（通信与信息系统专业论文）多输入多输出无线系统关键技术研究.pdf

摘要 多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 无线系统是当前无线通 信的一个发展方向。理论证明，m i m 0 系统的信道容量随发射接收天线数 线性增加。在多径环境下，m i m o 无线系统可以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系统频谱利用率，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。 m i m o 系统的空间复用编码技术将需要传送的信号经过串并转换成几 个平行的信号流，并且在同一频带上使用不同的天线同时传送。空间复用系 统要求接收天线数大于等于发射天线数，所以在接收端要进行发射天线的选 择。针对基于最小奇异值的天线选择法则计算量太大的缺点，论文提出了一 种简化的天线选择法则，首先进行天线分组，然后再基于信道的最小奇异值 进行选择。 论文提出了利用低速率反馈信道，根据当前的信道状态信息通知发射端 进行发射模式选择，以解决空间复用系统分集增益较低的缺点。系统在接收 端在空间复用和最优天线选择模式中进行选择。论文提出了基于矢量符号错 误概率、基于s n r 和基于信道条件数的三种选择法则。仿真结果表明，双 模空间复用系统能够得到完全分集增益。论文把双模系统进一步扩展到多模 式空间复用系统，允许在最优天线选择和空间复用中获取更大的自由度。仿 真结果表明多模式空间复用系统可以进一步提高系统性能。论文在对现有的 三种分组调度机制：轮询法、多用户分集法和最优天线法进行了分析的基础 上，提出了一种结合轮询和多用户分集特点的分组调度机制，既提高了系统 的吞吐量，又保证了用户间的公平性。同时提出了“最大删除法”简化了计 算量。 正交空时分组码是实现完全发射分集增益的一种技术。由于其可以通过 简单的一维最大似然译码算法实现完全发射分集增益而成为最实用的一种空 时编码方案，通过a l a m o u t i 分组编码和正交空时分组编码分析可知，通过 增加发射天线数可以提高发射分集增益，而且正交空时分组码的误符号率和 信道矩阵的f r o b e n i u s 范数成反比。 论文提出了正交空时分组码预编码方案解决了正交空时分组码系统的码 组只能为特定的发射天线数设计，并且解码延迟随着编码的天线数增加而增 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 加的缺点。对信道矩阵进行奇异值分解，可以得到最优预编码器。针对量化 带来的噪声放大和反馈信道容量有限，论文提出了一种简化的天线选择预编 码方案，可以大大减少反馈的信息量，同时仍然获得完全发射分集增益。 针对空闻复用系统可以褥到复用增益，丽正交空时分组码可以得到完全 发射分集增益的优点，通过把这两种编码方案组合起来可以同时获得复用增 益和空间分集增益。组合系统可以解决空间复用系统分集增益较低，而且接 收天线数必须大于等于发射天线数，而正交空时分组码的码组仅仅存在特定 的发射天线数，并且无法通过增加发射天线提高传输速率的缺点。论文提出 了一种改进的组合系统的接收机方案，和现有的线性组接收机和基于q r 分 解的连续干扰消除组接收机不同，通过等效把组合系统变成一个等效的空间 复用系统。仿真结果表明，改进的接收机方案不仅可以提高误码率性能，而 且可以把接收天线数降低一半。论文还针对组合系统的发射天线数必须为偶 数的缺点，提出了针对组接收机和等效法接收机的不同的天线选择方法。 关键词多输入多输出；空间复用；分组调度；正交空时分组码；组合系 统 a b s t r a c t m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t w i r e l e s s s y s t e m i so n eo fe v o l u t i o n d i r e c t i o n so fc u r r e n tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h e o r yp r o v e st h a tc h a n n e l c a p a c i t yo fm i m os y s t e mg r o w sl i n e a r l yw i t ht h en u m b e ro ft r a n s m i t r e c e i v e a n t e n n a s m i m ow i r e l e s ss y s t e mc a np r o v i d es p a t i a lm u l t i p l e x i n gg a i na n d s p a t i a ld i v e r s i t yg a i nu n d e rm u l t i p a t he n v i r o n m e n t c u r r e n tr e s e a r c ho fm i m o s y s t e m sm a i n l yf o c u so nt h e s et w oa s p e c t s s p a t i a lm