（通信与信息系统专业论文）基于信道预测的时变tddmimo信道互易性补偿方法.pdf

摘要 m i m o 技术在提高无线通信系统容量和可靠性上具有的巨大优势，使其成为 未来移动通信普遍采用的技术之一。采用时分双工( t d d ) 的m i m o 系统可以 利用上下行信道的互易性，使得基站能够直接根据估计得到的上行信道状态信息 进行下行发端预处理，而不需要额外的反馈开销。但是信道的时变特性将导致信 道互易性的损失，使t d d 系统的优势无法发挥。 论文分析了信道时变对t d d m i m o 通信系统信道互易性的影响，在此基础 上提出了相应的补偿方法。本文主要内容如下： 1 分析了时变空间信道模型n e 3 g p ps c m ( n e w l ye x t e n d e d 一3 g p ps p a t i a l c h a n n e lm o d e l ) ，及t d d 系统的帧结构，并在此基础上通过仿真讨论了 时变信道的特性； 2 基于奇异值分解( s v d ) 方法，分别推导了信道时不变和信道时变情况 下的系统容量公式，并进行了仿真验证，仿真结果表明，采用预编码方 式时，信道时变严重影响了系统误码率和容量性能，信道互易性损失； 3 为了补偿时变信道引起的信道互易性的损失，给出了基于信道预测的补 偿方法，仿真结果表明，该方法能够补偿信道时变造成的t d d m i m o 信 道互易性的损失，有效提高t d d m i m o 误码率性能和容量。 关键词：t d d - m i m o信道时变帧结构 信道互易性补偿方法 a b s t r a c t w i t ha l le n o r m o u sa d v a n t a g eo fa c h i e v i n gh i g hs y s t e mc a p a c i t y ，m i m o t e c h n i q u e h a sb e e no n eo ft h e w i d e l yu s e dt e c h n i q u e s i nf u t u r ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s b yu s i n gc h a n n e lr e c i p r o c i t yi nt i m ed i v i s i o nd u p l e x ( t d d ) m i m os y s t e m s ，t h eb a s es t a t i o n ( b s ) c a l lp r e p r o c e s st r a n s m i t t i n gd a t aa c c o r d i n gt ot h e c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) o b t a i n e db yu p l i n km e a s u r e m e n tw i t h o u ta d d i t i o n a l f e e d b a c ko v e r h e a d b u tt i m e v a r y i n gc h a n n e ll e a d st ot h el o s so fc h a n n e lr e c i p r o c i t y , w h i c hw i l li n v a l i d a t et h ea d v a n t a g eo ft d d s y s t e m s t h i st h e s i sa n a l y z e st h ei m p a c to ft i m e v a r y i n gc h a n n e lo nc h a n n e lr e c i p r o c i t yi n t d d - m i m oc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a n d t h e nm e t h o dc o m p e n s a t i n gc h a n n e l r e c i p r o c i t yi sp r o p o s e d t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r e a sf o l l o w s ： 1 t h et i m e - v a r y i n gc h a n n e lm o d e ln e - 3 g p ps c m ( n e w l ye x t e n d e d - 3 g p p s p m i a lc h a n n e lm o d e l ) a n dt h ef l a l i l es t r u c t u r ea p p l i c a b l et ot d ds y s t e m sa r e d i s c u s s e d , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t i m e - v a r y i n gc h a n n e la r ea n a l y z e d 2 a c c o r d i n gt