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m i m o o f d m 技术在w i m a x 中多基站协作通信中 的应用研究 摘要 近二十年来，移动通信系统与无线通信技术高速发展，语音业务 的移动化正在实现，移动化的窄带数据业务也在日常生活中广泛使用。 由于无线技术的制约，目前，宽带数据业务主要还是依靠固定接入系 统实现，但是随着8 0 2 1 1 ，8 0 2 1 5 ，l t e ，l t e a d v a n c e d 和8 0 2 1 6 等无线技术相关标准的发展，宽带数据业务的移动化也初显端倪。随 着人类生活水准的提高以及技术发展，宽带数据的移动也一定会实现， 而第三代移动通信系统所能提供的数据速率仍不能满足未来的业务 需求。未来面向数据业务的宽带移动通信系统标准正在制定中。 本文首先阐述了无线信道的基本特征，包括大尺度衰落和小尺度 衰落。然后简要介绍无线通信物理层关键技术的基本技术。在第四章， 本文详细研究了多基站协作通信技术的概念、模型、要求，提出了两 种基于m i m o 预编码技术的多基站协作通信方案，一种称为宏分集， 另一种称为虚拟m i m o ，然后详细分析了这两种方案的具体方案和系 统设计。接下来，本文根据相关标准搭建了一个简单的系统级仿真平 台，包括信道，s i n r 计算，白适应调制编码和资源调度等模块；并 将所提出的多基站协作通信技术在这个平台上进行了仔细的评估和 比较，最后得出结论。在本文的结束处，阐述了尚待研究的协作通信 技术，以及未来协作通信技术的研究方向。 关键词：多入多出、协作通信、w i m a x 、系统级仿真 t h er e s e a r c ho fm u 加b sc o o p e ra t i v e c o m m u n i c a t i o nb a s e do no f d m m i m oi n 、忑m a x s y s t e m a b s t a r c t o v e rt h ep a s tt w od e c a d e s ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n d w 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 ya r e d e v e l o p e dr a p i d l y ，a n df i x e d v o i c ec o m m u n i c a t i o ns e r v i c ei sb e i n gr e p l a c e db ym o b i l ec o m m u n i c a t i o n s e r v i c e a tt h es a m et i m e ，n a r r o w b a n dm o b i l ed a t as e r v i c e sa r ea l s o w i d e l yu s e di nd a i l yl i f e d u et ot h ec o n s t r a i n t so fw i r e l e s st e c h n o l o g y ， b r o a d b a n dd a t as e r v i c e sh a v eb e e ns u p p o r t e dm a i n l yb yt h ef i x e da c c e s s s y s t e mf o ral o n gt i m e b u tt h es i t u a t i o nw i l lb ec h a n g e dn o w w i t ht h e d 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 ns t a n d a r d s ，s u c ha s8 0 2 11 ， 8 0 2 1 5 ，i m t ，l t e , u 匝- a d v a n c e d ，a n d8 0 2 1 6 ，t h eb r o a d b a n dm o b i l e d a t as e r v i c e sw i l lb ep o s s i b l ei nt h en e x td e c a d e a l o n gw i t hr i s i n gl i v i n g s t a n d a r d s ，p e o p l ea r ee a g e rt oa c h i e v et h eb r o a d b a n dw i r e l e s ss e r v i c e 肋i l et h et h i r d g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a n n o tp r o v i d e d a t ar a t e sf a s te n o u g ht om e e tf u t u r eb u s i n e s sn e e d s ，t h