（信息与通信工程专业论文）空间相关多输入多输出系统的空时信号处理技术研究.pdf

j 二海交通人学博i 。学位论文 空间相关多输入多输出系统的空时信号处理技术研究 摘要 多输入多输出( m i m o ) 技术是高速无线通信领域内的一个重要进步，与传 统的单输入单输出( s i s o ) 系统相比。m i m o 最显著的优点是能够提供饭人的 系统容量且该系统容量会随着收发天线数目的增多而线性增加。然而已有的研 究成果也显示，m 1 m o 系统对信道空间特性较为敏感。当传输环境中散射物不充 分，或者收发天线阵元间距较小时，m i m o 信道会呈现空间相关衰落特性。随着 信道空间相关性的增强，m i m o 系统的性能会出现越来越明显的退化。这种对空 间相关衰落的敏感性，使得m i m o 系统的应用场合受到了较多的限制，难以直 接应用于小型终端。为了推进m i m o 系统从实验室走向真正意义上的商用 m i m o 系统在空间相关衰落信道条件下的性能分析与系统设计是研究人员不能 回避的一个重要挑战。 目前，国际上针对空间相关m i m o 系统的研究已经开展了一段时间，从空 间相关衰落条件下的m i m o 信道建模、容量分析等基础研究领域，到相关条件 下的发射端空时编码设计、接收端信号检测算法和发射接收机的联合优化等领域 丌始陆续有些研究成果发表。 本文的主要目的是在国内外已有的研究基础上，进一步深入开展空白j 相关衰 落环境下的m i m o 系统空时信号处理算法的研究，降低m i m o 系统对信道空倒 相关衰落的敏感性，推进m i m o 系统的实用化研究的介绍。 本文内容分为四个主要部分。第一部分是对m i m o 系统的基本特征描述以 及关于目前该领域内最有价值的几个研究方向。 第二部分主要研究了开环条件下，空间相关m i m o 系统中的软信息迭代信 号处理技术。针对空间相关信道的特点，我们在标准t u r b o b l a s t 的基础上， 提出了一种改进的多环迭代b l a s t 接收机结构。通过在接收机的内解码器增加 一个本地软信息迭代环路来提供更准确的迭代初始参量，改善t u r b o b l a s t 在 空间相关环境中的性能。 上海交通大学博士学位论文 在本文的第三部分，我们主要研究了空间相关环境，闭环条件下的m i m o 收发信机联合优化问题。以目前最主流的m a s ea mm i m o 系统为参照，我们 提出了一种适用于m i m o 系统的新的自适应调制准则：最小化发射功率( m t p ) 准则。这种m t p 准则以用户或网络上层所需的q o s 指标为目标进行收发信机联 合优化，使m i m o 系统以最小的发射功率保证所需要的传输速率和质量。我们 首先针对窄带信道环境中，在完美信道信息( p c s i ) 假设下，提出了多种具有 不同特点的m t p 优化算法：然后，建立了非完美信道信息( i c s i ) 模型，分析 了信道信息误差对m t pa mm i m o 的影响，并在此基础上设计了针对i - c s i 假 设的鲁棒性m t p 自适应调制算法，分析了其运算复杂度和在空间相关环境中的 性能。 为了更进一步的推广m t p 准则在m i m o 系统中的应用，我们在窄带m t p a mm i m o 的基础上，根据宽带频率选择性m i m o 信道的特点，将m 1 m o 与 o f d m 技术相结合，建立了p c s i 和i - c s i 条件下，m i m o o f d m 系统的空频 域子信道等效模型。并在该模型的基础上，将m t p 准则应用于m 肼o 0 f d m 系 统，提出了适用于宽带频率选择性信道的m t p a mm i m o o f d m 算法。 由于在闭环系统中，信道信息的精确程度对m i m o 系统的性能有至关重要 的影晌，在本文的第四部分中，我们研究了m i m o - o f d m 系统中的非盲信道估 计技术。并提出了一种适用于m i m o 。m c c d m a 系统下行链路的信道估计算法。 这种算法具有双层导频结构，并在正交码域进行信道估计。仿真显示，这种估计 方案能够较好地工作于空间相关的高速移动环境中。这种双层码域信道估计方案 是本文为了提高m i m o 系统在复杂环境下信道估计精度的一次尝试。 关键词：多输入多输出( m u l t i p l e - i n p u ta n dm u l t i p l e o u t p u t ) ，正交频分复用 ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ，空间相关衰落( s p a t i a lc o r r e l a t e d f a d i n g ) ，服务质量等级( q u a l i t y o f s e r v i c e s ) ，正交振幅调$ i j ( q u a d r a t u r e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n ) ，平均频谱效率( a v e r a g es p e c t r u me f f i c i e n c y ) ，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 ) ，最小化发射功率( m i n i m i z a t i o no ft r a n s m i s s i o n p o w e l - ) ，自适应调制( a d a p t i v em o d u a l t i o n ) 。 