（通信与信息系统专业论文）tdhspa系统极化多天线技术研究.pdf

独创性( 或创新性) 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，也不包含为获得北京邮电大学或其他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。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期： 2 ! ：丝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布 学位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、汇编学位 论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文注释： 本学位论文不属 本人签名： 导师签名： 权书。 e t 期：2 型! ：! 日期： 2 ：丝 t d h s p a + 系统极化多天线技术研究 摘要 随着无线通信技术的迅速发展，人们对高速率和高质量的数据业 务需求日益增加。为了应对这一挑战，实现系统平滑演进到时分双工 长期演进( t d d l t e ) 系统，3 g p p 在版本7 ( r e l e a s e 7 ) 协议中引入了 时分双工高速分组接入t d h s p a 的增强系统( t d h s p a + ) 。其中， 多天线技术作为该增强系统的关键技术，能够在有限的频谱资源条件 下提高系统的频谱效率和传输可靠性，成为近年来研究的热点。本文 主要研究和对比下行单用户m i m o ( s u m i m o ) 和多用户m i m o ( m u m i m o ) 中配置极化天线和不同天线数下传输方案的性能，并 通过t d h s p a + 系统级仿真平台进行仿真分析和验证。 。 首先，为了提高系统的吞吐量，在t d h s p a + 系统中引入8 2 m i m o 传输方案。本文提出了一种基于奇异值分解( s v d ) 的下行8 2s u m i m o 预编码方案，并理论推导了该方案的基本原理，最后 对比传统2 2s u m i m o 方案，在t d h s p a + 系统级仿真平台进行仿 真分析。 其次，本文提出了一种基于最大载干l i , ( m a xc i ) 配对调度算法 的m u m i m o 方案。基站根据用户前次反馈的信道质量指示( c q i ) 信息，通过m a xc i 算法选择调度的第一个用户，接下来轮循小区 其它所有用户，将其信道与已调度的第一个用户配对后，通过s v d 获取预编码矩阵，并计算经过预编码后的两个用户的容量和，选择容 量和最大的用户作为此次调度的另一个用户。该方案在算法复杂度和 系统吞吐量方面有良好的折衷。 最后，考虑在不同天线上采用不同的极化方向，获取极化分集增 益。本文提出了一种极化天线的系统级建模方法，以解决t d h s p a + 系统中极化性能研究无准确天线模型的问题。设计并对比8 2 m i m o 极化天线分组波束赋形和联合波束赋形方案的性能，重点对比 了市区宏小区和市区微小区场景下极化天线配置和传统线阵天线配 置性能差异。 关键字：t d h s p a + 多天线极化系统级仿真 d n 僵s t i g a t i o n0 np o l a r i z e d 【i t i a n t e n n a t e c h n o l o g yi nt d h s p a 十s y s t e m a b s t r a c t w i t ht h er 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 nt e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n t sf o r h i g h s p e e da n dh i g h - - q u a l i t yd a t as e r v i c e s a r e i n c r e a s i n g t om e e tt h i sc h a l l e n g ea n ds m o o t h l ye v o l v et ot h et i m e d i v i s i o n d u p l e xl o n g t e r me v o l u t i o n ( t d d - l t e ) s y s t e m ，3g p ph a s i n t r o d u c e dt h ec o n c e p to ft i m ed i v i s i o nh i g hs p e e dp a c k a g ea c c e s sp l u s ( t d h s p a + ) ，w h i c hi st h ea d v a n c e dv e r s i o no ft h et i m ed i v i s i o nh i g h s p e e dp a c k e ta c c e s s ( t d - h s p a ) i nr e l e a s e7 a sak e yt e c h n o l o g yo f t d h s p a + ，t h em u l t i a n