（通信与信息系统专业论文）多波束机会波束成形研究.pdf

南京帅i u 人学坝l ：学 证论爻 摘要 摘要 信息论研究结果表明，如果发射端和接收端均知道信道的状态信息，利用时i i j 域上的 注水策略( 即信道较好时刻分配较多功率，信道较差时分配较少功率甚至不分配功率) ， 可提高衰落信道的容量，但遗憾的是，只有在低信噪比条件下，衰落信道容量4 高于a w g n 信道容量。然而，如果多用户的信道衰落相互独立，且某一时刻只服务于一个具有最好信 道的用户，则系统总的吞吐量可以最大化。 本文在此基础上研究了基于机会波束成形的机会通信技术，尤其是多波束机会波束成 形。研究了通过随机多波束机会波束成形来取得空分复用增益的方法，即基站用多个波束 发送多个导频序列，每个用户反馈多个波束下的信道增益，然后基站通过使吞吐量最大的 方式在用户和波束的子集中选择被调度用户和相应的波束。由于增加了反馈量，所以研究 了通过部分反馈降低反馈量的方法，以逼近最优性能。最后通过计算机仿真给出所提出方 法的性能评价。 t l q ( 1 l i l ；, 1 1 人挚f i ! ；! | | 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t r 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 yl n d i c a t et h a ti fb o t ht h et r a n s m i t t e ra n dt h er e c e i v e r k n o wc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，w a t e r f i l l i n gs t r a t e g yi nt i m ed o m a i nc a ni m p r o v ec a p a c i t yo f f a d i n gc h a n n e l s u n f o r t u n a t e l y , o n l yu n d e rt h el o w e rs n rc o n d i t i o n ，c a p a c i t yo ff a d i n gc h a n n e l s w i l lb eh i g h e rt h a na w g nc h a n n e l s h o w e v e r , i fm u l t i u s e rc h a n n e lf a d i n gi si n d e p e n d e n te a c h o t h e ra n do n l yt h eu s e rw i t ht h eb e s tc h a n n e la ta n yo n et i m ei ss e r v e d ，t h et o t a lt h r o u g h p u to f t h i ss y s t e mc a nb em a x i m i z e d t h i sp a p e rs t u d i e st h eo p p o r t u n i s t i cc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do no p p o r t u n i s t i c b e a m f o r m i n g ，e s p e c i a l l ym u l t i - b e a mo p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n g s p e c i f i c a l l y , as c h e m et h a t e x p l o i t i n gs p a t i a lm u l t i p l e x i n gg a i nt h r o u g ho p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gw i t hm u l t i p l eb e a m si s s t u d i e d ，n a m e l yt h eb a s es t a t i o nt r a n s m i t sm u l t i p l ep i l o ts e q u e n c e su s i n go r t h o g o n a lb e a m s ，a n d e a c hu s e rf e e d sb a c kt h ec h a n n e lg a i no fe a c hb e a m ，t h e nt h eb a s es t a t i o ns e l e c t st h es u b s e to f u s e r sa n db e a m sf o rw h i c ht h es u m r a t ei sm a x i m i z e d b e c a u s eo ft h ei n c r e a s e df e e d b a c k c o m p l e x i t y , am e t h o di ss t u d i e dt h a tr e d u c i n gf e e d b a c kc o m p l e x i t yt h r o u g hp a r t i a lf e e d b a c kt o a c h i e v es u m - r a t e sc l o s et oo p t i m a lp e r f o r m a n c e c o m p u t e rs i m u l a t i o n sa l eg i v e nt oe v