上海交通大学博士学位论文 s p a c e - t i m es i g n a lp r o c e s s i n go fm i m os y s t e m i ns p a t i a l c o r r e l a t i o ne n v i r o n m e n t s a b s t r a c t m l m oi sag r e a tp r o g r e s si nh i g hd a t ar a t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na r e a c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a ls i s os y s t e m ，i tp r o m i s e st r e m e n d o u sc a p a c i t y w i t h o u ta d d i t i o n a lt r a n s m i s s i o np o w e r , a n dt h ec a p a c i t yw i l li n c r e a s ew i t ht h e t r a n s m i t r e c e i v ea n t e n n a s l i n e a r l y h o w e v e r , a c c o r d i n g t ot h er e c e n tr e s e a r c h e s ， m i m oi sq u i t es e n s k i v et ot h ec h a n n e l ss p a t i a lc h a r a c t e r s w h e nt h es p a c eb e t w e e n t h et r a n s m i t r e c e i v ea n t e n n ae l e m e n t si ss m a l l ，o rt h e r ea r en o te n o u g hs c a t t e r s b e t w e e nt h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r , t h em i m oc h a n n e li ss p a c ec o r r e l a t e df a d i n g w i t ht h ei n c r e a s i n go fs p a t i a lc o r r e l a t i o n , t h ep e r f o r m a n c eo fm i m os y s t e mw i l l d e g e n e r a t eg r i e v o u s l y s o ，t h ea p p l i c a t i o n so fm i m o a r er e s t r i c t e ds t r i c t l ya n di ti s n o te a s yt o a p p l yi t t ot h es m a l ls i z em o b i l et e r m i n a l s t om a k em t m om o r e a p p l i c a b l e ，t h er e s e a r c h e r sm u s tf a c et h ec h a l l e n g er a i s e db ys p a t i a lc o r r e l a t e df a d i n g d i r e c t l y a tp r e s e n t , t h es p a t i a lc o r r e l a t e dm i m oh a sb e e ns t u d i e df o ry e a r s t h e r ea r e m a n y r e s e a r c ha r e a s ，s u c ha sc h a n n e lm o d e l i n g , c a p a c i t ya n a l y s i s ，t r a n s m i ts i g n a la n d m i m or e c e i v e rd e s i g n ，c o m b i n e do p t i m i z a t i o no ft r a n s c e i v e r , h a v eb e e nb r o u g h t f o r w a r da n dd e v e l o p e d i nt h i sp a p e r , w ew a n tt of u r t h e re x p l o r et h es p a c e - t i m es i g n a l p r o c e s s i n ga l g o r i t h m sf o rt h es p a t i a lc o r r e l a t e dm 1 m o ，a n dm a k et h e mt ob cm o r e r o b u s tt os p a t i a lc o r r e l a t i o n t h i sp a p e ri n c l u d e sf o u rp a r t sm a i n l y i nt h ef i r s tp a r t ，w ei n t r o d u c et h eb a s i c k n o w l e d g eo f m i m os y s t e m , a n dc a t e g o r i z et h er e s e a r c ha r e a s i nt h es e c o n dp a r t ，w es t u d yt h es o f ti n f o r m a t i o ni t e r a t i o nt e c h n o l o g yo fo p e n l o o pm i m o ，n a m e da st u r b