t e n n at e c h n i q u ec a nd r a m a t i c a l l yi m p r o v et h e s p e c t r a le f f i c i e n c ya n dt h e r o b u s t n e s so ft h es y s t e mw i t h1 i m i t e d r e s o u r c e s ，a n di th a sb e e nar e s e a r c hh o t s p o tf o rt h el a s ty e a r s i nt h i s p a p e r , t h e d o w n l i n k s i n g l e - u s e rm 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 ( s u m i m o ) a n dm u l t i u s e rm i m o ( m u m i m o )w i md i f f e r e n t p o l a r i z a t i o nc o n f i g u r a t i o n sa n dd i f f e r e n ta n t e n n an u m b e r sa r ef i r s t l y i n v e s t i g a t e da n dc o m p a r e d ，a n dt h e nt h ep e r f o r m a n c ei sf u r t h e re v a l u a t e d i nt h et d h s p a + s y s t e m 1 e v e ls i m u l a t i o n p l a t f o r i l lt oi d e n t i f yt h eg a i n s t oi m p r o v et h es y s t e mt h r o u g h p u t ，f i r s t l y , t h e8t r a n s m i t t e ra n d2 r e c e i v e ra n t e n n a sc o n f i g u r a t i o ni si n t r o d u c e di n t ot h et d h s p a + s y s t e m a sa8x 2m i m 0t r a n s m i s s i o ns c h e m e t h es i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ( s v d ) b a s e dp r e c o d i n gs c h e m ei s a p p l i e di nt h ed o w n l i n k8 x 2 s u m i m ow i t hs o m eb a s i ct h e o r e t i c a la n a l y s i s t oe v a l u a t ea n dp r e s e n t t h eb e n e f i t s 。i ti sc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l2 x 2s u m i m 0s c h e m ei n t h et d h s p a + s y s t e m 1 e v e lp l a t f o r m s e c o n d l y , am a x c ib a s e ds c h e d u l i n ga l g o r i t h mi nt h em 1 u m i m o s y s t e mi sp r o p o s e d ，m a i n l yo nt h eu s e rs e l e c t i o na n dp a i r i n gi nt h e s c h e d u l i n g a c c o r d i n gt ot h ec h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r ( c q i ) i n f o r m a t i o n f e db a c kb yt h eu s e r , t h eb a s es t a t i o ns e l e c t st h ef i r s tu s e rt os c h e d u l e t h r o u g ht h em a xc ia l g o r i t h m t h e nt a k e st u m st os c h e d u l ea l lo t h e r u s e r si nt h ec e l lt op a i ru pw i t ht h ef i r s to n e o b t a i np r e c o d i n gm a t r i x t h r o u g hs v d a n dc a l c u l a t et h es u m r a t eo ft h et w o u s e r s f i n a l l yt h eb a s e s t a t i o nc h o o s e st h eu s e rw i t ht h el