（通信与信息系统专业论文）基于misoofdma的机会波束成形技术研究.pdf

南京邮电大学硕t 研究牛学付论文 摘娑 摘要 信息论分析结果表明，如果多用户的信道衰落相互独立，任一时隙只服务于信道最 好的用户，则能获得多用户分集增益，从而使系统的总吞吐量最大化，而且与用户数成 正比。对于不同的用户数，衰落信道的容量几乎都能高于a w g n 信道。因此，信道衰 落是可以利用的，但这种多用户分集受到两方面因素的制约：一是在l o s ( 视距传播) 和非散射信道环境，信道变化范围太小；二是如果信道衰落变化太慢，则不能满足对时 延要求严格的应用。为了克服以上制约，我们研究了机会波束成形技术，它通过加大、 加快信道的波动来提高多用户分集增益，并将之用于o f d m a 系统。在o f d m a 系统 中，通过对所有子载波进行分簇，可以实现在牺牲系统性能很少的情况下，大大降低系 统反馈负荷。本文研究了对分簇o f d m a 系统使用机会波束成形技术技术来提高系统 的吞吐量，同时我们提出在训练阶段使用多个随机加权向量进行多波束成形，然后从中 选择最好的一个来实现数据阶段的波束成形。模拟结果表明，采用多波束的机会波束成 形能有效地提高o f d m a 系统的总吞吐量。 南京邮电大学顾十研究冀i 学位论文a b s t r a c t ab s t r a c t i n f o r m a t i o nt h e o r yh a ss h o w nt h a ti ft h ec h a n n e l so fm u l t i p l eu s e r sa r ei n d e p e n d e n ta n d s c h e d u l i n gt h et r a n s m i s s i o n st ot h eu s e r sw h e nt h e i ri n s t a n t a n e o u sc h a n n e lq u a l i t yi sn e a rt h e p e a k ，t h em u l t i u s e rd iv e r s i t yg a i nc a nb ea c h i e v e da n dt h et o t a lt h r o u g h p u to fs y s t e mc a nb e m a x i m i z e d ，w h i c hi n c r e a s e sl i n e a r l yw i t ht h en u m b e ro fu s e r s w i t ha n yn u m b e ro fu s e r s ，t h e c a p a c i t i e so ft h ef a d i n gc h a n n e l sa r eb e t t e rt h a nt h ea w g nc h a n n e l s s o ，c h a n n e lf a d i n gc a nb e e x p l o i t e d b u tt h em u l t i u s e rd i v e r s i t yg a i n sa r el i m i t e di nt w ow a y s f i r s t ，t h e r em a yb ea l i n e o f - s i g h tp a t ha n dl i t t l es c a t t e r i n gi nt h ee n v i r o n m e n t ，a n dh e n c et h ed y n a m i cr a n g eo f c h a n n e lf l u c t u a t i o n si st o os m a l l s e c o n d ，t h ec h a n n e lm a yf a d ev e r ys l o w l yc o m p a r e dt ot h e d e l a yc o n s t r a i n to ft h ea p p l i c a t i o ns ot h a tt r a n s m i s s i o n sc a n n o tw a i tu n t i lt h ec h a n n e lr e a c h e si t s p e a k i no r d e rt oc o n q u e rt h ed e f e c t s ，w es t u d yo p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n g ，w h i c hc a ni n d u c e l a r g e ra n df a s t e rc h a n n e lf l u c t u a t i o n s ，s ot h a tt h em u l t i u s e rd i v e r s i t yc a nb ei n c r e a s e da n db e u s e di no f d m as y s t e m t h ec l u s t e r e do f d m ac a nr e d u c et h ef e e d b