（通信与信息系统专业论文）多天线多用户通信系统关键技术研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： 彳di s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f d e n g r e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g i e so f m u l t i a n t e n n am u l t i - u s e r c om m u n i c a t i o ns y s t e m c a n did a t e ： g u ow e n z h u o s u p e r v is o r ：p r o f z h a n gs h u a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：d o c t o ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m d a t eo fs u b m is s i o n ：s e p t e m b e r ，2 0 0 9 d a t e o fo r a le x a m i n a t i o n ： n o v e m b e r ， 2 0 0 9 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y i_j 盯 0 ，。 t ； 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。朔、， 作者( 签字) ：孜众冲 日期：训? 年月多日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文卿在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇 作者c 签字，：他五号 日期：州年l7 月万日 导师( 签字) ： 沙 年l 阴8 e l 、 0i， - ， 1 争 1 多天线多用户通信系统关键技术研究 摘要 在对无线通信系统的研究当中，多天线技术凭借其较高的频谱效率和多 样化的实现方案，近年来引起了人们日益广泛的观注。目前单用户技术发展 的已经较为成熟，而通过基站多天线来获取多用户空间复用增益正成为现在 开发的热点。本文主要研究了多天线多用户系统各种有效的实现方案，并对 其上下行链路的通信性能进行了详细的分析，同时获得了以下的创新成果： 首先，针对引入多用户空间复用能力的多天线系统下行链路，提出了一 类基于不同拥塞线性约束条件的预编码算法，并证明了此类算法同现有的基 于迫零块对角化和最大s l r 准则的线性预编码方案之间的等价性。然后，在 此基础之上我们还推导出了其最优发射权值的闭式表达式，从而有效的避免 了实现现有算法所必需的奇异值分解( 或广义特征值分解) 等运算，显著降 低了系统的复杂度。此外，利用上述闭式解，还推导出了不同预编码算法接 收信干噪比( 信干比) 的概率密度函数，进而得到了相应的性能解析式。 其次，由于发射端获得信道状态信息( c s i ) 的多少决定了多天线系统的 通信性能，所以对于需要通过反馈来获得下行c s i 的系统，我们研究了基于 码书量化反馈的线性预编码方案。这里首先分析了基于用户信道方向信息的 最小拥塞预编码算法，然后在此基础之上，提出了一种基于随机矢量量化码 书的有限反馈预编码方案。同传统的迫零算法相比，这种基于最小拥塞的预 编码算法具有明显的性能优势。不过由于存在量化噪声不匹配效应，导致了 这种直接信道量化算法的性能随着信噪比的增加而出现波动，并且逐渐恶化 最终趋近于与迫零体制相同。所以为了提高系统的稳定性，该章还推导出了 相应的稳健预编码算法。仿真结果和分析表明，这种稳健算法在保证了相对 迫零算法的优势的前提下，其性能随着信噪比的增加仍然会稳定上升，从而 有效地提高了系统的稳健性。 再次，针对用户数量较多的无线网络，研究了借助用户选择技术来提取 多用户分集增益的实用算法。首先分析了一种基于广义最小拥塞预编码算法 的多用户选择策略，并将其同现有的迫零体制进行了比较。仿真结果表明， 哈尔滨工程大学博士学位论文 i i i i 一 该方案能够获得更优的通信性能，并且在保证一定通信质量的基础上，同时 支持更多的用户工作，因而更适合在大用户数量的网络中应用。然后，根据 以上策略给出了与其相对应的低复杂度实现方案，以及一种基于最大信拥噪 比准则的多用户快速选择算法。这两种快速算法能够在获得与穷举搜索算法 相接近的性能的同时，显著的降低所需的计算复杂度，从而便于在实际的通 信系统中应用。 最后，研究了采用分集技术时，多天线系统上行链路所能获得的性能。 这里为了对抗日益严重的阴影衰落等因素的影响，重点考察了广义分布式天 线系统( g d a s ) 的情况。基于该系统中信道的复合衰落分布形式复杂的特 点，我们借用了一种l o g n o r m a l 变量近似的方法，推导出了使用最大比合并 和相干等增益合并时，分集输出信噪比的概率密度函数，并给出了高精度的 中断概率和误码率的解析结果。 关键词：多天线；多用户；线性预编码；多用户选择；天线分集 。