a r g e s ts u m r a t ea st h eo t h e ru s e rf o rt h i s s c h e d u l i n g t h i s t r a d e o f fb e t w e e n c o m p l e x i t y a n d t h r o u g h p u t p e r f o r m a n c ei sw e l lc o n s i d e r e d f i n a l l y , i nap r a c t i c a ls y s t e m ，t h ed i f f e r e n tp o l a r i z a t i o nd i r e c t i o n sa t d i f f e r e n ta n t e n n a sa r ei n v e s t i g a t e dt oo b t a i np o l a r i z a t i o nd i v e r s i t yg a i n a p o l a r i z e da n t e n n am o d e l i n gm e t h o d o l o g yi sp r o p o s e df o rs y s t e m - l e v e l m o d e l i n g t or e s o l v et h ep r o b l e mt h a tt h e r ei sn oa c c u r a t ea n t e n n a m o d e l i n gm e t h o dt oe v a l u a t et h ee f f e c t o fa n t e n n ap o l a r i z a t i o ni n t d h s p a + s y s t e m t h eg r o u pb e a m f o r m i n ga n dj o i n tb e a m f o r m i n g s c h e m e sf o r8x 2m i m 0 p o l a r i z e da n t e n n ac o n f i g u r a t i o na r ed e s i g n e da n d c o m p a r e d ，e s p e c i a l l yt h ep e r f o r m a n c ed i f f e r e n c eb e t w e e np o l a r i z e d a n t e n n ac o n f i g u r a t i o na n dt r a d i t i o n a l l i n e a ra r r a ya n t e n n ac o n f i g u r a t i o ni n u r b a nm a c r oa n dm i c r oc e l 】 。 k e yw o r d s ：t d h s p a + m u l t i a n t e n n a p o l a r i z a t i o ns y s t e m - l e v e l s i m u l a t i o n 北京邮电大学2 0 1 0 届硕上毕业设计( 论文) 目录 第一章绪论1 1 1 t d s c d m a 的演进和h s p a + 技术j 2 1 1 1t d s c d m a 关键技术与演进2 1 1 2t d h s p a + 的关键技术3 1 2 极化多天线技术简介5 1 2 1m 蹦o 技术5 1 2 2极化天线技术6 1 3 1 4 论文的创新点7 论文的内容安排8 第二章t d h s p a + 系统s u m i m o 方案和仿真评估9 2 1 空间复用和分集_ 9 2 1 1 空间复用技术9 2 1 2 空间分集和接收1 0 2 1 3 t d h s p a + 中的s u m i m o 基本结构1 1 2 2s u - m i m o 系统级仿真平台设计_ 1 1 2 2 1 基于检测后信干噪比的接口设计一1 2 2 2 2系统级仿真参数假设1 4 - + 2 2 2 1 系统级仿真参数及信道建模1 4 2 2 2 2 链路级仿真结果及m c s 接口1 6 2 2 2 3 仿真场景18 2 32 x 2s u - m i m o 方案和仿真评估18 2 3 12 x 2s u - m i m o 天线配置1 9 2 3 22 x 2s u m i m o 方案原理l9 2 3 3 仿真结果及分析2 0 2 4 2 3 3 1 首传正确率2 0 2 3 3 2 基站的平均吞吐量2 l 8 x 2s u - m i m o 方案和仿真评估2 4 2 4 18 x 2s u m 蹦o 天线配置2 4 2 4 28 x 2s u - m i m o 方案原理：2 4 2 4 3仿真结果及分析2 6 2 4 3 1 首传正确率2 6 2 4 3 2 基站的平均吞吐量2 7 2 4 3 - 3u e 端s i n r 的c d f 曲线2 8 2 5小结2 9 2 5 12 x 2s u - m i m o 性能增益总结2 9 2 5 28 x 2m i m o 天线性能增益总结2 9 第三章t d h s p a + 系统m u m i m o 方案和仿真评估3 0 北京邮电大学2 0 1 0 届硕十毕业设计( 论文) 3 1m u - m i m o 系统仿真模型3 0 3 1 1系统模型3 0 3 1 2预编码算法31 3 2m u m i m o 用户调度策略31 3 2 1l t em u m i m o 预编码调度方案31 3 2 1 1 脏纸编码方案31 3 2 1 2 每用户归一速率控制方案( p u 2 r c ) 3 3 3 2 1 3 迫零预编码方案( z f ) 3 4 3 2 2 t d h s p a + m u m i m o 预编码调度方案3 5 3 38 x 2m u m i m o 系统级。