（通信与信息系统专业论文）vblast检测算法与多用户mimo预编码技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 鼍曼皇量皇寰皇鼍量毫曼量曼曼曼皇曼曼皇曼曼-：m =- ：= m = n = i i i = 。= l 菖 摘要 通信技术的迅猛发展使人们对数据传输速率和通信质量的要求越来越高， 而无线频谱资源非常有限，多输入多输出( m i m o ) 技术可以有效的解决如何在 有限的频谱资源上可靠高效传输数据的问题。垂直分层空时结构( v - b l a s t ) 是 m i m o 系统的关键信号处理技术之一，最初是由贝尔实验室的f o s c h i n i 在1 9 9 8 年提出，由于它不仅能够达到高的频谱利用率而且具有相对简单的发射结构和 检测算法，因此v - b l a s t 算法自提出以后，迅速得到了业界人士的普遍关注， 在短短十几年的时间里取得了广泛的应用和飞速的发展。 由于移动通信信道具有很高的复杂性，所以对移动通信信道进行分析和分 类是研究、m i m o 技术的基础。，本文首先分析了移动通信电磁波传播的机理， 讨论了小尺度衰落的各种参数，并根据各参数在信号传输过程中对信号的影响 将小尺度衰落信道分成6 种信道类型。进一步，根据小尺度衰落的统计特性， 给出了两种经典的衰落模型以及三种m i m o 系统的衰落信道模型。 本文在对m i m o 垂直分层空时结构( v - b l a s t ) 理论进行深入分析的基础 上，针对基于用户接收端的v - b l a s t 检测算法做了大量仿真研究，并根据仿 真结果分析了现有检测算法的优点与不足。然后在现有检测算法的基础上，提 出了一种基于s v d 分解，联合最大似然检测和最小均方误差排序干扰消除的 分组( m m s e o g i s ) 检测算法。在搭建的v - b l a s t 系统平台上进行相关仿真研 究。结果分析表明，m m s e o g i s 算法能以适当增加复杂度为代价，改进系统 性能，且适用于各种调制方式和分组长度，具有一定的灵活性和实际应用价值。 另外，由于多用户m i m o 之间的通信是未来发展趋势，如何抑制m i m o 多用户之间的干扰成为了新的研究热点。因此本文首先研究了单用户m i m o 发送端运用预均衡技术来抑制多子流干扰的模型，仿真表明该模型在基站端对 各个天线的信号进行预编码，而在接收端几乎不用对信号进行复杂检测就能得 到较好的系统性能。其次在单用户预编码模型的基础上分析了多用户m i m o 的预编码模型，通过块对角化的方法，即对多用户信道矩阵进行s v d 分解实 现发送端的预编码，完全消除了其他用户对有效用户的同道干扰，将多用户 m i m o 的干扰抑制问题转化为多个等效并行的单用户m i m o 干扰消除问题。 并将简单的天线选择算法应用于该多用户m i m o 系统。最后在各种情况下对 系统进行了大量仿真，验证了此模型具有良好的性能。 关键词：垂直分层空时结构；m i m o 检测；最小均方差排序分组干扰消除算法： 多用户m i m o ；块对角化 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t si nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h ed e m a n d sf o r s e r v i c e so fh i g hd a t a r a t ea n dq u a l i t ya r eg r o w i n g a st h ea v a i l a b l er a d i os p e c t r u m i sv e r yl i m i t e d ，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 i m o ) t e c h n o l o g yd r a w sm u c h a t t e n t i o nd u et ot h eh i g hc h a n n e lc a p a c i t yi tc a np r o v i d e p o s s e s s i n gh i g hs p e c t r a l e f f i c i e n c y a n d r e l a t i v e l ys i m p l e t r a n s m i t t e ra n dd e t e c t o r s t r u c t u r e ， v e r t i c a l - l a y e r e ds p a c e t i m e ( v - b l a s t ) s y s t e mp r o p o s e df i r s t l yb yf o s c h i n io f b e l ll a b si n19 9 8i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e sf o r m i m os y s t e ma n dh a sa c q u i r e de x t e n s i v ea p p l i c a t i o n si