（通信与信息系统专业论文）下行多蜂窝mimoofdma与mccdma性能比较.pdf

南京邮电大学硕士研究生论文 摘要 摘要 在第四代移动通信系统中，正交频分多址接入( o f d m a ) 和多载波码分多 址接入( m c c d m a ) 技术正引起广泛的关注。在发送端信道状态信息( c s i t ) 未知时，m c c d m a 技术能够获得很好的频率分集效果：c s i t 已知时，o f d m a 技术能够实现很好的多用户分集。本文主要研究了在发送端已知信道状态信息而 不知小区间干扰的条件，多蜂窝下行多用户的m i m o m c c d m a 和o f d m a 系 统吞吐量。本文没有明确界定究竟m i m o m c c d m a 与m i m o o f d m a 技术哪 个更好，而是考虑了以下几种用户模型：( 1 ) 高速且对延时不灵敏的用户，( 2 ) 高速且对延时灵敏的用户，( 3 ) 语音用户。首先基站在未知小区间干扰条件下进 行最佳资源分配，以达到系统容量最优，然后文章提出一种参数化算法来实现有 限反馈的低速率适配，确定用户的发射速率，并计算用户吞吐量。同时考虑了路 径损耗，天线数量和不同的用户类型等因素，得出了一般性的结论。通过仿真发 现大多数情况下对于高速率用户来说o f d m a 系统吞吐量更高，但是对于低速 率用户来说，有时会出现某些信道空闲的情况，这时的系统吞吐量就不如 m c c d m a ，因此两种技术在不同条件下各有优势。 南京邮电大学颁j j 研究生论文 a b s t r a c t a b s t r a c t 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 ( o f d m a ) a n dm u l t i - c a r r i e rc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( m e c d m a ) h a v er e c e n t l yd r a w nm u c ha t t e n t i o nf o rb e i n g p o t e n t i a lc a n d i d a t e si nt h e4 gs y s t e m s w h i l em c c d m ai sg o o d a ta c h i e v i n g f r e q u e n c yd i v e r s i t yw h e nt h e r e i sn oc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na v a i l a b l ea tt h e t r a n s m i ts i d e ( c s i t ) ，o f d m ai sk n o w nf o ri t sf i n e rr e s o l u t i o ni ne x p l o i t i n g m u l t i u s e rd i v e r s i t yw h e nc s i ti sa v a i l a b l e i nt h i sp a p e r ，t h es y s t e mg o o d p u to f m u l t i - c e l ld o w n l i n km u l t i u s e rm 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 ) m c c d m a a n do f d m as y s t e m si ss t u d i e dw i t ho n l yc s i tb u tn oi n t e r - c e l li n t e r f e r e n c e k n o w l e d g e a v a i l a b l ea tt h eb a s e s t a t i o n w h e t h e rm i m o m c c d m ao r m i m o - o f d m ai sab e t t e ro p t i o nr e m a i n su n j u s t i f i e di nt h el i t e r a t u r e s e v e r a lt y p e s o fu s e r sm o d e l i n gd if f e r e n ti n t e r f e r e n c ep a t t e m sa r ec o n s i d e r e d ：( i ) h i g hd a t ar a t e d e l a y i n s e n s i t i v eu s e r s ，( i i ) h i g hd a t ar a t ed e l a y s e n s i t i v eu s e r s ，a n d ( i i i ) v o i c eu s e r s a p a r a m e t e r i z e dh e