（信号与信息处理专业论文）mimo信道估计及空间相干性研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 捅要 随着多媒体移动通信等新业务的发展，频谱资源日益紧张。人们持续增 长的需求与有限频谱资源之间的矛盾成为研究高频谱利用率技术的动力和挑 战。众多新技术中，基于多天线的多入多出无线通信结构已显示出无尽的潜 力，成为充分利用空间资源的必然途径。它可以不需增加带宽和发射功率， 大幅度的提高无线通信系统的信息容量和传输速率，从而提供远高于传统单 天线系统的频带利用率。本文对基于隐训练序列的m i m o 信道估计及其空间 相干性进行了深入地研究。主要内容概括如下： 首先介绍了多入多出无线通信的研究背景和基本概念，并与其他新技术 做比较以突出研究的必要性和必然性。然后，详细阐述了在多入多出无线通 信领域正受到关注的和仍有待解决的基本问题，指出了本文的研究方向。 然后概述了空时无线信道模型及其多普勒扩展等特性，它为后续的 m i m o 信道估计奠定了理论基础。第3 章主要研究了基于隐训练序列的 m i m o 信道估计问题，首先简要介绍了传统的信道估计方法，比较了基于隐 训练序列的信道估计方法和传统估计方法各自的优缺点，然后在已有的三种 信道估计方法的基础上，结合各自的优点，对基于循环叠加序列d f t 的信道 估计方案做出了改迸，在保持了此种方法估计精度高的基础上，完全消除了 接收端直流偏置对其估计精度的影响。第4 章研究了多天线阵n 4 , 尺度分布 条件下m n t o 子信道间的相关性及其对空间分集增益的影响，在空间电磁波 角度谱理论的基础上给出了分析此问题的统一方法。重点比较了均匀圆阵和 均匀线阵在小尺度分布下的性能，证明了在空间电磁波谱均匀分布的条件下， 均匀圆阵性能优于均匀线阵的结论。最后一章总结了本文所做的工作，并对 m i m o 系统未来发展方向进行了展望。 关键词：隐训练序列；信道估计；多输入多输出系统；空间相干性； 分集增益 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n , t h ed e m a n d sf o rt h el i m i t e d l i e q u e n c y 坞s o u r c ea r eb o o m i n g t h em a j o rc h a l l e n g e i n t o d a y s w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ni sh o wt os c l - v et h ee x p l o s i v e l yi n c r e a s i n gd e m a n do fm u l t i m e d i a 蝴 v i c ew i t h i nt h el i m i t e db a n d w i d t h a m o n gt h o s ee m e r g i n gt e c h n o l o g i e s ， 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 ( m i m 0 ) c o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r eh a ss h o w e d i t si n f m i t ep o t e n t i a lt oi m p r o v es p e c t r a le f f i c i e n c yd r a m a t i c a l l y b yd e p l o y i n g m u l t i p l ea n t e n n ae l e m e n t sa tb o t ht r a n s m i t t e r a n dr e c e i v e r , m i m oh a sb e e n r e g a r d e da s a l li n e v i t a b l ep r o m i s i n ga p p r o a c ht o e x p l o i tn l 缸j n l ms p a t i a l r e s o u r c e sa m o n gm a n ye m e r g i n gt e c h n o l o g i e s i tc a ne n n o u s l yi n c r e a s et h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a p a c i t ya n dt h ed a t ar a t ew i t h o u ta d d i t i o n a l s y s t e mb a n d w i d t ha n dt r a n s m i t t i n gp o w e r t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h em i m o c h a n n e le s t i m a t i o nb a s e do nt h es u p e r i m p o s e d ( i m p l i c