（通信与信息系统专业论文）mimo信道空时均衡技术研究.pdf

主海犬攀鹾圭学控论文m i m o 箍道皇封均簿拄寒疆究 摘要 髓麓因特鼹盈务和多媒体应用在下一彳弋笼线通信系统的集成，对于宽带数 据通信舭务的需求正在不断增长。由于可用无线频谱的有限性，只熊寻求更高 效的倍母传输和处理技术来灾现更高的数据传输速率。信息论领域：i 艟年来的研 究表明，在无线信道中采瘸m i m o 结构链够基溪提高通信系统容璧。 零论文撮据m t m o 系统实矮纯所嚣貉静主要魏蘸，对m i m o 系统豹接浚 算法进行了较深入的研究。根据信道多径时延扩展相对符号周期是否可以忽略， 将m i m o 信道分成窄带和宽带分别加以研究。 谯窄带m i m o 信遵祭l 牛下，贝承试验室盼b l a s t 系统是一蕈申弓 人注意的 残功豹m i m o 系统。搴文褒对m i m o 系统善静分瑟空辩餐稼鞫蔹毅算法全面 回顾的綦础上，重点对v - b l a s t 系统在不同天线配置，不同调制方式，不同 最优准则下的性能进行了详细的仿真和分析比较，以寻求算法复杂殿和性能的 折中。v - b l a s t 系统是基于寓散射环境假设，即认为收，发天线降元之间完全 狻立，褥这在宏蜂窝移动黪凌下一般薯不藏立。本文基于a l ia b d i 麓久舞密浚 宏蜂窝m 1 m o 信道模型，对v - b l a s t 系统在臻蜂窝m i m o 菲富散射信道下的 性能进行了仿真，重点研究了到达角( a o a ) 的非均匀分布对v - b l a s t 系统 性能的影响。从而把对v - b l a s t 系统的研究从塞内富散射条件扩燧副了室外 宏蜂窝，放理想独立信道条 串扩展至l 了空时援关傣遵条锌下。 巍巍带m i m o 信遒象 每下，发送翡信号癸经历频率选择性衰落，本文采用 了空时均衡的方法来对抗米自空域和时域的双熬干扰。基于a 1 - d h a h i r 等人提出 的f i rm i m od f e 结构，提出了可以应用于此结构的新的l m s 和r l s 自适应 算法。为了评佑自适应算法的收敛性能，还详缎奔绍了该结构的m m s e 最优解 及英捺静过疆。经过绩冀分褥，迁鞠瑟舞叁逶疯算法臻麓稳定蘧牧敛翻矮甓簿。 r l s 算法收敛速度快于l m s 算法，因而更适用予无线时变信道条件。 关键词：m i m o ，v - b l a s t 判决反馈均衡器，自落应均衡 v 上海犬攀镬圭学整论文 m i m o 蘩遂空对均镬技末疆究 a b s t r a c t w i t ht h ei n t e g r a t a t i o no fi n t e m e ts e r v i c e sa n dm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n si nt h e n e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h ed e m a n df o rb m m b a n dd a t a c o m m u n i c a t i o nk e e p si n c r e a s i n g d u et ol i m i t a t i o no fa v a i l a b l es p e c t r u m s ，t h eo n l y w a yt or e a l i z eh i g h e rd a t ar a t ei st op u r s u em o r ee f f i c i e n ts i g n a lt r a n s m i s s i o na n d p r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e s 。t h er e s e a r c hr e s u l t so fi n f o r m a t i o nt h e o r yr e c e n t l ys h o w t h a ti n t r o d u c t i o no f m i m os t r u c t u r ei nw i r e l e s sc h a n n e lc o u l di n c r e a s et h ec a p a c i t y o f c o m m u n i c a t i o ns y s t e mr e m a r k a b l y t h et h e s i s ，a i m i n ga tt h em a i nc h a l l e n g e so fp u t t i n gm i m os y s t e m si n t o p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s h a sc o n d u c t e d 证- d e p t hr e s e a r c h e sa b o u ta l g o r i t h m so f m i m o r e c e i v e r a c c o r d i n gt ow h e t h e