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上海大学硕士学位论文 宽带无线接入中多天线系统关键技术研究 摘要 多天线技术是未来宽带无线通信系统中的关键技术之一，即多天线系统是 未来宽带移动通信系统的主流系统。第三代移动通信伙伴计划3 g p p ( t h e3 t d g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 为了适应未来宽带无线接入的要求，提出了 以m i m o 技术，结合0 f d m 技术的宽带无线接入系统。 多天线系统关键技术包含自适应多天线技术，多天线系统信道估计技术， 以及多天线在不同环境下使用天线的选择技术；其中自适应多天线关键技术包 括自适应编码调制、自适应混合自动重传技术。 本文主要针对未来宽带无线接入中多天线系统的关键技术进行了研究，首 先研究了多天线系统自适应编码调制和自适应混合自动重传技术，提出了上行 链路自适应编码调制和自适应混合自动重传方案；第二，研究了信道估计技术， 提出几种了2 x 2 、4 4 系统的参考符号设计方案，仿真结果表明，所提的参考 符号设计选择方案能分别适应不同速率下的数据传输要求；第三，通过研究多 扇区技术，提出了六扇区的符号设计实现方案，为多扇区符号设计方法提供了 参考；第四，针对m b m s ，研究了几种适合m b m s 环境下的参考符号设计方案， 通过仿真，选出了一种最适合m b m s 环境下的参考符号方案。 关键词：r s ，m i m o ，o f d m ，a m c ，h a r q 。 v a b s tr a c t m u l t i a n t e n n a si so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si nf u t u r ew i d e b a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h a tm e a n st h a tt h em u l t i a n t e n n a s s y s t e mi st h em o s t i m p o r t a n ts y s t e mo ft h ef u t u r ew i d e b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t oa d a p t t h ef u t u r ew i d e b a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h e 3 r dg e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c tp r o p o s e dt h a tt h i ss y s t e mm a i n l yu s et h em i m oa n do f d m t e c h n o l o g i e s t h ek e yt e c h n i q u e so fm i m oi n c l u d es e l f - a d a p t i v em i m o 、c h a n n e le s t i m a t e t e c h n i q u eo fm i m os y s t e ma n da n t e n n as e l e c t i o nu n d e rd i f f e r e n tt r a n s m i t t i n g c o n d i t i o n s t h es e l f - a d a p t i v em i m oi n c l u d e s e l f - a d a p t i v ea m c 、s e l f - a d a p t i v e h a r q a m o n gt h et e c h n i q u e so fc h a n n e le s t i m a t i o nf o rm i m os y s t e m s ，t h em o s t i m p o r t a n to n ei sr e f e r e n c es y m b o ld e s i g n i n t h i st h e s i s ，ih a v ed o n er e s e a r c h e si n s e l f - a d a p t i v ea m c ，s e l f - a d a p t i v e h a r qt e c h n i q u e s ，c h a n n e le s t i m a t et e c h n i q u e s f i r s t ，i p r o p o s e dt h ew a yo f i m p l e m e n t i n gs e l f - a d a p t i v ea m ca n ds e l f - a d a p t i v eh a r qo nt h eu p