（通信与信息系统专业论文）信道自适应mimo无线传输技术研究.pdf

摘要 摘要 新一代移动通信系统要求更高的数据传输速率、频谱利用率和功率利用率，采用多 天线发送和多天线接收的m i m o 技术得到了广泛的重视。在实际的传播环境中，m i m o 无线通信系统的信道极为复杂，诸多因素影响信道容量，寻求适于各种信道环境的自适 应传输方法显得尤为重要。结合国家八六三f u t u r e 计划二期重大项目“b e y o n d3 g 蜂窝 移动通信无线试验系统研究开发”的背景，本论文研究了一种特征模式闭环传输( e c l t ) 技术，并将其应用至i j f d d 的m i m o g m c 无线传输方案中，构建能可靠有效适应于信道 环境的试验系统。 e c l t 技术能够有效感知移动终端所处的环境，并将其通过反向链路反馈给发送端。 收、发两端利用相同的信道统计信息通过相同的计算过程得到相同的自适应控制参数， 控制特征模式传输。该技术在统一的框架下实现环境自适应m i m o 传输，解决m i m o 技 术在复杂场景下的工程应用问题。 针对从信道统计相关阵得到发送特征模式，在研究了矩阵特征值分解算法基础上， 提出了信道自适应控制中的信道相关阵特征值分解方法，该方法融合多种算法，具有复 杂度低，适合d s p 实现的优点。结合定点仿真作为参考依据，设计了信道自适应方案的 d s p 与f p g a 实现结构和方法。 采用e c l t 技术的f u t u r ef d d 试验系统在多种复杂信道环境下进行了测试，结果显 示系统能够广泛自适应于信道环境，进一步验证了该信道自适应传输方案的有效性。实 测数据显示，在1 7 2 8 m h z 的带宽上试验系统能够支持不低于1 0 0 m b p s 的峰值传输速率， 并将误包率控制在1 0 - 5 之内。 关键词：后三代，多输入多输出，广义多载波，信道自适应传输，d s p ，f p g a 东南人学硕上学位论文 a b s t r a c t t h ef u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s r e q u i r eh i g h e rd a t at r a n s f e rr a t e ，h i g h e r s p e c t r u ma n dp o w e re f f i c i e n c y ，w h i c hb r i n gm o r ee x t e n s i v ea t t e n t i o no nm i m ot e c h n i q u e s i nr e a lp r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n t ，t h ec h a n n e lo fm i m ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s e x t r e m e l yc o m p l i c a t e d ，f o rc h a n n e lc a p a c i t ys u f f e r sf r o mm a n yf a c t o r s t h es e a r c h i n gf o r e f f e c tt r a n s m i s s i o nm e t h o dw h i c hc o u l da d a p t i v et oa 1 1k i n d s o fc h a n n e lc o n d i t i o n si s n e c e s s a r v a ne i g e n m o d ec l o s e - l o o pt r a n s m i s s i o n ( e c l t ) t e c h n i q u ei ss t u d i e du n d e rt h e b a c k g r o u n do ff u t u r ep l a n i ti sa p p l i e dt of d dm i m o g m cw i r e l e s st r a n s m i s s i o n s c h e m et oc o n s t r u c ta ne x p e r i m e n ts y s t e mw h i c hc o u l da d a p t i v et oc h a n n e le n v i r o n m e n t e f f e c t l y ， t h i st e c h n i q u ea c q u i r e st h ee n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o no ft h em o b i l et e r m i n a la n df e e d si t b a c kt ot h et r a n s m i t