a c kw i t h o u ts a c r i f i c i n g p e r f o r m a n c et o om u c h i nt h i sp a p e r ，t h e c l u s t e r e do f d m as y s t e mu s i n g o p p o r t u n i s t i c b e a m f o r m i n gi ss t u d i e dt oi m p r o v et h et h r o u g h p u t f u r t h e r m o r e ，w ep r o p o s et og e n e r a l i z et h e o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gb yu s i n gm u l t i p l er a n d o mw e i g h t i n gv e c t o r si np i l o ts l o t t h eb a s e s t a t i o nc h o o s e st h eb e s to n ea n dp e r f o r m st h eo p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gw i t ht h i so p t i m u m v e c t o ri nd a t as l o t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eo p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gw i t hm u l t i p l e r a n d o mw e i g h t i n gv e c t o r sc a n i m p r o v et h et o t a lt h r o u g h p u to fo f d m as y s t e m s i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略词表 缩略词表 缩略词全称( 英文)全称( 中文) a d s l a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e 非对称数字用户环路 n n g na d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e加性高斯白噪声 b 3 g b e y o n d3 g超3 g c l b fc l u s t e r e db e a m f o r m i n g 分簇机会波束成形 c s ic h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n信道状态信息 c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s码分多址 d a b d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g数字音频广播 d f td i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r l t l 离散傅立叶变换 f f tf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 快速傅立叶变换 f d m f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e频分复用 h d t v h i g h - d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n高清晰度电视 i f f ti n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o l r i l l反向快速傅立叶变换 i c i i n t e r c h i pi n t e r f e r e n c e码片间干扰 i s i i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e 符号间干扰 l o sl i n eo fs i g h t视距传播 m c mm u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n 多载波调制 m i s o m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t多输入单输出 m m s em i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r 最小均方误差 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 多输入多输出 o b f o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n