i t ) t m i n i n ga n di t s s p a t i a l f a d i n gc o r r e l a t i o n t h em a i nc o n t e n t s o ft h ed i s s e r t a t i o na r e e x p r e s s e da s f o l i o w s ： f i r s tw ei n t r o d u c et h eb a c k g r o u n da n de l e m e n t so fm i m ot e c h n i q u e s c o m p a r i s o n i s g i v e n b e t w e e no t h e r t e c h n i q u e s a n dm i m ow i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n st od e m o m 慨n e c e s s i t ya n di n e v i t a b i l i t yo fr e s e a r c ho nm i m o t h e np r o v i d et h ep r o b l e mt ob er e s o l v e de x i s t i n gi nm i m oc o m m u n i c a t i o ni n d e t a i l ，p o i n t i n go u tt h er e s e a r c hd i r e c t i o no f o u rw o r k t h e nw ei n t r o d u c et h em o d e lo fs p a c et i m ew i r e l e s sc h a n n e la n di t s c h a r a c t e r i s t i cs u c ha sd o p p l e rs p r e a d , w h i c hi st h eg r o u n d w o r ko ft h em i m o c h a n n e le s t i m a t i o ni nt h en e x tc h a p t e r c h a p t e r3m a i n l ys t u d yt h ep r o b l e mo f m i m oc h a n n e le s t i m a t i o nb a s e do ns u p e r i m p o s e d ( i m p l i c i t ) 仃a i n i n g i nt h i s c h a p t e r , t h et r a d i t i o n a lc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o di sg i v e nf i r s t , t h e nc o m p a r e d w i t ht h en e we s t i m a t i o nm e t h o db a s e do ns u p e r i m p o s e d ( i m p l i c i t ) t r a i n i n ga n d e x p r e s st h ea d v a n t a g e so ft h e f to w n i nt h el a s tp a r to f t h i sc h a p t e rw ec o m b i n e d t h ea d v a n t a g e so fd i f f e r e n tm e t h o d , m a d ea ni m p r o v e m e n to i lc h a n n e le s t i m a t i o n m e t h o db a s e do nt h ed f to fs u p e r i m p o s e ds e q u e n c e o u ri m p r o v e dm e t h o dw a s 哈尔滨下稃大学硕士学位论文 i i a b l et ou n a f f e c t e db yi m k i l o w nd eo f f s e ta tt h er e c e i v e rw h i l ek e e pt h es 锄el o w e r m s ec o m p a r e dt h eu n i m p r o v e do n e i nc h a p t e r4 w es t u d yt h es p a t i a lc o r r e l a t i o n 0 f 皿m os u b c h a n n e l sa n di t sa f f e c to nt h ed i v e r s i t yg a i no i lc o n d i t i o nt h a t a l l t 廿l l l a a r r a yd i s t r i b m ei n s m a l ls c a l e ，g i v eac o m m o nw a yt o a n a l y z et h e p r o b l e