i m o ，o f d m ，s p a c e t i m ec o d i n g ，d i v e r s i t y , c o o p e r a t i o n ， f r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n g ，t r a c e - o r t h o g o n a l 缩略词汇表 陋 b e r b l a s t c d m a c q i c p c s i c s i t d a s t d b l a s t d f d s t c f f t h 。b l a s t 7 f t i s i l c p l d c l d p c l m s l s t c m o m i s o m l m m s e o f d m p e p p s k q a m q p s k 缩略词汇表 放大转发 误比特率 b e l l 实验室分层空时( 结构) 码分多址 信道质量信息 循环前缀 信道状态信息 发射端信道状态信息 对角代数空时码 对角b l a s t 解码转发 分布式空时码 快速f o u r i e r 变换 水平b l a s t 快速f o u r i e r 反变换 符号间干扰 线性星座预编码 线性疏散码 低密度检验( 码) 最小均方 分层空时码 多输入多输出 多输入单输出 最大似然 最小均方误差 正交频分复用 成对错误概率 相移键控 正交幅度调制 四阶p s k v l i 东南大学博士学位论文 q r s e r s i s 0 s m o s 腿 s n r s f c s t b c s t c s t f b c s t f c s t t c t a s t t o s t c v b l a s t z f 矩阵的正交上三角( 分解) 误符号率 单输入单输出 单输入多输出 信干噪比 信噪比 空频码 空时分组码 空时码 空时频分组码 空时频码 空时格码 线代数空时码 迹正交空时码 垂直b l a s t 迫零 数学符号表 【 】t 】 【】r ( h ) 。 ( h ) ， h 一( h ) 。 ：f n r ( m 蹦o 系统) 圭 i i ，、， o z u gi i l a x a r gm a x t 】 a r g m i n d i a g ( ) e 【】 i i i n ( ) j j ，f l o g m a x m a x t 】 m i n n 0 ，盯2 ) 数学符号表 复参量的共轭 矩阵的m o o r e p e n r o s e 广义逆 矩阵或向量的共轭转置 矩阵或向量的转置 矩阵h 的第f 列 矩阵h 的第f 行 表示将h 的第f 列置零 表示发射天线数为，、接收天线数为，的m i m o 系统 近似等于 远小于 实数的绝对值或复数的模 向量的f r o b e n i u s 范数 表示随机变量服从某种分布 零矩阵 序列的最大值所对应的自变量参数 序列的丁个最大值所对应的自变量参数 序列的最小值所对应的自变量参数 由括号内的序列形成的对角阵 统计平均 单位矩阵 参量的虚部 j 整型变量 自然对数 求序列中的最大值 求序列中丁个的最大值，并按从大到小顺序排列 求序列中的最小值 均值为0 、方差为口2 的复或实高斯分布，若为复高 斯分布，则其实、虚部独立、等方差 l x 东南大学博士学位论文 o ( ) q ( ) 酞“ r e ( ) s i g n ( ) 运算复杂度的数量级 硬判决 刀维线性实空间 参量的实部 参数的符号 x 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： 盔一盘犟e l期：尘塑阜“ 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： 一廨牲导师签名：日期：纠 第一章绪论 第一章绪论 “更快、更高、更强”一奥林匹克运动会的真谛也正是宽带无线通信系统设 计的最高理念。在高速发展的现代社会，人们越来越需要更快和更稳定的宽带无 线通信和基于此的无线服务。这就意味着宽带无线通信系统需要提供更快速的数 据处理( 低复杂度) ，更大的数据流量和更优越的性能( 低误码率) 。然而，在实 践中来自各方面的制约因素对宽带无线通信系统的设计形成了挑战。这其中包括 无线信道的时间( 频率) 选择性衰落、噪声、码间干扰、载波间干扰和发射功率、 带宽资源的限制。因此，需要设计新一代宽带无线通信系统。为了实现新一代宽 带无线通信系统的目标，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，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 技术将是新一代无线移动通信系 统中必须采用的关键技术。 m i m o 技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。m i m o 技术能够 在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，充分利用空间传播中的多径 分量，在同一频带上使用多个数据通道( m i m o 子信道) 发射信号，从而使得容 量随着天线数量的增加而线性增加【l 训。