u l t i p l e x i n gc a ni n c r e a s e c h a n n e lc a p a c i t yw h i l es p a t i a ld i v e r s i t yc a l li m p r o v er e l i a b i l i t yo fs y s t e ma n d l o w e rb i te r r o rr a t e s p a t i a lm u l t i p l l e x i n gi s at e c h n i q u ei nw h i c hd a t ai s m u l t i p l e x e da n d t r a n s m i t t e dt h r o u g hi n d e p e n tt r a n s m i t t i n ga n t e n n a s s p a t i a lm u l t i p l e x i n gs y s t e m r e q u i r et h a tt h en u m b e ro fr e c e i v ea n t e n n ai sl a r g e ro re q u a lt ot h en u m b e ro f t r a n s w i ta n t e n n a s oa tt h er e c e i r v e rs i d e ，a n t e n n as e l e c t i o ni sa s k e dt om a k e b e c a u s eo ft h ec o m p u t a t i o nc o m p l e x i t yo fp r i n c i p l eb a s e do nm i n i m u ms i n g u l a r v a l u e ，as i m p l i f i e da n t e n n a ls e l e c t i o np r i n c i p l ei sp r o p o s e dw h i c ha n t e n n a sa r e g r o u p e df i r s ta n dt h e nt h eg r o u pw i t ht h em i n i m u ms i n g u l a rv a l u ei sc h o o s e n b a s e do nc u r r e n tc h a n n e li n f o r m a t i o n ，t h et r a n s m i t t e ri si n f o r m e do f c h o o s i n go ft r a n s m i t t i n gm o d e st h r o u g hl o wr a t ef e e d b a c kc h a n n e l t h i sm e t h o d c a l ls o l v et h ep r o b l e mo fl a c k i n go fd i v e r s i t yg a i n s v s e rb a s e d ，s n rb a s e da n d c h a n n e lc o n d i t i o nn u m b e rb a s e ds e l e c t i o nc r i t e r i o n sa r ep r o p o s e d s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wd u a lm o d ec a no b t a i nf u l ld i v e r s i t yo r d e r d u a lm o d ei se x t e n d e dt o m u t i m o d es y s t e ma n da l l o wt og e tl a r g e rf r e e d o mb e t w e e nt r a n s m i ta n t e n n a s e l e c t i o na n ds p a t i a l m u l t i p l e x i n g s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wm u l t i m o d ec a n f u r t h e ri m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e n e x t ，t h r e ep a c k e ts c h e d u l i n gp r i n c i p l e s ： r o u n dr o b i ns c h e d u l i n g ，m u l t i r i s e rd i v e r s i t ys c h e d u l i n ga n do p t i a m a la n t e n n a d i v e r s i t ys c h e d u l i n ga r ec o m p a r i s e d an e wp a c k e ts c h e d u l i