陛能仿真3 7 3 3 1 首传正确率3 7 3 3 2基站平均吞吐量3 9 3 3 3u e 端s i n r 的c d f 曲线4 0 3 4 ，j 、j 右4 0 第四章极化天线建模和系统级性能仿真评估4 1 4 1极化天线模型4 1 4 1 1极化天线建模原理4 1 4 1 2天线增益_ 4 5 4 1 3交叉极化鉴别度( x p d ) 4 6 4 22 x 2m i m o 极化天线配置和性能仿真4 6 。4 2 12 x 2m h m o 极化天线天线配置4 6 4 2 2 仿真结果及分析_ 4 6 4 2 2 1 首传正确率：4 6 4 2 2 2 基站的平均吞吐量4 7 - 4 2 2 3u e 端s i n r 的c d f 曲线4 8 4 38 x 2m i m o 极化天线原理和性能仿真。4 9 4 3 18 x 2m i m o 极化天线配置4 9 4 3 28 x 2m i m o 极化天线分组波束赋形原理5 0 4 3 38 x 2m i m o 极化天线联合波束赋形原理5 2 4 4仿真结果及分析5 3 4 4 1 首传正确率5 3 4 4 2 基站的平均吞吐量5 4 4 4 3u e 端s i n r 的c d f 曲线5 5 4 4 4 天线间距对吞吐量的影响5 6 4 5 小结5 7 第五章结束语5 8 5 1 5 2 研究工作小结5 8 下一步的研究方向5 9 北京邮电人学2 0 1 0 届硕上毕业设计( 论文) 第一章绪论 移动通信【l 】的出现最早可以追溯到1 9 世纪末船舶上的短波电报通信，但是 2 0 世纪初期，通信对社会和经济发展还只是起辅助性作用，直到7 0 年代贝尔实 验室提出蜂窝系统的概念和理论，移动通信才得以飞速发展。经过4 0 多年的发 展，其已经成为拥有多种网络和制式、覆盖范围广、用户众多的通信系统。 第一代模拟蜂窝通信系统从2 0 世纪8 0 年代丌始出现，采用的空中接入方式 为频分多址( f d m a ) ，调频技术为模拟方式。其中典型的代表有美国的a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) ，欧洲的t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 系统。由于第一代模拟系统的频谱效率低，网络容量有限，使得其无法 满足通信市场发展的要求，于是9 0 年代初期数字蜂窝移动通信系统应运而生， 也称为第二代移动通信系统。 数字蜂窝系统主要采用时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 技术。与第一 代模拟蜂窝系统相比，第二代移动通信系统在多址方式、调制技术、信道编码和 分集接收等上采用了数字技术。这极大增加了网络有效容量，也提高了抗干扰能 力，同时也提供部分数据业务服务。因此，数字蜂窝系统系统得到了迅猛发展， 在短短十几年内成为了世界范围内最大的移动通信系统。但是随着其不断的发 展，日益增长的用户数目与有限的系统容量和业务之间的矛盾愈发明显，用户已 经不再满足单一的语音服务，对高速率的数据业务的需求日益增高，这从根本上 促进了第三代移动通信的诞生。 第三代移动通信系统最早是在1 9 8 5 年由国际电信联盟( r r e t ) 提出，当时 被称为“未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) ”，后来正式更名为 i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm 0 b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n - 2 0 0 0 ) 。i m t - 2 0 0 0 系统能提供全 球无缝覆盖和全球漫游，并提供高质量的多媒体业务，是一个包括卫星移动通信， 陆地移动通信和无绳电话等的蜂窝移动通信的大系统。其标准主要由频谱规划， 无线传输技术和网络方案三个部分构成，其中无线传输技术的研究和选择是第三 代移动通信系统的核心部分。目前删正式发布的第三代移动通信空间接口技 术规范包括以下三种：欧洲及日本提出w c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) ，美国提出的c d m a 2 0 0 0 ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s2 0 0 0 ) ， 以及我国提出的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 u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 。 