（通信与信息系统专业论文）基于ieee+80216d标准的多天线技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着无线通信的飞速发展，无线带宽资源越来越匮乏。在不增加带宽的情 况下，高效率地利用无线频带资源成为无线通信研究的热点。正交频分复用 ( o f d m ) 技术和多天线构成的多输入多输出( m i m o ) 技术具有提高频带利 用率，抵抗频率选择性衰落的特点，成为目前和未来宽带无线通信中的关键技 术。在宽带无线通信中，将多天线技术应用到o f d m 通信系统中，不仅能够提 高频带利用率，还能提高通信系统的通信质量。 本文对o f d m 通信系统中使用多天线技术进行了较深入地研究。为了验证 设计方案的性能，对i e e e8 0 2 1 6 d 信道标准提出的多径信道模型进行了分析与 仿真建模，并应用于研究中。本文的主要工作如下： ( 1 ) 在m i m o o f d m 通信系统中，研究了联合使用空间分集和极化分集 的通信系统的容量，并利用m a t l a b 仿真工具对设计方案的容量进行了仿真与 分析。 ( 2 ) 针对m i m o o f d m 通信系统，提出了一种在发射端使用天线选择算 法、接收端使用波束赋形技术的通信系统。与传统的m i m o o f d m 通信比较， 本设计方案通信性能得到了很大的改善。 ( 3 ) 针对m i m o o f d m 通信系统，设计了一种从多个定向波束中选择最 优两个波束发射信号的方案，并对相应的系统进行了研究与仿真分析。 ( 4 ) 基于l a b v i e w 工作平台，对多天线o f d m 通信系统的发射模块，接 收模块也进行了设计与仿真分析。 关键字：极化分集，空间分集，天线选择，波束赋形，m i m o o f d m 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t hf o rw i r e l e s sa p p l i c a t i o n sb e c o m e sm o r ea n dm o r ei n s u f f i c i e n t t h e r e f o r e ， h o wt oi m p r o v ed a t ar a t ew i t h o u te x p e n d i n gb a n d w i d t hb e c o m e sak e yp o i n ti n m o d e mc o m m u n i c a t i o ns y s t e md e s i g n r e c e n t l y , o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) t e c h n i q u ea n dm u l t i p l ea n t e n n a st e c h n i q u e ，w h i c hc a nb eu s e d t oi n c r e a s es p e c t r a le f f i c i e n c ya n de f f e c t i v e l yc o m b a tw i t hm u l t i - p a t hf a d i n g ，i s w i d e l yi n v e s t i g a t e da r o u n dt h ew o r l d a sar e s u l t ，o f d ms y s t e mc o m b i n e dw i t h m u l t i p l ea n t e n n a st e c h n i q u e i sap r o m i s i n ga p p r o a c hf o re n h a n c i n gs p e c t r a l e f f i c i e n c ya n di m p r o v i n gc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y i nt h et h e s i s ，t h r e ed i f f e r e n ts y s t e ms t r u c t u r e so fm i m o - o f d mc o m m u n i c a t i o n s y s t e ma r ep r o p o s e d t h ep e r f o r m a n c eo ft h e ma r ei n v e s t i g a t e d t h er e s e a r c hi s b a s e do nt h ei e e e8 0 2 16 di n d o o rc h a n n e lm o d e ls t a n d a r d t h ec o r ed e t a i lo ft h e w o r ki sa sf o l l o w s ( 1 ) c a p a c i t yo fa nm i m o o f d ms y s t e mu t