n gw h i c hc o m b i n e r o t m d er o b i na n dm u l t i u s e rd i v e r s i t yi s p r o p o s e d t h i sp r i n c i p l ec a ni n c r e a s e c h a n n e lc a p a c i t ya n dg u r a n t e ef a r i n e s sa m o n gu s e r ss i m u l t a n e o u s l y an e w “m a x d e l e t e ”m e t h o di sp r o p o s e dt os i m p l i f yt h ec o m p u t a t i o nc o m p l e x i t y o r t h o g o n a ls p a c et i m eb l o c ki st e c h n i q u ew h i c hc a nr e a l i z ef u l lt r a n s m i t d i v e r s i t yg a i nb yo n e d i m e n s i o nm a x i m u ml i k e l i h o o dd e c o d i n g a d d i n gt r a n s m i t i i i 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 a n t e n n ac a l li m p r o v et r a n s m i td i v e r s t yg a i nb ya n a l y z i n ga l a m o u t im o c kc o d e a n do r t h o g o n a ls p a c et i m eb l o c kc o d e s y m b o le r r o rr a t eo fo r t h o g o n a ls p a c e t i m eb l o c kc o d ei si ni n v e r s ep r o p o r t i o nt of r o b e n i u sn o r mo fc h a n n e lm a t r i x p r e c o d i n gs c h e m eo fo r t h o g o n a ls p a c et i m eb l o c kc o d ei sp r o p o s e dt os o l v e t h ep r o b l e mo fo n l yc o d i n gm a t r i c e se x i s t e df o rc e r t a i nt r a n s m i ta n t e n n a s a n d o s t b cc a n n o ti n c r e a s ed a t ar a t eb ya d d i n gt r a n s m i ta n t e n n a s l e tc h a n n e lh a v e s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ，o p t i m a lp r e c o d e ri so b t a i n e d b e c a u s en o i s ei s e n h a n c e db yq u a n t i z a t i o na n dc a p a c i t yo ff e e d b a c kc h a n n e li sl i m i t e d ，a s i m p l i f i e da n t e n n as e l e c t i o np r e c o d es c h e m ei sp r o p o s e d t h i sm e t h o dc a ns t i l l o b t a i nf u l lt r a n s m i td i v e r s i t yg a i nw h i l er e d u c i n gf e e d b a c ki n f o r m a t i o n s p m i a lm u l t i p l e x i n gh a st h ed i s a d v a n t a g eo fl o wd i v e r s i t yg a i na n dn u m b e r o fr e c e i v ea n t e n n a sm u s tb el a r g e ro re q u a lt ot r a n s m i ta n t e n n a sw h i l ec o d i n g m a t r i c e se x i s to n l yf o rc e r t a i nn u m b e ro ft r a n s m i ta n t e n n a sa n dc a n n o ti n c r e a e d a t ar a t eb ya d d i n gt r a n s m i t