j 3 f l 多天线多用户通信系统关键技术研究 a b s t r a c t i nt h er e s e a r c ho 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 ，m u l t i p l ea n t e n n a t e c h n i q u e sh a v ea t t r a c t e de x t e n s i v ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s ，d u et ot h e i rp o t e n t i a l f o rl l i g l l s p e c t r a le f f i c i e n c y a n dh i g hf l e x i b i l i t y a l t h o u g ht h e a p p l i c a t i o n t e c h n i q u e sf o rs i n g l eu s e rs y s t e m sa r ew e l ld e v e l o p e d ，i ti ss t i l la no p e ni s s u ef o r e x p l o i t i n gt h es p a t i a lm u l t i p l e x i n gg a i nb yu s i n gm u l t i p l ea n t e n n a sa tt h e b a s e s t a t i o n ( b s ) i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ei n v e s t i g a t ev a r i o u sr e a l i z a t i o ns t r a t e g i e s f o rm u l t i - a n t e n n am u l t i - u s e r s y s t e m s ， a n d a n a l y z e t h e u p l i n k d o w n l i n k c o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c es p e c i f i c l y t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa r e a sf o l l o w s f i r s t l y , f o rt h ed o w n l i n ko fm u l t i p l ea n t e n n as y s t e m sw i t ht h ea b i l i t yo f m u l t i u s e rs p a t i a lm u l t i p l e x i n g , an o v e lp r e c o d i n ga l g o r i t h mb a s e do nas e r i e so f l i n e a rc o n s t r a i n t so nj a m m i n gi sp r o p o s e d ，a n dap r o o fo ni t se q u i v a l e n c et ot h e l i n e a r l yp r e c o d i n gs c h e m e so fb l o c kd i a g o n a l i z a t i o n ( b d ) a n ds i g n a lt ol e a k a g e r a t i o ( s l r ) m a x i m i z a t i o ni sa l s og i v e n b e s i d e s ，c l o s e d - f o r me x p r e s s i o n so ft h e o p t i m a lp r e c o d i n gw e i g h t so ft h ea l g o r i t h mp r o p o s e da r ed e r i v e d ，t h e r e f o r e r e s u l t i n gi nt h er e m a r k a b l er e d u c t i o no nt h ec o m p l e x i t yo ft h ee x i s t e ds c h e m e s ，b y a v o i d i n gt h eo p e r a t i o n s o fs i n g u l a rv a l u e d e c o m p o s i t i o n ( o rg e n e r a l i z e d e i g e n v a l u ed e c o m p o s i t i o n ) a l s o ，u s i n gt h er e s u l t sa b o v e ，w ed e r i v et h ee x a c t p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ( p d f ) o ft h er e c e i v i n gs i n r ( s i r ) ，a n df u r t h e r m o r e t h ea n a l y t i c a le x