（信号与信息处理专业论文）mimo系统中联合收发波束形成算法研究.pdf

摘要 摘要 多入多出( m u l t i p l e - i n p u t - m u l t i p l e o u t p u t ) 技术或称多发多收天线技术是无线 移动通信领域的一个重大突破。m 1 m o 系统能够充分开发空间资源，它利用多天 线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍地提高 信道的容量和频谱利用率，同时提高信道的可靠性、降低误码率。因此，m i m o 技术将成为未来移动通信系统的关键技术之一。 本文主要研究了m i m o 系统中的波束形成技术。m i m o 系统波束形成与传统 波束形成的概念有很大的不同，m i m o 系统的波束形成不再是传统意义的实际空 间上的波束形成，而是抽象的矩阵空间波束形成。波束形成能大大提高m i m o 系 统的抗干扰能力。本文研究的主要内容如下： 1 研究了三种在单用户m i m o 系统中能同时提供发射分集增益和接收分集 增益的联合收发波束形成算法，即：联合收发最大比波束形成( m r t m r c ) 、联 合收发选择波束形成( s d t s d c ) 和联合收发等增益波束形成( e g t e g c ) 。并对 这三种联合收发波束形成算法在m a t l a b 环境下进行了仿真和分析。 2 基于对单用户m i m o 系统的仿真分析，研究了多用户m i m o 系统中的联 合收发最大比波束形成( m r t m r c ) 算法和联合收发等增益波束形成( e g t e g c ) 算法。详细分析了多用户m i m o 系统中的这两种联合收发波束形成算法的具体实 现步骤。并在m a t l a b 环境下进行了仿真和分析。 3 研究分析得出，在多用户m i m o 系统中联合收发等增益波束形成算法 ( e g t e g c ) 对通信系统的硬件复杂度要求较低而性能较好，所以针对实际应用 采用了该算法在d s p 上实现。设计了多用户m i m o 系统联合收发等增益波束形成 算法在a d s p t s l o l s 上的实现方案，并在a d s p t s l 0 1 se z k i tl i t e 仿真平台上 进行了仿真实验。 关键词：m i m o 系统，波束形成，分集增益，联合收发波束形成，a d s p t s l 0 1 s a b s t ba c t a b s t r a c t d i g i t a lc o m m u n i c a t i o nu s i n gm u l t i p l e i n p u t - m u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) h a sr e c e n t l y e m e r g e d a so n eo ft h em o s t s i g n i f i c a n t t e c h n i c a l b r e a k t h r o u g h s i nm o d e r n c o m m u n i c a t i o n s w i t hm u l t i p l ea n t e n n a sb o t ha tt h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r ，m i m o c a l li n c r e a s et h es y s t e mc a p a c i t ya n dt h es p e c t r u me f f i c i e n c yal o ta tn oc o s to fe x t r a s p e c t r u m m i m os y s t e mi sl i k e l yt ob e c o m eo n eo ft h ek e yt e c h n i q u e so ft h en e x t g e n e r a t i o no f w i d e b a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s i nt h i st h e s i s ，t h eb e a m f o r m i n gt e c h n i q u e si nm i m os y s t e mh a v eb e e na n a l y z e d t h ed e f i n i t i o no fb e a m f o r m i n gi nm i m os y s t e mi sm u c hd i f f e r e n tf r o mt h ec l a s s i c b e a m f o r m i n gt e c h n i q u e s t h eb e a m f o r m i n gi nm i m os y s t e mi sn o tt h eb e a m f o r m i n g i n ( c l a s s i