（通信与信息系统专业论文）基于联合波束形成的下行空分多址技术.pdf

摘要 摘要 基于多天线的空分多址技术可以在有限的频谱内支持更多的用户，从而 成倍的提高系统的频谱使用效率。下行空分多址通常可由阵列波束形成技术 和m i m o 多用户预编码技术实现，本文针对现有的下行空分多址技术存在的 若干问题，开展了如下的工作： ( 1 ) 针对阵列天线系统空分多址技术干扰过大以及m i m o 系统空分多址技术在 相关信道环境下性能下降的问题，研究了一种基于单阵列的联合波束成形空分多 址方案，通过将阵列波束形成和m i m o 多用户预编码技术进行有机结合，提升了 空分多址技术在相关信道下的性能。 ( 2 ) 在( 1 ) 的基础上，研究了一种基于单阵列的多用户特征波束形成方案。阵列特 征波束成形可以产生空间相互独立的波束，因此可以更好发挥m i m o 多用户预编 码的优势来提升系统的性能。 ( 3 ) 针对单阵列系统联合空分多址在用户的波束方向相差较小时，波束相关性较 大导致的系统性能下降的问题，提出了一种基于多阵列的联合波束形成空分多址 技术，通过采用多个空间独立的阵列天线，有效降低了用户波束之间的相关性， 解决了用户波束方向相差较小时性能差的问题。 关键词：空分多址阵列天线多输入多输出多用户预编码多阵列系统 a b s t r a c t s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( s d m a ) t e c h n i q u ei nm u l t i p l ea n t e n n a ss y s t e mc a n m u l t i p l y i n c r e a s et h es y s t e m sc a p a c i t yt os u p p o r tm o r ei l r sw i t hl i m i t e ds p e c t r u m , i m p r o v i n gt h es p e c t r u me f f i c i e n c y d o w n l i n ks d m ai sg e n e r a l l yr e a l i z e db ya r r a y a n t e n n at e c h n i q u e so rm 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 ) t e c h n i q u e s a i m i n ga t s o m ee x i s t i n gp r o b l e m so fd o w n l i n ks d m a ，t h i st h e s i sm a k e sc o n t r i b u t i o n si n ： ( 1 ) t oo v e r c o m et h el a r g ei n t e r f e r e n c ep r o b l e mi ns d m ao fa r r a ya n t e n n as y s t e m a n dt h ep r o b l e mp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o ni ns d m ao fm i m o s y s t e mi nac o r r e l a t e d f a d i n gc h a n n e l ，aj o i n tb e a m f o r m i n gb a s e dd o w n l i n ks d m a s c h e m ef o rs i n g l ea r r a y w h i c hc o m b i n e sa r r a yb e a m f o r m i n ga n dm u - m i m ob e a m f o r m i n gi sp r o p o s e d ( 2 ) b a s e do n ( 1 ) ，e i g e n b e a m f o r m i n gf o rm u l t i - u s e ri sr e s e a r c h e d ；e i g e n b e a m f o r m i n g c o n v e r t st h ef a d i n gc h a n n e l si n t oo r t h o g o n a lo n e s ，i tc a nm a k eb e t t e ra d v a n t a g eo f m u - m i m o b e a m f o r m i n g ( 3 ) w h e nt h eb e a m so ft h eu s e r s a r ec l o s et oe a c ho t h e r , t h ej o i n tb e a m f o r m i n gb a s e d s d m ao fs i n g l ea r r a yh a sap e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o nb e c a u s eo