t e r b o t ht h et r a n s m i t t e rm i dt h er e c e i v e rc a l c u l a t et h ec o n t r o lp a r a m e t e r s b yu s i n gt h es a m es t a t i s t i cc h a n n e li n f o r m a t i o ni nt h es a m ew a y t h i st e c h n i q u ei m p l e m e n t s m i m ot r a n s m i s s i o na d a p t i v et oc h a n n e lc o n d i t i o nu n d e ru n i f o r mf r a m e w o r k ，w h i c hs o l v e s c o m p l e xe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o np r o b l e mw i t hm i m ot e c h n i q u e s t h ea c q u i r i n go fe i g e n m o d eo ft r a n s m i s s i o nf r o mc h a n n e ls t a t i s t i c a lc o r r e l a t i o nm a t r i xi s f r u s t r a t e db yt h ec o m p l e x i t yo fe i g e n v a l u ed e c o m p o s i t i o n ( e v d ) a f t e rt h er e s e a r c ho ne v d a l g o r i t h m s ，a ne v dm e t h o dt od e c o m p o s ec h a n n e lc o r r e l a t i o nm a t r i xi sp r o p o s e d ，w h i c hi s f e a t u r e di nl o wc o m p l e x i t ya n da d a p t e dt oi m p l e m e n t a t i o no nd s rf i x e d - p o i n ts i m u l a t i o n r e s u l t sa r eg i v e nf o rd e s i g nr e f e r e n c e t h ee c l tt e c h n i q u ei si m p l e m e n t e db yd s pa n d f p g a t h et e s to nf u t u r ef d d e x p e r i m e n ts y s t e mw i t l le c l tt e c h n i q u ei sp r o c e s s e d a n dt h e r e s u l to fi ts h o w st h a tt h es y s t e mw o r k se f f e c t l yu n d e rv a r i o u sc h a n n e le n v i r o n m e n t s t h e s y s t e mc o u l da c h i e v ep e a kr a t eu pt o10 0 m b p sa n dt h ep a c k e te r r o rr a t i oi su n d e r10 k e y w o r d s ：b 3 gm i m o ，g m c ，t r a n s m i s s i o na d a p t i v et oc h a n n e l ，d s p , f p g a l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所里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，也不包含为获得东南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： 上 掰日期：塑。叫? 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、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) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名 拳一车 个i 导师签名日期：2 0 口7 元。2 第l 章绪论 1 1 论文背景 第1 章绪论 移动通信数据业务鼍的需求以每6 7 年增加t 0 0 倍的速度快速发展，预计2 0 1 5 年，移动数据 业务量的需求将达到目前的1 0 0 1 0 0 0 倍之间。