c ) r e a l i s t i cs p a c eb u tt h em a t r i xs p a c e t h eb e a n l f o n n i n gt e c h n i q u e si nm i m o s y s t e m c a nk e e p g o o dp e r f o r m a n c ei n i n t e r f e r e n c ec a s e s t h em a i nw o r ki nt h e d i s s e f t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 t h et h r e ej o i n tt r a n s m i s s i o na n dr e c e i v i n gb e a m f o r m i n gt e c h n i q u e s ( i n c l u d i n g j t r - m r b ，j t r - s d ba n dj t r - e g b ) i ns i n g l e u s e rm i m os y s t e ma r ei n v e s t i g a t e di n d e t a i l a n dt h e nt h et h r e e j o i n tt r a n s m i s s i o na n dr e c e i v i n gb e a m f o r m i n gt e c h n i q u e sa r e s i m u l a t e di nm a t l a b 2 b a s e do nt h es i m u l a t i n go ft h ej o i n tt r a n s m i s s i o na n dr e c e i v i n gb e a m f o r m i n g t e c h n i q u e so fs i n n e u s e rm 1 m os y s t e m ，t h ej t r - m r ba n dt h ej t r e g bi nm u l t i - u s e r m i m os y s t e ma n dt h ei m p l e m e n ts o l u t i o n sa r es t u d i e di nd e t a i l a n dt h ej t r - m r ba n d t h ej t r e g bt e c h n i q u e sa r es i m u l a t e di nm a t l a b 3 t h ej t r e g bt e c h n i q u ei nm u l t i u s e rm i m os y s t e mi si m p l e m e n t e do n a d s p t s l 0 1 sb e c a u s et h ej t r e g bh a sm o r em o d e s th a r d w a r er e q u i r e m e n t s a n dt h e i m p l e m e n ts o l u t i o no nd s pi se m u l a t e do nt h ea d s p t s l 0 1 se z - k i tl i t eh a r d w a r e p l a t f o r m k e yw o r d s ：m i m ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，b e a m f o r m i n g ，d i v e r s i t yg a i n ， j o i n tt r a n s m i s s i o na n dr e c c i 们n gb e e m f o r m i n g ，a d s p t s l 0 1 s l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我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 确的说明并表示谢意。 签名：童垒日期：加占年，月了日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：堇：盛，导师签名： 日期：剐年，月牙日 第一章引言 第一章引言 无线移动通信系统正朝着提供更高的数据传输率、更好的通话质量、更多的 移动通信业务以及更低的成本等方向发展。m i m o 技术在不增加系统带宽的情况 下，能极大地提高通信系统的容量、频谱利用率和数据的传输速率，同时还能有 效地增强系统的抗干扰性能和抗衰落性能。因而，普遍认为，m i m o 技术将成为 新一代移动通信系统中的关键技术之一。 1 1 m o 技术概述 如今随着移动通信用户数量的迅速增长以及人们对通话质量的要求不断提 高，m i m o 技术已经成为当前研究的热点。 