ot h es v d - b a s e ds y s t e m s ，t h ec a p a c i t i e so v e rt i m e - i n v a r i a n t c h a n n e la n dt i m e - v a r y i n gc h a n n e la r ed e r i v e dr e s p e c t i v e l y s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h eb i te r r o rr a t e ( b e r ) p e r f o r m a n c ea n ds y s t e mc a p a c i t ya r e s e v e r e l yd e g r a d e do v e rt i m e v a r y i n gc h a n n e l ，t h ec h a n n e lr e c i p r o c i t yi s d e s t r o y e d 3 ac o m p e n s a t i o nm e t h o di sg i v e nt oc o m p e n s a t et h el o s so fc h a n n e lr e c i p r o c i t y d u et ot i m e v a r y i n gc h a n n e l s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t , u s i n gc h a n n e l p r e d i c t i o ni nb sc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e st h eb e rp e r f o r m a n c ea n dt h e s y s t e mc a p a c i t y t h u s ，t h ec h a n n e lr e c i p r o c i t yi sc o m p e n s a t e de f f e c t i v e l y k e y w o r d s ：t d d m i m ot i m e - v a r y i n gc h a n n e l f r a m es t r u c t u r e c h a n n e lr e c i p r o c i t y c o m p e n s a t i o nm e t h o d 西安电子科技大学 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得 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；也不包含为获得西安电子科技 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志所做的 任何贡献均已在论文中做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： 圣刍u 整 日期：丝 2 垒。坦 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 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论文。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在 年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： e l 期：竺! ：垒：坦 日期： 丝! 。 q 第一章绪论 第一章绪论 1 1i m t - a d v a n c e d 发展状况 近年来，在3 g 系统逐步进入商用的同时，各国都加大了对下一代移动通信 系统( 4 g b 3 g ) 的研究力度和投入。i t u 也在2 0 0 5 年1 0 月结束的i t u r w p 8 f 的第1 7 次会议上，给4 g b 3 g 技术一个正式的名称i m t a d v a n c e d 。 i m t a d v a n c e d 的定义如下：i m t a d v a n c e d 系统为具有超过i m t 一2 0 0 0 能力 的新能力的移动系统。该系统能够提供广泛的电信业务：由移动和固定网络支持 的日益增加的基于包传输的先进的移动业务。 i m t a d v a n c e d 的关键特性包括l l l ：需要综合考虑和平衡用户、制造商、运营 商、应用发展商、业务和内容提供商等的相关要求，在保持成本效率的条件下， 在支持灵活广泛的服务和应用的基础上，达到世界范围内的高度通用性；支持 i m t 业务和固定网络业务的能力；高质量的移动服务；用户终端适合全球使用； 友好的应用、服务和设备；世界范围内的漫游能力；增强的峰值速率以支持新的 业务和应用，例如多媒体( 需要在高移动性下支持1 0 0 m b p s ，低移动性下支持 1 g b p s ) 。 在2 0 0 8 年3 月i t u 发出征集i m t a d v a n c e d 标准的通函【2 】中，给出了表1 1 所示的i m t a d v a n c e d 的标准化时间表。