未来新一代移动通信系统应向着宽带化和i p 化的方 向发展，其基本技术需求包括：系统带宽达1 0 0 m h z ，在固定和低速移动的热点覆盖场景下提供1 g b s 峰值速率，在高速移动的广域覆盖场景下提供不低于l o o m b s 峰值速率；频谱效率应能达到5 2 0 b r s l - i s 、提供远高于现有系统的小区容量；显著降低用户平面和控制平面的时延，支持高速i p 分 组业务，改善用户对于网络服务的体验1 ”。 然而正逐步投入商用的3 g ( 3 “g e n e r a t i o n ) 技术，其实际所能提供的高速移动中的最高速率只 有3 8 4 k b ，s 1 2 i ，即使是增强型3 g ，c d m a 2 0 0 0 i x e v 和h s p d a 标准最高也只是支持4 5 m b s 和1 0 m b s 峰值传输速率 3 1 1 4 i ，不能完全满足用户的实际需求。在此现状下，适应移动通信发展趋势的b 3 g ( b e y o n d3 g ) 4 g 技术的研究在全球范围内展开了。 中国在2 0 0 2 年正式启动了一个名为未来通用无线环境技术( f u t u r et e c h n o l o g i e sf o ru n i v e r s a l r a d i oe n v i r o n m e n tf u l l j r e ) 的国家八六三研究计划。探索和研究适应未来移动通信发展需求的新 理论、新技术，并建立试验平台测试，旨在为中国的移动通信提供更多的技术保证，争取更多的核 心知识产权，以有力推动中国移动通信事业的发展p j l 6 i 。 f u t u r e 计划二期项目“b e y o n d3 g 蜂窝移动通信无线网络试验系统研究开发”分为频分双工 ( f d d ) 1 7 1 和时分双工( t d d ) i s 两套方案，东南大学移动通信国家重点实验室b 3 g 课题组采用f d d 方案。吸收o f d m 技术的优点1 9 j ，克服其峰均比高和频偏敏感等缺点，提出了支持多天线的广义多 载波( m i m o g m c ) 无线传输技术1 1o 】。本论文旨在研究信道自适应传输技术，并应用在f u t u r e f d d 上行链路的m i m o g m c 无线传输技术方案中。 1 2m i m o - g m c 传输方案 m i m o - g m c 无线传输技术方案可描述为：( a ) 系统可在基本模式和扩展模式下工作。在基本模 式下，可把总带宽为巩的信道分解成一组并行的3 d b 带宽为1 2 8 m h z 的子信道，通过多载波滤波 器组进行多载波合路和分路，多载波滤波器组可通过d f t 快速实现”j 】；在扩展模式下，可把相邻的 基本子载波合成带宽为3 8 4 m h z 扩展子载波，可根据未来不同国家的频谱分配情况，灵活地分配不 同的扩展子载波，并可实现与3 g 系统的共存与后向兼容。( b ) 在每个子载波，采用双循环自适应时 隙结构、高效编码与调制、空时分集与空分复用、迭代式空时联合检测译码等技术，支持高效的分 组数据传输，满足b 3 g 系统对传输速率、系统容量、频谱效率以及功率效率等方面的要求。( c ) 采用 f d d 或t d d 双j 二方式，适用于广域覆盖和热点覆盖蜂窝通信环境。( d ) 采用f d m a 、t d m a 和c d m a 东南大学硕学位论文 混合多址方式共事无线资源，其中c d m a 为辅选，每个移动用户可动态地占用一个或多个基本子载 波或扩展子载波，或占用一个子载波的个或多个时隙、码道等，从而达到大动态范嗣传输要求1 ”l 。 发送 数据 镢 叫三竺兰竺卜 教筷 串井 _ 叫三兰兰竺：卜+ 多蓑 转换 转换 波合与 ； 成 载波 调制 叫磊磊十 叫三竺竺型卜+ 薮波 多袭 r 1 诲箭 渡分 叫三竺兰竺：r +并串 与 析与 # 换 模数 时颠 ； 转换 同步 磊丽卜 图1 - im 1 m o g m c 无线传输链路构成 接收 羲据 稿 m i m o g m c 无线传输链路具有如图1 1 所示的模块构成。在发送端，不同用户或同一用户的 m 个并行比特流，分别经过子载波发送处理，得到子载波多大线数字基带发送信号，对应于每个发 送天线的子载波发送信号，经过多载波合成滤波器组进行多载波合成，生成多载波数字基带发送信 号，再经过数模转换和载波调制，分别产生各发射天线上多载波发送射频信号。在接收端，各接收 天线接收的多载波信号经过载波解调和模数转换，产生多载波数字基带接收信号，经过多载波分析 滤波器组进行多载波分解，并进行定时频率同步，生成同步后各子载波多天线数字基带接收信号， 各子载波的多天线接收信号再经过相应子载波接收处理，得到m 个并行的接收信息比特流单个子载 波数字基带系统如图1 2 所示。在发送端，输入信息比特流经过信道编码和交织，得到编码的比特 流，然后经过符号映射和空时发送处理，并插入导频，生成千载波多天线数字基带发送信号，这里 空时发送处理可以采用空时编码和空分复_ j 等技术。