（通信与信息系统专业论文）无线通信系统中mimo技术的研究.pdf

北京邮电大学博士学位论文 摘要 无线通信系统中m im 0 技术的研究 摘要 用户对无线数据传输的速率和服务质量提出了越来越高的要求。然而 频谱资源的匮乏限制了无线通信的进步发展，另一方面，无线信道的多 径传播特性和时变性使得无线传输愈发困难。目前的研究表明，多天线m i m o 技术能提供比较高的频谱效率和可靠性，适应未来移动通信系统的高速率 和高服务质量的要求，因而得到了越来越多的关注。本论文研究了多天线 无线通信系统，包括信道容量、空间相关衰落信道和时变信道下性能及其 应用。 方面，论文从无线传播信道的实际出发，讨论了实际相关m i m o 的信 道模型。具体讨论了m i m o 物理模型和统计模型，给出具体的建模步骤。利 用这些模型和建模方法，研究了m i m o 系统在相关衰落信道下的性能： 1 相关信道下的平均信道容量； 论文对信道相关衰落下，m i m o 系统的信道容量进行了研究。得到了发 送端具有信道状态信息( c s i ) 采用注水功率分布( w a t e r - f i l l i n g ) 策略时，相关 信道下的平均信道容量的表达式，研究了发送端采用注水功率分布对系统 容量的影响。 2 相关信道下空时编码的性能； 差错率是衡量无线通信系统的可靠性的重要指标，能准确地知道通信 系统的差错率情况，对于系统的设计和评估都有极大的帮助。我们利用差 错矩阵的方法，把vt a r o k h 给出的独立信道情况下的性能界推广到实际相 关信道下，得到了在信道相关下系统的性能上界。然后，利用具体信道的 相关特性，给出比较精确的相关信道下空时分组编码的差错性能分析。 3 相关信道下的系统的优化编译码； 研究表明，空间相关性会对系统的性能产生影响。根据独立同分布信 道模型下编码设计准则设计的空时编码，应用于相关信道下时将会导致性 能的下降。在此，提出了一种循环空时分组编码( c s t b c ) 的编码方案。在 继承传统的译码方法、不增加译码复杂度的前提下，能够补偿恶劣信道条 件对系统性能带来的影响，并且因为没有增加各天线的瞬时发射功率，简 化了功率放大器的设计问题。在实际的系统中结合自适应编码技术，该编 码能使系统性能达到较优。 i i 北京邮电大学博士学位论文摘要 4 相关信道下b l a s t 系统的性能，分集与复用性能的折中方法的研究； 研究了发送天线和接收天线的空间相关对b l a s t 系统的影响，并利用 阵列处理的方法来改善系统的频谱效率和功率效率。提出了相关信道下 c s t b c 与b l a s t 相结合提高性能的优化系统方案。 另一方面，论文研究了时变多径衰落信道中，联合考虑发送分集和 d o p p l e r 分集的多天线m i m o 系统，以充分利用系统所提供的各种分集资源 来提高传输性能。具体包括： 1 将基于基扩展的单天线时变信道模型推广到多天线m i m o 系统中， 得到了时变多径衰落信道下m i m o 系统的等效模型。 2 分析得到了时变多径m i m o 系统可以达到的最大分集性能。 3 给出了时间选择频率平坦信道下，获得最大分集增益所采用的预编 码方案；提出了实现时间频率双选择性信道下的最大分集性能的预编码结 合o f d m 技术方案。 关键词：移动通信、多天线系统、空间分集、空间复用、空间相关衰落、 d o p p l e r 分集 i i i 北京邮电大学博士学位论文摘要 r e s e a r c h e so n m u l t i i n p u tm u l t i - o u t p u t w 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 s n l ed e m a n df o rh i g h e rd a t ar a t e sa n dh i g h e rq u a l i t yi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s h a sr e c e n t l ys e e nu n p r e c e d e n t e dg r o w t h h o w e v e r , o n eo ft h em o s tl i m i t i n gf a c t o r si nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n si st h es c a r c i t yo fs p e c t r u m i na d d i t i o n , t h em u l t i p a t hp r o p a g a t i o na n dt i m e v a r i a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sc h a n n e lb r i n gs o m ei m p a i r m e n tt ot h es i g n a l st r a n s m i t t e d o v e ri t i nr