nt h ep a s s e dad o z e ny e a r s d u et ot h eh i g hc o m p l e x i t yo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e l ，t h ea n a l y s i s a n dc l a s s i f i c a t i o n so fm o b i l ec h a n n e l sb u i l dt h ef o u n d a t i o nf o rr e s e a r c h e so n m i m ot e c h n i q u e s s t a r t i n gw i t ht h ep r o p a g a t i o nm e c h a n i s mo fe l e c t r o m a g n e t i c w a v ei nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，t h et h e s i sa n a l y z e sv a r i o u sp a r a m e t e r so f s m a l l s c a l ef a d i n g ，o nt h eb a s i so fw h i c h ，t h es m a l l s c a l ef a d i n gc h a n n e l sa r e d i v i d e di n t os i xt y p e sa c c o r d i n gt ot h ei m p a c t so nt h es i g n a l se x e r t e db yt h e s e p a r a m e t e r sd u r i n g t h e t r a n s m i s s i o n f u r t h e r ，d e p e n d i n g o nt h es t a t i s t i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fs m a l l s c a l ef a d i n g ，t h et h e s i sd i s c u s s e st w oc l a s s i c a ls m a l l s c a l e f a d i n gm o d e l sa n dp r e s e n t st h r e em u l t i a n t e n n am i m of a d i n gc h a n n e lm o d e l s o nt h eb a s i so ft h ei n d e p t ha n a l y s i so fv - b l a s ts t r u c t u r e ，s i m u l a t i o n r e s u l t so nv - b l a s td e t e c t i o na l g o r i t h m sa r ep r e s e n t e di nt h i st h e s i st oe v a l u a t e t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe x i s t i n ga l g o r i t h m s t h e nan e wa l g o r i t h m ， m i n i m u m m e a n - s q u a r e e r r o ro r d e r e d g r o u p e di n t e r f e r e n c e - s u p p r e s s i o n ( m m s e - o g i s ) ，i sp r o p o s e d b a s e do nt h ec o m b i n a t i o no f s i n g u l a r v a l u e d e c o m p o s i t i o n ( s v d ) ，m a x i m u ml i k e l i h o o d ( m l ) d e t e c t i o na n dm m s eo r d e r e d s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n o nt h ep l a t f o r mo ft h ev - b l a s ts y s t e m ，t h e s i m u l a t i o ni sp e r f o r m e da n dt h er e s u l t so b t a i n e ds h o wt h a tm m s e - o g i sa l g o r i t h m c a ni m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c ew i t ha na c c e p t a b l ei n c r e a s ei nc o m p l e x i t y b e i n g s u i t a