l i n k s e c o n d ，i r e s e a r c h e dt h er e f e r e n c es y m b o ld e s i g nm e t h o d ，e s p e c i a l l yt h er sd e s i g no nt h e d o w n l i n k ib r i n gf o r w a r dt h ed e s i g nw a yo fm i m o2 x 2s y s t e ma n dm i m o4 x 4 s y s t e m t h es e s u l to ft h ee m u l a t o ri n d i c a t et h a tt h ew a y p r o p o s e dc a nf i tt h er e q u e s t d a t at r a n s m i t t i n ge v e r ys p e e d t h i r d ，t h r o u g hr e s e a r c h e dt h er e f e r e n c ed e s i g nw a y o fm u l t is e c t o r s ，ip r o p o s e dad e s i g nw a yf o rs i xs e c t o r sw h i c hc a nb ear e f e r e n c et o o t h e rp e o p l e f o u r t h ，ir e s e a r c h e df o u rk i n do f r e f e r e n c es y m b o ld e s i g nm e t h o df o r m b m ss y s t e m ，a n dm a k eae m u l a t o r ，c h o o s et h er sd e s i g n w a yf o re v e r y e o n d jt i o n s k e yw o r d ：r s ，m i m o ，o f d m ，a m c ，h a r q v i 英文缩写说明 a c k n a c ka c k n o w l e d g e n oa c k n o w l e d g e a m c a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g a m c s a d a p t i v e m o d u l a t i o na n dc o d i n gs o l u t i o n a r qa u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t b l a s t b e l l l a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e - t i m e c a z a cc o n s t a n ta m p l i t u d ez e r oa u t o c o r r e l a t i o n c d mc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e c p c y c l i cp r e f i x c q i c h a n n e lo u a li t yi n d i c a t o r f d d f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f e c f o r w a r de r r o rc o r r e c ti o n f f t f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m g c l g e n e r a li z e dc h i r p l i k e g s mg l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s h a r q i f f v r h y b r i da u t o m a ti cr e p e a tr e q u e s t i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a ti o n i r i n c r e m e n tr e d u n d a n c y i s i i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e l a n l o c a la r e an e t w o r k l sl e a s ts q u a r e 确认非确认 自适应调制编码 自适应调制编码方案 自动重传请求 贝尔实验室分层空时 零自相关恒振幅 码分复用 循环前缀 信道质量指示 频分双工 前向纠错编码 快速傅立叶变换 非显著相似 全球移动通信系统 混合自动重传请求 逆傅立叶变换 增量冗余 符号间干扰 局域网 最小平方 m b m sm u