ft h er e l e v a n c eo ft h e b e a m s ，w ep r o p o s e dam u l t i p l e a r r a y - a n t e n n as y s t e mf o rt h ej o i n tb e a m f o r m i n gb a s e d s d m a ，t h ea r r a y so ft h ep r o p o s e ds y s t e ma r ei n d e p e n d e n ti ns p a c e ，m a l ( 证gt h eb e a m s o ft h ea r r a y si n d e p e n d e n t , s oi tc a nh a v eab e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h es i n g l ea r r a y s y s t e mw h e nt h eu s e r s b e a m sa r ec l o s e k e y w o r d s ：s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s sa r r a ya n t e n n a 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 u l t i u s e rp r e c o d i n g m u l t i p l e - a r r a y - a n t e n n as y s t e m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文研究背景及意义 随着无线通信技术的快速发展，无线通信的产品越来越普遍化、大众化，致 使无线通信的用户数量急剧增长，伴随着无线通信流量以及数据速率的不断提高， 对通信系统资源利用率的要求也相应的越来越高【i j 。在时间、频率和编码技术的潜 力已经发挥到了极致的情况下，如何在资源有限的传输环境下，以较低的发射功 率实现更高的传输速率、更少的呼叫丢失、更好的服务质量、更大的网络容量以 及更广的用户覆盖度，给无线通信系统设计者提出了更难的问题。在此背景下， 多天线技术应运而生，多天线技术作为一种提高频谱利用率的有效手段，成为各 类新兴通信系统的关键技术之一，推动着无线通信的进一步发展。而多天线技术 中的空分多址( s d m a ) 技术【2 】能够通过空间分割信道，成倍增加系统的容量，在 有限的频谱内支持更多的用户，从而能够成倍的提高频谱使用效率，有效地 缓解日益紧张的频谱资源。 1 1 1 多天线系统的基本概念 多天线系统是指发端或收端有多根天线组成的通信系统，通常根据天线之间 相关性的大小可以分为天线之间强相关的多天线系统和天线之间弱相关( 或相互 独立) 的多天线系统。前者通常称为阵列天线系统【3 】【4 】【5 】1 6 1 ，而后者我们一般称为 多输入多输出0 沮m o ) 系统【7 】【8 1 1 9 。 阵列天线也称作智能天线，它利用数字信号处理技术可以在空间形成定向波 束，使天线主波束对准期望方向，旁瓣或者零陷对准干扰方向，一方面减少了由 此信道所引起的对其它用户的干扰，另一方面也降低了干扰用户对期望用户或期 望信道的干扰。从本质上看，它利用了天线阵列中各阵元之间的位置关系，即利 用了信号的相位关系来克服多址干扰。阵列天线系统要求各天线间信道是相干的， 适用于散射体少、角度扩展小的无线传播环境。阵列天线系统可以扩大小区的覆 盖范围、降低移动台的功耗，它通过波束进行空间分割，去除共信道干扰( c c i ， c o - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) ，从而提高信道的传输质量。但是当传播环境中散射体较 多或角度扩展较大时，很小的天线间距就有可能会使得天线间信道不相关，导致 系统的性能大幅下降。阵列天线在移动通信中的用途主要包括抗干扰、抗衰落、 增加系统容量以及移动台的定位等。阵列天线的核心技术是波束形成1 1 0 】【1 1 1 ( b f ， b e a m f o r m i o n g ) 。 m i m o 系统是为了提高具有丰富散射体的信道环境下的频谱效率而提出的， 2 基于联合波束形成的下行空分多址技术 m i m o 系统利用天线间相互独立的信道冗余来减少多径衰落的影响或者增加系统 的传输速率。在这种信道环境下，m i m o 系统可以提供分集增益或复用增益。信 息论的研究成果表明【1 2 】1 1 3 】：对于平坦瑞利衰落下的m i m o 系统，其容量随发射和 接收天线数目中的较小者呈线性增长。得出这一振奋人心的结论后，m i m o 系统 的研究成为了新的热点。对于一个发m 收的准静态( 信道增益在一帧时间内保 持不变，在不同的帧内增益不同且相互之间独立) 衰落m i m o 系统，采用适当的 空时编码技术可以获得最大值为m x n 的分集阶，但这一结果的得出是基于系统 任意收发天线之间的信道衰落是相互独立这样一个假设。