i l i z i n gb o t hs p a c ed i v e r s i t ya n d p o l a r i z a t i o nd i v e r s i t yi se x p l o r e d f o rc o m p a r i s o n ，t h ec a p a c i t yo fas y s t e mo n l y w i t hs p a c ed i v e r s i t yi sa l s oa n a l y z e d ( 2 ) an e ws c h e m et h a ta p p l y i n ga n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h ma tt h et r a n s m i t t e r a n du t i l i z i n gb e a m f o r m i n gt e c h n i q u ea tt h er e c e i v e ri ss u g g e s t e d c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lm i m o o f d mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h eq u a l i t yo fp r o p o s e ds c h e m e h a sb e e ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d ( 3 ) as c h e m et h a ts e l e c t i n gt w oo p t i m a lb e a m sf r o md i r e c t i o n a lm u l t i b e a m sa t t h et r a n m i t t e ri sp r e s e n t e d i no r d e rt ov e r i f yt h ev a l i d i t y , t h ep r o p o s e ds c h e m ei s s i m u l a t e db ym a t l a bs o f t w a r et 0 0 1 ( 4 ) t h em u l t i p l ea n t e n n a so f d mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m b a s e do nt h e l a b v i e wp l a t f o r mi sa l s od e s i g n e da n ds i m u l a t e d ，w h i c hi n c l u d i n gt r a n s m i t t e r m o d u l e r e c e i v e rm o d u l ea n dc h a n n e lm o d e l k e y w o r d s ：p o l a r i z a t i o nd i v e r s i t y ； s p a c ed i v e r s i t y ； a n t e n n as e l e c t i o n ； b e a m f o r m i n g ；m i m o o f d m i i 独创性声明 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，也不包含为获得武汉理工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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：童墼 导师签名：壑豸 ：日期：翌趔 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章引言 2 0 世纪9 0 年代，宽带无线接入技术得到飞速发展，但是相关市场一直没 有繁荣扩大，一个很重要的原因就是没有统一的全球性标准。1 9 9 9 年，i e e e 成立了i e e e8 0 2 1 6 工作组来专门研究宽带固定无线接入技术规范，目标就是 要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。为了促进达成这一目的，几家世界 知名企业还发起成立了w i m a x 论坛，力争在全球范围推广这一标准。 i e e e8 0 2 1 6 的出现大大地推动了宽带无线接入技术在全球的发展，特别是 w i m a x 论坛的发展壮大，强烈地刺激了市场的发展。i e e e 针对特定市场需求 和应用模式提出了一系列不同层次的互补性无线技术标准，其中己经得到广泛 应用的标准系列包括应用于家庭互连的i e e e8 0 2 1 5 和应用于无线局域网的 i e e e8 0 2 1 1 【2 】o 而i e e e8 0 2 1 6 的提出，弥补了i e e e 在无线城域网标准上的空 白。 