a l u a t et h e p e r f o r m a n c eo ft h es t u d i e ds c h e m e s 萄京邮i u 人学f 砍i j 学位沦丈英文缩略语 英文缩略语 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 & 氐g n a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b 3 g c d f b e y o n d3g e n e r a t i o n c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n c d m ac o d e - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s d a m p s d s l d f t f d m a g p r s g s m 高级移动通信系统系统 加性高斯自噪声 超三代 累积分布函数 码分多址 d i g i t a l a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m北美数字式进阶移动电话系统 d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r i l l f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e g l o b a ls y s t e m sf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s h s d p a h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s i m t - 2 0 0 0i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s 2 0 0 0 i s i i d f t i t u l d l o s m b w a m i m o m r r c n m t n t t o f d m i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o t i n i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n l i n e a rd i s p e r s i o nc o d e l i n e - o f - s i g h t m o b i l eb a n d w i d t hw i r e l e s sa c c e s 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 m a x i m a l r a t i or e c e i v e rc o m b i n i n g n o r d i cm o b i l et e l e p h o n es t a n d a r d n i p p o nt e l e g r a p ha n dt e l e p h o n ep u b l i cc o r p o r a t i o n 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 l t i p l e x i n g o f d m a 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 l t i p l ea c c e s s p d c p d f p s t n p e r s o n a ld i g i t a lc e l l u l a rs y s t e m p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n f u n c t i o n p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k 数字用户环路 离散傅立叶变换 频分多址 通用分组无线业务 全球移动通信系统 高速下行分组接入 国际移动通信2 0 0 0 符号间干扰 离散傅立叶逆换 国际电信联盟 线性分散码 视距传播 移动宽带无线接入 多输入多输出 最大比值接收合并 北欧移动电话标准 同本电报电话公司 正交频分复用 正交频分复用多址接入 个人数字蜂窝系统 概率分布函数 公共交换电话网 南京邮l 【1 人学顺i j ! 学位论义英文缩略语 q o s s d m a s i n r s n r t a c s t d m a q u a l i t yo fs e r v i c e s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s s i g n a lt o n o i s ep l u si n t e r f e r e n c er a t i o s i g n a lt on o i s er a t i o t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t d - s d m at i m e d i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m a u w bu l t r a w i d eb a n d w c d m aw i d e b a n dc d m a w i m a x w l a n w w r f 服务质量 空分多址 信号干扰噪声比 信噪比 全接入通信系统 时分多址 时分同步码分多址 超宽带 宽带码分多址 w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s全球微波接入互操作 w i r e l e s sl o c a ia c c e s sn e t w o r k w i r e l e s sw o r l dr e s e a r c hf o r u m 5 2 无线局域网 无线世界研究论坛 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 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。 