（通信与信息系统专业论文）天线选择算法研究及其在合作分集无线网络中的应用.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 材n 吐 0 技术、 空时编码技术及合作分集技术可以充分利用空间域和时间 域，提供更大的信道容量、更高的编码增益和分集增益。在无线通信系统 中使用大量天线不易实现，本文以降低系统复杂度为目的，首先使用两种 天线选择算法，在不同信道上计算系统容量，选择最佳天线子集。其次在 进行接收天线选择的同时，在发送端使用注水定理分配发送功率以提高系 统容量。然后在已经建立的mi mo 系统中，使用空时格型码和空时分组码 以提高系统可靠性，并利用mat l ab软件对上述算法进行了仿真。最后，探 讨了利用合作分集技术在移动用户之间建立合作伙伴、构成虚拟多天线系 统的相关理论和技术。 关键词: m i mo ，容量，空时编码， 合作分集 abs tract the techoi q u e s ofmn 涯 0 ， 印鸽卜 t i m e cod i n g a n d co叩e r at i v e di v e r s i t y o anln ake 血 l l u s e o f th e spac e a n d t 1 m e d o m ai n s too fl 七 r l ar g e r c apac i ty，hi ghe r c 0 d i 11 g g a l n and diversitv g ain itisdi fficuit touse t o o m any a n t e imasina w irele sssyst em. to r e d u c e th e s y s t em coln p l exi tyw e ad叩t ed卜 刀 o antenn a se lecti on al gori 1 l1 1n s and c al cu1at ed th e s y s t em c apaci ti es刀 n d i 月 飞 r e l1 t c h a nne l s tos el e c t th e b e stant enn a s ubs et . t b e n w e used w a t e 卜 filli ng theo r e 幻 以to 成 lo c at ethe tr ansmitp o w ertoe nba l l c et h es y s t eln c 即 ac i tya n e r the reee 加 i n gan t e l in as e l e c ti o n . w 七 u s ed 印 e 滩 ime trell i s c o 由明d 印 时 e 一 毗b l o ckc o deinthe e s tab1 i s h e d mim0s y s t em toe n h anc e th e s y s t em r e l i abi li ty. a ft erth atw e u s e d the mat l abt o s i n 1 u 1 at e th e abo veal g o ri t h m s fi n al l y w e 由 s cus s e d th e t b eo叮 阴dt e c hoi quere l at e dtos e tt in gup c o ope r a t 1 v ep a rt l1 e r samo n gm obi l e use rstofo rm a v i rt u alm u l ti . a i 1 t enn a s ys t em b y usm g c o o p e r a t i ved i v ersity t e c hn1 que z h o u j i a n ( c o m m u n i c a t i o n andi n for m a t i o ns y s t e ms ) d i r e c t e d b y p r o fl i yon g q i an k e ywo r d s : mi mo ， c a p a d 饥 s p a c e 一 t i me c o d i u g ， c o o p e r a t i v e d i v e r s i ty 创些.口口 少 刀f 月 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 天线选择算法研究及其在合作分集 无线网络中的应用 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间， 在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。 据本人所知，除了文中特别加以 标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得华北电力大学或其他教 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。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 周 过日熟初o 7 . j . 