（通信与信息系统专业论文）多用户mimo系统线性预编码及天线选择技术的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕七学位论文 摘要 m i m o 技术作为提高数据传输率的重要手段受到了人们的广泛关注，该 技术己成为未来新一代移动通信( 4 g ) 的备选关键技术之一。预编码和天线选 择是m i m o 技术中的两个核心问题。在多用户m i m o 下行链路系统中，由 于各个接收用户间地理位置的差异，不能通过采用多用户检测技术避免各用 户问的干扰。因此，预编码技术是解决无线多用户m i m o 系统中多用户干扰 的主要方法，同时还可以降低接收机实现的复杂度；天线选择能从m i m o 系 统基站的多个发射天线中选择出性能最好的天线子集进行发射，或者从 m i m o 系统的接收端用户的多个接收天线中选择出性能最好的一根或几根天 线进行接收。通过减少接收终端中的天线数目，解决在个人移动终端中因天 线数量过多造成的接收机过于复杂的问题，从而以很小的性能损失换取成本 的大幅降低。因此，通过预编码技术和天线选择技术可以解决m i m o 系统中 的一些关键问题并提高m i m o 系统的性价比，因此这两种技术成为无线通信 领域的研究热点。 本文首先建立了瑞利平坦衰落信道下和外界干扰为高斯白噪声的环境下 的m i m o 系统模型；然后，在该系统下，对迫零预编码( z f ) 、最小均方误 差预编码( m m s e ) 、信干噪比预编码( s n r ) 和信漏噪比预编码( s n 恨) 四种线性预编码算法的应用进行了综述和仿真研究，并对基于信漏噪比的预 编码方案进行了改进；最后，对多用户m i m o 下行链路系统中比较典型的信 道矩阵块对角化线性预编码( b d ) 进行了研究，并分析了已有经典的天线选 择算法，基于对已有算法的理解和总结，提出了一种新的天线选择算法和对 次优天线选择算法的改进，考虑在接收端进行用户天线选择，增加系统的空 间自由度或降低用户接收机的硬件复杂度。 关键词：m i m o ；多用户系统；线性预编码；天线选择 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t a s 卸ni m p o r t a n ta p p r o a c ho fi n c r e a s i n gd a t et r a n s m i s s i o nr a t e m i m o t e c h n o l o g yi sb e i n gg o t t e nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ，a n di th a sb e e nb e c a m eo n e o fc a n d i d a c yk e yt e c h n o l o g i e st h a tc a nb eu s e di nt h en e x tn e w g e n e r a t i o n ( 4 g ) o f m o b i l ec e l l u l a rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s p r e c o d i n ga n da n t e n n as e l e c t i o na l et w o c o r ei s s u e si nm i m o t e c h n o l o g y i nm u l t i u s e rm i m od o w n l i n ks y s t e m s ，b e c a m e o ft h ed i f f e r e n tp o s i t i o n sa m o n go fe v e r yr e c e i v i n gu s e r s ，m u l t i u s e rd e t e c t i o n t e c h n o l o g yc a nn o tb ea d o p t e dt oa v o i dt h ei n t e r f e r e n c ea m o n go ft h ed i f f e r e n t l a s e r s t h e r e f o r e ，p r e c o d i n g b e c o m e sm a i nm e t h o dw h i c hc a nr e s o l v e i n t e r f e r e n c ei nw i r e l e s sm u l t i u s e rm i m os y s t e m s ，a n di tc a l ld e c r e a s et h e c o m p l e x i t yo fr e c e i v e r s ；a n t e n n as e l e c t i o nc a np i c ko u tt h em o s ts u i t a b l es e to f t h ea n t e n n a sf r o mm a n ys e n d i n ga n t e n n a si nb a s e ds i t