u r i s t i ci sp r o p o s e dt om o d e lt h eu s e rg o o d p u t su n d e rag e n e r a l c l a s so fs l o wr a t ea d a p t a t i o n s t r a t e g yw i t hl i m i t e df e e d b a c k ，i na d d i t i o nt o t h e c a p a c i t y - w i s eo p t i m a lr e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m ew i t h o u tk n o w l e d g eo fi n t e r - c e l l i n t e r f e r e n c e t h ee f f e c t so fp a t hl o s s ，n u m b e ro fa n t e n n a sa n dd i f f e r e n tu s e rt y p e sa r e s t u d i e da n ds e v e r a lr e s u l t sa l eo b t a i n e dw i t h o u tl o s so fg e n e r a l i t y w ef i n dt h a t o f d m ah a sah i g h e rs y s t e mg o o d p u tf o rh i 曲d a t ar a t eu s e r su n d e rm o s ts i t u a t i o n s b u ti n f e r i o rp e r f o r m a n c et h a nm c c d m af o rl o wd a t ar a t eu s e r sw h e r es o m e t i m e s s e v e r a lc h a n n e l sa l el e f tu n u s e d t h i sd e m o n s t r a t e st h es u p e r i o r i t yo ft h et w os y s t e m s i nd i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e s 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： 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。 签名牡名龌吼毕7 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 4 级研究生杨丽雯指导教师宋荣方 题目：下行多蜂窝m i m o o f d m a 与m c c d m a 性能比较 英文题目：p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no fd o w n l i n km i m o - o f d m aa n d m c - c d m a m u l t i c e l la n a l y s i s 主题词：性能分析下行多蜂窝多用户多输人多输出 正交频分多址多载波码分多址 k e y w o r d s ：p e r f o r m a n c ea n a l y s i s m u l t i c e l lm u l t i u s e rd o w n l i n k 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 ) 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 ( o f d m a ) m u l t i c a r r i e rc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( m c c d m a ) 南京邮电人学顾i ：研究生论文 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 近年来m c c d m a 在b 3 g 宽带无线系统中的应用受到了越来越多的关注。 m c c d m a 是基于o f d m 技术发展起来的，它继承了传统c d m a 的优点有较强 的抗多径干扰能力，并且可以实现宽带信道上的频率分集。时分复用( t d d ) 系 统近年来也受到广泛关注，其优点除了有灵活的上下行链路的信道分配外，由于 信道对称性，发送端能够获取信道状态信息( c s i t ) ，可以更好地实现多用户分 集。发送端已知c s i 时还有另一种多址接入方案，即正交频分多址接入 ( o f d m a ) 。o f d m a 技术起先应用于欧洲的有线电视( c a t v ) 网络，现已被 i e e e8 0 2 1 6 无线城域网系统采纳。 