（通信与信息系统专业论文）mimo系统中发射天线选择算法研究.pdf

摘要 天线选择技术是最近发展起来的一种非常有效的低成本低复杂度的多天线 分集技术，具有重要的理论和实际价值，在无线通信领域正发挥着越来越重要的 作用。论文针对m i m o 系统中发射天线选择技术进行研究。在研究了天线选择 基本算法的基础上，着重对空间复用和闭环发射分集系统中发射天线选择技术及 优化设计进行了深入的研究。对于空间复用系统，考虑在使用具体接收检测算法 的条件下如何设计天线选择算法。对于闭环空间复用系统，研究有效的传输模式 来减轻反馈信息量。在闭环发射分集系统中，分析最大率传输模式下发射天线选 择的接收性能，并以此设计系统的发射天线数量。同时将该研究方法引入到等增 益传输模式下发射天线选择技术中，获得了一系列的研究成果。论文的主要贡献 及创新点包括以下几个方面： ( 1 ) 研究了空间复用系统中使用低复杂度接收机时的发射天线选择问题。低 复杂度接收机分离并行复用数据流时，其性能取决于子数据流最小后检测信噪 比。线性接收机是最简单的空间复用接收机，但其分离出的子数据流最小后检测 信噪比可能非常小。为了提高予数据流最小后检测信噪比，本文使用b l a s t 接 收机，它通过干扰抵消来提高子数据流后检测信噪比。提出了基于b l a s t 接收 机的发射天线选择算法，它选择子数据流最小后检测信噪比最大的天线子集。仿 真结果显示提出的算法在接收误码性能和信道容量上都优于基于线性接收机的 发射天线选择算法； ( 2 ) 研究了闭环空间复用系统中发射天线选择问题。在这个系统中，如果发 射机端未知信道状态信息或发射信号总功率很高时，等功率传输获得的信道容量 是最优的。在低发射信号总功率时，如果发射机端已知信道状态信息，那么结合 注水功率分配算法的扩展最大率传输获得的信道容量最大，但这时需要的反馈信 息量非常大。为了减少反馈信息，提出了一种基于部分最大率传输的发射天线选 择算法，以及相应的发射天线功率分配算法。对于两个射频链路情况，证明了提 出的方法只需要一半的反馈信息就可以获得扩展最大率传输所达到的最大系统 m i m 0 越中薯射天臼t 捧舅l 嫱研竞 信道容量。仿真结果显示与扩展最大率传输相比，该算法减少了系统在低发射信 号总功率时的反馈信息量，并且提高了系统在高发射信号总功率时的信道容量； ( 3 ) 研究了混合发射天线选择的最大率传输系统( t a s m r t ) 。为了减少系 统的成本和复杂度，提出了t a s - m r t 系统中以平均接收信噪比为性能指标的最 少发射天线数的计算方法。在此基础上，提出了基于平均接收误比特率的最少发 射天线数的计算方法。这些算法可以增加最少的发射天线来弥补射频链路数减少 带来的性能损失。为了减少反馈信息量，研究了t a s m r t 系统中发射波束形成 矢量的量化方法，提出了l l o y d 矢量量化算法和g r a s s m a a n i a n 子空间包装( g s p ) 算法。仿真结果显示，与m r t 系统相比，t a s m r t 系统受发射波束形成矢量量 化的影响较小。t a s - m r t 系统使用l l o y d 算法的误比特率性能优于g s p 算法， 这是因为l l o y d 算法是根据发射波束形成矢量特性设计的； ( 4 ) 研究了混合发射天线选择的等增益传输系统( t a s e g t ) 。为了减少系统 的成本和复杂度，提出了t a s e g t 系统以平均接收信噪比为性能指标的最少发 射天线数的计算方法。该算法可以增加最少的发射天线来弥补射频链路数减少带 来的性能损失。由于该系统的性能并非完全与射频链路数成正比，提出了基于平 均接收信噪比的最优射频链路数的计算方法。这个算法寻找使系统性能最大的射 频链路数。提出了t a s e g t 系统在两个射频链路情况下( t a s e g t 2 系统) 的 基于平均接收误比特率的最少发射天线数计算方法。研究了t a s e g t 系统中发 射波束形成矢量的量化算法，提出了基于相位扇区化的发射波束形成矢量量化算 法。该算法无需穷尽搜索，复杂度低。仿真结果显示该算法采用一定量化比特数 时获得的接收误比特率接近相位未量化( 理想等增益传输) 情况。 关键词：发射天线选择，空间复用，b l a s t 接收机，扩展最大率传输，部分最 大率传输，最大率传输，等增益传输，排序统计概率，平均接收信噪比，平均接 收误比特率，相位扇区化 n 上海大攀l 掣啦诗二乞 a b s t r a c t a n t e n n as e l e c t i o ni sl o w c o s ta n dl o w - c o m p l e x i t ya l t e r n a t i v et oc a p t u r em a n y a d v a n t a g e so fm i m os y s t e m s i tb e c o m e sv e r yi m p o r t a n t f o rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sb e c a u s eo f i t ss i g n i f i c a n c ei nt h e o r ya n a l y s i sa n da p p l i c a t i o n s b a s e d o nb a s i ct h c o f i e si na n t e n n as e l e c t i o n , w ef o c u so u rw o r ko nt r a n s m i ta n t e n n a s e l e c t i o na l g o r i t h m sa n di t so p t i m i z a t i o ni nb o t hs p a t i a lm u l t i p l e x i n gs y s t e m sa n d c l o s e d - l o o pt r