g机会波束成形 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 频分复用 o f d m a 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 ea c c e s s 频分多址接入 p a p r p e a k t o - a v e r a g ep o w e r r a t i o峰值平均功率比 q o sq u a l i t yo fs e r v i c e服务质量 s n r s i g n a lt on o i s er a t i o 信噪比 s i s o s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t单输入单输出 s i m o s i n g l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t单输入多输出 t d m at i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 时分多址 w l a n w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k 无线局域网 w l lw i r e l e s sl o c a ll o o p无线本地环路 z fz e r of o r c i n g 迫零 5 2 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，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经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它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。 研究生签名：。墓燮日期：丝至：呈乏1 3 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：薹丝 导师 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向： 无线数据与移动计算网络 作者：2 0 0 5 级研究生 葛彬指导教师宋荣方 题目：基于m i s o o f d m a 的机会波束成形技术研究 英文题目： o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gb a s e do nm i s o o f d m a s y s t e m s 主题词： k e y w o r d s ： 多输入单输出正交频分复用多址接入 机会波束成形吞吐量多波束 m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ( m i s o ) o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s ( o f d m a ) o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n g t h r o u g h p u t m u l t i p l eb e a m f o r m i n g 南京邮r t l 大学硕士研究牛学位论文 第一章绪论 1 1 移动通信简介 第一章绪论 2 0 世纪7 0 年代末，第一代商业移动通信蜂窝系统开始进行商用。从此，移动通信事 业得到迅速地发展，远远超出了人们对它的预测。现今，移动通信已经发展到了第三代( 3 g ) 以及基于全口的超三代( b 3 g , b e y o n d3 g ) 1 】【2 】。 第一代移动通信系统( 1 g ) 以模拟式蜂窝网为主要特征，主要采用频分多址f d m a 方式 实现对用户的动态寻址功能。代表性的第一代系统是：美国的a m p s 、欧洲的t a c s 、日 本的n t t 等。第一代移动通信系统存在着频谱利用率低、价格昂贵、设备复杂、业务种类 有限、制式太多且不兼容等问题。 第二代移动通信系统( 2 g ) 以数字化为主要特征，构成数字式蜂窝移动通信系统，主要 采用时分多址t d m a 和码分多址c d m a 技术实现对用户的动态寻址功能，主要强调网络 的兼容性，话音业务仍是其支持的主要业务，同时数据业务和补充业务( 如用户数据加密) 也纳入了2 g 的标准中。代表性的第二代系统有：g s m 、d a m p s 、p d c 、c d m a ，它们 分别在1 9 9 1 年( 芬兰) 、1 9 9 4 年( 美国) 、1 9 9 4 年( 日本) 、1 9 9 5 年( 香港和韩国) 开始 投入商用。虽然g s m 获得了世界范围的成功，但是这些第二代系统之间也互不兼容。 第三代移动通信系统( 3 g ) 于1 9 8 5 年由i t u ( 国际电信联盟) 提出，意指在2 0 0 0 年开 始商用，并工作在2 0 0 0 m h z 频段上的国际移动通信系统，它的关键特性和目标是提供全 球无缝覆盖，并且提供全球漫游业务，以多媒体为主要特征，于本世纪初刚刚投入商业化 运营。