1 1 1m i m 0 系统的概念 1 2 】 m f m o ( m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e - o u t p u t ) 系统是指在通信链路的发射端和接收 端均采用多个天线阵元的数据传输系统。它是在无线通信智能天线技术的基础上 发展起来的。但和智能天线技术不同的是，在m i m o 系统中，从任意一个发射天 线阵元到任意一个接收天线阵元间的无线信道是相互独立的或者只具有很小的相 关性。 m i m o 系统的基本结构如图1 1 所示。 燃斗附眵 7 加权 ： 逆映射 解调 解码 7 比特流 t x i i x 图l - 1m i m o 系统的基本结构 输入的比特流通过差错控制编码、调制、加权映射转换成多路并行的独立子 码流，在发射端通过多个发射天线阵元同时发送至多径信道。在接收端同样利用 电子科技大学硕士学位论文 多个接收天线阵元进行接收，并利用空时检测技术对多路接收信号进行加权逆映 射，然后再通过相应的解调、解码进行数据的恢复，从而实现最佳处理。通常为 了防止接收子码流间过大的相关性，各个天线阵元之间必须保持足够大的距离( 一 般为半个载波波长以上) 2 a m i m o 系统的一个重要特征是能够将多径传播作为一个有利因素加以利用。 在普通的无线通信系统中，多径通常会引起衰落，因而被视为有害因裂1 2 】。m i m o 技术能在不增加系统带宽( 仅仅是硬件和复杂度增加) 的情况下大大提高无线通 信系统的性能，因而m i m o 技术已成为一个炙手可热的研究课题。 1 1 2 m 0 系统的优点 m i m o 技术通过多发多收天线的配置充分利用信号的空间资源，从而达到提 高系统容量、频谱利用率和数据传输率的目的。 通信系统的容量是指在一定信噪比条件下所能达到的最大数据传输速率【2 l 。容 量是衡量通信系统性能的重要指标之一。对于m ，个发射天线阵元，蛆个接收天线 阵元的m i m o 系统，假设信道为独立的瑞利衰落信道，其系统容量可以表示为： r、 c - 1 0 9 2d e t 卜+ 蚩皿“ji ( b p s h z ) ( 1 _ 1 ) 其中，p 是接收端的平均信噪比，是m ，m ，的信道矩阵，噍，( i = l ，m ， j = 1 ，m ) 表示从第，个发射天线阵元到第i 个接收天线阵元之间的信道衰落系 数。当m ，和尬很大时，系统容量可以近似表示为： c “r a i n m r ，嵋) l 0 9 2 ( p 2 ) ( 1 - 2 ) 由式( 卜2 ) 可以得出，相对于s i s o ( s i n g l e i n p u t s i n g l e o u t p u t ) 系统，m i m o 系统的容量随着天线阵元数量的增大而线性增大，也就是说m i m o 技术可以成倍 地提高系统容量。 m i m o 技术能够充分利用多径来提高无线通信系统的性能【1 2 【3 1 【4 l 。在m i m o 系统中，通信双方都使用多天线阵列，由于各发射、接收天线阵元间的信道相互 独立，通过这些并行空间信道独立地传输数据符号，数据传输率必然得到提高。 在m i m o 系统中采用波束形成技术或多用户检测技术能有效地抑制或消除共道干 扰( c c d 。因而在一定的信干噪比( s i n r ) 条件下可以降低误码率，或者在一定 的误码率条件下可以降低检测所需要的信干噪比。m i m o 系统能够充分利用符号 间干扰( i s i ) 和分集技术来提高接收的信干噪比，因此可以降低基站和移动终端 2 第一章引言 的发射功率，同时减小了空间电磁干扰的影响，延长了移动终端电池的使用时间， 降低了系统对功率控制精度和器件要求。此外，从多天线阵列发射出的各子数据 流，共用同一频带的无线电波，同时进行并行传输，从而m i m o 系统在不增加系 统带宽的情况下，频谱利用率也得到了成倍地提高。 1 2 m 0 技术的发展概况及研究现状 m i m o ( m u l t i p l e i n p u t 。m u l t i p l e o u t p u t ) 系统最早是由m a r c o n i 于19 0 8 年提 出的，它利用多天线来抑制信道衰落。将m i m o 技术应用于通信领域开始于2 0 世纪7 0 年代“j 。 m i m o 技术对无线移动通信系统产生巨大推动的奠基工作则是2 0 世纪9 0 年 代由a t & tb e l l 实验室学者完成的。1 9 9 5 年t e l a d a r 给出了在衰落情况下的m i m o 容量。1 9 9 6 年f o s h i n i 给出了一种m i m o 处理算法_ d b l a s t 算法【lj 。1 9 9 8 年 t a r o k h 等讨论了m i m o 系统中基于发射分集的的空时分组码，由于空时分组码具 有较低的译码复杂度，因而己经被正式列入w c d m a 提案p j 。 朗讯科技贝尔实验室的分层空时技术b l a s t ( b e l ll a b sl a y e r e ds p a c e t i m e ) 是移动通信方面领先的m i m o 应用技术。