e c e n ty e a r sm u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) a n t e n n a st e c h n i q u eh a s r e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ，a si tc a nd r a m a t i c a l l yi n c r e a s et h es p e c t r a le f f i c i e n c ya n d i m p r o v et h et r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 。i nt h i sd i s s e r t a t i o n ， s o m ei s s u e s ，p e r f o r m a n c ea n d a p p l i c a t i o ni nm u l t i p l ea n t e r t n a sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m sa r ed i s c u s s e d r e s e a r c h e so nm i m 0h a v eb e e nu n d e rt h ea s s u m p t i o no fi n d e p e n d e n tf a d i n ga n dp e r f e c t e h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n b u ti nar e a l i s t i cs y s t e m ，t h ea b o v ea s s u m p t i o ni sv e r yd i f f i c u l tt o b ea c q u i r e d i n s u 伍c i e ma n t e n n as p a c i n go rl a c ko fs c a t t e r i n gc a u s e st h em i m oc h a n n e l st o b ec o r r e l a t e d t h u s ，i ti si m p e r a t i v et h a tt h ep e r f o r m a n c eo fm i m os y s t e m su n d e rc o r r e l a t e d f a d i n gc h a n n e li ss t u d i e d a c c o r d i n gt ot h er e a l i t yw i r e l e s sp r o p a g a t i o nc h a n n e l ，s p a t i a l l yc o r r e l a t e dm i m o c h a n n e l sm o d e li ss t u d i e d k n o w np h y s i c a la n ds t a t i s t i c a lm o d e l sa r ed i s c u s s e da n db a s i c i s s u e sf o rc h a n n e lm o d e l i n ga r ei n v e s t i g a t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n e l e m e n t a r ys t e pa n dm e t h o d a r ep r o p o s e d b a s e do ni t ，t h ep e r f o r m a n c eo fm i m o s y s t e m si ns p a t i a l l yc o r r e l a t e dc h a n n e l s a r ed i s c u s s e d ： w ei n v e s t i g a t et h ec a p a c i t yd i s t r i b u t i o no fs p a t i a l l yc o r r e l a t e dm i m oc h a n n e l s t h e e x p r e s s i o no fm e a nc a p a c i t yo fm i m os y s t e m sf o rt r a n s m i t t e ra n t e n n a sc o r r e l a t i o nf l a t - f a d i n g a n dt h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) a tt h et r a n s m i t t e r t h e i lt h em e a nc a p a c i t yo fm i m o s y s t e m s i