t i n ga n t e n n a s ，s p a t i a lm u l t i i l e x i n ga n do s t b c c o m b i n e ds y s t e mi si n t r o d u c e dt oh a v em u l t i p l e x i n gg a i na n dt r a n s m i td i v e r s i t y a t t h es a m e t i m e a ni m p r o v e dr e c e i v e ro fc o m b i n e ds y s t e mi sp r o p o s e dw h i c hi sd i f f e r e n t w i t he x i s t i n gl i n e a rg r o u pr e c e i v e ra n dq rd e c o m p o s i t i o nb a s e ds u c c e s s i v e i n t e r f e r e n c ec a n c e l i n gg r o u pr e c e i v e gb ye q u l v a l e n tm e t h o d ，c o m b i n e ds y s t e mi s t r a n s f o r mt oas p a t i a lm u l t i p l e x i n 培s y s t e m 。s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ei m p r o v e d r e c e i v e rn o to n l yi m p r o v eb e rp e r f o r m a n c eb u ta l s on e e dh a l fo fr e c e i v e r a n t e n n a s t h en u m b e ro ft r a n s m i ta n t e n n a sf o rc o m b i n e ds y s t e mm u s tb eo d d n u m b e r t w oa n t e n n as e l e c t i o nc r i t e r i o n sa r ep r o p o s e df o rg r o u pr e c e i v e ra n d i m p r o v e dr e c e i v e rr e s p e c t i v e l y k e y w o r d s m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ； s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ；p a c k e t s c h e d u l i n g ；o r t h o g o n a ls p a c et i m eb l o c k ：c o m b i n e ds y s t e m i v 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 移动通信发展现状 第1 章绪论 移动通信在上个世纪8 0 年代初开始商用，到2 0 0 4 年底仅2 0 多年的时 间，全球移动用户已经超过1 5 亿。全球每年平均增加2 亿移动通信用户。 2 0 0 2 年全球的移动用户已经超过固定电话用户，成为人类第一大通信手 段。由于移动通信的个性化和移动性的特点，使其迅速向个人普及。西欧国 家的移动通信平均普及率已经超过8 0 ，我国的台湾和香港的移动用户普 及率都已经超过l o o 。 我国的移动通信在1 9 8 7 年投入商用，从上世纪九十年代末开始持续高 速增长，特别是2 0 0 0 年以来，每年新增用户6 0 0 0 万( 见表1 - 1 ) 。截止到 2 0 0 4 年1 1 月底，我国的移动通信用户达到3 3 亿，普及率达到2 4 8 。今 年平均每月新增用户仍保持5 5 0 万。2 0 0 3 年1 0 月我国的移动用户超过固定 用户，成为第一大通信手段。 可以期望，在未来的5 年中，中国的移动用户总数将会翻番，到2 0 1 0 年将会超过6 亿。估计到2 0 0 8 年，全球移动用户总数将达到2 0 亿。 表1 - 1 全国移动用户增长 t a b l e1 - 1g r o w t ho f t h em o b i l ep h o n es u b s c r i b e r so f c h i n a 年1 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 9 增长用户 2 13 2 6 4 1 0 6 1 9 6 ( 百万) 正 2 0 0 02 0 0 l2 0 0 22 0 0 32 0 0 4 增长用户 4 1 26 0 76 0 86 4 0 3 5 3 ( 截 ( 百万)至6 月) 近十年来，第三代( 3 g ) 移动通信已经成为全球瞩目的焦点。随着社 会的发展，人们需要从无线移动通信获得更多的业务。多媒体业务和接入上 网是3 g 发展的主要推动力。