目前贝尔实验室已经构建了1 9 g h z 载 频、3 0 k h z 带宽的v - b l a s t 实验系统，并获得了非常高的频谱利用率( 在室内试 验中达到了2 0 b p s h z 以上的频谱利用率，这在普通通信系统中是极难实现的) 。 2 0 0 2 年下半年贝尔实验室推出了两款快速移动通信芯片的样品，最高速度达到 1 9 2 m b p s 。 2 0 0 2 年m i m o 技术曾被美国( ( t e l e c o m n m n i c a t i o n s ) ) 评为十大热门通信技术之 一。目前m i m o 技术的研究方向非常多，其主要研究内容包括： ( 1 ) 目前m i m o 信道模型的建立还尚未成熟，实际中用得较多的有c o s t 2 5 9 、 c o s t 2 7 3 和i s tm e t r a 提出的空间相关性模型等。如何精确的构建更能准确 反映m i m o 信道特性的数学模型是一个非常重要的研究课题。 ( 2 ) 由于m i m o 信道的复杂性，因而根据更实际更精确的信道模型，计算由信息 理论确定的信道容量是一件非常困难的事情。目前这一方面的研究结论还只是 初步的。 ( 3 ) m i m o 系统能提供两种类型的增益：空间复用增益和分集增益。空间复用增 益与分集增益的折中本质上是系统数据率和系统错误率的折中。由于m i m o 系 统本身自由度的限制，提高一种增益必定要降低另一种增益。因此在实际系统 电子科技大学硕士学位论文 中考虑这两种增益的折中是一个非常有意义的问题。 ( 4 ) 在实际应用中，m i m o 系统一般都要根据训练序列或导频来进行信道估计， 信道估计的准确性对系统的性能有重大影响。因而寻求实用性强的信道的精准 估计算法也是一个很有意义的课题。 因此，虽然m i m o 无线通信系统在系统的容量、频谱利用率和通信质量等方 面有着杰出的表现，m i m o 技术也越来越受到重视，但在实际的应用过程中仍有 很多具体问题亟待解决。 1 3 现代高性能数字信号处理器的发展和特点【5 】【6 【7 】 8 【9 】 半导体技术的迅猛发展，推动了数字信号处理器( d s p 产品) 的性能和集成 度的快速提高。目前d s p 技术已广泛应用于通信、军事、航空航天、医疗仪器、 工业控制及信息家电等领域。 数字信号处理技术的发展大致经历了以下三个阶段：( 1 ) 信号解析与数字化 研究阶段；( 2 ) 数字信号处理器产品普及阶段；( 3 ) 现代数字信号处理器快速发 展阶段。随着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 2 年世界上诞生了首枚d s p 芯片， 该器件采用微米工艺n m o s 技术制作。d s p 芯片的问世是个里程碑，它标志着 d s p 应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。到了2 0 世纪8 0 年代中期，第 二代基于c m o s 工艺的d s p 芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到了成倍 的提高。到了2 0 世纪8 0 年代后期，第三代d s p 芯片问世，它的运算速度得到进 一步提高。进入9 0 年代，d s p 发展最快，相继出现了第四代和第五代d s p 器件。 现在的d s p 属于第五代产品，它的集成度更高，并已将d s p 芯核及外围器件综合 集成在单一芯片上。这种d s p 芯片已经广泛应用于通信、计算机及日常消费等领 域。 数字信号处理器之所以得到越来越广泛的应用，是因为它具有如下优点： ( 1 ) 具有较大的动态范围，易于实现机器和设备之间的匹配； ( 2 ) 用于数据处理时，具有较高的信噪比，在处理过程中不会产生噪声； ( 3 ) 执行速度较快，整体性能高，可实现真正的实时处理； ( 4 ) 对噪声、非平衡干扰和多径干扰，在硬件结构上都有相应的方法进行处理； ( 5 ) 内部普遍采用哈佛总线结构( 程序和数据具有独立的存储空间，而且有各自 独立的程序总线和数据总线) ，与程序和数据共用存储空间的冯诺依曼结构相比， 大大提高了数据处理速度，提高了数据的吞吐率，非常适合于实时信号处理； 4 第一章引言 ( 6 ) 采用专门的硬件乘法器，能在同一时钟周期内进行相乘和累加运算，大大加 快了数字信号处理算法的运算速度； ( 7 ) 采用流水操作结构( 每条指令都由片内多个功能单元分别完成取指、译码、 取数、执行等步骤) ，能减少指令执行时间，而且程序执行时间可预测； ( 8 ) 有双地址单元，支持多种寻址方式； ( 9 ) 具有中断处理器和定时控制器，可以很方便的构成一个小系统； ( 1 0 ) 具有有效的程序控制机制并有硬件逻辑支持零开销循环； ( 1 1 ) 对输入、输出数据流没有限制； ( 1 2 ) 具有特殊的d s p 指令系统，支持汇编语言和高级语言编程。 随着人们对数字信号处理要求的不断增加及大规模集成电路的持续发展，d s p 器件将进一步朝着更高性能密度、更强大的运算性能、更大容量的片内存储器和 更高i o 处理带宽等方向发展。 