nt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n , s u c ha sc o r r e l a t e d f a d i n ga n dk n o w i n gc s ia t t h e t r a n s m i t t e r , c o r r e l a t e df a d i n gb u tn ok n o w i n gc s ia tt h et r a n s m i t t e re t c ，i sd e r i v e d c h a n n e lc a p a c i t yi st h et h e o r e t i c u p p e rb o u n df o ri n f o r m a t i o nr a t ei nac h a n n e l h o w e v e r , e r r o rr a t ei so n eo fm o s ti m p o r t a n tf a c t o r st h a tc a r lb e u s e dt oa s s e s st h e p e r f o r m a n c eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i nt h i sp a p e r , t h ep e r f o r m a n c eo f s p a c e t i m eb l o c kc o d i n gi ns p a t i a l l yc o r r e l a t e df a d i n gi si n v e s t i g a t e d a tf i r s t ，au p p e rb o u n d o ft l l ep e r f o r m a n c eo fs p a c e t i m ec o d i n gf o rg e n e r a lc o r r e l a t e dm i m oc h a n n e l si sa c q u i r e d b a s e do np a i r w i s ee r r o rp r o b a b i l i t y ( p e p ) a n a l y s i s a n dt h e nc l o s e d - f o r m e de x p r e s s i o n sf o r s y m b o le l t o rr a t ei ns p a t i a l l yc o r r e l a t e d - f a d i n gm i m 0c h a u n e la r ed e r i v e d r e s u l t ss h o wt h a t i v t h ed i v e r s i t yo r d e rw h i c hi sp r o d u c to ft h en u m b e ro ft r a n s m i ta n t e n n a sa n dt h a to fr e c e i v e a n t e l l n a sd e t e r m i n e st h ee r r o rr a t e i nt h ec o r r e l a t e dc h a n n e l s ，t h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m ，n a m e l yp e p ，n o to n l yd e p e n d so n t h ep r o p e r t i e so ft r a d i t i o n a ls p a c e t i m ec o d e w o r d ，b u ta l s od e p e n d so nt h ec o r r e l a t i o no f c h a n n e l s c o n s e q u e n t l y ，w em u s ta c c o u n tf o rb o t hw h e nw ed e s i g ns p a c e t i m e c o d ei n p r a c t i c a lc o r r e l a t i o nc h a n n e l s i na d d i t i o n ，w h e nw ek n o wc h a n n e ls t a t i s t i cc h a r a c t e r s ，w ec a n u s et h e mt os i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m i nt h i sp a p e r , w ep r o p o s ean e w c o n s t r u c t i o ns p a c e t i m eb l o c kc o d e c i r c u l a t es t b cw h i c hc a l lc o m p e n