mb a s e do nt h ec o n c e p to fp o w e ra n g l es p e c l n a n ( p a s ) m a i n l yc o m p a r e d t h e p e r f o r m a n c eo ft h eu n i f o r mc k c u l a ra r r a y ( u c a ) a n du n i f o r ml i n e a r a r r a y 6 j l a ) ，p r o v e dt h a t t h eu r 强o r n lc i r c u l a ra r r a y ( u c a ) p r o v i d eab e t t e r d i v e r s i t yg a i nt h a nu n i f o r ml i n e a ra r r a y ( u l a ) w h e nm o r et h a nt w ot r a n s m i t a n t e n n a sb e i n gu s e do nc o n d i t i o nt h a ta n t e n n aa r r a yd i s t r i b u t ei ns m a l ls c a l ea n d t h ep o w e ra n g l es p e c t r u m ( p a s ) d i s t r i b u t ei nu n i f o r m i nt h el a s tc h a p t e r , w e s l l m m a r i t 配t h ep r e v i o u sw o r kw eh a v ed o n ea n dg i v eap r o s p e c to fm i m o c o m m u n i c a t i o n k e y w o r d s ：s u p e r i m p o s e d ( i m p l i c i t ) t r a i n i n g ；c h a n n e le s t i m a t i o n ；m i m o ；s p a t i a l c o r r e l a t i o n ；d i v e r s i t yg a i n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。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。 作者( 签字) ： 日期：年月日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 模拟制的早期蜂窝移动通信系统采用频分多址方式，主要通过多信道共 用，频率复用和频道窄带化等技术实现频率的有效利用。随着业务的发展， 模拟系统已远远不能满足用户发展的需求。数字移动通信比模拟移动通信具 有更大的容量。同样的频分多址技术，数字系统要求的载干比较小，因而频 率复用距离还可采用时分多址或码分多址技术，它比模拟的频分多址制在系 统容量上大4 2 0 倍。 1 9 9 5 年开始投入商用的i s 9 5 c d m a ( 窄带码分多址系统) 系统，以无 线技术的先进性和大容量等特点著称。它以扩频技术为基础，理论上c d m a 系统的频谱利用率比g s m 系统更高，网络容量更大。同时c d m a 系统具有 一定的过载能力，即系统具备软容量。作为第三代移动通信系统主流无线接 入技术的w c d m a ( 宽带码分多址) 能够更高的利用无线电频率。它利用分 层小区结构，自适应天线阵和相干解调( 双向) 等技术，网络容量可得到大 幅度提高，可以更好地满足移动通信发展的要求。 目前，国际上通信技术发达的国家已经着手研制4 g 的标准和产品。美 国a t & t 公司已经在实验室中研究4 g 技术，其研究目的是提高蜂窝电话和 其他移动装置无线访问i n t e r a c t 的速率。日本的d o c o m o 移动通信公司也在 进行4 g 的研究，争取在2 0 0 8 年左右推出4 g 产品。瑞典的爱立信公司宣布 已开始着手研制4 g 系统，其研究机构负责人表示，4 g 技术不仅可以将上网 速度提高到超过3 g 技术的5 0 倍，而且届时人类将首次实现三维图像的高质 量传输。该公司预计4 g 系统大约在2 0 1 0 年正式投入运营。我国目前对4 g 技术还处于探讨起步阶段，因此，对4 g 的研制工作显得十分迫切。m i m 0 做为未来移动通信中的关键技术，近些年来受到了广泛的关注。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 第四代移动通信系统及其关键技术 4 g 为宽带( b r o a d b a n d ) 接入和分布网络，具有非对称的超过2 m b s 的数 据传输能力。它包括宽带无线接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和互操 作的广播网络。4 g 标准比3 g 标准具有更多的功能。4 g 可以在不同的固定、 无线平台间和跨越不同频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方宽带接 入互联网( 包括卫星通信和平流层通信) ，能够提供信息通信之外的定位定时、 数据采集、远程控制等综合业务。