1 4 本文的主要内容和组织结构 本文研究的主要内容是： ( 1 ) 研究了三种在单用户m i m o 系统中能同时提供发射天线和接收天线分集 增益的联合收发波束形成算法，即：联合收发最大比波束形成( m r t m r c ) 、联 合收发选择波束形成( s d t s d c ) 和联合收发等增益波束形成( e g t e g c ) 。并对 这三种联合收发波束形成算法在m a t l a b 环境下进行了仿真。 ( 2 ) 基于在单用户m i m o 系统中的仿真分析，研究了多用户m i m o 系统中的 联合收发最大比波束形成( m r t m r c ) 算法和联合收发等增益波束形成 ( e g t e g c ) 算法。详细分析了多用户m 1 m o 系统联合收发最大比波束形成和多 用户m i m o 系统联合收发等增益波束形成的算法实现步骤及其性能。并在 m a t l a b 环境下进行了仿真。 ( 3 ) 基于以上的仿真实验，研究分析得出联合收发等增益波束形成算法 ( e g t e g c ) 对通信系统的硬件要求较低而性能较好，所以采用该算法在d s p 上 实现。设计了多用户m i m o 系统联合收发等增益波束形成算法在a d s p t s l 0 1 s 上的实现方案，并在a d s p t s l 0 1 se z k i tl i t e 仿真平台上进行了仿真实验。 全文共分为六章： 第一章简述了m i m o 技术的基本概念、特点及研究现状，介绍了高性能d s p 器件的特点和发展状况。并说明了本文的研究内容。 电子科技大学硕士学位论文 第二章介绍了自适应波束形成的基本理论、m i m o 系统中的分集技术和m i m o 系统中的波束形成技术( 重点论述了m i m o 系统中波束形成基本理论以及波束形 成与空时编码的比较) 。 第三章研究了单用户m i m o 系统中的联合收发波束形成算法。分别采用了最 大比波束形成算法、选择波束形成算法和等增益波束形成算法来完成单用户 m i m o 系统的联合收发波束形成。并进行了m a t l a b 环境下的仿真，分析了仿真 结果。 第四章研究了多用户m i m o 系统中的联合收发波束形成算法。详细论述了多 用户m 1 m o 系统联合收发最大比波束形成算法和多用户m i m o 系统联合收发等增 益波束形成算法。并在m a t l a b 环境下进行了仿真，分析了仿真结果。 第五章介绍了a d s p t s l 叭s 芯片、v i s u a l d s p + + 集成调试开发软件平台和 t s l 0 1 se z k i t 仿真平台，设计了多用户m i m o 系统联合收发等增益波束形成算 法在a d s p t s l 0 1 s 上的实现方案。并在硬件仿真平台上进行了仿真实验。 第六章总结了本文的研究工作。 6 第二章m i m o 系统中波束形成技术的研究 第二章m 0 系统中波束形成技术的研究 2 1 自适应波束形成基本理论 自适应波束形成( 又称自适应空域滤波、智能天线、白适应天线、自适应阵 列等) 是信息科学的一个重要分支，目前已经广泛应用于通信、雷达和声纳等多 种领域【1 】。波束形成是用一定形状的波束来通过有用信号或需要方向的信号，并抑 制不需要方向的干扰。自适应波束形成则是利用现时的输入信号和干扰矢量采用 自适应算法来实现的波束形成。 自适应算法是自适应波束形成研究的核心内容。根据自适应算法是否与输出 有关，可以将其分为开环算法和闭环算法两类。开环算法的控制输出仅取决于输 入信号和某些其他数据；闭环算法的控制输出则与输入信号、输出信号以及某些 其他数据都有关。开环算法的优点是调整速度快，数据稳定性好。但通常它要求 的运算量大且不能补偿元件参数误差和运算误差。而闭环算法利用了输出反馈， 则它不但能在输入变化时保持最佳的输出，而且还能在某种程度上补偿元件参数 的变化和误差以及运算误差。但闭环算法的缺点是存在稳定性问题及收敛速度不 高。因此，多数系统都采用闭环算法；但在一些要求高速调整的系统中，开环算 法也很受重视。 一个基本的自适应波束形成器如图2 1 所示。 v 图2 - 1 自适应波束形成器结构图 电子科技大学硕士学位论文 该结构中采用了均匀线阵( u i a ) ，该阵列有m 个天线阵元，阵元间距为d 。 其中用虚线框住的部分是一个线性组合器，它是自适应波束形成系统的重要组成 部分。该线性组合器的核心是自适应算法，它按照一定的度量准则实时计算出自 适应权向量w ，再通过加权求和得到输出信号y 。 设w = h ，m ，w m r ，则系统输出为： 阵列的波束图即空间滤波响应定义为当输入为平面波时，阵列的输出( 通常 只考虑输出f 隔度或功率) 与平面波入射角的关系。设用入射角为口的单位平面波入 射到该阵列，入射波的波长为a ，此时阵的输入为操纵矢量( 方向矢量) a ( e ) ： a ( 臼) ：日，e 7 等( m - 1 ) d s i n 0f ( 2 _ 2 ) 【 j 幅度波束图为： f ( o ) = l y l = 1 w ”a ( p ) i ( 2 - 3 ) 取w = f 1 ，1 1 1 ，可使波束指向法线方向。