eb r o a d b a n d w i r e l e s ss e r v i c eh a v ea t t r a c t i v em a r k e tf u t u r e t h ed i s s e r t a t i o nf i r s te x p o u n d st h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s s c h a n n e l ，i n c l u d i n gt h el a r g e s c a l ef a d i n ga n ds m a l l s c a l ef a d i n g ，a n dt h e n b r i e f l y i n t r o d u c e st h eb a s i cp h y s i c a l l a y e rt e c h n o l o g i e s o f w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n i nt h ef o u r t hc h a p t e r t h ed i s s e r t a t i o ne x p l o r e si nd e t a i l t h ec o n c e p t ，m o d e la n dr e q u i r e m e n t so fm u l t ib a s es t a t i o nc o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i nt h i s c h a p t e r , w ep r o p o s et w ok i n d so f m u l t i - b a s es t a t i o nc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nm i m o o n ei sc a l l e dm a c r o d i v e r s i t y ，a n o t h e ri sk n o w na sv i r t u a lm i m o t h e na d e m i l e da n a l y s i so ft h e s et w om o d e l sf o rs p e c i f i cs c h e m ea n ds y s t e m i b d e s i g ni sp r e s e n t e d n e x t ，w ec o n s t r u c tas i m p l es y s t e m l e v e ls i m u l a t i o n p l a t f o r m ，i n c l u d i n g t h ec h a n n e lm o d e l ，s i n r c a l c u l a t i o n ，a d a p t i v e m o d u l a t i o nc o d i n ga n dr e s o u r c es c h e d u l i n gm o d u l e s ；a n dt h ep r o p o s e d m u l t i - b a s es t a t i o n c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o ns c h e m eh a v e b e e n c a r e f u l l ye v a l u a t e da n dc o m p a r e d a tt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o n ，w e d r a wt h ec o n c l u s i o na b o u tt h ep r o p o s e dt e c h n o l o g i e s ，a sw e l la st h eo t h e r c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sw h i c hn e e df u r t h e re x p l o s i o n s a r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：m i m o 、c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n 、w l m a x 、s l s i v 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 丝鲺葭 日期：叁盈：三：! f 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一年解密后适用本授权书。非保密论 文注 北京邮电大学硕士研究生学位论文o f d m m i m o 技术在w i m a x 多基站协作通信中的应用研究 第一章引言 1 1 蜂窝移动通信发展历史 无线通距今已经有1 0 0 多年的历史。