（通信与信息系统专业论文）mimo系统空时处理技术及其应用研究.pdf

北京邮电大学硕卜学位论文m i m o 系统空时处理技术及其应用研究 m i m o 系统空时处理技术及其应用研究 摘要 随着无线移动通信的发展，移动用户在数量上的增加以及用户对 业务的需求也已从单一的话音业务转向了多媒体业务，这些需要系统 能提供高容量、高可靠性的服务，但是一方面由于无线信道的多径传 播和时变特性会给其中传输的信号造成衰落，影响系统性能；另一方 面由于无线频谱资源的缺乏，使系统在容量上受到了限制。近年来多 天线技术的出现成为解决上述问题的重要方式之一，理论和实践证明 多天线系统比单天线系统在容量方面有很大的优势，多天线系统可以 利用其高容量通过复用来提高传输效率，也可以在保证信息传输速率 不变的条件下通过增加信息的冗余度来提高系统的可靠性，这两种具 体的实现方式就是空分复用( s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ) 和空时编码( s p a c e t i m ec o d i n g ) 。多天线的技术优势使其成为近年来研究的热点。 本文主要是研究多天线系统下的空时处理技术。空时码是在空间 维和时间维对信号进行联合处理的一种技术，本文根据空时码是否基 于发送分集分别进行了讨论，首先从多天线的结构和接收分集存在的 一些缺点引入了发送分集，为了获得发送分集增益就需要对发送的信 号进行相应的处理，这种处理的方式就是空时编码，其代表性的两种 是空时分组码和空时格状码，本文对这两种码分别进行了介绍并做了 相应的比较；另一种空时码不是基于发送分集的，具体的代表就是分 层空时码。分层空时码是空分复用的一种重要形式，由于其可以获得 很高的传输效率而得到了实际中的广泛应用，但是分层空时码的非发 送分集导致了其性能较差。本论文对分层空时码最有代表性的 v b l a s t ( v e r t i c a lb e l ll a b l a y e r e ds p a c e t i m e ) 的译码算法进行了 深入的研究，分析了现有的几种译码方法并利用天线分组和空时码相 结合的方法分析了串行干扰消除方法的错误传播及其错误传播对性 能的影响，然后提出了把天线分组与空时码相结合并利用阵列处理的 方法来抵抗分层空时码译码过程中的错误传播问题。 本文同时也分析了如何把空时码技术应用在宽带系统中，由于空 时码都是在平坦衰落的前提下进行研究和分析的，而实际的宽带系统 通常存在着频率选择性衰落。芷交频分复用( o f d m ) 技术可以把频 率选择性信道赳分成多个并行的平坦信道，因此可以把前面的空时码 北京邮电丈学硕士学位论文 w i m 0 系统空时处理技术及其应用研究 与0 f d m 技术进行相应的结合，使其应用在宽带系统中。这种技术 一方面利用o f d m 技术来抵抗宽带系统中的频率选择性，另方面 利用多天线下的空时码技术来提高性能或传输效率。文中着重分析了 空时码与o f d m 技术结合的几种具体形式，对性能分别进行了仿真 和比较。最后简单的介绍了c d m a 系统中的发送分集技术。 关键词：多输入多输出( m i m o ) 发送分集空时码错误传播串 行于扰消除o f d m 北京邮电大学硕十学位论文m i v o 系统卒时处理技术及其应用研究 r e s e a r c ho ns p a c et i m ep r o c e s s i n go f m i m os y s t e mw i t hi t sa p p l i c a t i o n a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，l ti st h e i n c r e a s eo f m o b i l eu s e ra n dt h ed e m a n dc h a n g e sf r o mt h es i n g l es p e e c ht o t h em u l t i m e d i as e r v i c et h a t r e q u i r e s t h ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m c a n p r o v i d eh i g hc a p a c i v y a n dr e l i a b i l i t y s e r v i c e ，b u t t h e m u l t i p a t h a n d t i m e - v a r i n go f t h ew i r e l e s sc h a n n e lh a sn e g a t i v ee f f e c to nt h et r a n s m i t t e d s i g n a l ，a n dt h es c a r c i t yo ff r e q u e n c yr e s o u r c ew i l ll i m i tt h ec a p a c i t yo f