（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统中的cqi无损压缩算法研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科：工科 专业：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 7 级研究生渣县指导教师：塞苤友教授 题目：m i m o o f d m 系统中的c q i 无损压缩算法研究 英文题目：s t u d yo fc q il o 鼹l e 鼹c o m p r e s s i o na l g o r i t h m i n m i m o - o f d ms y s t e m 关键词：正交频分复用多输入多输出信道质量信息比特分配无损压缩 k e y w o r d s ：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 e x i n g ( o f d m ) m u l t 巾l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m r m o ) c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t i o n ( c q i ) b i ta l l o c a t i o n l o s s l e s sc o m p r e s s i o n 随着无线通信的发展，研究多载波调制以满足高速传输显得很有必要。多载波调制将 频率选择性衰落信道转变为平坦衰落子信道的集合，这有效补偿了信道失真。本文采用自 适应多载波调制调整子载波参数( l - t ；特分配信息和功率分配信息) 以提高频谱利用率。为了 实现自适应调制，发送端必须在所有时间知道用户的信道质量信息。然而，如果每个用户 估计并反馈其瞬时信道质量，反馈开销很大，自适应调制可能得不偿失。尤其在频率选择 性衰落信道下的正交频分复用系统中，反馈量与子载波数成正比，反馈开销更大。因此， 研究信道质量信息的压缩反馈技术很有必要。 本文重点研究o f d m 和m i m o o f d m 系统中的无损压缩反馈技术，在原有游程编码、 h u f f m a n 编码和l z w 编码无损压缩算法的基础上，提出门限误码率反馈法降低反馈传输 次数，结合游程编码、h u f f m a n 编码和l z w 编码等无损压缩反馈比特分配和功率分配信 息仿真结果表明：这大大降低了反馈量，面且h u f f m a n 编码无损压缩反馈效果最佳。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o n ，i ti sn e c e s s a r yt od o r e s e a r c ho nm u l t i e a r r i e rm o d u l a t i o nf o rh i 曲s p e e dt r a n s m i 豁i o n m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n t r a n s f o r m st h ef r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e li n t oac o l l e c t i o no ff l a tf a d i n gs u b c h a n n e l s a s am s d t ，i tm a k e si te a s i e rt oc o m p e n s a t ef o rt h ec h a n n e ld i s t o r t i o n t h i st h e s i sc o n c e n t r a t e so n m o d i f y i n gs u b e a r r i e rp a r a m e t e r ss u c ha sb i ta n de n e r g ya l l o c a t i o ni n f o r m a t i o nf o ra d a p t i v e m u l t i c a r d e rm o d u l a t i o nt e c h n i q u et oi m p r o v es p e c t r u mu s a g e i ti sn e c e s s a r yf o rt r a n s m i t t e rt o g e tt h ec h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t i o n ( c q i ) o fa l lu s e r si na