（通信与信息系统专业论文）mimo系统中关键技术研究.pdf

摘 要 摘要 随着实时多媒体通信、高速i n t e m e t 接入等无线数据业务的发展，提高通信 系统的速率和频谱利用率已成为急待解决的问题。在无线通信系统中，多输入多 输出( m u l t i i n p u ta n dm u l t i - o u t p u t ，m i m o ) 技术显著地提高信道容量而成为未来移 动通信系统的热点研究技术之。同时m i m o 技术是一项复杂的技术，其研究内 容包括了信道容量、空时编码、参数估计技术、检测技术等等。本文针对m i m o 系统的参数估计技术和信号检测技术做了深入研究，主要的研究内容和创新性成 果如下： 1 研究了相关m i m o 信道下的联合频偏和信道估计问题，由于m i m o 信道存在 不可避免的各种相关性，比如天线间的空域相关性和多径间的相关性，本文考虑 信道是频率选择性的且具有空域相关性和多径相关性。根据贝叶斯原理提出了一 种最大似然频偏估计器，推导了频偏估计的均值和方差，为了评估频偏估计器的 性能，进一步推导了频偏估计的克拉美罗下界( c r a m e r - r a ol o w e rb o u n d ，c r l b ) ， 证明了所提出的频偏估计器是渐近最优的。根据频偏估计值，推导了最小均方误 差信道估计器，分析了频偏估计误差对信道估计器的性能影响。 2 研究了m i m o 系统中存在定时误差下的联合频偏和信道估计问题。首先推导 了两个包含频偏和定时误差的等效系统模型，然后基于这两种系统模型提出了一 种联合定时误差、频偏和信道的估计方法。该估计方法包括两步：第一步是根据 第二个系统模型，推导了一种有效的最大似然频偏估计器：第二步是根据所获得 的频偏估计值，利用第一个系统模型，将定时误差和信道估计表示成一个复合假 设检验问题，然后再利用复合假设检验方法进行定时误差和信道估计。最后通过 仿真验证了所提出的联合估计方法的有效性。 3 研究了不同发送接收天线对之间存在不同频偏的m i m o 系统的联合频偏和信 道估计，给出了两种解决方法。一种是基于m u s i c 和m l 算法的估计方法，另 一种是基于粒子群优化的估计方法。在第一种方法中，首先使用m u s i c 方法估 计出多个发射天线到某一接收天线的频偏子集，然后利用最大似然方法在这个有 限子集中分离出不同天线对之间的频偏，最后在频率同步的基础上利用最大似然 估计器对信道增益进行估计。在第二种方法中，首先根据粒子群优化理论估计出 多个发射天线到某一接收天线的频偏，然后再利用最大似然估计器对信道增益进 行估计。分析和仿真表明，方法一是次优的，而方法二是渐近最优的。 i s n 国家重点实验室信息科学研究所宽带无线通信实验室 m i m o 系统中关键技术研究 4 研究了垂直分层空时系统( v e r t i c a lb e l l 1 a b sl a y e r e ds p a c e - t i m e ，v - b l a s t ) 中 信号检测问题，将离散粒子群优化( d i s c r e t ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，d p s o ) 算法应用到垂直分层空时系统的检测中，提出了一种离散粒子群检测算法。针对 d p s 0 检测算法有可能出现早熟现象：进一步提出了一种混合离散粒子群( h y b r i d d i s c r e t ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，h d p s o ) 检测算法。h d p s o 检测算法对 d p s o 检测算法的进化方程进行了重新设计，在搜索中以一定变异概率对选中的 粒子进行变异，进一步改善了d p s o 检测算法的性能。分析和仿真结果表明，所 提出的算法与最优检测算法相比有更低的计算复杂度，与次优检测算法相比具有 更好的误码率性能，为寻求新的v - b l a s t 系统检测算法提供了思路。 5 为了进一步改善混合离散粒子群检测算法的性能，在h d p s o 检测算法的基 础上，结合并行干扰抵消( p a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n , p i c ) 算法的快速局部 收敛的优点，设计了两种垂直分层空时系统检测方法。方法1 是使用h d p s o 作 为p i c 的初始阶段，给后面干扰抵消阶段的p i c 提供一个好的初始解，从而改善 p i c 算法的性能；方法2 是将p i c 嵌入到h d p s o 的每一代中，选用一部分或全 部粒子的位置矢量通过p i c 进行局部同步寻优更新，来进一步改善种群的适应度 值。将瑚) p s o 和p i c 的有机结合可以加快如) p s o 检测算法的收敛速度，并且 改善它的检测性能。 关键词：多输入多输出技术，频偏估计，信道估计，克拉美罗下界，垂直分层 空时系统，离散粒子群优化 i s n 国家重点实验室信息科学研究所宽带无线通信实验室 a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i i n p u ta n dm u l t i o u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tm e a n st o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fh i g h s p e e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，s u c ha sm u l t i - m e d i a c o m m u n i c a t i o n s a n dw i r e l e s si n t e m e ta c c e s s i ti