p r e s s i o n so ft h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nm e t r i c s s e c o n d l y , i ti sw e l lk n o w nt h a tt h ec o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c eo fm u l t i p l e a n t e n n as y s t e m sh i g h l yd e p e n d so nt h ea m o u n to fc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) k n o w na tt h eb a s e s t a t i o n s o ，f o rt h es y s t e m st h a tt h ed o w n l i n kc s ii so b t a i n e d t h r o u g hf e e d b a c kc h a n n e l ，w ei n v e s t a g eap r e c o d i n gs c h e m eb a s e do nt h el i m i t e d f e e d b a c kq u a n t i z a t i o nc o d e b o o k h e r eam i n i m u mj a m m i n gp r e c o d i n ga l g o r i t h m u t i l i z i n gc h a n n e ld i r e c t i o ni n f o r m a t i o no n l yi sd e r i v e d ，a n dt h e nw ep r e s e n ta 哈尔滨工程大学博士学位论文 一i l l 一 l i m i t e df e e d b a c kl i n e a rp r e c o d i n gs t r a t e g yb a s e do nr a n d o mv e c t o rq u a n t i z a t i o n ( r v q ) c o d e b o o k c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lb ds c h e m e ，t h ea l g o r i t h m p r o p o s e de x h i b i t sm u c hh i g h e rp e r f o r m a n c e h o w e v e r , d u et ot h ee f f e c to f q u a n t i z a t i o nn o i s em i s m a t c h , t h i si m p r o v e m e n tf l u c t u a t e sw i t ht h ei n c r e a s i n go f t h es n r , a n de v e n t u a l l yc o n v e r g e st ot h eb ds c h e m e t oe l i m i n a t et h ei m p a c t a b o v e ，ar o b u s tp r e c o d i n ga l g o r i t h mi sa l s op r e s e n t e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a t , t h i sa l g o r i t h mc a l le n s l 】r et h ea d v a n t a g eo v e rt h eb ds c h e m e ，a n da tt h es a m e t i m e ，m a i n t a i nt h ep e r f o r m a n c ew h i l et h es n ri n c r e a s i n g ，t h e r e f o r ei m p r o v et h e r o b u s t n e s so ft h es y s t e m t h i r d l y , w es t u d yt h em u l t i u s e rs e l e c t i o ns t r a t e g yf o rt h ed o w n l i n kl i n e a r l y p r e c o d i n gs y s t e m s h e r eas c h e m eb a s e do nt h eg e n e r a l i z e dm i n i n l u n lj a m m 啦 c r i t e r i o ni sc o n s i d e r e d ，a n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti tc a l lo b t a i nb e t t e r p e r f o r m a n c ec o m p a r dw i m t h eb d a l g o r i t h m , a n