了 。 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了 解华北电力大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件; 学校可以采用影印、 缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以学术交流为 目 的， 复制赠送和交换学位论文; 同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作 者 签 名 : 阅 健 日期 :、 7 . ; . 导 师 签 名 : 奏 呱 日期: 。 不、 . 知 华北电力大学硕士学位论文 第一章 引言 人类社会己经进入信息时代，作为基础设施之一的移动通信系统也随着人们对 信息需求的增长，取得了前所未有的飞速发展。宽带化、高频谱利用率、高传输速 率都己成为下一代移动通信技术的发展目标。作为其关键技术的多输入多输出 ( m i m o 一 m u l t ip l e i 即u t m u l t ip l e o ut p u t ) 技术、 空时编码技术 及合作分集技术可以 充分利用空间域和时间域相结合的优势，提供更高的信道容量、编码增益和分集增 益， 具有很强的抗衰落性能和很高的频谱利用率。 因此mimo 技术及其与空时编码、 合作分集相结合的研究具有重要意义。 1 . 1选题意义 在现代社会中，随着人们对信息需求的增长，要求移动通信系统不仅能够提供 传统的语音业务，还要提供各种数字、图像、音频和视频等多媒体业务，这些新业 务的开展要求下一代的无线通信系统必须能够提供更高的传输速率( 1 0 mb/ s 以上) 和更好的传输性能。然而由于无线频谱资源的匾乏，要达到上述要求，下一代无线 通信系统必须具有更高的频谱效率。 从目前技术发展来看，提高无线通信系统频谱效率的方法有两种:一是通过采 用更高阶的调制技术和更优良的信道编码方法，实现尽可能逼近现有的单输入单输 出( 5 15 0 ) 天线系统的 信道容量;二是在带宽不增加的前提下， 利用m imo 技术来提 高系统的信道容量.在无线衰落环境中，要在有限带宽的情况下尽可能地逼近信道 容量，技术难度比较大，况且5 150 系统本身的信道容量也有限，所以下一代无线通 信系统考虑更多的应该是利用mimo 技术。 m imo 技术并不是一门新技术，早在1 9 08年马可尼就提出用mi mo 方式来抵制 无线信道的衰落11 。 m imo 可以 简单定义为:在一个任意的无线系统中，链路的发 端和收端都使用多根天线。其核心思想是:将发送端与接收端天线的信号合并，使 每个 m 彻0 用户的 传输质 量一一比 特误码率(b e r)或数据速率 得到改进， 提高网络服 务质量。贝尔实验室的e telatar 和g j. f oschi ni 分别独立地在他们各自的论文中论证 了理论上的 m i mo 信道香农容量闭 131 。 他们指出， 使用n x m 信道矩阵描述m 个发射天 线和n 个接收天线系统的无线信道，如果n x m信道矩阵的元素间具有理想的独立衰 落， 系统容量将会随发射方和接收方天线数中最小一方的天线数m in (m，n) 的增加而 线性增加，这样就可以在515 0 基础上成倍地增加系统容量。 基于发射分集和接收分 集的多进单出( mlso)方式和单进多出( s i m o)方式也是mi mo 技术的一部分。 实验室 研究已经证明，采用mi mo 技术在室内传播环境下的频谱效率可以达到20一40 华北电力大学硕士学位论文 bi t/ s 旧2 ;而使用传统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为1 一s bi 确爪2 ，在 点到点的固定微波系统中也只有10一12 bi 确/h2 。 mimo 技术之所以具有如此优异的性能，关键是它能够将传统通信系统中存在 的多径影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素，即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。它为系统提供了空间复用增益和空 间分集增益，能够在无需额外增加所占用信号带宽的前提下，带来无线通信性能上 几个数量级的改善，目 前针对mimo 技术所进行的研究主要也是围绕这些方面。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降低信道误码率，提高 其可靠性。 由 at另一个可能的应用就是为遥远的农村 地区提供电话服务，因为在那里要通过无线方式把家用和商用电话与固定的有线电 话网络连接起来。这项技术证明了突破无线通信容量的可能性，虽然距离它的实际 应用还有很多研究工作要做，但是人们对它在将来无线通信方面存在的巨大容量潜 力感兴趣。 华北电力大学硕士学位论文 香农的容量公式解决点到点的通信问题，而b l a st理论致力于解决组到组的通 信问题，它给香农容量公式增加了一维，即空间。当噪声和干扰比较严重的时候， 就可以利用空间来消除这些干扰和噪声。