从2 0 0 8 年3 月算起，i m t a d v a n c e d 标 准化主要进程分为八个阶段( s t e p ) 。 表1 1i m t - a d v a n c e d 的标准化时间表 阶段1 和2 ：2 0 0 8 年3 月至2 0 0 9 年1 0 月( 2 0 个月) ，i t u 发出通函，各国、 地区和组织准备i m t a d v a n c e d 标准提案； 阶段3 ：2 0 0 9 年3 月至2 0 0 9 年1 0 月( 8 个月) ，i t u 接收i m t - a d v a n c e d 2 基于信道预测的时变t d d m i m o 信道互易性补偿方法 标准候选技术提案； 阶段4 ：2 0 0 9 年3 月至2 0 1 0 年6 月( 1 6 个月) ，1 4 个独立评价工作组对候 选技术提案进行严格评估； 阶段5 、6 和7 ：2 0 0 9 年3 月至2 0 1 0 年1 0 月( 2 0 个月) ，对评估结果进行 分析检查，开展“一致性构建”工作，即推动不同提案之间的融合，以控制最终 通过的标准制式的数量； 阶段8 ：2 0 1 0 年3 月至2 0 11 年2 月( 1 2 个月) ，根据前面阶段的成果，完 成i m t a d v a n c e d 标准建议i m t g c s 。 从当前的国际发展形式来看，各国的b 3 g 研究工作均已进入系统设计、评 估、实验的实质阶段，甚至已经开始变相的“预标准化。相对而言，我国的研 究和标准化仍有大量工作需要加紧推进。我国在“十五 期间通过以高校为主的 f u t u r e 计划，对b 3 g 关键技术进行了广泛的研究，并取得了令人瞩目的成果。 除了上述f u t u r e 研发项目外，我国还积极组织国内标准工作，并积极参与国外 相关标准工作。中国通信标准化协会( c c s a ) 成立了t c 5w g 6 工作组，专门研 究b 3 g 技术，几项b 3 g 研究项目取得快速进展，在无线接入技术、业务和市场、 核心网技术、终端技术等方面已形成初步的研究报告。 t d l t e a d v a n c e d 是继t d s c d m a 之后中国提出的具有自主知识产权的新 一代移动通信技术，它吸纳了t d s c d m a 的主要技术元素，体现了我国通信产 业界在宽带无线移动通信领域的最新自主创新成果。目前，t d l t e a d v a n c e d 已 成为i m t a d v a n c e d 的正式后选提案，并获得3 g p p 和亚太地区通信企业的广泛 认可和支持。中国应该总结多年在移动通信领域的运营、研究和开发经验，全力 推动t d l t e a d v a n c e d 成为i m t a d v a n c e d ( 4 g ) 国际标准，以巩固在i m t 一2 0 0 0 ( 3 g ) 中取得的成绩。 1 2 研究目的及意义 为了满足i t u 对i m t a d v a n c e d 性能的苛刻要求，目前在各国际标准化组织 中普遍采用m i m o o f d m 技术作为i m t a d v a n c e d 的核心技术，m i m o o f d m 技术已经成为i m t a d v a n c e d 的技术趋势和潮流。 在i m t a d v a n c e d 提案中，包括f d d ( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ，频分双工) 和t d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ，时分双工) 两种模式，而中国的提案只包括t d d 模式，因此t d d - m i m o o f d m 的组合已经成为t d s c d m a 向i m t a d v a n c e d 演进中的关键技术1 3 】。 t d d 相对于f d d 的优点之一就是具有信道互易性【4 】，下行链路的发送端作 为上行链路的接收端可以很容易地获得信道状态信息，并将其用于下行链路信号 第一章绪论 3 的特征模式传输。虽然在t d d m i m o 系统中能够利用信道互易性直接为发端提 供信道状态信息，而不需要采取反馈措施，节省了额外的系统开销。但是，现实 情况中，由于收发射机本身因素或外部环境对通信链路产生影响等因素，往往会 导致信道的互易性无法保持，比如因为信道时变而引起的多普勒扩展【5 】、上下行 链路引入的干扰功率或干扰类型不1 6 、器件的非理想特性引起的不对称【7 】等等 都会导致信道互易性的丧失，从而无法发挥t d d 特有的优势。为了能够重新获 得信道互易性，需要针对不同的影响采取相应的补偿方法，弥补互易性的损失， 从而实现系统容量的最大化。 在所有影响信道互易性的因素中，信道时变成为实际通信中不可忽略的一个 重要因素。在移动通信系统中，信道时变会导致信道状态信息( c s i ) 过时，适 时更新信道状态能改善系统性能。而信道状态信息的获得是以降低系统吞吐量为 代价的，因此对未来的信道进行预测不仅能改善系统性能，还能增加系统吞吐量。 