l t i m e d i ab r o a d c a s tm u l t i c a s ts e r v i c e 多媒体广播多播 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 m m s emini m u mm e a n s q u a r ee r r o r 多输入多输出 最小均方误差 o f d m 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 正交频分复用 v i i o s t c o v s f p a p r p d f p r b q o s t c o r t h o g o n a ls p a c e 。ti m ec o d i n g o r t h o g o n a lv a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r p e a ka v e r a g ep o w e rr a ti o p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n p h y sic a lr e c o u r s eb l o c k q u a s i o r t h o g o n a ls p a c e ti m ec o d i n g r s r e f e r e n c es y m b o l s c d 姒 s i c s t b c s t t c t d d t u t p c s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s s e r i e si n t e r f e r ec o u n t e r a c t s p a c e ti m eb l o c kc o din g s p a c e t i m et a b l ec o d i n g t i m ed i v i s i o nd u p l e x t y p i c a lu r b a n t r a n s p o r tp o w e rc o n t r o l u e u s e re q u i p m e n t w a n w i 舣 z f 3 g p p w i d ea r e an e t w o r k 正交空时编码 正交可扩展函数 峰均功率比 概率密度函数 物理资源块 准正交空时编码 参考符号 同步码分多址 连续干扰抵消 空时分组码 空时格形码 时分叔工 典型都市 传输功率控制 用户设备 城域网 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 微波存取全球互通 z e r of o r c i n g 3r dg e n e r a ti o np a r t n e r s h i pp r o j e c t v i l i 迫零 第三代合作伙伴计划 上海大学硕上学位论文宽带无线接入中多天线系统关键技术研究 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：銎兰坐日期：丝竺：三：叫 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：继垦拿导师签名：必垒日期： 1 1 0 纠8 p pi 上海大学硕士学位论文宽带无线接入中多天线系统关键技术研究 第一章绪论 1 1 课题来源 本课题来源于上海市科技委员会上海市重点科技项目f - m i m o 项目，项目编 号：0 6 d z1 5 0 1 3 3 。 本文主要对宽带无线接入中的多天线系统关键技术进行研究，特别是对宽 带无线接入中信道估计中的参考符号设计进行研究。 1 2 宽带无线接入技术现状 宽带无线接入是指能够以无线传输方式向用户提供高数据速率( 2m b i t s 以上) 接入到i n t e r n e t 的技术。i e e e 根据覆盖范围将宽带无线接入划分为p a n 、 w i r e l e s s l a n 、w i r e l e s s m a n 和w a n 1 ，覆盖范围由l o m 以内到l o o m 以内，再 到城市范围覆盖，再到极大范围覆盖。 ( 1 ) 8 0 2 1 6 技术。i e e e8 0 2 1 6 标准又称为i e e ew i r e l e s sm a n 空中接口 标准( w i m a x ) ，它对工作于不同频段的宽带无线接入系统空中接口进行了规范。 8 0 2 1 6 被设计用于广范围的宽带无线接入部署场景，包括室外视距条件下长距 离( 高达5 0 公里) 的部署直至市区环境非视距短距离的部署。 ( 2 ) m c w i l l ( 大唐信威s c d m a ) 。信威公司的m c w i l l 是在原s c d m a 技术基 础上，通过增加一系列关键技术而研发的宽带无线接入产品。 ( 3 ) w i b r o 。w i b r o ( w i r e l e s sb r o a d b a n d ) 是韩国提出的宽带无线接入服 务，应用在2 3 g h z 频率上。