多径传输是通信的一大严重危害，然而通 过利用b l a s t 技术，通信系统有可能利用多径效应，即它利用传输环境的散射性把 这些多径当作分离的并行信道来增强信道的传输精度。当利用b l a s t 时，多径越多 越好，同时在接收端使用的b l a s t 信号处理函数是这项技术的核心。 2 、m imo 系统常用编码机制， 在mi mo 传输机制方面，为了增加传输的准确性和降低传输设备的复杂性，国 际上有很多新的研究。在mimo 基础上发展起来的各种空时码，综合了空间分集和 时间分集的特点，可以同时提供分集增益和编码增益。 现在比较热门的研究有:空时格码，空时分组码，分层空时码，酉空时码，差 分空时码，级联空时码.若将这些编码方法与天线选择算法很好地结合，就能够充 分利用时间和空间分集，更大程度地提高无线信道容量，降低误码率，从而提高通 信质量。 3 、与o f d m 相结合 8 1 为提高 信道容量、 传输速率和通信质量， 涉及到基于正交频分复 用( o f d m ) 调 制的， m imo 多天线阵列无线传输物理层体系结构这项关键技术19 。 解决宽带通信 中符号间干扰问题的有效方法是o f d m技术，通过将高速的串 行数据转换为并行的 低速数据，把频率选择性衰落信道转换为若干个并行的平衰落信道，从而具有很好 的抗多径衰落特性;天线阵列的增益性能取决于阵列的空间几何分布的设计和分离 接收信号的均衡权矢量的算法，mimo 信道直接制约了无线通信的容量和质量，是 通信网络规划和收发机设计必须考虑的重要因素，同时mi mo 天线阵列还是空分多 址的核心构架，近年来对基于o f d m传输方案的mi mo 信道的研究十分活跃。 合作分集是近期发展研究的通信新方法，要达到一定的传输分集一般情况下需 要在发送端多于一个天线，然而许多无线设备由于体积和硬件复杂度的原因只能有 一个天线。 最近人们提出了合作通信的概念， 即允许单个手机用户与别人共用天线， 在多移动用户的环境中 构成虚拟的多天线系统， 完成通信， 达到一定的发射分集flo 。 m i mo 系统通信的各种方法都可以 应用在合作分集无线网络通信中，这是现代通信 技术研究的又一个新的领域。 1 . 3本文研究内容 本课题的研究主要集中在对有关文献中所使用天线选择算法的比较和改进，及 发送端使用空时编码对mi mo 系统性能的影响，并研究了mi mo 技术在合作分集无 华北电力大学硕士学位论文 线网络中的应用。 主要内容如下: 1 . 天线选择对mimo 系统容量的影响，其中包括: ( 1 )以最大容量为准则在不同信道情况下进行天线选择并比较系统容量 出穷举的方法在哪种信道更加有优势; ( 2) 在发送天线选择的基础上进行接收天线选择对系统容量的影响，证实天 线选择对系统复杂度的贡献。 2 . 以 信道矩阵每列的模最大为准则，只进行接收天线选择，使选择后的接收天 线数目 等于发送天线数目，在此基础上计算系统容量: 3在2 中己经建立的mi mo 系统发送端使用注水定分配功率，增大容量; 4 . 在mi mo 系统发送端采用空时格型码和空时分组码以降低系统误码率，提 高系统可靠性: 5 . 用mat l ab实现以上计算的仿真; 6 . 提出mi mo 技术与合作分集技术的结合，为mi mo 实用化提供了新途径。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 无线移动信道描述及分集原理 无线信道比有线信道要复杂得多，最主要的问题是后者发送的电磁波在约束的 均匀介质中传播， 其数学模型是确定的。 前者则不同， 不管是定向还是非定向发射， 其路径的空间约束性差，不确定因素多，只能用随机模型表示。特别在移动通信领 域，工作环境复杂，由于自 然的和人为的因素，传播信道是不均匀的和时变的。 本章首先介绍m i mo系统中几种典型的无线移动信道模型， 如高斯信道、 平坦 衰落信道、瑞利衰落信道和莱斯衰落信道等。 21通信系统信道模型 图2 一 1通信系统 图2 一 1 展示了普通通信系统的结构图，本文主要研究编码和信道部分。由于介 质对无线电信号产生的路径衰减、阴影衰落和多径衰落等影响，导致接收信号产生 多普勒扩展、时延扩展和角度扩展，相应地使信道产生时间、频率和空间等选择性 衰落。 信道是指发射端和接收端之间传输介质，是信号的传输媒质。信道又分为恒参 信道和随参信道口 1 ，恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变化极其缓慢的; 随参信道也称衰落信道或者时变信道， 泛指信道特性随时间随机变化的情形。无论 是连续信道或者离散信道，都可能是随参的或者恒参的，在这里只考虑连续时间的 随参信道。 传输信道的特性很大程度上决定了宽带系统的性能，因此要对无线移动信道有 一个较深的理解，从进行的各项测试中，得到推导出的信道模型必须满足以下两个 准 则 112 1: ( 1)它们必须足够简单，以便能够对系统的基本性能进行分析计算; 华北电力大学硕士学位论文 ( 2)它们必须与实际情况十分接近， 换言之，用这些模型分析得出的性能必须与 在无线移动信道中实际测量的结果相吻合。 这两个要求是互相矛盾的，所以人们建立了各种不同复杂度和精确度的模型。 