b l ef o rv a r i o u sm o d u l a t i o ns c h e m e sa n d g r o u pl e n g t h s ，t h ep r o p o s e d a l g o r i t h m sc a np r o v i d ef l e x i b i l i t yi np r a c t i c a lu s e i n a d d i t i o n ，d u et o t h ef a c tt h a tt h em u l t i u s e rm i m o ( m u m i m o ) i s b e c o m i n gt h et r e n do fm o b i l es y s t e m s ，t h es u p p r e s s i o no fi n t e r f e r e n c ea m o n g m u l t i p l eu s e r si nm i m os y s t e mh a sb e c o m et h en e wr e s e a r c hh o t s p o t s t a r t i n g w i t hr e s e a r c h e so np r e e q u a l i z a t i o nt e c h n i q u eu s e da tt h et r a n s m i t t e rt os u p p r e s s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 m mmmm l m mm_n l t h ei n t e r f e r e n c ea m o n gm u l t i p l es t r e a m so nt h eb a s i so fs i n g l e - u s e rm i m o m o d e l ， t h et h e s i sp r o v i d e ss i m u l a t i o nr e s u l tt os h o wt h es a t i s f a c t o r yp e r f o r m a n c eb y m e a n so fp r e c o d i n ga tt h eb a s es t a t i o ni nt h ed o w n l i n k f u r t h e r ，t h ep r e c o d i n g m o d e lo fm u m i m oi s p r e s e n t e d t h eb l o c kd i a g o n a l i z a t i o nm e t h o d ，w h i c h d e c o m p o s e st h em u l t i - u s e rc h a n n e lm a t r i xt h r o u g hs v dd e c o m p o s i t i o nt op e r f o r m t r a n s m i t t e rp r e c o d i n g ，i su s e dt oe l i m i n a t et h ec o c h a n n e li n t e r f e r e n c ef r o mo t h e r u s e r s i nt h i sw a y , t h em u - m i m oi n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o nc a nb et r a n s f o r m e d i n t ot h ep r o b l e mo fc a n c e l i n gm u l t i p l ep a r a l l e ls i n g l e u s e rm i m oi n t e r f e r e n c e f i n a l l y ，s i m u l a t i o nr e s u l t so b t a i n e di n av a r i e t yo fs i t u a t i o n ss h o wt h e g o o d p e r f o r m a n c eo ft h em u m i m om o d e l k e yw o r d s ：v - b l a s t ；m i m od e t e c t i o n ；m m s e - o g i sa l g o r i t h m ；m u l t i u s e r m i m o ；b l o c kd i a g o n a l i z a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密阌，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者躲彳萱准 日期：驯d 奇6 嗣。