w i b r o 来源于t t a 2 0 0 3 年6 月启动的h p i 项目，之 后h p i 项目在i e e e8 0 2 1 6 工作组中进行了融合。w i b r o 标准完全遵从i e e e 8 0 2 1 6 e 标准，可以看做是i e e e8 0 2 1 6 e 标准的子集。 ( 4 ) h i p e r m a n 。h i p e r m a n 无论从物理层还是从m a c 层都是基于 e e e 8 0 2 1 6 a 、1 6 d 到1 6 e 的，只不过h i p e r v i a n 根据欧洲的情况减少了一些可 选项，以便更加有利于系统的实现和互通互连。在载波带宽的选择上，要求是 3 5m h z ，7m h z 或1 4m h z 的整数倍，希望的结果是既能和8 0 2 1 6 融合，提供全 球统一的o f d m 标准，又能照顾欧洲的利益。 k 海大学硕士学位论文宽带无线接入中多天线系统关键技术研究 ( 5 ) i e e e8 0 2 2 0 。i e e e8 0 2 2 0 标准工作组计划制订的一个移动宽带无 线接入标准，可以支持的移动目标速率大约为2 5 0 k m h 。由于对移动性的支持 较高，i e e e8 0 2 2 0 的传输速率低于i e e e8 0 2 1 6 e ，其业务定位是提供移动环 境下的高速i n t e r n e t 服务，其使用范围与3 g 系统相似。 ( 6 ) i e e e8 0 2 2 2 。i e e e8 0 2 2 2 工作组的任务是制订一种被称为无线区 域网( w r a n ，w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k ) 的空中接口的f h y 和m a c 的 协议标准。w r a n 网络在感知无线电技术的帮助下，使用5 4 m h z 到8 6 2 i z 之间 的空闲频段，为用户提供宽带无线接入服务。借助感知无线电技术，对已经分 配的但实际处于闲置的频段加以利用。在无线电频率资源十分紧张的情况下， 这是发展宽带无线业务的一个很有价值的思路。 1 3 宽带无线接入应用发展面临的问题 目前宽带无线接入系统主要是固定接入的方式，但是固定的接入方式目前 已经远不能满足人们的需求，虽然在我国宽带无线接入已经有所发展，但发展 速度并不是很快，还面临着各种问题 2 。 ( 1 ) 频谱问题。无线接入是通过无线的方式完成接入，需要电磁波来承载， 即需要频率资源。但频率资源是非常有限的资源，由无线电管理局按照相关的 规定和政策统一分配协调。因此，宽带无线接入技术的应用受到国家相关政策 法规的影响。虽然2 4g h z 频段和5 8g h z 频段是免执照的，但是此频段内的 业务是不受保护的，干扰问题不能解决就不能有很好的服务质量：3 5g h z 频段 是许可频段，干扰问题可以采用网络规划的方式解决，但是3 5g h z 由于频点 少、带宽小，无法满足电信运营商大规模组网和向用户提供高带宽的接入、传 输业务的需求：2 6g h z 频段尽管是许可频段，而且带宽足够宽，但频段太高抗 雨衰差，覆盖范围小，设备成本高等不足仍然没有得到很好的利用，因此解决频 谱问题是发展宽带无线接入技术的重要因素。 ( 2 ) 标准问题。空中接口标准的统一以及设备平台接口的统一将大大降低 成本。3 5g h z 无线接入技术：没有统一的空中接口标准，设备接口的类型差异 也较大。l m d s ：空中接口实现存在差异，设备的平台和提供的接口类型比较一致。 以上两种技术，由于并不支持任何移动性，因此对空中接口开放的需求不像其 2 上海大学硕士学位论文宽带无线接入中多天线系统关键技术研究 它支持移动的无线接入技术要求那么迫切。但是如果采用标准的协议，将能促 进产品成本的下降，推动固定无线接入技术的进一步发展。w l a n 技术：空中接 口协议基于i e e e8 0 2 1 l 系列标准，标准化程度高，目前不存在互通的问题。 但是w l a n 在运营中涉及的网络标准比较缺乏。 ( 3 ) 用户数量问题。与宽带有线接入技术相比，宽带无线接入技术的用户 数量不够多。中国的因特网用户数近年来得到了突飞猛进的发展，并且还会有 很大的增长空间。以a d s l 为代表的x d s l 用户数目前已经达到2 0 0 0 万，在我国 宽带接入用户中占有绝对高的比例。同有线接入技术相比，无线接入所占的比 例很小，远远没有满足最终用户的需求。 1 4 多天线技术的发展概况 随着无线互联网多媒体通信的快速发展，无线通信系统的容量与可靠性亟 待提升，常规单天线收发通信系统面临严峻挑战。采用常规发射分集、接收分 集或智能天线技术己不足以解决新一代无线通信系统的大容量与高可靠性需求 问题。可幸的是，结合空时处理的多天线技术多入多出( m i m o m u lt i i n p u t m u l t i o u t p u t ) 通信技术，提供了解决该问题的新途径。它在无线 链路两端均采用多天线，分别同时接收与发射，能够充分开发空间资源，在无 需增加频谱资源和发射功率的情况下，成倍地提升通信系统的容量与可靠性。 