和人类历史相比，无线通信是一门相当 年轻的学科。但是，就在这短短的1 0 0 多年中，无线通信技术深刻地改变的人类 的生活方式，加速了人类社会发展的历程，并逐渐渗透到人类日常生活的一朝一 夕之中。 1 1 1 无线通信发展的开端 1 8 8 6 年，德国物理学家赫兹在实验中证实了电磁波的存在，它像光一样， 可以在空中传播。随后，意大利人马可尼在赫兹实验的启发下，萌发了利用电磁 波进行通信的大胆设想。1 8 9 4 年，他成功地进行了相距2 英里的无线电通信的 接收与发送；1 8 9 7 年，又发明了无线电收报机，并在英国取得了专利，同年他 在英国西海岸布里斯托尔海峡南端的拉渥洛克，进行了跨海无线电通讯实验，成 功地达到了4 8 公里的通讯距离。1 9 0 1 年1 2 月，英国康沃尔发射台开始连续使 用6 0 米高的天线发射无线电波。由于事先准备好的氢气球爆炸，马可尼只好临 时用大风筝把天线升到1 2 1 米的高空，终于，他们收到了大西洋彼岸的加拿大圣 约翰斯发出的事先商定好的莫尔斯电码，跨洋收发报距离达3 2 0 0 公里，实验成 功了! 这一消息轰动了世界。从此，无线电波开始为人类服务。人类的通讯事业 进入了新纪元。 1 1 2 第一代移动通信系统 第一代是以模拟式蜂窝网为主要特征，是上世纪2 0 年代末七十年代初开始 商用化的。其中具代表性的式北美的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 ns y s t e m ) 两大系统，另外还有北欧的n m t 和日本的h c m t s 系统等。1 9 7 8 年美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统 a m p s ，建成了蜂窝式移动通信系统。随后，其它工业化国家也相继开发出蜂窝 式移动通信网。这一阶段相对于以前的移动通信系统最重要的突破是贝尔实验室 在七十年代提出的蜂窝网的概念，即蜂窝移动通信系统，区别于早期的大区制系 北京邮电大学硕士研究生学位论文o f d m m i m o 技术在w i m a x 多基站协作通信中的应用研究 统，实现了频率在空间上的复用，大大提高了系统容量。第一代移动通信系统的 主要特点是采用频分复用f d m a 和模拟制式语音信号，为模拟调制每隔 3 0 k h z 2 5 k h z 一个模拟用户信道。第一代系统在商业上取得了巨大的成功，但是 其弊端也同渐显露出来： ( 1 ) 频谱利用率低， ( 2 ) 业务种类有限， ( 3 ) 无高速数据业务， ( 4 ) 保密性差， ( 5 ) 设备成本高。 随着数字信号处理能力的提高和i c 设计制造成本的下降，以及数字语音技 术的发展，基于数字通信的第二代移动通信迅速发展。 1 1 3 第二代移动通信系统 为了解决模拟系统中存在的这些根本性技术缺陷，数字移动通信技术应运而 生。这就是以g s m 和c d m ai s 9 5 为代表的第二代移动通信系统，该系统是从 八十年代中期开始发展，并于上世纪9 0 年代初走向商用。模拟蜂窝网虽然取得 了很大的成功，但其频谱利用率低、业务种类受限、通话易被窃听、难以满足市 场需求。到了八十年代中期，随着移动通信系统的发展，欧洲首先推出了泛欧数 字移动通信网g s m ，随后美国和日本也制订了各自的数字移动通信体制。数字 移动通信网相对于模拟移动通信网提高了频谱利用率，支持多种业务服务，并与 i s d n 等兼容。第二代移动通信系统以传输话音和低速数据业务为目的，因此又 称为窄带数字通信系统。第二代数字蜂窝移动通信系统最具代表性的是：欧洲的 时分多址( t d m a ) g s m ( g r o u ps p e c i a lm o b i l e ) ，后改名叫g l o b a ls y s t e m f o r m o b i l e ) ，以及北美的码分多址( c d m a ) 的i s - 9 5 两大系统，另外还有日本的p d c 系统等。 第二代数字蜂窝移动通信系统的典型代表是美国的c d m a 系统i s 9 5 和欧 洲的g s m 系统。全球移动通信系统发源于欧洲，它是作为全球数字蜂窝通信的 t d m a 标准而设计的，支持6 4 k b i t s 的数据速率，可与i s d n 互连。g s m 使用 9 0 0 m h z 频带，采用f d d 双工方式和t d m a 多址方式，每载频支持8 个信道。 g s m 标准体制较为完善，技术相对成熟，不足之处是相对于模拟系统其容量增 加不多，仅仅为模拟系统的两倍左右。 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文o f d m m i m o 技术在w i m a x 多基站协作通信中的应用研究 i s 9 5 是北美的另一种数字蜂窝标准，使用8 0 0 m h z 或1 9 0 0 m i - i z 频带。从 1 9 9 6 年开始，为了解决中速数据传输问题又出现了2 5 代的移动通信系统如 g p r s 和i s 9 5 b c d m a ；系统容量大相当于模拟系统的1 0 - - 2 0 倍。 