l lt i m ef o rt h ea d a p t i v em o d u l a t i o n c e d i n g h o w e v e r , i tm a k e st h ea m o u n to ff e e d b a c ki n f o r m a t i o nv e r yl a r g ei fb a s es t a t i o n sg e t a n df e e d b a c ka l lt h eu s e r s i n s t a n t a n e o u sc q i ，b u ti ts e e m s u n a c c e p t a b l e e s p e c i a l l yi n f r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e li no 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 e x i n g ( o f d m ) s y s t e m , t h ea 咖吼蛾o ff e e d b a c ki n f o r m a t i o ni sp r o l m m o n a lt ot h en u m b e ro fs u b e a r r i c m , i nt h i s s i t u a t i o n , i tm a k e st h ef e e d b a c ko v e r h e a de 啪l a r g e f o rt h i sp u r p o s e ，i ti sn e c e s s a r yt od o r e s e a r c ho nf e e d b a c ke o 惆o n t e c h n i q u e so fc q l t h i st h e s i se m p t m e s0 1 1t h el o s s l e s sf e e d b a c kc o m p r e s s i o nt e c h n i q u e si no f d ma n d m i m o - o f d ms y s t e m b a s e do nt h el o s s l e s sc e m p r e s s i o na l g o r i t h m ，i tp r o p o s e st h et h r e s h o l d b i te r r o rr a t e ( b e r ) f e e d b a c ks c h e m et od e c i d ew h e t h e ri tn e e dt of e e d b a c kc q i b e s i d e st h i s ， i t c o m p r e s s e st h ef e e d b a c ki n f o r m a t i o ns u c ha sb i ta n de n e r g ya l l o c a t i o ni n f o r m a t i o nw i t h d i f f e r e n tl o s s l e s sc o m p r e s s i o na l g o r i t h ms u c ha sr u n - l e n g t hc o d i n g ，h u f f m a nc o d i n ga n dl z w c o d i n g a f t e rs i m u l a t i n gt h es y s t e mp e r f o r m a n c ei nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，i tp r o v e st h a ti tw o r k s w e l la n dh u f f m a nc e d i n gi st h eb e s tc h o i c e n 南京邮电大学硕： 研究生学位论文 目录 目录 摘| 要i a b s t r a c t i i 目录。i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 本文的主要工作内容5 i 3 本文的组织结构。5 第二章无线衰落信道6 2 1 无线信道的特点6 2 1 1 慢衰落6 2 1 2 快衰落6 2 2 信道衰落模型7 2 2 1 瑞利分布8 2 2 2 莱斯分布9 2 2 3n a k a g a m i - m 分彳旨。