任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端均采用了多个天线或者天 线阵列，就构成了一个m i m o 系统。无线m i m o 系统采用控释处理技术进行信号 处理。在多经环境下，无线m i m o 系统可以极大的提高频谱利用率口3 ，增加系统 的数据传输率。 m i m o 技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益。空间复用技 术可以大大提高信道容量，而空间分集技术则可以提高信道的可靠性，降低信 道误码率。m i m o 技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多经影响因素变为 对用户通信性能有利的增强因素。m i m o 技术有效地利用了随机衰落和可能存在 的多径传播来成倍的提高业务传输速率。m i m o 技术成功之处主要是它能够在不 额外增加所占用的信道带宽的前提下使无线通信的性能改善几个数量级。 在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：多径衰落和带宽 上海大学硕士学位论文宽带无线接入中多天线系统关键技术研究 效率。o f d m 通过将频率选择性多径衰落信道在频率内转换为平坦信道，从而减 少了多径衰落的影响。而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，这样就有效的增加了系统的传输速率，即由m i m o 提供的空间复用 技术能够在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。这样，如果我们将o f d m 和 m i m o 两种技术相结合，就能达到两种效果：一种是系统很高的传输速率，另一 种是通过分集达到的很强的可靠性。同时，在m i m o - o f d m 系统中加入合适的数 字信号处理的算法能更好的增强系统的稳定性 4 。m i m o - - o f d m 系统能够同时 增大空间复用技术和o f d m 技术的能力，有利于增加系统的容量和高速率的传 输。通过多路数据流在发送天线的同时发射，实现了在相同带宽的情况下的多 路空间并行信道。这样的系统不仅发挥了o f d m 和空间复用技术的优势，同时也 有效的利用了空间的并行性和频率选择性。在接收判决一方，将接收信号转化 为若干子信号分别通过o f d m 的子载波立方式。 最近几年来空时编码技术在无线通信领域引起了广泛关注。朗讯实验室的 f o r c h i n i 和g a n s ，a t & t 的t a r o k h 及其同事们在这方面作了关键性工作，率先 提出了空时编码的概念。空时编码的有效工作需要在发射和接收端使用多个天 线，因为空时编码同时利用时间和空间两维信号处理来构造码字，这样才能有 效抵消衰落，提高功率效率。并且能够在传输信道中实现并行的多路传送，提 高频谱效率。需要说明的是，空时编码技术因为属于空间分集的范畴，所以要 求在多散射体的多径情况下应用，天线间距应适当拉开以保证发射、接收信号 的相互独立性，以充分利用多散射体所造成的多径( 也称之为充分多径) 。空时 编码方案结合了信道编码和多发送天线，通过空时编码后的数据被串并转换成 n 个数据流，每一路数据流经脉冲形成、调制，然后通过n 个天线同时发送到 无线空间。在接收端，可以用单一天线，也可以用多个天线进行接收，每一个 接收天线接收到的是n 个发送信号与干扰噪声线性的叠加( 衰落系数为权重) ， 然后通过最大似然检测的方法，正确地识别出发送信号。空时译码算法和信道 估计技术结合以获得分集增益和编码增益。目前，空时编码基本上有空时分组 码( s t b c ) 、空时格状码( s t t c ) 和空时分层码( b l a s t ) 等多种。 4 上海大学硕十学位论文宽带无线接入中多天线系统关键技术研究 1 5 论文的主要研究内容和贡献 本文主要针对未来宽带无线接入中多天线系统的关键技术进行了研究，首 先研究了多天线系统自适应编码调制和自适应混合自动重传技术，提出了上行 链路自适应编码调制和自适应混合自动重传方案；其次，研究了信道估计技术， 提出几种了2 x 2 、4 4 系统的参考符号设计方案，仿真结果表明，所提的参考 符号设计选择方案能分别适应不同速率下的数据传输要求；再次，通过研究多 扇区技术，提出了六扇区的符号设计实现方案，为多扇区符号设计方法提供了 参考；最后，针对m b m s ，研究了几种适合m b m s 环境下的参考符号设计方案， 通过仿真，选出了一种最适合m b m s 环境下的参考符号方案。 论文内容安排如下： 第一章：简要的介绍了宽带无线接入特别是宽带无线接入中多天线系统的 发展，现状，论文的选题来源，最后给出了论文的内容安排。 第二章：介绍了宽带无线接入系统中多天线的一些基本知识、原理，未来 主流的多天线系统m i m o _ 加f d m 系统的原理。 第三章：研究了宽带无线接入系统中多天线以及m i m o - - o f d m 系统的关键技 术，包括自适应调制、混合自动重传，提出了上行链路自适应方案。 