研究生躲l 垫 帆q 皿至 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：妊导师签名 蜀期：业 萄片! 蛐j l u 人学f - ! j ! i j 学化论文 第。尊绪沦 1 1 移动通信系统发展历程 第一章绪论 第一代移动通信系统( 1 g ) 主要用于传输模拟话音信息，它能提供基本的移动性支持。 第一代模拟移动通信系统以北美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t a c s ( t o t a l a c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 、北欧n m t ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n es t a n d a r d ) 、德国c 4 5 0 以及同本n t t ( n i p p o nt e l e g r a p ha n dt e l e p h o n ep u b l i cc o r p o r a t i o n ) 等系统为代表，但它们 在各国的规范是互不兼容的。第一代移动通信系统的主要推动力是解决系统的兼容性、容 量、覆盖和传输质量等问题，它以解决用户动态匹配为核心，适当考虑了信道动态规划特 性，实现了频分多址动态寻址功能，以蜂窝结构网为核心，利用频率规划实现用户大范围 覆盖和用户数量增长。 第二代移动通信系统( 2 g ) 的发展始于2 0 世纪8 0 年代初，主要强调网络的兼容性， 采用数字化传输技术，较全面地考虑了用户和信道两个动态特性及其匹配措施。2 g 中采用 时分多址和码分多址技术实现动态寻址功能；以蜂窝网为核心，利用频率规划和导频相位 规划实现用户的大范围覆盖和数量的大量增长；采用性能优良的数字式调制和性能优良的 纠错编码抗白噪声干扰，采用功率控制技术抗慢衰落和远近效应；采用自适应均衡技术和 r a k e 接收机抗频率选择性衰落和多址干扰；采用信道交织编码技术，比如帧间交织和块 交织抗时间选择性衰落；基站采用空间或极化分集技术抗空间选择性衰落。在第二代移动 通信系统中，话音业务仍是主要支持的业务，同时数据业务和补充业务( 如用户数据加密) 也纳入了2 g 的标准中。代表性的第二代系统是g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) 、d - a m p s ( d i g i t a l - a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 、p d c ( p e r s o n a ld i g i t a l c e l l u l a rs y s t e m ) 、c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，它们分别在1 9 9 1 年( 芬兰) 、 1 9 9 4 年( 美国) 、1 9 9 4 年( 同本) 、1 9 9 5 年( 香港和韩国) 开始投入商用。虽然g s m 获得 了世界范围的成功，但是这些第二代系统之f 日j 也互不兼容。 第三代移动通信系统( 3 g ) 全面考虑并完善了对用户、信道两个动态特征的匹配，适 当考虑业务的动态性能，采用了多用户检测、智能天线、多用户分集等技术改善性能。第 三代移动通信系统目前主要标准有2 0 0 0 年5 月确定的美国c d m a 2 0 0 0 标准、欧洲w c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 标准、中国t d s c d m a ( t i m e d i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 标准以及2 0 0 7 年10 月确定的w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 标准。它的主要特点是：主要采用c d m a 1 塑皇业! ! 叁：i 三塑! ! ：i 三垡堡墨星二垦笪堡 多址办式；无线网络必须能够支t ， 不同的数据传输速度，在室内、室外和行乍的环境中能 够分别支持至少2 m b p s 、3 8 4 k b p s 以及1 4 4 k b p s 的传输速度；除了传统语音业务，能够处 理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电活会议、电子商务等多种 信息服务；灵活的小区结构和易于管理的信道结构；灵活的频率和无线资源管理。 第三代移动通信系统从2 0 0 1 年丌始进入商用阶段，随着对3 g 技术及应用研究的不断 深入，3 g 标准本身及其在支持高速数据、多媒体业务和资源综合优化利用等方面的局限性 同益显露，比如缺乏全球性的统一标准；语音交换架构承袭了2 g 的电路交换方式，而不 是纯i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 方式；流媒体的应用不尽如人意；数据传输速率与应用需求有 较大差距。