rt h em u l t i p a t h st i m ef e l 鑫ys p r e a di sn e g l e c t a b l e c o m p a r e dt os y m b o ld u r a t i o n t h ew i r e l e s sc h a n n e l sc a l lb ed i v i d e di n t ob r o a d b a n d o rn a r r o w b a n d ，a n db ei n v e s t i g a t e ds e p a r a t e l y u n d e rt h ec o n d i t i o no fn a r r o w b a n dc h a n n e l ，t h et h e s i sf i r s t l yg i v e ss o m eb a s i c r e s u l t sa b o u tt h em i m oc h a n n e l sc a p a c i t y 协r e v e a lt h ep o t e n t i mo fm i m o t e c h n o l o g yi ne s c a l a t i n gc h a n n dc a p a c i t y a f t e rab r i e fr e v i e wo fs e v e r a ll a y e r s p a c e * t i m e ( l s t ) s t r u c t u r e sa n d r e c e i v e r a l g o r i t h m s ，t h ep e r f o r m a n c e s o f v - b l a s tr e c e i v e ra l g o r i t h m su n d e rd i f f e r e n ta n t e n n aa r r a yc o n f i g u r a t i o n s ，d i f f e r e n t m o d u l a t i o nm e t h o d e s ，a n dd i f f e r e n to p t i m u mc r i t e r i o n e sa r es i m u l a t e dt op u r s u e b a l a n c eb e t w e e na l g o r i t h m s c o m p l e x i t i e sa n dp e r f o r m a n c e s ，v - b l a s ts y s t e m a s s u m e sr i c h s c a t t e r i n ge n v i r o n m e n t st oi n s u r ei n d e p e n d e n c eb e t w e e na n t e n n aa r r a y e l e m e n t so fr e c e i v e r t r a n s m i t t e r u n f o r t u n a t e l y , t h ea s s u m p t i o no fi n d e p e n d e n c ei s n o tr e a l i s t i cu n d e rm o s tp r a c t i c a lm a c r o c e l lm o b i l ee n v i r o n m e n t s b a s e do ut h e m a c r o - c e l lm i m oc h a n n e lm o d e lp r o p o s e db ya l la d b i ，t h ep e r f o r m a n c eo f v - b l a s ts y s t e mu n d e rd i f f e r e n td i s t r i b u t i o no fa o ah a sb e e np r e s e n t e d t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h ed i s t r i b u t i o no fa o aa tm ss i d ep l a y sak e y r o l ei ni n f l u e n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo fm i m os y s t e m su n d e rt h ec o n d i t i o no f v 上海大学硕士学位论文 m i m o 信道空时均衡技术研究 n o n i s o t r o p i cs c a t t e r i n g u n d e rw i d e b a n de n v i r o n m e n t ，t h et h e s i su s e ss o c a l l e ds p a c e - t i m ee q u a l i z a t i o n t oc o u n t e