现有的文献中，已有较多信道预测的方法，如文献 8 】先用m m s e 信道估计得到 上行信道状态信息，再用卡尔曼滤波，预测下一时刻信道状态信息，最后进行线 性填补以得到较好的预测信道；文献【9 】用初始估计得到的信道作为跟踪的初始 值，在发射数据期间，采用l m s 算法进行信道跟踪。但是这些研究大多是基于 单向链路的，并没有结合t d d 信道的互易性问题。 因此，信道时变对t d d m i m o 通信系统信道互易性的影响，对系统性能造 成的损失以及相应的补偿方法仍有待进一步的研究。 1 3 本文内容安排 本文分析了时变信道对t d d m i m o 通信系统信道互易性的影响，并研究了 基于信道预测的信道互易性补偿方法，同时对由信道时变引起的系统信道互易性 损失后的误码率和容量性能以及相应的补偿算法的效果都作了仿真分析。 本文章节安排如下： 第一章：简要介绍了本文研究工作的背景，引出i m t a d v a n c e d 的发展现状 及涉及的主要技术。 第二章：主要介绍了t d d m i m o 系统原理、t d d 技术的原理和特点，同时 介绍了移动无线信道的统计特性，为下文时变t d d m i m o 通信信道的仿真环境 做了铺垫。 第三章：首先给出时变空间信道模型，在此模型基础之上推导出时变情况下 基于s v d 方法的系统容量，并与时不变情况下的系统容量进行比较；最后详细 描述了系统仿真流程并仿真分析了信道时变对t d d m i m o 通信系统信道互易性 的影响。 4 基于信道预测的时变t d d m i m o 信道互易性补偿方法 第四章：介绍了常用的时变信道预测方法，分析了t d d m i m o 系统帧结构， 并在t d d 模式下给出了基于信道预测的方法，以补偿时变信道引起的信道互易 性的损失，通过仿真分析验证了该方法对信道互易性的补偿效果。 第二章t d d m i m o 系统原理 5 第二章t d d m i m o 系统原理 多输入多输出( m i m o ) 系统因不需增加频谱资源和天线发送功率却能成倍 提高无线信道的容量而成为将来无线通信的关键技术之一。t d d 系统中下行链路 信道状态信息( d l c s i ) 可以根据信道互易性直接由上行链路信道状态信息 ( u l c s i ) 获得，而不需要增加额外的系统开销。 本章主要介绍文中涉及的m i m o 技术、o f d m 技术及t d d 技术，并介绍了 时变无线信道的统计特性，以此作为研究工作的基础。 2 1 1m i m o 技术 2 1m i m o o f d m 技术 下一代移动通信系统( b e y o n d3 g 4 g ) 在传输速率和系统容量等方面对通信 系统提出了更高的要求。多输入多输出( m 蹦o ) 技术充分开发空间资源，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 成倍提高信道容量。 空时信号处理是m i m o 的一个重要概念，在空间上使用多个分布天线，在时 间上则进行弥补。m i m o 系统可以看作是智能天线的扩展，用天线阵列提高无线 传输质量。m i m o 系统的特点是将多径传播( 一般认为是无线传输中的不利因素) 变为有利因素，它有效使用随机衰落及多径时延扩展，加倍提高传输速率，而无 须增加额外的频谱。这促进了信道模型、信息论与编码、信号处理及天线设计。 贝尔实验室的e t e l a t a r 和j f o s c h i 分别独立地在他们各自的论文中论证了理 论上的m i m o 信道的香农容型1o 】【1 l 】。他们指出，使用信道矩阵描述m 副发射天 线和札副接收天线系统的无线信道，如果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i i l i n ( m ，n r ) 的增 加而线性增加。这可以在s i s o 基础上成倍地增加系统容量。同时f o s c h i n i 还开 发了用于m i m o 系统的实际发射接收算法，这就是著名的贝尔实验室分层空时 码( b l a s t ) 算法。后来另一个突破性的方案，即空时编码的思想由a l a m o u t i 提出，它可以提高m i s o 和m i m o 系统的分集增益。这些信号处理方案可以提高 m i m o 系统的容量，因而吸引了大量的研究人员和工程技术人员进行更深入的研 究。 m i m o 技术实质上为系统提供了空间复用增益和空间分集增益。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提高信道的可靠性，降低误码 率。 6 基于信道预测的时变t d d m i m o 信道互易性补偿方法 ( 1 ) 空间复用技术 典型的空间复用技术是贝尔实验室的空时分层结构( b l a s t ) ，包括垂直贝 尔实验室空时分层码( v b l a s t ) 1 1 2 1 3 】，水平( h b l a s t ) 贝尔实验室空时分 层码和对角贝尔实验室空时分层码( d b a l s t ) 【1 4 】三种。其中最基本的形式是针 对平衰落信道的v b l a s t 结构，它没有得到空间分集，而是纯粹的m i m o 多路 传输，可获得最大速率或流量增益。b l a s t 空间复用技术的传输结构很简单：接 收端和发射端用多副天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同一频带上使用 多个数据通道发射信号，从而使得容量随着天线数量的增加而线性增加。