o - b l a s t , f i r s t l y t h e n ，am u l t i l o o pi t e r a t i o n r e c e i v e r b a s e do nt h eo r i g i n a lt u r b o - b l a s ts t r u c t u r ei sp r o p o s e d b ya d d i n gal o c a ls o f t 上海交通大学博士学位论文 i n f o r m a t i o ni t e r a t i o ni nt h ei n n e rd e c o d e ro fr e c e i v e r ，t h ep r o p o s e ds c h e m ep r o v i d e s m o r ea c c u r a t ei n t i a lp o i n tt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft u r b o - b l a s ti n t h e c o r r e l a t e de n v o i r o n m e n t s i nt h et h i r dp a r t ，w es t u d yt h ec o m b i n e do p t i m i z a t i o no fc l o s e d l o o pm i m o t r a n s c e i v e ri nc o r r e l a t e de n v i r o n m e n t s an e wk i n do fa d a p t i v em o d u l a t i o n ( a m ) m i m on a m e da sm i n i m i z e dt r a n s m i s s i o np o w e r ( m t p ) a mm i m oi sp r o p o s e d ， w i t ha i m sa tm e e t i n gt h er e q u i r e dq o sp a r a m e t e ra tt h ec o s to fl o w e rt r a n s m i s s i o n p o w e r a tf i r s t ，w eb r i n gf o r w a r ds e v e r a lo p t i m a z t i o na l g o r i t h m s f o rf i a t f a d i n g m i m ou n d e rp e r f e c tc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( p c s i ) a s s u m p t i o n t h e n ，t om a k e t h em t pa mm i m om o r ea p p l i c a b l e ，w ep r o p o s e dar o b u s ta l g o r i t h mf o ri m p e r f e c t c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( i - c s i ) a s s u m p t i o n ，w h i c he n s u r e st h eq o sp e r f o r m a n c e s w h e nl a r g e rc s ie r r o re x i s t s f u r t h e r , b a s eo nt h em t pa ma l g o r i t h ma b o v ef o rf i a tf a d i n gm i m o ，w ee x p l o r e t h em t pa d a p t i v em o d u l a t i o na l g o r i t h m sf o rm i m o o f d ms y s t e m ：t h em t p a l g o r i t h mb a s e do np - c s ii sp r e s e n t e d ，a n dar o b u s tm t pa d a p t i v em o d u l a t i o nm o d e l f o rm i m o o f d mi sp r o p o s e d i nt h el a s tp a r t ，ac h a n n e le s t i m a t i o ns c h e m ef o rt h ed o w n l i n ko fm i m o m c - c d m ai sp r o p o s e d t h i ss c h e m eu t i l i z e sat w o l a y e r sp i l o ts i g n a ls t r u c t u r e ，a n d e s t i m a t e st h ec h a n n e lp a r a m e t e r si no r t h o g o n a lc o d ed o m a i n i ti sp r o v e db y t b e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n st h a tt h ep r o p o s e dc h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h mh a sq u i t eg o o dp e r f o r m a n c e s i n s p a t i a lc o r r e l a t