人们迫切期待新一代移动通信系统能够支持高速数据和多种多媒体业务，具有 足够的系统资源、高保密性和高服务质量，实现真f 意义上的随时随地进行信息交换的目 的。j 下是在这样的背景和前提下，对被称为超三代( b 3 g ) 或第四代移动通信系统( 4 g ) 的未来移动通信系统的研究正同益成为国际性的研究热点。 表1 1 给出了从1 g 到4 g 发展过程中的主要技术参数。 表1 1l g 剑4 g 移动通信的基本技术参数 技术参数 l g2 g3 gb 3 g 使用频率 4 0 0 - 8 0 0 m h z8 0 0 9 0 0 m h z2 g h z3 5 g h z 频带宽度 3 0 k h zo 3 1 2 5 m h z2 5 m h z l0 2 0 m h z 调制方式 f mg m s k q p s km p s k q a m 多址方式 f d m at d m ac d m ac d m a t d m a o f d m 蜂窝区域大区 中区小区 微小区 业务类型话音话音短消息话音多媒体多媒体 核心网独立的电信独立的电信独立的电信i p 网+ 软交换 交换网交换网交换网+ i p 网 未来无线通信系统的关键问题是高速无线接入和i p 化，其主要特点是：采用新的频段， 比如2 - - - 8 g h z 甚至更高；广泛用于各种电信环境，支持各种不同业务和服务要求( q u a l i t y o fs e r v i c e ，q o s ) ；灵活可靠的移动管理和全新网络体制：支持全i p 高速分组传输，传输 速度应能达到1 0 0 m b p s ；丌放的网络业务平台；有效支持在用户数据速率、用户容量、服 务质量和移动速度等方面大动态范围的变化并进行自适应调整【1 4 】。 2 j 柯京洲j l u 人学埘! l j 学f t 沦之 第一章绪论 1 24 g 的研究现状和关键技术 4 g 是集3 g 与w l a n ( w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ) 于一体，并能够传输高质量视频 图像，它的图像传输质量与高清晰度电视不相- f ：f 。4 g 系统能够以1 0 0 m b p s 的速度下载， 比目前的拨号上网快2 0 0 0 倍，上传的速度也能达到2 0 m b p s ，并能够满足几乎所有用户对 于无线服务的要求。而在用户最为关注的价格方面，4 g 与固定宽带网络在价格方面不相上 下，而且计费方式更加灵活机动，用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。此外， 4 g 可以在d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后 再扩展到整个地区。很明显，4 g 有着不可比拟的优越性。 从技术角度来说，在宽带无线接入系统中，存在两个主要的问题：一是无线信道的多 径效应会引起严重的符号间干扰( i n t e r - s y m b 0 1 i n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，二是有限的频谱资源大 大限制了系统的容量。因此为了实现4 g 系统的目标，满足高带宽业务对系统容量的需求， 必须丌发能够有效利用频谱的新技术。i t u rw p 8 f 对无线接入技术趋势的研究表明，下 列技术将会在4 g 系统中得到广泛应用： ( 1 ) o f d m 技术，o f d m 本质上是一种多载波数字调制技术，其基本原理就是把高 速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个j 下交子信道中进行传输，从 而消除时间弥散信道( 即频率选择性信道) 上严重的符号间干扰。o f d m 的概念是d o e l z 在1 9 5 7 年提出的，1 9 7 1 年w e i n s t e i n 和e b e r t 用i d f t d f t 实现了o f d m 的调制与解调 2 】， 但是因为系统的实现比较复杂，该技术一直没有得到广泛应用。到了2 0 世纪9 0 年代， o f d m 技术丌始应用到一些标准的系统中，比如d a b 、d v b 、h i p e r l a n 和i e e e 8 0 2 1 1 系统等。o f d m 技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰。当然，o f d m 也带 来了新的问题。这些问题包括：较高的峰值平均功率比( 非线性放大问题) ；时频同步困 难( 特别是上行链路的子载波同步问题) ；对频率偏移比较敏感等。随着研究的深入和技 术的广泛应用，这些问题正在被解决。 ( 2 ) 智能天线技术，智能天线也叫自适应天线，它可以利用信号在传输方向上的差 别，将同频率或同时隙、同码道的信号进行区分，动态改变信号的覆盖区域，使主波束对 准用户方向，旁瓣或零陷对准干扰信号方向，并能够自动跟踪用户和监测环境变化，为每 位用户提供优质的上行链路和下行链路信号，从而达到抑制干扰、准确提取有效信号的目 的【5 1 。因此也可以把智能天线技术看作一种空分多址( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ， s d m a ) 技术。 ( 3 ) 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 ，m i m o ) 技术，为无线通信系 南京邮i u 人学埘! l j ! f 证沦之 弼一鼋绪论 统的发射机和接收机分别安装多副天线，可以构成m i m o 系统。