sw e l lk n o w nt l l a to v e rm u l t i p a t h f a d i n gc h a n n e l s ，am i m os y s t e mh a sm u c hh i g h e r s p e c t r a le f f i c i e n c yt h a n a c o n v e n t i o n a ls i n g l e i n p u ta n ds i n g l e o u t p u t ( s i s o ) s y s t e m m i m ot e c h n o l o g yo f f e r s av a r i e t yo fr e s e a r c hf i e l d s ，i n c l u d i n gc h a n n e lc a p a c i t y , s p a c e t i m ec o d i n g ，p a r a m e t e r e s t i m a t i o n , s i g n a ld e t e c t i o n ，a n ds oo n n l i sd i s s e r t a t i o nd e a l s 谢t ht h ep r o b l e mo f p a r a m e t e re s t i m a t i o na n ds i g n a ld e t e c t i o n ，i t sm a i nc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s 1 n l cp r o b l e mo fj o i n tf r e q u e n c yo f f s e ta n dc h a n n e le s t i m a t i o ni ss t u d i e df o r c o r r e l a t e dm i m oc h a n n e l s 1 1 1 ec h a n n e l sa l ea s s u m e dt ob ef r e q u e n c y - s e l e c t i v ea n d b l o c kf a d i n gw i t hb o t hs p a t i a la n dm u l t i - p a t hc o r r e l a t i o n s am a x i i n u n l - l i k e l i h o o d ( m l ) f r e q u e n c yo f f s e t ( f o ) e s t i m a t o ri sp r o p o s e db yu s i n gt h eb a y e s i a na p p r o a c h n em e a na n dv a r i a n c eo ft h ef oe s t i m a t i o na r ed e r i v e d t oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c e o ft h ef 0e s t i m a t o r , i t sc r a m e r - r a ol o wb o u n d ( c r l b ) i sa l s od e v e l o p e d i ti ss h o w n t h a tt h ep r o p o s e df oe s t i m a t o ri sa s y m p t o t i c a l l yo 面m a l b a s e do nt h ef oe s t i m a t e ， w ed e r i v et h el i n e a rm i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ( l m m s e ) c h a n n e le s t i m a t o ra n d a n a l y t i c a l l yi n v e s t i g a t et h ee f f e c to ff r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o ne r r o ro nt h em e a n s q u a r ee r r o r ( m s e ) p e r f o r m a n c eo ft h ec h a n n e le s t i m a t o r 2 t h ep r o b l e mo f j o i n tf r e q u e n c yo f f s e ta n dc h a n n e le s t i m a t i o ni ss t u d i e df o rm i m o s y s t e m si nt h ep r e s e n c eo ft i m i n ge r r o r t w oe q u i v a l e n ts i g n a lm o d e l sw i t hf r e q u e n c y o f f s e ta n dt i m i n ge r r o ra r eg i v e n , a n dt h e naj o i n te s t i m a t i o nm e t h o di sd e r i v e d 功e p r o p o s e de s t i m a t i o nm e t h o dc o n s i s t so ft w os t e p s f i r s t l y , am ef r e q u e n c yo f f s e t e s t i m a t o ri sp r o p o s e db a s e do nt h es e c o n ds i g r l