对于特定的算法来说，在不同的信道模型所能达到是性能水平是不一样的。本文中 对于同一种信道使用不同天线时候容量不同，也能证明这种说法。下面简要介绍一 下论文中将要使用的一些信道模型及其特点: 1 . 多径信道 多径传播是由于地面物的多重反射和折射产生的。由于反射和绕射，产生了接 收路径的异化，这种现象称为多径效应。多径效应使基站向空间各方向发出的电波 反射或折射成多个信号来到接收点。由于各传播路径的长短不同，同一发射信号通 过它们到达接收点的诸子信号有不同的相位和幅度。这些子信号以矢量方式相加， 其总信号的幅度将随信号发射点或接收点的相对移动而变化。由于空中反射体的分 布是随机的，接收信号的功率分布也是随机的。并且随着发射点与接收点之间有无 直接传播路径，接收信号也随之有着不同的概率分布。 造成随参信道的实际原因可能很多，最具代表性的是多径传播，由此造成的衰 落叫多径衰落，如图2 一 2 所示. 图2 一 2 多径传播 2 ， 平衰落信道 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展;当发送端发送一个极窄的脉冲 信号时，接收端收到许多由不同时延的脉冲组成的信号;从频域上来看，信道对发 送的信号进行了滤波，对信号中不同频率的分量衰落幅度不一样;在频率上很接近 的分量， 它们的衰落也很接近， 而在频率上相隔很远的分量， 它们的衰落相差很大。 因此，根据信道对信号频率的选择性，也就是时延扩展和相关带宽，可以把衰落信 道分为平坦衰落信道 ( 非频率选择性衰落信道)和频率选择性衰落信道。 华北电力大学硕士学位论文 对于平坦信道来说，信号经过信道后仅仅经历了一个与频率无关的衰减，并附 加一个时延，经过信道传输后的信号波形和原信号相比没有失真。所有的频率分量 经历了相同的衰落，所以平坦衰落信道的条件可以概括为: b ， b 。( 2 一 1 ) 兀汀 ，( 2 一 2 ) 式中，兀 为 信号周期( 信号带宽凡的倒数) ;crt是信道的时 延扩展. 总之， 当信道的时延扩展远远小于信号周期时， 信道是平坦的。 从频域上来看， 不同的频率分量经历了相同的衰落;从时域上来看，接收信号只经历了一个可分辨 径的衰落，符号间干扰可以忽略不计，这时接收信号的波动可以表示为发送信号和 信道冲激响应的乘积。平坦衰落信道仿真图如图2 一 3 所示，所有频率分量经历了相 同的衰落。 暴 .1以】0 月 户 1阻】 ， 口)2 003扣 图2 一 3平坦衰落信道仿真图 另外，当 信道上的 相干时间远远大于发送信号的周期， 且基带信号的带宽b ， 远 远小于相关带宽b 。 时， 信道冲激响 应的 变化比 要传送的 信号 码元周期低得多， 可认 为该信道是慢衰落信道，即 兀 兀( 2 一 3) 且 几 b d( 2 一 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 在慢衰落信道中，可认为信道参数在一个或者多个信号码元周期内是稳定的。 为了简化系统便于研究，有时候也把这种慢衰落信道当作平坦衰落信道进行分析。 3 . 瑞利衰落信道 若天线间的路 径数l充分大， 且各路 径上的h 是 独立同 分布的， 那么 按照中 心 极 限 定 理 ， 从 t) 将 是 一 个 复 高 斯 过 程， 其 模 !h 月服 从 瑞 利 分 布 ， 这 样 的 衰 落 也 叫 瑞 利衰落 ( r ayleigh衰落) 。 正如独立同分布的建模推理: 同分布是说这些射束中任何 一个都不比其他射束更特殊;独立是说在各个射束上的复数增益互相没有关系。虽 然这些假设对实际来说未必理想成立， 不过中心极限定理有弱形式， 只要l 足够大， 很多物理现象都有趋高斯的特性。 当 信道中不存在一个较强的直达径， 并且满足以下的条件侧 : ( 1)各分量应具有随机的幅度和相位，且其统计特性相互独立; (2 ) 各分量具有近似相等的功率; ( 3)随机的相位在 0 ，2 汀 ) 内均匀的分布; (4 ) 信号至少有5 条以上的独立路径; 则信道中所传输信号的包络服从瑞利分布。当发射机和接收机之间有相互移动时， 散射通道的时变特性使得接收波形的同相分量与正交分量之和的幅度也是时变的。 瑞利信道仿真图如图2 一 4 所示。 1*-十1. 图2 一 4瑞利信道仿真图 华北电力大学硕士学位论文 4 . 莱斯衰落信道 如果多径中有一个稳定而且强度显著突出的径，则此径之外的其余径合成一个 复高斯过程，这个强径贡献一个复常数， h ( t ) 二 从而合成的信道增益是 h ( ， ) + k 此 时 卜 1 服 从 莱 斯( 瓦 ci an ) 分 布 复 信 号 * (t) 代 表 一 个 窄 带 高 斯 过 程 ， ( 2 一 5 ) 复数 k代表 一个正弦波。正弦波十 窄带高斯的包络是瑞利分布。 当存在视距传播时，则信号在如上的瑞利衰落多径上叠加了一个主要的静态信 号分量。包络检波器的输出端就会在随机多径分量上叠加一个直流分量，所以包络 服从莱斯分布l3 .莱斯信道包络图如图2 一 5 所示。 八以|1 jz了日 1.1|、ee|、|11| 日门材汁“!ijeeesllll. 石2乃 2. 。 犷一不渝一茄旨一兹万一碱万，鼓。 