移动通信现在主要提供的服务仍然是语音服务，以及低速率数据服务。由于 网络的发展，数据和多媒体通信有了迅猛的发展势头。所以第三代移动通信的目 标就是宽带多媒体通信。 1 1 4 第三代移动通信系统 第三代移动通信系统以宽带因特网接入和多媒体业务为主要特征。其中最具 有代表性的是北美的c d m a 2 0 0 0 ，欧洲的w c d m a 以及我国提出的t d s c d m a 三大系统，另外还有欧洲的d e c t 以及北美的u m c 1 3 6 。2 0 0 7 年1 0 月，在美 国政府的推动下，国际电信联盟( 1 1 r m 宣布，批准w i m a x 成为n u 移动无线标 准，以t d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 的方式工作在相应的频段中。至此，i m t - 2 0 0 0 共有4 个标准长期共存。第三代移动通信系统的目标可以概括为： ( 1 ) 可以在不同速率不同运动状态下获得有质量保证的服务， ( 2 ) 能提供多种业务，提供话音、可变速率的数据活动视频会话等业务，特 别是多媒体业务， ( 3 ) 能适应多种环境，可以综合现有的公众电话交换网p s t n 综合业务数字 网，无绳系统，地面移动通信系统，卫星通信系统来提供无缝隙的覆盖， ( 4 ) 足够的系统容量强大的多种用户管理能力高保密性能和高质量的服务 为实现上述目标对其无线传输技术r t l ( r a d i ot r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ) 提出了 以下要求： 高速传输以支持多媒体业务 室内环境至少2 m b i t s 室内外步行环境至少3 8 4 k b i t s 室外车辆运动中至少1 4 4 k b i t s 卫星移动环境至少9 6 k b i t s 传输速率能够按需分配 上下行链路能适应不对称需求 第三代移动通信系统最早由国际电信联盟删于1 9 8 5 年提出当时称为未来 公众陆地移动通信系统，1 9 9 6 年更名为i m t - 2 0 0 0 ( i n t e m a t i o n a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n 2 0 0 0 ：国际移动通信2 0 0 0 ) ：意即该系统工作在2 0 0 0 m h z 频 3 北京邮电大学硕士研究生学位论文o f d m m i m o 技术在w i m a x 多基站协作通信中的应用研究 段，最高业务速率可达2 0 0 0 k b i t s ；在2 0 0 0 年左右得到商用。目前，第三代移动 通信系统的开发基本完成，进入商业部署阶段，而l t e 的标准化工作也已经结 束，l t e a d v a n c e d 的标准化工作正在进行中。 1 1 5 未来移动通信系统 2 0 0 8 年3 月，i t u r 发出通函邀请u 成员提交i m t - a d v a n c e d 候选技术提 案，并参与后期相关评估工作，从而正式启动了i m t - a d v a n c e d 标准化工作，同 时也标志着第四代移动通信系统标准化工作的开始。目前，3 g p p 、3 g p p 2 和i e e e 等国际标准化组织也在积极准备i m t - a d v a n c e d 技术方案。国际上针对速率更高、 性能更先进的新一代移动通信技术已有多年研究，i m t - a d v a n c e d 的国际标准化 工作以u r 为主导，i t u r 的w p 5 d 目前的主要工作是征集i m t - a d v a n c e d 候选技术并最终确定i m t a d v a n c e d 技术方案。u r 将于2 0 1 0 年确定 i m t a d v a n c e d 技术，完成i m t - r a d i o 技术框架报告和i m t r s p e c 技术规范。 r r u rw p s d 为i m t a d v a n c e d 技术制定了详细的技术要求、评估方法和流程。 2 0 0 8 年6 月w p 5 d 迪拜会议最终确定了i m t a d v a n c e d 技术的最低技术要求。 候选技术方案可以是一个空中接口技术( r a d i oi n t e r f a c et e c h n o l o g y ，r r r ) ，也可 以包括多个空中接口技术，一个候选技术方案应该满足以下八个方面的技术要求： ( 1 ) 小区频谱效率 室内：下行小区频谱效率3 b s h z ，上行2 2 5 b s h z 。 微蜂窝：下行小区频谱效率2 6 b s h z ，上行1 8 b s h z 。 城区覆盖：下行小区频谱效率2 2 b s h z ，上行1 4 b s h z 。 高速移动：下行小区频谱效率1 1 b s l - i z ，上行0 7 b 例h z 。 ( 2 ) 峰值频谱效率 下行峰值频谱效率1 5 b s h z ，上行6 7 5b s i - l z 。 ( 3 ) 系统带宽 应支持4 0 m h z 带宽。 ( 4 ) 小区边缘频谱效率室内：下行小区边缘频谱效率0 1 b s l - l z ，上行 0 0 7 b s h z 。微蜂窝：下行小区边缘频谱效率0 0 7 5 b s h z ，上行0 0 5 b s h z 。 城区覆盖：下行小区边缘频谱效率0 0 6 b s h z ，上行0 0 3 b s h z 。高速移 动：下行小区边缘频谱效率0 0 4 b s h z ，上行0 0 1 5 b s h z 。 ( 5 ) 时延控制面时延l o o m s ，用户面时延1 0 m s 。 ( 6 ) 移动性最高支持3 5 0 公里小时。 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文o f d m m i m o 技术在w i m a x 多基站协作通信中的应用研究 ( 7 ) 切换时延频率内切换2 7 5 m s ；同一频段范围内异频切换4 0 m s ，不同频段 范围内异频切换6 0 m $ 。 ( 8 ) v o i p 容量室内每扇区5 0 用户m h z ，微蜂窝和城区覆盖每扇区4 0 用户 m h z ，高速移动每扇区3 0 用户m h z 。 1 2w i m a x 标准发展现状 宽带无线接入技术从上世纪9 0 年代就开始快速的发展起来，但是一直没有 统一的全球性标准。i e e e 8 0 2 1 6 标准的提出就是要建立一个全球统一的宽带无 线接入标准。基于i e e e 8 0 2 1 6 标准的高速无线宽带技术为运营商，无线互联网 服务提供商和设备制造商带了一个全新，经济，可行的市场机遇。 匝e e 8 0 2 1 6 无线技术可帮助弥补宽带覆盖范围空白区域，为家庭和企业用户享受无线宽带接 入服务提供新的选择。i e e e s 0 2 1 6 标准对工作于不同频带的固定和移动无线接 入系统窄中接口进行了规范。 2 0 0 4 年8 月发布的i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 取代了之前所有的版本而成为基础标准， 它将用于支持固定接入的网络应用。i e e e 8 0 2 1 6 e 与8 0 2 1 6 f 和8 0 2 1 6 9 任务组将 对基础规范进行修订，使其不仅能够支持固定接入业务，而且还能够支持6 g h z 频带以下的便携式和移动接入服务。i e e e 8 0 2 1 6 系列标准的发布时间和使用频 段和技术领域如下表所示【1 6 】。 表1 1i e e e s 0 2 1 6 系列标准发布时间、使用频段以及技术领域 标准号发布时间使用频段负责技术领域 定义了固定宽带无线介入系统空中接口 8 0 2 1 62 0 0 11 0 - 6 6 g h z的物理层和m a c 层规范。由于频段较 高，仅能引用语l o s 传输。 为8 0 2 1 6 的扩展，定义了许可和免许可 频段上固定宽带无线接入系统空中接口 8 0 2 1 6 a2 0 0 32 1 1 g h z的物理层和m a c 层规范。支持n l o s 传输，提供了q o s 保证机制，支持语音 和视频等实时性业务。 8 0 2 1 6 的增补性文件，定义了8 0 2 1 6 系 8 0 2 1 6 c2 0 0 21 0 - 6 6 g h z 统的兼容性规范。 1 0 6 6 g h z8 0 2 1 6 的修订版本。定义了固定宽带无 8 0 2 1 6 d2 0 0 4 1 1 g h z线接入系统空中接口的物理层和m a c 5 北京邮电大学硕士研究生学位论文o f d m - m i m o 技术在w i m a x 多摹站协作通信中的应用研究 层详细规范。支持多种业务。 8 0 2 1 6 a 的增补版，支持用户移动性的规 范，使用户可以在基站之间自由切换和 8 0 2 1 6 e2 0 0 5 6 g h z 漫游，进而实现在不同的8 0 2 网络之间 自由切换。 定义8 0 2 1 6 固定无线接入系统m a c 层 8 0 2 1 6 f2 0 0 6 和物理层的管理信息库( m i b ) 以及相关 管理流程。 定义8 0 2 1 6 管理流程和接口，从而实现 8 0 2 1 6 9 2 0 0 78 0 2 1 6 设备的互操作性和对网络资源， 移动性和频率的有效管理。 形成一个具有竞争性和突破性的宽带无 线接入技术，符合删ri m t - a d v a n c e d 8 0 2 1 6 m未完成 中对4 g 技术的要求，同时保持与现有 移动w i m a x 标准的互用性。 1 3本文选题的背景和意义 近二十年来，移动通信系统与无线通信技术高速发展。随着第二代移动通信 系统在全球范围内高速发展，固定电话系统的业务量逐渐萎缩，语音业务的移动 化正在实现，可移动的窄带数据业务也在日常生活中广泛使用。由于无线技术的 制约，目前，宽带数据业务主要还是依靠固定接入系统实现，但是随着8 0 2 1 1 ， 8 0 2 1 5 ，l t e ，l t e a d v a n c e d 和8 0 2 1 6 等无线技术的发展，宽带数据业务的移 动化也初显端倪。