r a c tt h ei n t e r f e r e n c ef r o mb o t hs p a c e - d o m a i na n dt i m e d o m a i n t h et h e s i s b a s e do u rw o r k e so i lm i m od f er e c e i v e rs t r u c t u r ew h i c hw a sf i r s tp r o p o s e db y a l - d h a h i re t c t w on e wa d a p t i v ea l g o r i t h m sw e r ep r o p o s e du n d e rt h es t r u c t u r e t h e m m s eo p t i m u ms o l u t i o no ft h es t r u c t u r eh a sb e e nr e p r e s e n t e d ，w h i c hp r o v i d e sa m e a n st oq u i c k l ya n a l y z et h ea d a p t i v ea l g o r i t h mp e r f o r m a n c e s i m u l a t i o n ss h o wt h a t t w oa l g o r i t h m sc o u l dc o n v e r g et oo p t i m u ms o l u t i o ns t e a d i l y r l sa l g o r i t h m c o n v e r g e sm o r eq u i c k l yt h a nl m sa l g o r i t h m ，s oi tf i t sm o b i l et i m e v a r y i n gc h a n n e l b e t t e r k e y w o r d s ：m i m o ，v - b l a s t ，d f e ，a d a p t i v ee q u a l i z a t i o n v i l 上海大学颟上学位论文m i m o 癌遵空瓣臻簿鼓东掰宪 a o a 嘲g n b l a s t b s 转3 g c c i c s i d f e f l r h s d p a i s i l o s l s t 轴莲s m m o m l m r c m s m m s e o f d m q a m l 璩s s | e s n r s t c z f 英文缩略说明 a n g e lo f a r r i v a l a d d i t i v ew h i r eg a n s s i a n n o i s e b e l ll a bl a y e r e d s p a c e - t i m e b a s es t a t i o n b e y o n d3g e n e r a t i o n c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e h i 垂s p e e dd o w n l i n k p a c k e ta c c e s s i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e l i n eo f s i 曲t l a y e r e ds p a c e - t i m e l e a s tm e a ns q u a r e m u l t i - i n p u tm u l t i o 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 mr a t i oc o m b i n i n g m o b i l es t a t i o n m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r 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 h i p l e x i n g q 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 r e c u r s i v el e a s ts q u a r e s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e u a t i o n s i g n a l t o - n o i s er a t i o s p a c e - t i m ec o d i n g z e r o - f o r c i n g v 1 1 1 到达角 加性高斯自噪声 贝尔试验室分屡空时编码 基站 超三我 共信道干扰 信道状态信息 判决反馈均衡器 有限净击瞧旋 商速下行分缀数据接 符号间干扰 视线 分层空时 最小均方 多输入多输出 最大似然 最大比率合并 移魂台 最小均方误麓 正交频分复用 止交幅度调制 递归最小二黎 颓痔干撬消除 信噪比 空时编码 追零 上海夫攀磺士学棱论文 m i m o 癌遵空簿均衡技术硪究 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在静师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标、淀和致谢的地方外，论文中不包含熟他人已发 表或撰写过盼研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任俺羹献均己在论文中锋了鞠确酶说骥劳表示了澍意。 