c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h ea p p e a r a n c eo fm i m o ( m u l t i p l ei n p u ta n d m u l t i p l eo u t p u t ) i so n eo fi m p o r t a n tw a y sf o rr e s o l v i n gt h es c a r e i t yo f r e s o u r c e i th a sp r o v e dt h a tm i m o s y s t e mh a sm o r ec a p a c i t yt h a ns i n g l e a n t e n n a , w ec a nn o to n l yi m p r o v et h et r a n s m i t t i n gr a t eo fs y s t e m b u ta l s o i n c r e a s et h ei n f o r m a t i o nr e d u n d a n c yt om e n dt h es y s t e mr e l i a b i l i t yb yt h e h i g hc a p a c i t y o fm i m o ，s p a t i a l m u l t i p l e x i n g s c h e m ec a na d v a n c e t r a n s m i t t i n g r a t ea n ds p a c et i m ec o d i n gc a ni m p r o v er e l i a b i l i t y t h i s m a k e si tb e c o m eo n eo f t h er e s e a r c hf o e l l sl a s t y e a r s t h i sd i s s e r t a t i o nw i l lm a i n l yr e s e a r c ho ns p a c et i m ep r o c e s s i n go f m i m o s p a c e t i m ec o d i n gi sau n i t e ds i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o dw h i c hi s d o n ei ns p a c ea n dt i m es y n c h r o n o u s l ya n di sb a s e do nm u l t i p l ea n t e n n a s y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o nw i l ld i s c u s st w ok i n d so fs t cr e s p e c t i v e l y o n e i sb a s e do nt r a n s m i t d i v e r s i t ya n d 也eo t h e ri sn o t a tf i r s tt h ed i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e st h et r a n s m i td i v e r s i t yu n d e rt 1 1 es t r u c t u r eo f m u l t i p l ea n t e n n a a n dt h ed i s a d v a n t a g eo fr e c e i v ed i v e r s i t y t h et r a n s m i t t e ds i g n a ln e e dt o b ep r o c e s s e di no r d e rt oa t t a i nt h eg a i no f t r a n s m i td i v e r s i t y , s p a c et i m e c o d i n gi s o n eo ft r a n s m i t t e ds i g n a lp r o c e s s i n gw a ya n di sd i v i d e di n t o t w o t y p e s ，o n ei ss p a c e ：t i m eb l o c kc o d i n g ( s t b c ) a n d t h eo t h e ri ss p a c e t i m et r e l l i s c o d i n g ( s t t c ) ，t h et w ot y p e so fc o d e i si n t r o d u c e da n d c o m p a r e di nt h i sp a p e r l a y e rs p a c et i m ec o d i n gi sn o tb a s e d ，o nt r a n s m i t d i v e r s i t ya n di s a ni m p o r t a n tw a yo fs p a t i a l m u l t i p l e x i n g i ti sa p p l i e d e x t e n s i v e l yb e c a u s eo f i t sh i 。