北京邮电人学2 0 1 0 届硕二f 二毕业设计( 论文) 1 1t d s c d m a 的演进和h s p a + 技术 t d s c d m a t 2 】是我国自主提出的第三代移动通信标准，是集c d m a 、t d m a 、 f d m a 、s d m a 技术优势于一体，具有系统容量大，频谱利用率高和抗干扰能力 强的优点。它采用了智能天线、联合检测、接力切换、同步c d m a 、软件无线 电、多时隙、可变扩频系统、自适应功率调整等技术。其中t d s c d m a 系统主 要参数如表1 1 。 表1 1t d s c d m a 系统主要参数 参数内容 多址接入方式d s c d m a 厂r d m a 信道带宽 1 6 m h z 码片速率 1 2 8 m c p s 双工方式t d d 基站间同步同步 帧长1 0 m s 扩频方式o v s f 调制方式 q p s k 8 p s k 信道编码 1 2 1 3 的卷积编码，t u r b o 编码 1 1 1t d s c d m a 关键技术与演进 根据其自身特点，t d s c d m a 系统采用了一些先进的关键技术来提高系统 性能，这些技术包括智能天线技术，联合检测技术，先进上行同步技术，接力切 换技术，动态信道分配技术和软件无线电技术等。 t d s c d m a 于2 0 0 1 年写入了3 g p p ( 3 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 ) 的 r 4 标准中，随着移动通信业务尤其是移动互联网的迅速发展，人们对移动通信 所能支持的数据速率的要求越来越高。3 g p p 分别在r 5 和r 7 版本中引入了高速 下行分组接入( h s d p a ) 和高速上行分组接入( h s u p a ) 两种增强型技术，分 别用来提高下行和上行链路的传输速率，二者统称为高速分组接入( h s p a ) 。在 r 8 中进一步引入了h s p a + 标准。而在未来的t d s c d m a 技术的演进中，将设 计基于t d s c d m a 的l t e 标准和基于t d d 模式的4 g 标准。如图1 1 所示。 2 北京邮电人学2 0 1 0 届硕士毕业设计( 论文) 图1 - 1t d s c d m a 标准演进【3 1 总之，随着t d s c d m a 技术的发展和成熟，走向了大规模产业化和全面商 业化，而t d s c d m a 技术的演进路线主要分为以下4 个阶段。 t d s c d m a 的增强，从单载波技术演进到多载波技术。在不考虑频率间干 扰，若载波数为n ，多载波t d s c d m a 系统的理论容量将会是单载波系统容量 的n 倍。 t d s c d m a 的短期演进，引入h s p a 技术。h s p a 通过采用自适应调制编 码方式和快速重传机制能增加系统吞吐量，减少传输时延，提高峰值速率。 t d s c d m a 的中长期演进，即h s p a + 技术和t d s c d m a 的l t e 系统， h s p a + 阶段，速率将超过10 m b i t s ，l t e 阶段峰值速率达到10 0 m b i t s 。t d dl t e 是t d s c d m a 在向4 g 系统演进过程中的过渡阶段，目的能为3 g 技术向4 g 技 术的平滑过渡起到良好的铺垫作用。 基于t d s c d m a 的第4 代移动通信系统，即从t d s c d m a 到i m t - a d v a n c e x l 的演进。 1 1 2t d h s p a + 的关键技术 在t d s c d m a 演进中，为了应对w i m a x 等新兴无线宽带技术的竞争，以 及进一步改进和增强现有3 g 技术以提高其在宽带无线接入市场上的竞争力， 2 0 0 4 年底，3 g p p 提出3 g 长期演进3 gl t e 计划。由于l t e 是基于o f d m 技术，为了使h s p a 到l t e 的演进更加平滑，3 g p p 在r 7 版本中引入h s p a 和 l t e 长期演进计划之间h s p a 的演进方案h s p a + 3 1 。该方案通过与各种新技术相 融合，使运营商利用现有的接入网设备提供更高速率、更高质量的服务。 3 北京邮电人学2 0 1 0 届硕1 7 毕业垃计( 论文) 在3 g p pr 8 中，确定了h s p a + 要达到的性能目标： 进一步提高h s p a 的频谱效率、峰值数据速率以及时延等性能，能与 l t e 在5 m h z 带宽条件下的性能相当； 为了实现向l t e 的平滑过渡，h s p a 和h s p a + 应当采用一些l t e 支 持的技术； h s p a + 进一步优化对数据业务的支持； h s p a + 能够具备后向兼容性，达到支持h s p a + 的终端与不支持 h s p a + 的终端可以共用一个载波，而不会导致性能下降； 在理想情况下，当前的系统设备只需要简单的软件升级就能支持 h s p a + 。 h s p a + 主要采用了5 方面的无线增强技术，m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技术、c p c ( c o n t i n u o u sp a c k e tc o n n e c t i v i t y ) 技术、增强的c e l l f a c h 、 高阶调制和层2 的增强。 