i e e e8 0 2 1 6 又称为i e e ew i r e l e s sm a n 空中接口标准，是适用于2 6 6g h z 的空中接口规范。由于它所规定的无线接入系统覆盖范围可达5 0 k m ，因此 8 0 2 1 6 系统主要应用于城域网，被视为可与d s l 竞争的“最后一公里”宽带接 入解决方案。根据使用频段高低的不同，8 0 2 1 6 系统可分为应用于视距和非视 距两种，其中使用2 1 1 g h z 频段的系统应用于非视距范围，而使用1 0 6 6 g h z 频段的系统应用于视距范围【3 】。根据是否支持移动特性，i e e e8 0 2 1 6 标准系列 又可分为固定宽带无线接入空中接口标准和移动宽带无线接入空中接口标准， 其中的8 0 2 1 6 a ，8 0 2 1 6 d 属于固定无线接入空中接口标准，而8 0 2 1 6 e 属于移 动宽带无线接入空中接口标准1 4 1 。 i e e e8 0 2 1 6 d 标准于2 0 0 4 年1 0 月发布。i e e e8 0 2 1 6 d 为物理层定义三种 调制方法，分别是单载波调制、o f d m 调制和o f d m a 调制，其中o f d m 调 制作为强制项，需要每个符合i e e e8 0 2 1 6 d 标准的设备都要实现。 如何高效率地利用频带资源成为无线通信的热点问题。无线城域网也不可 避免的遇到同样的问题。在i e e e8 0 2 1 6 d 标准下，如何在不增加频带资源的情 武汉理工大学硕士学位论文 况下提高通信系统的容量和性能成为研究的关键问题。本文正是基于这样的背 景开展研究的。 1 2 论文研究意义 未来无线移动通信系统需要能够在有限的频谱资源条件下，尽可能的提高 频谱利用率和通信质量，同时适用于高速的移动通信环境。 本文研究的多天线技术能在不增加带宽的基础上，大大提高无线移动通信 的信道容量和传输速率，进而提高了频谱利用率。在宽带无线通信中，o f d m 技术具有抗频率选择性衰落，抑制码间干扰，提高频带利用率等优点1 5 】。但是， 对于单天线通信系统而言，提高系统的频带利用率和容量是非常有限的。多天 线技术能够提高无线通信系统频带利用率和容量等特点【9 。2 1 ，把多天线技术应用 到o f d m 通信系统中能够更好提高通信系统频带利用率和容量。虽然无线通信 系统的容量随天线数目的增加成指数级增长，但是增加天线的同时也增加了发 射机和接收机设计的复杂度，提高了设计成本。双极性天线能够在不增加天线 数目情况下具有提高系统容量和节省天线间间距功能。因此将双极性天线用在 m i m o o f d m 通信系统使得在不增加天线数目的情况下提供系统容量成为可 能。多天线技术中的天线选择技术能够在节省天线数目的情况下提高通信系统 的性能。多天线技术中的波束赋形技术具有抗干扰抑制，降低发射功率，提高 系统容量等特剧1 3 6 1 。因此，将天线选择技术和波束赋形应用在m i m o o f d m 通信系统中能够提高通信系统容量和性能是有可行性。与此同时，对于天线阵 列中所产生定向波束并选取最优波束应用在m i m o o f d m 通信系统能够提高 系统的性能是具有可行性的。运用n i 公司提供的l a b v i e w 开发平台【17 1 ，将单 天线o f d m 通信系统和多天线o f d m 通信系统进行虚拟，能够在节省成本的 情况实现天线o f d m 通信系统和多天线o f d m 通信系统的功能，为未来通信 系统的虚拟实现提供了可能。 1 3 本文的主要工作及内容安排 本文的主要工作是研究多天线技术和其在i e e e8 0 2 1 6 dw m a n 中的应用。 全文以i e e e8 0 2 16 d 协议为基础，从m i m o ，o f d m 和波束赋形技术的基本原 武汉理工大学硕士学位论文 理出发，深入研究了m i m o o f d m 系统所涉及到的关键技术，如m i m o 信道 建模、空时编解码、天线选择、天线极化、d o a 估计和波束选择等，并根据实 际情况给出相应的实现方法，最终完成了一个基于i e e e8 0 2 1 6 dw m a n 的 m i m o o f d m 仿真系统的搭建。 全文共分6 章，主要内容安排如下： 第2 章首先简单介绍了i e e e8 0 2 1 6 d 协议，并在此基础上主要介绍对i e e e 8 0 2 16 d 适用的信道模型s u i 信道模型进行了讨论。 第3 章主要对m i m o 基本原理及其容量进行了。与此同时对o f d m 和波束 赋形技术的基本理论进行了分析。 第4 章主要对三种方案进行了研究和仿真。首先，在m i m o o f d m 通信系 统中，利用双极性天线发射和接收信号，根据香农定理对设计的方案的容量进 行分析。其次，对于发射端使用天线选择技术，接收端使用波束赋形的 m i m o o f d m 设计方案进行了研究。最后，对于发射端使用多个固定发射波束 并选择最优两个波束发射信号的m i m o o f d m 设计方案也进行研究和仿真。 第5 章分别对基于l a b v i e w 平台的单天线o f d m 系统和多天线o f d m 系 统进行研究和虚拟。 