同时，4 g 系统还是多功能集成的宽带移动 通信系统。是宽带接入口系统。4 g 的主要技术指标有：( 1 ) 数据速率从2 m b s 提高到1 0 0 m b s ，移动速率从步行到车速，甚至更快，( 2 ) 满足3 g 不能达到 在覆盖、质量、造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要。宽带 局域网应能与宽带综合业务数据网( b i s d b 0 和异步传送模式( a t m ) 兼容，实 现宽带多媒体通信，形成综合宽带通信网；( 3 ) 对全速移动用户能够供 1 5 0 m b s 的高质量的影像等多媒体业务。为了实现4 g 的设计目标，关键在于 物理层高速无线传输技术的研究。可能应用于4 g 的关键技术有： 一智能天线技术 智能天线基于自适应天线阵原理，利用天线阵的波束赋形产生多个独立 的波束，并能自适应地调整波束方向来跟踪每一位用户，达到提高信号干扰 噪声比( s n r ) ，增加系统容量的目的，目前仅在基站系统中应用。智能天线 由天线阵列、波束形成网络、波束形成算法3 部分组成。它通过满足某种准 则的算法去调节各阵元信号的加权幅度和相位，从而调节天线阵列的方向图， 达到增强所需信号、抑制干扰信号的目的。智能天线系统的工作方式基本有 两种：预多波束工作方式和自适应工作方式。根据其工作方式可将智能天线 系统划分为两类：预多波束或切换波束系统和自适应阵列系统。智能天线的 弊端在于由于存在多径效应，每个天线均需一个r a k e ( 多径分集接收技术) 接收机，从而提高了基带处理单元的复杂度。 二m i m o 技术 多入多出天线( m i m o ) 与空时编码系统容量是表征通信系统的最重要 标志之一，表示了通信系统最大可靠传输率。m i m 0 可以成倍地提高衰落信 道的信道容量。对于发射天线数为，接收天线数为m 的多入多出( m i m o ) 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设，肘很大，则信道容量c 近似 为公式 c = m i n ( m ， ，) 】b x l 0 9 2 ( p 2 ) ( i - 1 ) 其中口为信号带宽，p 为接收端平均信噪比，m i n ( m ，) 为膨，的较 小者。上式表明，功率和带宽固定时，m i m o 的最大容量或容量上限随最小 天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线 或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。因 此，m i m o 技术对于提高无线局域网的容量具有极大的潜力。其次，由于多 天线阵发送和接收技术本质上是空间分集与时间分集技术的结合，有很好的 抗干扰能力；进一步将多天线发送和接收技术结合信道编码技术，可以极大地 提高通信系统的性能。这样导致了空时编码技术的产生，空时编码技术真正实 现了空分多址，是将来无线通信中必然选择的技术之一。为充分利用m i m o 信道的容量，提出了不同的空时处理方案。贝尔实验室的f o s e h i n i 等人提出了 一种分层空时码系统b l a s t 系统，它将信源数据分成几个子数据流。独立地 进行编码调制，因而它不是基于发射分集的。a t & t 的t a r o k h 等人在发射延 迟分集的基础上正式提出了基于发射分集的空时编码。同时，a l a m o u t i 提出 了一种简单的发送分集方案，t a r o k h 等把它进一步推广提出了空时分组码， 由于它具有很低的译码复杂度，已经被正式列入w c d m a 提案中。 三正交频分复用( o f d m ) 未来的移动通信业务将从话音扩展到数据、图像、视频等多媒体业务， 因此，对服务质量和传输速率的要求越来越高。这对移动通信系统的性能提 出了更高的要求。因此，必须采用先进的技术有效地利用宝贵的频率资源， 以满足高速率、大容量的业务需求；同时克服高速数据在无线信道下的多径 衰落，降低噪声和多径干扰，达到改善系统性能的目的。正交频分复用 ( o f d m ) 在众多技术中显示出优越的性能。o f d m 应用开始于2 0 世纪6 0 年代，主要用于军事通信中，但因其结构复杂限制了进一步推广。7 0 年代， 人们提出了采用离散傅氏变换实现多载波调制，由于f f t 和i f f t 易用d s p 实现，使o f d m 技术开始走向实用化。 四自适应调制和编码( a m c ) 实际的无线信道具有两大特点：时变特性和衰落特性。时变特性是由终 哈尔滨工程大学硕士学位论文 端、反射体、散射体之间的相对运动或者仅仅是由于传输媒介的细微变化引 起的。因此，无线信道的信道容量也是一个时变的随机变量，要最大限度地 利用信道容量，只有使发送速率也是一个随信道容量变化的量，也就是使编 码调制方式具有自适应特性。自适应调制和编码( a m c ) 根据信道的情况确 定当前信道的容量，根据容量确定合适的编码调制方式等，以便最大限度地 发送信息，实现比较高的速率。a m c 能提供可变化的调制编码方案( 共七 级调制方案) 以适应每一个用户的信道质量，可提供高速率传输和高的频谱 利用率。