g ht r a n s m i t t i n gr a t e ，h o w e v e ri t sp e r f o r m a n c e 4 北京邮电大学硕士学位论文 - 1 1 4 0 系统空时处理技术及其应用研究 i sw o r s ef o ri t sn o n t r a n s m i td i v e r s i t y t h i sd i s s e r t a t i o nw i l lo u t l i n et h e d e c o d i n gm e t h o d so fv b l a s t ( o n e o fl a y e rs p a c et i m ec o d i n g ) a n d a n a l y z i n gt h ed i s a d v a n t a g eo fd e c o d i n g d u r i n gt h ep r o c e s so f n o n _ l i n e d e c o d i n g t h ep h e n o m e n o no fe r r o rd e l a yi si ne x i s t e n c ea n di th a sw o r s e e f f e c to np e r f o f i n a n c e o n ew a yw h i c hi s u s e dt or e s i s te r r o rd e l a yi s a d v a n c e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，i tc o m b i n e ss p a c et i m ec o d i n g w i t ha n t e n n a g r o u p i n g t ow e a k e ne r r o rd e l a yd u r i n gt h ep r o c e s so fd e c o d i n gi na r r a y p r o c e s s i n gw a y t h i sd i s s e r t a t i o na l s oa n a l y s e sh o w s p a c et i m ec o d i n gi sa p p l i e do n b r o a d b a n ds y s t e mi nw h i e l lf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n ge x i s t s ，h o w e v e r s p a c et i m ec o d i n gi s a l lb a s e do nf l a t f a d i n g 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 x i n g ( o f d m ) c a nd i v i d et h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g c h a n n e li n t om a n y p a r a l l e lf l a tf a d i n gc h a n n e l sw h i c hs p a c et i m ec o d i n g 。c a nb ea p p l i e do n ，s ot h ec o m b i n a t i o no f s p a c et i m ec o d i n gw i t h0 f d m c a l lm a k e s p a c e t i m e c o d i n g b eu s e do nb r o a d b a n d s y s t e m t h e c o m b i n e dw a yc a l ln o to n l yr e s i s tt h ef r e q u e n c ys e l e c t i v eo fb r o a d b a n d i no f d mb u ta l s oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo rt r a n s m i tr a t ew i t hs p a c e t i m ec o d i n g t h ed i f f e r e n tc o m b i n e d w a y i ss t u d i e da n dt h ep e r f o r m a n c e i ss i m u l a t e da n