s a t et h ei m p a c to f s p a t i a ls t r o n gc o r r e l a t i o n o nt h es y s t e m 、撕t l lal i r l ei n c r e a s e dc o m p l e x i t ya n dc o s t i na d d i t i o n , t h es c h e m er e l a x st h ep o w e ra m p l i f i e rd e s i g nc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ls c h e m e w ci n v e s t i g a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h eb l a s ti nc o r r e l a t e d - f a d i n gc h a n n e l s 。砀e p e r f o r m a n c eo fi ti nt r a n s m i ta n t e n n ac o r r e l a t i o na n di nr e c e i v ea n t e n n ac o r r e l a t i o ni sd e r i v e d r e s p e c t i v e l yb ym o n t ec a r l os i m u l a t i o n w ep r o p o s et h a tb yu s i n ga r r a yp r o c e s s i n ga n d a n t e n n as e l e c t i v ei nt h et r a n s m i t t e r , at r a d e o f fo ft h e d i v e r s i t y a n dm u l t i p l e x i n gi n m u l t i p l e - a n t e n n ac h a n n e l si sd e r i v e d a si sk n o w n , d i v e r s i t yt e c h n i q u e ，s u c ha sf r e q u e n c yd i v e r s i t y , t i m ed i v e r s i t y , s p a c e d i v e r s i t ye t c i so n eo ft h em o s te f f e c tm e t h o d st h a tc o u n t e r m i n e sw i r e l e s sf a d i n gc h a n n e l t h em a x i m u mb i tr a t e si nt h ef u t u r e4 gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r ea r o u n d lo o m b p s u p g r a d i n gt h es p e c t r a le f f i c i e n c ys e v e r a lt e n f o l df r o mw h a tw a so r i g i n a l l y e n v i s i o n e df o r3 gi sac h a l l e n g i n gt a s k ni sl i k e l yt h a ts u c hd a t ar a t e sc a n n o tb ei m p l e m e n t e d e f f i c i e n t l yw i t hj u s to n es i n g l et e c h n o l o g y , b u tw i l lr e q u i r eac o m b i n a t i o no ft e c h n o l o g i e s i n t h i sp a p e r , j o i n t i n gs p a c ed i v e r s i t y 谢t hd o p p l e rd i v e r s i t yi nm i m ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s i sd i s c u s s e d t h em i m oc h a n n e lm o d e lt h a tj o i n t ss p a c ed i v e r s i t yw i t hd o p p l e rd i v e r s i t yi s s e tu p b a s e do ni t w es h o wt h a tt h em a x i m u md i v e r s i t yo r d e ri sp r o d u c to ft h en u m b e ro f t r a n s m i ta n t e