1 0 2 3 本章小结l l 第三章m i m o - o f d m 基本原理1 ：i 3 1m i m o 技术1 3 3 1 1m i m o 基本原理1 3 3 1 2m i m o 系统模型1 5 3 2o f d m 技术16 3 2 1o f d m 基本原理l7 3 2 2o f d m 技术特点2 2 3 3m i m o 与o f d m 的结合2 3 3 4 本章小结2 4 第四章自适应调制与反馈算法2 5 4 1 信道估计2 5 4 1 1 信道估计原理。2 5 4 1 2 基于导频的信道估计2 6 4 1 3 基于循环前缀的信道估计2 8 4 2 自适应调制2 9 4 2 1 自适应比特分配算法2 9 4 3 反馈算法3 2 4 3 1 量化反馈法3 2 4 3 2 选择反馈法3 3 4 3 3 数据压缩反馈法3 3 4 4 本章小结3 6 第五章m i m o o f d m 系统无损压缩反馈法3 7 i i i 5 2 系统仿真。? ： 5 3 本章小结 第六章结束语”：一 6 1 论文工作总结”： 6 2 展望。 致谢 英文缩略语一 “ 气 参考文献一 作者攻读硕士学位期间发表的论文 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着物理科学和材料科学的飞速发展，移动通信技术也得到了长足的发展。 第一代移动通信系统( 1 s tg e n e r a t i o n ，i g ) 和第二代移动通信系统( 2 n dg e n e r a t i o n ，2 g ) 为人们的生活提供了极大的方便，但随着人们对生活质量要求的不断提高，已不能满足人 们的现实需要。即将投入运营的第三代移动通信系统( 3 r dg e n e r a t i o n ，3 g ) 和未来的第 四代移动通信系统( 4 t hg e n e r a t i o n ，4 g ) 除了提供电话业务，还要为高速移动的用户提 供宽带数据接入服务，如高速率的宽带多媒体业务、高质量的话音、分组数据业务以及视 频传输等。未来无线通信有宽带、移动和多业务的特点，要宽带无线传输信息，必须高效 综合利用系统的空间、时间、频率和功率等资源，使系统用户容量更大、传输速率更大、 可靠性更高。 1 1 研究背景 从第一代蜂窝系统算起，移动通信已发展到第三代以及全m 的超三代( b e y o n d3 g ， b 3 g ) 1 1 1 1 2 1 。 第一代移动通信系统主要传输模拟话音信息，提供基本的移动性支持。代表性系统： 先进移动电话系统( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ，a m p s ) 、北欧移动电话系统( n o r d i c m 0 b n et e l e p h o n es y s t e m ，n m t ) 、全接入通信系统( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， 1 = 解s ) 等，但各国规范互不兼容。第一代移动通信系统需解决系统的兼容性、容量、覆 盖和传输质量等问题。 第二代移动通信系统主要强调网络的兼容性，话音业务仍是主要业务，但也加入数据 业务和补充业务。代表性系统：全球移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，g s m ) 、数字先进移动电话系统( d i g i t a l a m p s ，d a m p s ) 、个人数字蜂 窝系统( p e r s o n a ld i s t a lc e l l u l a rs y s t e m ，p d c ) 、码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ， c d m a ) ，2 g 提供9 6 k b p s 的低速话音业务。2 5 代的通用分组无线服务( g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ，g p r s ) 和增强数据速率g s m 演进( e n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg s m e v o l u t i o n ，e d g e ) 系统增强了分组数据业务的传输能力，最大传输速率提高到1 6 0 k b p s 和3 8 4 k b p s ，移动用户获得更多的无线数据服务。随着移动通信、数据通信和i n t e m e t 飞 速发展与日益融合，对服务的需求不断增长，亟需研究出更大带宽、更大容量和更灵活服 一一 南京邮电大学堡主翌壅竺兰竺笙兰 堑二兰竺笙 - _ _ - _ _ - _ - _ - _ _ - - _ l _ _ - _ - _ _ - _ _ i - l _ _ - _ i _ _ - _ _ - _ _ _ i - _ - - _ - 一一一 务的第三代移动通信系统。 3 g 的主要特点： 全球普及和全球无缝漫游系统。