图2 一 5莱斯信道仿真图 22 分布式 mi mo信道模型 通常点对点的mimo系统主要是指在发送端和接收端本地使用多个天线， 在无 线网络中，还有另外一种利用多个天线的方式，就是在较大的空间范围内安装多个 基站天线，每个基站天线将接收到的移动台信号统一传送到一个中心基站进行处 理，而中心基站也可以将信号同时通过多个基站天线发送给移动台，这种利用多个 天线的方式被称为分布式天线系统。 因此这种mi mo系统也被称之为分布式mi mo 华北电力大学硕士学位论文 系统114 】 。分布式m i mo信道结合了普通的m i mo系统与分布式天线系统两者的特 点，它由一个移动台和n个相隔较远的基站天线端所构成。 1 l 天线 1 l 天线端n 天线端1 图2 一 6m i m o 系统模型 如图2 一 6 所示， 其中假设移动台有m个天线， 每个基站天线端有l 个天线. 为 方便书写， 将这种天线系统所构成的m i m o信道记为( m ，n ， l)分布式m i mo信道。 分布式m i m o信道模型是更加广义的mi m o信道，传统的点对点m i m o信道和分 布式天线系统 只是分布式m i m o信道的 两个特例， 即 分别为( m ， 1 ，l)与 ( m ，n， 1 ) 系统. 以 上行信道为例， 假设信道满足平坦衰落条件，5 (t)为m、 1 的具有零均值单位协方 差的发送信号矢量; p是一个 m、 m 的正定对角矩阵，用来将给定的发射功率分配 到m个发射天线上， 总的 发射功率由p t 二 tr p 确定。因为困， n ，l) 分布式m i m o 信道中多个天线端在空间上分别位于不同的位置， 因此接收端接收到的信号将与各 个天线端到移动台的距离有关，总的接收信号可以表示成为: r ( t ， d ) = h ( d ) p 百 5 ( ， ) + n ( t ) ( 2 一 6 ) 其中 n (t)是nl、 1 的 噪 声 矢 量， 其中 每 个 元素 假设 为 具 有 独 立同 分 布、 零均 值 单 位 方 差 的 复 高 斯 变 量 ; d 是 一 个n 、 1 的 距 离 矢 量 ， 即 阮 叭 心y ， 其中 峨 表 示 移 动 台与第 m个天线端之间的距离。对于下行信道而言，只要对式( 2 一 6)中矢量和矩阵 的维数做相应变化即可。 式( 2 一 6)中h是nl x m维的分布式m i mo信道矩阵， 它与 距离矢量d 有关，对于上行信道而言，假设移动台到各个基站天线端所承受的阴影 衰落和小尺度衰落相互独立，则信道矩阵量包含了n个独立的l x m子信道矩阵， 即: 华北电力大学硕士学位论文 hi( 风 ) 从( 人 ) ( 2 一 7 ) 价( 心) r.片衬.ee.月l 一一 d 产百.、 h 其中 风仅) ， n = 1 ， ， n为l m维 的 子 信 道 矩阵 ， 表 示 移 动台 与 第n 个 天 线端 所构成的点对点m i m o信道，气的 元素与移动台 到 第n 个天线端的 距离式有 关。 ( 2 一 8 ) 帆.:帆 心心 厂rl.lwe.、 一一 凡( dn ) 其 中 嵘( 氏 ) 表 示 从 移 动 台 第m 个 天 线 到 第n 个 基 站 天 线 端中 第1 个 天 线 之间 的 信道，其中不仅包含小尺度衰落， 而且也包含阴影衰落和路径损耗。假设由于信道 存在视距直射(l0 5 一 li ne ofsi g ht)分量，小尺度衰落服从正ci an分布，因此对于包 含 路 径 损 耗 、 阴 影 衰 落 和形 ci an小 尺 度 衰 落的 信 道 子 矩阵 量风( 峨 ) ， 。 = 1，. ， n 可以 表示如下: 二 (、 卜 、 (、 )摄硫 (武 卜 濡川 一 ; 一 n2一 ， 其中 万 及 招 为l x m矩阵， 表示 移 动台m个 天线与 第n 个天 线 端l 个天 线 之间 小 尺度衰落中l o s 分量。 同时也表明信道容量依赖于信道矩阵向量特征值的分布， 为 确定 矩阵 量是否对其的 影响较大， 考察两种边界情况: 万 流的秩为1 和万 肠为满秩 的情况。对于第一种情况，l o s 分量与载波波长和移动台和天线之间的距离有关， 为以下确定矩阵: 万 氛( 峨 ) exp( 万 2 二 心 / 对 exn( 一 2 ， 心 / 兄 ) exp( 一 jz 从/ 劝 exp( 一 jz ， 峨 1 刃 n = 1 ，2 ， ， n( 2 一 1 0 ) zf.，.月.、 一一 其中兄 为 载波波长。 而万 卫 命 认为 满秩时， 如下表示: exp( 妈: )一 exp( 皿， ) exp( 少 毛) 脚( 少 气) ” = 1 ， 2 ， 二， n( 2 一 1 1 ) 2厅ltee巨、 一一 踢 其中气， j = 1，2， l， m = 1， 2 ， ， 材为 相 互 独 立并 在均 匀分布的 随 机 变量 式( 2 一 9) 括号中 第二 项 表示小 尺 度衰 落中 的散 射分量，衅是l x m维的随 机 矩 l l 华北电 力大学硕士学位论文 阵，其元素为零均值单位方差相互独立的复高斯随机变量。式( 2 一 9)中k定义为小 尺度衰落中l o s 分量功率与散射分量功率之比， 也被称为几ci an信道因子。 