具有代表性的3 g 标准主要有：北美的c d m a 2 0 0 0 、欧洲和日本的w c d m a 以及我 国提出的t d s c d m a ，2 0 0 7 年，美国的w i m a x 也正式加入了3 g 行列。 3 g 系统相对于2 g 系统在通信速度和质量上都有了很大地提高，并可以支持多媒体和 i p 类型的业务，然而3 g 仍然存在一些问题： 主流3 g 标准均采用c d m a 技术，而在c d m a 结构下提供数据业务需要克服更大 的干扰； 由于空中接口标准对于核心网的限制，难以胜任大量的有着各自业务质量( q u a l i t y o fs e r v i c e ，q o s ) 矛i i 性能要求的多速率数据业务； 为了有效地适应不同的无线环境，时分、频分复用结构的融合受到限制。 所以，为了弥补3 g 对于未来超高速数据( 2 0 m b p s ) 传输的不足，就有了对超3 g 或 i 南京邮咆大学顺十研究牛学位论文 第一苹纬论 第四代移动通信( 4 g ) 的讨论和研究。 超3 g 是i t u 定义的“s y s t e m sb e y o n di m t - 2 0 0 0b 3 g ”简称，意为超越3 g 的系统，或称 b e y o n d3 g 、超i m t - 2 0 0 0 等，目前的4 g 实际上就是i t u 提出的b 3 g 。目前，对b 3 g 提 出的要求包括： 高速数据传输，根据移动速度支持各种传输速度：3 k m h 以内达到1 0 0 m b p s ，6 0 k m h 以内达到2 0 m b p s ，2 5 0 k m s 左右达到2 m b p s ，5 0 0 k m s 左右达到1 m b p s ； 以口为基础的无线接续，支持q o s ( 服务质量) ； 各系统( i m t - 2 0 0 0 、w l a n 、b w a 、卫星、广播) 之间无缝的业务支持，并提供 全球无缝漫游； 支持多重模式、支持对称非对称业务。 表1 1 给出了从1 g 到b 3 g 发展过程中的主要技术参数。 表1 1i g 到b 3 g 移动通信的基本技术参数 技术参数 l g2 g3 gb 3 g 使用频率 4 0 0 - 8 0 0 2 g h z3 5 g h z 8 0 9 i m h z9 0 0 m h z 频带宽度 3 0 k h zo 3 一1 2 5 m h z2 5 m h z1 0 2 0 m h z 调制方式f mg m s kq p s km p s k q a m 多址方式f d m at d m ac d m ac d m a t d m a o f d m 蜂窝区域大区中区小区微小区 业务类型 话音话音短消息 话音多媒体多媒体 核心网独立的电信独立的电信独立的电信i p 网+ 交换网 交换网交换网+ i p 网 软交换 对于b 3 g ，为了满足其各项要求，如今已经提出了多种新技术，其中最被看好的有： 多输入多输出( 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 ，简称m i m o ) ，正交频分复用( o r t h o g o n a l f 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 ，简称o f d m ) ，多载波码分多址( m c c d m a ) ，软件无 线电，智能天线，以及本文中将要研究的机会波束成形、多波束等技术，它们很有可能成 为b 3 g 的关键技术。 2 南京邮乜大学顾十研究冀i 学位论文 第一章绵论 我们相信，在不久的将来，人们肯定会看到一个丰富多彩的无线世界，大到无线网， 小到无线个人局域网，它们彼此相连并与全球网络连接，为人类提供从窄带到宽带的各种 无线服务，让人们尽情享用丰足的宽带、智能化的人性服务以及无缝覆盖的移动性。 1 2 论文安排 论文介绍了b 3 g 中可能使用的几个关键技术，包括m i m o ，o f d m ，机会波束成形， 多波束，重点研究了在m i s o o f d m a 系统中联合使用机会波束成形和多波束技术对系统 性能的提高情况。第二章简单介绍了无线信道的几种基本传播特性；第三章依次介绍了m i m o 系统和o f d m 系统的基本原理和特性，并给出了m i m o 系统和o f d m 系统的结合 方案；第四章依次介绍了机会波束成形和多波束技术；第五章提出了在m i s o o f d m a 系 统中联合使用机会波束成形和多波束技术，并且通过m a t l a b 进行模拟和分析，论文最 后给出结论，并指出需要进一步研究的方向。 南京邮电大学烦 j 研究牛学位论文 第二章尤线哀；：；：f 信道 2 1 无线信道的特点 第二章无线衰落信道 在无线传输过程中，电磁波一般是经过反射、衍射和散射的传播路径到达接收机的。 在接收机端观察到的信号是经过不同传输路径到达的所有信号的叠加，每个电波不仅幅度 衰减和相位偏移不同，而且到达的时间也不同，因此在接收机处接收到的信号呈现出移动 通信所特有的衰落特性。 信号的强度随距离不断变化即产生了衰落，根据强度变化的快慢，可以将衰落分为慢 衰落和快衰落两种【l 】。 