u a t i o no ft h em i m os y s t e m t os e n d o ri tc h o o s e so n eo rm o r er e c e i v i n ga n t e n n a sw h i c hh a v eb e s t p e r f o r m a n c et or e c e i v ef r o mt h er e c e i v i n gu s e r si nm i m os y s t e m i tr e s o l v e st h e p r o b l e mt h a tt h er e c e i v e ri st o oc o m p l e xb e c a u s et h en u m b e ro fa n t e n n ai se x c e s s b yd e c l i n et h ea n t e n n an u m b e ri nr e c e i v i n gt e r m i n a l ，s oi tc a nr e d u c ec o s t c o n s i d e r a b l ya n dl o s sl e s s e rp e r f o r m a n c e b e c a u s ei tc a l lr e s o l v es o m ep r o b l e m s a n di m p r o v ep e r f o r m a n c el o s si nm i m os y s t e m s p r e c o d i n ga n da n t e n n a s e l e c t i o nh a v eb e c o m et h er e s e a r c hf o c u si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nf i e l d i nt h i sp a p e r , f i r s t l y ，i tb u i l d sm i m os y s t e mm o d eu n d e rt h ec a s eo f r a y l e i g h f l a tf a d i n gc h a n n e la n dw h i t en o i s e s e c o n d l y , i tr e s e a r c h e sa n ds i m u l a t e sf o u r l i n e a rp r e - c o d i n ga l g o r i t h m ，z f , m m s e ，s i n ra n ds l n r a tt h es a m et i m e ， p r e - c o d i n gs c h e m e sw h i c hb a s e do nl e a k a g en o i s er a t i oh a sb e e ni m p r o v e d f i n a l l y , at y p i c a lc h a n n e ll i n e a rm a t r i xb l o c kd i a g o n a l i z a b l ep r e c o d i n g ( b d ) i n m u l t i - u s e rm i m od o w n l i n ks y s t e mw a ss t u d i e d d i f f e r e n ts u b b l o c kp r e c o d i n g s c h e m e sw e r es i m u l a t e d ，a n de x i s t i n gc l a s s i ca n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h m sw e r e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a n a l y z e d a n e wa n t e n n as e l e c t i o n a l g o r i t h m w a s p r o p o s e db a s i n g o n u n d e r s t a n d i n ga n ds u m m a r i z i n go fe x i s t i n go n e s i tw a sc o n s i d e r e di nt h en e w a l g o r i t h mt h a tc h o o s i n gt h ea n t e n n a so fu s e r si nr e c e i v i n ge n d ，w h i c hi n c r e a s e d d e g r e e o f - f r e e d o mo fs y s t e ma n dr e d u c er e c e i v e rh a r d w a r ec o m p l e x i t y k e y w o r d s ：m i m o ；m u l t i u s e rs y s t e m ；l i n e a rp r e - c o d i n g ；a n t e n n as e l e c t i o 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。