n n a s ，t h a to fr e c e i v ea n t e n n a s ，t h a to ft h em u l t i p a t h s ，a n dt h eo r d e ro fd o p p l e r d i v e r s i t y t h eo u t a g ep e r f o r m a n c ei nt h es y s t e m si si n v e s t i g a t e d t h ep r e c o d i n gs c h e m ei s p r o p o s e di nt i m e s e l e c t i v ef r e q u e n c y - f i a tf a d i n g b a s e do ni t t h es c h e m ew h i c hj o i n t so f d m t e c h n i q u ei nt i m e f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gi sd i s c u s s e d f o l l o w i n gt h i s ，s i m u l a t i o n sa r e p r o v i d e dt oc o r r o b o r a t eo u rt h e o r e t i c a lf i n d i n g s k e yw o r d s ：m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，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 i m o ) ，s p a c e d i v e r s i t y , s p a c ec o m p l e x i t y , s p a t i a lc o r r e l a t e df a d i n gc h a n n e l ，d o p p l e rd i v e r s i t y v 北京邮电大学博士学位论文 独创性( 或创新性) 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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 到笾砬。 日期： 挫! ! ：2 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释： 本学位论文不属于保密蔼围，适用本授权书。 本人签名：型重蛰匕日期： 导师签名：牙之卜日期： 北京邮电人学博士学位论文 第一章引言 第一章引言 进入2 l 世纪以来，无线通信技术正在以前所未有的速度向前发展。随着用户对各 种实时多媒体业务需求的增加和互联网技术的迅猛发展，可以预计未来的无线通信技术 将会具有更高的信息传输速率，为用户提供更大的便利性，其网络结构也将发生根本的 变化。目前普遍的观点是，下一代的无线通信网络将是基于统一的i p v 6 包交换方式， 向用户提供的峰值速率超过1 0 0m b i t s ，并能支持用户在各种无线通信网络中无缝漫游 的全新网络。为了支持更高的信息传输速率和更高的用户移动速度，在下一代的无线通 信中必须采用高频谱效率和可靠性更强的新型传输技术。 近年来，多天线技术由于能较大幅度地提高谱效率，被视为未来无线移动通信系统 的关键技术之一。本论文主要研究多天线技术和系统的有关问题。 本章首先介绍了现代移动通信的发展状况，然后讨论多天线系统的特征和目前的进 展，最后介绍了本论文章节安排。 1 1 无线移动通信发展状况及趋势 从2 0 世纪7 0 年代末美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统( 脚s ) 开始， 在全球范围内移动通信得到了空前的发展，并逐步成为最具发展活力的产业之一。随着 移动用户数的增加和人们物质生活水平的提高，传统的移动通信话音业务很难满足用户 越来越高的要求。计算机和网络技术的进步，使移动通信与网络的联系更加紧密。向用 户提供种类更多、速度更快、质量更好的服务，已成为未来移动通信系统的发展目标和 方向【1 捌。 在经历了只能提供模拟话音业务的第一代移动通信后，目前比较成熟的是以g s m 和i s 9 5c d m a 为代表的第二代移动通信系统。第二代移动通信系统的进步在于实现了 话音的数字化，并且用时分多址替代了频分多址的接入方式，大幅度增加了系统的用户 容量。 第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而设计的，难以满足用 户日益增长的需求。第三代移动通信系统能够提供无线i n t e m e t 业务和多媒体业务，i t u 通过的3 种主流无线传输方案有欧洲和日本提出的w c d m a 、北美提出的c d m a 2 0 0 0 和 中国的t d s c d m a 。i n t e m e t 业务的目益普及，促使移动通信技术向全i p 方向发展【j j 。 