解调高阶调制和需要的测量报告功能对l i e ( 用户终端) 提出了更 高的要求。高阶调制另需一些如干扰消除器、更高的调制平衡器等新技术。 自适应编码调制技术主要包括r c p t ( r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r i n g t u r b oc o d e s ) 和高阶调制( m s p k & m q a m ) 的结合、h a r q 和m i m o 等。面临的技术 挑战是a m c 对测量误差和时延比较敏感。 五联合检测技术 常用的多用户检测的方法：最大似然检测( m l ) 方法，该方法性能最优， 但计算量太大( 与用户数成指数关系) ；线性检测方法，主要包括解相关方法 和最小均方误差( m m s e ) 方法，计算量与用户数成线性关系；干扰消除法， 它的主要思想是对码元进行递归估计，减去前次估计的码元形成的用户间干 扰( m a d ，提高估计性能。目前多用户检测面临的问题有远近效应、异步问 题、多径效应等。在此基础上人们提出联合检测，即多用户检测，同时使用 均衡技术，以消除符号间干扰和码间干扰。传统的均衡技术需要用户发送训 练序列，在g s m 系统中，大约有2 0 的发送序列用于训练，由于训练序列 的频繁发送，增加了大量的信道开销。盲信道均衡和盲识别技术的研究已经 成为当今通信领域的一个热点。在信道的盲均衡中，用户不用发送训练序列， 接收端通常只知道输出信号及输入信号的一些统计信息。目前已经提出了很 多的盲均衡算法。但是这些算法速度慢而且很难收敛。另外联合接收与天线 分集技术和t u r b o r 码技术结合起来，可以得到更好的接收性能。使用联合检 测技术可以有效地克服传播路径损耗、阴影效应和快衰落现象。 六软件无线电技术 软件无线电的基本思路是研制出一种基本的可编程硬件平台，只要在这 个硬件平上改变相应软件即可形成不同标准的通信设施( 如基站和终端) 。这 哈尔滨工程大学硕士学位论文 样无线通信新体制，新系统、新产品的研制开发将逐步由硬件为主转变为以 软件为主。软件无线电的关键思想是尽可能在靠近天线的部位( 中频，甚至 射频) ，进行宽带a d 和d a 变换，然后用高速数字信号处理器( d s p ) 进 行软件处理，以实现尽可能多的无线通信功能。软件无线电技术受到各界高 度重视，如何用d s p 和软件在公共硬件平台上解决各种不同制式的无线接口 已成为很多公司研究的主要课题。在未来几年内，依靠传统的专用芯片来制 造移动通信无线设备的概念将受到重大冲击。特别是最近几年内，第三代移 动通信技术和标准都还在不断更新，使用软件无线电技术，才可能使产品的 开发跟上技术的发展。 七混合a r q 协议 a r q 即自动请求重发，存在a r q 的通信链路一般都是闭环链路，存在 一个反馈应答信号( a c k & n a c k ) 。目前主要的a r q 技术有选择重传 ( s e l e c t i v er e p e a t ) 和停止等待重传( s t o pa n dw a i t ) 两种。s r 方法由于其 复杂性和对手机容量的要求较高等原因而不作为主要的方案；双( 多) 信道 s a wh - a r q ( h y b r i da r q ) 由于控制开销小、机制简单，对手机容量要求 低和信道利用率高等优点。h - a r q 是一种链路自适应技术，是a r q 和f e c 相结合的纠错方法，与f e c 共同完成无差错传输保护。h a r q - t y p e i 的目的 是使用f e c 处理最常见的一些错误模式，比较少发生的错误模式由错误检测 和a r q 处理。i - i - a r q t y p e i 通常放弃触发a r q 以前接收的数据包； h a r q - t y p e i i 是存储重复发送的包并与这个包的后续传输合并，产生一个更 可靠的包，合并的方式是编码合并和分集合并；h - a r q - t y p e 。i i i 属于一种增 量a r q ，但不同之处在于每一次重传的信息都是可以自编码的。 八时域技术 时域技术的基本出发点是，在一个亚纳秒级的窄脉冲上( 其频域内带宽 超过几个g h z 调制上行业务数据，仅需要非常低的发射功率就可能传输到相 当远的距离，而且抗干扰能力很强，是一种很有应用前景的技术。除了以上 介绍的物理层和链路层技术以外，在网络层，后3 g 还需要有先进的r r m 管 理算法、有效的分组管理算法、快速灵活的接入管理控制等技术以满足未来 移动通信不同的业务需求及其q o s 要求。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3m im 0 信道估计以及空间相干。陛的研究现状 无线移动通信的一个重要方面是对无线信道特性的认识。实际上，移动 信道已成为许多理论分析和现场实测的课题，并已得出许多有关其特性的结 果。其中有些可给出精确的数学描述，另一些则给出统计模型。而对于一个 特定的通信系统，首先必须为其建立恰当的信道模型，这是系统设计的依据。 在建立了正确的信道模型基础上，接收端一般要具有很好的信道估计，才能 使信号检测得以可靠进行。我们认为，由于m i m o 信道相对于s i s o 信道 的复杂性，m i m o 传输系统实现的主要困难之一就是m i m o 信道的估计。 