随着人类生活水准的提高以及技术发展，宽带数据的移动也一 定会实现，而第三代移动通信系统所能提供的数据速率仍不能满足未来的业务需 求，为此兀u 和i e e e 等国际组织均在热烈讨论未来宽带移动通信标准的发展方 向。 在第三代移动通信系统中，宽带c d m a 技术被普遍采用，成为第三代移动 通信系统的标志性技术。基于c d m a 的基站间协作通信技术一软切换，也随 着第三代移动通信系统的大规模部署而被广泛应用，实践证明，多基站协作通信 技术能有效提高小区边缘用户的服务质量。 在b 3 g 和4 g 系统中，包括l t e ，l t e a d v a n c e d 和w i m a x 等系统， m i m o o f d m 成为未来移动通信系统空中接口的基础性技术。本文将研究基站 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文o f d m m i m o 技术在w i m a x 多基站协作通信中的应用研究 问协作技术在m i m o o f d m 系统中部署和应用，给出了两种可能的多基站协作 通信的方案，并评估其性能和代价。国标电信联盟( n u ) 于2 0 0 7 年1 0 月1 9 日宣布，已经批准w i m a x 成为n u 移动无线标准。i t u 的这一决定对w i m a x 来说无疑是个巨大的好消息，这意味着从计算机领域发展来的w i m a x 系统正式 拿到了进入传统电信领域的通行证。在可以遇见的未来，w i m a x 系统的发展将 势不可挡，故本文采用w i m a x 协议的相关标准和参数作为技术评估的平台。 1 4本文各章节安排 第一章为引言，介绍移动通信与无线通信发展的历史以及本文的研究意义。 第二章主要论述无线信道的基本特征，无线信道是无线通信研究的第一步， 是无线通信技术发展的基础。该章首先介绍了大尺度衰落，包括路径损耗和阴影 衰落；然后介绍了小尺度衰落，包括频率选择性衰落和时间选择性。 第三章介绍未来移动通信系统的物理层关键技术，主要包括o f d m 技术和 m i m o 技术，也是本文评估多基站协作通信技术的基础平台。 第四章主要研究了多基站协作通信技术，提出来在m i m o 技术下的新型协 作通信方法，包括其背景，方案，技术要求等方面。 第五章介绍了基于w i m a x 系统的仿真平台的搭建方法和部分仿真参数配 置。 第六章给出了多基站协作通信的仿真结果。 第七章为本文的结论。 7 北京邮电大学硕士研究生学位论文o f d m m i m o 技术在w i m a x 多基站协作通信中的应用研究 第二章无线信道 研究无线信道是研究无线通信的基础。认识和理解无线信道是研究无线通信 的重要部分。无线信道易受到噪声，干扰，多径，多普勒效应以及其他因素的影 响；而且，由于用户的移动和信道的动态变化，这些因素还随着时间不断变化可 以说，无线通信中几乎所有问题和挑战是糟糕的无线信道给我们带来的，同时， 我们解决这些问题也都是从无线信道入手，利用无线信道的某些特征，从中找到 解决问题，提高性能的方法。 与其它通信信道相比，无线信道是最为复杂的一种，其传输过程受到发送机 和接收机间的复杂地形、移动物体和空气温度湿度以及它们的变化特性的影响， 呈现许多不稳定的传输损伤。信号在无线发射机和接收机问的信道环境下的传播 过程可能经历的传播机制包括直射、反射、衍射和散射，而且由于信道本身的随 机性，各种传播机制在传输中的地位也是随机的，这就是无线信道远比有线信道 的传输环境恶劣的主要原因。有线传输环境通常是静态( 平稳) 的、可预测的，无 线信道则由于前述的各种因素影响，呈现出很强的随机时变性。无线信道的这种 随机性和时变性大致可以划分为三类：自由空间传播损耗与弥散、阴影衰落及多 径衰落。实测表明：这三种效应表现在不同的距离范围。从无线系统工程的角度 看，前两种效应属于大尺度效应( l a r g e s c a l ee f f e c t s ) ，主要影响无线通信的距离 或者无线电波的覆盖范围，通过合理的天线布局等设计可以消除其不利影响；而 后一种效应属于小尺度效应( s m a l l s c a l ee f f e c t s ) ，在数十个波长范围或极短时间 内接收信号呈现快速剧烈的随机性起伏，从而严重影响信号的传输质量，并且不 能通过前述的简单手段加以消除。另外，仅从无线信道特性的时变性还可以把无 线信道划分为快衰落( f a s tf a d i n g ) 信道和慢衰落( s l o wf a d i n g ) 信道。 2 1 无线信道的大尺度衰落 2 1 1 路径损耗 在空间传播时，电磁波的能量随着传播方向不断扩散。如果在理想的自由空 间中，有一理想的点源振子，向各方向均匀辐射电磁波，电磁波以球面的形状向 外辐射，球面面积与其半径的二次方成正比，故电磁波的功率密度与接收天线和 发射天线的距离的二次方成反比( 路径损耗指数y 取为2 ) 。无线电波在自由空间内 8 北京邮电大学硕士研究生学位论文o f d m m i m o 技术在w i m a x 多摹站协作通信中的应用研究 传播，其信号功率会随着传播距离的增加而减小，这会对数据速率以及系统的性 能带来不利影响。