在单蜂窝环境下( 或当噪声是白色时) 并且发送端已知c s i 时，o f d m a 系 统容量更高，但在多载波系统中可能会出现有色干扰，如由频率选择性信道传输 引起的有色干扰。若有色干扰存在，而基站不具备相应的噪声信息，则m c c d m a 性能会更好，这是因为其带宽更宽，频谱互信息更高。因此一般来说，o f d m a 系统遍历容量较高，而m c c d m a 会有更高的系统吞吐量。在多蜂窝系统中究 竟o f d m a 和m c c d m a 哪种技术更好很大程度还取决于小区间干扰模式和发 射功率频谱，对此本文没有详细阐述。另外还有其他因素会给两者的性能比较带 来难度，比如小区大小，路径损耗，用户位置，拥塞类型和多天线的运用等。单 蜂窝情况下性能比较一文中已经证明了天线数越多，则m i m o o f d m a 相对 m c c d m a 优势越不明显。本文中并没有就这方面对两者系统容量和吞吐量进 行比较，而是根据不同的用户类型研究多蜂窝系统中两者各自的优势。 本文主要从系统吞吐量的角度来比较下行多蜂窝多用户m o m o o f d m a 和 m c c d m a 系统性能。考虑三种用户类型，每种用户类型都有不同的干扰功率 谱密度。假设基站已知发送端c s i 而不知道相邻小区干扰功率，这种情况下通常 需要有限反馈的功率和速率适配。于是本文提出一种参数式模型来进行功率和速 率适配，以实现系统的最大吞吐量。首先基站在未知小区间干扰条件下进行功率 和信道最优分配，然后用速率适配模型来确定每个用户的传输速率。最后本文分 南京邮电大学硕i ：研究生论文 第一市绪论 别从路径损耗和天线数两方面对三种用户类型的遍历容量和系统吞吐量进行仿 真，得出一般性结论。 1 2 本文的主要安排 本文重点研究了当发送端信道状态信息已知时，多蜂窝下行多用户 m i m o o f d m a 与m c c d m a 的性能差异。第二章首先给出了m i m o 系统的模 型和信道容量，然后分析了信道状态信息对信道容量的影响；第三章介绍了 o f d m 和m c c d m a 技术，重点介绍了o f d m 和m c c d m a 分别与m i m o 技 术的结合。第四章给出了m i m o o f d m a 和m c c d m a 的系统模型，并提出三 种不同用户的目标模型。第四章首先介绍了最优用户和功率分配算法，然后提出 一种速率适配模型最大化系统吞吐量。第六章针对不同用户类型进行系统仿真， 从系统吞吐量和遍历容量两方面比较两种技术的性能差异。最后一章给出分析结 论。 2 南京邮电大学硕士研究生论文 第二章m i m o 系统信道容量分析 第二章m i m o 系统信道容量分析 信道容量是指发射端可以发送的最大数据速率，它是衡量通信系统性能的重 要指标。本章主要提供了m i m 0 系统的信道容量分析，比较了发射端已知c s i 与未知c s i 的情况下的信道容量。本章还分析了信道状态信息对m i m o 信道容 量的影响。 2 1m i m o 系统的原理及其信道容量 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19 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 质量的重要途径。它利用空间中增加的传输信道，在发送端和接收端采用多天线 ( 或天线阵列) 同时发送信号，其出发点是将多发送天线与多接收天线相结合以 改善每个用户的通信质量( 如差错率) 或提高通信效率( 如数据速率) 。m i m o 技术实质上是为系统提供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，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。通常， 多径要引起衰落，因而被视为有害因素，然而对于m i m o 来说，多径可以作为 一个有利因素加以利用，m i m o 技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多径 衰落影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素。m i m o 技术有效地利用随机 衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率，由于各发射天线同时发 送的信号占用同一个频带，所以未增加带宽，若各发射接收天线间的信道冲击响 应独立，则m i m o 系统可以创造多个并行空间信道。因而能够成倍的提高系统 的容量和频谱利用率。 图2 1 所示为m i m o 系统的原理图。传输信息流s ( k ) 经过空时处理矩阵 后由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 利用空时处理块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。使得数据传输率得以提高。 