这一假设要求系统的发 射机和接收机都被丰富的散射体所包围，且发射机和接收机之间不存在直视路径 ( l o s ，l i g h to f s i g h t ) ，并且发射机和接收机的天线之间都要有足够的间距( 通常基 站的天线间距要求在1 0 倍波长以上，移动台的天线间距要求在2 倍波长以上) ， 以保证任意收发天线之间所传输信号的衰落相互独立，即信道为瑞利衰落信道。 阵列天线系统和m i m o 系统所适用的信道环境是两个比较极端的例子，阵列 天线系统要求收发天线之间存在很强的l o s ，散射体的影响尽可能的小：而m i m o 系统要求收发天线之间存在丰富的散射体，不存在l o s 或者l o s 的影响尽可能小。 此外，阵列天线系统中阵元的间距要满足一定的相关性( 通常要小于1 2 倍的载波 波长) ，而m i m o 系统则要求阵元的间距足够大，以满足空间独立的要求。在实 际通信系统中，信道环境和天线方式的不匹配或者天线间距不满足要求，都会导 致系统性能的下降。例如，对于瑞利信道下的m i m o 系统，当天线之间的相关系 数在0 6 以上时，系统的性能会急剧下降，并且随着信噪比的增加，性能差距随之 增加，导致这种现象出现的原因是当发射天线的相关性较强时，系统无法获得多 天线信道所提供的分集增益。 1 1 2 空分多址简介 空分多址技术是根据用户的空间位置不同，利用空间分割构成不同的信 道，使得多个用户能够在同一时间、使用相同的频率和相同的扩频码进行通 信。空分多址是一种信道增容的方式，可以实现频率的重复使用，提高频谱 利用率。空分多址按照上下行传输方式分为上行空分多址和下行空分多址。 在上行空分多址中，检测信号在基站端，基站可以知道各个用户的信道信息， 并利用这些信息进行联合检测；而在下行空分多址中，在移动通信“中心基站 一分散终端的模式下，用户终端分散的，无法进行联合检测，因为所有信息的 传输都发生在用户与基站之间，各个用户之间无法进行通信，所以每个用户只能 获知基站到自身的信道状态信息，并且只能检测出自身的信号，而对其他用户的 信道情况和信号一无所知，因此，用户仅仅依靠自身的信息并不能对抗来自其他 第一章绪论 3 用户的用户间干扰，实际可行的实现下行空分多址的方式是基站先对发射数据进 行预处理，把各个用户的数据分隔开，用户端并不做任何处理。本文后面讨论的 都是下行空分多址。 一般实现下行空分多址的技术主要有基于波束形成技术的阵列天线空分 多址和基于m i m o 多用户预编码技术【1 4 】 1 5 j 的m i m o 空分多址。 阵列天线空分多址，简称空分多址，是一种新颖的多址技术，在由中国提出 的第三代移动通信标准t d s c d m a 中就应用了空分多址技术；此外在卫星通信 中也有人提出使用空分多址。空分多址实现的核心技术是阵列天线的波束形成， 理想情况下它要求阵列天线给每个用户都分配一个点波束，这样根据用户各自的 空间位置就可以区分每个用户的无线信号，换句话说，处于不同位置的用户可以 在同一时间使用同一频率和同一扩频码而不会相互干扰。空分多址的基本思想是： 阵列天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户，在接收信号时，来自窄 波束之外的信号被抑制，最大化有用信号的功率，在发射信号时，能使期望用户 接收的信号功率最大，同时使波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小。 阵列天线是利用用户空间位置的不同来区分不同用户的，在传统的频分多址 ( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 基础上，引入第四种多址方式：空 分多址，即在相同时隙、相同频率和相同扩频码的情况下，可以根据信号不同的 传播路径而区分。空分多址可以与其他的多址方式完全兼容，从而实现各种组合 的多址方式，例如空分码分多址( s d c d m a ) 。 m i m o 空分多址通常利用m i m o 系统的多用户预编码技术来实现，预编码也 可称波束形成。其原理是：基站获取各用户的信道信息，在发射端进行m i m o 多 用户预编码，消除多用户之间的共信道干扰。多用户预编码主要分为线性多用户 预编码和非线性多用户预编码两类。线性多用户预编码的代表有迫零( z f ) 多用户预 编码【1 们、最小均方误差 皿v i s e ) 多用户预编码1 17 】和块对角化( b d ) 预编码【1 8 】。其中 z f 多用户预编码技术是指在发射端进行预编码，使得每个用户的预编码向量都处 于其他用户的信道矩阵的零空间中，从而消除用户之间信号的干扰。源于c o s t a 环 的t h p 1 9 1 ( t 0 m l i s o n h a r a s h i n ap r e c o d i n g ) 是非线性多用户预编码的典型技术，c o s t a 证明了这样一个结果：在传统加性高斯白噪声信道中引入一个加性的干扰，只要 发射机知道这个干扰，并不需要花额外的功率去对消干扰，就可以使这种信道达 到的容量与没有干扰的信道容量相同。多用户预编码的良好性能是建立在发射端 具有完全信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n , c s l ) 条件下的，c s i 的估计误差 会在很大程度上降低多用户预编码的性能。