这种信道容量的增加不占用额外的带宽， 也不消耗额外的发射功率，因此是增加信道和系统容量的一种非常有效的手段。 同时，m i m o 系统可以创造多个并行空间信道，通过这些并行空间信道来传输信 息，可以提高信道的可靠性，降低误码率。m i m o 技术实质上是为系统提供了空 间复用增益和空间分集增益。前者主要是利用m i m o 信道提供的空间复用增益， 大大提高信道容量；而后者主要是利用m i m o 信道提供的空间分集增益，提高 信道的可靠性。通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素，然而对于m i m o 系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。m i m o 技术的关键是能够将传 统通信系统中存在的多径衰落影响变成对用户通信性能有利的增强因素。m i m o 技术有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率，因 此，它能够在不增加所占用的信号带宽的前提下使无线通信的性能改善几个数量 级，被一致认为是新一代移动通信核心技术的解决方案之一。 在无线通信中采用m i m o 技术可以成倍地提高系统容量，而基于多中继、多 用户或者多基站的协作通信技术又可以克服传统蜂窝网的若干缺陷而显著提高 系统性能。因此，将现有的蜂窝网演化成以基站控制为主、中继站控制为辅的多 层次协作、分布式调度的新型网络结构是一种有效的方案，并在此基础上系统地 研究其m i m o 技术已经成为一种新的发展方向。 1 1m i m o 技术 移动通信技术和计算机网络技术的发展与应用，将人类带入了信息时代，极 大地影响了人们的工作、学习和生活。从上世纪六、七十年代美国贝尔实验室提 出蜂窝无线通信概念以及研制成功先进移动通信电话系统( a m p s ) 开始，移动 东南大学博士学位论文 通信已有了四十余年的发展历史1 5 诺j ，期间经历了模拟式的第一代移动通信系统， 窄带数字式的第二代移动通信系统，目前正在朝着能为用户提供语音、数据和多 媒体等业务为一体的第三代移动通信系统以及提供因特网和多媒体业务融合的 宽带高速数据通信服务的以4 g 为代表的下一代移动通信系统，人类的“任何人、 在任何地点、任何时间与任何人进行任何形式通信”的梦想正在实现。 随着因特网和多媒体应用在4 g 移动通信中的融合，宽带高速数据通信服务 的需要正在不断地增长。未来的无线通信系统应当能给用户提供日益增长的语音 业务和高速互联网接入数据业务以及无线电视、移动计算等无线多媒体服务。这 些在传输速率、性能和系统业务容量等方面的要求，使得未来移动通信技术朝着 更高的数据速率、更快的移动性和更高的载频方向发展。为了达到未来移动通信 的“更高、更快、更强”的目的，仅仅利用现有的更多频谱资源是不够的。因此， 人们开始考虑利用无线信号的空间资源，即利用多天线发送和接收信号。在采用 多天线收发的无线通信系统中，如果发射端和接收端的不同天线都相距足够远， 使得各发射天线到各接收天线之间的传播信号可以认为是相互独立的，则称这样 的多天线信号传输信道为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 ) 信道。而无线 通信中的m i m o 技术是指在无线通信的发射端和或接收端使用多根天线或天线 阵列构成的一个m i m o 通信系统来进行信息传输的技术【9 l 。使用m i m o 技术的 无线通信系统称为无线m 蹦o 系统。与此对比的单天线系统称为s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统。无线m i m o 系统按照发射端和接收端配置 的天线数目的不同又可以细分为：单输入多输出( s i m o ，s i n g l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ) 系统、多输入单输出( 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 统和多输入多输出( m i m o ) 系统。 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 系统的多根发射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独立空 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的速率和改善信息 传输的性能。m i m o 技术超越了人们认为高信息传输速率要么要求较宽的频带、 要么增大发送功率的传统观念。而所付出的代价是发射端和或接收端要进行计 算复杂度相对较高的空时信号处型1 0 】，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