南京邮电大学硕j j 研究生论文第一二章m i m o 系统信道容量分析 信 审州 处理 源 矩阵 夺时 俯 处胛 链! 阼 宿 图2 1m i m o 系统原理图 符号说明：口表示标量，a 表示向量，a 表示矩阵，( ) 表示矩阵的转置，( 尸 表示共轭转置，乃 ) 表示矩阵的迹，k 似) 表示矩阵a 的特征值中的最大值， k ( 4 ) 表示矩阵a 的特征值中的最小值，_ 和n ，分别为m i m o 系统的发射天线 和接收天线数。 对于给定的信道h ，m i m o 系统的信道容量为发送信号向量 z 。 和接收信 号向量 y 。) 之问的最大互信息量。若伽) ( 它的协方差矩阵为p ) 所有元素的均 值为0 ，则缸) 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 c c 日，= b l 0 9 2 i “吉一叫 c 2 其中b 为信道带宽，i 为单位矩阵。 并行独立信道的容量 当日和p 为对角矩阵，系统则等价为啊个并行且相互独立的s i s o 系统，因 此系统容量为 c c 日，= b l 0 9 2j “砉一叫 母9 2 ( 1 i + = 召l o ：( 1 i + 盯= i l 卅。2 眦。 口2 发射端未知c s i 时，m i m o 系统的信道容量 4 ( 2 - 2 ) 南京邮电大学硕：卜研究生论文 第二章m i m o 系统信道容量分析 当发射端未知c s i 时，总发送能量独立地在各个天线平均分配，此时p 应 该选为p ：! ，因此信道容量为 刀 c 一耻l “寺删 ( 2 3 ) 发射端已知c s i 时，m i m o 系统的信道容量 如果发射端已知c s i ，就应该调整输入的概率分布，可以利用注水原理 ( w a t e r - f i l l i n g ) 4 使系统容量最大。下面先介绍一下注水原理 定义矩阵p ，q 均为r r t x m 的半正定矩阵，并定义如下函数： f ( p ) = i i + p q i ( 2 - 4 ) 假设q 含有m + m 个非零特征值，则q 的哈密特( h e r m i t ) 平方根的特征 分解为 扩= u i u n = u + 玑( 跚陶 亿5 ， 其中u 与r 都为m xm 的矩阵，u + 为m x m + 的矩阵，u o 为mx ( m - 聊+ ) 的矩 阵，r + 为m + xm + 的对角矩阵且乃- z m ，如下所示 r = 乃0 0 托 ： 0 0 ： 0 0 y m 。 ( 2 - 6 ) 式( 2 3 ) 中，对于给定的q 矩阵，考虑在t r p ) 尸的约束条件下( p ) 对 尸的最大值，因此可以得到 加雄l ( 竿厂 等号在p 满足如下条件时取得 p = u o u h 式( 2 6 ) 中， ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 南京i | | | j l 乜人学顺i j 研究生论义第一二章m i m o 系统竹道容量分析 与 r= 乃0 0 7 2 ： 0 0 ： 0 0 y m = d i a g 办，九一，0 ，0 j 么= j 鼍一吉，学 吉 驴1 击一 巍“ 式( 2 1 0 ) 中，m = 1 ，m 。 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 以上只是给出了注水原理的简单介绍，具体推导可以参考文献 2 l 】 2 2 】。 将q = 去日日代入以上相关公式中，就可以得到发射端已知c s i 时的信道容 盯。 量( 注：i i + a b l = i j + 朋i 对任何矩阵4 ，b 都成立) a 2 2 发送端己知与未知c s i 时信道容量的比较 发送端已知c s i 的情况下的信道容量比发送端未知c s i 的情况下的信道容 量要高，这是由于当发送端已知c s i 时，发送端可以优化发送信号的协方差矩阵。 但是当信道的s n r 足够大时，发送端已知c s i 的情况下的信道容量( 下面用 ( 日) 表示) 与发送端未知c s i 的情况下的信道容量( 下面用( 口) 表示) 相 差不大。下面给出它们二者关系的具体分析： 在高s n r 条件下，发送端已知与未知c s i 时信道容量的关系 当p o 2 一o o 时， 踹一1 ( 2 2 ) c c 仃( 日) 、7 证明：当尸盯2jo o 时， 6 南京邮电大学硕卜研究生论文 第一二章m i m o 系统竹道容量分析 ，抛： | r + 学 ：i+ i i c 沂( - ) l o gi 上f 聊一l 0 9 2 ( 老) + l 0 9 2f + i 聊一l 0 9 2 ( 毒) + l 0 9 2 l r + l ( 2 - 1 3 ) 器_ 型t r h 辫h ( 2 - 1 4 ) c c ，r ( 日) 。 一 、 ( h h ) 的s i s o 系统，所以 c i r ( ) 、l 0 9 2 ( 1 + 寺九驮( h h ) ) ( h ) l 0 9 2i ，+ 寺删h l 磊觚( h h ) ( 2 - 1 5 ) t r h h 在s n r 足够大的条件下，c 1 r ( 日) 虽然可以收敛于c f ，( h ) ，但是在实际系 统中s n r 总是受到约束的，不可能无止境地增加。