因此，对m i m o 信道进行充分的研究，对设计合理的m i m o 传输方案和 信道估计方案是非常关键的。这方面的研究包括信道模型与容量分析、信道 估计与跟踪。迄今为止，人们已经发展了各种各样的信道估计方法，这些思 想尽管很多是针对非m i m o 情形，但是它们实际上是同样适用于m i m o 信道估计的，所以有必要介绍一下常见的信道估计方案。 非盲信道估计方法：一般可通过设计训练序列或在数据包中插入导频实 现信道估计【j 。可利用简单的最小二乘( l s ：l e a s ts q u a r e ) 估计，还可优化设 计训练序列矢量的正交性、移位正交性来提高信道估计性能，同时显著地降 低计算量。这种方法的缺点在于训练符号的引入明显降低了通信容量，尽管 对于时不变信道来讲，这一损失是很小的，因为它只需训练一次；而在高速 无线通信中，较长的训练序列将占用较大的带宽，例如在某些高频通信中， 用于传输训练序列的时间可以达到整个传输时间的一半，甚至用于蜂窝移动 系统的g s m 系统也有可观的负担。而且由于信道的快速时变，训练的周期 间隔必须较短，因此每次用于信道估计的训练序列将很短，可能只是几十个 码元左右，这样短的训练序列常常不能完成较精确的l s 信道估计。因此近 年来有人提出了直接在信息序列上叠加已知符号的方法来估计信道，可以克 服上述问题，但是这将导致信号峰均功率比的增加，从而给发射机的设计提 出了更高的要求。鉴于上述方法的种种问题，很多人开始把目光投向了盲信 道估计方法。 盲信道估计：要估计信道似乎是不可能的。因为此时没有任何已知的训 练符号可用，那么怎样才能在输入信号和信道均未知的情况下估计信道呢? 哈尔滨工程大学硕士学位论文 盲信道估计的实质是利用信道潜在的结构特征或者是输入信号的特征达到信 道估计的目的。近年来盲估计算法逐步成为研究的热点文献陋l l 】给出了各种 盲估计方法的总结，将各种已有的方法分为基于矩的方法和最大似然( m l ) 方法两大类。前者如子空间方法陋一q 和最优矩方法【1 6 1 ，每一类又包含许多子方 法：后者有确定性最大似然方法胛】和统计最大似然方法 i t i 。尽管盲信道估计 方法克服了非盲方法的不足，但是也带来了其他问题，如计算量太大不能满 足实时无线通信的要求，依赖于一定的可辨识条件等因素。因此，这一类方 法离实用还有一定的差距。 半盲信道估计：这种方法的意图很明显【- 嘲，是要在上述两种方法之间 进行一种权衡，以求更加适合于实际的通信系统。实际上，即使不使用训练 序列，现存的通信系统仍需一些参考序列以实现其它如同步等目的，但是这 些信息要远短于训练序列，如果将这些辅助信息结合到盲信道估计方案中， 可以增强基于非参考接收数据的盲辨识技术。 在以上大部分m i m o 信道的估计技术研究当中，信道模型的建立都过于 理想化，其中各个子信道之间的相关性是一个关键的问题，它对于m i m o 信 道的容量以及m n “o 系统中空时编码的分集增益有着不可忽略的影响 3 0 - j 3 。 对于移动台一方，由于移动台的体积决定了天线阵元之间的距离不可能过大， 由此产生的强相关性给m i m o 系统的通信性能带来的影响很大。当现实条件 决定天线阵列只能小尺度分布时，阵列的形状配置对信道的相关性也有着相 当大的影响，文献 3 1 1 从空时网格码分集增益的角度比较了小尺度分布条件 下的均匀线阵和均匀圆阵的性能优劣。文献【3 2 】从信道容量的角度研究了天 线阵列小尺度分布条件下，天线阵列的设计问题。文献【3 3 】研究了室内环境 的m i m o 天线阵列的设计。 1 4 本文的主要研究内容 本文的研究重点是基于隐训练序列的m i m o 信道估计问题，以及多天线 阵列在小尺度分布条件下如何减小m i m o 各个子信道之间的相关性问题。第 1 章为绪论，说明本文的研究背景和研究意义，概括的介绍了未来移动通信 的几大主流技术以及本课题的研究现状。第2 章概述了无线衰落信道模型， 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 它为第3 章的m i m o 信道估计奠定了理论基础。第3 章主要研究了基于隐训 练序列的m 1 m o 信道估计问题，比较了基于隐训练序列的信道估计方法和传 统估计方法各自的优缺点，并且在已有的三种信道估计方法的基础上，结合 各自的优点，对基于循环叠加序列d f t 的信道估计方案作出了改进，在保持 了此种方法估计精度高的基础上，完全消除了接收端直流偏置对其估计精度 的影响。第4 章研究了多天线阵列小尺度分布条件下m i m o 子信道间的相关 性及其对空间分集增益的影响，在空间电磁波角度谱理论的基础上给出了分 析此问题的统一方法。重点比较了均匀圆阵和均匀线阵在小尺度分布下的性 能，证明了在空间电磁波谱均匀分布的条件下，均匀圆阵性能优于均匀线阵 的结论。最后一章总结了本文所做的工作，并对m i m o 系统未来发展方向进 行了展望。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章空时无线信道模型 通信的目的是信息传输，而任何信息的传输都离不开各种媒质组成的信 道，通信的最大障碍就在于信道对信息传输所带来的各种不利因素。因此， 在通信系统设计中，对信道的深入研究和掌握具有特殊的意义。 