除文中己注明引用的内容外，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，均己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) ：刹加；工 日期：私斫年多月1 1 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔 滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论 文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的 论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待 解密后适用本声咏 本论文( 留在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 1 i 作者( - 签- t ) ：刹t 朋红 导师( 签字) ：套鸿体 日期：为岬年弓月f 旧夕o p 歹年歹月l ，日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1m i m o 技术简介和研究现状 上世纪八十年代以来，移动通信系统经过了第一代模拟移动通信系统、 第二代数字移动通信系统到今天的第三代移动通信系统，移动通信在全球取 得了巨大的发展。随着移动通信日益广泛的应用，人们对无线通信服务需求 也在增长，需要提供更高传输速率和更高传输质量的服务。在这种背景下， b e l l 实验室之于上个世纪九十年代后期提出了一种新的通信系统结构，即 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 ) 通信系统。 传统无线通信系统采用一副发射天线和一副接收天线，称作s i s o 系统。 s i s o 系统在信道容量上具有一个不可突破的瓶颈香农容量限制口1 。但是， 从无线移动通信发展的过程来看，如果要满足更多的业务要求和用户数量， 就必须不断地提高系统容量，一种有效的方法就是利用近几年出现的多天线 技术，这种多天线技术就是m i m o 系统，根据理论证明可知它对系统的容量 有很大的提高。因此，从传统单天线系统向多天线系统演进是无线通信发展 的必然趋势。 m i m o 是多输入多输出的简称，简单的定义就是在通信系统的发送端和 接收端分别装有多个天线。基于发射分集的多进单出m i s o 方式和基于接收 分集的单进多出s i m o 方式也是m i m o 系统的一部分。m i m o 系统可以获得 比单发单收系统更高的容量，这是m i m o 系统一个很重要的特点。f o s c h i n i 等拍1 和t e l 划1 已经证明，m i m o 系统的信道容量随着发射天线数的增加呈近 似线性的增长趋势，这为m i m o 通信方式在移动通信中的应用提供了坚实的 理论基础，已成为未来第四代移动通信中最有发展前景的技术之一。 m i m o 无线通信技术是天线分集与空时处理喁q 哪技术相结合的产物，它源 于天线分集与智能天线技术，具有二者的优越性，属于广义的智能天线的范 哈尔滨工程大学硕士学位论文 畴。m i m o 技术最先提出的系统模型是单用户通信传输模式，这种传输模式 是形成的是点对点通信链路，并且每根天线进行独立的调制和解调1 ，实验 研究已经证明，一个处于丰富散射环境中的单用户m i m o 系统，其容量随着 幽( m ，n r ) 成线性增长，其中m 和，分别表示发射端和接收端的天线数目。 所以这样一个m i m o 系统就使得带宽利用率上升，随之功率也大幅度增加， 而产生的干扰信道是所有成对儿的发射和接收天线之间的射频链路。随着研 究的深入和实用化，近几年m i m o 系统模型被推广为多用户系统，分别是“分 布式的发射机和中心接收机系统 ，也称为接入信道( m a c ) 系统和“中心发射 和分布式接收m i m o 系统，也称为m i m o 广播信道( b c ) 。前者是针对无线 通信系统的上行方向；后者是针对下行方向，任何数目的多用户通信系统就 是一个典型的例子，基站是发射机，移动用户是接收机，即其通信信道的终 端不是集中在同一地点发生，而是分布在天线所覆盖范围的任何地方，所以 各接收机不能相互协作处理信号。单用户、多接入信道和广播信道最关键的 一点区别是：单用户信道需要发射机、接收机以及各发射机和接收机之间的 完全协作；多接入信道需要接收机之间的相互协作；雨广播信道仅仅需要发 射机之间的相互协作。 早在1 9 0 8 年马可尼就提出用m i m o 方式来抵抗无线信道的衰落n 习。1 9 9 5 年t e l a t a r 推导出多天线高斯信道容量，1 9 9 6 年f o s c h i n i 提出b l a s t 算法， 1 9 9 8 年t a r o k h 等提出空时编码，m i m o 无线通信技术的研究如雨后春笋般 涌现。