在接收端，首先利用接收导频信号进行信道参 数的估计，然后进行迭代检测译码，得到接收的信息比特流。在迭代检测译码中，检测器为软输入 软输出检测器，译码器为软输入软输出译码器，检测器与译码器之间交互软信息。检测与译码过程 多次迭代，以显著提高接收性能。 图1 - 2 单个子载波数字基带系统 2 第1 章绪论 1 3 信道自适应技术现状 与传统的单天线发送和单天线接收系统相比，m i m o 无线通信系统的信道环境更为复杂，影响 信道容量的因素更多，在终端移动过程中，终端与基站之问的信道可能历经不同的类型，其容量随 之有较大幅度的变化。为适应信道环境的变化，可采用不同的传输方法，当信道为相关的平坦瑞利 衰落信道时可以采用空分复用技术f 1 2 1 f ”1 ，在具有强直达径且采用多线天线阵列时。可采用波束成形 技术，当信道为静态时，可利用空间注水传输1 1 7 】。显然，采用多种技术构建实用系统，要保 证高效可靠，其实现会变得非常复杂，因此寻求适用于各种信道环境的自适应传输方法是至关重要 的。 自适应于信道环境的传输，需要在发端利用信道的先验信息。信道的先验信息可以是完全的信 道状态信息或部分的信道状态信息【1 s l l ，而部分信道状态信息是信道的统计信息，包括干扰和噪声 的统计量、发送相关、接收相关，以及均值等1 2 0 h 2 2 1 。在典型移动通信环境下，特别是高速移动通信 环境下，信道是快速时变的，发送端无法确知完全的信道状态信息，而其部分状态信息在相当一段 时同内是近似不变的，研究表明，当发射机利用部分信道状态信息进行传输时，m i m o 系统的信道 容蹙和传输可靠性可得到较大的提高f l ”。理论研究表明，在发端相关的瑞利衰落信道环境下，当收 端确知信道状态信息且发端已知信道的发送相关矩阵时，信道容量最大化准则f 的最优传输即为基 于特征模式的空间预滤波传输口“。目前已报导的： 作主要针对存在发端相关的瑞利平坦衰落信道， 特征模式传输向更一般的信道环境的拓展尚未全面展开，为了使之成为真正意义上适用于各种信道 环境的统一传输方案，进一步的拓展研究是必要的。 1 4 论文工作内容与安捧 本论文研究了一种信道自适应的特征模式闭环传输技术方案，并将其应用到f u t u r e f d d 试验 系统中，通过仿真和外场系统实测验证了该方法的有效性和可靠性。正文部分共分为7 章； 第l 章简要介绍了论文背景，m i m o - g m c 传输技术，然后简述了本论文研究的信道自适应技 术现状和工作安排。 第2 章讨论了m 1 m o 信道模型和m 1 m o 信道容量，研究了信道自适应的特征模式闭环传输技术， 然后介绍了该技术在m i m o - g m c 传输方案中的应用。对m i m o g m c 系统链路做了大量的仿真， 验证该技术的有效性和可靠性。 第3 章推导了多种h e r m i t e 矩阵的特征值分解算法，并进行复杂度分析，在此基础上提出了自 适应控制中收、发相关阵的特征值分解方法，最后阐述了该方法在特征模式闭环传输技术工程实现 中的意义。 第4 章中研究了若干定点优化的方法。并应用到特征模式闭环传输技术的实现中。定点仿真结 果为软、硬件设计和实现提供了参考。 第5 章是基于d s p 和f p g a 的白适应控制模块和自适应发送方案的实现，给出了详细的设计和 验证方案，保障单模块设计的正确性和可靠性。 3 东南夫学碗学位论文 第6 章是f u t u r ef d d 试验系统上行链路外场测试。给出了测试方案和测试结果，在测试结果 的基础上分析信道自适应传输技术方案，再次验证其有效性和可靠性。 第7 章是论文工作的总结。 4 第2 章m i m 0 g m c 信道自适应传输方案 第2 章m i m o g m c 信道自适应传输方案 2 1m i m o 信道及其容量 2 1 1 无线m i m o 信道模型 发射机 接收机 图2 - 1m i m o 天线结构 我们考虑一个宽带频率选择性信道，由 个发射天线 r r 个接收天线组成的m i m o 系统，其输 入和输出的关系可以表示为： y ( i ) = h ，( t ) x ( t 一，) + z ( i ) ，k = o ，1 ，0 0 ， ( 2 1 ) = 0 其中表示时间采样点，y ( t ) = b ( t ) ，y , l k ) ，y h ( t ) 7 是输出向量，- ( t ) = b ( i ) ，屯( 女) ，h ( ) t 是输入向量，z ( t ) = z 。o ) ，：( t ) ，( t ) 1 是噪声向量，五( 七) ( f 2l 2 k ) 是高斯分布的自噪声， 是信道可分辨的径数，用砖表示符号持续时间，h d 是k 采样时刻起延迟i t s 的信道冲击响应矩 阵。凰可以表示为： h ，( k ) = j i j 。( k ) ：( k ) 岛，* ( k ) 岛，( ) 岛。( t ) 岛：* ( k ) i； 岛，“。