广目 指删币繇却鬈、 日期：圳亩钼，7 目 西南交通大学学位论文主要工作声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要工作贡献如下： 1 搭建了包括最大似然( m l ) 算法、迫零( z f ) 算法、最小均方差( m m s e ) 算 法、迫零排序串行干扰消除( z f o s i c ) 算法、最小均方差串行干扰消除 ( m m s e o s l c ) 算法在内的几种传统v - b l a s t 接收端检测算法的仿真 平台，通过大量数据仿真比较了在不同条件下这几种检测方案的性能， 同时说明了他们的性能和存在的不足之处。 2 在研究v b l a s t 接收端检测算法的过程中，本文提出改进型的基于 s v d 分解，联合最大似然检测和最小均方差串行干扰消除的排序分组 干扰消除( m m s e o g i s ) 检测算法，该算法能够适用于任何调制阶数， 且其性能明显优于已有的检测算法，并通过仿真验证了该算法是一种 有效的检测算法，且具有实际应用价值。 3 本文在研究单用户m i m o 发射端预编码实现干扰消除的算法，并结合 了简单的发送天线选择算法对其进行仿真。在此基础上，研究了多用 户m i m o 基于块对角化预编码的算法，用于消除多用户间的同道干扰， 将多用户m i m o 系统转化多个并行的单用户m i m o 系统，有效的简化 了多用户m i m o 系统仿真的复杂度，并通过仿真验证了该预编码算法 的有效性。在多用户m i m o 块对角化预编码系统中结合了简单的天线 选择算法。仿真表明，对多用户m i m o 进行天线选择，系统误码性能 有一定程度的提升。 学位论文作者签名：彳垂柱 日期：驯牟占扁7 目 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 无线通信是当今世界上发展最迅速的科研领域之。与有线通信不同，它 使得用户不受时间和地域的限制，与任何人自由地使用无线电波进行快捷的通 信，大大的拓展了通信的空间和灵活性。一个多世纪以来，特别是近三十年来， 无线移动通信技术得到了系列重大的进展，逐步渗透于人们日常生活的方方 面面，并深刻的改变了人们的生活，学习，工作和思维方式，进一步推动了社 会更好更快的向前全速发展和变革。 正如2 0 世纪9 0 年代有线通信迅速发展一样，目前无线通信面临的主要问 题是如何提供更高的数据传输速率和更可靠通信质量。由于无线通信赖以提高 传输速率的资源一频率带宽，是不可再生的资源，无线通信研究的热点课题之 一就是如何充分开发和利用有限的频谱资源，实现数据的实时、高速、可靠传 输。如今人们对通信的需求不单单停留在传统的语音通信上，用户对数字图像 传输和视频电话，数字多媒体应用等高传输速率数据业务的需求已经愈来愈迫 切。现今主要使用的第二代移动通信网络受到最初设计目的的限制，根本无法 满足用户对数据速率的需求。自然地，人们开始研究全新的移动无线通信技术， 力图在概念和技术上寻求新的突破，发展多层次联合优化技术，以使得无线通 信的容量和速率能获得十倍设置百倍的提高【4 0 1 。 众所周知，无线信道存在着衰落特性，多普勒效应和多径传播等特点。通 常多径效应会引起衰落，被视为有害因素，而多输入多输出( m i m o ：m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 技术将多径效应作为有利因素加以利用，它利用多天线 技术提供更多的接收分集和发射分集，从而增加无线链路的可靠性，降低误码 率。而多天线所提供的空间复用增益，也给系统带来了频谱效率和系统容量方 面的巨大改进。正因为如此，m i m o 无线通信技术被认为是后三代和未来移动 通信与个人通信系统实现高速率数据传输的重要途径【4 。目前，m i m o 技术已 经被视作第四代移动通信技术的重要组成部分而受到通信界的广泛关注。 1 2 论文研究背景和意义 多输入多输出( m i m o ) 技术最早是由m a r c o n i 于19 0 1 年提出的，它利用 多天线来抑制信道衰落。在二十世纪7 0 年代，有人提出将m i m o 技术用于通 信系统，但是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 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 9 0 年代由a t & t b e l l 实验室的学者完成的【42 1 。19 9 5 年t e l a t a r 给出了衰落情况 下的m i m o 容量【1 】；19 9 6 年f o s e h i n i 给出了种m i m o 处理算法一对角贝尔 实验室分层空时( d b l a s t ) 算法 2 1 ；1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了用于m i m o 的空时 码1 3 1 ；19 9 8 年w o i n i a n s k y 等人采用垂直贝尔实验室分层空时( v - b l a s t ) 算法建 立了一个m i m o 实验系统【4 】，在室内试验中达到了2 0 b i t h z 以上的频谱利用率， 这一频谱利用率在普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大关注。 