目前3 g p p 和3 g p p 2 等标准化组织制定了基于全i p 的第三代移动通信增强型体制标准。 比如3 g p p 2 提出了能够支持高速分组业务( 峰值速率为4 至5 m b p s ) 的c d m a 2 0 0 0 1 x e v 北京邮电大学博士学位论文第一章引言 标准，3 g p p 也制定了称为h s p d a 的增强性第三代移动通信标准，其分组业务峰值传 输速率达到8 m b p s 以上【4 5 】。 在宽带业务需求不断增长的情况下，无线传输作为个人通信的重要手段，其矛盾显 得十分突出。尽管第三代移动通信系统( 3 g ) 能提供m b p s 量级的传输速率，但与宽带 业务的发展需求相比还相差甚远，远远不能满足未来个人通信的要求。具有高数据率、 高频谱利用率、低发射功率、灵活业务支撑能力的未来无线移动通信系统可将无线通信 的传输容量和速率提高十倍甚至数百倍。2 0 0 2 年1 0 月，w p 8 f 完成了一个有关“i l c r 一2 0 0 0 系统的未来发展和b e y o n di m t - 2 0 0 0 系统的远景、框架和总体目标”【6 】【7 】的新的标准草 案。根据此标准草案，为了支持新业务和新应用，现有的3 g 系统将不断演化和发展， 其支持的数据传输速率也将不断提高。目前，某些i m t - 2 0 0 0 的空中接口的传输能力已 扩展至1 0 m b i t s 。预计到2 0 0 5 年，上述速率可进一步增至3 0 m b i t s 。另一方面，为了 适应无线通信技术发展的需要，到2 0 1 0 年左右我们需要一个新的无线接入标准，即4 g 无线通信系统，作为增强型3 g 系统的补充。为了适应无线通信技术发展的需要，4 g 无 线通信系统的峰值传输速率在用户高速移动时可达到l o o m b i t s ，在用户静止或低速移 动时( 如无线局域网或游牧用户) 峰值传输速率可达到1 g b l t s 引。图1 - 1 为根据i t u r 的新标准草案绘制的现有3 g 、3 g 增强型以及4 g 无线系统所支持的数据传输能力与移动 性之间的关系哺j 。 移动性 步行 1 01 0 0 1 0 0 0 峰值数据速率( m b i t s ) 注：图中的符号c j 表示不同的系统之间通过网络彼此互 联，用户可在不同的系统之间自由漫游。 图1 - 14 g 无线系统支持的数据传输速率 根据i t u r 的理解，4 g 系统的传输能力将包括过去各代( 如2 g 、3 g 、3 g 增强型 等) 无线通信系统的传输能力。未来的4 g 网络将包括现有和未来的各种无线接入系统， 2 l_v，_-y 北京邮电大学博士学位论文第一章引言 这些无线接入系统通过分组核心网络连接在一起，无线用户根据各自的具体情况( 如终 端类型、所处位置等) 可“最佳地、随时、随地地接入网络，获得所需要的服务。而 且，用户可在所有无线接入网络之间自由地切换，而不需要关注每种网络的不同的工作 机制。这种根据各种接入技术的特点，构建分层的无缝隙全覆盖整合系统，形成“通用 无线电环境”，并实现各系统之间的互通，将是通往未来无线与移动通信系统的必然途 径【6 退l 。图1 2 示出了根据上述观点所绘制的4 g 网络的组成结构l 趴。 图1 - 2 4 g 系统的网络结构 从技术的角度来说，第四代移动通信应与i m t - 2 0 0 0 以及目前制定之中的增强型3 g 标准有本质性的区别。这是由于第四代移动通信系统的峰值传输速率应为3 g 系统的l o 至5 0 倍，达到2 0 m b p s 至1 0 0 m b p s ，若简单地重复使用3 g 相同的技术，则其发射功率 则同样需要增加1 0 至5 0 倍，从而使电磁干扰问题达到无法忍受的地步。解决此问题需 要进行多方面的改进和革新，比如高频传输、智能天线、多用户检测、新型前向纠错技 术和高级网络资源分配技术等等陟”j 。未来信号处理器以及专用集成电路技术水平的大 幅提高，也将使一些较为复杂的技术在实现上成为可能。 一方面，由于带宽的增加，3 g 所采用的直接扩频c d m a 技术很难直接应用于4 g 系统，o f d m 以及多载波( m c ) 与t d m a 和c d m a 相结合的技术将是较具竞争力的 空中接口技术【1 6 , 1 7 l 。 另外一个重要方法是根据信息论原理引入多天线环境及其相关的新型空时信号处 北京邮电大学博士学位论文第一章引言 理方法，从而达到大幅度降低发射功率，提高频谱利用率之目的【l s l 。基于空时联合处理、 网络分集等新技术的4 g 蜂窝系统，目标之一是发射能量能比3 g 系统降低l o d b 以上。 理论研究结果表明，当接收机的天线数目多于发射机天线数目时，系统容量可随接收天 线的数目成比例增长【1 9 ，2 0 1 ，因而，被视为未来无线移动通信系统的关键技术之一。 1 2 多天线系统的特征及其目前进展 在无线和移动通信系统中，传统的多天线技术采用所谓的智能天线【2 1 1 。智能天线能 根据信号的来波方向，自适应地调整其方向图、跟踪强信号、减少或抵消干扰信号，提 高信干比，从而能降低信号发送功率，提高系统容量。