( ) 噍：( 七) 岛，竹( 七) 对于接收天线和发送天线间都存在相关性的情况，第，径在莱斯频率选择性衰落下的信道冲击 响应矩阵可以建模为： 即扛孚+ 丘 蛳- o ，” ， 其中正孓叫h 是信道的l o s 熄丘孓汛胀信道相关衰落燧卧是勃值单 位方差独立同分布的复高斯矩阵，暂是莱斯因子，决定了第，径恒定分量和随机分量能量之间的比例， 东南大学硕十学位论文 当o ，= 0 是，h ，退化为独立的纯瑞利衰落，柳= 0 0 时表示信道没有衰落。吐叶和o r 表示发射天线端和 接收天线端的互相关矩阵1 2 3 。在这里我们假设不同散射信道问是不相关的，即有 e h ? h ， - o ( v i j ) 在单载波空时系统中信号分块传输，每个分块中都包含数据序列、循环导频和零后缀。我们 假设每个分块内是时不变的，而不同分块间是时变的，在每个分块内将长度为的循环导频序列加 到长度为k 的数据序列上发送，接收端再除去循环导频序列以此来消除分组问干扰。这样除去循环 导频后的数据段可以表示成 y = r x + z ， ( 2 4 ) 其中x = i ( 1 ) ，x t ( 2 ) - - , l i t ( k ) 1 是输入向量，z = z 1 ( 1 ) , z t ( 2 l ，z 7 ( k ) 是加性复高斯白噪声，其分 量服从独立同分布，y = r y ( 1 ) ，y 7 ( 2 ) ，y 1 ( 岸) 1 是输出向量， 是k n r x k n t 的复矩阵，假设在一个分组数据包内信道是时不变的，所以时刻女被省略了。 2 1 2m l m o 信道容量 对于观测时间很长的快衰落信道，其容量可以定义为遍历容量。假设信遭遍历，互信思的期望 可以通过足够长的编码来获得。这样一个码字可以覆盖所有的信道状态，根据信道的概率分布，可 以达到平均互信息，称为遍历容量。可以推导得到信道遍历容量的表达式为： c ( q ，) = e 。 1 0 9 ：d e t 0 。+ 朋【q 。钟“) ， ( 2 5 ) 其中q 。= e x x ” 是输入协方差矩阵，0 2 是噪声方差，p 是t 个发送天线上的平均发送能量a 根据d e l ( 1 + a b ) = d e t ( i + b a ) ，式( 2 5 ) 可以变换成 c ( q 。) = e 。 】o g ：d e ( i m + h 7 f “7 f ) ( 2 6 ) 系统容量最大化即推导l x 使c ( q i ) = 最大化。为了简化讨论，我们暂时假设发送符号是不相关的， 例如x = i r o q ，其中q = e x x “j ，o 表示k r o n e c k e r 乘积a 假设不同信道散射是不相关的，并使 用j e n s o n 不等式i 驯e i 。g ：d e t ( 1 + a n ) l o g ：d c t ( i + e a b ) ，我们有如下的容量上界 c _ ( q ) = l o g ：d e t ( 1 t + y q r ，) ， ( 2 7 ) 6 巩；毗o；o心 一 吼o o o砜；吼 o k；毗一 o 巩；毗o；o 第2 章m i m o g m c 信道自适应传输方案 其中r 丁称作发送相关矩阵。r t 的特征值分解可以表示为r ，= u ，a ，u ：，其中u t 是妇矩阵， a ，= d i a g 2 r ” ， ，* ) 。m i m o 信道的容量在很大程度上取决于天线之间的去相关性能和m i m o 信道矩阵的满秩情况。为了达到容量上界，可以得到q 的j e n s o n 解”1 为： q = u p u ? ， ( 2 8 ) 其中p 由对角阵组成，其元素d 由注水法得到。 2 2 信道自适应m i m o 传输方案 图2 - 2 n t 发送r 接收天线的m i m o 传输框图 链路自适应控制 我们考虑一个配置t 个发送天线和 r r 个接收天线的m i m o 无线传输系统，通过最大化式( 2 7 ) 可以构建出如图2 2 所示的m i m o 信道自适应的特征闭环传输( e c l t ) 方案。 自适应m i m o 传输是以帧为单位工作的。在第，帧内，接收端对 k 个数字基带接收信号* 利用接收导频信号进行信道估计，进而通过空时联合检测得到输出比特流，其中，= 1 ，2 ， ，r ，”( d 表示第，个接收天线上的接收信号。在进行检测的同时，利用第卜l 帧的信道估计结果计算信道的统 计信息，包括信道接收相关阵、信道发送相关阵、空间统计功率注水阵、信道可分辨流的个数s 、 在线信道容量等。利用这些信道统计信息可以得到信道自适应控制所需参数，包括信道可分辨流上 的调制方式、线性预编码矩阵等，这些自适应控制参数用于第，十l 帧数据的检测。第，帧得到的信道 统计信息和自适应控制参数通过量化和编码，可以通过反馈链路传递给发射端，包括信道的发送相 关阵、噪声方差、调制方式等。 在发送端，通过反馈信道可以直接得到调制方式并计算出信道可分辨流的个数s ，而反馈的信 道统计信息可以转换为线性预编码矩阵等自适应控制参数。