签名： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可潋公布论文静全郝浅部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：簿爨签名：碰蠢麓： i l 渺6 毒。； 上海夫攀嫒圭学位蛇文 m t m o 穗遂空时均衡技术硪究 第一章绪论 1 1 课题研究的背景，目的和意义 最近十年来，因特网和移动通信飞速发展，在第三代蜂窝移幼通信中已经 部分地引入了无线因特嘲和多媒体业务。而谯辨一代移动通信系绕( 即所谓的 b e y o n d3 g 或4 g 中，入键霹绩辕速率提蹬了筵裹熬要求，这魏黉要采臻更先 进酌信母传输和处理技术柬实现更高的傣输瀵率。然而频谱资源总是有限的， 要支持高速率就要开发舆有极高频谱利用率的无线通信技术。信息论领域近年 来的研究表明，采用多进多出( m i m o ) 结构可以显著提高无线系统的频谱利 用率f l o 瑚。实验室的初步实验结果证实，采用m i m o 技术在室内传撩强凌下鲍 频港散率霹虢这弱2 0 - 4 0 b i t s s h z l 4 ；瑟镬麓传统无线逶售技寒焱移麓蜂窝中静 频谱效率仅为1 - 5 b i t s s h z ，在点到点的固定微波系统中也只有1 0 * 1 2 b i t s s h z m i m o 是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线的结构， 而传统的通信系统是单进雄燃( s i s o ) 系统，溅于发射分集和接收分集的多进 擎爨( m i s o ) 方式窝擎逡多滋( s i m o ) 方式纛蹩m i m o 熬一部分。m i m o 著 不蹩一门新技术，军在1 9 0 8 年马可尼就提出爝m i m o 方式来抵抗无线信道的 衰落。1 9 9 8 年，贝尔实验漆的e t e l a t a r 和g j f o s c h i n i 分别在他们各自的论 文【1 ，2 1 中论证了理论上的m i m o 信道的香农容鬣。他们指出，使用n x m 信道 矩薄撼遴掰棂发射天线秘根接收天线系缀敕无线信道，如栗n xm 售遭矩 薄豹元素溺其有理想黪猿立衰落，系统容量耨会随发射方和接浚方天线数中最 小一方的天线数m i n ( m m 的增加而线性增加，遮可以在单进单出系统的基础上 成倍地增加系统容量。同时，f o s c h i n i 还开发了用于m i m o 系统的实际发射 接收算法，这就是著名的贝尔实验室分层空时( b l a s t ) 算法【3 】。蕨来另外一 令突酸佼豹方案，帮窒瓣缀褥豹惹惩由a t & t 突验室搀窭嘲，宅可叛突现m i s o 和m i m o 系统的发射分鬃增益。这些信号处理方案可以大大提高无线通信系统 的容量及可靠性，因而吸引了大量的研究开发人员和工程技术人员进行更深入 的研究。 上海火学硕士学位论文m i m o 信道空时均衡技术研究 虽然m i m o 技术由于其在提高频谱效率方面突出的优势，被普遍认为是下 一代无线通信系统的核心技术之一；然而m i m o 系统在信道容量与建模，信号 设计和信号处理等方面还有很多问题亟待解决。本课题正是针对m i m o 技术实 用化面临的主要挑战，对m i m o 系统的各种接收算法进行深入的研究。在分析 综合现有的分层空时结构( l s n 和各种v - b l a s t 接收算法的基础上，致力于将 窄带m i m o 系统应用于室外非理想环境下的研究。针对宽带m i m o 信道条件 下的频率选择性衰落，采用m i m od f e 的结构来对抗空域和时域的双重干扰， 并寻求适用于无线时变环境的自适应算法。 目前，很多国家都已经开始新一代移动通信系统的研究，新一代移动通信 系统可以提供高速率( h s d p a i s u p a ) 的数据业务，因此必须采用一些具有 高频谱利用率的传输技术。m i m o 技术具有极高的频谱利用率，而且其提供的 空间分集可以显著改善无线链路性能，提高无线系统的容量和覆盖面。因此， m i m o 技术是未来无线通信中极具竞争力的技术，不但为固定无线接入技术带 来革命性的变化，而且将对无线蜂窝系统产生深远的影响。 1 2m i m o 技术研究概况 1 2 1m i m o 技术 m i m o 技术实质上通过在收发端使用多天线结构为系统提供空间复用增益 和空间分集增益，目前针对m i m o 系统所进行的研究也主要围绕这两个方面。 空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集技术则可以提高信道的可靠 性，降低信道误码率。 