第6 章对本文的意义、目的和工作内容进行总结。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章i e e e8 0 2 1 6 d 标准及信道模型概述 2 1i e e e8 0 2 1 6 标准简介 上个十年，蜂窝网络以及集成窄带数据解决方案的成功，预示着无线技术 能够解决最后一公里，也就是用户宽带接入问题。w i f i 的诞生，表明高带宽射 频网络能应用在固定终端，效果令人相当满意。 i e e e8 0 2 16 d 集合最新的射频技术、编码算法和媒体接入控制协议，不仅 解决了传统的“最后一公里”问题，而且也支持游牧和移动用户。它采用类似 w i f i 的热点地区部署模型，该模型为大部分城市地区和主要的高速公路沿线提 供高速互联网接入1 2 j 。笔记本、p d a 作为用户基站( s s ) 使得用户能够在公园、 楼宇建筑等地方接入网络。 w i m a x ( t h ew o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s sf o r u m ) 是一 个由设备和组件供应商成立的非盈利性组织，致力于推动运营商在宽带无线接 入系统中采用i e e e8 0 2 1 6 d 兼容设备。w i m a x 的宗旨与推动i e e e8 0 2 1 1 标准 的w i f i 联盟类似。 2 1 1i e e e8 0 2 系列标准概述 i e e e8 0 2 主要制定电子工程和计算机领域的标准。i e e e8 0 2 下设工作组和 研究组，分别就不同的技术领域进行研究，主要开发局域网和城域网的物理层 ( p h 和媒体接入控制层( m a c ) 规范。 i e e e8 0 2 在局域网领域推出的最成功的标准为i e e e8 0 2 3 ，该标准己经被 i s o 采纳，形成i s 0 8 8 0 2 3 标准，是局域网中应用最广泛的协议p j 。在无线领域， i e e e8 0 2 目前主要有四个工作组在进行相关标准研究工作，分别是8 0 2 1 5 ( 无线 个人网) 、8 0 2 1 l ( 无线局域网) 、8 0 2 1 6 d ( 无线城域网) 、8 0 2 2 0 ( 无线广域网) 。 这四个标准以覆盖范围的大小进行区分，覆盖范围由小到大。 8 0 2 1 5 主要用于短距离设备之间的通信，一般在l o m 以内。目前8 0 2 1 5 中 的两种主要技术包括：蓝牙( b l u e t o o t h ) 和超宽带( u w b ) 。便携和移动计算设备， 如笔记本电脑、p d a 、计算机外设、移动电话、寻呼机和家电产品等通过8 0 2 1 5 4 武汉理工大学硕士学位论文 技术形成无线网络。 8 0 2 1 1w l a n 主要解决用户“最后1 0 0 m 的通信需求，定位于热点区域 的高速数据接入，不支持高速移动性，主要应用是商务用户在酒店、机场等热 点使用便携电脑上网浏览或访问企业的服务器。 8 0 2 1 6 d 定位于为企业提供无线传输的手段，主要解决“最后lk m ”的需 求。8 0 2 1 6 d 和8 0 2 1 6 e 在移动性和覆盖范围上比8 0 2 11 获得了增强，可以提供 更广范围的高速数据接入。 8 0 2 2 0 定位于提供一个基于i p 的全移动网络，提供高速移动数据接入，业 务定位和使用范围与3 g 系统相似。 由于这几种技术的定位不同，它们在很多方面存在差异，如采用的具体物 理层、媒体接入层技术不同、覆盖范围不同、带宽不同、支持的业务以及市场 应用不同等等。 i e e e8 0 2 委员会于1 9 9 9 年成立8 0 2 1 6 d 工作组来专门开发宽带无线接入标 准，它由三个小工作组组成，每个小工作组分别负责不同的方面：i e e e8 0 2 1 6 d 1 负责制定频率为1 0 g - 6 0 g h z 的无线接口标准；i e e e8 0 2 1 6 d 2 负责制定宽带无线 接入系统共存方面的标准；i e e e8 0 2 1 6 d 3 负责制定频率范围在2 1 1 g h z 之间 获得频率使用许可的无线接口标准。 2 0 0 1 年1 2 月，8 0 2 1 6 d 工作组发布i e e e8 0 2 1 1 - 2 0 0 1 标准，该标准工作在 视距l o s ( l i n eo f s i g h t ) ，1 0 6 6 g h z 频段；2 0 0 3 年1 月发布针对n l o s 场景 的i e e e8 0 2 1 6 d 和i e e e8 0 2 1 6 a 标准，该标准工作在2 1 1g h z 许可和免许可 频段，支持3 种物理层技术，以及增加了对m e s h 网络的支持。 2 0 0 4 年1 0 月，整合并修改了i e e es t d8 0 2 1 6 d 2 0 0 1 、i e e es t d8 0 2 1 6 d a - 2 0 0 3 和i e e es t d8 0 2 16 d e 一2 0 0 2 的新标准- - i e e e8 0 2 16 d 2 0 0 4 ( 也就是i e e e8 0 2 16 d ) 发布，该标准m a c 层支持基本的点对多点结构，m e s h 拓扑结构可选；支持多 种物理层规范，这些物理层规范应用在不同环境下。