毫无疑问，目前最为复杂的通信系统当首推无线移动通信系统。它的复 杂性主要来源于无线移动通信信道的复杂性，以及我们对信道了解的肤浅。 而无线移动信道的复杂性则来自于它的开放传输，它使得多径信号通过不同 的幅度，角度和延时到达接收机，使接收信号电平具有很强的不确定性。另 一方面，开放传输造成的同频干扰使得无线频谱很难重用，使得不可再生的 频谱资源在移动通信用户规模不断膨胀的今天变得及其紧张。在此情况下， 利用多天线实现空分传输，已成为继频分，时分传输手段之后，增加信道容 量的手段。 2 2 衰落和多径的物理模型 陆地移动信道的主要特征是多径传播。传播过程中会遇到很多建筑物， 树木以及起伏的地形，会引起能量的吸收和穿透以及电波的反射，散射和绕 射等，这样，移动信道是充满了反射波的传播环境。到达移动台天线的信号 不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各 个路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接 收端叠加，有时同相叠加而加强，有时反向叠加而减弱。这样，接收信号的 幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由多径引起的，所以称为多径 衰落。 移动信道的多径环境所引起的信号多径衰落，可以从时间和空间两个方 面来描述和测试。从空间角度来看，沿移动台移动方向，接收信号的幅度随 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 着距离变动而衰减。其中，本地反射物所引起的多径效应呈现较快的幅度变 化，其局部均值为随距离增加而起伏的下降的曲线，反映了地形起伏所引起 的衰落以及空间扩散损耗。 从时域角度来看，各个路径的长度不同，因而信号到达的时间就不同。 这样，如从基站发送一个脉冲信号，则接收信号中不仅包含该脉冲，而且还 包含它的各个时延信号。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。扩展的时间可以用第一个到达的信号至最后一个到 达信号之间的时间来测量。 一般来说，模拟移动系统中主要考虑多径效应所引起的接收信号幅度的 变化，而数字移动系统中主要考虑多径效应所引起的脉冲信号的时延扩展。 这是因为，时延扩展将引起码间串扰，严重影响数字信号的传输质量。 如图2 1 所示，多径包括以下视距路径和非视距路径两种： ( 1 ) 视距路径( l o s ，l m e 拼s i g h t ) ：接收机和发射机之间的直接路径。 ( 2 ) 非视距路径( n l o s ，n o n - l m e 柞s i g h t ) ：经过反射到达的路径。 基动台 图2 1l o s 和n l o s 示惹图 具体来看一个例子，图2 - 2 是移动台和基站天线之间的典型链路示意图。 在移动台周围有多种反射体，例如建筑物，山脉，车辆等。而由于基站位于 周围建筑物的上方，因此在基站周围几乎没有反射体。移动台周围的反射体 一般称为散射体。基站和移动台之问的信号经过多条路径传输，每一条路径 都经历了一个或多个反射体，在接收机得到的是所有路径信号的总合。 从图2 - 2 中，我们可以推断出以下结论： ( 1 ) 由于每条路径都是线性的( 也就是满足叠加的要求) ，因此所有的 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 多径信道都是线性的。 ( 2 ) 因为每条路径都有自己的时延，增益和相移，因此所有路径的总和 可以表示为脉冲响应或频率响应。这样，不同载波频率经历不同的增益和相 移。 图2 2 无线传播环境示惫图 ( 3 ) 时延的范围( 即“时延扩展”) 是否对载波的调制产生重要影响取 决于它和调制时间( 大约是带宽的倒数) 的关系。 ( 4 ) 如果移动台的位置发生变化，则每条路径的长度也发生不同数量的 变化。由于路径长度变化一个波长将产生2 石的相移，所以在任何方向上波长 发生很小的变化都将使合成增益和相移发生很大的变化。 ( 5 ) 当移动台在二维平面上移动时，脉冲响应和频率响应随时间发生变 化，因而信道是时变线性滤波器。增益的时间变化特性就称为“衰落”，变化 的最快速率称为“多普勒频率”。 2 3 衰落的数学模型 无线信号都是带通的，而且几乎都是窄带信号。下面，我们分析一下信 道对信号的影响。这部分包括以下三部分： ( 1 ) 静态情况下，建立多径信道对信号复包络影响的数学模型； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 介绍移动信道的主要现象多普勒频移； ( 3 ) 考虑移动台运动的情况下，扩充上述模型； 散粒噪声的统计特性需要从两方面来讨论，一是由入射光子所造成的散 粒噪声，另一是由热量所造成的散粒噪声。在这里假设入射光子撞击阴极的 速率是恒定的。 1 信道对信号复包络的影响( 静态情况下) 传送的带通信号的复包洛可以表示为 s t ( f ) = r e s ( t ) e 2 邪】 ( 2 - 1 ) 式中，正为载频。 信号在多径环境中传送，如图2 3 所示，移动台周围布满散射体，移动 台的速率为v 。 去来 八。