第四章：针对m i 一o f d m 系统的信道估计技术，对信道估计中最重要的参 考符号设计做了剖析，并提出了适合未来宽带无线接入要求的参考符号设计方 法。 第五章：首先对全文的内容和所做的贡献进行了回顾，然后对目前存在的 问题和可能的研究方向进行了探讨和总结。 5 上海人学硕k 学位论文宽带无线接入中多天线系统关键技术研究 第二章多天线技术原理 2 1 多径衰落信道的物理特性 多径衰落信道常表现出三种特性n 1 ：一是角度扩展特性，又称空间选择性； 二是时延扩展特性，又称频率选择性：三是随机时变特性，又称时间选择性， 或多普勒扩展特性。所谓选择性是指在不同的空间、不同的频率和不同的时间， 其衰落特性是不一样的，以下将对这三种衰落分别给予说明。这儿的选择性是 指在不同的空间或不同的时间或不同的频率，信道的衰落特性发生变化。 空间选择性衰落和角度扩展特性 发射端的角度扩展是由于发射端附近的散射和多径反射引起的，接收端的 角度扩展是由于多径信号到达接收端的阵列天线的到达角度( a o a ，a n g a lo f a r r i v a l ) 引起的扩展。角度的扩展会引起空间选择性衰落。空间选择性衰落用 相关距离描述。相关距离越长，空间角度扩展越小；相关距离越大，空间角度 的扩展越小。空间选择性衰落是研究m i m o 的基础，在m i m o 的天线配置中要求 发送端或接收端的任意两天线之间的距离大于相关距离，用以提高空间分集度。 频率选择性衰落和时间扩展特性 在多径传播条件下，接收端接收到的最后一个可分辨径与第一个可分辨径 之间的时间差称为时延扩展，相干带宽与时延扩展成反比。当移动通信传输信 号的带宽小于相干带宽时，各频率成份遭受的衰落是一致的，此时发生平坦衰 落；相反当传输信号的带宽大于相干带宽时，传输信道对不同频率的信号有不 同的随机响应，所以衰落称为频率选择性衰落。 本论文中研究的m i m o 时假设信道为非频率选择性衰落，即传输信号的带宽 小于相干带宽，此时信号的传输模型可用单径信道模型来描述，连续两个不同 时刻发送的符号不存在干扰，以简化接收端算法。对频率选择性信道，可采用 o f d m 技术，很容易将它推广到m i m o - o f d m 系统，将频率选择性衰落变为平坦 性衰落加以研究口3 1 ，因此本论文的原理并不失一般性。 口时间选择衰落和多普勒扩展特性 6 上海大学硕士学位论文 宽带无线接入中多天线系统关键技术研究 当发送端与接收端之间存在相对运动时会引起来多普勒扩展，其特征表现 为接收到的信号与发送的信号之间存在频率的偏移，称之为多普勒频移 ( d o p p l e r s h i f t ) 。其表达式为： 厶= ( v 2 ) e o s = 厶e o s 矽。 ( 2 1 ) 式中v 表示发送端与接收端之间的相对运动速度，入为载波的波长，中为 接收到的入射波与相对运动速度之间的夹角，无为最大多普勒频移。 多普勒频移可以用相干时间来表征，它与相干时间成反比。相干时间是指 在两个不同时刻的信道响应有较强的幅值相关性的时间间隔，是时变信道中的 一个重要概念，反映了信道变化的快慢。相干时间大时，信道变化较慢；相反， 相干时间小时，信道变化较快。根据信道变化的快慢，它又有快衰落和慢衰落 之分。若基带信号带宽比多普勒扩展大得多，则多普勒扩展的作用在接收端可 以忽略不计岿引，这意味着无线信道是一种慢衰落信道。否则，就应该考虑多 普勒扩展的作用，这意味着快衰落信道的情况。如前一节所述，在m i m 0 仿真 中常用快衰落和准静态信道来近似信道的特性，用j a k e s 模型口：仿真信道模型 也较为常见。 2 2m i m o 系统模型和容量 弋m 飞 l 哐 一j v 札 图2 1m 发收m l m o 系统 f i 9 2 im x nm i m os y s t e m 7 j 上海大学硕士学位论文宽带无线接入中多天线系统关键技术研究 图2 1 对应于m 个发射天线和n 个接收天线的m i m o 无线通信系统示意图。 对应于n x m 个收发天线对组成的单发单收信道，各接收天线上接收到的 信号为所有m 个发送天线发送的信号经衰落信道的叠加并受噪声的干扰。假如 各信道经历平坦性衰落，则发送天线m 与接收天线n 之间等效基带信道可用一 复系数h n m 来表示。考虑到等效基带模型，设m 个发送天线上发送的信号分别 为五，而粕，则第r 1 个天线的接收信号y 一可表示为 y 。= ：一h x m + w n ，( 2 2 ) 其中为第n 个接收天线上的加性噪声。写成更简洁的向量和矩阵表示形 式为 y = 凰+ w( 2 3 ) 其中向量y = ( y - ，奶，y ，) ，x 2 “，恐， ) 7 及w 2 ( w l ，w 2 ，”w ) r 分别表示接 收信号向量，发送信号向量和噪声向量，上标t 表示转置运算；矩阵h 的第r l 行m 列元素为。假设发送信号向量的相关阵为q 即q = e ( x x t ) ，则发送信 号的总功率p = t r ( q ) ，t r 0 表示矩阵的迹运算。并假设噪声向量为零均值互不 相关的循环对称复高斯分布随机向量，设噪声向量的每一分量的方差为旷。 