然后将输入比特流经过信道编码、交织 和符号映射之后得到s 个符号流蹦七) ，其中”= l ，2 ，s ，岛( 七) 表示第月个符号流；对s 个符号 7 东南大学硕l 学位论文 流进行线性预编码后得到t 个预编码符号流4 ( ，其中i = 1 ，2 ，f ，t ，4 ( 表示第i 个预编码符 号流；在t 个预编码符号流中间歇的插入循环前缀和导频得到t 个数字基带发送信号置( 的，其中 i = l ，2 ，t ，五( 幻表示第n 个发送天线的发送信号。 2 2 1 信道统计信息的获取 2 2 1 1 信道l i 殳，发相关阵的统计及其特征值分解 r ，一1 、f 一11 信道统计发送相关阵r ，= e i g h t h ， ，同样统计接收相关阵为r 。= e h ，h ? 利用第t - i l i = ojl 1 = oj 帧信道参数估计结果，得到统计相关阵 肆= 去。：萋。篁io h ? ( 女) h ，积) ， ( 2 _ 9 ) 蠢t 。专。：苫。荟h i ( 。) h ? ( ) ， ( 2 1 0 ) 其中k 表示信道样本数。 为了使统计得到的相关阵在时域上具有记忆性，用遗忘因子口对相邻帧获得的结果进行平滑， 即： r p = ( 1 一) r p + 腼。， ( 2 1 1 ) r p = ( 1 一) r + 脉。 ( 2 j 2 ) 对当前帧平滑后的统计相关阵作特征值分解得到 r p = u ，a 。u ；，( 2 1 3 ) r p lu 。a 。u ：，( 2 1 4 ) 其中a ，= d i a g 。，t ：， ，a 。= d i a g 幻，久：，k h ) ，特征值按降序排列，u t f lu r 分别是 与之相对应的r t 和r r 的特征矩阵。u t 和 t 统称为信道的特征模式，其中u t 是发送预编码矩阵的 一个重要鲴成部分。 2 2 1 2 空问功率分配 功率分配方法采用的是空间统计注水法。假设 只= p ， c 1 5 ) 其中p 为n t 个发送天线上的发射能量，m i m o 的信道的归化容量由下式确定： c = i = 1 1 + 掣铲 ， 亿旧 其中孑表示当前帧信道估计得到的噪声方差。要想在统计意义上达到尽可能大的信道容量就要寻找 8 第2 章m 1 m o g m c 信道白适应传输方案 c = m 。a x 2 。崦： 1 + 乎 ， 其约束条件为总的发射能量一定，即式( 2 1 5 ) 。使用拉格朗目乘数，引入函数 z = 和 1 + 钏小耕 式中r 是拉格朗日乘数，可以通过令z 的偏微分为0 得到未知的发射功率昴。 ， 丝：上乓一r ：0 ， 现i n 2l + 颦 得到 一卜一甜川，肌 式中= i 丽i ，将( 2 1 9 ) 代入( 2 1 5 ) 可求得 相应的空间统计功率分配矩阵可表示为 2 2 1 3 信道独立流控制 卜可- 酮- i p ( t ) = d j a g p r ，p 并 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) f 2 2 0 ( 2 2 2 ) 在不相关或弱相关的m i m o 信道中，空间复用可以用来支持高速数据传输，结合空时编码来提 高传输可靠性。而在高相关的m i m o 信道中，空分复用会有很大的容量损失。所以信道独立的流数需 要根据信道状态动态调整。独立的信道流数的确定需要综合考虑信道发送相关阵r t ，信道接收相关 阵r r 及直达径等因素的影响，从能量的观点出发，确定信道的独立流数s ，并将其反馈到发射机， 供发端进行多波束成型。 当r t 和r r 的特征值分解确定以后，用下面的公式来选择s 。记： g = 醒巧n 等c 唧 ， 但：s ， 酝= 鹕叫n 浯镰) 亿：， 其中昕和a r 分别发送端和接收端的流选择因子，是小于1 的常数。发送流的初始值为： m = m i n g ，q r ( 2 2 5 ) 东南大学硕士学位论文 这样方法综合考虑了发送相关、接收相关性以及直达径的影响。式( 2 2 3 ) 包括7 信道的直达径和 发相关信息式( 2 2 4 ) 考虑了直达径和收相关信息。进行流控制时只考虑式( 2 2 3 ) 和式( 2 2 4 ) 都是不完 善的。 在实际使用中，由式( 2 2 5 ) 决定的s 还必须不大于功率分配中非零解的个数。 2 2 1 4 在线容量估计及其修正 c = l o g ：( 1 + 岛) ( 2 2 6 ) 记y ( ) 2 ( ) ，乃o ) ，) ，l ( 五) 1 表示在第k 个时刻的数字基带发送接收信号。则y ( 妁可表示 y ( ) = h ( k ) x ( k - 0 + z ( k ) ，( 2 2 8 ) 其中z ( 七是是方差为，加性高斯白噪声( a w g n ) ，- ( i ) = h o ) ，t ( ) ，0 ) 7 是第女个时刻的 咄：饕艺巍畔矿啡q ， ， = a ，x ( + p ) + ( h w l z p + f ) 7 匪e p a ，= ( h ”h m ( o ，+ 且， p ) 。 记五。= d i a g a 。) = d i a g t h ，如，? h ， 五。= a o - 五。