目前，国际上很多科研院校与商业机构都争相对m i m o 通信技术进行 深入研究，其研究现状如下： 1 ) m i m o 算法开发 m i m o 技术能够极大地提高系统容量与可靠性，但仅有分析是不够的， 为了实现m i m o 系统的容量增长，人们研究了许多m i m o 空时信号处理技 术，一般可分为两类：空时码和空间复用。前者包括空时格码( s t t c ) 和空时 分组码( s t b c ) ，后者的最好例子是垂直分层空时码v - b l a s t 体系结构，也 称为分层空时码，这两种技术有不同的发展背景和不同的发展动因。前者追 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 求分集最大化，提高无线链路的可靠性。而后者追求数据率最大化方案，即 复用方案。 然而，单纯的天线分集与单纯的复用方案并不是最优方案，因为m i m o 系统本身的自由度在给定天线配置下是有限的，它们各自都只解决了问题的 一个方面，即获取更高的分集增益是以牺牲复用增益为代价的，反之亦然。 于是，如何对二者进行折中以同时获得最佳的分集与复用增益叫成为人们追 求的目标。 2 ) m i m o 无线信道建模 m m o 系统利用信道的多径传播建立空间并行矩阵传输通道，利用空时 二维的联合处理手段来提高无线通信系统的容量与可靠性。研究表明，只有 在无线信道散射传播的多径分量足够丰富的条件下，各对收发天线单元间的 多径衰落才趋于独立，信道矩阵才趋于满秩；如果散射不够丰富或天线单元 间距较小等，多径衰落将不完全独立，信道矩阵也非满秩，m i m o 信道的空 间优势就得不到充分的发挥，m i m o 系统传输方案的性能将下降。为此需开 发更加稳健的空时处理算法，如空时编解码、空时均衡算法；同时需开发 m i m o 无线信道模型以模拟各种实际信道条件、评估各种空时处理算法的相 对性能、仿真与优化设计高性能的通信系统。 3 ) m i m o 天线设计 收发天线是m i m o 系统的重要组成部分，性能好坏直接影响一m i m o 信 道的性能。多根发射天线发出的信号在无线信道中经散射传播而混合在一起， 再经收端多天线接收后，系统通过空时处理手段分离并恢复出发射数据，其 性能取决于各天线的相关性，而多天线间的相关性与散射传播及天线特性密 切相关。因此，实现m i m o 系统的高性能还依赖于多天线单元的合理设计。 4 ) m i m o 测试平台搭建与m i m o 芯片开发 9 8 年贝尔实验室开创性的实验验证了v b l a s t 的可行性，促使人们开 发m i m o 测试平台进行信道测试。开发测试平台进行现场测试对于m i m o 通信技术迈向实用化具有重要意义。先进的多天线系统测试平台，不但可以 哈尔滨工程大学硕十学位论文 探测各种传播环境下的m i m o 信道特征，验证信号处理算法性能，而且有助 于评估算法实时实现的可行性。国外很多研究机构纷纷进行实验平台开发与 外场测试，并有大量实验结果发表，它们极大地促进了m i m o 技术的发展。 诸多无线产品厂商提出各种以m i m o 技术为基础的解决方案，并且进行 m i m o 芯片的开发。目前，一些设备制造商已将芯片用于自己的m i m o 产品。 总之，全球的m i m o 芯片市场日益壮大，为m i m o 技术的商用打下了坚实 的基础。 5 ) m i m o 技术的标准化进展 随着m i m o 技术日趋成熟，国际上很多研究机构已不断推动m i m o 技 术的标准化进程。 1 2 预编码简介 在点对多点的广播信道中，由于各用户在地理位置上的差异，不能协同 接收，当各用户间的接收信号存在相互干扰时，也不能采用多用户检测的方 法来避免干扰。因此在解决无线多用户m i m o 广播信道多用户干扰问题的主 要方法是采用预编码技术。 m i m o 广播信道预编码技术是在2 0 世纪末2 l 世纪初提出的，1 9 9 8 年， t a s t e 等人提出了无波达估计的预均衡无线广播信道模型。1 9 9 9 年， w u t s c h i c k 等人提出了基于空间矩阵f d d 移动通信系统下行链路的预均衡算 法。2 0 0 0 年，r l c h o 辟人提出了基站传输分集的c d m a p r e r a k e 分集系统； 2 0 0 2 年，r f h f i s c h e r 等人提出了采用非线性t o m l i n s o n h a r a s h i m a 预编码 ( t h p ) i j 勺广播信道。对无线多用户m i m o 广播信道的预编码技术研究，是解决 把m i m o 技术应用于新一代蜂窝系统或无线局域网的关键问题，具有重大的 研究价值。近年来，由于简化接收机设计和避免接收端固有噪声增强的特点， m i m o 预编码技术在m i m o 领域的研究受到了空前的关注。 传统的均衡方式是在接收端进行均衡滤波，其目的是去除由于信道产生 4 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 的失真最小化噪声的影响。