当增加通信系统的工作s n r ， 不仅对发射机功率放大器提出了更高的要求，同时也增加了接收机的功耗，这与 终端系统节电的原则不符合。因此在实际系统中，s n r 不可能满足足够大的条 件。根据以上分析可知，注水原理无疑是信道容量达到最大的最佳选择，在实际 系统中，发射端必须有效利用c s i ，这样可以优化发送信号。 2 3m i m o 信道的遍历容量 对于确定信道，信道容量也是确定的值，就是仙农信道容量，它给出了可 靠通信信息传输速率的上界。当信道不是确定性的而是随即时变的，而每次信 道的使用都是信道所表示的随即过程的一次独立实现时，根据前面确定性信道 7 南京邮电人学硕i j 研究生论文 第二章m i m o 系统信道容量分析 容量公式计算的值也是随机变量。 对于衰落信道，容量的定义取决于所传送的突发序列的长度t ，如果t 远 大于相干时间，信道可看成遍历的，即在信息传输过程中信道经历了所有的状 态。对所有状态下的容量进行统计平均就是遍历容量。所以，一个m i m o 信道 的遍历容量就是对计算的确定性容量( 看成瞬时容量) 在信道响应矩阵的取值 范围内求平均。 c 一( h m 例。g ：i i + 孝删f ) ( 2 - 1 6 ) 我们可以通过对p 的设置来最大化遍历容量( 在一定的功率限制条件下) 。 可以证明当功率平均分配时系统的遍历容量达到最大。 设日为高斯随机矩阵，其元素服从独立同分布。则当p ：! j 时，式( 2 1 6 ) 啊 达到最大值。最优化问题描述如下： 即崦：i i + 吉一片l ， 其约束条件为 t r p p 2 4 信道状态信息对m i m o 容量的影响 2 4 1 信道状态信息的影响 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 决定m i m o 通信系统的一个重要的因素是信道状态信息( c s i ) 。c s i 指的 是每条传输路径上的衰落因子，即信道增益矩阵h 中的每个元素的值。例如， 在同样的发射功率和带宽下，具有完全c s i 的遍历瑞利衰落信道上( _ ，刀，玎，) m i m o 通信系统的容量大约是单天线系统的m = m i n ( n , ，啊) 倍。这里惕和怫分 别发射天线和接收天线的数目，信道的信噪比( s n r ) 每增加3 d b ，信道容量大 约增加mb i t s h z 。由于这个结论是基于完全c s i 得到的，因此可以看作是相干 m i m o 通信系统的一个基本界限。 8 南京邮电大学硕十研究生论文第二章m i m o 系统信道容量分析 在固定无线环境中，由于衰落因子变化缓慢，因此即使天线的数目很大， 接收机也可以对它们进行足够精确的估计。进行估计的一种方法是在发送数据 的同一信道上周期性地发送导频信号：如果假设衰落因子在，个符号区间内保 持为常数，有，= + l ，其中为导频符号的数目，l 为数据符号的数目，由 于发送导频符号降低了信息速率，实际中必须在系统性能和传输速率中做折中 考虑。 2 4 2 接收机和发射机均无c s i m a r z e t t a 2 3 等提出了非相干通信( 收发两端都不提供信道估计) 的基本 界限。他们所假设的信道模型中，衰落因子为服从独立同分布的瑞利分布，且 在1 个符号期间保持不变，假设天线f b j 的衰落因子为独立同分布零均值的循环 对称复高斯随机变量，这种模型能较好地模拟连续衰落信道。可以证明，在这 种假设下，当发射天线数为i 时，m i m o 达到最大的仙农容量值，进一步增加 发射天线数目并不能提高容量。多天线无线链路的容量最终由衰落变化之问能 传送的符号周期数来决定，这大大限制了快速衰落信道的容量。在每个符号周 期内衰落因子都发生变化这样的极端情形下，只有一个天线能得到有效的使用。 理论上可以通过增加接收天线数量来提高容量，但在这个情形下，容量随接收 天线的增长不是线性的，而是近似对数线性增加，因此这种方法并不是提高容 量的有效方式。当i 和r 相比很大时，归化的容量接近于接收机具有c s i 时 的信道容量。在t = n r 且i 刀，并不能提高容量。发送k 个训 练符号估计衰落因子，使用适配接收机也可以获得同样的容量一信噪比关系。 2 4 3 接收机有完全c s i 到目前为止研究最多的情况是：假设在接收机具有完全的c s i ，但发射机 没有。这个假设对很多信道是比较合理的，如果发射机需要c s i ，在实际系统 9 南京邮电大学硕士研究生论文 第一二章m i m o 系统竹道容量分析 中需要一个快速的反馈链路，这可能导致在多天线单元进行复杂的信号处理。 t e l a t a r 说明，基于相同的发射功率，带宽以及独立瑞利衰落的假设，( 强，佴) m i m o 通信系统在接收机具有完全c s i 的情况下，平均信道容量大约是单天线 系统的m = r a i n ( n , ，珥) 倍。信道的信噪比( s n r ) 每增加3 d b ，信道容量大约增 加mb i t s h z 。