此时的i 幅度波束图为： 即) = 胁p ) l 2 i 涨瑞誊筹l c z - 4 ) 如图2 2 所示为一个8 阵元u l a ，阵元间距d = a 2 ，瞄准方向为0 。时的波束图。 图2 - 28 阵元均匀线阵波束图 )l( z ； w ： i m = = x h w = y 第二章m i m o 系统中波束形成技术的研究 若各阵元的权的幅度为1 ，相位按线性规律变化，则可控制波束的指向。使波束指 向o o 的权向量为： w 。：a ( 岛) ：1 1 ，e 譬如血岛，e 等似4 m 油l ( 2 5 ) 【j 改变酿即可改变波束的指向，即实现电扫。通常在用自适应权向量w 实现干扰置 零之前，往往要求用幅度加权向量w 。降低副瓣，用波束指向权向量w 。控制波束指 向。一般来说，这三个权向量是分别进行设计的。 本文研究的m 1 m o 系统中的自适应波束形成与传统的自适应波束形成的概念 有很大的不同，m i m o 系统的波束形成不再是传统意义的实际空间上的波束形成， 而是抽象的矩阵空问上的波束形成。但它们都是按照一定的度量准则计算出自适 应权向量，以实现系统的最佳处理。 2 2 m o 系统中的分集技术 由于多径传播的存在，无线衰落信道中的信号可能会受到严重的衰减，从而造 成很大的信噪比的损失。分集正是一种对此非常有效的补偿方法。分集技术的基 本思想是：通过给接收端提供经不同信道衰落的发射信号的多个副本，将接收到 的这些副本分离成不相关的多路信号，然后将多路信号按一定的规则智能地合并 起来，以使接收到的有用信号的能量最大，对数字系统而言，也就是使接收端的 误码率最小。由于所有信号副本同时深度衰落的概率低，所以采用分集技术可以 提高无线链路的可靠性；或在保证一定可靠性的情况下，可以降低系统的发射功 率或增加系统的容量【3 1 。 常用的分集技术有：空间分集、时间分集、频率分集、角度分集( 或称为方向 分集) 、极化分集、场分量分集和多径分集等【3 j 。空间分集是通过使用多个发射或 接收天线来实现的。为了保证每个分集分支上的衰落都是不相关的，各天线间的 间隔必须足够大( 通常要求大于若干个波长) 。时间分集通过采用信道编码结合时 间交织来获得，它是指在多个时间段发射相同的信息，要求这些时间段的间隔应 大于信道的相干时间。从而为了使用时间分集，就有可能会产生难以接受的延时。 频率分集是通过在不同的载波频率上发射信号来获得的，各载波频率间的间隔必 须大于信道相干带宽。当多径延时很小时，频率分集是不存在的。角度分集需要 许多不同方向上的天线，每个天线都只接收从某窄角度传来的平面波，从而得到 电子科技大学硕士学位论文 不相关的分支信号。极化分集利用了信号在散射环境中会被去极化的特性，接收 机通过具有不同极化方向的天线，得到不相关的分支信号。场分量分集利用电场 和磁场在任何一点都不相关的特性来获得。多径分集通过利用r a k e 接收机得到 的直序扩频信号，将这些具有不同延时的多径成份的信号进行分解来实现。以上 的这些分集技术都可以合并使用。 其中的空间分集技术能在不牺牲信号频率带宽和保证数据传输速率的条件下 同时获得分集增益，因而得到了广泛的应用。本文主要研究了常用的空间分集技 术中的发射分集和接收分集。 2 2 1 接收分集 天线的空间分集技术能被用在发射端和或接收端。传统的空间分集技术侧重 于接收分集的获得。接收分集是指在接收端采用多个接收天线接收信号，再将这 些接收到的信号副本在某种准则下通过适当的方式合并起来吼 对于在各个分支上接收到的信号的合并方式有许多种。在射频电路中进行的合 并称为检波前合并，在基带中进行的合并称为检波后合并。在多数情况下它们的 效果没什么不同。本文主要研究的是检波前合并的实现。 接收分集的核心是如何将接收端的多个不相关的信号副本合并起来。如图2 3 所示为一个检波前合并的接收分集系统。图中虚线框住的部分为分集合并器，一 般可用线性叠加表示。 r l。，r 、 f 。 f ，姜。i 、j 气 。 ； f 。： 。 l 讥。 7 t 。 荔 图2 - 3 检波前分集接收 经过分集合并后的输出信号为： x = z “( r + n )( 2 6 ) 其中r _ 【r 。, r 2 ，r m , 】t ，i 为第f 个天线接收到的信号副本；n = h ，n ：，r t 。， 丁是加 l o 第二章m i m o 系统中波束形成技术的研究 性高斯白噪声向量，n c n ( o ，西) ；z = 【z ，z ：，z 。，r 是接收分集权向量。根据接 收分集权向量z 的选择方法不同，可将接收分集( 分集合并) 技术分为：选择合并 ( s d c ) 、最大比合并( m r c ) 和等增益合并( e g c ) 。选择合并( s d c ) 方式的 权向量为单位矩阵i 。的其中一列；最大比合并( m r c ) 方式的权向量是单位向量； 等增益合并( e g c ) 方式的权向量满足1 4 l = 1 面，i = 1 , - - - , m ，其中z f 为第i 个接 收天线的权值。 2 2 2 发射分集 相对于接收分集，发射分集的获得要更困难些。发射分集技术一般可分为要求 信道信息的波束形成和不需要信道信息的空时编码。