a n s m i td i v e r s i t ys y s t e m s n em a i na c h i e v e m e n t so f t h ed i s s e r t a t i o na r e l i s t e d 勰f o l l o w s ： ( 1 ) t r a n s m i ta n t e n n as e l e c t i o nf o rs p a t i a lm u l t i p l e x i n gs y s t e m si nl o w e rc o m p l e x i t y r c c e i v e 瑙s u c ha st h el i n e a rr e c e i v e ri si n v e s t i g a t e d t h em i n i m u mp o s t - d e t e c t i o ns n r o f m u l t i p l e x e ds u b s t r e a m si sad o m i n a n tp a r a m e t e ri nt h es y s t e m a l t h o u g ht h el i n e a r r e c e i v e ri st h es i m p l e s ts p a t i a lm u l 卸l e x i n gr e c e i v e r , t h em i n i m u mp o s t - d e t e c t i o n s n ro fs u b s t r c a m si sp r o b a b l yt o ol i t t l e t oh e i g h t e nt h em i n i l n u n lp o s t - d e t e c t i o n s n g , t h et h e s i sa d o p t sb l a s tr c c c i v e rw h i c hh a ss i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n to v e l t h e l i n e a rr e c e i v e rb ya l l o p e r a t i o nc a l l e d i n t e r f e r ec a n c e l l a t i o n t r a n s m i ta n t e n n a s e l e c t i o na l g o r i t h mi nab l a s tr e c e i v e ri sp r o p o s e d ，w h i c ho p t sf o rt h ea n t e n n a s u b s e tt h a th a sl a r g e s tm i n i m u mp o s t - d e t e c t i o ns n ro f s u b s t r e a m s s i m u l a t i o ns h o w s t h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mi ss u p e r i o rt ot h ea l g o r i t h m si nt h el i n e a rr e c e i v e ri nb o t h e r r o gr a t ea n dc h a n n e lc a p a c i t y ( 2 ) t r a n s m i ta n t e n n as e l e c t i o nf o rc l o s e d l o o ps p a t i a lm u l t i p l e x i n gs y s t e m si ss t u d i e d i nt h es y s t e m s ，t h ee q u a lp o w e rt r a n s m i s s i o ns c h e m ei nc h a n n e lc a p a c i t yi so p t i m a li f t h et r a n s m i t t e rh a sn oi n f o r m a t i o na b o u tt h ec h a n n e lo rt o t a lt r a n s m i tp o w e ri sh i g h e n o u g h t h ee x t e n d e dm r t s c h e m ec o m b i n e dw i t l lw a t e r f i l l i n gp o w e ra l l o c a t i o nc a n o b t a i nt h em a x i m u n lc a p a c i t yi nl o wt o t a lt r a n s m i tp o w e r , h o w e v e r , i tr e q u i r e sa l a r g e a m o u n to ff e e d b a c k at r a n s m i ta n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h ep a r t i a lm r t s c h e m ea n di t sp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h ma r ev e s e n t e dt or e d u c et h ea m o u n to f f e a d b a c li nt h es y s t e m sw i t ht w or fc h a i n s ，w ed e m o n s t r a t e dt h a tt h ep r o p o s e d a l g o r