此外，还指出发射分集和接收分集相互转换的极限形式，特别地， 如果用c ( 怫，啊，p ) 表示啊个发射天线，体个接收天线，且发射总功率为p 的信 道容量，那么对于一个给定的( 如加性白色高斯噪声) 信道，总有c ( n ，q ，p ) = c ( ，刀，p ) 【3 】。f o s c h i n i 给出了拟静态衰落信道假设下的中断容量，只要接 收天线的数目比发射天线的数目大，容量随发射天线的增长而线性增长。 2 4 4 发射机和接收机都具有c s i 研究发射机和接收机都具有c s i 的情况是可能的。比如使用多载波传输机 制时，通过将可用的总带宽分割成多个子带( 如o f d m ) ，可使得原来的频率 选择性衰落转换成子带上的频率平坦性衰落，从而可以利用正交子载波同时传 输信息，这种情形下假设发射机和接收机均具有c s i 是可以的。这是发射机可 以通过适当的规则调整发射功率以抵消路径损耗的影响。从实际的角度看，发 射机有两种方式来获取c s i ，一种是通过专用反馈信道( 现有的很多系统已经 实现了快速功率控制反馈信道) ，第二是利用时分双工其中上行和下行时分复用 同一子信道，从进入的数据估计衰落因子。 b i g l i e r i 给出了发射机和接收机都具有完全c s i 且延迟和发送功率均受限的 a w g n 信道的容量和性能，由于延迟约束，一个码字的发送跨越了m ( 通常很 小) 个独立的信道实现，因此信道是非遍历的，相应的性能是信息中断概率和 延迟受限容量。b i g l i e r i 给出了这种假设下标注的s n r 的容量曲线( b i t s h z d b ) ， 并表明容量与m = m i n ( n , ，刀，) 成正比，且与一个码字发送所跨越的衰落变化次 数m 无关。由于m 是衡量时间分集( 由交织引入) 或者系统频率分集的测度， 这个结果表明，如果发射机知道c s i ，那么不需要很深的交织或很高的频率分 集就可以在小误比特率情况下得到很高的速率，对于发射天线数目较多的情况， 1 0 南京邮电大学顾：f = 研究生论文 第二帝m i m o 系统信道容量分析 延迟信道容量可以逼近遍历信道容量。 2 5 发送端获取c s i 的方法 在发射端利用c s i 对m i m o 系统进行优化能提供更高的链路容量、改善链 路性能并提供简单的方法利用空间分集 3 3 1 。但是很多m i m o 无线系统并不完全 知道上下行链路的信道状态信息。一般而言，有两种方法为基站发射机提供c s h 反馈法和上行信道重用法。 2 5 1 反馈法 反馈法通常用于f d d 系统中，它通过从移动终端向基站反馈下行信道信息 使基站有足够信息来进行闭环传输。反馈法又分为信道量化法( c h a n n e l q u a n t i z a t i o n ) 和信号量化法( q u a n t i z e ds i g n a la d a p t a t i o n ) i 两种。信道量化法就是用矢 量量化法( v e c t o rq u a n t i z a t i o n ，简称v q ) 对信道响应进行量化，然后将其反馈 至基站；信号量化法就是对发送信号特性进行量化，然后将其反馈至基站。这两 种反馈法具体可参阅文献 1 6 1 9 】。 应当指出，3 g p p ( 3 gp a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 已经考虑其商业应用，3 g p p 系统 的反馈方式设计有两种：相位信息量化法( m o d e1 ) 和信道直接量化法( m o d e2 ) 。 相位信息量化法就是使用一组比特对发送端所需的相位信息进行量化，使发送端 能够进行等增益的波束成型；信道直接量化法就是为每一信道的信道增益和相位 分配一组比特。 2 5 2 上行信道重用法 上行信道重用法即基站估计上行信道状态信息并利用之，其隐含了上下行信 道对称的假设。由于在t d d 模式下，上下行链路使用同样的频段不同的时隙， 上下行链路互易，因此上行信道重用法通常用于t d d 系统中。 t d d 系统中在发送端获取c s i 的方法一般均假设上下行信道对称性( 互易 性) ，因此在t d d 系统中发送端获取c s i 一般不需要反馈。但是基站仍可以使 用传统的m i m o 系统的信道估计方法估计下行信道信息，如：文献 3 9 1 提出了在 南京邮电大学硕七研究生论文 第二章m i m o 系统信道容量分析 w - l a n 系统中使用基于导频信道和迫零估计联合的最小方差估计上行信道状态 信息的方法：i e e e8 0 2 1 6 a 系统新提出一种基站获取c s i 的方法 1 5 】。在目前的 i e e e 8 0 2 1 6o f d m a 系统，只有移动台进行上行链路数据传输时，才能进行估计 c s i 【1 5 ，当上行数据业务量远小于下行数据业务量时，这种方法难以实现，此 时，终端可通过发送已知训练序列来完成这一功能。 