在上述假设下，m i m o 系统的各态历经信道容量可表示为 e = e c ) = e l 0 9 2 d e t ( l + 妄唧，) 黝俐勉) ) “打( q ) 尸( 2 4 式中s t ( s u b j e c tt o ) 表示约束条件，d e t 表示矩阵的行列式运算，上 标h 表示共轭转置。由于在m i m o 系统中，发送端或接收端天线阵列处于具有 相同路径损耗和阴影衰落的相同“位置”，因而可不考虑路径功率损耗和阴影衰 落对信道的影响，此时的矩阵h 服从均值为零阵协方差为单位阵的循环复高斯 分布。可从( 2 2 ) 式很容易计算出每个接收天线上的信噪比p 2p 协。 当发送端不知道信道信息时平均分配各天线功率，此时q 2 缶可得到最 上海大学硕士学位论文宽带无线接入中多天线系统关键技术研究 优的容量解。其容量可表示为 c = 、o g d e t ( i s + 乇h h h ) b i t f s h z = 而筝l o g ( 1 + - 一导i m ) b i 洮h z 。 5 ， = + f j。( 2 5 式中五为h h 的第i 个非零特征值，表示第i 个特征子信道的能量。式 ( 2 5 ) 表明m i m o 信道容量可表示为m i n ( m ，s ) 个特征子信道的容量之和。当信 噪比p 较大时，各态历经信道容量c 可表示为： c = m i n ( t ，m ) l o g p + + o ( 1 ) b i f f s h z ( 2 6 ) 即平均信道容量随发射天线数和接收天线数的较小值m i n ( m ，s ) 成线性增 长关系，其中00 表示参数的高阶无穷小量。 如果发送端知道信道信息，则信道容量最大的功率分配方式为注水算法【8 】， 其表达式为 r c = l 0 9 2 从】+ b i t s h z ( 2 7 ) 式中a ，五，以为w 的非零特征值，w = h h ，的选取满足： p = ( 一五) 】 当下z 0 时，i x + = 石，否则= o 如果发送端仅知道部分信道信息，如协方差阵等，则可以通过预编码方式 提高信道容量。 2 3 空间复用技术 m i m o 系统与单发单收天线相比可以提高容量，可以用这一理论设计收发 机提高m i m o 系统的数据传输率，即空间复用技术( s m ，s p a c em u l t i p l e x ) 。空 间复用将高速数据流经过并行编码器( 解复用) 后变成并行数据流再经过分层 编码后经不同天线传输可大大提高数据传输率。空时复用的典型形式是贝尔实 验室提出的b l a s t ( b e l l l a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e ) 系统，它是一 种特殊的空时编码凹1 ，可分为v - b l a s t ，d - b l a s t ，h - b l a s t ，t u r b o b l a s t 等具 9 上海大学硕 ：学位论文宽带无线接入中多天线系统关键技术研究 体形式。当然也可以加入信道编码达到性能和带宽之间的折中，为分析方便本小 节只介绍无信道编码形式的v - b l a s t 结构。其发送端示意图如图2 2 所示： 饬垮 图2 2 无编码形式的v b l a s t 结构发射端不恿图 f i 9 2 2t a n s i m i ts k e t c hm a po f v - b l a s tw i t h o u tc o d i n g 接收端天线接收的信号如式( 2 3 ) ，此时的空时信号检测有多种方法，在此 介绍典型的四种方法：z f 检测器，唧i s e 检测器，s i c 检测器，m l 检测器。其 复杂度依次增加，性能依次改善。前两个检测器属于线性检测器，它们都是将 接收信号向量经过一滤波器得到新的向量x ，再将x 量化到距离最近的星座点 上。 z f 检测器也称为解相关检测器，此时的滤波器为( h ) h h 。将( 2 1 2 ) 做 变换可得 x = ( t o h ) - l h y = “h h t - t ) 一1 h h w 。 ( 2 8 ) z f 检测器可以完全消除其它天线上干扰，但它却放大了噪声，新的噪声向 量( h h ) 一h w 在空间上并非白噪声向量，其噪声向量的协方差阵为 艮= 研( x x ) ( x x ) h - - o - 2 h ) 一 ( 2 9 ) 栅s e 检测器寻找新的滤波器使新的噪声向量方差和其它天线的干扰功率 f ：( h h + 土凡) 一h 和最小，可以求得滤波器形式为 p ，则可以得到： x = 毋= f h k + f w 。 ( 2 1 0 ) 可以求出此时的噪声协方差阵为 1 0 上海大学硕： = 学位论文 宽带无线接入中多天线系统关键技术研究 q 毖w s e ：研( x a x ) ( 妄一x ) h 】= c r 2 ( h h + ! 凡) 一 ( 2 1 1 ) p 从( 2 1 0 ) - 与( 2 1 1 ) 可以看出，在高信噪比时，m m s e 与z f 的性能逐渐一 致。但在低信噪比时，前者明显优于后者。m m s e 需估计信噪比，算法比z f 检 测略为复杂。 