i t h mc a l la c h i e v et h em a x i m a lc h a n n e lc a p a c i t yw i t hh a l fa m o u n to f i n f o r m a t i o n r e q u i r e di nt h ee x t e n d e dm r ts c h e m e s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ea l g o r i t h mc a n r e d u c et h ea m o u n to ff e e d b a c ki nl o wt o t a lt r a n s m i tp o w e r , a n de i l l a n c ot h es y s t e m c 印a c i t yi nh i g ht o t a lt r a n s m i tp o w e r , c o m p a r i n gt ot h ee x t e n d e dm r ts c h e m e h i m i 砥) 摹麓中量岩天棚胄择奢踌研，0 ( 3 ) h y b r i dt r a n s m i ta n t e n n as e l e c t i o na n dm a x i m a l - r a t i ot r a n s m i s s i o n ( t a s - m m 3 s y s t e m sa l ei n v e s t i g a t e d i no r d e rt or e d u c et h es y s t e m c o s ta n dc o m p u t a t i o n c o m p l e x i t y , t h ea l g o r i t h mo fd e t e r m i n i n gt h em i n i n l u n ln u m b e ro ft r a n s m i ta n t e n n a s i sp u tf o r w a r d i tt a k e sa v e r a g es n ra st h ep e r f o r m a n c em e t r i c s b e s i d e s ，t h e a l g o r i t h mo f d e t e r m i n i n gt h em i l l i l l l u n ln u m b e ro f t r a n s m i ta n t e n n a sb a s e do na v e r a g e b e ri sp r e s e n t e d t h e s ea l g o r i t h m sw i l la d dam i n i m u mn u m b e ro f t r a n s m i ta n t e 9 n n a s t oc o m p e n s a t et h ep e r f o r m a n c el o s si n d u c e db yt h er e d u c t i o ni nt h en u m b e ro fr f c h a i n s i no r d e rt or e d u c et h ea m o u n to ff c o d b a c kt h eq u a n t i z a t i o no ft r a n s m i t b e a m f o r r n i n gv e c t o r i ss t u d i e d , a n dt w o a l g o r i t h m sa l eg i v e n ：l l o y d v e c t o r q u a n t i z a t i o na n dg r a s s m a u n i a ns u b s p a c ep a c k i n g ( g s p ) s i m u l a t i o nd e m o n s t r a t e s t h a tt h ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o no f t a s m r ts y s t e m si n d u c e db yt h eq u a n t i z a t i o no f t r a n s m i tb e a m f o r m i n gv e c t o ri sl e s st h a nt h a to fm r ts y s t e m s t a s - m r ts y s t e m s 、析t l ll l o y da l g o r i t h mi na v e r a g eb e ra l es u p e r i o rt ot h o s ew i t hg s p a l g o r i t h m ( 4 ) h y b r i dt r a n s m i ta n t e n n as e l e c t i o na n de q u a l - g a i nt r a n s m i s s i o n ( t a s e g t ) s y s t e m sa r ei n v e s t i g a t e d t h ea l g o r i t h mo fc a l c u l a t i n gt h em i n i n l u mn u m b e ro f t r a n s m i ta n t e n n a sb a s e do na v e r a g es n ri so b t a i n e d t h ea l g o r i t h mw i l la d da m i n i m u mn u m b e ro ft r a n s m i ta n t e n n a st op