当k 分co 时，小尺度衰落信道变为确定性信道，而当k峥0 时，则 形ci an 信道退化为纯 r 盯l e i gh信道。 式( 2 一 9) 中h:认) 为 移 动台 与 第n 个 天 线 端 之间 的 阴 影 衰 落与 路 径 损 耗， 表 示为: ; (、 一 (老 了 漪 一 1，2 ，一 “ ( 2 一 1 2 ) 其中 临 = 力 五 n 从， ， = 1，. 二 ， n 为n 个 基 站 天 线 端 与 移 动 台 之 间 的 最 小 距 离 。 : 为 路 径 损 耗 因 子 ， 氛 为 高 斯 随 机 变 量 ， 满 足 么 一 n (0 ， 蠕) ， ct * 为 第n 个 天 线 端 与 移 动 台 之 间 的 信 道 阴 影 衰 落 的 标 准 差 。 令 氏 = 20 10 9 弋 认) 易 得 几一 n 伽 。 ，。 磊 ) ， 其 中 巧= 一 a. 10log 帆/ 临 ) 为 移 动 台 到 第n 个 天 线 端 的 相 对 路 径 损 耗， 因 此 易 证明 蛛服 从 均 值 为 产 ， ， 标 准 差 为 。 * 的 对 数 正 态 分 布 。 因 此 对 于h 中 的 单 个 信 道 衰 落 嵘伙) 而 言 ， 其 包 络 峨 认戈 服 从 形 ci a n 一 l o gn o rmal 分 布 ， 已 知 相 对 路 径 损 耗 和 阴 影 衰 落 标 准差时， 对应接收功率的条件概率密度函数为 、尸 ( 、 + k) 尹 门1 + k)、 r 陌双 五 贾 万 、1 。( ( 10 嗡。 5 一 、 )， 、 ， 、 一，-j ， 夕又 1 。)m k 1 v) ， 幼 吃 尸 k如 诫 门 ) ( 2 一 1 3 ) 其 中 10 ( .) 为 第 一 类 零 阶 修 正 的b es s el 函 数 。 2 . 3 随参信道特性的改善 随参信道的衰落，将会严重降低通信系统的性能。为了抗衰落可以采用多种措 施， 例如，各种抗衰落的调制解调技术、抗衰落接收技术以 及扩谱技术等。其中明 显有效且被广泛应用的措施之一是分集接收技术。按广义信道的含义来说，分集接 收可看作是随参信道中的一个组成部分或一种改造形式，而改造后的随参信道，衰 落特性将能得到改善。 本节重点讲解一些m i m o技术及其在合作分集无线网络中的应用， 分集技术是 合作分集无线网络的基础，故先重点介绍一下分集技术。 天线分集是无线移动通信中对抗多径效应的一种最普遍的方法。如果使天线彼 华北电力大学硕士学位论文 此分离得足够开，那么到达各天线的信号是近似统计独立的。这样，两天线不可能 同时出现在深衰落中。如果以一种适当的方式把天线上的信号合并，那么总信号受 衰落影响的 可能性也 很小 哪 。 2 . 3 . 1天线分集原理 分集技术就是利用多条链路来传输同一信号以减小衰落的影响， 提高系统的通 信可靠性，是改善无线链路质量的有效技术。 下 面 简 单 介绍 分 集 接收 的 原 理 ll 1 。 分 集技 术 是 在 不 提 高 发 送功 率 和 系 统 带 宽的 情况下， 克服多径衰落的有效方法， 现已在短波通信、 移动通信中得到广泛的应用。 所谓分集， 是在发射端用不同的信道方式( 时间、频率、空间) 发送携带同一信息的 多个信号。由 于各信道有不同的衰落特性，接收端收到这些信号后对这些信号进行 合并处理， 以减少各种衰落对接收机信号的影响， 从而能够正确地恢复原来的信号。 在衰落信道中接收的信号是到达接收机的各个信道分量的合成，如果在接收端 同时获得几个不同路径的信号，将这些信号适当合并构成总的接收信号，则能够大 大减小衰落的影响，这就是分集接收的基本思想。而多输入多输出系统就是利用了 分集接收来提高信道质量和信道容量的。 2 . 32分集分类 互相独立或基本独立的一些接收信号，一般可利用不同路径或不同频率、不同 角度、不同极化等接收手段来获取。大致有如下几种分集方式: 1 . 空间分集 在接收端架设几副天线，各天线的位置间要求有足够的间距 ( 一般在1 00个信 号波长以上) ，以保证各天线上获得的信号基本相互独立。空间分集技术可以不用 牺牲信号的频率带宽，在保证数据传输速率的同时获得极大的分集增益，是减少多 径衰落的有效方法，从而受到广泛关注，成为第三代移动通信的关键技术之一。传 统的空间分集分为发送分集和接收分集:接收分集是在接收端用多个天线接收，在 接收机通过适当的合并方式恢复信号 ( 应该包括最大似然解码，以及线性解码等) : 发送分集是在发射端用多个天线发送信号，每个天线平均分配信号的发送功率，接 收端仅使用一个天线来接收。此时， 注水定理的引入和接收端也使用多根天线是 mi mo的进步之处。 2频率分集 用多个不同载频传送同一个消息，如果各载频的频差相隔比较远，则各载频信 号也基本互补相关。 华北电力大学硕士学位论文 3 . 角度分集 这是利用天线波束指向不同使信号不相关的原理构成的一种分集方法。例如， 在微波面天线上设置若干个照射器，产生相关性很小的几个波束。 4 . 极化分集 这是分别接收水平极化和垂直极化的波而构成的一种分集方法。一般说， 这两 种波是相关性极小的。 以 上是从整体意义方面对分集进行划分，常见的接收分集具体有以 下几种: 1 . 