传统的智能天线中，只在通信一 端安置多个天线阵列元素，出于体积和成本的考虑，通常是只在基站端有多副天线。 随着各种无线网络接入业务的出现，移动台已不仅仅是移动电话，对于移动台的体 积和复杂度的约束也越来越小。因此可以在发送端和接收端都安置多副天线，从而构成 多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 系统。 m i m o 系统在无线通信系统的发送端和接收端都安置多个天线元素。在发送端，二 进制数据流输入到发送处理模块中，在这里输入信息进行编码、星座映射，可能还要进 行一定的加权，然后送到各副发送天线上，经过向上变频、滤波和放大后发送出去，在 接收端，接收机将多副接收天线接收的信号进行向下转换、匹配滤波、接收处理和译码， 以恢复原始数据。可见，m i m o 技术的出发点是将发送天线与接收天线相结合以改善每 个用户的通信质量( 如差错率) 或者通信效率( 如数据速率) 。 m i m o 系统的核心思想是空时信号处理，即在继续使用传统通信系统具有的时间维 的基础上，通过使用多副天线来增加空间维，从而实现多维的信号处理。因此，m i m o 技术可以视为智能天线技术的一种扩展。 显然，在m i m o 链路中，仍具有传统智能天线的优点，因为m i m o 对多天线信号 进行的优化能在更大的空间中进行，由此提供的自由度也更大。m i m o 系统不仅可以提 供更多的分集增益，如果事先知道信道信息的话，m i m o 系统还可以通过相干组合来提 供阵列增益。 事实上，m i m o 系统的数据经过的是矩阵信道而非矢量信道，这为改善性能或者提 高速率提供了更大的空间。一个m ，副发送天线和m ，副接收天线的m i m o 系统可以在 矩阵信道的特征模式当中同时传输m i n ( m ，m ，) 个独立的数据流，信道容量可随 r a i n ( m ，m ，1 而线性增长【2 2 2 3 l 。 首先对m i m o 系统的信道容量作了较深入的分析的是b e l ll a b s 的学者t e l e s t a r 和 f o s c h i n i 【2 2 2 3 l ，在此基础上，f o s c h i n i 首先提出了分层空时结构( l a y e r e ds p a c e t i m e a r c h i t e c t u r e ) 【z 乙2 4 j 。这种结构一般称为空间复用( s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ) ，一个例子就是经 4 北京邮电大学博上学位论文第章引言 常提到的v - b l a s t 2 2 2 4 - 2 5 】。v - b l a s t 系统将高速信源数据流按照发送天线数目串并变 换为若干数据流，独立地进行调制，然后分别从各副发送天线上发送出去。由于这些数 据流占据相同的频带；因此经过无线信道后，信号发生了混合。在接收端，利用估计的 信道特性，接收机按照一定的译码算法分离独立的数据流并给出其估值。纯粹的空间复 用系统能提供的分集益处很有限，它追求的是速率的最大化，因此对于一定的差错率目 标来说，空间复用系统并非是最佳的传输方案。 有时要利用m i m o 信道的高谱效率特性是很难的，比如在信道变化得很快的环境 下，信道等效的独立数据流的数目也发生较大的变化。这时，要从m i m o 信道获得最 大谱效率的空时分层结构，其差错性能可能会相当差。另一方面，从工程的角度看，链 路的效率也由发送的数据流的数目和每个数据流的差错率水平共同决定，而不仅仅取决 于数据流的数目。因此能影响差错率的措施，比如对于多个天线信号的编码，在m i m o 系统的设计中也显得非常重要。 空时编码技术提供了从m i m o 信道获得好处的另一种方法【2 6 j 。空时编码并不为提 高谱效率使用并行信道传输的方式，而是注重分集阶数的增加，在一些情况下，也能增 加编码增益。这样，并行信道数目的减少只会导致分集效果的减少，而不会引起系统性 能的迅速恶化。 空时编码技术是从传统发送分集技术即延迟分集方案的研究开始的。延迟分集方案 中，经过速率为1 2 的重复编码之后的数据信号从第一副天线上发送出去，而信号的延 迟副本从第二副天线上发送出去，延迟时间为一个符号间隔【z 。 t a r o k h 等人和g u e y 等人将这种延迟分集技术的延迟模块取消，考虑用性能更好的 格状码取代重复编码，并结合相应的调制方式，分别独立地提出了空时格状编码 ( s p a c e t i m et r e l l i sc o d i n g ) 技术，这种编码技术能够同时获得分集增益和编码增益，为 了在这两种增益之间进行折衷，可以按照一些准则进行设计 2 8 , 2 9 j 。 在此之后，很多学者展开了对空时格状码的研究，对不同的空时格状码进行了搜索， 提出了一些新的编码结构或者新的设计准则d 呻酬。 另一方面，a l a m o u t i 提出了一种新的发送分集方案，在发送端，信号经过简单的编 码映射，然后经过副天线同时发送，在接收端已准确知道信道传输特性的情况下，采 用一些简单的信号处理技术，即可获得与副天线接收分集相同的性能【3 7 】。