dc o m p a r e di nt 1 1 i sd i s s e r t a t i o n a tl a s t 也i sd i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no f t r a n s m i td i v e r s i t yi nc d m a k e y w o r d s ：m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) ，t r a n s m i t d i v e r s i t y ，s t c ，e r r o rd e l a y ，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 l l a t i o n ( s i c ) ， o f d m 北京邮电大学硕士学位论文m i m o 系统空时处理技术及其应用研究 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： 日期 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 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名 日期： 臼期： 北京邮电大学硕士学位论文m i m 0 系统宅时处理技术及其应用研究 第一章引言 近二十年来，无线通信在业务需求和市场的推动下得到了很大的发展，尤其 是移动通信已从开始阶段的小范围网络发展到现在的全球范围网络，与此同时移 动用户数量每年也正以很高的速度在增长。未来个人通信发展的目标应该是任何 人在任何时间、任何地点和任何人之间能够进行任何类型( 数据、语音、图像) 的可靠通信，目前移动通信与这个目标的实现还有很大的差距。由于各个国家采 用的通信模式和网络还不太一样，给全球的漫游带来了一些问题，但是随着无线 通信的发展，这个问题正逐步地被解决。无线通信发展的同时，i n t e m e t 无论在 业务还是在技术方面也以空前的速度向前发展，人们对通过无线方式随时随地接 入因特网获取信息，将会有越来越追切的需求。这种需求从最初简单的收发 e m a i l ，到进行网络浏览、获取多媒体信息及其它多种服务。因此，无线移动通 信和因特网的结合将是一个发展趋势，但是在二者结合的过程中出现的许多问题 还需要进一步解决。 因特网的优点在于它的资源共享并且资源共享的同时还要满足用户高速率 的要求，这些在有线系统中可以利用现有的传输技术来实现；无线移动通信的优 势在于它的移动性可以为用户带来很大的方便，但是无线移动通信中的信道是无 线信道，与有线信道相比要恶劣的多，信号在传输的过程中会受到无线信道多径 和时变的影响，使得信号传输的可靠性很差。这些是无线移动通信在可靠性方面 存在的问题，在实际中要采用具体的措施来抵抗这些对信号传输的不良影响；另 一方面是无线移动通信要满足高速率信息传输的要求，但是从现有的实际移动通 信系统的发展过程可知，每一代移动通信系统的速率较以前系统都有一定的提 高，就是目前3 g 的标称峰值速率也只能达到2 m b s ，而在实际系统中这个速率是 很难达到的。其实影响这些技术发展的关键因素是由于频谱资源的缺乏，如果有 丰富的频谱资源利用就可以大大的提高传输速率。由此可知频谱资源的缺乏已成 为无线移动通信发展的一个瓶颈，因此在现有的频谱资源上如何提高谱效率是问 题的关键所在。近年来出现的多天线技术在谱效率方面有很大的提高，并成为一 个研究的热点。本论文研究的就是多天线系统中的空时处理技术。 在本章中主要讨论以下的三个问题，无线移动逶信的发展与现状、多天线技 术的发展和目前情况阻及本论文的章节内容安排。 北京邮电大半硕士学位论文m i m 0 系统空时处理技术及其应用研究 1 1 无线移动通信的发展与现状 自从美国贝尔实验室提出蜂窝组网理论之后，并随着7 0 年代高度可靠、小 型化、晶体射频电路的发展，无线通信进入了一个快速发展的时期。随着无线移 动通信的发展和移动用户数量的增加以及用户对业务多样性的要求，传统蜂窝网 络的容量以及单一的话音业务服务已经满足不了这种发展的需要，因此就需要新 技术的出现来解决目前无线移动通信发展中遇到的问题。向用户提供种类更多、 速度更快、质量更好的服务，已成为未来移动通信系统的发展目标和方向。 经历了只能提供模拟话音业务的第一代移动通信后，目前发展比较成熟且应 用广泛的第二代移动通信系统的代表是g s m 和i s 9 5 。第二代移动通信系统的 进步在于实现了语音的数字化，并且接入方式也发生了变化，分别为时分多址接 入和码分多址接入取代了第一代的频分多址接入，码分多址接入同时也成为了第 三代移动通信的接入方式，这些方面的技术改进一方面提高了话音的服务质量另 一方面也提高了系统的用户容量。 第一代移动通信提供的业务只有话音业务，而到了第二代移动通信阶段系统 除了支持话音业务外还提供了一些低速率的数据业务，如g s m 系统可以提供 2 4 9 6 k b s 以及1 4 4 k b s 的分组数据业务，它的演进技术g p r s 和e d g e 分别可 以提供1 4 4 k b s 和3 8 4 k b s 的分组交换数据业务。