， b = - - , a + 五。，a 。，a ， i ( ) = 1 1 ( t 一+ 1 ) ，x 7 似) ，f ( t + 一1 ) ，则由式( 2 2 9 ) 可得： 1 0 + 篁( h h z ( k + ) ( 2 3 0 ) ，= 0 。 第2 章m i m o g m c 信道自适应传输方案 注意到信号能量是归一化的，且噪声方差为0 2 ，故信号能量、干扰能量、噪声能量分别为：芝砰、i i b 蛙、 芝_ 0 n g r 2 。因此，利用当前信道样本计算得到的信干比为： 砰 石= 堕f 一 ( 2 3 1 ) 0 啡+ 艺q a 2 由当前帧所有样本统计得到的信干比为： = i l 萎k 最 ( 2 3 2 ) 为了使统计得到的信干比在时域上具有记忆性，用遗忘因子p 对相邻帧获得的结果进行平滑，即 - = ( 1 一) f “+ 叫， ( 2 3 3 ) 其中f ，f o 分别表示前一帧和当前帧的信干比。 令 川+ 丧， ( 2 3 4 ) 则信道容量修正函数为： e = 厂( c ，) = 0 7 5 u 。一o 2 5 ( 2 3 5 ) 此外，在信道容量估计中可以进一步采用误包率进行修正，当误包率高时，在线信道容量估计值减 少，反之，则增加。 2 2 1 5 比特分配 在获得修正的信道容量e 以及信道可分辨的流数s 之后，我们可以通过比特分配算法来确定每 个流的编码方式和调制方式。用 m l i 和 彤兄来表示相应的可以支持的所有调制类型和编码方式 的集合，”“，) 表示s 个流中调制方式膨和编码方式为弓的流的数目，则 d f ) 的求解可转化为如下的线 性整数规划问题： jj m i n 6 = e 一m 弓 = s f = l j = l 够s e 6 0 ，1 ，s ，v i ， 式( 2 3 6 ) 描述的整数规划问题的解称为最优比特分配方案。一旦计算出瞬时容量0 和独立子流数 k 后， n “可以通过查询查找表( l u t ) 来获得，表中内容可以离线计算得到。例如支持的调制类型是1 6 q a m 和q p s k ，编码方式是l 2 t u r b o 码，我们可以得到： 东南大学硕j ：学位论文 f 0 i fe n 。 2 一s j 矿e 虬 详c ( 1 i fl c n s 。 矿c n s g 1 6 q a m 和”q p s k 代表调制方式为1 6 q a m 和q p s k 时的独立流个数。l j 表示取整运算。 2 2 2 反馈信道设计 ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) 反馈信道是m i m o 自适应传输系统的重要组成部分。在t d d 系统中，由于上下行链路所用频段 相同，一般情况下，可以认为上下行链路的信道参数是相同的。此时发射机估计出接收机到发射机 的信道参数就可应用于发射机的预编码设计中。在f d d 系统中由于上下行链路所用频段不同，发射 机只能利用接收机通过反馈信道传输过来的部分信道信息进行预编码设计。 通过前面的讨论我们可以看到，发送端需要的信道统计信息包括有：u t 、p 、s 、各数据流的编 码调制方式n 。( i = 1 ，j = l ，) 。考虑i - u t j t 的动态范围较大，若直接反馈u t 会需要较大的 反馈信道的开销。因此我们只反馈由当前帧信道参数得到的信道相关阵r 。r t 是一个坼飓维的复 对称矩阵。接收机对构成r t 的v t 2 个实系数进行标鼍量化得到离散鼙化值，并将其通过反馈信道反馈 至发射机。为了进一步减小反馈信道的开销，我们不直接传输功率分配矩阵p ，而是反馈信道的噪声 方羞，在发送端通过计算得到p 。注意到嘞s n ssr a i n 懈，n r ，因此接收机用于反馈所有嘞的比 特数为：，t ，l o g ：( m i n ( n t ，n 。) ) 。由于在统计量中引入记忆，所反馈的当前帧信道参数可以等效为 统计量的差分信号，因此，反馈的比特信息是差分信号的量化编码后比特信息。反馈的信道发送相 关阵可以表示为： r t = r ，一r p ，( 2 3 9 ) 2 2 3 发送自适应控制参数计算 该模块的输入来自反馈信道，输出有两个。一个送往编码交织调制模块，另一个送往线性预 编码模块。送往编码，交织，调制模块的( 净1 ，) 直接来自反馈信道，无需进行额外的 处理。送往线性预编码模块的是特征模式u t 和空间功率注水矩阵p ，它们的计算过程与接收端完全 相同。首先利用来自反馈信道的i i t 计算发送相关阵r p 并对其进行特征分解得到u t 和 _ ，接着 利用a ，和来自反馈信道的0 2 进行空间注水得到p 。 2 2 _ 4 自适应发送方案 从上面讨论，输入向量i ( 七) 可以表示为： i ( ) = u ，p + ，( d ( ) ) ， ( 2 4 0 ) 1 2 j 一 之 ，0 第2 章m i m o g m c 信道自适应传输方案 其中d ( ) = ( ) ，吐( ) ，呔( t ) 1 表示第k 个时刻发送的数据，f ：c 以“_ c * “是一个将 ，s 维数 据流映射到 0 维特征方向上，使空间分集达到容量的上界。