1 空间复用技术 空间复用就是在接收端和发射端使用多付天线充分利用空间传播中的多径 分量，在同一频带上使用多个数据通道( m i m o 子信道) 发送信号，从而使得 信道容量随着天线数量的增加而线性增加。这种信道容量的增加不需要占用额 外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率，因此是提高信道和系统容量的一种 非常有效的手段。 上海大学硕士学位论文m i m o 信道空时均衡技术研究 空间复用的实现首先将需要传送的信号经过串并转换转换成几个平行的信 号流，并且在同一频带上使用各自的天线同时传送，由于多径传播，每一付发 射天线针对接收端产生一个不同的空间信号，接收方利用信号空间特性的不同 来区分各自的数据流。实现空间复用必须要求发射和接收天线阵元之间的间距 大于相关距离，这样才能保证收发端之间各个子信道是独立衰落的不相关信道。 b l a s t 是一种可以实现空间复用增益的算法。1 9 9 6 年f o s c h i n i 提出对角贝 尔实验室分层空时码( d b l a s t ) 算法【3 】，但是由于算法的复杂度太大，很难 实际应用。1 9 9 8 年由f o s e h i n i 和g g o l d e n 又提出了计算复杂度较低的v - b l a s t 算法【4 。v - b l a s t 算法是算法复杂度和译码性能综合考虑下的一种最优的译 码算法。 实现空间复用的接收算法按采用的最优准则可以分为基于迫零准则( z f ) 的算法、基于最小均方误差( m m s e ) 的算法和基于最大似然准则( m l ) 的算 法。迫零算法是一种线性接收方法，可以很好地分离同频信号，但是需要有较 高的信噪比才能保持较好的性能。另一种线性接收算法是最小均方误差算法， 该算法可以使由于噪声和同频信号相互干扰造成的错误最小，尽管它降低了信 号分离的质量，但具有较好的抗噪性能。最大似然算法是最优算法，性能最好， 但是计算复杂性高，难于应用。 2 空间分集 空间分集技术可以分为接收分集和发射分集两类，通常可以认为s i m o 系 统是接收分集，m 1 s o 系统是发射分集。无线信号在复杂的无线信道中传播产 生瑞利衰落，在不同空间位置上其衰落特性不同。如果两个天线位置间距大于 相关距离( 通常相隔十个信号波长以上) ，就认为两处的信号完全不相关，这样 就可以实现信号空间分集接收。空间分集一般用两副或者多副大于相关距离的 天线同时接收信号，然后在基带处理中将多路信号合并。 在s i m o 系统中的接收分集技术可以分成最大比率合并( m r c ) 、等增益 合并和选择分集合并三种类型【2 2 】。在最大比率合并的接收中，每一副天线的输 出用一个复数加权，然后相加；等增益合并接收使各副天线的输出信号保持同 相，然后相加。选择分集合并接收中，简单地选择众多信号中的一个质量最好 上海大学硕士学位论文m i m o 信道空时均衡技术研究 的天线的信号，并使用该信号作为接收到的信号。由于最大比率合并( m r c ) 之 后信号的信噪比等于合并之前各支路的信噪比之和，因此是最佳的合并方式。 m i s o 系统可以实现发射分集，就是将分集的负担从终端转移到基站端， 然而采用发射分集的主要问题是在发射端不知道衰落信道的信道状态信息 ( c s i ) 。因此，必须采用信道编码以保证各信道传输具有良好的性能，具体是 采用空时编码 6 , 7 , 8 , 2 7 l 。空时编码( s t c ) 是信道编码设计和多发射天线的结合， 由a t & t 实验室的t a r o k h 等人提出。空时编码在将数据分成m 个数据子流在 m 付天线上同时发射时，建立了空间分离信号( 空域) 和时间分离信号( 时域) 之间的关系，而且在采用最大比率合并( m r c ) 技术接收时，这些空时码方案 可以获得相同的分集增益。除了分集增益以外，好的空时码还可以获得一定的 编码增益。 基于分集发射的空时码可以分为空时格9 3 ( s t t c ：s p a c 冷t i m et r e l l i sc o d e ) 和空时块码( s t b c ：s p a c et i m eb l o c kc o d e ) 2 们。空时格码有较好的性能，但其译 码复杂度与传输速率成指数关系，实现难度较大。s m a l a m o u t i 在文献【6 】中论 证了通过一定的信道编码可以将1 2 的接收分集增益，转换成2 1 的发射分集 增益而不会损失分集增益，这可以认为是空时块码的原始模型。在这个基础上 t a r o k h 提出了空时块码【7 】 正交设计的空时块码性能稍逊于空时格码，但其译 码复杂度很低，还可能得到最大的发射分集增益。空时编码的信号经过多条相 关性较小的无线信道到达接收端，接收端解码的时候通常需要知道无线信道参 数，即需要信道估计。信道估计可以使用周期发送导频训练序列进行信道估计， 也可以使用盲估计方法。 目前，对于m i m o 技术的研究主要围绕以上两个方面展开，本文对m i m o 技术的全部研究工作集中于空间复用方面，对空间分集则没有涉及。 