i s 9 5 的c d m a 系统能够提供 可变速率接入，它的最高速率分别可以达到9 6 k b s 和1 4 4 k b s 。第二代移动通信 阶段是无线通信发展很快的一个阶段，同时由于市场和技术的驱动在全球的发展 非常之快，移动用户的数量增加和业务多样性的需求，使得现存的网络已经满足 不了这种需要，必须对网络进行进一步的改进，这就是第三代移动通信系统。第 三代移动通信的发展在一定程度上可以缓解现有的一些问题，如速率方面它有了 一些提高，并且也提供了多媒体业务。第三代移动通信系统除了以前系统提供的 服务外还能够提供无线i n t e r a c t 业务和多媒体的业务，在业务的服务范围中已经 从单一的话音业务发展到多媒体的业务( 语音、数据、图像) 。目前国际上3 g 有三种主流的无线传输方案分别是欧洲和日本提出的w c d m a 、北美提出的 c d m a 2 0 0 0 和中国的t d s c d m a 。从无线频率领域来看，移动通信发展的趋势是 从窄带通信向宽带通信发展，第三带移动通信系统就是一个宽带通信系统，如 w c d m a 的带宽是5 m ，c d m a 2 0 0 0 的带宽是1 2 8 m ，t d - - s c d m a 的带宽为1 6 m ， 它们所采用的技术包括宽带c d m a ，软件无线电( s o f h v a r e - - d e f i n e dr a d i o ) ， 智能天线( i n t e l l i g e n t a n t e n n a s ) 等，而这些技术都大大提高了第三代系统的频谱 有效利用率。在宽带业务需求不断增长的情况下，无线传输作为个人通信的重要 手段，现存的矛盾越来越突出，就是由于无线频谱资源的缺乏成为宽带通信发展 北京邮电大学碾士学位论文m i m 0 系统空时处理技术及其应用研究 的一个瓶颈，尽管第三代移动通信系统( 3 g ) 能提供m b p s 量级的传输速率，但 与宽带业务的发展需求相比差的还比较远，远不能满足未来个人通信发展的要 求。具有高数据率、高频谱利用率、低发送功率以及灵活业务支撑能力的未来无 线移动通信系统可将无线通信的容量和速率提高十倍甚至数百倍。对于这些问 题，目前国际上许多国家又开始研究后3 g 时代的移动通信，也就是所谓的 b e y o n d 3 g ，它的目标是峰值传输速率在用户高速移动时可以达到1 0 0 m b s ，在 用户静止或低速移动时( 如无线局域网或游牧的用户) 峰值传输速率可达到 1 g b s ，系统在如此商的传输速率下就可以满足用户的各种需求，当然这些标称 数据在业界也受到了一些专家的质疑。 从上面无线移动通信发展的过程来看，在需要满足更多的业务要求和用户数 量的前提下就需要不断的提高系统容量，但是无线频谱资源是有限的，在有限 的资源下如何来提高系统的传输速率是一个很重要的问题。从目前的技术发展来 看，提高无线通信系统频谱效率的方法有两种：一种方法是通过采用更高阶的调 制技术和更优良的信道编码方法来尽可能逼近现有的单输入单输出( s i s o ) 天 线系统的信道容量；另一种方法就是利用近几年出现的多天线技术，根据理论证 明可知它对系统的容量有很大的提高。本论文就是对基于多天线系统中的空时处 理技术进行研究。 1 。2 多天线技术的发展和目前情况 目前业界对多天线系统还没有一个准确的定义，简单的定义就是在通信系统 的发送端和接收端分别安置多个天线，发送端和接收端多个天线之间构成的通信 系统就足多天线系统( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) ，本节介绍的内容就是基于 m i m o 系统的一些与之有关技术。我们可知传统的智能天线是在通信的一端安置 多个天线阵列，智能天线能根据信号的来波方向。自适应地调整其方向图、跟踪 强信号、减少或抵消干扰信号提高信干比，从而能降低信号发送功率，提高系 统容量：同时还有空间分集的效果，由于多个天线上发送的信号同时处于深衰落 的概率比较小。 m 1 m o 系统的接收端有多个接收天线，若这多个天线间隔一定的距离，接收 的信号相互独立，那么在接收端可以获得接收分集增益，提高信噪比来改善系统 的性能，但是发送端有多个天线，每个接收天线上的信号是所有发送信号的叠加， 需要从接收信号中区分开这些发送信号才能获得发送分集增益，这就是m i m o 系统的关键技术之一空时处理，a l a m o u t i 首先提出了一种基于两个发送天线和 m 个接收天线情况下简单的信号处理技术i l j ，经过适当的处理后信号在不同时 j 匕且 岍电大学顾1 学位论义 m i w 0 系统空时处理技术及其应用研究 刻从不同天线上同时发送，在接收端利用发送信号的特殊结构对接收信号进行简 单的合并，这样就可以获得与2 m 个接收天线一样的分集增益，由于这种处理比 较简单，实现方便，在实际中应用较多：随后t a m k h 等人把这个技术进行了推 广根据正交设计理论，从数学的概念上来寻找相对应的正交矩阵，只要把正交 矩阵中的元素换成需要发送的信号就是相应的空时处理技术，这就是空时分组码 口j 。