传统的接收端滤波器有以下几种：接收匹配滤波 器( r x m f ，也称为r a k e 接收机哪) 、接收迫零滤波器( i 权z f 【1 5 1 ) 和接收维纳 滤波器( r x w f ，也称为最小均方误差滤波器) 。由于信道均衡和自适应均衡需 要在接收端进行，这样就使得接收滤波器设计复杂度增加。以无线通信系统 为例来简单说明一下这个问题，基于上行信道，基站作为接收机，接收处理 过程是具有一定优势的，因为复杂性的增加只是在固定的基站内部增加设备 或者是技术上的改进，而不会影响用户移动电话的移动性；可是如果从下行 信道的角度看，个人移动电话是接收机，如果增加移动电话的复杂程度是可 以达到目的，可是对于当今的人们追求移动电话携带更方便的来说，增加设 备和增大移动电话的体积都是不明智的选择。那么在受硬件水平受发展的今 天，使用接收滤波器就会导致上述情况的发生，移动电话设计复杂程度的增 加。所以学者们就想到当处于下行信道中，仍旧只是增加基站的复杂程度， 也就是是否可以在发射端增加均衡滤波器，这样就不会影响移动电话的复杂 程度的变化，使之依旧便携，这样就产生了预编码技术。所以说预编码技术 最主要的优点就是简化接收端( 移动电话) 。预编码意味着所有的方法都应 用在发射端，并适合接收机的检测判决。与检测方法相反的是：c s i 需要在 发射端己知，而在接收端就不需要知道了。因为时分复用( t d d ) 系统的上下 行信道占用同一频率带宽，所以在t d d 系统中发射端知道c s i 是可行的， 于是t d d 系统中上下行信道的资源是共享的，在这种情况下，h e n r y 最早提 出了在下行平坦衰落信道中采用线性预编码技术技术q ，上下行信道的将采 用同一参数。在频分复用( f d d ) 系统中，上下行信道采用不同频段，因此两 个链路的信道参数将有所不同，c s i 获得就相对复杂，那么解决获得c s i 的 问题将由搭建信道特性变化慢、频率独立的信道模型解决，在f d d 系统中从 接收端到发射端的信息反馈是必须的。 目前，国内外对无线多用户m i m o 广播信道的预编码技术进行了积极的 研究。预编码的方法分为两大类，类是线性预均衡的方法，另一类是非线 性预编码方法。典型的线性预均衡方法包括基于迫零准则和最小均方误差 5 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 ( m m s e ) 准则的方案。典型的非线性预编码方法包括：t o m l i n s o n h a r a s h i m a 预编码( t h p ) 、基于格译码的矢量预编码和基于格约减辅助的矢量预编码。 其中线性预编码( 1 i n e a rp r e c e d i n g ) 能将一端的信号与另一端的信道最优地匹 配起来，则使得在不同模式下发射信号将不存在干扰。另一方面它采用自适 应功率分配，这将充分地利用信道资源，提高频带利用率。本文主要对m i m o 系统下的线性预编码算法进行研究。 1 3 天线选择简介 m i m o 系统的缺点极大地限制了m i m o 在移动通信系统中的大规模使 用，尤其是成本过高与天线的数量和间距等问题，这是m i m o 技术推广的 关键性难题，不解决它们，就无法使m i m o 技术真正走向实用化。 新技术的不断涌现为目前m i m o 系统的问题提供了解决之道，天线选择 就是一项很有前景的技术，是解决上述问题的一种新方法，它在一定程度上 解决了硬件的复杂性问题町。由于与射频部分相比，天线振子成本很低，因 此可以采用这种选择发射接收天线的方法用相对较少的收发射频链路支持 较多的天线，从而使m i m o 系统不再完全受射频成本的限制。 1 9 9 5 年，t e l a t a r 研究了多天线的应用训，并推导了信道容量公式和容量 的计算问题。1 9 9 8 年，f o s c h i n i 在发射机未知而接收机已知信道状态的条件 下推导了m i m o 信道容量的公式拉川，这些工作为研究天线选择奠定了理论基 础。国外学者对天线选择的研究也正是从这个时候开始。但这时的研究比较 少，成果也并不多。从2 0 0 0 年开始，天线选择技术随着m i m o 技术的发展 也迅速发展起来。有关的研究问题主要涉及到两个方面：是天线选择对系 统容量的影响，二是天线选择对m i m o 系统传输性能的影响。此时发表的论 文很多，有接收端和发射端的天线选择，还有相关信道和非相关信道等等。 1 9 9 8 年，t a r o k h 提出了空时格码技术，推动了空时编码技术的研究，因此有 些文献把天线选择与空时编码相结合，这对于增大m i m o 系统容量和提高系 6 哈尔滨工程大学硕十学能论文 统误码性能都有很大的意义。 天线选择在单输入多输出( s i m o ) 系统中已经得到了应用，其主要目的是 为了减小信号处理的复杂度，而选取天线的准则一般是功率最大亦即信噪比 最大的准则牡。这一准则也被用到了m i m o 系统中的天线选择陇1 ，此时一般 称为范数最大准则( 即矢量信道的总功率最大) ，基于该准则的算法在某些 情况下性能是较好的，如采用正交空时分组码时的天线选择胆3 洲，但在很多 情况下其性能往往不是很好2 引，因此有必要研究针对m i m o 结构的天线选择 算法。 现有的m i m o 天线选择算法大致可分为两类，一类以信道容量最大为准 则，如文献泌2 7 1 ，其中文献【2 6 】是最早进行这方面研究的。