dm o r ei m p o r t a n t l y , i tc a l ls u r p o r t m u c hm o r eu s e r sa tt h es a m et i m e ( f r e q u e n c y ) s l o t b a s e do nt h es e l e c t i o ns c h e m e a b o v e ，i t sf a s tr e a l i z a t i o nv e r s i o n sa r ea l s op r o p o s e d t h cp e r f o r m a n c eo ft h ef a s t s e l e c t i o na l g o r i t h m si sc l o s et ot h a to ft h ee x h a u s t i v es e a r c h , w h e r e a st h e r e d u c t i o ni nt h es y s t e mc o m p l e x i t yi sq u i t el a r g e l a s t l y , w ea n a l y z et h eu p l i n kp e r f o r m a n c eo fm u l t i p l ea n t e n n as y s t e m su s i n g r e c e i v e rd i v e r s i t yt e c h n i q u e s e s p e c i a l l y , w ef o c u so nt h es i t u a t i o no ft h e g e n e r a l i z e dd i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m ( g d a s ) ，w h i c hc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c e t h ei m p a c to fs h a d o w i n gi n t h ew i r e l e s sf a d i n gc h a n n e l b e c a u s eo ft h e m a t h e m a t i c a l c o m p l e x i t y o ft h e c o m p o s i t ef a d i n g i n g d a s ，h e r ea n a p p r o x i m a t i o nm e t h o di su s e dt od e r i v et h ep d fo ft h ec o m b i n i n go u t p u ts n a n dt h eh i g hp r e c i s ea n a l y t i c a le x p r e s s i o n so fo u t a g ep r o b a b i l i t ya n db i te r r o rr a t i o a r ea l s op r e s e n t e d k e yw o r d s ：m u l t i p l ea n t e n n a ；m u l t i p l eu s e r ；l i n e a r l yp r e c o d i n g ；m u l t i u s e r s e l e c t i o n ；a n t e n n ad i v e r s i t y 7 i 目录 第1 章绪论一1 1 1 论文的研究背景和意义l 1 1 1 无线通信系统的发展现状1 1 1 2 关键技术演进3 1 2 多天线通信技术的研究现状及发展趋势。5 1 2 1 单用户m i m o 系统5 1 2 2 多用户m i m o 系统6 1 3 论文的主要工作与创新点7 1 3 1 论文内容及结构安排，7 1 3 2 主要贡献及创新点9 第2 章多天线m im 0 系统基本原理1 1 2 1 无线衰落信道。l l 2 1 1 无线信道的基本特征1 l 2 1 2 衰落信道统计模型1 3 2 2 多天线川m 0 系统容量性能分析。1 5 2 2 1m i m o 系统模型1 5 2 2 2 容量分析1 6 2 3 川m 0 系统实现技术简介1 9 2 3 1 发射端已知信道信息2 0 2 3 2 发射端未知信道信息2 1 2 4 本章小结2 4 第3 章多用户下行链路线性预编码2 5 3 1 多用户线性预编码技术原理2 6 3 1 1 系统模型2 7 3 1 2 迫零块对角化算法2 8 3 1 3 最大信漏比算法3 0 ： 哈尔滨工程大学博士学位论文 3 2 拥塞线性约束预编码算法。3 2 3 2 1 最优迫零算法3 2 3 2 2 最小拥塞算法3 7 3 3 仿真结果4 0 3 4 本章小结4 4 第4 章拥塞线性约束预编码算法性能分析4 5 4 1 理想c si 系统预编码性能分析4 6 4 1 1 最优迫零算法分析4 6 4 1 2 最小拥塞算法分析。