e d a n dh i g hm o b i l i t y e n v i r o n m e n t s t h i ss c h e m ei sa l li m p o r t a n te f f o r to f o u ro w nt og e tm o r ea c c u r a t ec s i i nc o m p l e x i t ye n v i r o n m e n t sf o rt h ec o m b i n e do p t i m i z a t i o no f m i m ot r a n s c e i v e r k e y w o r d s m u l t i i n p u ta n dm u l t i o u t p u t ( m i m o ) ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ，s p a t i a l c o r r e l a t e d f a d i n g ，q u a l i t y o fs e r v i c e s 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 ( q a m ) ，a v e r a g es p e c t r u me f f i c i e n c y c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) ，m i n i m i z a t i o no ft r a n s m i s s i o np o w e r a d a p t i v em o d u l a t i o n ( a m ) ( q o s ) ( a s e ) ( m t p ) 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 王智属 日期：a n 年7 月一7 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权上海交通大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“，”) 学位论文作者签名：飞惠指导教师签名： 日期：跏f 年7 月d 7 日 日期：埘6 年 ：查至塑丕堂堡：竺垡堡塞一 英文缩略词表 3 g p p ：t h e3 r dg e n e r a t i o np a r t n e rp r o j e c t ： a m ；a d a p t i v em o d u l a t i o n ； a s e ：a v e r a g es p e c t r u me f f i c i e n c y ； a w g n ：a d d i t i v ew h i t eg a n s s i a nn o i s e ： b e r ：b i te r r o rr a t e ： b l a s t ：l a b sl a y e r e ds p a c e - t i m e ( b l a s t ) a r c h i t e c t u r e s ； c d m a ：c o d ed i v i s i o nm u t i p l ea c c e s s ： d - b l a s t ：d i a g o n a l - b l a s t ： e v d ：e i g e nv a l u ed e c o m p o s i t i o n h s d p a ：h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e t a c c e s s ； i - c s hi m p e r f e c tc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ： i - m e t r a ：i n t e l l i g e n tm u l t i e l e m e n tt r a n s m i ta n d r e c e i v ea n t e n n a s ； m a s e ：m a x i m i z e da v e r a g es p e c t r u me i f f i c i e n c y ： m c ：m u l t i c a r r i e r ： m i m o ：m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t ； m i s o ：m u l t i p l eh a p u ts i n g l eo u t p u t ； m m s e ：m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r m t p ：m i n i m i z e dt r a n s m i s s i o np o w e r ： o f d m ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm o d u l a t i o n ： q a m , 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 q o s ：q u a l i t yo f s e r v i c e s ； p c s hp e r f e c tc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n 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 ： s i s o i ：s i n g l ei n