发射端信道信息的获取主要两种方式： 基于反馈的获取方式和信道互易的获取方式。 基于反馈的获取方式是指：一般情况下，只有收端能通过信道估计来获取信 道信息( c s i r , c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na tr e c e i v e r ) ，发端并不能知道，因此，通常 4 基于联合波束形成的下行空分多址技术 是采取在收端利用发端发送的导频来做信道估计，再将估计的信道信息反馈给发 端的方法。信道互易的获取方式是指：如果系统是全双工系统，那么知道前向信 道的信息，就可以利用前向信道和反向信道的相似性，直接用前向信道信息的转 置作为反向信道信息。 1 1 3 下行空分多址存在的问题 空分多址技术有着很多明显的优势，它利用空间分割构成不同的信道，能够 显著地提高系统容量。尽管阵列天线系统和m i m o 系统都能实现下行空分多址， 然而，下行空分多址要实现在实际工程中的应用，仍有许多问题需要解决。 1 1 3 1 阵列天线空分多址存在的问题 ( 1 ) 信道环境的复杂性以及阵元间距的不匹配会降低阵元相关性，导致系统性 能的下降。 ( 2 ) 当需要进行空分多址的用户的方向离的较近时，给用户分配的波束不能分 隔开，彼此之间产生较大的干扰，仅使用波束无法将用户区分开来。 ( 3 ) 在实现阵列空分多址的时候我们假设波束形成后用户间的干扰受到抑制， 而实际中，由于信道的复杂性，很难使干扰抑制到指定的程度，导致用户误码率 较高，性能不能达到要求。 ( 4 ) 由于移动无线信道的复杂性，使得阵列天线中关于用户信号的动态捕获、 识别与跟踪以及信道的辨识等较为困难，用户信号到达方向( d i r e c t i o no fa r r i v a l d o a ) 估计可能存在较大的误差，导致波束指向产生偏差，同时对其余用户产生干 扰。 1 1 3 2m i m o 空分多址存在的问题 ( 1 ) 多用户预编码要求发射端具备完整的信道信息以消除多用户干扰，在收发 天线数较多的情况下，需要反馈的信道信息会占据大量宝贵的无线带宽，降低频 谱利用率。 ( 2 ) 多用户预编码要求任意收发天线间的信道衰落相互独立( 通常基站天线间 距要在1 0 倍的波长以上，而移动台的天线间距在2 倍的波长以上) ，这在实际应 用中很难实现。相关性会给系统带来性能的下降。 ( 3 ) 发射端要获得完备的c s i 在目前的通信系统中很难实现，在实际通信系统 中，由于反馈延迟的影响和信道量化引入的误差，使得发射端无法准确获得下行 c s i ，而c s i 的准确性对多用户预编码有着较大的影响。 ( 4 ) 在收发天线数较大的情况下，预编码算法的复杂性较大。 第一章绪论 5 1 2 本文研究内容及结构安排 本文针对阵列天线系统和m i m o 系统所适用的环境以及阵列天线空分多址和 m i m o 空分多址在具体实现时存在的问题，研究了一种适用于下行相关衰落信道 的基于联合波束形成的空分多址方案，该方案将阵列波束形成技术和m i m o 多用 户预编码技术相结合( 由于预编码一般也可称作波束形成，因此我们把该方案称 为联合波束形成) ，融合了阵列天线系统和m i m o 系统的一些优点，提升了系统的 性能，同时解决了使用阵列进行空分多址存在的干扰过大的问题，并对m i m o 多 用户预编码实现了降维处理。本文还把单用户的特征波束形成技术推广到多用户 系统，并利用特征波束形成波束的独立性更好地结合m i m o 多用户预编码，进一 步提升了系统的性能。最后针对单阵列系统联合波束形成空分多址在阵列波束方 向较近时波束相关性较大所存在的性能下降的问题，本文提出了一种多阵列系统 的联合波束形成空分多址技术，由于多阵列系统各个阵列相距较远而独立，因此 产生的波束也相互独立，从而解决了上述相关性问题；同时还对比了单阵列系统 和多阵列系统性基于联合波束形成空分多址的性能。本文研究工作具体安排如下： 第一章：对论文的研究背景进行了简单的叙述，回顾了常用的两种多天线系 统( 阵列天线系统和m i m o 系统) 的关键技术以及基于这两种系统的空分多址技 术，并分析了空分多址系统存在的问题，在此基础上提出了本文的研究内容。 第二章：首先简单介绍了阵列天线基本概念、波束形成技术以及d o a 估计【2 0 】 技术；然后介绍了m i m o 系统的基本原理、单用户多用户m i m o 系统及m i m o 预编码技术，为后续研究奠定理论基础：最后对阵列天线系统和m i m o 系统进行 了比较。 第三章：详细介绍了阵列天线空分多址和m i m o 空分多址的系统模型及各自 的实现方式，介绍了几种常用的空分多址方法，并对比了阵列天线空分多址和 m i m o 空分多址。 第四章：首先分析了在使用阵列天线进行空分多址时所存在的一些问题，研 究了一种基于联合波束形成的空分多址方案，结合了阵列波束形成和m i m o 多用 户预编码技术，解决了一些使用阵列进行空分多址存在的问题；然后把单用户特 征波束形成推广到多用户系统，并利用特征波束形成波束的独立性结合m i m o 多 用户预编码，进一步提升系统性能；最后提出了一种多阵列系统的联合波束形成 空分多址技术，解决了单阵列系统在波束方向较近时由于波束相关性较大造成性 能下降的问题，并对比了单阵列系统和多阵列系统性基于联合波束形成空分多址 的性能。