51 4 2 有限反馈系统最小拥塞预编码性能分析5 6 4 2 1 基于码书的有限反馈预编码算法5 7 4 2 2 归一化信道最小拥塞预编码算法6 0 4 2 3 稳健的有限反馈预编码算法6 6 4 2 4 仿真结果与分析7 0 4 3 本章小结7 4 第5 章最小拥塞预编码系统多用户选择算法7 5 5 1 多用户选择算法简介7 5 5 2 最优多用户选择算法7 6 5 2 1 系统模型与参数7 7 5 2 2 基于信干噪比的多用户选择算法7 9 5 2 3 仿真分析。8 2 5 3 快速选择算法8 6 5 3 1 基于信于噪比的多用户选择快速算法8 7 5 3 2 基于信拥噪比的多用户选择快速算法8 9 5 3 3 计算量分析。9 l 5 3 4 仿真结果9 3 5 4 本章小结。9 6 第6 章多天线系统上行链路分集性能分析9 7 6 1 中央天线微分集系统。9 8 6 1 1 天线分集技术原理9 8 气 ： j 多天线多用户通信系统关键技术研究 6 1 2 仿真结果与分析一10 0 6 2 广义分布式天线系统。1 0 1 6 2 1 分布式天线系统简介。1 0 1 6 2 2 系统模型。10 2 6 2 3 变量r 的近似概率密度函数1 0 4 6 2 4 性能分析与仿真1 0 9 6 3 本章小结11 2 结论。1 1 3 参考文献l l 5 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果1 2 5 致 射1 2 6 fll ， j 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文的研究背景和意义 在过去的几十年中，无线通信领域经历了巨大的发展。由于具有自由接 入且移动性好等优点，目前它已经成为人们日常生活当中最重要的通信方式。 特别是近年来，随着对方便快捷的通信需求的不断增长，更是推动了无线通 信技术的迅速发展。 1 1 1 无线通信系统的发展现状 第一代( 1 s tg e n e r a t i o n ，1 g ) 移动电话系统诞生于二十世纪七十年代末 期的美国贝尔实验室( a m p s ) ，并且在八十年代初成功实现商用，从而使移 动通信进入迅猛的发展阶段。不过这种早期的无线通信系统采用了模拟传输 体制，只能承载少量的语音通话，并且便携性能较差，因而没有大规模的普 及。为了避免上述限制，第二代( 2 g ) 移动通信系统升级采用了数字技术( 如 全球移动通信系统g s m ) ，从而显著提高了通信的容量和移动性能，并且使 系统获得了一定的数据通信能力【l j 。 不过随着对高速率无线通信接入需求的迅速增长，以上所述的传统通信 方式已经越来越难以满足人们的要求，所以目前已有很多国家开始采用第三 代( 3 g ) 的移动通信技术。这种宽带网络不但能够支持一般的语音通话功能， 更重要的是，它还能实现2 m b p s 以上的无线数据传输，从而使用户可以很方 便的通过移动终端进行图像、声音和视频等多媒体通信。国际电信联盟( i t u ) 早在2 0 0 0 年5 月就已经确定了第三代移动通信标准，主要包括了欧洲的 w c d m a 、北美的c d m a 2 0 0 0 和由中国主导提出的t d s c d m a 等三种。目 前我国已经于2 0 0 9 年初向三家移动运营商分别发放了基于上述三种标准的 3 g 网络牌照，从而标志着我国正式进入了3 g 通信时代。 尽管同第二代的数字无线通信系统相比，3 g 网络所能达到的技术指标已 哈尔滨工程大学博士学位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一i i l l 一 经有了质的飞跃。但是由于诸如高清电视、视频会议等无线应用的发展也同 样迅猛，所以各种3 g 标准从制定开始也_ 直在随着需求的增长而面临着逐 步改进。这样，作为致力于推动无线通信发展的标准化组织，第三代合作伙 伴计划( 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 ，3 g p p ) 于2 0 0 4 年的3 g p p 多伦多 会议提出了长期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n , l t e ) 项目，推动3 g 向下一代 通信网络进行无缝演进，所以l t e 通常又被称为“3 9 g 标准。与3 g 相比， l t e 能够满足更高速率的通信要求，并且确保多种服务质量( q o s ) 需求的 可靠应用。其下行峰值速率高达1 0 0 m b p s ，上行也可以实现5 0 m b p s 的数据 传输，同时所能够获得的频谱效率也成倍的明显提升( 下行链路5 b i t s h z ， 上行链路2 5 b i t s h z ) 。此外，l t e 还保证了无线通信的高移动性能，在终端 速度3 5 0 公里d , 时以上仍可使链路畅通工作。 l t e 的最终目标，就是使3 g 网络能够成功过渡到下一代通信系统 4 g ( 或更广泛的b e y o n d3 g 系统，b 3 g ) 。现阶段，4 g b 3 g 标准的制定工作 才刚刚起步，很多技术方案都处于征订讨论之中。不过其通信速率等指标已 经有了初步的规划，即高速移动条件下应该能够实现1 0 0 m b p s ，而慢速( 静 态) 时更是高达1 g b p s 。目前，世界上已有很多国家或组织都在积极对4 g b 3 g 技术进行研发，以便在未来的无线通信市场竞争中处于相对有利的位置。 在对下代无线通信技术的研究当中，日本的研发工作开展得较早，因 而在全球也处于相对领先的地位。