p u ta n ds i n g l eo u t p u t ； s i s 0 2 ：s o f th l p u ta n ds o f to u t p u t ： s n r ：s i g n a lt on o i s er a t i o ： 圭塑奎望盔兰塑! ：竺堡丝苎 s s d t ：s i t es e l e c t i o nd i v c r s i t yt r a n s m i t ： s t b c ：s p a c e t i m eb l c o kc o d i n g , s t t d ：s p a c et i m et r a n s m i td i v c r s i t y ； s v d ：s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ； t s t d ：t i m es w i t c h e dt r a n s m i td i v e r s i t y ； v b l a s t ：v e r t i c a l - b l a s t ： w i m a x ：w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s 2 上海交通大学博士学位论文 第1 章绪论 由于受限的射频资源，信道衰落及多径干扰等传输等问题，从事无线系统设 计的科研人员需要面对更多的挑战。与此同时，不断发展的社会和经济要求无线 网络具有更高的数据传输速率，更好的传输质量，更少的掉线率以及更大的删络 容量。为了满足这些要求，迫切需要能够提高频谱效率和改善网络链路可靠性的 新技术。 从2 0 0 1 年1 2 月n t td o k o m o 开始提供3 g 商用业务以来，一些国家也陆 续准备部署3 g 网络同时，各国已开始或者计划启动新一代移动通信关键技术 的研究，争取在未来移动通信领域内占有一席之地。这里所提到的新一代移动通 信是指后3 g 或者4 ( 3 。目前普遍认为后3 g 的最高传输速率将超过1 0 0 m ：能够 实现全球无缝漫游，有非常高的灵活性，能自适应地进行资源分配：支持下一代 i n t e m e t ( i p v 6 ) ，而且是全p 网络，服务成本低也将是后3 g 的一个重要特征。随 着时势的发展，未来移动通信宽带无线移动和无线接入融合系统成为当前热门的 研究课题，而多输入多输出( m m i o ) 系统是人们研究较多的新一代高效传输技 术之一 1 1 多输入多输出( m i m o ) 系统 1 1 1m i m o 技术的基本概念 m i m o 技术是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，信号 通过发射端和接收端的多个天线进行传送和接收，从而改善每个用户的服务质量 ( 误比特率或数据速率) 。丽传统的通信系统多为单输入单输出( s i s o ) 系统， 但其中基于发射分集和接收分集的多输入单输出( m i s o ) 方式和单输入多输出 出( s i m o ) 方式实际上也是m “o 的一些特殊应用。 m i m o 用于通信系统的概念早在2 0 世纪7 0 年代就有人提出，但是对在无线 移动通信系统中应用m i m o 技术产生巨大推动的奠基工作则是2 0 世纪9 0 年代 上海交通大学博士学位论文 由a t & tb e l l 实验室中的学者完成的。1 9 9 5 年t e l a d 盯计算了在衰落情况下的 m i m o 系统容量：1 9 9 6 年f o s h i n i 给出了第一种m i m o 处理算法_ d b l a s t 【l l 算法：1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了用于m i m o 的空时编码技术：同年w o l i n a n s k y 等采用v - b l a s t l 2 i 算法建立了第一个m i m o 实验系统，该实验系统在室内环境 中达到了2 0 b p s h z 以上的频谱利用率，这对于普通系统是极难实现的。所有这 些工作引起了各国学者的极大关注，并使得有关m i m o 系统的研究得到了迅速 发展。 1 1 2m i m o 在无线通信系统中的应用及面临的主要课题 目i j ，世界上的各大通信技术公司，如朗讯、松下、金桥和n 1 1 rd o c o m o 等都在积极倡导m i m o 天线系统技术的应用。在3 g p p 的高速下行链路分组接 入方案( h s d p a ) l 剐中就使用了m i m o 天线系统，这种系统在发送和接收方都 有多副天线，可以认为是双天线分集的进一步扩展。另外，在3 g p p ( 第三代协作 伙伴项目) 的w c d m a ( 宽带码分多址) 协议中，涉及到了6 种分集发射方法，即 空时分集发射( s t t d ) 4 1 、时间切换分集发射( t s t d ) 1 5 1 1 6 1 、两种闭环分集发 射模式7 1 1 8 i 、软切换中的宏分集、和站点选择分集发射( s s d t ) 【9 1 。宏分集是指 在c d m a ( 码分多址) 系统的软切换过程中，通过2 个甚至3 个基站同时向一个移 动台发射同样的信号；同样，在接收时也通过相邻的基站进行分集接收( 多个基 站接收) ，即进行宏分集接收。以上所有这些分集发射技术都在一定程度上利用 了m i m o 系统所提供的复用或分集增益，是m i m o 系统的特殊应用实例。 在固定宽带无线接入领域中m i m o 技术也已经得到了广泛的应用：无线城 域网标准i e e e8 0 2 1 6 协议族就采用了m i m o 技术来提高传输速率【1 0 】。当前最具 商机的w i m a x 产品，也j 下是建立在i e e e 8 0 2 1 6 协议族的基础上。