在1 0 6 6 g h z 频段，物理 层基于单载波调制；低于1 1g h z 频段的情况，由于存在非视距，所以可以在 o f d m ，o f d m a 和s c 之间选择。 2 1 2i e e e8 0 2 1 6 层次结构简介 i e e e8 0 2 1 6 d 系统核心组件包括用户端( s s 或者称为c p e ) ，和基站( b s ) 。 一个b s 和两个或以上的s s 组成点对多点( p m p ) 结构的蜂窝。b s 控制蜂窝内的 武汉理工大学硕士学位论文 活动，包括s s 的媒体接入，达到特定q o s 的调度和基于网络安全机制的准入。 基于i e e e8 0 2 。1 6 d 系统一般在s s 使用固定天线，天线架设在屋顶或屋檐。 为了改善室内安装的链路预算，提供了自适应天线系统( a a s ) 和子信道化作为 标准的可选项1 4 1 。b s 或者使用扇区化，或者使用定向全向天线。固定的s s 一 般用定向天线，而移动或者便携式s s 用全向天线。 多个b s 可配置成蜂窝网络。当物理层使用o f d m 技术，蜂窝半径理论上 可达3 0 公里，前提是信道环境良好，数据传输率较低。实际应用中，蜂窝半径 在5 公里以内。i e e e8 0 2 1 6 d 也可采用点对点( p 2 p ) 拓扑或者网格( m e s h ) 拓扑， 使用成对的定向天线，这样做，相对于p m p 模式提高了有效半径。 2 2i e e e8 0 2 16 标准信道模型 2 2 1 无线信道通用模型 由于复杂的地理环境和多径反射、绕射、散射的存在，信号传播过程中会 产生三类不同的损耗：路径损耗、慢衰落损耗和快衰落损耗。 路径损耗：指电波在空间传播所产生的损耗，它反映了传播在宏观大范围 ( 即公里量级) 的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。 慢衰落损耗：是由于在电波传输路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生 的阴影效应而产生的损耗。 快衰落损耗：主要由于多径传播而产生的衰落，由于移动体周围有许多散 射、反射和折射体，引起信号的多径传输，使到达的信号之间相互叠加，其合 成信号幅度表现为快速的起伏变化。快衰落又可分为以下三类：空间选择性衰 落、频率选择性衰落、时间选择性衰落。所谓选择性是指在不同的空间，不同 的频率和不同的时间其衰落特性是不一样的。 由于无线信道中存在多径传播和移动台相对于基站之间的运动，移动台接 收到的信号是随机变化的，这样系统的信道响应就可以用一个随机过程来描述。 区别于是否含有直射信号的分量，可分别用r i c e 过程或r a y l e i g h 过程来建模。 ( 1 ) r a y l e i g h 衰落建模 采用噪声成形法，高斯白噪声通过一个多普勒滤波器，来模拟移动台与基 站的相对运动引起原始信号频谱的展宽【1 8 】。对w m a n 环境，多普勒滤波器的 6 武汉理工大学硕士学位论文 频谱密度函数p s d 近似为 s = 1 - 1 7 2 f 0 2 f n 7 8 5 f 粥 协， 其中，厶= ，厶是系统最大多普勒频移。 则多普勒滤波器的频域响应可以取 i ( 厂) i2 s ( 厂) ( 2 2 ) 由于系统最大频率是厶，则根据n y q u i s t 采样定理，信道响应的最小采样 率应为2 ：，根据这个采样率可以得到一个信道响应的离散值。归一化的时域 响应为 办( 厂) ：1 r e a l i f f t 彳 h ( f ) ( 2 3 ) l | 巩盯 办( 厂) 】旺 对一个特定的通信系统，其采样率六不一定等于2 厶，那么就需要把采样率为 2 厶的信道响应进行速率变换，以满足通信系统的采样率丘。 图2 1 多普勒滤波器的频谱密度函数 ( 2 ) r i c e 衰落建模 r i c e 信道可以看作是r a y l e i g h 衰落加一条l o s 路径，其功率谱分布函数为 心。( ) = 兄d s 万( m ) + 只蛐劝( ) 一7 t 7 ( 2 - 4 ) 7 武汉理工大学硕士学位论文 d 且r i c e - k 参数定义为k = 号坠。可以看出，当k = 0 时，r a y l e i g h 信道退化成 r a y l e t g h r i c e 信道。 仿真时可以先产生一个r a y l e i g h 信道办呲讲，和一个直射信道乃l 0 s = e 胛， 然后按功率比叠加，即 卯= 尸高+ p 志办舭劬 c 2 剐 p 是各径的功率，k 对不同的路径值也不同。 2 2 2i e e e 8 0 2 1 6 标准s u i 信道模型 i e e e 8 0 2 1 6 工作组推荐使用s u i 模型，对于w m a n 来说，1 1 g h z 以下频 段信道建模要考虑的因素很多，包括：多径扩展，功率延迟分布，干扰，天线 种类，天线对之间衰落相关，地形等等，下面就结合s u i 模型讨论各参数的意 义和仿真中的应用。 ( 1 ) 多径扩展 以s u l 3 为例，最大延时扩展几是0 9 z s ，若系统带宽是b w = 3 5 m ，采样 率是8 7 b w = 4 m ，那么多径数为l = k 六i + l = 5 ，取保护间隔为1 1 6 ，即1 6 ， 大于最大延时扩展。 ( 2 ) 功率延迟分布 主径功率设为0 d b ，其它各径的功率随延时增大而减小。功率延迟分布的 一个重要参数r r m s 均方延迟扩展，定义为功率延迟分布的二阶矩的平方根： t r m s2 ( 2 6 ) 2 r m s 依赖于多径分量的相对幅度，满足对数正态分布。 ( 3 ) 干扰 包括同信道其他用户的干扰和相邻信道的干扰，点对点仿真不考虑小区扰。 ( 4 ) 天线种类 武汉理工大学硕士学位论文 全向天线或有方向性的天线，对功率延迟分布和r i c e k 有影响。如3 0 0 的 天线增大了直射分量，同时减小了非主径的功率。 ( 5 ) 天线相关 涉及到m i m o 信道建模。m i m o 信道模型分确定性模型和随机模型： 确定性模型多用在阵列天线场合，由于天线阵列单元之间间隔固定，发射 端离开角，以及接收端到达角确定，天线和n ，之间的信道响应为 ，_ = _ e x p 2 n j t n , ds i n ( 洲e x p 2 x j 竿s i n ( 棚 ( 2 - 7 ) 其中，是多径分量标号，_ 是各径传播系数，刚是接收端相对于天线阵 列法线方向的到达角， 是发送端的离开角，d 是阵列单元之间间隔，五是波 长。天线相关系数定义为： 。= e e x p ( 了2 x 心n o t ) d a ( 2 8 ) 其中，a 是多径信号到达天线阵的散射角，缈为天线i 到的波的平均到达方向 角，当够= 0 时，有 广百s i n ( - 等_ d a ) = s i nc ( 等一幽) c2 9 ， 广1 了 幽协9 当散射物分布不确知时，通过多普勒频谱、时延扩展和多径分量的功率时 延分布一些统计特性来建模，得到随机模型。随机模型可以用来对系统性能进 行分析。如果基站天线之间距离足够远，那么基站天线之间是不相关的；而终 端周围有丰富的散射源可以去相关，则各天线对之间的信道是相互独立的，那 么可以用多个独立的子信道来建模。 实际实现中，基站天线增多时，保证各个天线之间都是正交的就变得比较 困难，引入一个天线相关系数来描述它们的相关情况。s u i 信道中天线间相关 系数定义为不同天线对之间信道响应包络的相关系数，表示为： ：l 坠兰掣磐纠 ( 2 1o ) l 、e h o - e ( h o ) 1 2 ) e l 啊一点( 魄) 1 2 ) i ( 6 ) 地形 对全向天线，小区半径7 k m a b c 三种地形对应的信道模型为： 9 武汉理工大学硕士学位论文 地形a ， 地形b ， 地形c ， 路径损耗最大，山区，植被覆盖较多； 路径损耗居中； 路径损耗最小，地形平坦，植被覆盖很少。 表2 1s u i 模型的分类及适用地型 信道模型地型t r m s佰】亘俣型 s u i l c0 1 11 s u i 一2c0 2 0 2 s u i 一3 b0 2 6 4 s u i 一4bo 1 5 7 s u i 一5a2 8 4 2 s u i 一6a5 2 4 0 s u i 的六个典型信道均为三径模型，每条径延时、功率、多普勒频移各不 相同。最后根据信道各径能量之和为0 d b 的原则进行归一化。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章多天线技术及o f d m 技术简介 随着科技的不断的发展，人们之间的信息交流目益频繁，这推动着通信技 术的不断向前发展。如今，g s m 通信技术已经非常成熟，为人们带来巨大好处， 3 g 通信也正在趋向成熟，但是在信息时代里，c d m a 技术也难解决频带资源 匮乏等通信技术难题。多天线技术( 包括m i m o 技术和天线阵列技术) 和o f d m 具有提高系统容量，增强抗干扰能力，有效抵抗频率选择性衰落等特点，成为 未来通信的关键。本章主要对m i m o 技术、天线阵列技术和o f d m 技术的基 本原理作简要论述。 3 1m i m o 技术简介 随着蜂窝移动通信、因特网和多媒体等业务的发展，在世界范围内人们对 于无线通信在容量、传输效率、传输信号的可靠性等方面的需求快速增长。在 传统的无线通信系统中，发射端和接收端通常是各使用一根天线，这种单天线 系统称为单输入和单输出s i s o ( s i n g l e i n p u ta n ds i n g l e o u t p u t ) 系统。另外根据发 射和接收天线的数量还有s i m o ( s i n g l e i n p u t a n d m u l t i p l e o u t p u t ) ， m i s o ( m u l t i p l e i n p u t a n d s i n g l e - o u t p u t ) ，m i m o ( m u l t i p l e - i n p u t a n d m u l t i p l e o u t p u t ) 等系统。 