2 g 一般为区域或国家标准，而3 g 覆盖全球，使用共 同的频段，统一标准。 支持多媒体业务。支持话音、分组数据等多媒体业务；根据需要提供带宽。i t u 规定 的3 g 无线传输技术的满足以下最低要求： 1 快速移动环境中，最高速率达1 4 4 k b p s 。 2 室外到室内或步行环境中，最高速率达3 8 4 k b p s 。 3 室内环境中，最高速率达2 m b p s 。 易于过渡、演进。引入3 g 时，2 g 已有相当规模，故3 g 网络需在2 g 网络基础上演 进，与固定网兼容。 高频谱效率。频谱利用率更高、系统容量更大。 高服务质量。与固定网络通信质量相比拟的高质量业务要求。 低成本设备和服务成本较低。 高保密性。 与2 1 3 系统相比，3 g 系统的速度和质量有很大提高，支持多媒体和i p 业务。然而 3 1 3 有一些问题：主流3 g 标准采用c d m a 技术，功率和频谱扩展受限，难以达到预想的 频谱效率；3 g 的语音交换承袭了2 g 的电路交换，传输效率不佳；数据传输率不高，不 能满足用户的需求，未达到人们对3 g 的期望等。于是就有了超3 g 或第四代移动通信的 研究。 4 g 实际上就是i t u 提出的超3 g ( b e y o n d3 r dg e n e r a t i o n ，b 3 g ) ，b 3 g 的系统要 求主要包括： 更高的数据率和系统容量。高速移动用户( 2 5 0 k m h ) ，数据速率不低于2 m b p s ；中速 移动用户( 6 0 k m h ) ，数据速率不低于2 0 m b p s ；低速移动用户( 室内或步行) ，数据速率 不低于1 0 0 m b p s 。b 3 g 的系统容量至少是3 g 的1 0 倍。 更加平滑的兼容性。接口开放、与多种网络互连、网间无缝切换、终端多样化及从现 有网络平稳过渡等特点。 高度智能化的网络。以分组交换为基础，构成高度自治、自适应的网络结构，满足不 同环境、用户的通信需求。 业务的多样性和自适应性。广泛的业务功能，根据业务流量大小自适应分配资源。 移动通信系统面临以下的技术挑战： 2 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第一章绪论 复杂的电波传播条件。移动体在各种环境中运动，会反射、折射、绕射电磁波，产生 多普勒效应，多径干扰、信号传播延迟和展宽等效应。 无线媒质的开放性。受噪声和干扰的影响，如城市中汽车火花噪声、工业噪声，会产 ? 、 生用户问的互调干扰、邻道干扰、同频干扰等。 有限的频带资源。无线电频谱是宝贵资源，随着移动通信的飞速发展，有限的频谱资 源和急剧增加的移动用户之间的矛盾越来越尖锐，出现“频谱严重短缺 现象。 受限的信号发射功率。从延长电池寿命、绿色环保、设备成本的角度而言，发射机功 率受限，需要功率控制技术。 表1 1 第一代到第四代移动通信系统的基本技术参数 i g2 g3 gb 3 g ，4 g 高速数据、多媒体更高数据速率、 数字语音、 业务模拟语音多媒体、 低速数据 全i p 多址方式f 】) m a c d m a ，t d m a c d m a , t d m ac d m a ，o f d m a 主要频段 8 0 0 m 旧z8 0 0 + 1 9 0 0 z2 g h z2 g h z + 5 g h z g s m ,w c d m a ， 代应川慨t a c si s - 9 5 ,c d m a 2 0 0 0 ,单一的融合标准 p h st d - s c d m a 数据速率 1 9 k b p s 14 4 k b p s 2 m b p s1 0 0 m b p s 核心网 p s t np s t n 分组网分组网 表1 1 给出1 g 到4 g 的主要技术参数。为解决以上问题，人们寻求更智能的物理层信号 处理技术，如多载波调制技术【3 】，多天线技术【4 1 ，动态资源分配【5 1 及自适应调制等技术。数 字通信系统中，多载波调制将高速数据流分解为低速数据流的集合。从时域来看，高速宽 带系统分解为低速窄带系统的集合；从频域来看，将频率选择性衰落信道转变为并行平坦 衰落子信道的集合。正交频分复用( 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 r i p l e x i n g ，o f d m ) 是一种特殊的多载波调制，子信道在频谱上重叠，但o f d m 系统的正交性，接收端可无差 别提取数据，因此o f d m 系统的频谱利用率高。传统多载波调制中，子载波采用相同的调 制方式，系统性能不高。自适应o f d m 技术可以满足高速无线通信的需求，但收发端需获 得c q i 并协调子载波的调制方式。