目前国内外学者一 般也都采用信道容量最大准则来选择天线，因此天线选择算法大多数都是以 容量最大化作为评估准则的。还有一类是从误码率，以及天线选择的功率分 配问题等方面进行研究的。总而言之，天线选择技术已经成为m i m o 中的一 个新的研究领域。 1 4 本文的主要工作和内容安排 基于对以上背景和研究现状的分析，选择了本文的研究课题。本文围绕 多用户m i m o 系统线性预编码技术进行了研究。在这一过程中，采用理论分 析和计算机仿真相结合的方法，验证理论的正确性和实践的可行性。论文主 要进行的研究工作结构安排如下： 第l 章：绪论。主要介绍了m i m o 的研究现状和背景，提出了m i m o 现存的问题。接下来引入了预编码技术和天线选择技术，介绍了预编码技术 和天线选择的必要性和发展现状，说明了选题的意义。 第2 章：主要介绍了m i m o 的一些关键技术和基础知识，包括m i m o 系统模型的建立，分集技术，m i m o 的信道容量及其天线选择的影响，空时 分组码与天线选择的结合等等，为论文后续章节的展开奠定了基础。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章：对m i m o 系统，首先对多用户下行链路预编码进行了介绍。然 后在此系统中，发射端采用空时分组码，对迫零( z f ) 预编码、最小均方误 差预编码( m m s e ) 、信干噪比预编码( s i n r ) 和信漏噪比预编码( s l n r ) 四种线性预编码算法的应用进行了综述和仿真研究，并对信漏噪比预编码的 方案进行了改进。 第4 章：本章对块对角化预编码及天线选择技术进行了研究。首先对块 对角化预编码方案及可实现的空间自由度和容量进行了分析，并分析了已有 经典的天线选择算法，基于对已有算法的理解和总结，提出了一种新的天线 选择算法和对次优天线选择算法的改进，在接收端进行用户天线选择，增加 系统的空间自由度或降低用户接收机的硬件复杂度。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章m i m o 及其相关技术概述 m i m o 虽然是一种新兴的技术，但其是在众多已经比较成熟的技术上发 展起来的，本章重点概述了几种m i m o 相关技术。 2 1m i m o 系统模型 典型的m i m 0 系统可以分为单用户( 点对点) m i m o 通信系统和多用户 ( 点对多点) m i m o 通信系统。其中，根据上下行链路来分，多用户m i m o 通信系统又可以分为多址通信系统( 上行多用户系统) 和广播通信系统( 下 行多用户系统) ，本文主要对下行多用户m i m o 系统进行研究。 1 ) 单用户m i m o 通信系统 在平坦衰落即非频率选择性衰落条件下，发射端和接收端均采用阵列天 线，假设发射端有f 根天线，接收端有，根天线，这样就构成了一个( f ，n ，) 的无线m i m o 系统。 图2 。l 和图2 2 给出了采用多根发射天线和多根接收天线来增加数据率 的通信系统的一般结构。首先，数据被编码和交织，在编码数据的情况下， 必须采用交织器，以便确保编码比特或符号各自独立衰落。然后，对m 个符 号块进行串并变换，每个符号馈送给r 个相同调制器中的一个，而且每个 调制器连接到一个空间上隔开的天线。这样，f 个符号并行传输，并通过， 个空间上隔开的接收天线进行接收。 串并 交换器 图2 1m i m o 系统的发射端结构 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 并串 检测器 交换器 图2 2m i m o 系统的接收端结构 在，时刻，输入信号经过发射端的信号处理单元编码为对于t 根发射天 线的r 个码元_ ( ，) ，x 2 ( f ) ，x ( t ) 。此时，可以将第，根接收天线在，时刻 的接收信号y ，( f ) ，= 1 , 2 ，n ，定义为： 旦 y j ( f ) = h i , ( f ) 工，( f ) + 以) ，= l ，n ， ( 2 1 ) t = l 其中，x i ( f ) 是t 时刻第i 根天线的发射信号，n j ( t ) 是f 时刻的均值为0 ， 方差为1 的加性高斯白噪声，办，；( f ) 是f 时刻第i 根发射天线与第歹根接收天 线之间的衰落因子。图2 3 是m i m o 系统的信道结构模型： t x r 1 ， j ， l 一j m 奶 - - - - 卜 + y 幽2 3 典型m l m o 系统的信道结构模型 从式( 2 。1 ) 可以进一步得到其矩阵形式： y = h x + n ( 2 2 ) 式中，y = 阢，咒，y u 】r 是，l 维接收信号矢量，h 是，f 维的信道矩 阵，其元素为h f l ，信号矢量x = 【而，x 2 ，h 】为从m 根发射天线发射的fx l 维数据矢量，n = 【玎。， 1 2 ，】7 为接收端的n ，x l 维噪声矢量。 关于信号模型( 2 1 ) 和( 2 2 ) ，有以下假设： l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i ) 信道衰落为平坦衰落或准静态信道，信道矩阵为复高斯随机矩阵，其 元素是均值为0 ，方差为l 的独立同分布的复高斯随机变量。 