文章最后利用仿真分析了上述各系统的性能。 第五章：结束语。对全文的工作进行总结，对下一步的研究工作进行展望。 6基于联合波束形成的下行空分多址技术 第二章多天线技术简介 第二章多天线技术简介 多天线技术是提高频谱利用率的有效手段，根据天线之间间距的大小，多天 线系统主要分为天线间距小、强相关的多天线系统和天线间距大、非相关( 或弱 相关) 的多天线系统，前者通常称为阵列天线系统，而后者称为m i m o 系统。阵 列天线和m i m o 技术的结合也是一种多天线技术，能同时获得阵列天线系统和 m i m o 系统的优点，因此受到学术界的广泛重视。 2 1 1 阵列天线简介 2 1 阵列天线技术 阵列天线的概念由v a na t t a 在1 9 5 0 年提出，阵列天线最初应用于雷达、军事、 声纳等方面，主要用来完成空间滤波和定位，大家熟悉的相控阵雷达就是一种较 简单的阵列天线技术。 阵列天线是一种智能化的天线技术，这里的智能化体现在自适应上。这种自 适应的天线阵列是由多个天线阵元组成的，每一个天线后接一个加权器( 即乘以 某一个权值系数，这个系数通常是复数，既调节幅度又调节相位，而在相控阵雷 达中只能调节相位) ，最后在进行合并。这种结构的阵列天线只能完成空间域的 处理，能同时具有在空域、时域处理的智能天线在结构上相对要复杂些一些，每 个天线后都要接一个延时抽头加权网( 其结构与时域f i r ( f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 均衡器相同) 。智能或自适应的主要含义是指这些加权系数可以自适应地改变和调 整。 阵列天线可以用于基站端，也可用于移动终端。但移动终端通常受制于体积 的大小很难实现，因此一般阵列天线都用于基站端。一般阵列天线有相控阵列天 线、自适应阵列天线和最优阵列天线【2 。 相控阵列天线具有简单阵元，如全向阵元的阵列天线。它通过合并阵元所感 应的信号形成阵列输出，即通过调节不同阵元间的相位来控制最大增益出现的方 向。 相控阵列天线阵元所感应信号的相位与增益在合并前都被改变成动态调节阵 列增益以适应系统的需求，使之成为自适应阵列天线。自适应过程通常是在系统 控制下自动实现的。图2 1 所示为一典型的自适应阵列天线系统。 最优阵列天线是调整阵元所感应信号的相位和增益，以实现在某种意义下阵 列天线的最优性能。例如，通过消除干扰信号实现最大信噪比输出或无失真地接 8基于联合波束形成的下行空分多址技术 收信号。前一种方式在移动通信中通常成为最优合并。 自适应权向量 出 图2 1 自适应阵列天线系统 阵列天线在接收和发射模式下具有相同的作用，阵列天线在不同结构中的应 用都适用于这两种模式。在概念上，形成多波束覆盖小区和指向移动台簇的独立 波束在这两种模式下具有相同的作用，因此在接收模式下所获得的信息可在发射 模式下使用。 2 1 2 波束形成 假设阵列天线是由个阵元构成的等距线阵，相邻阵元之间的距离为d 。在 满足远场条件的地方有一信号源，发射的信号为s ( f ) ，信号的波达方向为口。以第 一个阵元为参考，第f 个阵元上接收到的信号为： 薯o ) = s ( f ) w j 口f ( 矽) + n a t )( 2 - 1 ) 上式中 q ( 1 9 ) - - e 叫1 i 洋削( 2 - 2 ) 嵋为第，个阵元的加权系数，n a t ) 为第，个阵元上的高斯白噪声。记 卵斗ip 2 a d f ，州挚 7 ， 为阵列的导向矢量，以及 形= 【w i ，h 】 ( 2 - 4 ) 阵列的输出信号可以写为： x ( f ) = s ( f ) w j 口f ( 9 ) + 刀( f ) = s ( ，) 形r 口( 口) + 刀o ) ( 2 - 5 ) i = 1 则阵列的波束图为： 第二章多天线技术简介 9 朐圳i 础) | = b n - i 碍神l 【2 6 ) 为了将波束指向阵列的发现方向( 口= 0 。) ，取 形= 【l ，l r ( 2 7 ) 此时阵列的波束图为 ，妒)=lisin(n万addsin口0a五)l(2-8)sin(sln l 万d 妙li 波束形成技术是阵列天线的核心技术，它利用阵列天线的多个阵元，根据信 号、干扰在空间的分布情况，调整阵列相位和幅度，使之产生具有指向性的波束， 从而将能量集中在有用信号方向上，在干扰方向形成零陷，抵消干扰信号，达到 抑制干扰的目的。 2 1 3d o a 估计 阵列天线应用的一个关键问题是对用户入射角度进行估计，也就是所谓的波 达方向( d i r e c t i o no fa r r i v a l ，d o a ) 估计问题。只有先进行精确的d o a 估计，才有 可能通过自适应的波束形成技术来实现空间滤波，充分发挥阵列天线的优势。d o a 估计的基本问题就是根据用户信号到达各个阵元时间的不同来确定信号入射的方 向。 d o a 估计算法一般分为两类：参数估计方法和基于谱估计的方法。参数估计 方法要求对所感兴趣的参数一并进行观察，这种算法估计精度较高，但计算较复 杂；基于谱估计的算法需要计算一个谱函数，谱峰所对应的角度记为到达方向角。 