a lm o d e l s e c o n d l y , b a s e do nt h ef o e s t i m a t e ，w ef o r m u l a t et h et i m i n ge r r o ra n dc h a n n e le s t i m a t i o na sap r o b l e mo f c o m p o s i t eh y p o t h e s i st e s t i n ga c c o r d i n gt ot h ef i r s ts i g n a lm o d e l ，a n dt h e ns o l v et h e p r o b l e mb yt h ec o m p o s i t eh y p o t h e s i st e s t i n ga p p r o a c h e s s i m u l a t i o n r e s u l t sa r e p e r f o r m e dt os h o wt h ee f f e c t i v e n e s so f t h ep r o p o s e dm e t h o d 3 t h ep r o b l e mo ff r e q u e n c yo f f s e t sa n dc h a n n e le s t i m a t i o ni ss t u d i e df o ram i m o s y s t e mi nf l a t - f a d i n gc h a n n e l s ，w h e r et h ef r e q u e n c yo f f s e t sa r ep o s s i b l yd i f f e r e n tf o r i s n 国家重点实验室信息科学研究所宽带无线通信实验室 m i m o 系统中关键技术可f 究 e a c ht r a n s m i ta n t e n n ai sc o n s i d e r e d t w oe s t i m a t i o nm e t h o d sa r eg i v e n t h ef i r s to n ei s b a s e do nt h em u l t i p l es i g n a lc l a s s i f i c a t i o n ( m u s i c ) a n dt h e 儿a l g o r i t h m s n l i s e s t i m a t i o nm e t h o dh a st h r e es t e p s as u b s e to ff r e q u e n c yo f f s e t si sf i r s te s t i m a t e dw i t h t h em u s i ca l g o r i t h m t h e na l l 靠e q u e n c yo f f s e t si nt h es u b s e ta r ei d e n t i f i e dw i t ht h e m l a l g o r i t h m f i n a l l yc h a n n e lg a i n sa r ee s t i m a t e d 、析t 1 1t h em le s t i m a t o r t h es e c o n d o n ei sb a s e dt h ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o nt h e o r y t l l i se s t i m a t i o nm e t h o dh a st w o s t e p s f r e q u e n c yo f f s e t sa r ef i r s te s t i m a t e db yt h ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o nt h e o r y t h e nc h a n n e lg a i n sa r ee s t i m a t e d b yt h em le s t i m a t o r t h e o r e t i c a l + a n a l y s e sa n d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef i r s te s t i m a t i o nm e t h o di ss u b o p t i m a la n dt h a tt h e s e c o n do n ei sa s y m p t o t i c a l l yo p t i m a l 4 n l ep r o b l e mo fs i g n a ld e t e c t i o ni ss t u d i e df o rv e r t i c a lb e l l - l a b sl 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 m s f i r s t l y , ad i s c r e t ep a r t i c l e s w a r mo p t i m i z a t i o n ( d p s o ) d e t e c t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e db ya p p l y i n gd i s c r e t ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o nt ot h e s i g n a ld e t e c t i o no ft h ev - b l a s ts y s t e m