m i m o 系统利用增加发射接收天线数使无线信道容量成线性增大，也就是 说，可以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道的容量，在不增加带宽和天线 发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高，同时也可以提高信道的可靠 性【1 5 】。也正因为如此，m i m o 技术已经成为当今移动通信领域研究的热门课 题。世界各国的学者和科研人员正在对m i m o 的理论、性能、算法和实现的 各方面进行广泛的研究，很多电子与通信领域的国际学术刊物在近几年也出版 了关于m i m o 无线通信的专辑。此外，在近几年的国际通信与信号处理相关 领域的学术会议也都将m i m o 无线通信技术列为一个重要的主题m 引。因此， 在m i m o 系统理论和性能研究方面已有了一批文献，其中涉及的内容包含了 很多研究方向，出现了大量的新概念和重要成果，这些研究成果极大地推动了 m i m o 技术在实际通信研究中的迅速发展。 但是由于无线移动通信m i m o 信道是一个时变、非平稳多入多出系统， 尚有大量问题需要研究。例如说，各文献大多假定信道为分段恒定衰落信道， 即准静态平坦瑞利衰落信道。这对于宽带信号的4 g 系统及室外快速移动系统， 特别是对移动台在复杂多变环境中高速度速运动情况下( 如高速铁路系统中运 用多天线进行数据的发送和接收) ，是远远不够的，因此必须建立更为复杂的 信道模型对系统进行建模和研究。已有不少文献在进行这方面的工作，即对信 道为频率选择性衰落和移动台快速移动情况进行研究。再有，在基本文献中， 均假定接收机或者发射基站精确已知多径信道参数，为此，必须发送己知序列 对接收机进行训练。但是若移动台移动速度过快，就使得训练时间太短，这样 快速信道估计或盲处理、半盲处理以及各种均衡技术就成为重要的研究内容。 另外为了得到更多的分集增益，获得最大的数据吞吐量，很多空时编码技术如 正交空时分组码、准正交空时分组码、空时格码、超正交空时格码、差分空时 编码等等需要进一步的研究和应用。而在以m i m o 作为核心技术之一的第四 代通信系统中，考虑到了多天线多用户之间进行通信的情况，与之俱来的问题， 如m i m o 多用户检测，多用户m i m o 预编码，多天线多小区间干扰抑制等等 相关技术也值得学者们进行大力研究，因而还有大量工作要做。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 国内外研究现状 实验系统是m i m o 技术走向实用的第一步。贝尔实验室的垂直分层空时 结构【4 i v - b l a s t ( v e r t i c a l b e l ll a b sl a y e r e ds p a c e t i m e ) 是最早研制成功的 m i m o 实验系统，该系统工作频率为1 9 g h z ，配有8 根发射天线，1 2 根接收 天线，采用v - b l a s t 算法。频谱利用率可达到2 0 ，4 0 b p s h z 。v - b l a s t 系统 是一个空间复用技术，它能提供的分集增益是有限的，它追求的是传输速率的 最大化。v - b l a s t 技术有着非常大的潜力，理论分析己经证明，在独立同分 布的高斯信道条件下，当接收天线数大于发射天线数时，v - b l a s t 系统的容 量随发射天线数呈线性增长。正是因为其以相对简单的发射结构和检测算法在 频谱利用率方面的突出表现，目前，v - b l a s t 技术己成为了国内外学者研究 的热点。 v - b l a s t 系统的编码很简单，其复杂度主要集中在检测上，因此对 v - b l a s t 的研究自然也就主要集中在其检测算法上。目前关于v - b l a s t 的检 测算法，绝大部分都是假设在平坦衰落信道条件下给出的。如文献【2 0 最早提 出基于迫零准则的排序串行干扰抵消算法z f o s i c ( z e r of o r c i n g o r d e r e d s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ) ，即原始v b l a s t 算法，由于该算法的串 行干扰抵消结构从本质上看与判决反馈均衡d f e ( d e c i s i o nf e e d b a c k e q u a l i z a t i o n ) 结构相同，所以有些文献也将该算法称为z f d f e 算法。就误码 率性能而言，该算法相对于线性检测方法如线性z f 检测、线性m m s e 检测有 较大的改善，但比最大似然( m l ) 检测还要差很多。所以，排序串行干扰抵消 z f o s i c 算法在检测性能方面有较大的改进空间，如何以较小的复杂度代价提 高检测性能就构成了当前v - b l a s t 研究的一个主要内容【40 1 。 以改善检测性能为目标的主要改进算法有：基于最小均方误差准则的 m m s e o s i c 算法【52 1 ，该算法在复杂度增加不大的条件下，考虑了噪声功率的 影响，可获得一定的性能改善；还有将最大似然( m l ) 检测与d f e 相结合的检 测算法，包括基于迫零准则的z f m l d f e 算法【53 1 、基于最小均方误差准则的 m m s e m l d f e 算法【5 4 j ；再者其它一些按不同方式将m l 与d f e 相结合的联 合检测算法，如文献 5 5 ，5 6 ；而文献 5 7 】则给出了一种v - b l a s t 系统新型的 分段调制方案，用以降低系统错误传播概率。