1 2 2m i m o 技术应用现状： 目前，朗讯、松下、金桥和n t td o c o m o 等公司都在积极倡导m i m o 天 线系统技术在无线网络中的应用。 在3 g p p 的高速下行分组接入方案( h s d p a ) 中已提出了使用m i m o 天线 4 上海大学硕士学位论文m i m o 信道空时均衡技术研究 系统，这种系统在发送和接收方都有多付天线，可以认为是双天线分集的进一 步扩展。在3 g p p 的w c d m a 协议中，定义了六种分集发射方法：空时发射分 集( s t t d ：s p a c et i m et r a n s m i td i v e r s i t y ) 、时间切换发射分集( t s t d ：t i m e s w i t c h e dt r a n s m i td i v e r s i t y ) 、两种闭环发射分集模式、软切换中的宏分集，以 及站点选择分集发射( s s d t ：s i t es e l e c t i o nd i v e r s i t yt r a n s m i t ) m i m o 技术已经广泛地应用在固定宽带无线接入领域中。采用m i m o 技 术的主要公司是i o s p a nw i r e l e s s 和r a z et e c h n o l o g i e s 。i o s p a nw i r e l e s s 的 a i r b u r s t 系统是基于m i m o o f d m 的f d d 系统。r a z et e c h n o l o g i e s 的s k y f i r e 系统也具有m i m o 接口。 1 2 3m i m o 技术研究现状及待解决的问题 过去的十几年中，m i m o 技术已经取得相当大的进展，但是在实际的系统 中要达到m i m o 理论上的容量仍然有许多技术难点。这些技术难点也是目前 m i m o 技术的研究热点，下面就对这些热点问题进行介绍。 1 信道建模和信道容量 研究m i m o 技术时必须考虑信道模型。f o s c h i n i ，t e l a t a r 以及其他一些人士 在最近发表的有关论文中提出的m i m o 信道模型，都是不符合实际环境的的 理想模型。f o s c h i n i 给出的只是在理想情况下的信道容量 2 】，其假定m i m o 系 统的子信道之间互不相关，并且信道矩阵是一个满秩矩阵；而实际应用中应该 考虑多径，考虑衰落之间的相关性对信道容量的影响。所以实现m i m o 系统实 际增益的关键在于建立更准确的信道模型，这就必须考虑无线电波在实际传播 环境中的各种散射情况。同时需要考虑的因素有：发射和接收天线阵列的形状、 天线阵元的间距，接收信号的角度扩散，信道衰落的模型是r a y l e i g h 衰落还是 r i c e 衰落，多径分量，天线的极化，等等。综合考虑上述因素，所需要的m i m o 信道模型的一阶和二阶统计特性应该与现场实测的数据尽可能地吻合。第四章 采用的a l ia b d i 等人提出的宏蜂窝信道模型就综合考虑了以上主要因素，而 且与实测数据吻合良好。 f o s c h i n i 和l e e 的论文0 1 给出了非理想情况下m i m o 信道容量最初始的 上海大学硕士学位论文m i m o 信道空时均衡技术研究 一些研究结果，新模型的修订使得香农容量可以看做传播环境的函数，这样更 贴近实际的m i m o 信道。 2 m i m o 系统的信号设计和信号处理 对于实际的m i m o 系统，首先应考虑m i m o 信道的识别，也就是信道估 计，可以使用盲或者非盲的信道估计；其次要考虑对于已知信道应如何设计最 佳发送信号，尽可能设计出适合于大多数信道模型的通用信号，还可以考虑采 用针对m i m o 信道的前向纠错编码；最后是接收端的信号处理，接收信号处理 对应发送信号设计，如果使用最优的发送信号方案，可以大大简化对接收信号 的处理。一旦发送方案确定，就可以确定各种接收端的结构，当前研究的主要 问题是寻求信号处理结构在性能和处理复杂性两者之间的折中。 目前针对m i m o 信道典型的发射方案可以分成两类：空间复用或者空间分 集方案。前者的目标是采用b l a s t 算法使数据发送速率最大，后者是利用空 时编码的思想使误码率最小，二者从不同的方面最大化地提高信道频谱利用率。 3 与传播相关的研究方向 由于宽带无线信道不可避免的要经历频率选择性衰落，它带来的影响是码 间串扰( i s i ) ，传输速率越高，i s i 越严重，所以一般采用时域上的均衡来抵抗 多径效应，这一点已在现在的第二代移动通信系统中得到应用。如何解决宽带 m i m o 系统中的i s i 问题也是一个很重要的问题，现在常用的方法一是m i m o 与o f d m 技术结合。o f d m 技术具有内在的很强的抗i s i 能力，而且o f d m 是 一种高速率的调制技术，具有灵活性高、基于成熟的数字处理技术易于实现等 优点，因此应用o f d m + m i m o 被普遍认为是b 3 g 将采用的主流技术之一。另 一种方法是在接收端做空时均衡处理。