a yt h ep e r f o r m a n c ed r o pi n d u c e db yt h e r e d u c e dn u m b e ro fr fc h a i n s s i n c et h es y s t e mp e r f o r m a n c ei sn o te n t i r e l y p r o p o r t i o n a lt ot h en u m b e ro fr fc h a i n s , t h ea l g o r i t h mo fd e t e r m i n i n go p t i m a l n u m b e ro fr fc h a i n sb a s e do na v e r a g es n ri sb r o u g h tf o r w a r d t h ea l g o r i t h mc a n s e a r c ht h en u m b e ro fr fc h a i n sw h i c hg a i nm a x i m a lp e r f o r m a n c e b e s i d e s ，t h e a l g o r i t h mo f d e t e r m i n i n gt h em i n i m u mn u m b e ro f t r a n s m i ta n t e n n a sb a s e d0 1 1a v e r a g e b e ri sp r e s e n t e df o rt h es y s t e m sw i t ht w or fc h a l l 峪t h ea l g o r i t h mo fq u a n t i z i n g t r a n s m i tb e a m f o r m i n gv e c t o ri se x p l o r e d t h eq u a n t i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do ns e c t o r p h a s ec o n s t r a i n i n gi sp r e s e n t e d t h ea l g o r i t h mh a sl o wc o m p l e x i t yb e c a u s eo f 1 1 0 r e q u i r e m e n tf o re x h a u s t i v es e a r c ho f a l lp o s s i b l ec o m b i n a t i o n s ，s i m u l a t i o ns h o w s t h a t t h ea l g o r i t h mw i t hc e r t a i nn u m b e ro f q u a n t i z a t i o nb i t sc a na p p r o a c ht h em i n i m a lb e r a c h i e v e db yn op h a s eq u a n t i z a t i o n ( n a m e l y , i d e a le q u a l g a i nt r a n s m i s s i o n ) k e yw o r d s ：t r a n s m i ta n t e n n as e l e c t i o n , s p a t i a lm u l t i p l e x i n g , b l a s tr e c e i v e r , e x t e n d e dm r t , p a r t i a lm r t , m a x i m a l - r a t i ot r a n s m i s s i o n ，e q u a l - g a i nt r a n s m i s s i o n , o r d e rs t a t i s t i c s ，a v e r a g es n l la v e r a g eb e r , s e c t o rp h a s ec o n s t r a i n i n g i v m i 啪曩筑中冀射天生琏择算法研竞 中英文缩略语表 b e r ( b i te r r o rr a t o ：误比特率 b p s k ( b i n a r yp h a s e s h i t tk e y i n g ) ：二进制相移键控 b l a s t ( b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e da r c h i t e c t u r es p a c 宅- t i m e ) ：分层空时结构 c d f ( c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ) ：累积分布函数 c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ：码分多址 c s i ( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) ：信道状态信息 c l t d ( c l o s e dl o o pt r a n s m i td i v e r s i t y ) ：闭环发射分集 e g c ( e q u a l g a i nc o m b i n i n g ) ：等增益合并 e g t ( e q u a l g a i nt r a n s m i s s i o n ) ：等增益传输 e m r t ( e x t e n d e dm a x i m a l r a t i ot r a n s m i s s i o n ) ：扩展最大率传输 f c ( f u l lc o m p l e x i t y ) ：完全复杂度 