2 1 1 慢衰落 接收信号的强度随距离呈缓慢变化，称为慢衰落。变化的原因主要有两个方面：一是 地区位置的改变；二是气象条件的变化。后一原因引起的变化较小，通常可被忽略。电波 在传播路径上遇到障碍物会产生电磁场的阴影区，手机通过不同的阴影区会引起中值变 化，因此这种衰落也叫阴影衰落。 慢衰落信号变化幅度取决于障碍物状况、工作频率、变化速率、障碍物和移动台移动 速度。慢衰落信号强度近似服从对数正态分布： p ( ) = 面1 c _ ( g _ a ) 2 2 f ( 2 一1 ) 式中以为信号幅度z 的均值。当移动用户和基站之间的距离为d 时，传播路径损耗和 慢衰落可以联合表示为： 兰 l ( d ，f ) d n1 0 1 0 ( 2 2 ) 式中咒表示路径损耗因子，f 表示由于慢衰落产生的对数( d b ) 损耗，服从零均值和标 准偏差盯( 般为8 d b ) 的对数正态分布。式( 2 2 ) 用d b 表示变为： l ( d b ) = l o l gd + f ( 2 3 ) 4 南京邮电大学顾t 研究甘i 学位论义第二章尤线衰落信道 2 1 2 快衰落 接收信号的强度出现快速、大幅度的周期性变化，称为多径快衰落，也称小区间瞬时 值变动。统计表明，在障碍物均匀的城市街道或森林中，信号包络起伏近似于瑞禾o ( r a y l e i g h ) 分布，故多径快衰落又称为瑞利衰落。快衰落的衰落幅度变化与地形地物有关，可达 1 0 d b 3 0 d b ，衰落速度与移动台速度有关。例如：车速4 0 k m h ，电波频率8 0 0 m h z 时，衰 落速度达每秒3 0 4 0 次。在没有直达路径的情况下( 当多径数较多时，各路径信号幅度差 异很小) ，快衰落服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布；在存有直达路径的情况下( 在各路径信号当 中有一径信号强度明显高于其他各径) ，快衰落服从莱斯( r i c e ) 分布。 产生快衰落的原因有两个：多径效应和多普勒频移。 a 多径效应 由移动体周围的局部散射体引起的多径传播效应称为多径效应，表现为快衰落。发射 端的信号到达接收端的路径并非一条，由于经历不同的传播损耗和衰落，各径信号均不相 同。从空间角度来看，沿移动台移动方向，接收信号的幅度随着距离变动而衰落，幅度的 变化反映了地形起伏所引起的衰落以及空间扩散的损耗。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，即如果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 宽度扩展的现象，称为时延扩展。扩展的时间可以用第一个码元信号至最后一个多径信号 之间的时间来衡量。时延扩展将引起码间串扰，严重影响数字信号的传输质量。 b 多普勒频移 在多径条件下，由移动体的运动速度和方向引起信号频谱展宽的现象称为多普勒效 应。多普勒效应引起的附加频移称为多普勒频移，可用下式表示： ， 厶= c o s 口 ( 2 - 4 ) 几 式中口足入射电波与移动台运动方向的夹角，抄是移动台运动速度，五足波长。上式 中，0 2 与入射角无关，是厶的最大值，厶= o 2 称为最大多普勒频移。 快衰落可分为以下三类：时间选择性衰落、频率选择性衰落和空间选择性衰落。所谓 选择性，是指在不同的时间、不同的频率和不同的空间，其衰落特性是不同的。在实际的 移动通信环境中，三类选择性衰落都存在，它们形成的原因是由于多径传播。选择性衰落 按产生的条件可划分为以下三类： 第一类多径干扰：由于快速移动用户附近物体的发射而形成的干扰信号，其特点 南京邮r c l 大学顺七研究牛学位论文第二章尢线哀洛信道 是在信号频域上产生多普勒频移而引起时间选择性衰落； 第二类多径干扰：由远处山匠或者高大建筑物反射而形成的干扰信号，其特点是 信号在时域和空间角度上产生了弥散，从而引起相对应的频率选择性衰落和空间 选择性衰落； 第三类多径干扰：由基站附近的建筑物和其它物体的反射而形成的干扰信号，其 特点是严重影响到到达天线的信号入射角分布，从而因此空间选择性衰落。 综合以上叙述，快衰落和慢衰落是由相互独立的原因产生的。随着移动台的移动，快 衰落是信号强度瞬时值的快速变动，而慢衰落是信号中值的缓慢变动，这二者构成了移动 通信接收信号不稳定的因素，可能会对信号产生相应的影响。所以，对于无线信道的衰落 对信号的不利影响需要采取相关的措施加以降低或消除，而对于有利影响则要采取措施加 以利用，本文的研究重点是如何利用无线信道的衰落对信号的有利影响，这将在第四、五 章中作详细地介绍。 2 2 信道衰落模型 下面我们将简单介绍一下现今流行的几种信道衰落模型，主要是指多径信道的包络统 计特性。一般而言，接收信号的包络根据不同的无线环境服从瑞禾l j ( r a y l e i g h ) 分布和莱斯 ( r i c e ) 分布。另外，还有一种具有参数m 的n a k a g a m i m 分布，参数m 取不同的值时对应 的分布也不相同，因此更具有广泛性口1 。 