m l 检测是最优检测( 假设所有星座点的发送符号等概率分布) ，且是最 复杂的检测方示。其检测方法可写为 x = a r g m i n ( i ly n x l t ) x e c ” ( 2 1 2 ) a r g m i n 表示目标函数达到最小值时的自变量参数，c 表示每个天线发送的信号 星座点集合，c m 表示这m 个天线星座点集合之迪卡尔乘积组成的星座向量， l i 。i i 表示向量的范数。m l 检测器搜索范数的最小值是一个复杂的任务。设每 个天线信号的调制阶数为，则对每个天线星座点集合大小( 即集合的势) j c i = 2 ， a 如4 阶q a m 调制( 1 6 q a m ) 的集合大小为2 4 = 1 6 。要检测出发送向量x ，m l 检 测器要比较的次数为2 删。而每次比较时都要计算矩阵乘法、减法和范数运算， 因而即使是中等大小的三和m ，也将是一个复杂的过程。 2 4 空时编码技术 m i m o 系统的研究除了提高数据传输速率外，还有一类研究为改善通信可 靠性方面的研究( 当然也有关两方面折中的研究n 叩) 。前者是通过复用方式实现 的，而后者是通过分集方式实现的，即通过将同一符本的多个“副本通过不 同的时间或天线传输，这些“副本”经历统计独立的信道，使“副本”同时处 于深衰落的概率大大降低。在m i m o 系统中主要通过空时编码技术提高分集度。 t a r o k h 等提出了设计空时编码的准则。该准则表明在平坦性慢衰落环境 下，对任意两个编码矩阵的差矩阵的秩决定了系统的分集度，而差矩阵特征值 d ：一l i m ! 竺丛生丝! 决定了空时编码的编码增益。定义分集度为 p ” l o g ( p ) ，其中p 为信 上海人学硕士学位论文宽带无线接入中多天线系统关键技术研究 噪比值，只。( p ) 为信噪比值为p 时的误符率，l o g 是对数函数。 有关空时编码方法很多，本节仅介绍空时块码中的正交空时编码( o s t c ) 和准正交空时编码( q o s t c ) 两部分。 a i a m o u t i n 方案无疑是空时编码方法结构最简单也是空间分集与复用折中 最优的n 叭，同时也是唯一全速率的复数0 s t c n 刭。它适合于是2 个发送天线的 m i m 0 系统。对任意两个符号x l ，x 2 ，通过空间编码器变成如下的形式 护 嚣卜= 矧 式2 1 3 中( 木) 表示复数的共轭，空时编码器输出的矩阵形式的第m ( m = l ，2 ) 行第t 列( t = 1 ，2 ) 表示从第m 个天线第t 个符号周期发送的符号。不难看出 t 。k 。= ( i 玉1 2 + i 而1 2 ) 厶，其中1 2 为2 阶单位阵，即置。为正交阵，因此称为 正交空时编码( o s t c ) 。a l a m o u t i 方案要求在两个符号发送周期内信道是保持 不变的。设接收端只有1 个天线( 可以很容易扩展到多个接收天线的分析中) ， 接收天线在第t 个周期接收的符号为ty ，则有下列表达式 ( ；： = c 啊，b ， 兰z - x , 。j l + ( 遵) c 2 - 4 ， 式( 2 1 4 ) 中y t 和w 分别表示接收天线第t 个时刻的接收分量和噪声分 量，n m 表示第m 个发送天线到接收天线的信道系数，且在两个符号发送周期 内保持不变。将( 2 1 3 ) 做变换成如下形式 盼 硼+ 汜 式( 2 1 5 ) 式写成对应的矩阵形式为 y = 胃x + w 。 ( 2 1 6 ) 在接收端将( 2 1 6 ) 两边同乘以日，注意到日= ( ：。i 1 2 ) 厶，即h 为 正交阵，它将m i m 0 系统转化为以x 的各分量为发送值的并行传输系统，而且 加性噪声向量经正交变换后仍为循环对称独立同分布高斯向量。因此它可以将 1 2 上海大学硕上学位论文 宽带无线接入中多天线系统关键技术研究 m l 检测变为简单的线性检测，因而在接收端有简单的接收机结构。可以证明2 发n 收天线m i m 0 系统的分集度为2 n 。t a r o k h n 约等扩展了0 s t c 到多于2 个天 线的情况，将发送符号( 而，恐) 通过空时编码器变成n x t 的矩阵义卵， 则其码率定义为p t 。正交空时编码最大码率为l ，t a r o k h 等证明了对于复信 号的空时编码只有发送天线为2 时才能达到最大码率。 为了提高空时编码的码率，又不使接收机过于复杂，准正交空时编码 ( q o s t c ) 应运而生。0 s t c 的编码矩阵的行向量分成若干组，不同组中的任意 两行向量是正交的，而在同一组中的任意两向量是不正交的。 设有4 个发送天线，在4 个符号周期内将4 个符号编码成 x s c = 玉而屯 恐一而一毛毛 恐一五一而 而一屯恐一五 ( 2 1 7 ) 首先此时编码阵的码率为1 ，其次将编码阵的第一行和第三行设为组a ，第 二行和第四行设为组b ，则组a 和组b 中任取一行向量它们都正交，而组a 或 组b 中的组内两个行向量并不正交。因此式( 2 2 5 ) 所确定的编码阵为q o s t c 。 类似( 2 1 5 ) ，可将( 2 1 6 ) 做下列变换成 m y 2 y 3 y 将( 2