1 2 南京邮电大学硕上研究生论文 第三章o f d m jm c c d m a 技术 第三章o f d m 与m c c d m a 技术 o f d m 技术的主要思想是在频域内将传输频带分成许多正交子信道，在每 个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。m c c d m a 技 术原理是首先用含n 个扩频码的扩频序列对输入符号进行扩频，再把扩频后的 序列分别调制到n 个子载波上去。o f d m a 与m c c d m a 之间的主要差别在于： 在o f d m a 系统中，用户仅仅使用所有子载波中的一部分：而m c c d m a 系统 中，所有用户都要同时使用所有的子载波。本章首先介绍并比较了o f d m 与 m c c d m a 技术，然后给出了o f d m 及m c c d m a 与m i m o 技术的结合的原 理和系统模型。 3 1 窄带c d m a 系统的缺陷 对于窄带c d m a 来说，其主要问题在于扩频增益与高速数据流之间的矛 盾。在保证相同带宽的前提下，高速数据流所使用的扩频增益不能太高，这样就 大大限制了c d m a 系统抵抗噪声的优点，从而使得系统的容量受到一定的影 响，如果保持原来的扩频增益，则必须要相应提高带宽。此外，c d m a 系统一 个非常重要的特点是采用闭环的功率控制，这在电路交换系统中比较容易实现， 但对于分组业务来说，对信道进行估计，然后再返回功率控制命令会导致较大的 时延，因此对于高速的无线分组业务来说，这种闭环的功率控制问题也存在缺陷。 3 2 多载波调制的优点 首先，o f d m 是一种多载波调制方式，和单载波调制方式相比，多载波调 制的主要优点是具有抗无线信道时间弥散的特性。无线信道由于存在多径效应而 对传输的数字信号产生时延扩展，造成接收信号中前后码元交叠，形成信元问干 扰导致判决错误，影响传输质量，特别是在码元速率较高的情况下更是如此。另 一方面，码元速率较高时，信号带宽较宽，当信号带宽接近和大于信道相干带宽 ( 最大多径时延的倒数) 时，信道的时间弥散将对接收信号造成频率选择性衰落。 所以时间弥散是使无线信道传输速率受限的主要原因之一。多载波调制使子载波 南京邮电大学硕j i 二研究生论文 第三章o f d m 。- jm c c d m a 技术 中数据信号码元周期增长，只要时延扩展与码元周期相比小于一定的值，就不会 产生码间串扰，提高传输质量。另外，多载波系统对频率选择性衰落的抵抗力很 强，这是因为频率选择性衰落在某一时刻只会影响一定数量的子载波，在系统设 计时可以通过交织和前向纠错编码等方法成功地修补在这些子载波上较差的信 号。其次，o f d m 和其它多载波调制技术相比具有系统实现简单和更容易消除 符号间干扰的特点。o f d m 可以用f f t 算法来实现，采用同益成熟的数字信号 处理技术可以使系统用简单的混频和积分就能够很好地分离各个子信道，系统实 现相对较简单，系统成本低，符合无线局域网终端和接入点设备对价格较灵敏的 特点。o f d m 采用循环前缀可以完全消除符号间干扰，同时室内无线信道的时 延扩展相对较小，使得循环前缀的长度较短，因此引入循环前缀带来的功率损耗 也较小。 3 3o f d m a 技术 3 3 1o f d m 的基本原理和实现 一个o f d m 符号内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载 波都可以进行不同的调制。假设n 表示子载波的个数，t 表示o f d m 符号的持 续时间，矾( k = o ，n - 1 ) 表示第k 个子载波上传输的数据，f o 表示第0 个子 载波的载波频率，矩形脉冲成型函数为r e c t ( t ) = 1 ( i ，l t 1 2 ) ，则从f = ，丌始传 输的o f d m 符号可以表示为： s 。，= r e 篆也坨c ，( ，一一吾) e x p ，2 万f o + 争) c r t ， ) ，+ 丁c 3 ， 其复等效基带信号可以表示为： s o ，= 篓矾，p c ，( ，一一三) e x p - ，2 万事。一， ，l + 丁 c 3 - 2 ， 南京邮电大学硕士研究生论文 第三章o f d m 与m c c d m a 技术 其中实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中可以 分j o - 与相应子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的 o f d m 符号，图3 - 1 给出了o f d m 基本原理图，其中五= f o + k t ，k = o ，n - 1 ， 且子载波频率的设定保证了子载波之间的正交性，即： 7 1p 矿心饥 三：二： b 3 ， 这是由于这种正交性，调制器能很方便地从接收信号中解调出传输的数据， 例如对式( 3 2 ) 中的第个子载波进行解调，然后在时间长度t 内进行积分，得 到： 彳j = j ：+ 7 p 一2 厅；( ，一，) 蓑d ：p j 2 ”；“一矗， 2 f | 白n - i 以r + t p j 2j r l t ，- j ( t - i , ) 讲2q ( 3 4 ) 由上式可见，对第歹个子载波进行解调可以恢复出期望信号d ，而对于其他 子载波来说，由于在积分间隔内，频率差( k j ) t 可以产生整数倍个周期，所 以其积分结果为零。 