在经过标准提出、合并、确定，牌照发放，商 用阶段延迟后，2 0 0 3 年，3 g 开始慢慢地进入实质的商用阶段。 3 g 的标准可以分为三部分：w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。三 种标准的主要特点和区别见表1 - 2 。 表1 - 2 不同3 g 无线传输技术比较 t a b l e1 - 2c o m p a r i s o nb e t w e e nd i f f e r e n t3 gr a d i ot r a n s m i t t i n gt e c h n o l o g i e s w c d i d ae d m a 2 0 0 0t d - s c d m a 备注 多址接入 c d m a c d m ac d m a + t d m a 复用方式 f d df d dt d d 现在，对 每载波带宽 5 m h zn 1 2 5 m h z1 6 m h ze d m a 2 0 0 0 ，n = 1 每载波数据 速率 3 8 4 m b p s n x1 2 2 8 8 m b p s 1 2 8 m b p s 扩频因子 4 5 1 24 1 2 81 - 1 6 调制q p s kq p s k 1 6 q a mq p s k 8 p s k 交织+ 卷积 交织+ 卷积编交织+ 卷积编 纠错编码+ n 曲。 码+ t u r b o 编码码+ t u r b o 编码 编码 解调r a k e 接收机r a k e 接收机联合检测 天线技术空间分集空间分集智能天线 2 0 0 4 年第三代移动通信发展进程明显加快，截止到2 0 0 4 年1 1 月， w c d m a 的商用网络已经达到4 3 个，用户数达到1 3 3 0 万；c d m a 2 0 0 01 x 的商用网络已经达到6 7 个，用户达到1 2 2 亿；c d m a 2 0 0 0l x e v - d o 的用户 也已经达到1 0 4 0 多万。而且3 g 技术的成熟和逐渐规模商用，3 g 设备的性 价比也在大幅度提高。以w c d m a 为例，系统设备单位元容量的性价比已 经与g s m g p r s 相当甚至更高。 移动通信除话音业务以外的新业务发展也开始明显加快，日本和韩国的 运营商，数据业务所占整个收入的比例已经超过2 0 ，欧洲也已经超过 1 5 。中国移动和中国联通新业务的收入比例已经分别达到1 6 和8 。中 国联通的c d m a 2 0 0 01 x 数据卡业务发展迅速，用户已经超过7 0 0 万。 所以，从全球和国内移动通信的发展整体形势来看，用户持续高速增 长，新业务发展速度加快。 1 1 2 移动通信发展方向 移动通信从8 0 年代初期第一代模拟蜂窝移动通信商用开始，基本上每 1 0 年商用一代新的技术，每1 5 2 0 年的时间退出一代技术。目前全球范围 内模拟移动通信已经基本退出历史舞台，占据移动通信市场9 8 以上的为 第二代移动通信( 2 g ) 和二代半( 2 5 g ) 网络，第三代移动通信则已经步入规模 第l 章绪论 商用阶段，在今后1 0 年将是3 g 和2 g 长期并存发展的时期。随着技术的不 断演进，频谱效率越来越高，支持的速率也越来越高。从目前2 g 2 5 g 的几 十k b p s ，增加到3 g 初期的几百k b p s ，再到3 g 增强型的几m b p s ，然后在3 g 进一步增强型的几十到上百m b p s ，再到超3 g ( b 3 g ) 的上百m b p s - 1 g b p s ，如 图1 1 所示。 图1 1 移动通信技术演进路线 f i g 1 1d e v e l o p i n g r o u t eo f m i b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y 本课题正是在这样的背景下展开的。 1 2b e y o n d3 g 的研究现状 b 3 g ( b e y o n d3 g ) 是国际电信联盟( i t u ) 在1 9 9 9 年底随着第三代移动通 信系统技术标准的尘埃落定之后提出的，它面向3 g 进一步增强和下一代第 四代移动通信技术。b 3 g 的目标是在高速移动环境支持最高约1 0 0 m b p s 的 下行数据速率，在室内和静止环境支持最高约1 g b p s 的下行数据速率。i t u 已经制定了明确的时间表，计划在2 0 0 7 年世界无线电大会( w r c ) 上获得 b 3 g 的频谱资源，在2 0 0 8 2 0 1 0 年左右完成技术标准的制定，在2 0 1 0 2 0 1 5 年左右商用。而且近两年来，随着3 g 逐步开始商用化，各国对b 3 g 的研 究越来越开始进入实质研究阶段。除了围绕着业务、市场和频谱以外，对 b 3 g 的技术研究也开始越来越多，越来越具体。欧洲、日本和韩国都有相 应的政府研究计划，如欧洲的w i n n e r 计划等。 b 3 g 的主要目标是通过无线移动通信紧密地把人类社会连接在一起，使 人们摆脱时空限制的愿望成为可能，进入一个崭新的数字化世界。在这里， 信息共享，每个人的想象力、创造力都可以充分展现。资源消耗的减少、共 同财富的增加，人类和环境的和谐发展是b 3 g 发展的长期目标。 