这种信 道容量的增加不需要占用额外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率，因此是提 高信道和系统容量的一种非常有效的手段。 ( 2 ) 空间分集技术 空间分集技术可以分为接收分集和发射分集两类，通常可以认为s i m o 系统 是接收分集，m i s o 系统是发射分集。无线信号在复杂的无线信道中传播产生瑞 利衰落，在不同空间位置上其衰落特性不同。如果两个位置间距大于天线之间的 相关距离( 通常相隔十个信号波长以上) ，就认为两处的信号完全不相关，这样 就可以实现信号空间分集接收。空间分集一般用两副或者多副大于相关距离的天 线同时接收信号，然后在基带处理中将多路信号合并。发射分集就是将分集的负 担从终端转移到基站端，然而采用发射分集的主要问题是在发射端不知道衰落信 道的信道状态信息( c s d 。因此，必须采用信道编码以保证各信道具有良好的 性能，具体是采用空时编码( s t c ) 1 5 儿1 6 1 。 m i m o 系统中，空时编码等发射信号处理技术不需要发射机获得信道状态信 息。但是，接收机可以通过信道估计获得接收侧信道状态信息，而发射机也可以 通过反馈信道或时分双工( t d d ) 系统中信道的互易性获得发射侧信道状态信息。 信道状态信息可以分为完美c s i ，即发射机和接收机都知道的瞬时信道矩阵；部 分c s i ，即发射机和接收机只知道瞬时信道的估计或一些参数( 如信道矩阵条件 数) 或信道统计( 如发射或接收相关) 等，这些都称为不完美c s i 。发射机可以 利用这些可能的信道状态信息进行发射信号处理，提高系统性能1 7 1 瑚。利用c s i 的线性发射和接收波束成形设计通常取决于发射机获得c s i 的情况、发射信号和 编号的种类、接收信号处理方式、优化性能准则以及约束等情况( 如发射功率约 束、系统q o s 约束) ，通过组合这些已知的条件可以形成不同的空时信号处理方 法。 2 1 2o f d m 技术 正交频分复用( o f d m ) 技术f 1 9 1 实际上是m c m ( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n 多 第二章t d d m i m o 系统原理 7 载波调制) 的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信 号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。正交信号可以通 过在接收端采用相关技术分离，这样可以减少子信道之间的相互干扰( i c i ) 。每 个子信道上的信号带宽小于信道的相干带宽，因此每个子信道上都可以看成平坦 性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带 宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。 o f d m 具备以下的优点： ( 1 ) 频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍。这一点在频谱资源有 限的无线环境中很重要。o f d m 信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱 利用率可以接近n y q u i s t 极限。 ( 2 ) 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强。由于o f d m 系统把数据分散到许 多个子载波上，大大降低了各子载波的符号速率，从而减弱多径传播的影响，若 再通过采用加循环前缀作为保护间隔的方法，甚至可以完全消除符号间干扰。 ( 3 ) 采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。通过选取各子信道， 每个符号的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特率最大。即要求各子信道 信息分配应遵循信息论中的“注水定理”，亦即优质信道多传送，较差信道少传 送，劣质信道不传送的原则。 ( 4 ) 通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。o f d m 技术本身 已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡 器。但通过将各个信道联合编码，可以使系统性能得到提高。 ( 5 ) 基于离散傅立叶变换( d f t ) 的o f d m 快速算法，o f d m 采用快速傅立 叶逆变换( i f f t ) 和快速傅立叶变换( f f t ) 来实现调制和解调，易用d s p 实现。 2 1 3m i m o 与o f d m 的结合 m i m o 技术基本局限于无线窄带通信系统，这主要是因为空间分集的宽带 m i m o 信道在提供更高通信容量的同时，由于时延扩展的原因也引入了频率分 集。