作为信道质量信息( c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t i o n ，c q i ) 的 一部分，比特分配信息即子载波调制方式，功率分配信息即子载波传输新的比特所需额外功 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 率。传输功率恒定条件下，信道质量差时无需反馈调制信息；信道质量高时高阶调制以提 高系统性能。 t 自适应技术是未来宽带无线系统中提高频谱效率的关键技术之一，前提是接收端估计 信道质量反馈给发送端，发送端根据c q i 选择传输模式。传统的无线通信系统设计着眼 点往往是“点对点 通信，并且是面向对时延要求严格的语音通信，目标是使信道尽可能 恒定，接近加性白高斯噪声( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a n n o i s e ，a w g n ) 信道，采用空间、 时间、频率和宏分集等技术，以及干扰平均技术( 如c d m a 系统的功率控制和扩频技术， o f d m 系统中的跳频技术等) 。信息论研究证明：如果收发端均知道c q i ，可用注水法( 即 信道质量较好时分配较多功率，信道较差时分配较少功率或不分配功率) 提高衰落信道容 量，但只有在低信噪比条件下，衰落信道容量才高于a w g n 信道容量。若着眼点从“点 对点一通信转向多用户系统的“点对多点通信，情况会发生很大的变化。信息论分析证 明：如果多用户的信道衰落相互独立，且某时刻只服务最好信道的用户，可最大化系统吞 吐量，系统总容量与用户数成正比。这种动态时分多址( d y n a m i ct d m a ，d t d m a ) 思 想已在c d m a 2 0 0 01 xe v - d o 下行链路中实现。 以上用户选择的过程称为调度。多天线多用户系统中，可用空分多址技术同时选择多 个用户，最大化系统吞吐量。通过基站预编码( 如污纸编码、迫零波束成形等) 完成下行 链路空分多址接入( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea e 鹦，s d m a ) ，时分双工系统中，接收端 反馈c q i 。采用码本的有限反馈技术可降低c q i 反馈量，已被相关标准采纳，如3 g p p r e l e a s e 9 9 、i e e e 8 0 2 1 i n 、i e e e 8 0 2 1 6 e 、3 g p p 陇等。用户数大于基站天线数时，尽管 依靠发送端的信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na tt h et r a n s m i t t e r , c s i t ) 可生成正 交波束实现部分用户的空分多址，但无法选择最佳用户最大化吞吐量。要最优的多用户调 度，基站需获得c q i 。时分双工( t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g ，t d d ) 系统中，上下行链 路的干扰和噪声并不对称，为了最大化吞吐量，c q i 反馈不可避免。此外，选择调制方式 也依赖c q i 。 综上所述，为了多用户调度和自适应调制编码，发送端需在所有时间知道所有用户的 信道质量。但若每个用户估计其瞬时信道质量反馈给基站，反馈量很大，自适应传输可能 得不偿失。尤其在频率选择性信道下的o f d m 系统中，反馈量与子载波数成正比，消 耗系统带宽并降低了系统吞吐量。自适应o f d m 和m i m o o f d m 系统中，有效反馈c q i 和信令传输信息至关重要。 近年来，有限反馈技术受到广泛关注。c q i 的压缩反馈技术大致可分为三类：量化法， 即对实值信号干扰噪声比( s i g n a lt on o i s ep l u si n t e r f e r e n c er a t i o ，s 1 n r ) 量化；选择反馈 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 法，最多可将反馈量降低到原来的1 0 ；数据压缩法分为无损压缩法和有损压缩法。本 文重点研究无损压缩法降低c q i 反馈量，提高系统性能。 1 2 本文的主要工作内容 本文重点研究o f d m 和m i m o o f d m 系统中的无损压缩反馈技术，在原有游程编码、 h u f f m a n 编码和l z w 编码无损压缩算法的基础上，提出门限误码率反馈法降低反馈传输 次数，结合游程编码、h u f f m a n 编码和l z w 编码等无损压缩反馈比特分配和功率分配信 息。仿真结果表明：这大大降低了反馈量，而且h u f f m a n 编码无损压缩反馈效果最佳。 1 3 本文的组织结构 本文主要研究自适应o f d m 和m i m o o f d m 系统中无损压缩反馈技术。 