1 2 1b 3 g 发展主要受到的技术挑战 第一，未来移动通信的主要发展趋势是个性化的i p 地址，但是现在的 i p v 4 地址空间非常有限，不能够满足这方面的需要。 第二，数据业务将会从辅助地位提高到主导地位。数据业务的比重将会 从现在的1 0 2 0 提高到超过8 0 。分组数据业务将会是主要的业务流，而 语音业务所占的比例将会逐渐下降。传统的移动通信系统主要是满足语音业 务的需求。如果没有考虑到数据业务的特殊情况，将不会满足数据业务的需 求。 第三，未来移动通信系统的峰值数据速率将超过1 0 0 m b p s ，但是用户实 际需要的传输速率可能从1 0 k b p s 到1 0 0 m b p s 不等变化。为了满足这个需 求，未来移动通信系统的无线资源的管理和分配一定要非常灵活。 第四，由于移动通信系统所使用的频率资源非常有限，必须格外珍惜， 仔细设计。所以，在有限的频谱中，必须支持一个非常高的数据速率，至少 要比现有系统高一个数量级。 第五，未来移动通信系统的峰值速率要比传统系统高一到两个数量级。 传统的工作在2 g h z 以下移动通信系统的小区结构不能满足这一需求。所 以，必须使用在更高频段范围内的新的频段。然而，由此带来的新的问题 是，电磁波的衰落特性更加明显，同时更容易受环境影响。如果传统的小区 结构移动通信技术不加修改就被采用，发射功率将会1 0 倍，乃至上百倍增 长，这显然是不现实的。 总的来说，b 3 g 关键技术研究中需要回答以下问题：( 1 ) 为了有效克 服或利用无线移动通信的多径衰落、多普勒频移、多址干扰等不利因素，保 证物理链路的可靠传输，物理层将采用何种技术；( 2 ) 如何实现多种不同 类型业务共存时系统资源的有效管理，从而满足b 3 g 支持各种不同速率和延 时的业务的q o s 要求： ( 3 ) 如何解决b 3 g 系统针对i p 分组优化传输的问题 ! 一。：堕堡鎏三些奎耋三茎堡圭兰堡兰三 ：一： b 3 g 的技术研究也开始越来越多，越来越具体。欧洲、日本和韩国都有相 应的政府研究计划，如欧洲的w i n n e r 计划等。 b 3 g 的主要目标是通过无线移动通信紧密地把人类社会连接在一起，使 人们摆脱时空限制的愿望成为可能，进入一个崭新的数字化世界。在这里， 信息共享，每个人的想象力、刨造力都可以充分展现。资源消耗的减少、共 同财富的增加，人类和环境的和谐发展是b 3 g 发展的k 期目标。 1 2 1b 3 g 发展主要受到的技术挑战 第一，未来移动通信的主要发展趋势是个性化的i p 地址，但是现在的 i p v 4 地址空间非常有限，不能够满足这方面的需要。 第二，数据业务将会从辅助地位提高到主导地位。数据业务的比重将会 从现在的1 0 2 0 提高到超过8 0 。分组数据业务将会是主要的业务流，而 语音业务所占的比例将会逐渐下降。传统的移动通信系统主要是满足语音业 务的需求。如果没有考虑到数据业务的特殊情况，将不会满足数据业务的需 求。 第三，未来移动通信系统的峰值数据速率将超过1 0 0 m b p s ，但是用户实 际需要的传输速率可能从1 0 k b p s 到1 0 0 m b p s 不等变化。为了满足这个需 求，未来移动通信系统的无线资源的管理和分配一定要非常灵活。 第四，由于移动通信系统所使用的频率资源非常有限，必须格外珍惜， 仔细设计。所以，在有限的频谱中，必须支持一个非常高的数据速率，至少 要比现有系统高一个数量级。 第五，未来移动通信系统的峰值速率要比传统系统高一到两个数量级。 传统的工作在2 g h z 以下移动通信系统的小区结构不能满足这一需求。所 以，必须使用在更高频段范围内的新的频段。然而，由此带来的新的问题 是，电磁波的衰落特性更加明显，同时更容易受环境影响。如果传统的小区 结构移动通信技术不加修改就被采用，发射功率将会1 0 倍，乃至上百倍增 长，这显然是不现实的。 总的来说，b 3 g 关键技术研究中需要回答以下问题：( 1 ) 为了有效克 服或利用无线移动通信的多径衰落、多普勒频移、多址干扰等不利因素，保 证物理链路的可靠传输，物理层将采用何种技术；( 2 ) 如何实现多种不同 类型业务共存时系统资源的有效管理，从而满足b 3 g 支持各种不同速率和延 时的业务的q o s 要求；( 3 ) 如何解决b 3 g 系统针对i p 分组优化传输的问题 时的业务的q o s 要求；( 3 ) 如何解决b 3 g 系统针对i p 分组优化传输的问题 第1 章绪论 以及如何实现与1 p 网络的无缝互联。针对b 3 g # ? 存在的巨大挑战，在b 3 g 关 键技术的研究中就必须从联合优化时间、频率、空间、功率等资源的角度出 发，结合多媒体业务信源特性、多种q o s 需求和多用户应用环境，分层次地研 究基础应用理论和基础应用技术。 1 2 2 分布式天线系统小区结构 在小区结构上，b 3 g 将会采用光纤传输技术基础上的分布式天线小区结 构，这样可以减小发射功率和提高频谱利用率。b 3 g 的一个显著的问题是系 统容量。传统的小区系统采用小区分裂的方法来扩大系统容量。但是，小区 面积的减小将会增加小区间的干扰，将会导致移动终端在小区间频繁切换。 在未来的b 3 g 系统中，将会采用一种新的“通用小区”的概念。