特别地，文献 2 3 从性能和复杂 度两方面考虑，得到一种新的分组译码算法，一部分信息子流用最大似然( m l ) 进行检测，而另一部分用基于迫零准则的排序串行干扰消除算法( z f o s i c ) 进 行检测。在实现复杂度和系统误码率之间得到了一个很好的折中。 本文在文献 2 3 提出算法的基础上，在后续排序干扰消除算法中采用了基 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 于m m s e 准则的串行干扰消除方法。在复杂度没有多大增加的情况下，使系 统性能得到了较大的提高。与此同时，比较了不同分组长度的情况下，该改进 算法对系统性能和复杂度的影响，以及在排序与不排序的情况下给出了该算法 对性能的改善比较。 多输入多输出( m i m o ) 系统可以成倍地提高系统容量，实现高频谱效率， 随着对m i m o 技术研究的不断深入，点对多点的多用户m i m o 下行链路系统逐 渐成为研究热点。由于其通信性能会受到多用户、多天线造成的同信道干扰 ( c c i ) 影响，需要在收发机两端采用一些必要的信号处理技术。但是在实际 的通信场景中，移动台之间无法进行协作，而一个基站可以和多个移动台同时 通信，因此可以将复杂的信号处理放在基站中完成，从而实现m i m o 多用户之 间的同道干扰消除。这种在基站侧消除干扰的技术称为预编码或者预均衡技 术。 预编码的主要原理是基站利用已知的信道状态信息( c s i ) ，设计预编码矩 阵对发送信号进行处理，从而将用户数据分解为并行的数据流实现去干扰。在 接收端，移动台只需对接收信号进行简单量化处理就能分离出用户数据。运用 预编码技术可以实现用户终端的简单高效化。消除多用户m i m o 用户间干扰的 最优方案是采用“脏纸理论”【3o 】的预编码方案，但其拥有很高的实现复杂度， 在实际中难以应用。目前较为简单可行的多用户预编码技术是基于块对角化 ( b d ：b l o c kd i a g o n a l i z a t i o n ) 的预编码方案【3 3 】 3 ”，它能有效地消除用户间的干 扰。文献 5 9 同样给出了基于几何值分解( g m d ：g e o m e t r i cm e a nd e c o m p o s i t i o n ) 的预编码方案；以及联合b d 和g m d 的预编码方案，如文献【38 。本文重点考 虑多用户m i m o 使用b d 预编码的方案，首先分析了单用户m i m o 使用文献 3 5 3 6 】中研究的线性预编码消除多天线之间的干扰，并将其扩展到多用户 m i m o 系统中，采用b d 消除多用间干扰的同时，实现等效单用户的多天线干扰 消除问题。并将最简单的多天线选择算法和单用户m i m o 预编码相结合，在多 用户m i m o 系统中，也考虑了各个用户运用独立的接收端天线选择的方法对 m i m o 多用户数据进行块对角化预编码，最后在不同条件下进行了系统仿真。 1 4 论文主要研究内容和工作安排 本论文的主要内容安排如下： 第二章介绍了m i m o 技术和无线信道模型，先分析了m i m o 技术具有的 空间复用增益和空间分集增益，其后分析了无线通信信道的大尺度衰落和小尺 度衰落，给出这两种传播衰落各种经典模型，最后根据各种参数给出了m i m o 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 链路的三种信道模型。 第三章详细介绍了m i m o 垂直分层结构( v - b l a s t ) ，分析仿真了接收 端的几种传统的包括线性和非线性的信号检测算法。提出了一种基于奇异值分 解( s v d ) ，结合m l 算法和m m s e o s i c 算法的改进型分组检测算法 ( m m s e o g i s ) ，采用m a t l a b 仿真的结果表明本文提出的算法以适当的复 杂度为代价换取了系统的性能的较大提高，相对于已有算法有较大的改进。 第四章首先给出了单用户m i m o 预编码的系统模型，分析了采用z f 和 m m s e 两种准则下的预编码技术，其后给出了多用户m i m o 的系统模型，分 析了基于奇异值分解的多用户m i m o 系统块对角化预编码，并在单用户m i m o 和多用户m i m o 系统中分别结合了简单的多天线选择方法进行性能分析比较， 针对不同情况下的算法进行了系统的性能仿真。 第五章结论，对前面四章的内容进行概述性的总结。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章m 0 概述及其无线信道模型 2 1m i m o 技术概述 任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端都采用了多个天线或者是 天线阵列，就构成了一个无线m i m o 系统。无线m i m o 系统采用空时处理技 术进行信号的发送和接收理。