最简单的大尺度路径损耗可以表示为： l = 鲁= k 委( 3 - 1 ) 扣毒“万 其中r 表示本地平均接收信号功率，茸表示发射功率，d 是发射机与接收机 之间的距离。对于典型环境来说，路径损耗指数y 一般在2 到4 中选择。由此可 以得到接收端的平均信噪比( s n r ) 为： 舢= 鲁= 喀嘉( 3 - 2 ) 其中n o 是单边噪声功率谱密度，b 是信号带宽，k 是独立于距离、功率和带 宽的常数。如果为保证可靠接收，要求s n r s n r o ，则易得如下表达式： 腿赢( 3 - 3 ) d f n o b 坚s n r o 、i y ( 3 - 4 ) 可见，如果不采用其它特殊的技术，则用户数据的符号速率以及电波的传播 范围都会受到很大的限制。 2 1 2 阴影衰落 当信号通过无线信道传播时，可能受到传播路径上物体的阻碍，造成接收信 号功率的随机变化，这种变化是由于反射或折射物体的变化而造成的。这种衰落 被称为阴影衰落。研究表明【2 】该衰落一般服从对数正态分布，一般取8 d b 。同时， 阴影衰落往往是由于大楼或者其他障碍物的遮挡而引起的，故这种衰落在地点上 存在相关性。 2 2 无线信道的小尺度衰落 在电磁波传播过程中，如果遇到了障碍物，并且障碍物的大小与波长相比很 大，那么电磁波就会发生反射。如果障碍物有比较尖锐的断面，那么电磁波还会 发生衍射。在电磁波传播的介质中，如果充满了大小与波长相比很小的障碍物， 那么电磁波就会发生衍射。由于电磁波反射、衍射现象的存在，即便在收发天线 之间即使没有直接路径存在，电磁波会越过障碍物到达接收天线，接收天线仍然 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文 o f d m m i m o 技术在w i m a x 多基站协作通信中的应用研究 可以接收到电磁信号。在典型的城市或室内环境中，从固定发射机发出的无线电 信号在其传播环境中会遇到各种不同物体。这些物体将使发送信号发生反射，折 射，绕射，衍射，经由反射，折射，绕射，衍射到达接收机的信号分量称为多径 信号分量，接收机收到的各分量有衰减，时延，相移和频移，各径信号在接收机 处叠加，造成了信号的失真。这种信号传播的多径效应就形成了无线信道的小尺 度衰落。 2 2 1 平坦衰落与频率选择性衰落 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展；当发送端发送一个极窄的脉 冲信号时，接收端收到许多不同时延的脉冲组成的信号；从频域上来看信道对发 送的信号进行了滤波，对信号中的不同频率的分量信道增益不一样；在频率上很 接近的分量它们的增益也很接近，而在频率上相隔很远的分量它们的增益相差很 大。因此，根据信道对信号频率的选择性，也就是时延扩展和相干带宽，把衰落 信道分为平坦衰落信道( 频率非选择性信道) 和频率选择性衰落信道。 下面将通过数学模型，推导出平坦衰落信道和频率选择性衰落信道的产生。 假设基带传输信号s ( t ) 具有低通谱s ( o ，即 + r s ( d = j5 e ，2 矾吖 ( 3 - 5 ) ， 一 定义其带宽 对于窄带信号 珐= 1 f l s ( 而f ) l r 2 d f b s f c ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) 有 y c c ，= j _ s e 口，r ，障口七e 一口7 r c ，+ 尼k 】d 厂 c 3 8 ， 信道的低通( 基带) 等效传输函数为 日= yc r k e - 伽( ， z 一 七 接收的信号可写为 1 0 ( 3 - 9 ) 北京邮电丈学硕士研究生学位论文o f d m m i m o 技术在w i m a x 多基站协作通信中的应用研究 y = s h e 舯，t df(3-10) 由于信号带宽为b s ，则式中的积分限取为g 一孚，正+ 譬) 即可，且积分限的 中心是在五( 载频) 上。即) ，( c ) = e 至s h e j 2 ，r l t b s 吖。 ，l 把( 2 - 9 ) 展开成幂级数，并只取前三项( 忽略大于3 阶的余项) ： z 口k e - - j 2 7 t f c t k 】一2 ，矿【：萋口k r k p 一2 巧艮f 七】 + 竿隆妒叫 p 1 1 ) = h ( o ) - j h ( 1 ) 一h ( 2 ) ( 厂) 驴) - y 懈书赡礓 j r 一 _ i c 鹏协2 町除胁觚】lkj 驴协2 竹2 隆1 妒叫七j h ( o ) 为与频率无关的复数，h ( 1 ) ( f ) 与频率成线性关系，而h ( 2 ) ( f ) 与频率的平 方有关。 当满足下列条件时，h ( o ) 在h ( f ) 中占主导地位时： i f r k l 吃( 3 - 1 4 ) 瓦 瓦 艮 b o ( 3 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) 从频域可看出，信号失真随发送信号带宽的多普勒扩展的增加而加剧。 