基于谱估计的算法又可分为基于子空间分解的算法和基于波束形成的算法。基于 子空间的算法有多重信号分类 2 2 ( m u s i c ，m u l t i p l es i g n a lc l a s s i f i c a t i o n ) 算法和 e s p r i t ( e s t i m a t i o ns i g n a lp a r a m e t e r sv i ar o t a t i o nl n v a r i a n c et e c h n i q u e s ) 算法【2 3 】等； 基于波束形成的算法主要有c a p o n 谱估计算法瞰】和b a r t l e t t 算法【2 5 1 。m u s i c 算法 和c a p o n 谱估计算法是两种常用的d o a 估计方法，下面分别介绍这两种算法。 l 、m u s i c 算法 m u s i c 算法是一种超分辨力的d o a 估计方法，分为两大类，一类是传统的 m u s i c 算法，主要针对独立信号源的d o a 估计，复杂度较低、分辨力高( 最高 可达m l ，m 为阵元数) ；另一类是改进型的m u s i c 算法，可以估计相干信号源 的d o a ，但是分辨力较低、复杂度高。 传统的m u s c i 算法步骤： ( 1 ) 由阵列数据颤t ) 估计相关矩阵 1 0 基于联合波束形成的下行空分多址技术 爻：吉兰x q ) ，q ) ( 2 - 9 ) m 急”。 。 ( 2 ) 对j i i 作特征分解 ( 3 ) 用尸个大特征值对应的特征矢量构成信号子空间或用一尸个小特征 值对应的特征矢量构成噪声子空间g - p ( 4 ) 用搜索矢量a ( o ) 向蚪呻作投影： 只口( 口) = i v j v j 胃忡) ( 2 1 0 ) ( 5 ) 计算谱峰： 2 网1 2 丽1 谱峰与信号强度无关，只反映口( 矽) 与孑p 的正交性。 ( 6 ) 峰值对应的角度即为所要的方向。 2 、c a p o n 谱估计算法 c a p o n 谱估计可以有效描述来波信号在空间能量的分布情况，在c a p o n 功率谱 中，可以通过谱峰的高低来判断信号在不同方向上的能量大小。c a p o n 谱估计方法 对于簇与簇之间间隔较远、簇内的路径能量集中且角度扩展小的信道环境是有效 的，对于这一类信道，由c a p o n 方法可以得到若干个较窄的强谱峰值。但是，在实 际通信环境中，大多数情况下，空间簇的分布是无固定规律的，c a p o n 功率谱尽管 可以反映出空间能量分布信息，但是，准确寻找出谱峰的中心角度信息通常是非 常困难的。常规波束形成方法可表示为： e = a r g m a xs ( 口) = 口( 9 ) hr a ( o ) ( 2 - 1 2 ) 最优波束形成方法( l c m v 法) 最优权为： f m i n w t t r w = = j = 心1 鱼( 口) ( 2 1 3 ) i s t w 垡( 口) = l 一q 7 、 用进行波束扫描，比较各方向的输出功率，以判断d o a0 。这时z 的极值必 须对所有角度取同一标准。 取i t = 孑琢币1 丽则嘭口( 矽) = 1 ，用嘭2 孑巧万1 丽r - l a ( 口) 为权系数 进行波束扫描。阵列波束形成的输出功率为： ( 伊) 。嘭r 2 瓦丽1 丽2 ( 2 - 1 4 ) 第二章多天线技术简介 这里的& ( 矽) 即为c a p o n 谱。d o a 估计：0 = a r g m a x , s c ( o ) 。 m i m o 即多入多出是一个抽象的数学模型，是指发端和收端都配置多根天线 的无线通信系统。m i m o 技术是由m a r c o n i 在1 9 0 8 年提出的，一开始目的是为了 抵抗无线信道的衰落，即空间分集：发展至今，m i m o 技术还可以用来提高数据 的传输速率，即空间复用。与传统的单入单出( s i s o ) 系统相比，m i m o 系统能够在 不增加带宽的情况下成倍地提高系统的传输速率。 m i m o 系统的优点主要有以下几点：第一，能够获得分集增益：由于m i m o 系统中发射端或者接收端配置有多根天线，各天线之间有足够的间距，各空间信 道相互独立或相关性很小，因此能够提供更高的空间分集增益。第二，提高了无 线信道容量以及频谱利用率：m i m o 系统将多径无线信道与发射端、接收端视为 一个整体进行优化，从而实现高通信容量和高频谱利用率，这是一种近似于最优 的空时联合的分集和干扰对消处理技术。m i m o 技术主要有两种表现形式：空间 复用和空时编码1 2 6 l 【2 7 】。空时编码是m i m o 领域一个研究热点，其思想是利用空间 和时间上的编码来实现一定的空间分集和时间分集，降低信道误码率。 2 2 1 单用户m i m o m i m o 系统由于能够在不增加带宽的情况下成倍地提高系统的可靠性和传输 速率而引起人们广泛的关注。图2 2 给出了一个m 根发射天线根接收天线的单 用户m i m o 系统模型，该系统的信道模型可以用一个m x n 维的信道矩阵日来表 不 组 发 一 接 射收 机机 j7 l 图2 2 单用户m i m o 系统模型 1 2 基于联合波束形成的下行空分多址技术 日仨剖 5 ， 其中任意元素表示第，根发射天线到第f 根接收天线的信道衰落系数。