s e c o n d l y , a i m i n ga ts o l v i n gt h ep r e m a t u r e c o n v e r g e n c ep r o b l e mi nd p s od e t e c t i o na l g o r i t h m , a n o t h e rd e t e c t i o na l g o r i t h m ， n a m e db yh y b r i dd i s c r e t ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( h d p s o ) d e t e c t i o na l g o r i t h m ， i sp r o p o s e d 啊1 eh d p s od e t e c t i o na l g o r i t h mc a l lb eo b t a i n e db yr e d e s i g n i n gt h e e v o l u t i o ne q u a t i o no ft h ed p s od e t e c t i o na l g o r i t h ma n di n t r o d u c i n gt h em u t a t i o n o p e r a t o ro ft h eg e n e t i ca l g o r i t h m , w h i c hi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ed p s o d e t e c t i o na l g o r i t h m a n a l y s e sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dd e t e c t i o n a l g o r i t h m sh a v el o w e rc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yt h a nt h eo p t i m a ld e t e c t i o na l g o r i t h m a n db e t t e rd e t e c t i o np e r f o r m a n c et h a nt h es u b o p t i m a ld e t e c t i o na l g o r i t h m s ，t of m da n e wm e t h o dt os o l v et h ed e t e c t i o np r o b l e mi nv - b l a s t s y s t e m s 5 i no r d e rt of u r t h e ri m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h eh d p s od e t e c t i o na l g o r i t h m ， t w od e t e c t i o n a p p r o a c h e s t h a t e m p l o y t h eh d p s oa n d p a r a l l e l i n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n ( p i c ) a l g o r i t h m si nv - b l a s ts y s t e ma r ep r o p o s e d o n eo fa p p r o a c h e si s t h a tt h eh d p s oa l g o r i t h mi su s e da st h ef i r s ts t a g eo ft h ep i ct op r o v i d eag o o di n i t i a l p o i n tf o rs u c c e s s i v es t a g e so ft h ep i c ，t h eo t h e ri st h a tp i ci se m b e d d e di n t ot h e h d p s oa l g o r i t h mt of u r t h e ri m p r o v et h ef i t n e s so ft h ep o p u l a t i o na te a c hg e n e r a t i o n s u c hah y b r i d i z a t i o no ft h eh d p s ow i t ht h ep i cc a ns p e e du pi t sc o n v e r g e n c e i n a d d i t i o n ，ab e t t e ri n i t i a ld a t ae s t i m a t es u p p l i e db yt h eh d p s oa l g o r i t h mi m p r o v e st h e p e r f o r m a n c eo ft h ep i c ，a n dt h ee m b e d d e dp i ci m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo ft h e h d p s o i s n 国家重点实验室信息科学研究所宽带无线通信实验室 a b s t r a c t k e y w o r d s ：m u l t i - i n p u ta n dm u l t i o u t p u t ，f r e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o n ，c h a n n e l e s