当信道的相干时间远远大于发送信号的周期，即基带信号的带宽b s 远远大于 多普勒扩展时，信道冲激响应的变化比要传送的信号码元周期低得多，可认 为该信道是慢衰信道，即 且 b 已 b b o ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) 在慢衰信道中，可认为信道参数在一个或多个信号码元周期内是稳定的。 前面已经分别介绍t d , 尺度衰落信道根据时间色散参数( 时延扩展和相干带 宽) 、频率色散参数( 多普勒扩展和相干时白j ) 进行分类的情况，综合考虑时间色散 参数和频率色散参数，将信道进一步分类为频平时平、时平、频平和非平四类。 所谓频平时平( 频率平坦一时间平坦) ，又称平坦慢衰落，是指信号的带宽小于信 道的相干带宽，并且信号的持续时间小于信道的相干时间；而时平( 时间平坦) ， 又称频率选择性慢衰落，是指信号的持续时间小于信道的相干时间，并且信号的 带宽大于信道的相干带宽；频平( 频率平坦) ，又称平坦快衰落，是指信号的带宽 小于信道的相干带宽，并且信号的持续时间大于信道的相干时间；非平( 频率和 时间都不平坦) ，又称频率选择性快衰落，是指信号的持续时间大于信道的相干 时间，并且信号的带宽大于信道的相干带宽。 北京邮电大学硕士研究生学位论文o f d m m i m o 技术在w i m a x 多基站协作通信中的应用研究 图l 无线信道衰落分类 时平非平 频平时平频平 1 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文o f d m m i m o 技术在w m i a x 多基站协作通信中的应用研究 第三章无线通信基本理论 在未来移动通信系统中，正交频分复用( o f d m ) 和多天线技术( m i m o ) 成为领 域内研究热点。 3 1o f d m 技术 正交多载波调制是一种高效的数据传输方式，其基本思想是把高速数据流分 散到多个正交的子载波上传输，从而使子载波上的符号速率大幅度降低，符号持 续时间大大加长，因而对时延扩展有较强的抵抗，减小了符号间干扰的影响。但 是这并不能完全消除符号间干扰，时延扩展总是会存在的。在实际系统中，通常 在符号前加入保护间隔，只要保护问隔大于信道的时延扩展则可以完全消除符号 间干扰。相对于一般的多载波传输的不同之处是，它允许子载波频谱部分重叠。 只要满足子载波间相互正交，则可以从混迭的子载波上分离出数据信息。由于允 许子载波频谱混迭，其频谱效率大大提高，因而o f d m 是一种高效的调制方式。 此外，o f d m 对窄带干扰也有很好的抵抗力。因为窄带干扰只影响子载波很少 的一部分，对频率选择性信道，通过在子载波上使用纠错控制编码容易获得频率 分集。o f d m 技术由于具有上述特点，是对高速数据传输的种潜在的解决方案， 因而当前在无线高速数据通信中都倾向于使用o f d m 技术，如欧洲的数字音频 广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) ，以及有线数据通信中，如数字用户线x d s l 系 列技术。 3 2m i m o 技术 多天线技术能够充分利用空间资源，在不增加系统带宽和天线总发送功率的 情况下，有效对抗无线信道衰落的影响，大大提高了通信系统的频谱利用率和信 道容量1 2 1 1 3 1 ，是新一代无线移动通信系统可能采用的关键技术之一。 m i m o 系统在无线通信系统的发送端和接收端都安置多个天线。在发送端， 数据流输入到发送处理模块中，在这里，输入信息进行编码、星座映射，可能还 要进行一定的加权，然后送到各副发送天线上，经过上变频、滤波和放大后发送 出去。在接收端，接收机将多副接收天线接收的信号进行解调、匹配滤波、接收 处理和译码，以恢复原始数据。可见，m i m o 技术的出发点是将发送天线阵列与 北京邮电大学硕士研究生学位论文o f d m m i m o 技术在w 订江a x 多摹站协作通信中的应用研究 接收天线整列相结合以改善每个用户的通信质量( 如误码率) 或者通信效率( 如数 据速率) 。 多天线技术的核心思想是空时信号处理，即在原来时间维的基础上，通过使 用多副天线来增加空间维，从而实现多维信号处理，获得空间复用增益或空间分 集增益。因此，m i m o 技术可以视为智能天线技术的一种扩展。显然，在m i m o 链路中，仍具有传统智能天线的优点。因为m i m o 系统的数据经过的是矩阵信 道而非矢量信道，这为改善性能或者提高速率提供了更大的可能。m i m o 系统不 仅可以提供更多的空间分集增益，而且如果事先知道信道信息，m i m o 系统还可 以通过信号组合来提供阵列增益。实际上，m i m o 系统将多径无线信道与发射、 接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。 3 2 1 空时码 在传统的s i s o 信道中，每个码元间隔内发送的是一个标鼍符号，f 日是在 m i m o 信道中，每个码元间隔内发送的是一个向量。此外，m i m o 中的信号设 计可能包括多个天线和多个码元间隔，因此称之为空时碉j ( s