在多径环境中，无线m i m o 系统可以极大地提 高频谱利用率，增加系统的数据传输率【4 4 1 。在不增加带宽的情况下成倍地提高 通信系统的容量，是新一代移动通信系统中必须采用的关键技术。 b e l l 实验室的t e l a t a r ，f o s c h i n i 等人在19 9 6 年从理论上证明了存在丰富散 射的无线信道，若收发两端均采用多天线，并假设每对天线之间的信道是相互 独立的，且都服从瑞利衰落，那么就可以获得比单发单收系统更高的容量 4 5 1 。 对于发射天线数为r ，接收天线为。的m i m o 系统，假定信道为多路独立的 瑞利衰落信道，则信道容量c 近似为： c = m i n ( n r ，n r ) 】b l o g ( p 2 ) ( 2 - 1 ) 其中b 为信号带宽，p 为接收端平均信噪比。上式说明，功率和带宽固定 时，多入多出系统的最大容量或者容量上限随最小天线数的增加而线性增加 【2 】。相对而言，多输入多输出技术对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜 力：，个数据子流同时发送到信道，各个发射信号占用同一频带，因而并不 额外地增加系统带宽。若各个发射接收天线之间的信道响应相互独立，则 m i m o 系统可以创造多个并行空间信道，多个子流通过这些散射信道独立地将 信息传输到接收端，接收端通过。个天线，利用先进的信号处理技术将这些 子流一一进行处理，这种被称为m i m o 空间复用的方法自然使得数据传输率 和频谱利用率得以很大提高。因此，空间复用的性能衡量就是系统提供的最大 容量。 为提高链路容量f o s c h i n i 等人提出了以分层结构为特征的b l a s t 系统 ( 根据数据在并行信道上的映射不同，可分为v - b l a s t 【2 】，d b l a s t t6 】等) 。这 类系统称为“空间复用系统”，b l a s t 是一种分层空时结构，它将数据源分为 多个数据子流，每个子流分别独立的编码调制，不同的数据子流经过各个发射 天线同时发射，接收端使用干扰对消等技术恢复各路发送信号。因此，b l a s t 系统可以在不增加带宽和发射功率的情况下，获得很高的频谱效率。这类系统 设计的目标是最大化数据传输速率。通过空间信号处理技术，b l a s t 系统可 以实现高速数据传输及复用增益。系统可能获得的最大复用增益为： r = m i n ( n r ，n r )( 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 通常，多径会引起衰落，因而被视为有害因素，而m i m o 技术的一个鲜 明特色在于它利用多径效应而不是试图对抗它。这里的多径效应在窄带系统中 体现为具有不同空间角度的时间不可分辨的信号分量，而在宽带系统中则包括 所有时间可分辨和不可分辨的信号分量【45 | 。发射端的信号经过多天线发送，采 用多天线接收，当发射机和( 或) 接收机安装的天线间隔足够大，那么不同天 线对之间信道增益的衰落大致是相互独立的，于是也就得到相互独立的信号路 径，即具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得 数据符号多个独立衰落的副本，接收机能够利用这些接收到的信号对发射信号 进行可靠译码。这可以通过选择信噪比最高的信号或者是合并对个接收信号来 实现，其结果就是我们利用多天线来增加分集度从而克服信道衰落，从而获得 更高的接收可靠性。这种被称为多天线分集的方法，利用多条路径的增益来提 高系统的可靠性，可以极大地改善衰落信道中的性能。分集的性能一般采用分 集增益来衡量，分集最常用的例子就是空时编码技术和波束形成技术。 为了获得最大的分集增益，t a r o k h 等首次提出了空时编码的概念【_ 7 8 】。空 时编码系统包括正交空时分组码、准正交空时分组码、空时格码、超正交空时 格码、差分空时编码等等，它是包含了空间维度的多维编码系统。空时编码系 统主要的目标是通过在不同发射天线信号之间引入空间、时间相关性，同时获 取空间和时间分集增益( 尽可能获得编码增益) 以提高数据传输可靠性，由于具 有发射分集的特点，一般又称为“发射分集系统”。合理设计的窄带空时编码 系统中，空间分集增益可以达到： d = n r r ( 2 3 ) 而在宽带系统中，可以达到的分集增益可以进一步提高【4 5 1 。 总之，m i m o 系统可以得到两种类型的增益：空间复用增益和空间分集增 益。然而，对于m i m o 系统的设计方案而言，单纯的天线分集与单纯的复用 方案都不是最优方案，分层空时结构b l a s t 系统和空时分组编码s t b c 系统 均为m m i o 系统特殊设计的模型，前者只能获得复用增益，后者只能取得分 集增益【4 4 1 。因为m i m o 系统本身的自由度在给定天线配置下是有限的，提高 一种增益必定降低另一种增益，二者之一都只是解决了问题的一个方面。由于 二者的折衷方案可以同时获得分集与复用增益，可能是m i m o 系统设计方案 的最好选择。因为m i m o 系统分集与复用的折中在本质上是系统错误概率与 系统数据传输率的折中，所以系统设计者需要根据实际条件综合考虑这两种增 益的折中。 