t i m a t i o n ，c r a m e r - r a ol o w e rb o u n d ，v e r t i c a lb e l l l a b sl a y e r e ds p a c e - t i m es y s t e m s ， d i s c r e t ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n i s n 国家重点实验室信息科学研究所宽带无线通信实验室 缩略词 k 漱q 拭 b e r b l u e c d m a ( c ) f o c i r c g c p c r l b d o a d p s o e s p r i t f f t g l i 玎 h d p s o i b i i c i i f f t i s i l s l m m s e m o m l m l e m m s e m s e m u s i c o f d m 缩略词 a d d i t i v e t eg u a s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e b e s tl i n e a ru n b i a s e de s t i m a t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( c a r r i e r ) f r e q u e n c yo f f s e t c h a n n e li m p u l s er e s p o n s e c h a n n e lg a i n c y c l i cp r e f i x c r a m e r - r a ol o w e rb o u n d d i r e c t i o no f a r r i v a l d i s c r e t ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n e s t i m a t i n gs i g n a lp a r a m e t e r sv i a r o t a t i o n a li n v a r i a n c et e c h n i q u e s f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m g e n e r a l i z e dl i k e l i h o o dr a t i ot e s t h y b r i dd i s c r e t ep a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o n i n t e r - b l o c ki n t e r f e r e n c e i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r n l i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e l e a s ts q u a r e l i n e a rm i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r 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 a x i m u ml i k e l i h o o d m a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o n m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r m e a ns q u a r ee r r o r m u l t i p l es i g n a lc l a s s i f i c a t i o n 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 附加白高斯噪声 误比特率 最佳线性无偏估计 码分多址 ( 载波) 频率偏差 信道脉冲响应 信道增益 循环前缀 克拉美罗下界 波达方向 离散粒子群优化 借助于旋转不变技术估 计信号参数 快速傅立叶变换 广义似然比检测 混合离散粒子群优化 块间干扰 载波间干扰 快速傅立叶逆变换 码间干扰 最d x - - 乘 线性最小均方误差 多输入多输出 最大似然 最大似然估计 最小均方误差 均方误差 多重信号分类 正交频分复用 i s n 国家重点实验室信息科学研究所宽带无线通信实验室 m i m o 系统中关键技术研究 0 f d m a o s i c o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e 正交频分多址接入 a c c e s s o r d e r e ds u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c e排序连续干扰抵消 c a n c e l l a t i o n p a p r p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o 峰平比 p i cp a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n并行干扰抵消 p s op a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n粒子群优化 q h mq u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n 正交幅度调制 q p s kq u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g 