在无线接入 领域采用m i m o 技术的主要公司是l o s p a nw i r e l e s s 和r a z et e c h n o l o g i e s 。 o s p a n w i t l e s s 的a i r b u r s t 系统是基于m i m o o f d m ( 正交频分复用1 的f d d ( 频分双7 - ) 系统。r a z et e c h n o l o g i e s 的s k y f i r 系统也具有m i m o 接口，并且可以用波束成 形控制器来升级。 总而言之，面对频带资源有限而高速数据需求无限增长的现实。利用增加发 射天线来增加空间自由度、改善系统性能、提高频带利用率是无线通信领域中的 4 上拇交通大学博士学位论文 一个重要研究方向。m i m o 技术以其特有的优点，将成为未来移动通信中的关键 技术之一，对无线通信系统的发展产生了深远的影响。 尽管m i m o 无线通信系统引起了业内的广泛关注，并逐步丌始应用于现实 的商业网络之中，但由于系统中使用了多副天线进行信号传输，它的传输环境业 加复杂多变，与其相关的信号处理技术也仍然有许多问题没有完全解决，需要进 一步的深入研究。其中，由于m i m o 信道的空白j 相关特性对终端尺寸、系统适 用传输环境、所能支持的传输速率和质量都有直接的影响，在空i 日j 相关m | m o 系统中的空时信号处理技术成为目前该领域内最重要的研究课题之一。 1 2 本文的主要研究内容 本论文旨在研究信道空间相关衰落条件下，m i m o 系统中的空时信号处理技 术，力求降低m i m o 系统对空间相关衰落的敏感性，推进m i m o 的实用化研究。 本文主要可以四个部分： 第一部分是对m i m o 系统的基本认识，以及目前在m i m o 领域内最有影响 的几个研究方向。其中我们特别细化了有关空间相关m i m o 的主要技术。 第二部分主要研究开环条件下针对空问相关m i m o 系统的软信息迭代处理 技术：在介绍t u r b o ，b l a s t 算法的原理和实现方法的基础上，提出了一种使用 多坏软信息迭代的改进t u r b o - b l a s t 算法。这种改进算法通过在接收端内解码 器增加一级软信息迭代过程，来提供更准确的全局迭代中间参量，来改善 t u r b o b l a s t 算法的性能。 第三部分为本文的核心，主要研究了闭环条件下的空间相关m i m o 系统的收 发端联合优化问题，即适用于空间相关m i m o 系统的自适应调制算法。在这一 部分中，我们首先研究了目前最有影响的平均频谱效率最大化( m a s e ) 的自适 应调制m i m o 的数学本质和实现算法，分析了信道的空间相关性衰落对这类自 适应调制方案性能的影响，并在此基础上分柝了其优缺点。理论分析和仿真实验 都表明：虽然m a s e 自适应调制方案能够最大限度地利用信道容量，但由于其 不是以用户需求为目标来进行发射接收参数优化的，其所能达到的传输速率会 随信道空问相关性的增强有明显下降，不能保证用户或网络上层对传输质量的要 求。 卜海交通大学博l j 学位论文 我们基于对m a s e 自适应调制m i m o 这一分析，提出了一种适用于空自j 相 关m i m o 的新的自适应调制准则一最小化发射功率( m t p ) 准则。该准则从用 户或网络上层的实际需求出发，以无线链路的主要q o s 指标为目标来优化m i m o 发射机的功率分配和比特装载参数，力求使空间相关衰落环境中的m i m o 系统 能够以最小的总发射功率来满足用户或网络上层的q o s 需求。在这部分工作中， 我们首先提出了一种m t p 准则下适用于窄带平坦衰落m i m o 信道，收发双方可 以得到完美信道信息时最佳功率和比特分配方案在离散可行域上的求解算法；随 后，计算了当调制阶数取连续值时的发射机最佳发射参数的理论闭式解；并在此 闭式解的基础上给出了另外一种具有较低运算复杂度的离散化方法。 为了使m t p 准则下的自适应调制m i m o 更加实用化，我们进一步放宽了对 信道信息的完美假设，研究了在考虑信道估计误差和反馈迟延的条件下，信道信 息误差对m t pa mm i m o 自适应调制算法的影响机制，并在此基础上提出针对 窄带平衰落信道环境的鲁棒性m t p a mm i m o 算法。 在以上这几种针对窄带平坦衰落信道的m t pa mm i m o 算法的基础上，我 们又根据m i m o - o f d m 系统的信道特性将最小化发射功率自适应调制的比特 功率分配算法推广到了宽带频率选择性的信道环境中，进一步将其推向了实际的 应用场景。 出于针对空间相关衰落m i m o 的收发信机联合优化过程是以对信道信息的 测量和反馈为基础，在本文的第四部分，我们在描述m i m o o f d m 系统中一般 的非盲信道估计算法的基础上，提出了一种适用于m i m o m c c d m a 系统下行 链路的信道估计算法。这种算法具有双层导频结构，并在正交码域进行信道估计。 这种提出的双层码域信道估计方案，能较好地工作于空问相关环境中的高速移动 场景，是我们为了提高m i m o 系统在复杂环境下信道估计精度的一次尝试。 1 3 全文结构安排 本论文共分八章，具体结构安排如下： 第一章为绪论，简要介绍了本论文所涉及的相关研究领域的背景。第一节主 要介绍m i m o 系统的起源、发展、特点、目前的主要研究成果、在无线通信系 统中的应用和所面临的技术挑战。第二节介绍本文的研究目的、技术路线和研究 6 上海交通大学博士学位论文 内容。第三节是全文的结构安排 第二章主要介绍m i m o 系统的研究现状和一些重要的基础知识。第一节描 述了抽象后的典型多输入多输出传输场景，并分别研究了空日j 相关衰落条件下的 窄带平坦衰落m i m o 信道和多径衰落m i m o 信道的建模方法，为后面的研究提 供仿真模型。