m l m o 技术是在无线链路收发两端使用多天线，充分开发空间资源，在无需 额外带宽和功率的情况下，通过获得复用增益和空间分集增益来提高系统容量和 频谱效率，因此将它作为h s p a + 的关键技术之一。t d s c d m a 系统的m i m o 方 式采用s - p a r c ( s e l e c t i v ep e ra n t e n n ar a t ec o n t r 0 1 ) 方案。可以根据当前的信道 状况自适应选择天线发送的流数和相应的调制编码方式。 c p c 技术通过改进r 5 r 6 的h s p a 功能，定义新的上行专用物理控制信道 ( d p c c h ) 时隙格式、终端采用不连续发送和接收( d t x d r x ) 、支持 h s s c c h 1 e s s 操作。使得有连续连接需求的分组用户能够避免频繁的重建，从 而减小信令开销和时延，以达到提高c e l l d c h 态分组用户数量、提高v o l p 用 户容量和系统效率的目的。 增强c e l l f a c h 状态主要针对速率较低、在线时间长的业务进行优化。其 目的是提高c e l l f a c h 态的峰值速率；减少c e l l f a c h 、c e l l - p c h 和 u r a p c h 用户面和控制面时延；减少u r a p c h 、c e l l p c h 、c e l l f a c h 到 c e l l d c h 的状态迁移时延；减少终端的电池消耗。 h s p a 在上下行分别使用q p s k 和1 6 q a m 。为进一步提高速率，h s p a + 在 下行引入6 4 q a m ，在上行引入1 6 q a m 的调制方案。m i m o 与6 4 q a m 的结合 使得系统容量有明显提高。 引入m i m o 技术可以极大提高系统数据传输速率，下行6 4 q a m 更是进一 步提高了下行数据速率。但是当前r l cp d u 的大小、l m 以及r l c 窗尺寸等 因素不能支持h s p a + 的峰值速率。因此，在下行链路需要支持可变的r l cp d u 的大小和m a c 分割来达到更高的峰值速率，并减小信令开销。 4 北京邮电大学2 0 1 0 届硕二l 毕业设计( 论文) 1 2 极化多天线技术简介 尽管m i m o 技术能够在不需额外带宽和功率的情况下，通过获得复用增益 和空间分集增益来提高无线链路的容量和可靠性而备受研究领域的广泛关注，并 且在近些年逐渐应用于移动通信系统中。但在实际的系统中，设备尺寸有严格要 求，使得所能配置的天线数量和天线间距有限，这导致了天线之间的空间相关性 增大，损失部分空间分集增益。考虑到电磁波的传播特性，在不同天线上采用不 同的极化方向，使得在同一位置上的天线间空间相关性大大减少，在减小了设备 尺寸的基础上，还能极化分集增益，具有良好的实际应用前景。 1 2 1m i m o 技术 m i m o 技术，即多天线技术，是通过在发射端和或接收端配置多个天线射 频单元，引入信号传输的空间维度，再对发送来自多个阵列天线的信号进行处 理，以达到提高系统性能的技术总称。相较于传统的移动通信技术，m i m o 通信 技术最大的优势在于该技术是为利用无线传播环境中的多径信息而不是抑制多 径信息。 基于不同的设计准则，m i m o 技术可以大致分为基于空间分集和基于空间复 用两大类。其中，基于空间复用的m i m o 技术主要集中在设计发射信号的复用 方式以及接收端的信号检测算法方面，通过获取复用增益来提高系统的吞吐量， 在这方面突破性的研究来自贝尔实验室的e t e l a t a r 的论文【4 】和g j f o s c h i n i 的论 文一从理论上证明了相对于单入单出( 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 ) 系统来 说，在不额外增加频谱和功率资源的情况下，m i m o 传输技术能成倍地增加信道 容量：在f o s c h i n i 的论文【6 】中提出了能获得m i m o 空间信道复用增益的著名的 ( b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e - t i m e ，b l a s t ) 算法，给出了达到m i m o 容量的 系统结构及接收算法。而基于空间分集的m i m o 技术则更多是集中在如何在发 射端进行空时编码，通过获取分集增益来提高系统的抗差错能力，a t & t 实验室 提出空时编码的思想，以获得多入单出( m u l t i i n p u ts i n g l e o u t p u t ，m i s o ) 或 m i m o 系统的空间分集增益。其中s m a l a m o u t i 在论文r 7 】描述了当发射天线数为 2 时达到满发送分集增益和服用增益的空时编码方法，即a l a m o u t i 编码。v t a r o k h 在论文f 砌中对发射端采用空时编码技术的性能及码字构造准则进行了分析，并提 出了空时格码( s y r c ) 的思想，在另一篇论文中【9 】提出了一种简单的空时块码，在 性能和实现复杂度方面有良好折衷。 