第一章介绍移动通信发展和压缩反馈的现状。 第二章介绍无线信道的传输特点与常用模型。 第三章介绍多输入多输出( 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 ) 和o f d m 基本 原理。 第四章讨论信道估计、自适应调制和反馈算法 第五章研究并仿真o f d m 和m i m o o f d m 系统下的无损压缩反馈。 第六章总结论文，指出下一步研究方向。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 一一一一 第二章无线衰落信道 2 1 无线信道的特点 第二章无线衰落信道 无线传输过程中，电磁波经过反射、衍射和散射到达接收端。接收信号是经过不同传 输路径到达接收端的所有信号的叠加，电磁波不仅幅度衰减和相位偏移不同，而且到达时 间也不同，接收信号呈现出移动通信特有的衰落特性。根据信号强度衰落的快慢，衰落分 为慢衰落和快衰落【1 1 。 2 1 1 慢衰落 接收信号强度随距离缓慢变化，称为慢衰落。变化的主要原因：一是地理位置的改变； 二是气象条件的变化。电磁波在传播路径上遇到障碍物会产生电磁场的阴影区，移动台通 过阴影区会引起中值变化，因此也称阴影衰落。慢衰落信号变化幅度取决于障碍物状况、 工作频率、变化速率、障碍物和移动台移动速度。慢衰落信号强度近似服从对数正态分布： m = 去一一矿 ( 2 1 ) 口为信号幅度的均值。移动台和基站的距离为d ，传播路径损耗可表示为： l ( d ，f ) = d 一1 0 1 0( 2 2 ) 刀为路径损耗因子，f 为慢衰落产生的对数( d b ) 损耗，服从零均值和标准偏差o r 的对 数正态分布。式( 2 2 ) 用( 1 b 表示为： ( d b ) = 1 0 1 9 d + g ( 2 3 ) 2 1 2 快衰落 接收信号强度快速、大幅度的周期性变化，称为多径快衰落，统计表明：障碍物均匀 分布的城市街道或森林中，信号包络近似服从瑞利分布，多径快衰落又称为瑞利衰落。快 衰落的幅度变化与地形有关，可达1 0 d b 3 0 d b ，衰落速度与移动台移动速度有关。如： 车速4 0 k m h ，电磁波频率为8 0 0 m h z 时，衰落速度可达3 o 次秒。没有直达路径的情 况下，快衰落服从瑞利分布；有直达路径的情况下( 有一径信号强度明显高于其他各径) ， 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线衰落信道 快衰落服从莱斯分布。快衰落产生原因有两个：多径效应和多普勒频移。 多径效应 移动台周围的散射体引起的多径传播效应称为多径敏应。信号到达接收端经历不同的 传播损耗和衰落，各径信号均不相同。从空间角度来看，沿移动台的移动方向，接收信号 幅度随距离变化而衰落，幅度变化反映了地形起伏引起的衰落和空间扩散的损耗。从时域 角度来看，各径长度不同，信号到达时间不同，即从基站发送脉冲信号，接收信号中不仅 包含该脉冲信号，还包含它的各个时延信号。由多径效应引起的接收信号脉冲宽度扩展的 现象，称为时延扩展。可用第一径信号至最后一径信号间的时间衡量时间扩展；时延扩展 会引起码间串扰，严重影响数字信号的传输质量。 多普勒频移 多径条件下，移动台的运动速度和方向引起信号频谱展宽的现象称为多普勒效应。多 普勒效应引起的附加频移称为多普勒频移，可表示为： 厶=cos口(2-4) 口是入射电磁波与移动台运动方向的夹角，p 是移动台运动速度，2 是波长，五= p ，2 称为最大多普勒频移 快衰落分为三类：时间选择性衰落、频率选择性衰落和空间选择性衰落。选择性是指 在不同时间、不同频率和不同空间，其衰落特性不同。实际移动通信中，三类选择性衰落 都存在，按产生条件选择性衰落分为三类： 第一类多径干扰。移动台附近物体的反射形成的干扰信号，信号在频域上多普勒频移 引起时间选择性衰落。 第二类多径干扰。山丘或高大建筑物反射形成的干扰信号，信号在时域和空间上弥散， 引起频率选择性衰落和空间选择性衰落。 第三类多径干扰。基站附近的建筑物和其它物体反射形成的干扰信号，严重影响了到 达天线的信号入射角分布，引起空间选择性衰落。 综上所述，快衰落和慢衰落是由独立的原因形成。快衰落是信号强度瞬时值的快速变 化，慢衰落是信号中值的缓慢变化，这构成接收信号不稳定因素。无线信道衰落对信号的 不利影响需采取相关措施降低或消除，而有利影响要加以利用。 2 2 信道衰落模型 下面简单介绍几种常见的信道衰落模型。根据不同的无线环境，接收信号的包络服从 7 三为多径数；4 为第涤路径的信号幅度：乃为第f 条路径相对第一条路径( v - - o ) 的时 延：谚代表第涤路径的信号相位。假设发射端和接收端之间没有直射路径，存在大量反 射波，到达接收天线方向角在【o ，2 万】均匀分布；反射波的幅度和相位统计独立，则接收 信号包络厂服从瑞利分布： p = 孝州一刍( ， o ) 仃2 为，的方差。