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 f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ) ：快速付立叶变换 g s c ( g e n e r a l i z e ds e l e c t i o nc o m b i n i n g ) ：广义选择合并 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) ：全球移动通讯系统 g s p ( c - r a s s m a n n i a ns u b s p a e ep a c k i n g ) ：g r a s s m a n i a n 子空间包装 h s m r c ( h y b r i ds e l e c t i o n ，m a x i m a l - r a t i oc o m b i n i n g ) ：混合选择的最大率合并 技术 p d f ( p r o b a b i l i t y d e s i t y f u n c t i o n ) ：概率密度函数 p m r t ( p a r t i a lm a x i m a l r a t i ot r a n s m i s s i o n ) ：部分最大率传输 m g f ( m o m e n tg e n e r a t i n gf u n c t i o n ) ：矩生成函数 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 ) ：多入多出 m i s o ( m u l t i p l e - l n p u ts i n # e - o u t p u t ) ：多入单出 m l ( m a x i m u ml i k e l i h o o d ) ：最大似然 m m s e ( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ) ：最小均方误差 m r c ( m a x i m a l r a t i oc o m b i n i n g ) ：最大比合并 m r t ( m a x i m a l r a t i ot r a n s m i s s i o n ) ：最大率传输 m s i ( m u l t i s t r e a mi n t e r f e r e n c e ) ：多数据流干扰 r f ( r a d i of r e q u e n c y ) ：射频 s c ( s e l e c t i o nc o m b i n i n g ) ：选择合并 s l s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l e - o u t p u t ) ：单入单出 s i m o ( s i n g l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ) ：单入多出 s n r ( s i g n a ln o i s er a t i o ) ：信噪比 s w c ( s w i t c hc o m b i n i n g ) ：转换合并 t a s e g t ( h y b r i dt r a n s m i ta n t e n n as e l e c t i o na n de q u a ig a i nt r a n s m i s s i o n ) ：混合 发射天线选择的等增益传输 t a s e g t 2f f i y b r i dt r a n s m i ta n t e n n as e l e c t i o na n de q u a ig a i nt r a n s m i s s i o nw i t h t w or fc h a i n s ) ：具有两个射频链路的混合发射天线选择的等增益传输 t a s e m r t ( t r a n s m i ta n t e n n a s e l e c t i o nb a s e do ne x t e n d e dm a x i m a l - r a t i o t r a n s m i s s i o n ) ：基于扩展最大率传输的发射天线选择 t a s - e p t ( t r a n s m i ta n t e n n as e l e c t i o nb a s e do ne q i l a lp o w e rt r a n s m i s s i o n ) ：基于等 功率传输的发射天线选择 t a s - p m r t ( t r a n s m i ta n t e n n a s e l e c t i o nb a s e do np a r t i a lm a x i m a l r a t i o t r a n s m i s s i o n ) ：基于最大率传输的发射天线选择 t a s m r c y b r i dt r a n s m i ta n t e n n as e l e c t i o na n dm a x i m a l r a t i oc o m b i n i n g ) ：混 合发射天线选择的最大率合并 t a s m r t ( h y b r i dt r a n s m i ta n t e n n as e l e c t i o na n dm a x i m a l r a t i ot r a n s m i s s i o n ) ： 混合发射天线选择的最大率传输 t d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) ：时分双工 t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea o a 3 e s s ) 时分多址 t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o n - s y n c h r o n o n sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ：时分同 步的码分多址技术 u l a ( u n i f o r m l y - s p a c e dl i n e a ra r r a y ) ：均匀线性阵列 m i l l 0 不规中毫射天或避择算法研究 u m t s ( u n i v d - s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) ：通用移动通信系统 v b ( v i r t u a lb r a n c h ) ：虚拟分支 v q ( v e c t o rq u a n t i z a t i o n ) ：矢量量化 w c d m a ( w i d e b a n dc d m a ) ：宽带码分多址 z f ( z e r o f o r c i n g ) ：迫零 1 g ( f i r s tg e n e r a t i o n ) ：第一代 2 g ( s e c o n dg e n e r a t i o n ) ：第二代 3 g ( t h i r dg e n e r a t i o n ) ：第三代 4 g ( f o u r t hg e n e r a t i o n ) ：第四代 3 g p pf t h e3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) ：第三代合作伙伴项目 x 原创性声明 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。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 人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研 究所做的任何贡献已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：御日期：毕 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：鹳导师签名：三( 二奠 第一章绪论 本章介绍了天线选择技术的由来、研究意义、研究现状，存在的问题以及本 文的主要工作和章节安排。 1 1 课题研究背景和意义 1 1 1 未来无线通信的发展趋势 2 0 世纪8 0 年代以来，全球范围内无线移动通信得到了前所未有的发展，这 种发展的势头还在延续，今后会更快。随着便携式微机、掌上电脑及智能手机的 普及，人们对通过无线方式随时随地接入因特网获取信息，将会有越来越迫切的 需求。这种需求从最初简单的收发电子邮件，到进行网络浏览、获取多媒体信息 以其他多种服务。因此，结合无线通信、计算机和因特网，能为广大用户提供更 丰富的业务种类、更广泛的覆盖范围以及更加快捷的接入方式，这是未来通信系 统所必须具备的能力，也是未来通信技术和业务发展的一大趋势。 第一代移动通信( 1 g ：f i r s tg e n e a r a t i o n ) 系统只能提供模拟话音业务。目前 得到广泛应用的第二代移动通信( 2 g ：s e c o n dg e n e r a t i o n ) 系统主要由g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 系统、i s 1 3 6t d m a ( t i m ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 系统以及i s 9 5c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 系统，它实 现了话音的数字化，并用时分多址替代了频分多址接入方式，大幅度增加了系统 的容量，但还不能满足用户日益增长的对全多媒体业务的需求。目前，第三代移 动通信( 3 g ：t h i r dg e n e r a t i o n ) 系统主要由欧洲的w c d m a ( w i d e b a n dc d m a ) 、 北美的c d m a2 0 0 0 以及中国的t d s c d m a ( t u n ed i v i s i o n - s y n c h r o n o u sc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 方案，它们都可以在无线蜂窝网络中提供更加丰富的因 特网业务和多媒体业务。但是3 g 移动通信系统所能够提供的业务能力与人们的 期望仍相去甚远。另外，3 g 系统还不能实现现有各种无线网络( 各种无线局域 网、卫星网络、公用无线蜂窝网络等) 之间的无缝漫游。因此，考虑到核心网络 传输能力强，而现有的无线网络又不能提供足够的接入速率，以满足用户对多媒 体业务的需求，人们已经开始研究新一代移动通信系统。未来移动通信的目标是， 能在任何时问、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务。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应将无 线通信的传输容量和速率提高十倍甚至数百倍。 随着各种无线通信业务和宽带数据业务的不断发展，无线资源，尤其是频谱 资源变得越来越紧张，如何更高效地利用这些有限的通信资源成为无线通信新技 术发展的焦点所在。研究表明，基于多发射多接收天线的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 ) 技术能够充分利用空间资源，在不增加系统带宽和天线总发射功 率的情况下，可有效地对抗无线信道衰落的影响，大大提高系统的频谱利用率和 信道容量，是高速数据传输的优选技术之一。 