本文主要研究实现复杂度小 得多的波束形成技术【j j 。 发射分集是通过使用多个发射天线来给接收机提供同一信号的多个不相关副 本从而获得分集的。发射分集最明显的特点就是将使用多天线的复杂性置于发射 机处。发射分集可采用多种形式，根据多个发射天线的不同使用方式来区分。例 如在时分双工( t d d ) 系统中，利用信道脉冲响应的互逆性，同一载波的不同时 隙被分别作为了前向链路和后向链路，在发射和接收时均采用相同的自适应权向 量。在接收时，按照最大接收信噪比选择权向量；在发射时也采用同样的加权向 量，这将会最大化另一端的信噪比。但这种方案要求信道是慢变化的。 发射分集的更复杂的形式是使用发射信息的空时( 频) 编码。此方案需要实现 三个方面的功能：发射端信息序列的编码和发射；接收端的合并方案；进行决策 的准则。a l a m o u t i 提出了一种接收端采用最大似然合并的简单循环发射分集方案。 该方案使用了两个发射天线和一个接收天线，实现了与使用一个发射天线和两个 接收天线并采用最大比合并分集相同的分集效果。 针对前一节中接收分集有三种波束合并方式，发射分集相应的也有三种波束 形成方式：选择发射( s d t ) 、最大比发射( m r t ) 和等增益发射( e g t ) 。这三 种方式的不同之处在于自适应权向量的选择方法不同。 如图2 _ 4 所示为一个基本的发射分集波束形成系统，该系统使用了m ，个发射 天线。其中s 为输入符号，s c ( c 表示复数域) ；w = w 1 ，w 2 ，w m 1 是发射分集 波束形成权向量。若w 为单位矩阵i 。的其中一列，则为选择发射( s d t ) ；若w 为 单位向量，则为最大比发射( m r t ) ；若w 满足i l = 1 斫，i = 1 ，m ，其中为 第i 个发射天线的权值，则为等增益发射( e g t ) 。 1 1 电子科技大学硕士学位论文 幽2 - 4 发射分集波束形成 这三种方式中，选择方式( s d t s d c ) 通过选择所有信道中具有最大增益的 信道来发射接收信号。这种方式处理器简单，但对系统的资源浪费有点大。最大 比方式( m r 可m r c ) 是使系统具有最大信干噪比的技术。这种方式充分利用了系 统的资源来提高系统的性能，但缺点是系统结构复杂、处理器复杂及体积大。这 对于便携式移动终端是个很大的缺陷。等增益方式( e g l 佃g c ) 在对每个发收分 支进行等增益约束的条件下，使系统具有最大的信干噪比。这种方式的优点是能 够比较充分地利用系统资源，对系统的硬件要求较低( e g t 不需要天线放大器调 整发射信号的幅度，因此只要增益严格匹配，就可使用一些较便宜的放大器) ，其 缺点是算法复杂度高。 2 3 m 0 系统中波束形成与空时编码的比较 在m i m o 无线通信系统中，分集技术是用来提高系统链路可靠性的常用方法。 无线通信领域中常用的分集技术主要有两种：空时编码和波束形成2 】【3 】【4 】。 空时编码主要是针对无记忆瑞利衰落信道或莱斯衰落信道，且接收端具有完 备信道状态信息但发射端对信道状态未知的单用户m i m o 系统而设计的。空时码 的设计保证了在给定分集增益下最高可能的发射速度。一般，空时编码的运算复 杂度都非常大，硬件实现也很困难。当前针对m i m o 系统的所有编码系统，包括 空时码、空频码和空时频码，都是在单用户情况下进行优化的。但实际的应用环 境多为多用户系统。由于空时编码并没有考虑多用户系统中的干扰因素，因此若 要将空时编码技术应用于多用户系统还需进一步发展。所以，目前空时编码技术 主要用于高斯热噪声环境下的单用户系统。 波束形成是一种实现复杂度较小而且能同时获得分集增益的技术。将波束形 第二章m i m o 系统中波束形成技术的研究 成技术与时域编码相结合，在处理复杂度很小的情况就能实现编码增益。波束形 成技术还能获得阵列增益以消除抑制干扰的影响。所以在多用户系统中，波束形 成是一种比空时编码更具有潜力的分集技术。如前节所述，波束形成技术包括发 射波束形成和接收波束合并，它们都是可以单独使用的技术。若仅在发射端使用 多天线，就构成了多入单出( m 1 s o ) 系统，发射波束形成技术被用来获得分集增 益；若仅在接收端使用多天线，就构成了单入多出( s i m o ) 系统，接收波束合并 技术被用来获得分集增益；若在发射端和接收端都使用多天线，就构成了多入多 出( m i m o ) 系统，发射波束形成技术和接收波束合并技术能同时被用来提供分集 增益。目前m i m o 系统的波束形成技术，大多也只考虑了单用户系统，对于多用 户的情况，主要集中在c d m a 系统中。 所以一般来说，将波束形成技术应用在低移动速度环境下是比较适合的，而空 时编码在高移动速度环境下是较好的选择。此外，在多用户系统和实际的莱斯衰 落信道环境下，波束形成技术在莱斯因子( 相关系数) 较大的情况下具有更好的 自适应性能。 2 4 m 0 系统中波束形成技术的基本理论 天线分集技术是在衰落信道中用来补偿信噪比损失，以提高无线链路的质量 的。波束形成技术是一种实现复杂度较小而且能获得满分集增益的分集技术。天 线分集能在发射端和或接收端获得。