其中找到了许多这样的矩阵，但是有一些约束条件，对于实信号星座可以 构造码率为l 的空时分组码，但对于一般的复信号星座，若发送天线数目大于2 ， 码率为1 且可达到最大分集增益并能进行简单线性处理的空时分组码是否存在， 目前还没有定论。解决这个问题的一个策略是为了保持简单的译码结构( 矩阵的 正交性) 而牺牲数据速率pj ( 如找到的码率为l ，2 ，3 4 的正交矩阵) ，或者为了保 持全速而放弃码的正交性t 4 1 ( 准正交矩阵) 。另外一种空时处理技术是编码、调 制和分集联合起来的空时格状码，t a r o k h 和g u e y 等人将格状码代替了延迟分集 技术中的重复编码，并结合相应的调制方式。这种编码技术能够同时获得分集增 益和编码增益，为了在这两种增益之间进行折衷，可以按照一些准则进行设计川， 由于空时格状码的设计和接收端的译码都比较复杂。目前的空时格状码都是基于 发送天线数小于4 的情况，其中的一个原因是发送天线数大于4 时，在容量上带 来的增加已经很小了。m i m o 系统它还可以进行空间复用，在系统容量上有很大 的提高，这是m i m o 系统一个很重要的特点，信息理论对m i m o 系统容量的证 明也验证了这一点，具体的实现就是在不同的天线上发送相互独立的信号。b e i i 实验室提出的分层空时码模型就是把高速的数据流进行串并变换后分别进行编 码、调制然后进行一定的空时处理从不同的天线上发送出去，b e l ll a b 的这一方 案目前已成为个研究的热点，由于它可以有很高的谱效率，而这个恰恰是目前 通信系统所追求的目标。上面所说的是m i m o 系统的两个关键技术，一个是分 集，一个是复用，分集技术追求的是分集增益的最大化，而复用追求的是谱效率 的最大化，目前对多天线技术的研究主要集中在这两个方面，其实这两个方面不 是绝对独立的，二者是有内在的联系。m i m o 系统本质上是有很大的容量，这个 容量可以用来传输数据提高传输效率，也可以通过编码加入冗余来提高性能。目 前对二者的折衷研究不是很多，随着多天线技术的发展，这方面的研究也会越来 越多。 多天线技术上的优势使其成为研究的热点，目前主要是想利用它高的传输速 率，业羿开始研究几种热门技术的融合，如m i m o + o f d m 、m i m o + c d i v i a 和o f d m + c d m a 等，目前m i m o 与c d m a 技术的结合如3 g 系统中的发送 分集技术等，现在许多知名公司都推出了m , i m o + o f d m 的各自方案，这些技 术能否成为以后通信发展的主流还是一个未知数，让我们拭目以待。 4 北京邮电太学颀士学位论文 j i i m 0 系统空时处理技术及其应用研究 1 3 本文的章节安排 本论文的研究工作土妥针对多天线技术的分集和复用方面的一些关键技术 进行了一些研究，包括空时编码技术、分层空时码译码方法的研究与改进，m i m o 与o f d m 的结合等。 第二章讨论了m i m o 系统的基本原理，主要是从容量和分集两个方面对 m i m o 系统进行了讨论，并且分别引入了本论文讨论要的问题。 第三章介绍了空时编码的设计准则以及基于发送分集的两种空时编码技术 空时分组码( s t b c ) 和空时格状码( $ t t c ) 。 第四章首先介绍了分层空时码的基本原理，然后分析了分层空时码的译码方 法。由于分层空时码不是基于发送分集的，导致了其性能欤差，译码方法对其性 能影响较大，本章分析了不同的译码方法并做了比较，最后利用天线分组的方法 对v b l a s t 的串行干扰消除方法进行分析，分析了错误传播的原因以及其对译 码性能的影响，并提出了一种抵抗错误传播的改进方法。 第五毒主要分析m i m o 技术在宽带无线通信系统中的应用，包括m i m o 与 o f d m 技术的结合，发送分集技术在c d m a 系统中应用。由于m i m o 的多数技 术都是基于平坦衰落信道基础上，m i m o 技术在宽带系统中的应用之一就是结合 o f d m 技术，论文分析了不同的结合方式并做了相应的比较，最后介绍了发送 分集技术在c d m a 系统中的应用。 北京邮电大学硕士学位论文m i m o 系统空时处理技术及其应用研究 第二章m i m o 系统的基本原理 无线通信的不可靠性主要是由于无线信道的时变和多径特性引起的衰落造 成的，如何抵抗无线信道的衰落是移动通信中要解决的问题。分集技术是无线系 统中抵抗衰落的一种基本技术，常用的分集技术有时间分集、频率分集和空间分 集，但是前两种分集都是以牺牲时间和频率为代价的，面空闻分集则是通过多个 发送或接收天线来获得分集增益的，没有牺牲时间和频率资源。m i m o 系统中的 多个天线可以通过获得空间分集增益来提高系统的性能。目前无线移动通信系统 面临的挑战是如何提高数据的传输速率和业务的服务质量，挑战主要来自于系统 容量的缺乏，系统容量成为无线通信发展的瓶颈。理论【6j 和实践证明m i m o 系 统可以提供比单天线系统大的多的容量，使得m i m o 的应用也越来越多。 