尽管均衡技术，做为传统的对抗i s i 的 方法，已经被进行了大量深入的研究。但是在收发端使用多天线引发了在m i m o 系统中均衡技术研究新的热潮，特别是自适应均衡理论特别适用于无线时变环 境，所以将成熟的均衡理论应用于m i m o 这一新的领域仍然是极具吸引力和挑 战性的课题，这也是本论文的主要研究内容。 上海大学竣士学位论文m i m o 痿遵空瞬垮舞技米辑究 1 3 论文的主要研究内容 本文豹内容主要涉菠m i i v l o 系统孛戆接蔽飘簿法磅究。鬏蘩谈楚耋多径延遮 扩展相对符号周期是否可以忽略，将m i m o 慵j 藏分成窄带m i m o 俗道和宽带 m i m o 信道分别加以研究。在窄带m i m o 信邋条件下，符号问干扰( i s i ) 可 以忽略，主要的于扰源是求国其他天线的共信邋干扰( c c i ) 和白噪声。我们 善宠分绥7m i m o 系统骞爨方瑟瓣一些基本绪论，稻示窭了m i m o 在提蠢系 统容量方面的巨大优势。通过对m i m o 系统各荸申分层空时结构和接收算法进行 全面回顾的基础上，重点对v - b l a s t 系统在不同天线配置，不同调制方式， 不同最优准则下的性能进行了详细的仿真和分析比较，以寻求算法复杂度和性 能的狲巾。在l 鞋：基础上，邋避对v - b l a s t 在宏蜂窝m i m o 信道祭传下的性能 分辑撼对窜带m i m o 系绞静疆究疑室蠹蜜教瓣繇壤拓震翻了室舔滋酶窝，簌理 想独立倍道条件拓展到了鼹接近实际的空时相关信道条件下，详细分析了a o a 不同分布对v - b l a s t 系统性能的影响。在宽带m i m o 信道条件下，发送的信 号要经历频率选择性衰落，零文采用带干扰消除的m i m od f e 结构来对抗空域 葶羹跨躐瓣双重于撬，赞瓣燹线燕遒瓣霹交睦，羧察设诗了瘟弱予魏绦鞠戆蓑豹 l m s 和r l s 两种自适应算法，通过仿真证鞠菠能够稳定遗收敛子m m s e 最优 解。r l s 算法由于其快速收敛的特性，因而更邋龠于无线时变信道廒用。 在篇一章中阐述了课题研究的背景、目的、意义以及国内外研究的现状。 第二鼙遁遘对m i m o 系绕寮萎夔分辑，揭示爨m i m o 系统在提舞寨爨方嚣相 对转统s i s o 系统巨大豹德势。第三章，对各种m i m o 分层空露结构和常瑶接 收算法进行了系统的介缁，通过大量的仿真，分析了不同配置条件下各种 v - b l a s t 算法的性能。第四南把对v - b l a s t 系统的研究扩展到了 理想信道 条件下，对v - b l a s t 系统焱宏蜂窝m 1 m o 空时根关信道下的性熊遴行了仿真 窝分掇。第五章馥嚣霹m i m o 系绫瓣簪 究深入鞠了舞鸶额枣选择瞧波藩条终下。 第五章怒对自适应均衡技术的一个简单回颈，笫六章提出了应用于宽带信道的 m i m od f e 系统模型，璧新推导了该模型下的m m s e 最优解。第七章在此模 型基础上提出了新的l m s 和r l s 自适应算法，通过仿真分析了新算法的收敛 7 r 海大学硕士学位论文m i m o 信道空时均衡技术研究 特性。最后第八章对研究课题所做的工作做了总结，并对进一步的研究方向做 了展望。 上海大学硕士学位论文m i m o 信道空时均衡技术研究 第二章m i m o 系统容量 2 1 概述 随着蜂窝移动通信，因特网和多媒体业务的发展，世界范围内无线通信的 容量需求在迅速增长。另一方面，可利用的无线频谱资源总是有限的，如果无 线频谱的利用率没有得到显著提高，就不可能满足用户对通信容量的需求。在 单天线链路系统中，采用先进的编码技术( 例如t u r b o 码和l d p c 码) 可以接 近香农容量的极限。通过增加发射端和接收端的天线数量，可以进一步显著提 高频潜利用率。 本章介绍和讨论了在m i m o 信道上传输的基本容量极限，主要基于t e l a t a r t l 】 和f o s c h i n i z 的理论工作。这些容量极限强调了m i m o 信道在理想信道条件下 的潜在频谱利用率与天线数量呈线性关系。假定信号可以被任意长的空时码编 码，则信道容量可以表示为在任意低的误码率的情况下所能达到的最大数据速 率。已经证明，采用贝尔试验室分层空时编码( b l a s t ) 技术可以获得高达 4 2 b i t s s h z 的频谱利用率【4 】。 采用多天线阵列来实现m i m o 信道，一种令人感兴趣的特殊传输方式是将 特定的发射、接收天线对之问的信道等效成平坦瑞利衰落信道。本章仅限于对 窄带信道进行容量分析，因而可以用频率平坦模型来描述。对于存在大量散射 体的富散射( r i c h s c a t t e r i n g ) 环境来说，瑞利模型与实际情况相当接近。在独 立瑞利衰落m i m o 信道中，从每个发射天线发出的信号在每个接收天线处是不 相关的。因此，从每个发射天线发出的信号在接收天线处都有自己独特的空间 特征。 对于天线阵元的间距远大于载波波长，或者来波到达角( a o a ) 角度扩展 相当大的m i m o 信道，可以将其近似为独立的瑞利衰落模型。以蜂窝无线通信 系统中的上行链路为例，在远高于地面的基站中，由于来波信号角度扩展较小， 无线接收信号相关性强，必须采用较大的天线阵元间距以保证接收信号的独立 性。 