a l a m o u t i 方案虽然只有分集增益而没有编码增益，但由于采用了独特的编码矩阵，恰带来接收译 码复杂度的大幅度降低。随后，t a r o k h 等人应用正交编码的理论，将a l a m o u t i 方案一 般化，提出了空时分组编码( s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ) 技术【3 s j 。 可以说，对m i m o 技术的研究彳刚刚起步，要在实际的系统中广泛的使用，还有 许多理论上的工作要做： 1 m 蹦o 信道之间存在相关时系统的性能。最初的研究都假设m i m o 的信道之间是相 5 北京邮电大学博士学位论文 第一章引言 互独立的，而在实际的系统中，信道之间是可能存在相关性的。在信道存在相关时， m i m o 系统的性能会受到一定的影响【3 9 , 4 0 。影响的程度如何，及其从实际系统性能 出发应该采取的措施值得研究。 2 寻找空时分组码的工作一直在继续4 引，结果表明，对于实信号星座，可以 构造码率为l 的空时分组码。但对于一般的复信号星座，若发送天线数目大于2 ， 码率为l 且能进行可达到最大分集增益的简单线性处理的空时分组码是否存在，目 前还没有定论。解决这个问题的一个策略是为了保持简单的译码结构而牺牲数据速 率 4 1 , 4 2 ，或者为了保持全速而放弃码的正交性【4 3 , 4 4 , 4 5 。 3 分集与复用的折中考虑。与空间复用系统不同，空时编码系统追求的是分集 效果的最大化，这有可能会导致速率的损失。可见，m i m o 系统需要在编码得到的 分集好处与复用得到的速率好处之间进行折衷的考虑，根据不同的目标要求，采取 相应的传输方案【4 6 1 。 4 寻找高效、快速的信道估计算法。对于m i m o 系统来说，收发两端对信道 状况的掌握程度非常重要。为了保证m i m o 系统的性能，接收端通常需要进行信道 估计【4 7 - 4 9 1 。在接收机缺乏信道知识的情况下，可以采用差分检n 5 0 , 5 1 l ，或者盲检测 【5 2 1 。如果m i m o 系统存在反馈，或者采用别的办法，发送机能够知道有关的信道信 息，那么可以利用这些信道知识优化发送方式来获得性能的改善【5 3 巧5 1 。 5 阵列信号处理的研究【5 酬。在采用空时编码的系统中，如何更有效地利用这 些有限的接收信息来可靠地恢复出发送信息，需要信号处理技术。由此可见，信号 处理的效果直接影响到系统的性能。 6 空时编码在宽带【珏5 9 1 、时间选择性【6 0 】系统中应用的研究。空时编码是基于 窄带系统、且信道准静止( q u a s i s t a t i c ：一帧内稳定不变，不同帧内可以发生变化) 情况下提出的，如何在宽带、时间选择性系统中发挥其高可靠性、高传输速率的优 势也是一个研究的热点问题。 7 与其它前沿技术的结合的研究。如何将空时编码和其它一些前沿技术，如低 密度监督码( l d p c ：l o w e rd e n s i t yp a r i t yc o d e s ) 6 t l 、t u r b o 码 6 2 1 、多用户检测【6 3 1 、 多重格码调制等相结合，进一步提高无线系统的传输性能是值得研究的又一个主要 问题。 1 3 本论文所研究的主要问题 m i m o 多天线技术适应未来移动通信系统的高速率和高服务质量的要求，是很有前 景的一种无线传输技术。本论文将分别研究相关和时变信道条件下m i m o 系统的性能 及其应用。 6 北京邮电大学博士学位论文第一牵引言 本论文第二章首先分析多天线系统的基本原理。在对移动通信信道特性分析的基础 上引出分集技术，然后重点讨论利用多天线发送多天线接收的空间分集技术，论述了 m i m o 系统的信息论基础，分别介绍了分层空时码，空时格状码和空时分组码的特征及 其编译码方法。 在研究的早期阶段，对于m i m o 系统的讨论都局限于独立同分布的m i m o 衰落信 道下的。实际的无线环境下，发送端或者接收端的天线阵列元素之间的间隔可能比较小， 或者是发送机或者接收机的位置比较高，周围缺乏足够的散射体，这些因素都可能导致 m i m o 信道之间不再是相互独立的，而存在一定的相关性。因此，讨论多天线系统在相 关衰落情况下的性能是很有必要。因而，在第三章首先从无线传播信道的实际出发，讨 论了实际相关m i m o 的信道模型。具体讨论了m i m o 物理模型和统计模型，给出具体 的建模步骤。利用这些模型和建模方法，研究了m i m o 系统在相关衰落信道下的平均 信道容量，着重对在发送端已知信道特性情况下的系统平均容量进行了分析。 在第三章所述的相关信道模型的基础上，第四章研究了相关信道下的空时编码的性 能与相关信道下b l a s t 系统的性能。提出了相关信道下的系统的优化编译码方法，利 用阵列处理和天线选择方法对系统分集与复用性能的折中进行了研究。 对抗无线衰落信道对系统不利影响的有效措施之一就是利用各种分集技术，例如频 率分集、时间分集和空间分集等。在未来的移动高速数据通信中，单一的技术不能保证 可靠的传输性能，在同一通信系统中必