另一方面，从m i m o 系统同时服务的用户数而言，可以分为s u m i m o ( 单 用户多天线) 和m u m i m o ( 多用户多天线) 技术。顾名思义，s u m i m o 是指 5 北京邮电人学2 0 1 0 届硕士毕业设计( 论文) 通信链路的两端使用多天线技术，达到提高该用户性能的目的；而m u m i m o 是指由多个通信终端的天线组成天线阵列，形成类似多天线接收发送结构，达 到同时服务多个用户并提高系统整体性能的目的。在实际系统中，用户端受限于 移动设备的尺寸与发射功率等，一些m i m o 技术在这种情况下的应用受到限制， 然而基站端由于体积较大可以配置多根天线，并且系统也存在多用户分集效果。 因此，实际系统可以考虑采用m u m i m o 技术来达到提高系统频谱效率的目的。 根据通信方向的不同，m u m i m o 上行链路通常被称作多址接入信道( m a c ) ， 下行链路则为广播信道( b c ) 。在上行链路中，多个用户可在相同的频段时隙 上向同一基站发送信号，而基站通过适当的算法来区分用户数据；下行链路中， 基站将发送给多个用户的数据通过预处理，转换成多个数据流，通过多根发射天 线同时发送到无线空间，而每一个用户接收天线接收到的是基站发送给多个用户 的信号与干扰噪声的叠加，用户可以基于实际基站采用的预处理技术不同而检测 出自己的数据流。 1 2 2 极化天线技术 利用电磁波的传播特性，进行天线极化配置，就能获得极化分集增益，与空 间分集不同，极化分集是具有不同极化的天线接收彼此正交的极化分量来获取分 集增益的一种分集手段，其工作原理基于m i m o 无线信道的极化特征。信号在 无线信道的传播过程中，会进行多次反射、折射和散射，造成信号极化状态的改 变：由电磁场理论可知，正交极化分量的反射、折射系数是不同的，这就导致在 每一次的反射或者至少是其中的一些反射中，正交极化分量的幅度、相位变化产 生了差异。理想情况下，经过足够多的随机反射后，接收信号的正交极化分量彼 此独立，并且与发射时的极化状态无关，这就是正交极化分量去相关的机理。这 样，在不同天线上采用不同的极化方向，使得在同一位置上的天线间空间相关性 大大减少，在减小了设备尺寸的基础上，还能获得极化分集增益，具有良好的实 际应用前景。 在之前的一些研究中，rgv a n g h a n 在论文【i o 】介绍了天线极化的特点以及在 移动通信中采用极化分集应用的基站的一些参数；t i mwcb r o w n 在论文【1 1 】介绍 了如何利用角度分集获得极化分集的方法，并证明了当用户端进行4 5 。极化配 置时，系统吞吐量最优。s h i g e r uk o z o n o 在论文【1 2 】中介绍了双极化配置下 基站的上行极化分集接收。 6 北京邮电大学2 0 1 0 届硕士毕业设计( 论文) 1 3 论文的创新点 对于t d d ( 时分双工) 系统，选用s - p a r c 1 3 】为其下行m i m o 传输方案， 但这只是针对2 x 2m i m o ( 基站配置2 根天线，终端配置2 根天线) 方案，为 了进一步提高系统的吞吐量，在t d s c d m a 系统中引入了8 2m i m o ( 基站配 置8 根天线，终端配置2 根天线) 方案。本文提出了一种基于s v d 分解的下行 8 2m i m o 预编码方案。理论推导了该方案的实现原理，并通过t d h s p a + 系 统级仿真平台仿真分析，能显著提高系统的吞吐量。 考虑到单用户m i m o ，如果使用复用技术，移动台需要配置多根接收天线和 接收射频设备。硬件上设备复杂度高成本上升，终端在小体积内实现困难。而在 实际应用中，系统往往也需要一个基站同时和多个终端进行通信。本文提出了基 于m a x c i 配对调度算法的m u m i m o 方案。基站根据用户上次接收反馈的c q i 信息通过m a xc i 算法，选择调度的第一个用户。接着轮循小区内所有其它用 户，将它的信道与已调度的第一个用户配对，通过s v d 分解，得到预编码矩阵， 计算经过预编码后的两个用户的容量和，选择容量和最大的用户作为此次调度的 另一个用户。该方案在算法复杂度和系统吞吐量方面有良好的折衷。 在实际的系统中，设备尺寸有严格要求，使得所能配置的天线数量和天线间 距有限，这导致了天线之间的空间相关性增大，损失部分空间分集增益，因此， 在不同天线上采用不同的极化方向，获取极化分集增益。本文了提出一种极化天 线的系统级建模方法，以解决t d h sp ! a + 系统中极化性能研究无准确天线模型的 问题。并设计8 x 2m i m o 极化天线分组波束赋形和联合波束赋形方案，对 t d h s 即汁下行系统极化天线性能进行了仿真分析和研究，重点对比了市区宏小 区和市区微小区场景下的极化天线配置和传统线阵天线配置性能差异。 在系统级仿真中，提出了基于检测后信干噪比( p o s t - s i n r ) 的接口方式。 将多天线及多径信道的空时信道模型和m i m o 检测算法也被提升到系统级平台 来实现。通过在系统级仿真平台中为每个数据流计算经过消除多径干扰及多天线 干扰之后的信干噪比( s i n r ) 来映射链路级仿真在高斯白噪( a w g n ) 信道下 的性能曲线。能够非常精确的模拟出空时信道对m i m o 性能的影响，并且能够 灵活的与各种m i m o 检测算法相结合。无论基于何种空时信道模型或检测算法， 链路级仿真均只需要提供a w g n 信道下的性能曲线