所以，本文主要研究如何将波束形成技术同 时应用于发射端和接收端联合收发的波束形成技术。 联合收发波束形成技术包括闭环波束形成和开环波束形成两种方案。这两 种方案的不同就在于闭环波束形成要求发射端必须具有完备的信道状态信息，而 开环波束形成在发射端不需要信道状态信息。原理上，开环方案与单入单出( s i s o ) 系统一样仅提供空间分集；而闭环方案不但提供了空间分集增益，而且还提供了 阵列增益( 方向增益) 。从系统复杂度来看，开环系统相对简单；闭环系统由于存 在反馈，所以相对复杂。闭环方案的系统性能主要受反馈的信道状态信息的可靠 性约束，这个方案的缺点在于反馈延时、反馈信息误差和反馈量化等具体的物理 限制。开环方案更适合于要求快速响应的场合。 如图2 5 所示，是一个采用闭环方案的联合收发波束形成的m i m o 系统。 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 5m i m o 系统的联合收发波束形成 该系统使用了m 个发射天线和m ，个接收天线。在发射端，输入信号s ( s e c ，c 表示复数域) 被发射波束形成向量w ( w = w 1 ，w 2 ，w m t 1 ，c ，i = 1 ，m ， 是第i 个发射天线的加权值) 加权。假设信道为无记忆独立同分布瑞利衰落信道， 即h = 啊，。 凡。1 !i l ， 1 【h m r , 1 ，l m r , m zj h i , i - c n ( o ，1 ) ，j = 1 ，m ，i = 1 ，m ，且当j ，女或f l u t h 。与，一目互独立。y ( y - y 1 ，y 2 ，y m , t ，y ，e c ，= 1 ，- ，m ，y ，是第j 个接 收天线上的接收信号) 为接收信号向量。 m y 2 ( ，w j p + n j ( 2 7 ) 1 1 ( n = k ，”2 ，一，n m ， 1 ，n i - - c n ( o ，) ，j = 1 , - - - , m ，且当j ；时n 与相互独立) 是加性高斯白噪声向量。第，个接收天线上的接收信号y ，被第j 个接收天线上的权 值云加权。最后每个接收天线上的加权输出值求和得到输出信号x 。 m ， z = ( 2 _ 8 ) 一, 荟y t j 将输出信号x 的表达式写成矩阵形式为： 茁= ( z “h w ) s + z “n( 2 - 9 ) 其中z ( z = 【毛，z 2 ，】t ，勺c ，j = 1 ，m ，) 是接收波束合并向量，z h h w 称 为有效信道。 在该联合收发波束形成的m i m o 系统中，发射波束形成向量w 和接收波束合 并向量z 必须联合起来优化。在优化过程中，发射波束形成向量w 和接收波束合并 1 4 第二章m 1 m o 系统中波束形成技术的研究 向量z 应视为信道矩阵h 的函数。系统的目标是：选择适当的发射波束形成向量w 和接收波束合并向量z 以使得整个m i m o 系统的误码率最小。 即，整个系统的目标可用解析式表示为： es 札q f 降1 ( 2 _ 1 0 ) l， 其中只表示平均符号错误率；m 是一个实常数，其表示每个发射符号的最近邻域 内的平均点数：d 。表示发射符号星座图中的点之间的最小欧式距离：s n r 表示 系统的接收信噪比；q ( ) ( q ( x ) = 去ee - a 2 z d a ) 为高斯截断函数。假设d m m 固 定，因为q 函数是单调递减函数，所以要使札q f j 挈1 最小就是要使接收信 噪比s n r 最大。所以该m i m o 系统的目标为，选择适当的发射波束形成向量w 和 接收波束合并向量z 以使得整个系统的s n r 最大。 2 5 本章小结 本章首先介绍了自适应波束形成技术的基本理论。虽然本文研究的m i m o 系 统中的自适应波束形成与传统的自适应波束形成的概念有很大的不同，m i m o 系 统的波束形成不再是传统意义的实际空间上的波束形成，而是抽象的矩阵空问上 的波束形成。但它们都是按照一定的度量准则计算出自适应权向量，以实现系统 的最佳处理。自适应波束形成技术的基本理论为后面的m i m o 系统中的自适应波 束形成技术奠定了基础。 然后详细讨论了m i m o 系统中的分集技术。常用的分集技术有：空间分集、 时间分集、频率分集、角度分集( 或称为方向分集) 、极化分集、场分量分集和多 径分集等。其中的空间分集技术因为能在不牺牲信号频率带宽和保证数据传输速 率的条件下同时获得分集增益，因而得到了广泛的应用。重点介绍了空间分集中 常用的发射分集和接收分集。进而比较了波束形成与空时编码两种分集技术的优 缺点以及适用范围。 最后讨论了能在m i m o 系统的发射端和接收端同时获得分集增益的联合收发 波束形成技术的基本理论。详细讨论了在m i m o 系统中采用闭环方式的联合收发 波束形成技术。该m i m o 系统的目标就是选择适当的发射波束形成向量w 和接收 电子科技大学硕士学位论文 波束合并向量z 以使得整个系统的接收信噪比( s n r ) 最大。 第三章单用户m i m o 系统联合收发波束形成 第三章单用户m 0 系统联合收发波束形成 天线的分集技术是