主要包括的 内容如下：基站的处理单元通过光纤，把分布在小区不同位置的天线单元连 接在一起。系统通过感知用户的位置来选择最近( 最好) 的天线单元来与之 通信。随着终端的移动，系统可以动态选择天线。这与传统的小区结构有本 质的不同，传统小区是通过地理区域的划分。关于分布式天线的研究可以参 考文献 3 4 3 6 1 2 3b 3 g 物理层关键技术 在物理层，这些基础理论和关键技术具体体现为：( 1 ) 由于b 3 g 在有 限频率资源的条件下传输高速的数据信息，所以系统将要采用具有高频谱效 率、能够有效抵抗多径时延的调制技术。由于o f d m 技术使用了正交重叠 的频谱，有高的频谱效率，并具有抗多径时延、硬件实现简单等优点，目前已 基本被公认为是b 3 g 的核心技术。( 2 ) 在b 3 g 中，采用的载频必然会提高 在b 3 g 中多天线结构的采用成为可能，因此空时信号处理的研究就十分重 要；充分利用空间资源的m i m o 传输技术将是未来移动通信系统无线传输 技术的核心。理论上，m i m o 系统的信道容量将会随着发射接收天线的增 加而线性增长，这就为无线网络的信息吞吐量的增加铺平了道路，同时可以 扩大覆盖面积、提高传输质量。( 3 ) 由于在通信环境中不可避免地存在多 用户干扰，而联合发射、联合检测由于综合考虑并利用了多个用户间的干扰， 可以明显地提高系统的性能。( 4 ) 自适应无线链路技术。采用单一的、不 变的技术满足多种应用的要求是非常困难的。链路自适应技术是根据信道的 时变特性和不同业务对于q o s 和时延的不同要求而变化各项物理层参数实 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 现动态传输，因此可以在保证传输可靠性的前提下，使系统吞吐量最接近信 道容量，使传输效率和传输可靠性达到最优。( 5 ) t u r b o 接收机和迭代检 测。在3 g 中广泛采用了卷积编码技术和t u r b o 编码技术来满足低速语音业 务和高速数据业务的需求。可以预见，在未来的系统中，这两种技术仍可能 成为纠错编码技术的主流。最近，在信道编码领域的又一项进展是对低密度 奇偶校验码的重新开发。l d p c 码( l o wd e n s i t yp a r i t yc h e e kc o d e ) 是由 g a l l a g h e r 在1 9 6 2 年于其博士论文所发表，只不过当时由于v l s i 技术尚未 成熟，所以逐渐被人们所遗忘，但在9 0 年代后由于v l s i 技术的快速发 展，l d p c 码又逐渐被广为讨论。事实上l d p c 码就是分组码，只不过它 的校验矩阵中的1 1 非常的少，这一点大概也可以由它的名称中猜想的到。 l d p c 码与t u r b o 码都可以使其数据速率在b e r “1 0 。5 这个条件下接近 s h a n n o n 门限，而且l d p c 还有另一个优点就是它的译码器复杂度要比 t u r b o 码少的多。 1 2 4b 3 gm a c 层和无线网络层的关键技术 m a c 层和无线网络层的关键技术有：( 1 ) 结合无线链路特征和q o s 要 求的分组调度策略。b 3 g 系统中多种具有不同需求的分组业务汇聚到无线接 口进行共享传输时，为了保证时延、速率等q o s 要求，必须设计可调度的 m a c 层机制，在此基础上，应依据业务属性结合无线接口的链路特性对资源 分配和分组传输进行调度；( 2 ) 多业务共存情况下的接入控制策略。b 3 g 中各种实时业务与非实时业务并存，相互影响，给无线资源管理带来了更多的 灵活性。利用有限的频率资源和合理的设备配置提供更高的系统容量或数据 吞吐量，保证用户满意，是接入控制策略所要实现的目标。总之，在链路层和 网络层，分组调度策略和接入控制策略将是核心技术，结合功控策略一切换策 略等进行联合优化，将构成完整的上层解决方案。 随着第三代移动通信系统的逐渐产业化，对于第四代移动通信系统的研 究已经在中国和世界开始。来自欧洲、北美、亚洲的研究机构和公司建立了 世界无线通信研究论坛( w w r f ) 。在b 3 g 领域的以w i n n e r 命名的一个科 技研究计划已经被放入于2 0 0 3 年4 月开始的欧盟第六框架协议。日本和韩国 也分别启动了以m l t f 和k 4 g 命名的研究计划。在中国，一个基于b 3 g 的移 动通信系统研究计划，f u t u r e ( f u t u r et e c h n o l o g i e sf o ru n i v e r s a lr a d i o e n v i r o n m e n t ) 计划，已经列入了“十五”的国家“8 6 3 ”计划，于2 0 0 2 年正 第1 章绪论 式启动。同时，一些一线的跨国公司和研究机构也开展了b 3 g 方面的研究工 作。 1 3 多输入多输出技术研究现状 f o s c h i n i 和t e ! a t a r 在文献 1 】 2 】中提出，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谱利用率。文献推导和讨论了在多输入和多 输出信道上传输的基本容量极限，这些容量极限强调了m i m o 信道在理想 传播条件下的潜在频谱利用率与天线数量呈线性关系【3 一】。