如果多径信道是频率选择性信道( 较大信道带宽情况下) ，o f d m 传输技术 可以通过消除符号间干扰来减少频率选择性的影响。使用k 个载波的情况下， o f d m 可以把频率选择性信道转换成为k 个并行的互补干扰的独立信道。同时， o f d m 技术可以大大降低无线宽带通信系统中接收机的复杂度。因此， m i m o o f d m 技术可以在不需要增加传输功率和扩大带宽的前提下提高数据的 传输效率，同时还可以消除时延扩展的负面效应，它利用时间、频率与空间三种 分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。m i m o o f d m 系统 原理图如图2 1 所示。 8 基于信道预测的时变t d d m i m o 信道互易性补偿方法 信道 o f d m 调制器i io f d m 调制器| lo f d m 调制器 接收机中的信号处理hm i m o 解码器h 信道解码h 数据接收端 图2 1m i m o - o f d m 系统 从图2 1 可以看出，m i m o o f d m 系统在发送端和接收端各设置多副天线， 输入的比特流经串并变换为多个分支。每个分支都进行o f d m 处理，即经过编码、 交织、q a m 映射、插入导频信号、i f f t 变换、加循环前缀等过程，再经过天线 发送到无线信道中；接收端进行与发射端相反的信号处理过程，即去除循环前缀、 f f t 变换、提取导频信息、解调、解交织、解码等，最后完全恢复原来的比特流。 m i m o o f d m 系统的提出是无线通信领域的重大突破，其频谱利用率高、信 号传输稳定、高传输速率等基本特性能够满足下一代无线传输网发展要求。 m i m o o f d m 系统内组合了多输入多输出天线和正交频分复用调制两大关键技 术。这种系统通过空间复用技术可以提供更高的数据传输速率，又可以通过空时 分集和正交频分复用达到很强的可靠性和频谱利用率。 2 2t d d 技术 时分双工( t d d ) 是一种现代通信系统常用的双工方式，在移动通信系统中 用于分离接收与发送信道( 或上下行链路) 。 2 2 1t d d 的原理 在t d d ( 时分双工) 模式中，接收和发送的双向通信是在同一频率信道即载 波的不同时间段来进行，用保护间隔来分离接收与发送信道。与t d d 模式不同， 传统的f d d ( 频分双工) 模式中，实现接收和发送的双向通信是在分离的两个对 称频率信道上，用保护频段来分离接收与发送信道。两者基本原理 2 0 1 如图2 2 所 示。 第二章t d d m i m o 系统原理 9 2 2 2t d d 的特点 图2 2t d d 和f d d 原理 与f d d 模式相比，在移动通信系统中采用t d d 模式有一系列的优点【2 ，包 括以下几个方面： ( 1 ) 频谱利用的灵活性 t d d 可以利用f d d 无法利用的不对称频谱，t d d 模式的上下行通信仅仅需 要一个载波，不像f d d 模式必须要成对的相隔一定距离的两个载波，因此它可 以利用f d d 无法利用的不对称频谱，只要有一个载波的频段就可以使用，从而 能够灵活有效地利用现有的频谱资源。 ( 2 ) 更高的频谱利用率 t d d 模式的移动通信系统的频谱利用率比f d d 系统的频谱利用率高，这是 因为在提供同样业务的情况下t d d 模式需要的带宽一般要少，有时仅为f d d 模 式的一半；另一方面，在上下行业务不对称时f d d 模式存在严重的频率浪费。 ( 3 ) 支持不对称数据业务 t d d 系统可以根据上下行业务量来自适应分配上下行时隙的个数，而f d d 系统建立通信信道时就将分配到一对对称频率以分别支持上下行业务。相对f d d 模式来说，t d d 模式能更加经济和有效地提供非对称业务，而不用额外增加设备 和系统的复杂性。 ( 4 ) 上下行信道的互易性 在t d d 系统中，基站到用户设备的上下行链路信道都用同样的频率，这样 上下行链路的传播特性基本相同，上下行的信道参数也基本相同，可以将基站上 行接收估计的信道冲激响应直接应用于下行方向的发送处理，反之亦然。这种上 下行信道的参数、冲激响应基本相同，可以在上下行接收和发送时根据一方估计 的结果被另一方直接利用的特性，称为上下行信道的互易性。上下行信道的互易 性能给t d d 系统带来以下好处： l o 基于信道预测的时变t d d m 1 m o 信道互易性补偿方法 ( a ) 功率控制要求降低。可以用比较简单和占用资源较少的开环功率控制， 同时功率周期也可以增大。 ( b ) 利用传输预处理技术降低移动终端的处理复杂性。传输预处理技术需要 知道传输信道的传播特性，在t d d 系统中由于上下行信道的互易性并可 得到，因此传输预处理技术可以直接利用。对于f d d 系统，则需要增加 反馈信道和其它复杂的处理才能获得。 ( c ) 利用m i m o 技术改进系统性能。m i m o 技术中下行波束成形和发送分集 也需要知道传输信道的传播特性，t d d 系统可以用简单的开环方式实现， 而f d d 系统必须要用复杂的闭环方案，同时性能也不如t d d 系统中的 开环方式好。 ( 5 ) 成本低 t d d 系统设备简单、频谱利用率高、对移动终端技术要求低并且能更加经济 有效地提供非对称业务，因此无论是对运营商还是用户都是非常好的选择。 