如果发射 信号为一维的矢量s ，则接收信号y 可以表示为 j ，= h s + n( 2 1 6 ) 其中y 是一m l 维的矢量，疗为一m l 维加性高斯白噪声向量，其协方差矩阵为 盯2 i ，i 是m x m 的单位矩阵。这里假设信道为平坦衰落信道。当信道为频率选择 性衰落的时候，衰落特性在频带内会发生较大的变化，产生符号间干扰，这时我 们可以利用正交频分复用 2 8 ( o f d m ) 技术把频率选择性信道分解为多个平坦衰落 信道，然后再对每个子信道用式( 2 1 5 ) 建模。 2 2 2 单用户到多用户m i m o 的转变 在上述单用户m i m o 系统中，有多天线带来的额外空间自由度只是被用来扩 展用于信号处理和检测的维度，因此m i m o 主要用于提高物理层的性能，被认为 是一种物理层技术，而链路层多址接入协议( 上行和下行) 只是间接地获得m i m o 多天线带来的好处。由于联合设计物理层调制和链路层多址接入协议的跨层技术 的迅速发展，人们开始逐渐转变这种单用户的观念，空间维度对多址接入和调度 起到的积极作用开始被认识，人们不再简单地认为m i m o 是一种纯粹的物理层技 术。人们在多用户信息论领域取得的进展使得我们能更好的理解m i m o 天线对多 用户通信的影响，其基本结论是：物理层调制编码和链路层资源分配调度是紧密 联系的。 多用户m i m o 有上下多用户m i m o 和下行多用户m i m o ，上行多用户m i m o 即多点接入信道m i m o m a c ，下行多用户m i m o 即广播信道m i m o b c 。本文研 究的多用户m i m o 指的是下行的m i m o b e 。 图2 3 是一个具有根发射天线m 个接收端，且第m 个接收端具有疋根天线 的多用户m i m o 系统模型。发射端和第聊个接收端的信道模型可用一个k 。n 的 信道矩阵以来表示，整个系统的信道模型可以表示为 h = 日l h m h ( 2 - 1 7 ) 对于第埘个接收端来说，其信道矩阵和单用户m i m o 信道相似。在多用户m i m o 第二章多天线技术简介 1 3 系统中，第册个接收端接收到的信号可表示为 发 射 机 锣国 9 窜 吣畦 ：i 横q 又移ml 图2 3 多用户m i m o 系统模型 一兰 虼2 月。乙岛+ ( 2 - 1 8 ) i f f i l 其中墨为发给第f 个用户的信号，为第朋个接收端的加性高斯白噪声。 与单用户m i m o 相比，多用户m i m o 的优点有： 1 多用户m i m o 能带来多址容量的直接增益( 和基站天线数成正比) 。 2 在用户端只有单天线时，多用户m i m o 仍然能够获得空间复用增益，有利 于开发体积小的终端。 但是多用户m i m o 获得好处是有代价的，对于单用户m i m o 来说，发射端知 道c s i 不是必须的，而对于多用户预编码技术来说是必须的。c s i 的反馈会给上下 容量造成较大的负担。 对于单用户m i m o 系统，所有的功率都是分配给单一的用户，因此其信道容 量表示为单一的值，当发射端知道信道状态信息时，其上行和下行的信道容量是 相同的。与单用户m i m o 系统相比，多用户m i m o 系统用容量域表示系统的信道 容量【2 9 】。在一个包含m 个用户的多用户m i m o 系统，其信道容量由膨个用户的m 维容量向量构成，在总发射功率限制下，如果改变各用户的编码、解码方法和功 率分配，得到的m 维容量向量也是不相同的，多用户m i m o 系统各用户的容量之 和称为系统的和容量。对于多用户m i m o 的下行信道，由于基站同时给多个用户 发送信号，如果简单的将多用户干扰作为干扰抑制必将损失一部分有用信号功率， 导致系统总速率的下降。当发射端和接收端都知道完全信道状态信息时，m i m o 的b c 信道是非退化的0 0 ，因此要获得信道容量域是非常困难的。c o s t a 介绍了脏 纸编码，其基本思想是当发射端已知干扰信号时，其可以对发射信号进行预编码 以消除干扰的影响，得到的信道容量与没有干扰信号的信道容量相同，而并不需 要花额外的功率去消除干扰。但是c o s t a 的方法仅具有理论意义，其并没有给出 1 4 基于联合波束形成的下行空分多址技术 实现的简单方法。 2 2 3m i m o 预编码技术 应用于m i m o 系统的预编码技术作为一种能够提高无线通信系统频谱效率的 自适应技术之一受到了业界广泛的关注。预编码技术是指在发送端知道信道状态 信息的情况下对要发送的数据进行预处理，自适应功率分配，是信号能够更好地 通过信道，提高系统性能。 近来，点对多点的多用户预编码技术越来越受到重视，因为在实际蜂窝通信 系统中，基站是同时和多个用户进行通信，同时发射多个用户的信息，采用多用 户预编码技术可以同时发送多个用户的信息而彼此之间不发生干扰多用户预编码 和传统的单用户预编码不同，用户之间是不能协作的，除了要消除用户自身天线 间的干扰外还需要消除个用户间的干扰。多用户预编码的设计复杂度较单用户预 编码高一些，但很多单用户预编码技术经过适当的改进后都可以用到多用户预编 码系统中。