从上面的简单叙述中可知，m i m o 系统可以通过分集来改善性能，还可以 提高系统的容量，本章将从分集和容量这两个方面介绍m i m o 系统的基本原理， 并从中引入了后面的主要研究内容。 2 1无线信道的时变和多径特性 在无线通信中，发送信号在无线信道传输的过程中会遭受大尺度衰落和小尺 度衰落，这两种衰落会降低系统的可靠性。在这里我们主要讨论小尺度衰落，本 论文研究的内容也是主要针对小尺度衰落的，通常情况下遭受小尺度衰落的信号 幅度会呈现瑞利分布或莱斯分布。本论文中经过信道传输的信号幅度假设都是瑞 利分布，不考虑莱斯分布。小尺度衰落主要是由于信道的多径和多普勒频移引起 信道的时变性造成的，这一节中简单介绍一下无线信道的时变和多径特性。 无线移动信道的主要特征是多径传播，即接收机所接收到的信号是通过不同 的直射、反射、折射等路径到达接收机。由于电波通过各个路径的距离不同因 而各条路径中发射波的到达时间、相位都不相同。不同相位的多个信号在接收端 叠加，如果同相叠加则会使信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度。这样， 接收信号的幅度将会发生急剧变化，就会产生衰落。多径传播导致了信道的时间 色散，根据最大时延扩展f 一和符号间隔t 的关系可以将信道分为平坦衰落和频 率选择性信道( 也可以根据信道相关带宽毋与信号带宽占。的关系来分) 。其中 l = 二 ( 2 1 ) 北京邮电大学硕士学位论文m i m 0 系统空时处理技术及其应用研究 无线信道的时变性是由于发射机和接收机的相对运动或者信道中其它物体 的运动引起的，当信号的发送机和接收机在作相对运动时，接收信号的频率会发 生变化，当它们作相向运动时，接收信号的频率将会变大，作反向运动时，接收 信号的频率将减小，这种现象就是多普勒效应。可以用下式来表示这个关系： 兀= 五二c o s 占 ( 2 - - 2 ) c 其中。是接收信号的频率，五是发送信号的频率，v 是发送机和接收机之间的 相对速度，c 是光速，曰是移动方向与电波入射方向的夹角。 多普勒扩展描述了无线信道的时变性引起接收信号频谱展宽程度，若发射机 发送一个频率为f 0 的单频信号，由于多普勒效应接收信号将包括 一f a 到 + 厶的频谱分量，其中兀是最大多普勒频移，扩展的频谱称为多普勒频谱a 把接收信号多普勒频谱中不等于0 的的频率范围定义为多普勒扩展，用丑。表示， 若基带信号的带宽b ，远大于， 多普勒的扩展的影响可以忽略。 从时域来看，与多普勒扩展相对应的另一个概念就是相干时间疋( c o h e r e n c e t i m e ) ，根据相干时间t 和符号间隔e 之间的关系可 以将信道分为快衰落和慢衰 落信道，其中 r ：0 4 2 3 ( 2 3 ) j j 。 其中，卅是最大多普勒频移，l = 五二。 c 有关信道的具体分类在文献1 7 j 中有详述，无线信道的多径和时变特性对信号 会造成衰落，降低系统的性能。 2 2m i m o 系统的分集性能 无线信道由于遭受多径衰落和时变性的影响而使其传输性能变得很差。要把 误码率从1 0 1 2 降到l o 一，在a w g n 信道中信噪比仅需增加l 到2 个d b 就可以了， 但在无线衰落信道中则要付出大约1 0d b 的代价，同时这种信噪比的提高不能 通过提高发射功率或额外增加信号带宽来获得，而分集技术就是为了克服各种衰 落，提高无线传输系统性能而发展起来的一项重要技术。下面对分集技术做一个 简单的介绍，主要介绍m i m o 系统的空间分集。 北京邮电大学硕士学位论文 h i m 0 系统空时处理技术及其应用研究 2 2 1 分集技术基础 由于存在多径效应与时变性，无线衰落信道中的信号可能会受到严重的衰 减。这种衰减使得接收端不可能正确地判断发送信号，除非有其它的衰减程度比 较小的信号副本提供绘接收机，这神方法就被称为分集。分集技术的基本原理如 下：接收来自多个信道( 时间、频率或者空间) 的承载同一信息的多个独立的信 号副本( 其强度也具有可比性) ，由于各个信号不可能同时处_ 丁深衰落情况中， 因此在任意给定的时刻至少可以保证有一个强度足够大的信号副本提供给接收 机使用，从而提高了接收信号的信嗓比。 根据信号的传输方式分集可分为两类：第一类是显分集技术，其可以利用直 接提供的多个信号副本，如时间分集、频率分集、空间分集等，很明显这种分集 技术会降低传输效率；另一类是隐分集技术，信号只被发送一次，但可通过其它 途径获得多个副本，如交织编码、码分多址( c d m a ) 通信中的r a k e 接收机 技术。 根据获得独立路径信号的方法，分集技术可分为时间分集、频率分集和空间 分集等。时间分集通过采用时间交织与信道编码，在时间域内提供信号的副本； 频率分集通过在不同的载波频率上发送符号，在频率域内提供信号的副本：空间 分集是利用多副天线来实现的。由上可见时间分集和频率分集是在时间和频率上 加入了信息冗余来获得好的分集效果，而空间分集是在同一时间和频率上的不同 天线上加入冗余，空间分集技术是在不牺牲信号频率带宽和保证数据传输速率的 同时获得分集增益，因而得到了广泛的应用，m i m o 系统的分集其实就是空间分 集。 