2 2 1r a y l e i g h 分布 在移动通信信道中，由于基站和移动台之间的反射体、散射体和折射体的数量是相当 多的，所以信道的冲激响应表示如下： l ( f ) = 4 8 ( t r t ) e 朋 ( 2 5 ) 其中l 代表到达的多径数；4 代表第f 条路径的信号幅度；i 代表第f 条路径相对第一条 路径( ，【= o ) 的时延；呜代表第2 条路径的信号相位。 6 南京邮电大学顺十研究鼻i 学位论文 第二章尤线衰落信道 假设发射机和接收机之间没有直射波路径；有大量的反射波存在，且到达接收机大线 的方向角是随机分布的( o u2 冗均匀分布) ；各个反射波的幅度和相位都足统计独立的， 则到达接收机的信号包络r 服从瑞利分布： 时) = 素e x p ( 一寺) ( r o )0 1j 己g 。 其中盯2 为r 的方差。 瑞利分布的概率密度函数如图2 一l ： 0 7 o 6 0 5 0 4 o 3 o 2 o 1 o ij 一一l一一一一l l 一一| | v j j i 一 ， ， 一一一一一一一广7 一一一一一 11 ，i i l ， ， h 、 、 l t r 、 ， 00 511 522 533 5 4 【| q 2 2 2r i c e 分布 图2 1 瑞利分亦的概牢分和密度 ( 2 6 ) 当接收信号中有视距传播( l o s ) 的直达波信号时，视距信号成为主接收信号分量，同时 还有不同角度随机到达的多径分量叠加在这个主信号分量上，这时的接收信号幅度，就呈 莱斯分布： p = 考e x p ( _ 等) 1 0 ( 孚) ( a o ，r o ) ( 2 7 ) 其中仃2 为r 的方差，a 是主信号的峰值，i o ( ) 是零阶第一类修正贝赛尔函数。贝 南京邮电大学硕叶：研究牛学位论丈 第二章无线衰落信道 赛尔分布常用参数k 来描述，k = 等，定义为主信号的功率与多径分量方差之比， 用d b 表示： k ：l o l g 篓( 2 - 8 ) k 值是莱斯因子，完全决定了莱斯分布。当a 一0 ，k 一一o o d b 时，接收信号中没有 主导分量，此时混合信号的包络从莱斯分布转变成瑞利分布。显然，强直射波的存在使得 接收信号包络从瑞利分布变成莱斯分布，当直射波进一步增强( i 1 ) 时，莱斯分布将向高 斯分布趋进。莱斯分布的概率密度函数如图2 - 2 。 k ；0 ，瑞利分布 - 、， k = 0 5 。一- 一 f 、， f， k = 2 k = 8k = 1 8 f 7 ，、f _- i 7 v = 上 ， ， ， ， ， ， ， ， f ， 、， | | 7 、 、 一卜f 一一一 、， 、 ， 、 ，、 j j 一一上一j ， i ，7 、 乏 o123456789 1 0 r a 图2 - 2 莱斯分布的概率分布密度 注意：莱斯分布适应于一条路径明显强于其他多径的情况，但并不意味着这条路径就 是直射径。在非直射系统中，如果源自某一个散射体路径的信号功率特别强，信号的衰落 也服从莱斯分布。 7 6 5 4 3 2 1 o o o 0 o 0 o 0 南京邮屯大学顺 二研究+ 卜学位论文第二章- 尢线哀擀信道 2 2 3n a k a g a m i m 分布 n a k a g a m i m 分布由n a k a g a m i 在2 0 世纪4 0 年代提出，逋越基十场删试的试验力纭， 用曲线拟合，达到近似分布。研究表明，n a k a g a m i m 分布对于无线信道的描述具有很好的 适应性。 若信号的包络r 服从n a k a g a m i m ，则其概率密度函数为： =而2mrnr面2m-ipe x p ( 一鲁) ( r 0 ) ( 2 - 9 ) 2 丽e x p 【一百) ( 。2 u ) 其中m ：鱼霉，是n a k a g a m i 衰落参数，为不小于l 2 的实数；q ：e ( r 2 ) ；r ( m ) = v a r ( r 。) ，t - l e - d t 是_ g a m m a 函数。n a k a g a m i m 概率密度函数见图2 3 。 0 图2 - 3f 2 = l ，n a k a g a m i m 分布莱斯分彳| i 的概率分莉j 密度 对于功率s - r 2 2 的概率密度函数，则仃 ( 2 一l o ) 竺s 一 曼叫 9 搬一s p 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线衰落信道 式中，s = e ( s ) = 剑2 ，为信号的平均功率。 当m = l 时，有 时，= 告唧c 一毒 ：r e x p e x p ( 一一垡) 2 一j ss ( 2 1 1 ) 则n a k a g a m i - m 分布成为瑞利分布。 另外，n a k a g a m i m 分布可以用m ( 一般称为形状因子) 和莱斯因子k 之间的关系来确 定近似，即 ：孵(2-12)m = 二二一 2 k + 1 当m 较大时，n a k a g a m i - m 分布接近高斯分布。 2 3 本章小结 电波传播的主要方式是空间波，即直射波、折射波、散射波以及它们的合成波，再加 之移动台本身的移动性，使得移动台与基站间的无线信道呈现多种衰落特性。本章简单介 绍了无线信道的特点以及几种衰落模型，包络瑞利分布，莱斯分布和n a k a g a m i m 分布。 