接收信号强度指示驱动的选择性分集 ( r s sl一 s c ) : 在此，选择具有最大瞬时 功率 ( r s sl)的信号;去除其他天线的信号。总信号的包络r简单地表示为: r = max (r， r z ， 一 ， r : )( 2 ， 1 4 ) 其中l是分集的分支数. 2 . 等增益合并 ( e g c ) : 该方法中， 给接收信号加上正确的相位。 所有天线的信 号等增益进入。对于e g c ，总信号的包络为: ， 一 贵 补 ( 2 ， 1 5 ) 3 . 最大比合并 ( mr c ) :该方法中，也给从天线来的信号加上了正确的相位 但是信号首先按其信噪比进行加权。总信号的包络为: ， 一 榕 、 ( 2 一 1 6 ) 4 . b er 驱动的选择性分集 ( b e r . s c ) :最大比合并强调信号具有高的场强， 但 对于频率选择信道，即使具有高的场强，信号可能也会产生严重失真。在同信道干 扰很大的情况下，高场强意味着强干扰。因此，最大比合并并不是这种情况下的最 优选择，通过b e r-s c可以获得更好的性能。对于这种方法，需要发送训练序列。 从各分集分支接收到的信号经过解调后，与原始的训练序列进行比较。定义一种量 度，选择使量度最大或者最小的分支，并在下一个训练序列发送之前使用该分支。 5 . 最小均方误差分 集 ( m m s e分集， 也称为 最优合并 l 们 ) : b e r-s c在存在符 号间串扰时有较好的效果，但它的定义是次最优的，因为它采用的是选择性分集。 通过m ms e分集可以得到有效的合并， 此时， 分集信号通过该方法进行合并使的均 方误差最小。 6 . 预检测合并: a dach i 及其合作者 川侧针对m p s k提出了一种“ 盲” 预检测方 华北电力大学硕士学位论文 法，其中针对检测的是相位而不是接收信号，根据接收分支的瞬时接收功率进行加 权， 之后再相加 ( 而文献2 oj 实际上是用先前判决推导的加权代替瞬时接收功率加 权，从而得到更加简易的实现) 。该方法比较简单，但是不如mr c有效。 以上提及的所有技术都利用了由同一发送信号的各独立衰落分量所提供的分 集。一个衰落信道本身可以看作一种信道延迟扩展和信道时变特性的结合。特别是 将时间分集用于平衰落信道，可以产生显著的性能提高121，22 . 华北电力大学硕士学位论文 第三章 m i m o 技术及天线选择对系统容量和可靠性的影响 在设计和评述通信系统时，往往要涉及通信系统的主要性能指标，否则就无法 衡量其质量的优劣。性能指标也称质量指标，它们是对整个系统综合提出或者规定 的。通信系统的性能指标涉及其有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护 使用等等。尽管对通信系统有名目 繁多的实际要求，但是从研究消息的传输来说， 通信的有效性和可靠性是主要的矛盾所在。有效性主要是指消息传输的 “ 速度”问 题，而可靠性主要是指消息传输的 “ 质量”问题。系统容量定义为每秒钟在信道中 所能传输的最大码元数，体现了有效性。本章重点讲解系统容量，在下一章中重点 介绍可靠性方面的内容。 多输入多输出无线数字通信系统也称为大容量数据传输系统，被公认为是实现 下一代移动通信的关键技术之一。 mimo技术的核心是空时信号处理， 也就是利用 在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理。 本章首先分析mimo 系统的数学模型和信道容量，然后把一种固定的天线选择 算法作用于不同的信道，给出信道容量的变化仿真图以及不同天线选择算法对系统 容量的影响，最后给出天线选择算法对系统可靠性的影响。 3 . imi mo技术介绍 3 . 1 . imi m o 系统的数学模型 假设无线通信系统处于有很多散射物的传播环境中，此时可以认为信道服从瑞 利分布。同时假设各个接收天线之间的衰落互不相关，只要接收端天线之间的相互 距离大于半个波长， 就可以假设各个天线上的信号是不相关的123 l2 4 . 下面给出无线 mi mo 信道的一些定义和基本的假设。 假设发射天线数目 为n， 接收天线数目 为m， 相应地可以用 ( n，m) 表示多天线 系 统。 总 的 发 射功 率为宾， 与 发 射 天 线 数目 n 无关。叮 ， 为 m x l 维的 加 性 复 高 斯白 噪 声矢量，咭 丫满足 e 阮 了 1 一 弓 (3 一 1) 这 里编表 示m维的 单 位 矩阵 ， 心是 噪 声 方 差。 在 平 坦 衰 落 信 道 的 假 设 下 ， 可 以 用 g 一 医 .， 七 二 、 表 示 信 道 脉 冲 响 应 矩 阵 。 令 5 ， 为 华北电力大学硕士学位论文 n xl维的发 送信号矢量，rt 为m xl维的 接收 信号矢 量， 则 可以 用下式表示第1 个接 收天线上的接收信号 万 刁 = 艺9 。 可 + 叨(3 一 2) 用矩阵的形式表达则 ( 3 一 2 )式可以写成 rt= gs 十 从 ( 3 一 3 ) 令凡为各个接收天线上的平均接收功率， 则第1 个接收 天线上接收到的 平均功 率为 “ 二 e 口 rt = 卖 9 ，e 门 ( 3 一 4) 所以 各 个接收天线上的 平均接收功率几可以 写 成 ， 二 。二 、 ，、二 : j、2、 套 客 j。 ， ， ” 丽 丢 恰9 “ !气 叮 了 一 二 氮 厂 一矛 ; ( 3 一 5 ) 接 收 端 的 平 均 信 噪 比 为p = 凡 j 心 归 一 化 的 信 道 脉 冲 响 应 矩 阵 h 一 仄 。 七 x， 定 义 为 匆 z g = 弓 z h ( 3 一 6 ) 结合式(3一 5)，得到 h h h = 兰俨g 凡 五 v。_ = .不 万 下 丫行 二9 少 j 一 1 ( 3 一 7 ) 从 式 ( 3 一 7) 中 ， 可 以 看 出 矩 阵 h “ h 的 迹 ， 卜 “ h l 一 、。 所 以 h 的 元 素 为 独 立 同 分布的复高斯随机变量，其均值为0 ，方差为1 。即: 气= n (0， 0.5) + jn(0， 0.5) 其中n ( 0， o 2 ) 表示均值为 0 ， 方差为。 2 的高斯分布。 ch p 一5 o ar e d 分 布 ， 并 且 : 卜 ， 1 二 1 . ( 3 一 8 ) 所 叫 州 ， 服 从 自 由 度 为“ 的 华北电力大学硕士学位论文 利用h，把系统表示为 功. + 认 ( 3 一 9 ) 图 式( 3 一 9)所表示的系统，其性能和下式表示的性能是相同的: 。 一 薇 。 ( 3 一 1 0 ) 其 中 n = 。 st 才 1 ， 。 r 的 方 差 。 森 一 1 。 由 于假设准静态信道的参数在一个数据帧内保持不变，在式 ( 3 一 10)中可以忽 略 下 标 ， . 令， = 认 ， 5 2 ， ， 5 、 )r ， 冲 = 仇， 叭 ， ， )r ， ; = (rl ， 几 ， ， 、 ) r ， 系 统 可 以 表 示为: 一 备 。 ( 3 一 1 1 ) 其 中 ， sss = n ， 刀 的 方 差 为 。 卜1 。 3 ， 1 . zm i m o系统的信道容量 由 信息论可知，表征信道特性最重要的参数是信道容量。信道容量是指信道中 可以以任意低的错误概率传输的最大传输速率，数据可以在信道中以低于信道容量 的速率可靠传输。信道容量定义为接收信号r 和发送信号5 之间的最大互信息量。 c = max i(r， 5 )( 3 一 1 2 ) 文献【 2 3【 2 4 2 5 从信息论的角度研究了多天线系统在衰落信道中的信道容 量。51 5 0系统信道容量为: c = to g z ( 1 + 叫 刊 ， ) ( b i仃 姗2 )( 3 一 1 3 ) 其中h 为一个固定无线信道或一个随机信道的某一特定实现的标准化复增益， p 为接收端天线的信噪比s n r 。 当在接收端使用m根接收天线时， 就可以得到si mo 系统的信道容量计算式: c 一 109 2 。 + ， 觉 ， !， ) 。 ; ( 3 一 1 4 ) 其中氏 是第1 个接收天线的 增益。 从上式可以 看到， 随着m的 增加仅仅导致平 均容量对数增长。 类似地， 如果在发射端采用m个发射天线， 可以得到mis o系统 l 8 华北电力大学硕士学位论文 的信道容量计算式 c = ，。9 2(l 斋 套 “、) b “ h ， ( 3 一 1 5 ) 式( 3 一 巧) 中分母上的 m 是为了保证发射端能量保持不变。综合式( 3 一 1 4)和 ( 3 1 5)，在发射端采用 m个天线，接收端采用 n个接收天线，可以最终得到著名 的m imo系统容量公式: c 二 ，。921et 、 斋 hh ) b t/ /h ， ( 3 一 1 6 ) 其中h是一个n x m阶信道矩阵， 其系统容量随m i n( m ，n ) 线性增长， 而不是如 s imo和mlso系统中的指数变化。 mi mo系统的信道容量理论为空时编码增加系统容量提供了理论依据，如果接 收机能准确估计信道状态，并保证不同发射一接收天线之间的信道相互独立，则在 相同的发射功率和带宽下，一个拥有 m根发射天线和 n根接收天线的系统能够达 到的信道容量为单天线系统的m i n( m ，n) 倍。 32m i m o 系统特征 传统上认为多径传播是无线传输的一个缺陷，如2 . 1 节内容中所提到的。而 mi m o 系统的主要特征就是把多径传播转变成为对用户有利的因素，它有效地利用 随机衰落来提高传输速率。因此，mimo 系统成功的主要原因是它可以极大地提高 无线通信性能，不需要以频谱为代价。无线信道建模对无线通信系统的研究和算法 性能评估至关重要，信道建模要求信道模型尽量符合实际的无线环境，还要求必须 使用方便，并具有普遍性。 研究mimo系统的目的是提高无线信道的信道容量。 mimo系统并不是没有限 制，首先它要求所使用的子信道是互相独立的，这就要求找到一个合适的天线选择 算法，使天线数目 和天线距离都达到最佳，从而保证各个子信道之间是独立的。其 次，随着天线数目的增加，信道容量成倍增长，接收设备的复杂度也在增长。现在 还存在的一个问题是如何降低接收设备的复杂度。最后，mi mo系统还需要有准确 的信道估计，无疑也增加了信道和接收设备的复杂度。所以要找到合适的天线选择 方法和编码调制方法，降低其复杂度。 mimo 技术的核心是空时信号处理，也就是利用在空间中分布的多个天线将时 间域和空间域结合起来进行信号处理。mi mo 技术可以看作是智能天线的扩展，智 能天线是一种起源于几十年