其对4 g b 3 g 的研究是基于官方的支持下， 以移动i t 论坛( m i t f ) 为核心来进行的。这个机构的主要工作包括对下 代无线通信网络的体系结构、4 g b 3 g 体制的关键技术开展考察研究。在这 个论坛的基础之上，许多日本公司也开始进行广泛的研发，其中n t t d o c o m o 早在2 0 0 6 年就提出了它相应的下一代无线通信技术标准，同时进行 了相应的实验测试，并在其实验网络的下行链路实现了2 5 g b i t s 的系统传输 速率。 欧洲在无线通信领域的技术实力非常雄厚，所提出的g s m 标准在第二 代移动通信市场中占据了较大的市场份额。为了巩固其领先地位，欧盟在很 早就启动了对下一代无线通信网络的研究计划w 啪r ( w i r e l e s sw o r l d i n i t i a t i v en e wr a d i o ) 项目。该项目致力于构建更有灵活性和可扩展性的系统， 能够在不同的无线环境下提供多种数据速率的服务，从而全面取代现有的各 2 l l j 第1 章绪论 种无线接入网络。目前w i n n e r 项目已经完成了技术分析和系统设计，开始 了第三阶段的测试内容、o 此外，北美和韩国等地区也都开展了各自的4 g b 3 g 计划，并获得了很高的实验性能。 我国在传统的移动通信技术研发上一直较为落后，直到3 g 的 t d s c d m a 阶段才逐步接近世界水平。2 0 0 1 年，中国的8 6 3 计划正式启动 了针对下一代移动通信系统研究的f u t u r e ( f u t u r et e c h n o l o g yf o ru n i v e r s i t y r a d i oe n v i r o n m e n t ) 计划。该计划集中了一大批国内外高校、企业和研究机 构，并通过与相关国家的积极合作，取得了相当大的技术进步。2 0 0 6 年，该 项目在上海成功建成了当时世界上最大的4 g b 3 g 实验网络，并且获得良好 的实验结果。此外，为了与我国提出的3 g 国际标准t d s c d m a 相兼容，该 计划有百分之四十的提案可以与其结合，从而方便了t d - s c d m a 向下一代 通信系统的演进。 1 1 2 关键技术演进 无线通信需求的迅猛增长，推动了相应通信技术的快速发展。特别是近 年来，随着互联网对人们日常生活的影响越来越深入，传统的移动通信模式 早已无法满足用户需求，从而催生了各种高性能的新技术。 早期的移动通信系统通常是采用模拟调制，同时引入频分复用( f d m a ) 来实现多用户的无线通话。这种模式下的系统容量和通信质量一般都较低， 并且其移动性和安全性也很难保证，所以没能够大规模的普及商用。随着数 字技术的引入，使得2 g 移动通信网络无论从通信质量、移动性能还是成本 和安全的角度来看都有了质的飞跃。第二代系统采用了多种多址技术，如欧 州g s m 标准的t d m a 和f d m a ，或美国i s 9 5 标准的c d m a 等，同时辅以 先进的数字调制方式( 如g m s k ) ，使得系统不仅能够实现常用的语音通话 功能，还能支持一定的无线数据传输能力。不过，上述网络采用的都是窄带 方案，所以从本质上无法满足高速无线接入的需求。而目前开始商用的第三 代移动通信系统，普遍基于宽带码分多址体制，同时引入了各种先进的高阶 数字调制和智能天线等技术，从而大大提高了系统的无线通信容量。 尽管3 g 网络采用的c d m a 技术具有抗窄带干扰能力强，系统容量较大 3 哈尔滨工程大学博士学位论文 等优点，但是其系统内各用户信道之间固有的非正交性使得它的通信性能难 以进一步的提升。所以目前在对4 g b 3 g 的研究当中一般都致力于开发新技 术来对其加以改进，其中最核心的主要包括两种：多天线m i m o 和o f d m 技术 2 - 6 。 多输入多输出( m i m o ) 是指在通信链路的发射和接收两端同时采用多 根天线来提高系统的性能。理论上，使用m i m o 技术时其所能获得的信道容 量可以随着天线个数的增加呈线性增长。一般情况下，每对收发天线间的无 线信道接近独立，此时借助m i m o 技术可以使系统得到分集和复用两方面的 增益。分集增益是由于不同信道的衰落也不相同，所以如果同时在各个天线 发射同一信号，那么通过在接收机对所有接收信号进行分集合并，就可以显 著提高通信的可靠性。而复用增益是指当采用m i m o 技术时，系统在同一时 隙( 频点) 可以传输多个用户数据，这样就实现了多路信号的空间复用，从 而显著提升了系统的频谱效率。在实际的通信网络中，通常可以根据具体情 况考虑侧重提取哪种增益，以使系统获得最佳的折中性能。 正交频分复用( o f d m ) 技术实际上是多载波调制的一种。其主要思想 是，将无线信道在频域上分成若干个相互重叠但同时正交的子信道，然后将 所需传输的高速数据信号通过串并转换变成多路并行的低速子数据流，并对 其分别经过不同的调制加载到每个子信道上进行传输。最后在接收端可以通 过诸如快速傅立叶变换等技术来对所有子信道信号进行解调，从而恢复原始 信号。由于这种技术的各子信道正交重叠，因而可以在降低信道间干扰的同 时，还能够获得较高的频谱效率，所以应用前景非常广泛。此外，由于各个 子信道间相互独立并且带宽较小，因此每个信道所经历的衰落都可以看成是 平坦的，这样就使得对信道均衡的需求变得较低甚至是不必要，进而简化了 系统的复杂度。