第二节主要介绍了m i m o 系统的基本容量计算方法和信道的空f h j 相关性对容量的影响。第三节则介绍了当前m i m o 领域的主要研究方向和各个 方向的大致进展。着重对空日j 相关m i m o 系统中的主要技术热点进行了说明。 在第三章中研究了在开环条件下，空问相关m i m o 系统的软信息迭代处理 技术，即t u r b ob l a s t 系统。第一节主要介绍了t u r b o b l a s t 在发射端的编码 过程；第二节研究了在t u r b ob l a s t 接收机内的软信息迭代处理过程。在第三 节中，我们在这种传统t u r b o b l a s t 的基础上提出了一种针对空问相关衰落的 改进的多环软信息迭代的接收机。 第四章的研究内容主要是目前最成熟的一类m i m o 自适应调制算法：m a s e a mm i m o 算法。第一节介绍了m i m o 自适应调制算法的基本分类方法；第二 节介绍了平均频谱效率最大化算法的数学本质；第三节和第四节则描述了完美信 道信息条件下，m a s e 准则的求解和离散化过程；在第五节中，我们通过仿真实 验研究了信道的空间相关性衰落对m a s ea mm i m o 性能的影响，分析了这类 a mm i m o 系统的优缺点， 并以此作为后面研究的参考。 在第五章中，我们提出了一种全新的自适应调制m i m o 的优化准则；以用 户要求的q o s 参数为约束的m t p 准则。在第一节中，我们推导了针对空间相关 m i m o 的m t p 问题的数学模型；第二节则提出了两种完美信道信息反馈条件下， 窄带平坦衰落信道环境中，满足m t p 准则的最佳调制和功率分配方案的求解算 法：第三节首先建立了信道信息误差模型，并针对此模型，分析了信道反馈估 计误差对理想的m t pa mm i m o 算法的影响，然后在此基础了设计一种适用于 窄带平衰落m i m o 系统的离散化的鲁棒性m t p 自适应调制算法。在第四节中， 为了对比m a s ea mm i m o 系统，我们通过仿真实验分析了信道的空白j 相关性 衰落对m t pa mm i m o 系统的影响，说明了使用这种m t p 准则的a mm i m o 能够在q o s 等级上对信道的空间相关衰落表现出一定程度的鲁棒性。 第六章的主要目的是针对m i m o o f d m 系统的信道特征，将我们提出的 上海交通大学博士学位论文 m t p 自适应调制算法推广到宽带频率选择性衰落m i m o 信道环境当中在第一 节中介绍了m i m o o f d m 系统的基本知识和所需要解决的主要问题；第二节则 介绍m i m o - o f d m 系统的一般原理模型：第三节在原理模型的基础上推导了 m i m o o f d m 系统在空频域内的等效予信道分割算法。并针对完美信道信息反 馈假设，提出了种适用于m i m o o f d m 系统的m t p 自适应调制算法；在本节 的最后建立了m i m o o f d m 系统的信道信息估计和反馈误差模型，将窄带环境 中鲁棒性的算法推广到了频率选择性信道当中，进一步推进了m t p 自适应调制 算法实用化研究 由于空臼j 相关m i m o 收发信机的联合优化是建立在信道信息的精确测量的 基础上，我们在第七章中主要研究了针对m i m o o f d m 系统的非盲信道估计算 法。第一节中介绍了适用于m i m o o f d m 系统的最基本的最小均方误差 ( m m s e ) 准则下的信道瞬时响应的估计算法及其简化算法。第二节则在这种基 本信道估计算法的基础上，针对空间相关环境中终端高速移动的无线通信系统的 下行链路，提出了一种在正交码域设置连续导频信号进行信道估计的方案。 第八章是对全文的总结与展望。第一节系统、全面地概括了论文的主要研究 内容，详细地归纳了研究工作的创新之处。第二节针对论文工作中不尽完善的地 方，提出一些意见和建议，以供后续工作参考借鉴。 3 海交通大学博b 学位论文 第2 章m i m o 系统的研究现状 作为无线高速数据传输的关键技术，m i m o 系统受到了学术界的广泛关注。 各国学者深入研究了m i m o 系统的理论、性能、算法和实现等各个方面。在这 些领域内已经有一大批文献和研究成果发表出来。虽然已有的文献涉及相当广泛 的内容，但是出于无线移动通信m i m o 信道是一个时变、非平稳多输入多输出 的复杂系统，所以尚有大量问题需要研究。本章的主要内容是对当前m i m o 领 域内的主要研究课题进行分类，总结其成果，作为后面研究的基础。 2 1 空间相关m i m o 信道建模 由于在收发端使用了多天线阵列，m i m o 信道与传统单输入单输出( s i s o i ) 信道的根本性差异就是需要考虑信道的空间特性。这种信道的空间特性将m i m o 系统的性能产生直接的影响。为了更好地利用m i m o 系统的容量优势，必须首 先深入分析m i m o 信道特征、研究其建模方法。对于空间相关m i m o 来说，信 道建模更是研究其空间相关特性及解决办法的基础。 目i j f 几大标准化组织包括8 0 2 1 6 、8 0 2 2 0 、3 g p p 3 g p p 2 和i - m e t r a 都正在 进行或已经完成了某些移动场景下m i m o 信道的建模工作。虽然各个模型的具 体假设可能有所不同，但是它们对m i m o 信道的基本描述原理却都是相同的。 在2 0 0 1 年1 1 月的3 g p p 会议中，由朗讯、诺基亚、西门子和爱立信公司联 合提出了标准化m i m o 信道的建议。3 g p p 和3 g p p 2 推荐的链路级m i m o 信道 的建模方法有两个：基于相关( c o r r l r a t i o n b a s e d ) 的方法和基于子径( e a g c a 1 4 h ) 的方法。尽管