9 上海大学硕士学位论文m i m o 信道空时均衡技术研究 2 2 图2 1 m i m o 系统框图 f i g2 1m i m os y s t e m 图2 1 所示为一个有m 个发射天线，个接收天线的m i m o 系统。本文以 下全部采用离散时间描述的等效基带表示法。用m 1 列矩阵x 表示每个符号周 期内的发射信号，其中第i 个元素表示第i 根天线发射的信号。 对于高斯信道，按照信息论”1 ，发射信号的最佳分布也是高斯分布。因此 设x 的元素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： r 。= e 缸” ( 2 1 ) 式中，e 代表求均值，x h 代表矩阵x 的厄米特( h e r m i f i a n ) 转置矩阵，即x 的复共轭转置矩阵。不管发射天线数m 为多少，总的发射功率限制为p ，可表 示为： p = t r ( r 。)( 2 2 ) 式中，t “) 代表矩阵的迹，可以通过对矩阵的对角元素求和得到。如信道在发 射端未知，则假定从各个天线发射的信号都有相等的功率p m 。发射信号的协 方差矩阵为： r 。= 言i 。 ( 2 3 ) 式中i 。是时m 单位矩阵。如果发射信号的带宽足够窄，则可以认为它的频率 响应是平坦的。 1 0 上海大学顿蔓：学霞论文 m 1 m o 信道室时均衡技拳研究 用n x m 的复信道矩阵h 描述信道。h g 为信道h 的第i 行i ，列个元索，代 表从第_ ，根缴射天线到第i 根接收天线之间的信道衰落系数。假定根接收天 线中每一掇的接收功率等于总的发射功率。这种假定，实际上忽略了信争转攒 过程中貔餐譬嶷减移藏太，惫据鞠影衰落、天线鬻懿等。于是褥垂了确定倍遥 矩阵h 的元索的规范限定条件，如下式所示： 兰蚶：枷- 1 ，2 ，n ( 2 4 ) j = l 当暴露熬凝继遂酵，矩跨元豢必隧援交量，蘩| l 上炎疲该取箕麓望穰。 信道斑阵薹l 的元素可能是确定的，也可麓是随机的。在多数情况下，假定 它是服从瑞利分布的，因为对于q 视线( n l o s ) 无线传播来说，它最具村代表 性。 可以用n xl 豹剜矩薛捂述接收拣豹噪声，表示为i l ，它斡元素是统诗独立 酶零均毽复离焱交量，它翼有狻立的，方差葙等豹蜜嚣葙痘部。接彀噪声静秘 方差矩阵为： r 。= e i n “ ( 2 5 ) 如果魏嬲元素之闻没有相关拣，燹| 接收噪声豹携方差短阵为： r 。= 疗2 l ( 2 6 ) 则个接收分支中每一个都有栩阀的噪声功率仃2 。 接收端赫于最大似然准则，程根接收天线上进行联合解码。用n l 的列 矢量r 表示羧嫂售号，其孛每一个复元素钱表一撰接收天线懿接牧售号。冀表 示每根接收天线输出端的平均功率。每根接收天线处的平均信噪吃( s n r ) 定义 为： ，= 钐： ( 2 7 ) 毅定每擐天线豹总接毅功率蒜予总发蘩功率，溺s n r 等予憨弱发射功率与 每裉接收天线的噪声功率的比德，并且它独立于磊靠w 写为： ，= z ( 2 8 ) 上海大学硕士学位论文m i m o 信道空时均衡技术研究 可将接收矢量表示为： r = h x + n ( 2 9 ) 接收信号的协方差矩阵定义为e h “ ，利用上式，可以得到： r 。= h r 。h “ ( 2 1 0 ) 而总的接收信号功率可表示为t r ( r 。) 。 2 3m i m o 系统容量 系统容量定义为在保证误码率任意小的条件下的最大发射速率。首先，假 设信道矩阵在发射端为未知，在接收端已知。 由奇异值分解( s v d ) 理论，任何一个m 矩阵h 可以写成 h = u d v “ ( 2 1 1 ) 式中，d 是n x m 非负对角阵；u 和v 分别是n x n 和m m 的酉矩阵。u 和 v 满足u u “= i 。，w “= i 。d 的对角元素是矩阵删“的特征值的非负平方 根。h h ”的特征值( 用z 表示) 定义为： h i “y = 2 y，y 0 ( 2 1 2 ) 式中，y 是与名相对应的n x l 维矢量，称为特征矢量。 特征值的非负平方根也称为h 的奇异值，而且u 的列向量是h h “的特征 矢量，v 的列向量是h “h 的特征矢量。把( 2 1 1 ) 代a ( 2 9 ) ，可以得到接收矢量r r = u d v “x + n ( 2 1 3 ) 引入下列变换： r7 = u “r x = v “r ( 2 1 4 ) n 7 = u “n 其中u 和v 是可逆的。显然，式( 2 1 4 ) q 6 定义的矩阵r ，x 和n 与相应酉矩阵的 乘积相当于一个正交投影变换。矢量n 是一个零均复高斯随机变量，其实部和 虚部独立同分布。这样，前面讨论的信道与下式所描述的信道是等价的： 上海大学硕士学位论文 m i m o 信道空时均衡技术研究 r j = d x + n r 2 1 5 ) 矩阵h h “的非零特征值的数量等于矩阵h 的秩，用，表示。对n x m 矩阵 ，其秩的最大值为m - 爿n i n ( m , ) ，也就是说，至多有m 个奇异值是非零的。 用历表示h 的奇异值。将石代入( 2 1 5 ) ，得到接收信号元素为： 一2 彤l 棚：，( 扣1 ，2 ，l