1 0 南京邮屯大学顾t 研究甘i 学位论文第j i 章m i m o o f d m 技术卿论 第三章m i m o o f d m 技术理论 新一代移动通信b 3 g 将可以提供的数据传输速率高达1 0 0 m b i t s ，甚至更高，支持的 业务从语音到多媒体业务，包括实时的流媒体业务。数据传输速率可以根据这些业务所需 的速率不同进行动态地调整。由第二章可知，无线传输信道，尤其是移动环境中的无线传 输信道是一个非常复杂的物理现象。移动通信要在有限的频谱资源上支持高速率数据和多 媒体业务的传输，就必须采取频谱效率高的抗衰落技术来提高系统得性能，m i m o 和o f d m 正是其中的两种有效措施，而将两者相结合构成的m i m o o f d m 系统，技术上相互补 充、使之成为实现无线信道高速数据传输最有希望的解决方案之一，具有广阔的发展前景。 m i m o 技术可充分开发空间资源，利用多个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和 天线发送功率的情况下，可以提高信道容量【4 】。而o f d m 技术是多载波传输的一种，其 多个载波之间相互正交，可以高效地利用频谱资源，另外，o f d m 将总带宽分割为若干个 窄带子载波可以有效地抵抗频率选择性衰落。因此充分开发这两种技术的潜力，将二者结 合起来可以成为新一代移动通信核心技术的解决方案，下面详细介绍这两种技术及其二者 的结合方案。 3 1m i m o 技术 3 1 1m i m o 基本原理 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 ) 技术最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的，是 第三代和未来移动通信系统实现高数据速率、高系统容量，提高传输质量的重要途型9 1 。 在当前第三代移动通信系统中，下行链路的容量构成了整个系统的瓶颈。由于诸多业务对 上下行链路容量要求的不对称性，尤其对下行容量有很高的要求，如视频多媒体、下载等 业务。在传输带宽一定的条件下，这无疑给第三代移动通信系统提出了难题。但是如果在 发送端或接收端使用多天线( 即m i m o 系统) ，此时的信道容量将随着天线数量的增大而 线性增大。也就是说可以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线 发送功率的情况下，频潜利用率可以成倍地提高。 根据收发两端天线数量，相对于普通的s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统，m i m o 还可以包括s i m o ( s i n g l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 系统和m i s o ( m u l t i p l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统。 11 南京邮r t l 大学顺l 研究甘i 学位论艾男= 覃m i m o o f d m 技术耶论 无线m i m o 信道与s i s o ( s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 信道相比，有着惊人的容量。 这表明下行链路容量的瓶颈问题可以通过在基站和移动台都使用多元天线阵列，即利用空 间分集或空间相关的方式来解决。采用这种传输方案，可以获得线性增加的信道容量，而 通常采用接收分集或者没有分集的s i s o 系统的信道容量是l o g 的方式增加的。m i m o 系 统之所以可以获得如此高的带宽效率，是因为考虑在有丰富的散射( 没有l o s ，l i n eo f s i g h t ) 环境中，从不同天线发送的信号到达接收端所经历的衰落足不相关的。 在室内，电磁环境较为复杂，多径效应、频率选择性衰落和其他干扰源的存在使实现 无线信道的高速数据传输比有线信道困难。通常多径效应会引起衰落，被视为有害因素。 然而研究结果表明，对于m i m o 系统来说，多径效应可以作为一个有利因素加以利用。 m i m o 系统在发射端和接收端均采用多天线( 或阵列天线) 和多信道。m i m o 的多输入多输 出是针对多径无线信道来说的。图3 1 示为m i m o 系统的原理图 2 1 。传输信息流s ( k ) 经 过空时编码形成m 个信息子流c i ( k ) ，i = l m ，这m 个子流由m 个天线发射出去，经空 间信道后由n 个接收天线接收，多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这 些数据子流。这m 个信息子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并不增加 带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则m i m o 系统可以产生多个并行空间信道， 通过这些并行空间信道独立地传输信息，使得数据传输率得以提高。 