多输入多输出m i m o 技术最早由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出，它利用多天线来 抑制信道衰落。因此m i m o 可以简单定义为：在一个任意的无线系统中，信号链 路的发送端和接收端都使用多根天线1 7 j 。与s i m o 和m i s o 等系统相比，采用 m i m o 的系统使信道容量突破了传统的单输入单输出信道容量的瓶颈，是 s h a n n o n 信道容量的推广。在采用多天线发送和多天线接收的无线通信系统中， 如果不同发射天线之间的距离足够远并且接收天线之间的距离也足够远，那么 可以认为各个发送和接收天线间的通道响应独立，这样多输入多输出系统可以 创造多个并行空问子信道。而通过这些并行空间子信道独立的传输信息，将使 得各个发射天线到各个接收天线之间的传播信号也是互相独立的，从而满足高 传输速率、高传输性能和高业务容量的要求【9 j 。据实验室的研究证明，m i m o 武汉理工大学硕士学位论文 技术非常适用于室内环境下的无线局域网系统的使用l l 。采用m i m o 技术的无 线局域网系统在室内环境下的频谱效率可以达到2 0 4 - - 4 0 b 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15 b s h z ，在点到点的固定微波系统中 也只有1 0 1 2 b s h z 。因此m i m o 技术能高很好的适应未来移动通信的需求。 此外m i m o 技术还被认为是未来新一代移动通信系统的备选关键技术之一。 3 1 1m i m o 的数学模型 假设一个点对点的m i m o 系统有根发送天线，胆r 根接收天线，系统可 以用图3 - 1 表示。红( ko ，_ ，= o 门r ) 表示从发送天线i 到接收天线的衰 图3 1m i m o 模型图 落系数，信道传输矩阵用h 表示，为第f 行第，列的值。则接收信号r 矩阵可 以表示为： r = h s + l l ( 3 - 1 ) 其中s = b 。s ：r 表示发射信号序列，q = b 。，7 ：刁。r 表示均值 为0 ，方差为o r 2 的高斯白噪声，信道系数矩阵h 能表示为 h = 魄- 九川 h l 晰 。所 ( 3 2 ) 由奇异值分解( s v d ) 理论，任何一个r r 唧矩阵h 可以写成： h = u d v 片 ( 3 3 ) 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 其中，v 片表示v 的复共轭矩阵，d 是玎r 玎r 的非负对角矩阵，u 和v 分别是 聍只行r 和唧的酉矩阵。u u = 1 和w = i 竹，其中i 和i 竹分别是 疗r 船只和唧竹单位矩阵。d 的对角元素是矩阵h h 的特征值的非负平方根。 h h 的特征值( 用五表示) 定义为： h h a = 匆y 0 ( 3 4 ) 式中，y 是与力对应的1 维矢量，称为特征矢量。 特征值的非负平方根也称为奇异值，而且u 的列矢量是h h 的特征矢量， v 的列矢量是h h h 的特征矢量。因此可以得到接收信号为： r = u d v h s + l l ( 3 5 ) 式( 3 5 ) 可以做如下变换：r i = u r ，s = v h s ，t r = u l l 。u 和v 是可逆的， 显然上面定义的矩阵r 、s 、l l 与相应矩阵的乘积仅有一个缩放比例的效果。矢 量t r 是一个零均值复高斯独立同分布的随机变量。于是，式( 3 1 ) 的等价形式为 r t = d s + i r ( 3 6 ) 矩阵h h 的非零特征值的数量等于矩阵h 的秩，用m 表示。对于n r 吩的矩 阵h ，秩的最大值为m = m i n ( n 尺，唧) 。用丑表示h 的奇异值。 当疗。 甩r 时，接收信号可以表示为： = 丑s ：+ 刁： f = 1 , 2 ，m ( 3 7 ) 。= r l ：f = m + 1 ，m + 2 ，n 只 ( 3 8 ) 当 f 。o f d m 的原理是将原信号分割为n 个子信号，分割后 码元速率为，= r n 、周期为瓦= n t ，然后用n 个子信号去分别调制n 个相 互正交的子载波。 由于信道的多径扩展，使得o f d m 信号的各个子信道在接收端不再正交， 因而发送前就在码元间插入保护时间间隔万。如果保护间隔万大于最大时延扩 展。，则所有时延小于万的多径信号将不会延伸到下一个码元期间，因而有效 地消除了码间串扰 7 1 。接收端只要将保护间隔去掉，就可以全部或部分消除i s i 的影响。 o f d m 调制信号可以表示为 一l d ( f ) = 乏：d ( n ) e x p ( j 2 n f t ) f 【o ，t 】 ( 3 - 3 3 ) 石 这里d ( 以) 为第n 个调制码元，疋为码元周期，t 为码元周期加保护时间 ( 丁= 不+ 万) 。各子载波的频率为： ：，= + 号 o f d m 系统的调制原理示意图如图3 7 所示。 