瑞利分布的概率密度函数如图2 - i 。 8 ( 2 - 6 ) 2 2 2 莱斯分布 图2 - 1 瑞利分布的概率密度函数示意图 接收信号中有直射信号时，视距信号为接收信号主分量，还有不同角度随机到达的多 径分量叠加在主分量上，接收信号包络厂服从莱斯分布： p 寺e x p ( 一销i 。学( a o r 0 ) ( 2 7 ) 仃z 为，的方差，a 为主分量的峰值，i o ( ) 是零阶第一类修正贝赛尔函数。贝赛尔分 布常用参数k 来描述，k 定义为主分量的功率与多径分量方差的比值，用d b 表示k 值： k _ 1 0 l g 箬 ( 2 - 8 ) 9 图2 - 2 莱斯分布的概率密度函数示意图 a 棚，足专一d b 时，接收信号中没有主分量，混合信号的包络从莱斯分布转为 瑞利分布。直射信号增强( i 1 ) 时，莱斯分布向高斯分布趋进。莱斯分布的概率密度函数 如图2 - 2 。 莱斯分布适于一条路径明显强于其他多径的情况，但并不代表该路径就是直射径。非 直射系统中，如果源自某一散射体路径的信号功率特别强，信号服从莱斯分布。 2 2 3n a k a g a m i - m 分布 2 0 世纪4 0 年代，n a k a g 锄i 提出n a k a g 锄i m 分布，通过场测试可知曲线拟合达到近 似分布。研究证明：的，n a k a g 锄i m 分布可很好地描述无线信道。若信号的包络r 服从 n a l 【删1 1 1 分布，其概率密度函数为： p ：薷e x p ( 一簪( r 。) ( 2 9 ) p 【r ) 2 丽弧p l 一百7 u 一7 、。 m _ 器是孙于1 2 的呲a g 锄i 赫皴趣鄙0 2 ) 1 0 r ( m ) _ p p d t 是g a m m a 函数。n 蚍a i i l i 的概率密度函数见图2 & 功率铲，2 2 的概率密度函数： p = c 争胛品e 啾一争 三：e ( 沪纰为信号的平均功率，i n - l 时： p = 吾洲一台 铆 ( 2 - 1 0 ) = 量唧( 一争 ( 2 1 。) s sm 1 1 j n a k 则m 分布成为瑞利分布。此外，可确定参数肌和莱斯因子k 之间的关系： ( 尼+ 1 ) 2 纷2 2 k + l ( 2 d 2 ) 图2 3f t = l ，n a k a g a m i m 分布的概率密度函数示意图 2 3 本章小结 电磁波的主要传播方式是空间波，即直射波、折射波、散射波以及它们的合成波，加 l l 第二章无线衰落信道 之移动台的移动性，移动台与基站间的无线信道呈现多柙衷洛符任。伞早刚半川钿。儿_ 信道的特点以及瑞利分布，莱斯分布和n a l ( a g 撇i - m 分布信道衰落模型。 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章m i m o - o f d m 基本原理 第三章m i m o o f d m 基本原理 b 3 g 系统的数据传输速率将高达l o o m b i t s ，支持从语音到多媒体业务，根据业务动 态调整数据传输速率。由第二章可知，移动环境的无线信道是非常复杂的。在有限的频谱 资源上传输高速数据和多媒体业务，需采取频谱效率高的抗衰落技术提高系统性能。 m i m o o f d m 技术是无线信道高速传输的解决方案之一，m i m o 技术充分利用空间资源， 多天线多发多收，不增加频谱资源和发送功率的情况下，提高信道容量【7 q 1 1 。o f d m 是一 种多载波传输技术，子载波间相互正交，高效利用频谱资源，总带宽分割为若干个窄带子 载波，有效抵抗频率选择性衰落。因此，将两者结合成为b 3 g 核心技术的解决方案。 3 1m i m o 技术 3 1 im i m o 基本原理 m i m o 技术是3 g 和b 3 g 系统实现高速、高容量，高传输质量的重要途径n 2 1 。3 g 系 统中，诸多业务对上下行容量的不对称要求，尤其对下行容量要求很高，导致下行容量成 为系统的瓶颈。传输带宽一定的条件下，给3 g 系统提出了难题。如果在收发端使用m i m o 技术，信道容量随天线数量增大而增大。m i m o 技术成倍地提高无线信道容量，不增加 带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率成倍地提高。 相对于单输入单输出系统( s i n g l e - i n p u ts i n g l e o u t p u t ，s i s o ) ，按收发两端天线数量 分类，m i m o 还包括单输入多输出系统( s i n g l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ，s i m o ) 和单输入 多输出系统( m u l t i p l e - i n p u ts i n g l e o u t p u t ，m i s o ) 。