图3 2 则是一个基本的m i m o 的信道模型，采用m 个发送天线，n 个接收天线，设 h ；i 为第j 个发送天线到第i 个接收天线之间的复信道增益( c h a n n e lg a i n ) 。h 为m x n 的信 道矩阵。 天线阵 s ( k ) 信息传输流c ( k ) ：发送信息流i ( k ) ：接收信息了湍 图3 1m i m o 系统的历i 理图 1 2 南京邮电大学顾 = 研究牛学位论文第一i 章m i m o o f d m 技术卿论 图3 - 2 m i m o 的信道模型 h = 啊。啊： 吃。吃： h m lh m2 j i z l 吃 ： h m n ( 3 一1 ) 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传输率。对于发射 天线数为m ，接收天线数为n 的多入多出( m m o ) 系统，假定信道为独立的瑞利衰落 信道，并设n 、m 很大，则信道容量c 近似为5 1 ： c = m i n ( m ，n ) b l 0 9 2 ( p 2 ) ( 3 - 2 ) 其中b 为信号带宽，p 为接收端平均信噪比，m i n ( m ，n ) 为m ，n 的较小者。上式表明， 功率和带宽固定时，多入多出系统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。相对而言，多入多出对于提高无线通信系统的容量具 有极大的潜力。 利用m i m o 技术既可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。 前者是利用m i m o 信道提供的空间复用增益，后者是利用m i m o 信道提供的空间分集增 益。实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的b l a s t 算法、z f 算法、m m s e 算法、 m l 算法。m l 算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无线 通信不能满足要求。z f 算法简单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂度 最优的就是b l a s t 算法。该算法实际上是使用z f 算法加上干扰删除技术得出的。 k k k 南京邮f 乜大学顾t 研究牛学位论文 第：i 章m i m o o f d m 技术胛论 3 1 2m i m o 系统模型 假定一个点对点的m i m o 系统有件根发射天线、根接收天线，采用离散时间的复 基带线性系统模型描述，系统框图如图3 ，3 所示。用脚x l 的列向量x 表示每个符号周期内 的发射信号，其中第f 个元素王表示第i 根天线上的发射信号。 h i 图3 - 3m i m o 系统框图 对于高斯信道，按照信息论，发射信号的最佳分布也是高斯分布。因此，x 的元素是 零均值独立同分布的高斯变量。发射信号的协方差矩阵为 r 。= e x x h ) ( 3 3 ) 式中，e ”代表均值；a h 表示矩阵a 的厄米特( h e r m i t i a n ) 转置矩阵，即a 的复共轭转 置矩阵。不管发射天线数件为多少，总的发射功率限制为p ，可以表示为 p = t r ( r x 1 ( 3 4 ) 式中，t r ( a 1 代表矩阵a 的迹，可以通过对a 的对角元素求和得到。如信道状态信息( c s i ) 在发射端未知，则假定从各个天线发射的信号都有相等的功率p n r 。发射信号的协方差矩 阵为 r。：p，i(3-5) 件 式中，叶是脚件的单位矩阵。 1 4 南京邮电大学硕七研究牛学位论文 第二章m i m o o f d m 技术胛论 用儿。件的复矩阵h 描述信道。h o 为矩阵h 的第j 个元素，代表从第_ 根发射天线到 第舛艮接收天线之间的信道衰落系数。用r t rx l 的列向量描述接收端的噪声，表示为n 。它 的元素是统计独立的复高斯变量随机变量，零均值，具有独立的、方差相等的实部和虚部。 接收噪声的协方差矩阵为 r 。= 盯? ， ( 3 6 ) 用x l 的列向量描述接收信号，表示为y 。使用线性模型，可将接收矢量表示为 y = h x + n ( 3 - 7 ) 接收信号的协方差矩阵定义为e y y h ) ，由式( 2 1 4 ) ，可以得出 r 眇= h r 。hh + 月。 ( 3 8 ) 而总接收信号功率可表示为驴( ) 。 3 1 3m i m o 系统信道容量 对于给定的信道h ，m i m o 系统的信道容量为发送信号p j - 量 x 。 和接收信号向量( y 。) 之间的最大互信息量。若 工 ( 它的协方差矩阵为p ) 所有元素的均值为0 ，则 工 为高斯 变量时，互信息量最大。因此总的发射功率为p = t r p ，信道容量为6 1 c c h ) = b l 0 9 2 l 吉删叫 仔9 ， 其中b 为信道带宽，j 为单位矩阵。 发射端未知c s i 时，m i m o 系统的信道容量 此时p 应该选为p ：上j ，因此信道容量为 n c “耻l ，+ 寺删 ( 3 一l o ) 发射端已知c s i 时，m i m o 系统的信道容量5 1 如果发射端已知c s i ，那么可以利用注水原理( w a t e r - f