i i ) 信号矢量x 的各个元素x j ( 1 ，m ) 为零均值，方差为f 2 的互不相关的 随机变量。假设x 的总功率为p ，则x 的自相关矩阵为： e 双打 = 6 2 i n t = 万pi ， ( 2 3 ) i i i ) 噪声矢量i l l 代表均值为零的复高斯加性白噪声，其自相关矩阵为： e n n 日 = c r 2 i ， ( 2 4 ) i v ) ，个符号从f 根不同的天线同时发射出去。 2 ) 多用户m i m o 通信系统 多用户m i m o 无线通信系统模型口钉如图2 4 所示。 本文主要研究下行链路，假设系统由一个基站和地理位置分散的k 个移 动用户构成，其中基站端有m 个天线，移动用户k 的天线数为m 。基站向所 有移动用户传送数据。用户七的信道矩阵为h 。，维数为七m ，其元素为 独立的零均值、单位方差的复高斯随机变量。h 。的第( f ，) 个元素为基站的 第，个天线到用户后的第f 个接收天线间的复衰落系数。移动用户七接收到的 信号为 n ?n 。 。 y = h 女x f + = h t x t + h i x f + i i t ( 2 5 ) i = l i = 1 f ；哦 由此也可以清楚地看出，h 。瓦为接收端实际要接收到的信号，而 h 。x 。则为发送给其它用户的信号对第七个用户产生的干扰项。i l l 。为 i = 1 j 七 m 1 维矢量，是第七个用户m 个接收天线上的加性高斯白噪声，其中矢量 中的各元素均是独立同分布方差为蠢的复高斯随机变量。 哈尔滨【程大学硕士学位论文 t x 2 2 分集技术 i 蔓二：j ： ? ：一i - - _ _ - 。，r ， l l - r 夕i i r x r 一 n l 移动用户1 卜厂r x1 岛， = - ip n 2 移动用户2 n k 移动用户k 图2 4 多用户m i m o 系统模型 移动通信网中如何保证信号传输链路的可靠性，是一项重要指标。为了 达到这目的，可以通过多种技术来实现，从影响接收端信号功率的三个主 要因素来分析：第一，自由空间的传播损耗和弥散，这可通过加大发射机功 率来改善；第二，地形起伏、建筑物及障碍物的遮挡引起的阴影衰落，这可 通过“宏分集”技术来改善；第三，在传输路径中各种物体产生的直射波、 反射波和散射波的相互影响，即多径衰落，以及多普勒频移产生的损耗，这 可通过“微分集”技术来改善。从以上的分析可以看出，分集技术对改善无 线传输链路的性能可以起到很大的作用。 分集技术是指通过查找和利用自然界无线传播环境中独立的( 至少是高 度不相关的) 多径信号来实现p q 。无线通信中广泛使用分集技术来减少多径 衰落的影响，分集技术能够在不增加发射功率或者不牺牲信道带宽的情况下 提高传输性能，分集的基本思想是：如果要利用信号的两个或者两个以上独 立样本，那么这些样本将以不相关的模式衰落，利用较强的信号样本来补偿 深度衰落的信号样本。无线通信系统的分集技术包括：时间分集、频率分集 和空间分集。 时间分集：在不同的时隙上发送相同的信息实现的，接收机接收不相干 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的衰落信号副本。所需条件是：最小时间间隔要大于或者等于信道的相干时 间。时分多址( t d m a ) 系统中采用的主要技术就是时间分集。 频率分集：在不同的频率发射相同的信息。发射频率的间隔必须足够的 大，需要的是发射频率的间隔是信道相干带宽的几倍以上，这样才能保证每 个频率的衰落是独立非相关的，所以需要很大的带宽。 空间分集：在发射端和接收端采用空间上分开排列的多个天线或者天线 阵列来实现的，所以也称为天线分集，是无线微波通信中的一项常用技术。 空间分集是将天线在物理空间上分开一定距离，使得各个天线接收和发射的 信号互不相关。天线的间隔随着实际天线的高度、角度、传播环境和频率等 参数的不同而不同，一般情况间隔几个信号的波长就能获得不相关的信号， 各接收信号副本之间不相关或者相关度越低，分集效果越好。与时间分集和 频率分集不同的是，空间分集不会损失带宽利用率。m i m o 就是空间分集的 代表技术，根据发射端和接收端是否采用多天线，可以把空间分集分为发射 分集和接收分集。发射分集是在发射端采用多根天线，信号经过处理后通过 多根天线发射出去。接收分集是在接收端采用多天线接收发射信号的独立副 本。有关发射分集和接收分集将在下两个小节详细介绍。 2 2 1 接收分集 接收分集，这里采用一个例子来说明接收分集技术在克服多径衰落中的 作用。假设接收分集发射天线数为t = 1 ，接收天线数为，发射信号采用 b p s k 调制方式，由，个独立同分布( i i d ) 的瑞利衰落信道接收，在接收端 使用最大合并比( m r c ) 方式合并每个副本。设歹= e 【儿】是第k 个信道上的每 比特平均信噪l l ( s n r ) 值，对于i i d 信道来说，歹= 冗，经过m r c 处理后的 每比特平均s n r 值是m 尹，其平均误比特率由参考文献 3 1 】给出： 张，世一辱雅r 嗽+ 辱玎 陋6 ， 当死足够大( 大于1 0 d b ) 时，式( 2 6 ) 的差错概率近似为： 特( 2 2 1 可以看出随着接收端天线数的增加，系统的差错率成下降趋势，衰落信 道下的b e r 性能得到改善。 