我们称这种映射为随机虚空间跳转 ( v s h ) ，我们可以看到v s h 传输方案需要满足 e ，( d ( t ) ) 厂“( d ( i ) ) - i 竹 ( 2 4 1 ) 当s 等于丁时厂的最佳选择是空分复用，从而最大化数据传输速率。当s 小于t 时厂映射函数可 以设计成空时编码或者空分复用。在e c l t 传输方案中，倾向于空分复用方式。一个简单而实用的 映射函数是 ，( d ( 1 ”= w 碉v ( 女) d ( 女) ， ( 2 4 2 ) w 是阶数为r 的w a l s h 扩频矩阵，v ( 七) 随机从矩阵集合中选取，v = k i v , c 即以，q = 0 , 1 ，q 一1 ， q 表示集合中元素个数。对于4 根发射天线的系统，一种实用的v ( 七) 实现如图2 3 图2 - 6 所示。 发送策路就是将服从循环高斯分布的符号沿着u t 特征向量的方向发送，特征方向上的能量由p 给出。矩阵u t 作用于一个输入符号向量x 时，这实质上是对这个向量中的每个符号提供了唯一的一 个天线方向图。对于一个从具有t 个发射天线的阵列中发出的符号，u t 的每一列含有r 个幅值和 相位。因为天线振子的一组幅值和相位权值对一个无线信号定义了唯一的一个空间发射方向图，所 以i h 的第一列给1 1 分配了一个空间发射方向图，第二列给z 2 分配了一个发射方向图1 2 6 j 图2 3 s = 1 图2 - 4 撼= 2 1 3 东南人学硕士学位论文 图2 - 5 n s = 3 2 2 5 信道自适应传输具体实旋方案 图2 - 6 s = 4 特征模式闭环传输技术方案在m i m o g m c 系统中实现步骤如下： 接收端： ( 1 ) 利用接收导频信号进行信道估计。并根据公式( 2 9 ) - ( 2 1 2 ) 计算信道发送相关阵r p 和信道接收 相关阵r ) ： ( 2 ) 根据公式( 2 3 1 卜( 2 3 4 ) i , f 算信道容量修正因子，； ( 3 ) 分别对噼叫和r 进行特征值分解，得到a t ，a r 以及u t ； ( 4 ) 利用( 3 ) 中相关阵特征分解的结果，根据公式( 2 2 0 ) - - ( 2 2 2 ) 以及噪声方差口2 计算功率注水阵p ； ( 5 ) 利用( 3 ) 中相关阵特征分解的结果，根据公式( 2 2 3 h 2 2 5 ) i ：1 算发送流个数s ； ( 6 ) 根据公式( 2 2 6 ) 、( 2 2 7 ) 计算系统可以达到的信道容量e ，并根据公式( 2 3 6 ) 得到比特分配发送方 案嘞( i 21 ，j = 1 ，) ： ( 7 ) 将当前帧得到的i t 、p 、v s 、嘞( f = 1 ，= l ，) 存储到缓存区用于下一帧的检测； 反馈信道： ( 8 ) 将r p 用公式( 2 3 9 ) 计算得到l h 与盯2 和嘞( i = 1 ，= l ，) 经过量化编码后送入反馈 信道，每帧反馈一次； 发送端： 1 4 第2 章m i m o - g m c 信道自适应传输方案 ( 9 ) 将信道反馈回来的嘞( i = 1 ，jj = 1 ，t ，) 直接送给编码，调制模块进行控制 ( 1 0 ) 根据反馈回来的r t 重建r r ，并对其进行特征值分解得到u t 和 q ； ( 1 1 ) 利用( 1 0 ) 得到的a t 以及信道反馈回来的噪声方差口2 ，根据公式( 2 2 0 ) - ( 2 2 2 ) 计算功率注水阵p ( 1 2 ) 利用( 1 0 ) 、( 1 1 ) 的结果，根据公式( 2 4 0 ) 计算线性预编码矩阵并用于发送控制。 2 3 信道自适应传输技术在m i m o - g m c 中的应用 “0 y i o 多 载 波 分 析 输出比特童1 子载波接收1 11 竺苎堡! ! 竺： 匝 自适应 控制参数 出比特确口 输出比特g i ， i 载波l 。村信递 l 统计参披 反馈信道l 一一一一 接收端白适应控制 图2 7 t 发送 r r 接收天线的m i m o g m c 传输框图 链珞自适应控错 m 1 m o 信道自适应特征模式闭环传输技术利用信道统计信息计算自适应控制参数，控制系统数 据传输。在宽带m i m o 系统中，不同频带上具有相同的信道统计信息，因此我们可以将此技术应用 到m i m o - g m c 宽带系统中。 假设m i m o - g m c 系统由吖路并行子载波组成，如图2 - 7 所示第m 个载波上的数据在插入导频 保护之后为v ( i ，m ) = n ( t ，m ) ，如( t ，m ) ，( t ，m ) ，其中m = l ，2 一，m o 则信号经过多载波合成 处理过后可以有如下的离散表示： _ ( ；) - 芝艺_ ( 以。) 2 f - 铡魂( ，一肼，。) ， 3 ) 其中净1 ，2 ，t ， ( ，。) ：p ( ，) 2 。卜竽泸，p ( o 是一个低通原型滤波器，：肼f 其中| ，为 不4 , tm 的整数，t 为