四相移键控 s i s o s i n g l e i n p u ta n ds i g n l e - o u t p u t 单输入单输出 s n r s i g n a lt on o i s er a t i o 信噪比 s t c s p a c e - t i m ec o d i n g 空时编码 t s t r a i n i n gs e q u e n c e 训练序列 u l a u n i f o r ml i n e a ra r r a y等距线阵 v - b l a s tv e r t i c a lb e l l l a b sl a y e r e ds p a c e t i m e垂直分层空时 z f z e r o f o r c i n g 迫零 i s n 国家重点实验室信息科学研究所宽带无线通信实验室 符号定义 a , b ( 斜体) x ，x ( 粗黑体) ( ) ( ) 7 ( ) 日 ( ) 。1 r e ( ) i m ( ) 仃( ) e ( ) 1 i i o 圆 d i a g ( ) a n g l e ( ) m a x ( ) m i n ( ) a r g m a x ( ) a r g m i n ( ) i ， n ( u ，q ) c n ( u ，q ) 符号定义 标量 矩阵、向量 共轭 转置 共轭转置 矩阵的逆 实部 虚部 矩阵的迹 数学期望 矩阵的f r e b i o u n s 范数 矩阵的s c h u r 乘 矩阵的k r o n e c k e r 积 ( 块) 对角阵 求幅角 最大值 最小值 最大值对应的自变量值 最小值对应的自变量值 n x n 的单位阵 均值为u ，协方差矩阵为q 的高斯向量 均值为u ，协方差矩阵为q 的循环对称复高斯向量 i s n 国家重点实验室信息科学研究所宽带无线通信实验室 创新性声明 本人声明所呈交的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，除了文中加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安电子科技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 文中做了明确的说明并表示了谢意。 乒j 本人签名： 骂3 翌 日期：兰! 塑：! 兰：兰兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文，学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规 定) 本人签名： 导师签名： 日期：型帅夕 日期：超呈! ! 兰：型： 第一章绪论 第一章绪论 表章主要介绍了移动通信的研究现状，讨论了宽带无线通信领域研究过程中 所涉_ 轭的关键技术最后，简要地回顾了博士期间的工作及研完成果 ll 移动通信的研究现状 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，今后甚至会更快j 。与此同时，因特网不论是技术还是 业务也以空前的速度向前发展。随着便携式微机、掌上电脑、智能手机以及个人 数字助理等的普及，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b t n 撕1 到进行网络浏览、获取 多媒体信息及其他多种服务。因此，结合无线通信、计算机和因特网【m i ，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。图 l1 显示了现代移动通信系统的演进过程以及未来移动通信系统的发展趋势。 圈l1 移动通信技术演进路线 i s n 国家重点实验室信息科学研究所宽带无线通信实验室 黜 爨 港爵 2 m i m o 系统中关键技术研究 1 9 7 8 年，美国芝加哥开通第一台模拟移动电话，标志着第一代移动通信( 1 g ) 的诞生。第一代移动通信只能提供模拟话音业务。9 0 年代是第二代移动通信发展 的蓬勃时期，目前得到广泛应用的第二代移动通信系统主要有g s m 系统、i s 1 3 6 t d m a 系统以及i s 9 5c d m a 系统【6 】。它实现了话音的数字化，并用时分多址替 代频分多址接入方式，大幅度增加了系统的用户容量。但即便如此，g s m 系统也 仅能提供2 4 9 6 k b p s 甚至1 4 4 k b p s 的电路交换语音业务以及通过g p r s 和e d g e 分别提供1 4 4 k b p s 和3 8 4 k b p s 的分组交换数据业务；i s 1 3 6 系统能提供9 6 k b p s 的电路交换语音和传真业务，其最高数据传输速率可达4 0 6 0 k b p s 。i s 9 5 系统能 够提供可变速率接入，其峰值速率分别可以达到9 6 k b p s 和1 4 4 k b p s ，还可以通 过使用蜂窝分组数据网络( c d p d ) 来提供1 9 2 k b p s 的数据业务。显然，第二代 移动通信系统还不能满足用户日益增长的对全多媒体业务的需要。 目前，第三代移动通信系统( 3 g ) 主要有欧洲的w c d m a 、北美的e d m a 2 0 0 0 以及中国的t d s c d m a 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。i n t e m e t 业务的日益普及，促使移动通信技术向全i p 方 向发展【| 刀。目前3 g p p 和3 g p p 2 等标准化组织制定了基于全i p 的第三代移动通信 增强型体制标准。比如3 g p p 2 提出了能够支持高速分组业务( 峰值速率为 4 5 m b p s ) 的c d m a 2 0 0 0 1 x e v 标准，3 g p p 也制定了称为h s d p a 的增强型第三 代移动通信标准，其分组业务峰值传输速率可达到8 m b p s 以上【8 】。