2 2 2 发射分集 在目前的蜂窝移动通信系统中，对下行信道而言如果要在移动体采用接 收分集，就意味着在较小的便携移动体上安装两根以上的天线和需要更大的 处理功率，这对强调移动性和功率受限的移动体上实现是有一定难度的。所 以对于下行信道来说，在基站采用发射分集是很好的解决办法。在基站安装 多根天线，简化了接收机系统的结构，降低功耗和成本。而且，发射分集可 以和接收分集结合使用，进一步提高系统性能。发射分集分为有反馈的发射 分集系统和无反馈发射分集，两者的区别就是前者依赖发射极端的信道信息， 该信息需要通过反馈信道来获取，而对于后者，发射机不需要信道的任何信 息p 2 1 。仍然通过一个例子来说明发射分集的性能。 对于无反馈的发射分集，接收天线，为1 ，发射天线数设为f ，基于瑞 利i i d 衰落信道，采用b p s k 调制方式的平均误比特率表示为： 驰啪，一岳膊即七1 般必+ 辱玎 p 8 ， 其中 弘最( 2 - 9 ) 当每个分集信道上平均s n r 比较高时，式( 2 9 ) 可以近似表示为： 1 4 哈尔滨 _ 程大学硕七学位论文 僻( 2 笛1 ) 仁聊 可以看出，发射分集可以达到和接收分集一样的效果，可以改善系统性 能，从常理来看天线数越多，系统的设计越复杂，而性能的变化却不是很大， 所以通过实验可以下一个简单的结论：采用4 根发射天线是最佳的选择，当 分集数很大的时候，衰落信道趋向于a w g n 信道。 2 3m i m o 系统的容量分析 2 3 1m i m o 系统容量的基本结论 对于传统的s i s o g 统，由香农公式，得到容量可由下式表示： c s t s o ：l o g ：【1 + p h i 2 ) ( 2 - 1 1 ) 其中h 是一个固定无线链路的归一化复数增益，p 是在接收天线端的信噪比 s n r 。如果在接收端用，根天线，就可以得出单输入多输出s i m o 系统的容 量为： 咖：( ，+ p 新2 ) p 其中红是接收天线i 的增益。从上式可以看出，如果增大，也就是增加接 收天线的个数，容量c 会相应增长，以对数速度增长。 同样道理，对于m i s o g 统，如果在发射端采用，根天线，这里先假设 发射端不知道c s i ，而采用等功率发射，且总功率保持恒定，那么就可以得 , “, m i s o 系统的容量： c 脚= - o g ：( 1 + 旦n t , f f i l2 ) p 下面考虑在发射端和接收端同时采用多根天线，也就是m i m o 系统的容 哈尔滨工稗大学硕士学何论文 量。假设，根发射天线等功率发射，根接收天线，可以得出m i m o 系统 的理论容量： 礼g ： d e t ( ”爱删h ) p h 是， r ，的信道传输矩阵。理论可以证明，上式所代表的容量是随着 m i n ( n ，n ，) 呈线性增长的。考虑到对数函数和线性函数的增长特性，m i m o 系统与s i m o ，m i s o 和s i s o 系统相比，容量有了很大的提高。 得出m i m o 系统的理论容量公式是有条件的。首先，假设m i m o 工作的 信道是准静态瑞利平坦衰落，也就是说，在每一帧内信道是保持固定不变的， 而帧与帧之间信道可以随机变化。其次，这里讨论容量的问题，是假设在单 用户的前提下，很多结论对于多用户也是同样适用的。最后，系统容量的线 性增长只是在特定的信道状况下才能实现，就是在独立同分布的平坦瑞利衰 落信道下，才能实现理论的容量，并不是对于所有的信道容量都是适用的， 如果h 有比较强的相关性，那么m i m o 系统的传输机制将被破坏，将无法进 行高容量的传输。 2 3 2m i m o 系统容量的信息论分析 前面已经提出，m i m o ( l ，n ，) 系统简单的输入输出模型为： y = h x + n ( 2 - 1 5 ) 由线性代数可知，对于任何一个矩阵都可以进行特征值分解，因此h c ，。， 矩阵可以分解为： h = u a v ，u c ，”，v c n , 。m ( 2 1 6 ) u 、哪是酉矩阵，而a = 以昭( i 历，石) ，是非负定对角矩阵，其元 素是h h h 的特征值的非负平方根，因而可以得出： y = u a v 日x + n( 2 1 7 ) 令夕= u y ，i = v 何x ，矗= u n 则由以上两式得出： 夕= a 主4 - 矗( 2 1 8 ) 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 从而司以得出： y 4 f = 丑圣+ 扁1 i r a i n ( n , ，n y 1 m i n nn ，)f = 以x + ss ， ， 多l = 五；r a i n ( n , ，u r ) f m a x ( n , ，n ，) ( 2 1 9 ) 从上面的式子可以看出，信道已经被分成m i n ( n , ，n ，) 个独立的子信道， 因此可以通过计算各个独立子信道的并行信道容量之和来得到整个m i m 0 系 统的信道容量，即： c = 赫s = l ：( ，嘻叫 仁2 。， o 其中m = m i n ( n , ，n ，) ，为第f 个子信道分配到的功率，如果乓为发射 端总