这种正交性还可以从频域角度来解释。根据式( 3 1 ) ，每个o f d m 符号在其 周期t 内包含多个非零的子载波，因此其频谱可以看作是周期为t 的矩形脉冲的 频谱与一组位于各个子载波频率上的万函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为 s i n c ( f f ) 函数，这种函数的零点出现在频率为1 t 整数倍的位置上。图3 - 2 给出 南京邮电大学硕= 二研究生论文 第三章o f d m 与m c c d m a 技术 了o f d m 的频谱。在每一个子载波频率的最大值处，所有其他子信道的频谱值 恰好为零，从而避免了子信道间( i c i ) 干扰的出现。各个子载波组合在一起， 其总的频谱形状非常近似于矩形频谱，频谱的宽度接近传输信号的奈奎斯特带 宽，因而可以获得较高的频率利用率。 图3 2o f d m 的频谱 对于比较大的系统来说，式( 3 2 ) 中的o f d m 等效基带信号可以采用离散 傅立叶变换( i d f t ) 的方法来实现。为了叙述简洁，可令式( 3 2 ) t 9 的t ，= 0 ，并 忽略矩形函数，对信号s ( ，) 以丁的间隔进行抽样，即令，= n t n ( 刀= 0 ，n 1 ) ，可以得到： n i 2 _ j ；r t t k s n = s ( n t n ) = e a , e j - 哥- 。，o _ n = n 只，用n r x n 7 的复矩阵凤，b 来描述信道，用妊，表示 基站发送的子载波s 上的n r 1 维向量，对应于子带b 内。在单用户的情况，用 户k 收到的信号向量可以表示为： ( 4 - 1 ) 式中w k b ，表示n n x l 维噪声向量c n ( o ，n o i ) ，h 表示第j 个相邻小区的干 扰，表示为： i k 由 l _ h k 由壕b j( 4 2 ) i l k b 。是从第j 个相邻基站到手机之间的m i m o 信道，其中考虑了地点无关 的大尺度衰落和小尺度衰落。肋“是干扰基站的发射向量。 6厶 6 卢 +6w + 6敞 = 6 眇 南京邮电大学硕土研究生论文 第叫章系统模型分析 相邻小区的干扰比如 6 “并不清楚。当每个子载波只分配一个用户时，系 统在特征模式下传输容量是最大的。在丰富散射环境下，可以认为h k 。是满秩 的，带宽b 内子载波上用户的可用空间信道数尸= r a i n ( 7 ，n ) ，例如，对所 有k = l ，2 ，k 以及b = l ，2 ，n s ，- ( 风j ) = n p - - m i n ( n 月，n t ) 。利用奇异值分解， 吼6 可表示为 觑，6 = ，6 人蛐 嘲咄】 ( 4 - 3 ) 其中：v ，鼬k i ) 一由前p 个右奇异向量组成，用作任意子载波上用户k 的j ，个并 咄一剩下的右奇异向量 6 一用来从接收的信号中检测数据 m 产咒，6 了= ( 胁，鼢，5 + w k 6 5 + 6 ，吖) = ( ，6 人蛐 v ， o v ( 一o ) l 嘲巩 6 。) + 职h ，。w 蛐，。+ 著6l u = a 印r y o ) y ( o 口) 1 日嘲畋a ，+ 比，6 ，。+ 6 厶a ，j 嘞l 嘲i 尸n v 嘲卜，+ j + 弘吖 = 人k ，bd k ，6 ，s + w k ，6 ，s + j 七，6 ，s( 4 4 ) 其中：x 6 ，s = 嘲d k ，b ，s w k ，b ，j = 吆w k ，b ，j c n ( o ，。，) ，助严地叫 南京邮电大学硕j ：i j f 究生论文 第四章系统模型分析 人尼是八七6 的尸尸子矩阵，包含前m 个右奇异向量。 m i m 0 一o f d m a 在o f d m a 系统中，用户被分配到多个子载波上传输。因此，在带宽b 内 子载波s 上的用户收到的信号与单用户的情况相同，即 o f d m a o f d m a d t ，6 ，j = a k ，6d ，6 ，j + w k ，b , s + i k ，b ，s( 4 5 ) m i m o - m c - c d m a 在m c c d m a 系统中，每个用户在每个子带宽中传送一个信息符号，每个 符号都被有。个码片的正交码扩频。因此，每个子带同时被多个用户共享。设 每个子带范围内的信道相对平坦，无用户间干扰，用户通过特征波束成形进行空 间复用。 本文假定一个用户占用不止一个码信道。设用户k 在子带b 和码信道c 中传 输的数据向量( 空间域内) 为卅，子带中子载波的数量与扩频码码片数相 等为m ，用e 。表示子载波s 上扩频码c 的码片，有下式 兰f g = f 1 0 f o , f o r i = riij(4-6)f g f o r i = o 在基站端给定子载波上传送的信号向量可表示为： kn l 瓒一枷= p ( 尼，c ) g ，c e o ) d 邶u c ，f - 心 ( 4 - 7 ) 其中p ( k ，c ) o ，1 ) ，