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。同时文献【2 】中讨论了当发射端已知信道状态信 息，可以根据注水原理，通过给各个天线分配不同的发射功率，可以增加信 道容量。 文献 5 8 】详细论述了空间衰落相关性对m i m o 信道容量的影响。由 于，空间相关性，将会导致信道容量下降。可以通过增加天线之间的空间距 离来减小天线之间的相关性。空时编码的一个重要的基本假设就是各衰落信 道互相独立，这一点在实际应用环境中不尽满足，文献 7 首先详细推导了 多发射天线、多接收天线间的瑞利衰落信道存在空间相关性的条件下，空时 编码的成对错误概率的精确表达式，并基于此分析了其误码率性能，最后给 出的空间相关条件下的空时分组编码的误码率性能仿真，验证了理论分析的 有效性，同时可以得到已知信道状态信息的空时编码的相关检测方案对空间 相关具有较强的鲁棒性的结论。 文献【9 l l 】详细论述了信道估计误差对m i m o 系统的影响。文献 1 1 】 分析比较了信道估计误差对于三种多输入单输出系统( 空时分组码系统、频 域预均衡系统及最大范数复合信道传输分集系统) 性能的影响模拟结果表 明最大范数复合信道传输分集系统可以有效抑制干扰，降低误码率，因此对 信道估计的误差比较灵敏。 文献 1 2 】中采用贝尔实验室的分层空时编码技术，可以获得高达 4 2 b i t s s h z 的频谱利用率。这与目前在蜂窝移动通信系统和无线局域网系统 中可以获得的频谱利用率2 3 b i t s s h z 相比，是一次显著的提高。文献 1 2 1 中提出了基于连续干扰消除的v - b l a s t 接收机，首先对信噪比最高的符号 进行解码，然后从接收信号中消除已经解码的符号带来的干扰，迭代的过程 直到所有的符号都被恢复。和线性接收机相比，v - b l a s t 接收机不仅提高 了误码率性能，而且还增加了接收分集增益。文献 5 0 6 8 深入研究了空间 复用系统的性能。空间复用系统要求接收天线数要大于等于发射天线数，否 则无法解码。当发射天线数大于接收天线数时，文献 4 7 1 提出了基于最小奇 异值的使用线性接收机的天线选择法则，对每种天线组合的信道矩阵进行奇 异值分解，然后选择最小奇异值最大的那种天线组合，在天线数较少时可以 获得较好的结果。但是，随着天线数的增加，接收端的计算量随之大量增 加。同时，基于v _ b l a s t 接收机的天线选择法则没有讨论。 使用线性或v - b l a s t 接收机的空间复用系统可以得到最大的复用增 益，但是系统的分集增益很低。对于固定天线数的天线选择得到的分集增益 的改善仅仅是总发射天线数和选中的发射天线数的差，还没有达到m i m o 系统能够得到的完全的分集增益。 a l a m o u t i 在文献 1 4 1 中提出了a l a m o u t i 空时编码，接收机通过简单的一 维最大似然解码实现了完全发射分集。从编码发展的历史上，a l a m o u t i 方 案是为发射天线数为2 的系统提供完全发射分集增益的第一种空时分组码。 文献 2 2 2 4 在a 1 a m o u t i 空时编码的基础上，提出了正交空时分组码。但是 正交空时分组码存在码组矩阵仅仅存在于特定的发射天线数，且解码延迟随 发射天线数的增加而增加的缺点。同时，正交空时分组码的复用增益为零， 提高系统的频谱利用率只能通过改变调制阶数来实现。 文献 1 5 1 中表明，在衰落信道多天线m i m o 系统的容量随发射天线数线 性增加。而对于低散射环境，即使信号经历独立的衰落，信道秩的降低也会 严重影响系统容量的增加。对于这种低秩环境，选择天线发射或接收可以有 效地降低系统的成本。文献研究了天线选择对低秩信道m i m o 系统容量的 影响。仿真结果表明，对不同的信道条件，适当选择天线发射不仅可以增加 信道容量，而且可以降低系统的复杂度和射频成本。适当选择天线接收，在 不严重降低系统容量的前提下，也达到了降低系统成本的目的。文献 1 8 1 中 给出了m i m o 系统编码的复用增益与分集增益之间的关系。 文献 2 5 】在研究瑞利衰落条件下正交空时分组编码信道容量的基础 上，将其与多发送多接收天线系统的信道容量进行了比较。比较结果表明， 正交空时分组码虽然编码简单，易于实现，但在信容量方面存在较大的损 失，损失的程度与编码码率、信道矩阵的秩及收发天线数等因素有关。进一 步研究表明只有当编码码率和信道矩阵的秩都为1 时，才没有信道容量的损 失。 空时码解码算法往往假设信道状态信息( c s i ) 已经事先估计出，信道估 第1 章绪论 计需要额外的运算量，而且信道估计误差使解码性能降低。文献【2 9 】提出一 种基于子空间方法的空时分组码直接解码算法，利用空时分组码的结构，结 合子空间算法，可以不需要信道信息，直接得到码符信息的闭式解。仿真实 验结果表明，随着噪声子空间求解准确度的提高，直接解码算法性能逐渐接 近使用确切信道信息的相关解码器。 现有的空间复用调度机制：轮询法，只考虑了用户间的公平性，而系统 的吞吐量和单用户相同；选择最优用户和每天线选择最优机制【3 5 】，利用了 多用户分集特性使系统吞吐量随用户数的增加而增加，但是这两种调度机制