上面提到了分集要求不同路径上的信号衰落的独立性，若不同路径上的信号 相关性较强，就可能出现同时衰落的情形，运不到分集的作用。在采用分集技术 时，为了获得好的分集效果，要求分集接收到的各个信号副本之间的相关性越小 越好。实际上，分集支路中的信号副本之间不可能呈现为完全独立。文献b l 中已 经指出只要两个信号包络的互相关系数不太子o 7 ，就可以保证能够获得足够 的分集增益。根据所采用的不同分集方式，用于传输信号副本的信道必须要在分 集方向上相互分开一定的“距离”。为了保证使信号包络的互相关系数不大于0 7 ， 对于空间分集，一般要求各个天线的分隔距离大于相干距离( c o h e r e n c ed i s t a n c e ) ： 对于频率分集，一般要求信号副本的频率间隔要大于信道的相关带宽( c o h e r e n c e b a n d w i d t h ) ，对于时间分集，一般要求信号副本之间的时间间隔要大于相干时间 ( c o h e r e n c e t i m e ) 。反过来，这些相干系数一般又都取决于无线信道自身的特征。 相干距离、相干带宽以及相干时间分别反比于角度扩展( a n g l es p r e a d ) 、时延扩 北京邮电大学硕士学位论文 m i m o 系统空时处理技术及其应用研究 展( d e l a ys p r e a d ) 和多普勒扩展( d o p p l e rs p r e a d ) 。 分集在接收端需要对接收到的不同路径上的信号进行合并，达到提高接收信 噪比的目的，常用的合并方法有：选择性合并、最大比合并和等增益合并，具体 的合并方法这里不再赘述，可以参考【9 j 。接收信号经过合并后的效果用平均信噪 比来表示，首先假设每个分支的包络的衰落服从瑞利分布，其平均噪声功率为 d 2 ，定义变量r = 量全芝蠢巽羔擎，若有m 个分支：下面列出三种合 并方法的平均信噪比。 选择性合并 他砷弘r 艺 t # l 最大比合并：m e a n ( y ，) = m r 等增益合并 趟 糍 蠹 * 胁州= r ( - + 三一1 ) ) 几种- d - 并方式的性能比较 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ：霉凳甍薯葬i一 7 一辞增益合并 。一一一 r 一 一 77， 巧 戌 - 一，一一 刀r 一 t 一 瑗i | i 汐 p 分芟撤( m ) 图2 1 几种合并方式性能的简单比较 图2 1 给出了每个分支平均信噪比r = l o 扭时，几种信号合并方式下性能的简单 比较，其横坐标是分集分支总数m 。纵坐标是进行相应的信号合并后所得到组 合信号的平均信噪比。由图可知，选择合并的效果相对较差，在m = 2 时只能得 到1 7 6 d b 的好处；最大信噪比合并方式效果最好，在m = 2 时能得到约3 0 1 d b 的好处：等增益合并方式居中，在m = 2 时能得到约2 5 2 d b 的好处。在m - - - m 时，等增益合并比最大比合并方式仅相差l d b 左右，但由于等增益实现要简单 9 北京邮电大学硕士学位论文m i m o 系统空时处理技术受其应用研究 得多，所以实际系统中当m 足够大时多用等增益合并方式。 2 2 2m i m o 系统的分集 m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t d u t ) 系统其实就是在无线通信系统的发 送端和接收端分别安置了多个天线。传统的通信系统为了获得分集增益来提高信 号的信噪比，通常在接收端放置多个天线，只要这些天线之间的距离足够远，就 可以达到空间分集的效果，然后对各个天线上接收的信号按照一定的合并原则进 行合并来改善接收信噪比。那么m i m o 系统在接收端有多个天线，我们从直观 上可知它应该获得接收分集增益，通常意义上的接收分集是在接收端有多个接收 天线，而发送端有一个发送天线，接收端每个天线上接收的信号是同一个信号经 过不同衰落后的信号，但是经过的衰落是相互独立的，这样就可以获得接收分集 增益。但是m i m o 系统的发送端有多个天线，每个发送天线上发送的符号可以 相同或不同，在发送相同符号的情况下，与传统的接收分集比较相似，也好容易 理解，这种情况下获得的分集与单天线发送时的分集增益差不多，这个在后面会 有具体的分析：若每个发送天线上发送的信号不同，接收端每个天线上接收的信 号是不同信号的叠加，这种情形下的分集增益与发送端发送信号之间的内在联系 有关。这里首先从传统的接收分集说起，为了分析方便，假设采用无线系统的发 送端有个天线，接收端有两个天线，对于m i m o 系统，假设发送和接收端都 有两个天线，但是分析的具体结果应该是通用的。 接收分集的系统框图如下图： 图2 2 一发两收的接收分集圉 假设发送天线某时刻f 发送符号，发送符号经过衰落相互独立的两个信道 ，h ：到达接收天线l 和2 ，假设接收端通过信道估计已知信道响应，然后对接收 1 0 y 1 北京邮电大学硕士学位论文m i m o 系统空时处理技术及