2 3 移动无线信道的统计特性 无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约，而移动无线信道是现代 通信系统中最复杂的信道。发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，从简单的 视距传播，到遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山脉和树叶等。无线信道不像有 线信道那样固定并具有可预见性，而是具有极度的随机性和时变性。 2 3 1 多径效应 移动无线信道是一个多径时变信道，由于多径信道是带限的带通信道，其信 道冲激响应可以用复基带信号来描述【2 2 】瞄】： h ( t ，r ) = 聃) 6 ( f l ) ( 2 - 1 ) 一 这里r 和f 都是和时间相关的量，f 是和移动台移动速度对应的慢变时间，r 是 与无线电波传播对应的快变时间，一般叫延迟，f 。和( f ) 分别是第刀根径的时延 和幅度。信道的动态特性主要由相关函数和功率谱来描述。时延时间差相关 函数( d e l a ys p a c e d - t i m ec o r r e l a t i o nf u n c t i o n ) 定义为 见( a t ，f ) = e h ( t + a t ，r ) h ( r ，f ) ) ( 2 2 ) 设多径信号的最大时延和最小时延分别为f 一和r 曲，一般把接收功率下降 3 0 d b 时测定的时延值定义为最大时延r 一。如果相对时延f - - l n n 。t f m i n 比信号 带宽忍的倒数小很多，即a t 巧1 ，这样的信号称为窄带信号。窄带信号经过多 第二章t d d m i m o 系统原理 径信道时不会受到频率选择性衰落的影响，多径的相对时延都小于相干带宽的倒 数1 e 秒，接收机不能把它们分辨开来，因此通常把相对时延小于1 最秒的多径 称为不可分辨径。这样的信道称为非频率选择性衰落信道，也叫平衰落信道。不 可分辨径可认为合成了一条可分辨径。 如果信号带宽b 。增加到b = - 1 a r ，这样的信号是宽带信号。宽带信号在经过 多径信道时就会受到频率选择性衰落的影响，可分辨径的相对时延都大于l 最， 且由多个相对时延小于1 芝的不可分辨径合成。信号在经过这样的信道传输后， 频域上表现为不同的频率分量经历不同的衰落，时域上表现为接收信号时多个可 分辨径信号的叠加，会出现严重的符号间干扰。 2 3 2 多普勒效应 时延扩展与相干带宽最是用来描述本地信道时间扩散特性的两个参数，反映 的是信道在频域上对信号的滤波影响，描述的是信道的频变特性，而不能反映信 道的时变特性。当接收端相对发射端处于运动状态，或者电波传播路径中反射物 体发生了运动，这个时候的无线信道是时变的。也就是说当发送信号还在传播的 过程当中，传播信道的信道特征就已经发生了变化，信号尾端到达时的信道特征 同信号前端到达时的信道特征并不相同。如果信号的持续时间比较短，在这个比 较短的时间内，信道的特性还没有发生比较明显的变化，这个时候可以认为信号 并没有经历时间选择性衰落，这样的信号是慢衰落信道。如果信道特性在信号的 持续时间内发生显著的变化造成信号的失真，这样的信道是快衰落信道，信号经 历时间选择性衰落。反映到接收信号上，信号的频率会出现上升或者下降，这就 是多普勒频移现象。这种存在多普勒频移的时变信道叫做时间选择性衰落信道。 假定接收端相对发射端以恒定速度1 ，运动，传播信号波长为a 。通常发射端 都在接收端的远区场，因此可认为接收端经过一段短时间址运动之后，其运动方 向与第刀径入射波入射方向之间的夹角同时刻前的相应夹角一样，都为见。则 多普勒频移为 1 ， ， 五- - c o s 0 以懈= ( 2 3 ) ，0l 多普勒扩展既用来定义一个频率范围，在该范围内可认为接收到多径信号的 多普勒谱是非零值。相干时间可以定义为最大多普勒频移的倒数。由多普勒扩展 和相干时间这两个参数我们可以来区别一个信道的时变特性。如果信道的相干时 间比发送信号的信号周期短，即在发送信号的信号周期内，信道的冲激响应变化 很快，从而导致信号失真，产生快衰落，这样的信道称为快衰落信道。信号经过 这样的信道会经历时间选择性衰落；从频域看，信号失真会随着信号带宽的多普 勒扩展的增加而加剧。反之，我们可认为在一个或若干个带宽倒数间隔内，信道 1 2 基于信道预测的时变t d d m i m o 信道互易性补偿方法 均为静态信道。 2 4 本章小结 本章首先介绍了m i m o o f d m 系统基本原理及应用，随后介绍了t d d 技术 的原理和特点，最后分析了移动无线信道的统计特性，为后续章节中研究信道时 变对t d d m i m o 通信系统信道互易性的影响及补偿奠定了基础。 第三章信道时变对t d d m i m o 通信系统信道互易性的影响 1 3 第三章信道时变对t d d m i m o 通信系统信道互易性的影响 在t d d m i m o 通信系统的一些实现建议中，信道状态信息不仅用于收端的 解码，也用于发端的预编码或预处理，而互易性的假定被广泛接受并用来有效地 估计信道。但是，现实情况中，由于收发射机本身因素或外部环境对通信链路产 生影响等因素，如射频增益不对称、干扰不对称、信道时变等，往往会导致信道 的互易性无法保持。 