基于o f d m 技术的这些优点，目前已有大量无线通信系统采 用了这种技术，使得它成为下一代移动网络的核心技术之一。 此外，与快速发展的物理层技术相比，移动通信网络的小区结构一直比 较稳定，大多基于传统的蜂窝式小区模式。这种无线小区的结构简单，并且 容易引入频率重用( f r e q u e n c yr e u s e ) 来提高频谱效率，因而应用十分广泛。 不过随着无线通信系统的演进，传统的蜂窝式小区结构在通信容量、覆盖范 围和抗共信道干扰( c c i ) 能力等方面暴露出了很大的局限性。尽管人们提 4 气 毒 j 氐霪羹譬_i 第1 章绪论 出利用扇形小区、方向天线( 智能天线) 以及小区分裂等措施加以改进，但 其瓶颈效应仍然难以突破。传统蜂窝式小区的这些缺点，迫使人们开始计划 引入新的网络构架分布式天线系统d a s ( d i s t r i b u t e d a n t e n n a ss y s t e m ) 。 这种系统改变了中央天线型的小区结构，而是采用了分散布置的天线端口， 从而可以有效抵抗阴影衰落等因素的影响，降低移动台的功耗。凭借分布式 天线系统的这些优点，目前已有很多组织( 如我国的f u t u r e 计划) 将其采 纳为未来移动网络小区的首选结构。 未来的移动通信系统要求更高的传输速率和更多样化的服务，导致其应 用的环境也更加复杂。为了适应上述需求，目前仍有很多技术难点有待解决， 因而迫切需要对现有技术进行更深入的研究。 1 2 多天线通信技术的研究现状及发展趋势 、 前面提到，多天线m i m o 技术的引入能够显著提高系统的有效性和可靠 性，并且还可以根据信道衰落情况和服务质量要求选择不同的处理策略和侧 重点。而且，由于它同具体的调制技术相独立，这样就能够很方便的同其它 如o f d m 或超宽带( u w b ) 等先进调制方式结合使用。基于以上优点，m i m o 技术目前已经成为下一代无线通信网络必选的核心技术。 1 2 1 单用户m im o 系统 早期的多天线系统主要通过在接收端配置多根天线，然后利用自适应阵 列或分集等技术来提高通信性能。不过近年的研究发现，如果在收发两端同 时使用多天线，那么通过预编码、分集或空间复用等技术，能够更加显著的 提高系统的频谱效率 7 “9 1 。 通常我们可以根据发射端是否能够获得信道状态信息( c s i ) ，将m i m o 系统分成两类。当发射端可以得到完整的c s i 时，通过对信道衰落矩阵作奇 异值分解( s v d ) ，然后利用其右分解酉矩阵辅以注水功率分配作为发射机的 预编码权值，同时在接收端使用对应的左分解酉矩阵进行解码处理，就能够 使系统获得理想的信道容量。采用这种方案时，一个多天线m i m o 信道可以 5 哈尔滨工程大学博士学位论文 _ i | | 1 1 1 _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 一 等效成一个多路并行独立的子信道。如果我们设收发两端的天线个数分别为 和m ，那么其系统容量可以随着最小的天线数( m i n ( ，m ) ) 的增加 而呈线性增长。此外，我们还可以根据不同需要，利用其它优化准则，比如 迫零或者最小均方误差等策略来进行联合处理。 如果在发射端无法获得c s i ( 即信道信息仅在接收端可用) ，此时为了提 取多天线增益，那么就需要采用其他策略进行收发信号的设计。f o s c h i n i 等 人最早给出了一种被称为贝尔实验室分层空时( b l a s t ) 结构的多天线 m i m o 体系【l o j 。这种系统在发射端采用了简单的空时编码，然后在接收机处 利用连续干扰消除技术，从而获得了很好的通信效果，其频谱效率远远高于 传统的通信体制。在此基础之上，很多学者都对b l a s t 类系统进行了研究， 并提出了大量的改进算法。 1 2 2 多用户mlm 0 系统 在大多数无线通信系统中，比如常见的蜂窝移动网络，在发射端( 基站) 处配置多天线是很方便的。不过，由于硬件体积等方面的限制，通常很难在 移动终端采用多根天线。所以，这时利用m i m o 体制所能够获得的容量增益 是非常有限的。在这种情况下，即使采用诸如t d m a 等技术同时选择信道最 好的用户进行通信，其系统容量也不会随着m 的增加而线性增长。一种有效 的改进策略是利用m i m o 的空间复用能力，使系统同时与多个用户通信。在 这种条件下，即使移动台只有单根天线，其获得的信道容量改善也是相当可 观的。基于多用户m i m o 系统的上述优点，很多文献都详细研究了其上行多 址信道和下行广播信道的容量情况。、 在多用户m i m o 系统的下行链路当中，由于接收天线分别配置于不同位 置的移动台，所以协作接收处理是很难实现的。此时，由于多个用户使用同 一时频资源进行通信，所以仅在接收端进行处理就很难消除用户间干扰。不 过，如果基站发射端能够获得所有用户的信道信息，那么这种干扰可以通过 合适的联合预处理技术来消除。脏纸编码技术是一种能够获得理想信道容量 的多用户处理方式，它利用已知的用户信道信息在基站处实现连续干扰预消 除。不过这种技术高度非线性，并且需要收发两端进行复杂的联合预编解码， 6 a ， ! j 第1 章绪论 m 所以在实际系统当中很难实现。 为了简化系统的复杂度，很多学者研究了次最佳的线性处理技术。k w o n g 等人提出了一种基于连续j a c o b i 旋转的