与s i s o 信道相比，m i m o 信道有着 惊人的容量。可用基站和移动台多元天线阵列，即空间分集解决下行容量的瓶颈问题，线 性增加信道容量，而采用接收分集的s i s o 系统以l o g 的方式增加信道容量。散射环境中， 不同天线的发送信号到达接收端经历的衰落是不相关的，因此m i m o 系统带宽效率很高。 室内环境中，电磁环境比较复杂，多径效应、频率选择性衰落和其他干扰使无线信道 的高速传输难以实现。研究结果证明：m i m o 系统可利用多径效应的有利因素。m i m o 系统的收发端均采用多天线或阵列天线。图3 1 为m i m o 系统的原理图【1 3 1 。空时编码数 据流s ( 七) 后形成m 个子数据流g ( 七) f = 1 ，2 ，m 。m 个天线发射子数据流，信道传输后 个接收天线接收子数据流，空时编码分开并解码子数据流。m 个子数据流同时发送到 n m i m o - o f d m 第三章 基本原理 独立，m i m o 系统可生成多个并行悟道，独立传输信息，提高数据传输率。 图3 2 为基本的m i m o 的信道模型，m 根发送天线，根接收天线，设为第j 根_ 发送天线到第f 根接收天线之间的复信道增益。日为m 阶信道矩阵。 ：镞附毓蚺：缴揪心：捌 图3 - 1m i m o 系统的原理图 图3 - 2 m i m o 的信道模型 h 啊：j i i h ：h ：”引( 3 - 1 ) k ：纛j 系统容量是通信系统的最大传输率。发射天线数为m ，接收天线数为的m i m o 系 统中，假设信道为独立的瑞利衰落信道，n 、m 很大，信道容量c 近似为1 8 1 ： c ：t m i n ( m ，n ) bl 0 9 2 ( p 2 ) ( 3 - 2 ) 1 4 k k ；k 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章m i m o - o f d m 基本原理 曰为信号带宽，p 为接收端平均信噪比，m i n ( m ，) 为m ，n 中较小者。上式表明， 功率和带宽固定时，m i m o 系统的最大容量随着最小天线数增加而增加。同样条件下， 收发端多天线的系统容量仅随天线对数增加而增加。因此在提高无线系统容量上m i m o 技术有极大潜力。 m i m o 技术可提高信道容量，也可提高信道可靠性，降低误码率。前者利用m i m o 信道的空间复用增益，后者利用m i m o 信道的空间分集增益。空间复用增益算法主要有 贝尔实验室的分层空时码算法( b e l ll a b sl a y e r e ds p a c e t t m e ，b l a s t ) 、迫零算法( z e r o f o r c i n g 。z f ) 、最小均方误差算法( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ，m m s e ) 、最大似然算法 ( m a x i m u ml i k e l i h o o d ，m l ) 。m l 算法译码性能很好，但复杂度较大，不能满足实时性 要求较高的无线通信要求。z f 算法简单容易实现，但要求较高的信道信噪比。b l a s t 算 法性能和复杂度最优，该算法实际上是在z f 算法基础加上干扰删除技术。 3 i 2m i m o 系统模型 假设m i m o 系统有唧根发射天线、根接收天线，离散时间的复基带线性系统描述 系统模型嗍，系统框图如图3 3 所示叶l 阶列向量x 为符号周期内的发射信号，毛表示 第f 根天线上的发射信号。 l l 一 图3 - 3m i m o 系统框图 按照信息论，高斯信道发射信号的最佳分布也是高斯分布。因此，是零均值独立同 分布的高斯变量。发射信号的协方差矩阵为： 砧- - e 麟h ) ( 3 - 3 ) 1 5 南京邮电大学硕士研究生学垡笙苎 一 蔓三童竺! 坚竺2 竺竺苎奎堡里 - _ _ _ - _ _ _ - _ - - _ - _ i - - - - _ _ _ _ - - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - - - - - _ _ _ 一一一 。 e ) 为均值；a h 为矩阵4 的复共轭转置矩阵。不管发射天线数唧的数量，总发射 功率限制为p ，司以表不为： p = 护( 砧) 。、 ( 3 呦 纱( 爿) 为矩阵爿的迹。若发射端未知c q i ，假定天线发射功率叫脚相同，发射信号 的协方差矩阵为： p 、 如2云o(3-5) 厶是脚唧阶单位矩阵。脚阶复矩阵日描述信道，是第j 根发射天线到第f 根 接收天线之间的信道衰落系数。? 1 rx l 阶列向量以描述接收端的噪声，其元素是零均值， 方差相同的统计独立的复高斯变量。接收噪