2 3 ( 3 3 4 ) 武汉理工大学硕士学位论文 图3 7o f d m 的调制原理图 串并单元读取一帧信号所需的串行数据流n b i t ，分为n 组分别进行q a m 或其他映射，第i 组行，b i t 包含的码元，且满足 = n ，= l ( 3 3 5 ) 这里n 表示传输中实际使用的子载波数量。以。b i t 的码元为映射第f 个子信 道的调制矢量符号，即d ( i ) = a ( i ) + b ( i ) j ，f = 0 ，n l 。 在传统的频分方法中，将频带分为若干个不相交的子频带来传输并行的数 据流，在接收端用一组滤波器来分离各个子信道。这种方式频谱的利用率低， 而且多个滤波器的实现也有不少困难。而o f d m 技术则将整个频带分成多个正 交的子信道，每个子信道的频谱均为s i n ( x ) x 形，各子信道频谱相互交叠，但在 每个子信道载频的位置来自其他子信道的干扰为零，如图3 8 所示。接收端只 要接收到的子信道信号与本地相关信号在码元期间正交就可以做到无信道间干 扰传输。因此与常规的f d m 系统相比，可以最大限度的利用频谱资源，频谱 效率比单载波系统提高近一倍。 2 4 武汉理工大学硕士学位论文 图3 8o f d m 频谱示意图 在接收端，其解调的原理图如图3 - 9 所示。 图3 - 9o f d m 解调原理图 输入信号分成n 个支路，分别用各子载波混频和积分，恢复出子信号，再 经过并串变换和常规q a m 或其他解调就可以恢复出数据。由于子载波的正交 性，混频和积分电路可以有效地分离各个子信道，如下式所示： 。( ， ) = f 篓d ( 甩) e x p ( j c o f ) e x p ( 一缈。f ) 衍 e x p ( ，( 国n 一国m ) ) 西 ( 3 3 6 ) 唧c 芈， p | s ，量，玉 、，、， 玎 疗 d j 川脚脚 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 2o f d m 的系统框图 图3 1 0 给出了一个o f d m 系统的实现框图。串行的输入数据经过编码， 可能包括纠错编码、交织、差分编码，然后进行星座图映射，这时就得到了频 域数据。经过快速傅立叶反变换( i f f t ) 将数据的频谱表达式转变到时域上。 变换后的信号经并串变换，将串行数据尾部长度为砭p 的样点复制到符号前部， 作为循环前缀，构成一个长度为瓦+ 耳p 的完整的数据帧，经d a 变换后送入 信道。如果进行基带传输，就不再需要上变频。其中，上半部分对应于发射机 链路，下半部分对应于接收机链路。由于f f t 操作类似于i f f t ，因此发射机和 接收机可以使用同一硬件设备。当然，这种复杂性的减少则意味着该系统不能 同时进行发送和接收操作。接收端进行与发送端相反的过程。f f t 将时域数据 进行解频分复用，利用正交性得到发送的数据。在经过判决、译码后送到信宿， 完成通信的全部过程。 铂悃悃悃 咽囡伺囤 图3 1 0o f d m 收发机系统框图 2 6 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章基于m a t l a b 的多天线技术研究 4 1 研究现状分析 随着全球科技的发展，无线通信系统经历了从模拟通信到数字通信的飞速 技术更新，同时移动通信用户的数目也以前所未有的速度递增。随之日益增长 的语音业务、数据业务和宽带i n t e m e t 业务的需求，则对无线通信系统在传输速 率、系统业务容量以及性能等方而提出了更高的要求。如何用较少的频率资源 来传输更多的信息以及抑制无线电干扰技术，来满足未来移动通信的需求，成 为了通信业界研究的热点。此时，作为下一代无线移动通信关键技术之一的 m i m o 技术【l 引，受到了越来越广泛的关注。 在宽带无线通信系统中，o f d m 作为一种能够有效对抗频率选择性衰落 引起了广泛关注1 2 0 1 。在无线城域网系统中，使用o f d m 调制技术的m i m o 通 信系统不仅能够在不增加带宽的情况下增加系统的能量，还能有效地抵抗频率 选择性衰落，提高系统的通信质量。近年来，智能天线阵到o f d m 系统的研究 得到迅速的发展，这是因为在o f d m 系统中使用智能天线进行自适应波束形 成，能够有效对抗系统的共信道干扰，提高系统的误码率性能、而且应用天线 阵的系统在不需要消耗额外的频谱资源条件下，可以有效地提高系统容量。 4 2 联合极化空间分集的m i m o o f d m 系统容量分析 为了能够在多径信道中实现大容量通信，在接收机和发射机使用多天线的 m i m o 无线通信系统具有巨大的潜力【2 l 】瞄】。在m i m o 通信系统中，大部分的 研究仅仅讨论了空间分集。在实际的通信系统中，天线之间的间距是足够大的， 这将不利于了天线数目的增加。其结果是限制了无线通信系统的容量的增加。 目前的研究表明极化分集也能实现大的容量增益。在一些文献【2 3 】【2 4 】中，只对单 径环境下的极化分集系统进行了容量分析。在宽带无线通信系统中，信号通常 在多径环境中传输。例如，i e e e8 0 2 1 6 d 室内信道模型2 5 】是一种多经信道，被 广泛的应用在无线城域网中( w m