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，人们已经开始研究下一代移动通信系 统( b e y o n d3 g 4 g ) 9 - 1 s 】。如果说从1 g 到2 g 是从模拟到数字的变革，2 g 到3 g 仅仅是一次平滑过渡，而将来从3 g 到b 3 g 4 g 的发展则是一次基于新技术的飞 跃。b 3 g 技术的研究从2 0 世纪末3 g 技术完成标准化之时就开始了。2 0 0 6 年， i t u r 正式将b 3 g 技术命名为i m t - a d v a n c e d 技术( 3 g 技术名为i m t - 2 0 0 0 ) 。根 据原定的工作计划，i m t - a d v a n c e d 的标准化已经“近在眼前”。i t u r 将在2 0 0 8 年2 月向各国发出通函，向各国和各标准化组织征集i m t - a d v a n e e d 技术提案。 对于b 3 g 的标准，欧洲、北美、东亚地区的政府和研究机构，以及诺基亚、爱立 信、摩托罗拉、朗讯、n t td o c o m o 等企业表现非常积极。为了共同推动b 3 g 技术和标准的发展，各方也组织了如w w r f ，r r d t f 、s d r 、m v c e 等多个论 坛和联合体。b 3 g 技术需要实现更高的数据率和更大的系统容量，目标峰值速率 为：低速移动、热点覆盖场景下1 g b p s 以上；高速移动、广域覆盖场景下1 0 0 m b p s i s n 国家重点实验室信息科学研究所宽带无线通信实验室 第一章绪论 3 以上，支持的业务从语音到多媒体业务， 手机不再是传统功能上的打电话的工具， 包括实时地流媒体业务。因此在未来， 而是变成掌上电脑，可以实现无线高速 上网、看电视等多种媒体服务。近年来国际上针对b 3 g 的研究已经取得了一系列 重要的进展。日本n t t d o c o m o 公司已经通过多天线m i m o 技术在1 0 0 m h z 带 宽下分别验证了1 g b p s ( 室外试验) 和5 g b p s 的峰值传输速率，在硬件实现方面 处于世界领先位置。欧盟第6 框架研究项目w i n n e r 自2 0 0 4 年启动以来，吸引 了欧洲各主要通信设备商。第一阶段( p h a s ei ) 己于2 0 0 5 年底完成，就各种b 3 g 关键技术进行了广泛的调研，形成了系统化的研究结论；第二阶段。( p h a s ei i ) 已于2 0 0 7 年底完成，进行了系统设计和性能评估，形成完善的技术方案；2 0 0 8 年开始的第三阶段( p h a s e ) 主要进行演示系统的开发和实验。中国在成功推 出t d s c d m a 第三代移动通信技术标准后，于2 0 0 2 年也正式启动了开发新一 代无线移动通信系统的步伐。中国科学技术部已经在国家“8 6 3 ”计划中将b 3 g 的 研究作为战略研究重点领域之一，称为f u t u r e 计划。经过五年的努力，我国在 b 3 g 蜂窝移动通信网络实验系统研发方面取得了突破，形成了以协同分布式无线 电蜂窝构架、g m c o f d m 多址技术、i d m a 小区配置技术、u m i m o 多天线环 境自适应技术、快速天线选择技术等为主体的技术创新框架；完成了具有b 3 g 移 动通信系统基本技术特征的f d d t d d 实验系统的研制开发；实现了在移动环境 下支持峰值速率为1 0 0 m b p s 的无线传输及高清晰图像业务演示等功能。它的突破 为新一代宽带移动通信的长远发展奠定了坚实的基础，并将进一步带动包括 t d s c d m a 在内的3 g 技术的发展。 1 2b 3 g 物理层关键技术 近年来，人们对实现b 3 g 的物理层关键技术进行了大量的研究，并取得了初 步的成果。研究的热点技术包括软件无线电技术、正交频分复用( o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术、多输入多输出( m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 天线系统等。 1 2 1 软件无线电技术 软件无线电的核心思想【1 6 1 是在尽可能靠近天线的地方使用宽带a i ) 和d a 变换器，将尽可能多的无线电台的功能用软件定义。它的出现使通信终端大大减 小对硬件的要求，可以使相同的终端在不同的通信系统中使用。软件无线电技术 i s n 国家重点实验室信息科学研究所宽带无线通信实验室 4 m i m o 系统中关键技术研究 被认为是可以将不同形式的通信技术联系到一起的最有效技术。软件无线电技术 能够将模拟信号的数字化过程尽可能地接近天线，即将a d 和d a 变换转换器尽 可能地靠近射频前端，利用软件无线电技术进行信道分离、调制解调和信道编码 等工作。软件无线电技术旨在建立一个无线电通用平台，在平台上运行各种软件 系统，以实现多通道、多层次和多模式的无限通信。因此应用软件无线电技术， 一个移动终端可以实现其在不同系统和平台之间畅通无阻的使用。 在b 3 g 移动通信系统中，软件无线电技术是底层系统实现的基础，是通向未 来b 3 g 的桥梁。由于各种技术的交迭有利于减少开发的风险，所以未来的b 3 g 系统需要适应不同种类产品的要求。而软件无线电技术则是适应产品多样性的基 础，它可以解决多种通信体制并存、各种标准层出不穷和频率资源缺乏的问题， 不仅能减少开发风险，还更易于开发系列型产品。 进入2 1 世纪，随着无线通信技术的发展，目前的无线服务重点已向无线 i n t e m e t ，多媒体通信等需要较宽频谱和较高下载速率的服务转移，而频谱的缺乏 已成为高性能数据服务的严重阻碍。在很多发达国家，大量的可用频谱已被分配。 尽管如此，美国联邦通信委员会( f c c ) 频谱策略任务工