i 器r 篙i t 嬲x l 扩却 ) 协z ，= k m ，一书e x 廊p 到) 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 y ( f ) = 叩- j 2 x s z 4r 一鲁1 - 叩哪粕s ( f _ ) ( 2 4 ) 式中，时延t = 钐。式( 2 - 3 ) 就是我们需要的复包络模型。 在某些情况下，不仅有散射路径，还存在从基站到移动台的视距路径 ( l o s ) 。视距路径第一个到达接收端，因为其他路径需要经过更多的间接路 径才能到达接收端。视距路径通常是单个路径中最强的，但不一定比散射路 径的总和强。 2 多普勒频移 当移动台以恒定速率v 在长度为d ，端点为x 和y 的路径上运动时收到 来自远源s 发出的信号，如图2 - 4 所示。 田z1 r 移动台 图2 - 4 多普勒频移示意图 无线电波从源s 出发，在x 点与y 分别被移动台接收时所走的路径差为 t = d c o s s ，= v a t c o s s ，。这里f 是移动台从x 运动到y 所需时间，只是x 运动到y 所需要时间，p 是x 和y 处与入射角的夹角。由于源端距离很远， 可假设x ，y 处的p 是相同的。所以，由路径差造成的接收信号相位变化值 为 伊：_ 2 # a ：丝c o s c o s 谚 ( 2 5 ) 口= 一伊 ( - 5 ) 式中，五为波长。 由此可得出频率变化值，即多普勒频移厶为 啥尔滨工程大学硕士学位论文 力：上竺：兰c o s 谚 ( 2 6 ) 。 2 石f丑 。 式中，与入射角无关，是厶称为最大多普勒频移，厶= 彤。 由式( 2 3 ) 可知，多普勒频移与移动台运动速度以及移动台运动方向与 无线电波如射方向之间的夹角有关。若移动台朝向如射波方向运动，则多普 勒频移为正( 即接收信号频率上升) ；若移动台背向入射波方向运动，则多普 勒频移为负( 即接收信号频率下降) 。信号经不同方向传播，其多径分量造成 接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。 2 4 本章小结 本章详细分析了无线信道的特征和数学模型，分析了无线衰落信道的多 普勒频移，为论文后边章节做了理论上准备。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章基于隐训练序列的m i m 0 信道估计 3 1 引言 对于m i m of i r 时不变信道模型，采用传统的发送训练序列的方法估 计信道，这种方法实际上是二阶方法，运算量相对较大，但是如果训练序列 对整个信道估计过程而言是不变的，那么我们也可以预先求得训练序列矩阵 及其逆矩阵存于接收端用于估计过程；采用该方法的另一个缺点在于由于训 练序列占用了频谱资源，从而降低了信息速率。为了克服训练符号引起的额 外频谱资源开销，很多学者把目光投向了盲信道估计方法。此时，发送端不 需要发送任何已知训练符号，丽仅利用发送的未知信号以及信道的某些特征 来估计出信道信息。盲信道估计方法的好处是显而易见的，但是这类方法有 其致命的缺点：用于信道估计的计算量太大。由于未来的移动通信定位于宽 带高速的要求，因此若不能发展出快速的盲估计算法，是不可能将这类方法 应用于实际的。一般通信过程中都不可避免要发送异于信息符号的额外符号 用于如同步等目的，因此可以利用这些额外符号，并结合到盲估计方法中， 进而发展出半盲估计方法。特别如果这些符号能够用于降低盲估计算法的计 算量，将是一种很好的信道估计方法。如何能够做到既不占用额外的频谱资 源，又不会带来过高的信道估计计算量是近年来很多学者考虑的问题。实际 上，通过在发送信号上叠加( s u p e r i m p o s e ) 己符号来代替训练序列是目前很 多人的一种共识脚训。由于已知符号是叠加在信息符号上，因此并不占用频带 资源。同时人们发现，在接收端，仅需利用接收信号的统计信息就可以估计 出信道。就是说，使用该方法，不仅可以不占用额外频带资源，而且可以降 低而不是增加信道估计的计算量。当然这种方法也有它固有的一些缺点。例 如这种方法的使用依赖于一些前提条件，如信号、噪声均值的不变性，可利 用的接收符号足够多( 从而意味着要在较长时间内认为信道是非时变的) ；由 于在发送信号上叠加了额外的符号，导致发送信号峰均功率比的增加，这将 导致发射机功放效率的降低。除此而外，由于发射机的功率有一部分要分配 给叠加在信息上的训练序列，所以这将导致接收端信噪比的降低。以上的缺 哈尔滨工程大学硕士学位论文 点是可以通过一定的训练序列设计技术缓解甚至克服的。总之，基于叠加训 练序列的信道估计方法对于未来有广泛的应用前景。 3 2 m 0 信道模型及传统估计方法介绍 不。 假设一个有f 个发射天线和 r ，个接收天线的多天线通信系统如下图所 图3 1m i m o 通信系统模型 第f 个发射天线上的信息序列为j 。( 柞) ，定义s ( 珂) = i s 。( ，1 ) ，j 。( 以) 】7 ，从第 f 个发射天线到第个接收天线的频率选择性信道可以被建模为一个f i r 滤 波器 。= 【 ( o ) ， ( 工一1 ) r ，其中为信道最大阶数，则第，个接收天线上的 等效基带接收信号为 f ( 功( 厅)1 y j ( 疗) = 醵l ； i + + 而孟i ； l + 叼( 甩) ( 3 1 ) l j l ( 珂一三+ 1 ) jl 占，( 疗一工+ 1 ) j 其中，w ，(