通过发射端预编码处理可以有效地消除m i m o 下行广播信道的多用户 干扰，极大的提高系统容量，还可以简化接收端设计的复杂度解决困扰移动终端 的功耗和体积问题。 因此，m i m o 预编码技术是解决把m i m o 应用于下一代蜂窝系统的关键问题， 有着很大的研究价值。预编码技术从处理方法上看主要分为两大类：线性预编码 技术和非线性预编码技术。 2 2 3 1 单用户预编码 目前提及的线性预编码方法主要包括两种：一种是基于迫掣3 1 i z f 准则或最小 均方误差m m s e 准则【3 2 】，以简化收端复杂度为目的，将原来在收端进行的处理搬 到发端进行，这种方法被称为线性预均衡技术。另一种是根据对信道矩阵日进行 奇异值分解( s i n g u l a rv a l u e d e c o m p o s i t i o n ，s v d ) ，同时可以通过采用功率分配的方 法来获得较高的信道容量或较低的误码率，这种方法被称为s v d 预编码或收发联 合优化【3 3 】。 线性预均衡是预编码技术中实现比较简单的一类预编码方法。依据所选用的 均衡准则不同，线性预均衡可分为基于迫零的线性预均衡和基于最小均方误差的 线性预均衡两类。迫零线性预均衡的原理和实现方法较为简单，但是在处理的过 程中有放大噪声的可能，影响系统的性能。最小均方误差线性预均衡是使得接收 信号与发送数据间的均方误差最小，性能相对比较稳定，但实现相对迫零方式复 杂。 收发联合优化的预编码，是一种通过对收、发两端的滤波器进行联合设计， 达到对信道进行改造的预编码方案。通常，这种预编码方案是将矩阵分解和功率 第二章多天线技术简介 1 5 分配这两种技术结合起来完成系统的设计。首先通过对信道日矩阵进行s v d 分解， 根据分解得到的奇异值，利用注水定理【3 4 1 ，对发射功率进行分配，进而完成发送 端的预编码设计。有文献中还叙述了一种基于一般三角分解g t d ( g e n e r a l i z e d t r i a n g u l a rd e c o m p o s i t i o n ) 理论得到的收发联合优化方案，这种方案通过对信道矩阵 日进行几何平均分解g m d l 3 5 ( g e o m e t r i cm e a nd e c o m p o s i t i o n ) 或统一信道分解 u c d l 3 6 1 ( u n i f o r mc h a n n e ld e c o m p o s i t i o n ) ，将信道改造成一种更有利于检测的形式， 在接收端结合v b l a s t 分层检测可以达到较好的性能但从本质上讲，这两种方 案都可以看作是s v d 方案的一种改进。 2 2 3 2 多用户预编码 多用户m i m o 技术能够很大程度地提高系统的容量，但是同时通信的用户之 间会产生多用户干扰，即共信道干扰，因为移动台不仅接收到基站发给自己的数 据，还会接收到基站发给、其他用户的数据，即干扰。多用户预编码技术就是去 解决工信道干扰问题，如果用户能知道所有用户的c s i ，就可以利用联合检测技术 检测出有用的信息，但这在实际通信系统中是很难实现的。一般用户只能知道自 身的c s i ，反馈给基站后基站就知道了所有用户的c s i 。多用户预编码就是利用这 些c s i 去消除共信道干扰，这样就把消除干扰的过程放到了基站端，减小了移动 台的负担。 多用户预编码的功能主要有两个：一个是在发送时发射端对不同用户的数据 先进行加权，使得每个用户的接收信号中的干扰信号被抑制或消除：另一个是使 每个用户的发送波束与其信道矢量相匹配，从而令每个用户接收到的有效信号功 率得到增强。线性迫零预编码可以使每个用户的发送波束与其他用户的信道矢量 正交，从而实现预编码的第一个功能，但是却不能有效提高接收信号中的有效信 号功率，实现预编码的第二个功能。根据c o s t a 提出的著名的脏纸编码1 3 7 ( d p c ) i 抟 思想，在m i m o 信道中，对于某个用户，如果已经知道其他用户的发送波束，则 可以在发送端完全知道该用户在传输中受到的干扰，这样该用户所能实现的信道 容量与没有其他用户传输情况下的信道容量一致。脏纸编码本质上是非线性处理 的一种方式，可以证明，非线性预编码能够实现比线性预编码更大的有效信道功 率，但是非线性预编码的复杂度较高，实际中很难应用。 目前，主要有两种非线性预编码：向量预编码【3 8 l v p ( v e c t o rp r e c o d i n g ) 和n p 预编码。t i - i p 预编码最早是在上世纪7 0 年代提出的一种应用于消除码间串扰的时 域均衡技术，后来人们将它巧妙的应用于m i m o 系统中用来对抗多天线间存在的 共信道干扰c c i ( c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 。 1 6基于联合波束形成的下行空分多址技术 2 3 阵列天线技术和m i m o 技术的对比 阵列天线系统和m i m o 系统都是多天线系统，都能够很大程度的提升通信系 统的性能，但两者又有本质的区别。 从原理上看，阵列天线利用到达天线阵的信号之间相关性形成天线的方向图， 它的关键是能形成信号的定向发