一般来说，实际应用的所有m i m o 系统均可看做具有不同分集增益和复 用增益折中选择的系统，借助于空间信号处理可以同时获得分集增益和复用增 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 益，辅以优化的检测算法，就可以获得有效的数据传输速率和接收可靠性的折 中【45 1 。参考文献 9 的下述结论得到了指示着系统传输率的空间复用增益和指 示着系统错误概率的分集增益之间的最优折中：我们假定一个具有m 个发射天 线和，个接收天线的m i m o 系统，给定的空间复用增益为， ，= 0 ，1 ，r a i n ( n , ，n ，) 为一整数，发射机使用某一码字，若码字分组长度大于或 者等于，+ ，+ 1 ，则最优化的分集增益为： d = ( f r ) ( n r 一，)( 2 4 ) 上式我们可以理解为：想要实现，倍的数据传输速率提高，必须有，根发 射天线和，根接收天线用于提供数据传输的自由度，而剩下的天线将用于提供 额外的独立信号传输的复本，实现分集。 2 2 无线通信电磁波传播机理 正如第一章所述，m i m o 无线信道的建模是m i m o 系统研究的重点内容 之一，是m i m o 技术研究的基础。为了设计和仿真高性能的m i m o 系统，必 须要精确地获取收发链路的信道参数。在无线通信中，由于通信的复杂性，发 射出去的信号在空间中要经过若干次反射、折射、散射和衍射，以及受阴影效 应、多径效应和多普勒效应的影响，产生各种衰落和扩展，再加上一些未知的 干扰，严重影响了信号的接收。由于无线通信信道电磁波传播的机理是多种多 样的，所以不同文献对m i m o 信道建模分类也不尽相同，文献 1 0 1 3 对m i m o 信道分为4 类 4 6 】：宽带模型与窄带模型、确定性模型和不确定性模型、场测模 型和散射模型、物理模型和非物理模型。我们知道，信道的建模，就是一个对 实际信道的特性进行模拟的过程。因此了解电磁波传播机理与无线信道的特性 是建模的第一步。 无线通信系统中，电磁波传播的机理是多种多样，并且随着时间，空间和 频率等因素的改变而改变，具有极度的随机性。但总体可以归纳为三类：散射 ( s c a t t e r i n g ) 、反射( r e f l e c t i o n ) 、绕射( d i f f r a c t i o n ) ，这些方式将会导致信号产生 大尺度衰落和小尺度衰落【45 1 ，衰落我们将在下一节中进行讨论，在这一节中， 我们讨论这三种无线基本传输方式。 2 2 1 反射 当电磁波从一种介质传播到另一种介质时，电磁波会在介质表面发生反 射，在理性介质表面反射是没有能量损失的。无线通信中的电磁波反射主要来 自地表面、建筑物和墙壁。通常反射信号的路径损耗由两个因素决定【4 7 】：( 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 信号从发射机经过发射面到达接收机的路径；( 2 ) 反射系数，若反射面不是理想 光滑表面，反射系数还需要乘以一个散射损耗因子。 2 2 2 绕射 当接收端和发射端之间的无线电波被一个具有明显不规则性( 边缘) 的表面 阻挡，则会发生绕射。h u y g e n 1 4 1 定律认为，这是由于处于障碍物前方的各点 可以作为新的波源产生球面次级波，次级波在障碍物后方形成的场强就是绕射 波场，这便使得电磁波能够绕过障碍物传播。 2 2 3 散射 在实际的无线系统中，接收信号的能量比反射和绕射的场强要大，这是因 为当波穿行的介质中存在小于波长的物体，或者单位体积内阻挡体的个数非常 巨大时，电磁波会产生散射。在粗糙表面，小物体或其他不规则物体上，电磁 波的反射会散布于各个方向形成散射。在实际通信系统中，树叶，街道标志和 路灯，广告牌等都会引发散射，一些圆柱形的散射体可以在所有方向上散射能 量，从而增加了接收信号的能量。 2 3 无线信道的衰落模型 在无线通信系统中，发射机和接收机之间的传播路径是非常复杂的，并且 具有极强的时变随机性。为此，人们建立了很多种数学及实验模型来分析无线 信道对无线电波所引起的衰落特性。通常无线信道的传播模型可以分为两种： 大尺度传播和小尺度传播模型【l5 1 。所谓大尺度传播是指长距离( 几百米甚至更 长) 内接收信号的强度的缓慢变化，这些变化时由发射天线和接收天线之间传 播路径上的山坡或者湖泊以及建筑物等造成的。一般来说，大尺度衰落与发送 天线和接收天线之间的距离成反比，且在不同的地区( 如海边和内陆地区、城 市和乡村) 有不同的衰减因子。大尺度衰落可以由天线分集和功率控制得到补 偿，因此了解大尺度衰落对于移动通信中传输技术和接收设备的选择有很大的 意义【47 1 。这类模型的典型模型包括：o k u m u r a 模型，h a t a 模型，c o s t 系列模 型等【48 1 。而所谓小尺度衰落是描述短距离( 几个波长) 或者短时间( 秒级) 内 接收信号强度快速变化的，而移动信道的主要特性是多径，由于这些多径使得 接收信号的幅度急剧变化，产生了多径衰落。这类模型通过定义衰落的统计特 征，来描述信号通过信道所经历的变化，大量的实测数据表明，在没有直达路 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 径的情况