本章主要针对信道时变对t d d m i m o 通信系统信道互易性的影响进行分 析，并推导出时变信道条件下的信道容量公式。 3 1 时变信道模型 3 1 1 单链路m i m o 系统模型 简化的单链路点对点通信的m i m o 系统模型如图3 1 所示。 l t 2 t 信号 l 处理 u ! 图3 1 单链路m i m o 系统模型 在发送端，用户的数据流输入到发送端信号处理模块中，将输入的数据信息 进行调制、编码等处理，然后送到各个发送天线上发送出去。在接收端，接收机 将多个接收天线接收的信号进行解调、接收处理和译码等以恢复原始数据。因此， m i m o 技术通过结合发送天线和接收天线，可以改善每个用户的通信质量( 如差 错率) ，或通信效率( 如数据速率) 。 假设m i m o 系统中发射机有m 根发射天线，接收机有，根接收天线。 x ( x c m ) 为输入符号向量，h ( h c ，川) 为信道矩阵，n ( n c n , ) 为收端的加 性高斯白噪声向量( a w g n ) ，接收到的符号向量可以表示为 y = t t x + n ( 3 1 ) 假设甩为零均值，实部虚部等方差的复高斯噪声，且每根接收天线上噪声独 立，有 1 4 基于信道预测的时变t d d m i m o 信道互易性补偿方法 e ( n n h ) = k ( 刀h 为忍的共轭转置) ( 3 - 2 ) 用魄，j 表示发射天线( _ ，= 1 ，2 ，鸠) 到接收天线f o = 1 ，2 ，) 的信道增益， 酬薯渊+ ，i ， 仔3 ， 3 1 2 时变空间信道模型 到目前为止，空间信道模型( s p a t i a lc h a n n e lm o d e l ，s c m ) 的演进经历了三 个阶段。 第一阶段：3 g p ps c m 2 4 3 g p ps c m 被广泛用于模拟快衰落环境下的m i m o 无线通信系统，该模型假 设基站( b s ) 和散射体的位置在- d , 段信道观测周期内固定不变，因此信道的时 变只取决于移动终端( m s ) 的移动，该假设在许多实际情况中是有效的。每种场 景都有固定的6 条主径，每一条主径在延迟域都代表了一个d i r a c 函数，每条主 径都由空间分离的2 0 条子径通过正弦曲线加合的方法生成，链路的路径功率、 路径延迟以及角度特性等参数都是通过它们之间的相关统计特性得到的。 第二阶段：i b 3 gs c m l 2 5 j i b 3 g ( i n t e r i mb e y o n d 3 g ) s c m 在3 g p ps c m 基础之上，考虑了径内的时延 扩展，因此2 0 条子径又被分成了若干中径，以便区分相对于初始路径的不同延 迟。中径数目的选择、每条中径功率和时延参数的选择如表3 1 所示，中径和子 径及功率的对应关系如表3 2 所示。而在3 g p ps c m 中此时延扩展为0 。短期时 变的一些信道参数主要包括：时变路径延迟、各径的时变到达角及时变的阴影衰 落，这些参数在3 g p ps c m 中均认为在短时间周期内为常数。 表3 1 中径的功率延迟参数 市郊宏小区 信道场景市区微小区 市区宏小区 每径的中径数3 4 1 1 0 2 0 0 n s 6 ，2 0 0 n s 中径功率 2 6 2 07 n s6 2 05 8 n s 和 3 4 2 02 6 5 n s4 2 0 1 3 5 n s 时延 4 4 2 02 7 6 n s 第三章信道时变对t d d m i m o 通信系统信道互易性的影响 1 5 表3 2 中径中功率及子径的分配 3 条中径4 条中径 中径 功率 子径功率 子径 l ，2 ，3 ，4 ，5 ，1 ，2 , 3 ，4 ， 11 0 2 06 2 0 6 ，7 ，8 ，1 9 ，2 0 1 9 2 0 9 ，1 0 ，1 1 ，1 2 ，5 , 6 ，7 ， 26 2 06 2 0 1 7 ，1 88 ，1 7 ，1 8 34 2 0 1 3 ，1 4 ，1 5 ，1 6 4 2 0 9 ，1 0 ，1 5 ，1 6 44 2 011 ，1 2 ，1 3 ，1 4 第三阶段：n e 3 g p ps c m 2 6 j n e 3 g p p ( n e w l ye x t e n d e d 3 g p p ) s c m 在上述两个信道模型的基础上进行扩 充，考虑了到达m s 的子径相位的时变、多径功率的时变及中径中不同的最后散 射距离( l b d s ) 的产生，中径l b d s 指的是最后的散射体跟m s 之间的距离。而 i b 3 gs c m 中未考虑到达m s 的多径相位的时变性，并且认为多径功率为常数。 因为实际的信道场景包括室内和室外两种场景，而3 g p p 信道模型主要是为 室外环境设计的，因此本文的仿真均采用n e 3 g p ps c m ，该模型能更好的接近 实际的时变宽带信道环境。n e 3 g p ps c m 中一些主要角度参数的定义如图3 2 所示。 天线波阵面 图3 2n e 3 g p ps c m 主要角度参数定义图 阵列 1 6 基于信道预测的时变t d d m i m o 信道互易性补偿方法 图中各参数含义如下： 聆：第珂条主径； 朋：第m 条子径； z ：每条主径中的第，条中径； n ，：第玎条主径中的第，条中径； k ：每条中径中k 条子径的第k 条子径，不同的中径的