1 1 2m i m o 技术 多接收天线和接收分集的使用可追溯到2 0 世纪的m a r c o n i ，早在1 9 0 8 年 m a r c o n i 就提出用它来对抗信道衰落。人们研究发现，多天线构成的接收阵列可 以有效地克服无线蜂窝系统中的共道干扰。二次世界大战后，对雷达系统中天线 阵列的研究尤为活跃。到2 0 世纪7 0 年代，由于军事上的需求，数字信号处理技 术得到了快速发展，这使得更多天线阵列自适应信号处理技术的实现成为可能， 从而进一步提高了系统分集性能，降低了干扰。2 0 世纪9 0 年代初，人们发现使 用多天线还可以增加无线通信的信道容量。1 9 9 4 年，p a u l r a j 和k a i l a t h 提出在发 射端和接收端同时使用多天线可增加无线信道的容量。1 9 9 6 年，r o y 和o t t e r s t e n 提出在基站使用多天线可在同一信道上支持多个用户使用。接下来，b e l l 实验室 在2 0 世纪9 0 年代中后期一系列研究成果的出台，对多天线的研究起了很大的推 动作用，开创了无线通信的一场新的技术革命。 研究证明，m i m o 技术可以显著提高无线系统的频谱利用率，非常适用于城 市内复杂无线信号传播环境下的无线宽带通信系统使用。采用m i m o 技术在室 内传播环境下的频谱效率可以达到2 0 4 0 b i t s h z ；而使用传统无线通信技术在 移动蜂窝中的频谱效率仅为1 5b i t s h z ，在点到点的固定微波系统中也只有 2 1 0 1 2b i v s h z ，m i m o 技术作为提高数据传输速率的重要手段受到人们越来越 多的关注，已经被认为是新一代无线传输系统的关键技术之一。 m i m o 无线数字通信系统也称为大容量数据传输系统。此项技术被认为是现 代通信技术中重大突破之一。该技术由于提供了解决未来i n t c r n c t 无线网络中的 业务容量需求瓶颈问题，而名列当今技术进步列表中的显要位置。但更令人吃惊 的是，m i m o 技术刚刚出现才几年，就在诸如宽带无线接入系统、无线局域网和 3 g 及后3 g 等商用无线通信产品和网络中得到了充分应用。 图1 1 m i m o 系统 f i g1 1m i m os y s t e m s 传统的无线通信系统是单进单出s i s o ( s i n 西e i n p u ts i n g l e , o u t p u t ) 系统， m i m o 系统是指在发射端和接收端使用多个发射天线和接收天线，如图1 1 所示。 基于发射分集的多进单出m i s o ( m u l t i p l e i n p u ts i n g l e , o u t p u t ) 方式和基于接收 分集单进多出s i m o ( s i n g l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 方式也是m i m o 的一部分。 贝尔实验室的i e t e l a t a r 1 1 和gj f o s c h i n i 【2 】在他们各自的论文中论证了 m i m o 信道的理论香农容量。他们指出，如果使用m 。x m ，维信道矩阵来描述 q 个发射天线和m 。个接收天线系统的无线信道，且信道矩阵所有元素之间具有理 想的独立衰落，那么系统的容量将会随发射端和接收端天线数中最小一方的天线 数m i l l ( 靠， ) 的增加而线性增长。这样就可以在s i s o 的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 ：b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e da r c b i t e c t u r e 3 s p a c e - t i m e ) 算法 2 1 。后来另外一个突破性的方案，即空时编码的思想由a t & t 实验室提出【3 1 ，它提高了m i s o 和m i m o 系统的分集增益。正因为这些信号处理 方案可以提高m i m o 系统的容量和分集增益，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 技术实质上是为系统提供空间复用和空间分集增益，目前针对m i m o 信道所进行的研究也主要围绕这两个方面。空间复用技术可以大大提高系统的信 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。 m i m o 技术能够将传统通信系统中存在的多径影响因素变成对无线通信性 能有利的增强因素，有效地利用了随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高 数据传输速率。m i m o 技术的成功之处在于它能够在不增加额外的信号带宽的前 提下获得无线通信系统几个数量级的性能改善。 尽管m i m o 技术有着巨大的容量优势与改善链路质量的潜力，但在实际应 用中，m i m o 系统却存在一些实际的限制因素，其中一个关键因素就是多个射频 链路( 包括低噪声功率放大器、变频器和模数转换器等，这些器件的成本占了整 个收、发信机的很大部分) 所带来的昂贵成本。一种能有效降低多个射频链路成 本同时保证相当性能增益的技术便是天线选择技术 4 - 7 1 ，其基本思想是在所有天 线中选择“最好”的- d , 部分天线进行发射或接收。文献 8 - 1 0 表明由于信道强 相关而使系统有效信道数减少，采用天线选择的系统性能要优于没有采用天线选 择的系统。除了降低射频链路成本外，在有些传输结构下还必须采用天线选择， 如发射天线数大于接收天线数时的v - b l a s t 传输。更重要的是，当信道估计存 在误差时，天线选择技术有更好的鲁棒性【1 1 】，这是由于它删除了低信噪比分支之 后再进行合并。从本文第六章研究