m i m o 系统的核心思想 是空时信号处理【刚，即在原来时问维的基础上，通过使用多副天线来增加宅f n j 维，从而实 现多维信号处理，获得空间分集增益和宅问复用增益。研究表明，在富散射的环境中， m i m o 系统的链路容量随着天线数的增加证比例增长，这些增加的信道容量可以用来提高 信息传输速率，增加系统的有效性，也可以作为信息的冗余度改善系统的传输可靠性，或 者在有效性和可靠性之间取得一个合理的折衷1 7 j 。 ( 4 ) 无线资源管理技术，无线业务提供者需要为获得的频谱付出昂贵的费用。频谱 效率是决定采用一种技术的非常重要的因素，对b 3 g 系统也是如此。无线资源管理就是 在满足用户q o s 需求的情况下，在有限的带宽上分配和调度资源达到最大限度地提高频谱 效率和系统容量，同时避免网络的拥塞。在网络业务分布不均匀与无线信道环境比较复杂 的情况下，通过对网络内可用无线资源的合理使用，可以最大程度地提高无线频谱利用率。 ( 5 ) 软件无线电( s d r ) ，软件无线电使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不 同的网络和空中接口。软件无线电技术能支持采用不同空中接口技术的多模式手机和基 站，能实现各种应用的可变q o s 。软件无线电技术有助于不同标准和系统的融合。在b 3 g 中采用软件无线电技术，可以实现单一终端在各个不同系统之间的漫游，为系统共存和频 谱共享提供了可能。 通过上面的分析可以看到，目前，基于o f d m m i m o 技术的系统被视为4 g 系统最 有前景的实现方案。o f d m m i m o 技术可以将系统资源扩展到时域、频域、空域三维空间 上，同时在基于o f d m 的系统中应用自适应编码和调制，在多维空间中对多用户实行调 度，就可以使无线资源管理变得非常灵活。正交频分复用多址接入( 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 ea c c e s s ，o f d m a ) 被认为是最简单有效、资源分配最灵活的多址技术， 目前在8 0 2 i x 系列无线接入技术中得到了广泛的应用。 1 3 课题研究背景 无线通信作为当前发展最快的通信产业，正在向宽带化发展，为了支持多用户的高 速率数据和多媒体传输业务，必须高效综合利用系统的空问、时间、频率和功率等各种资 源，使系统有更大的用户容量、更高的传输速率和可靠性。可靠性和高速性要求始终是贯 穿通信技术的一对主要矛盾。为此在无线通信中，人们研究和采取了一系列提高系统容量、 速率和可靠性的技术措施，如多天线( 分集、复用、波束成形) 技术、多载波技术、新型 多址复用技术、信道自适应技术和各种抗干扰技术等。 传统的无线通信系统设计技术的着眼点往往是“点对点”通信，并且是面向对时延要求 4 ! 塑塞些! ! 叁兰竺! ：兰丝笙墨 笙二里堑堕 严格的语音：通信，所以其目标足使信道尽呵能恒定，接近加性高斯白噪声( a w g n ：a d d i t i v e w h i t eg a u s s i a nn o i s e ) 信道，采取的技术措施有空间、时j j 、频率和宏分集等技术，以及 干扰平均技术( 如c d m a 系统中的功率控制和扩频技术，o f d m a ( 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 ea c c e s s ) 系统中的跳频技术等) 。由于未来无线通信是面向数据的，信息 论研究结果表明，如果发射端和接收端均知道信道的状态信息，利用时间域一卜的注水策略 ( 即信道较好时刻分配较多功率，信道较差时分配较少功率甚至不分配功率) ，可提高衰 落信道的容量，但遗憾的是，只有在低信噪比条件下，衰落信道容量爿高于a w g n 信道 容量。然而，如果我们的观点从传统的“点对点”通信转向多用户系统的“点对多点”通 信，情况将发生很大的变化。信息论分析结果表明，如果多用户的信道衰落相互独立，且 某一时刻只服务于一个具有最好信道的用户，则系统总的吞吐量可以最大化，而且，系统 总容量与用户数成正比，几乎在所有用户数下，衰落信道的容量高于a w g n 信道。这种 动态时分多址( d t d m a ) 思想已经在c d m a 2 0 0 01 xe v - d o 下行链路中得以实现。 以上分析说明，信道衰落是可以利用的，这可以通过适当的调度算法，并同时考虑到 不同的业务要求，使每个用户在具有较好信道条件下得到公平服务。但这种多用户分集方 法受到两方面因素的制约，一是在l o s ( 视距传播) 和非散射信道环境，信道变化范围太 小；二是如果信道衰落变化太慢，则不能满足对时延要求严格的应用。为此p r a m o d v i s w a n a t h 等在2 0 0 2 年首次提出了引入随机衰落的措施，基站采用多个天线，终端采用一 个天线( 也即m i s o 系统) ，多天线采用波束成形模式，但天线加权系数是随机产生的， 当某个时隙的加权复系数j 下好与某个用户的信道系数相匹配时，该用户具有最高的信噪 比，从而系统服务于该用户。这种方法称为机会波束成形法( o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n g ) ， 因为同时只服务于一个用户，它实际上仍属于d t d m a 范畴。双天线机会波束成形与著 名的a l a m o u t i 空时编码技术相比，有3d b 性能增益；机会波束成形与传统的相干波束成 形相比，后者需要估计和反馈多个天线信道各自的幅度和相位，而前者只要反馈一个合成 信道的信噪比，与发端天线数无关，因此反馈量大大减少，当用户数增加时，机会波束成 形收敛于传统的相干波束成形。 当前，国际上对机会波束成形的研究主要集中在以下三个方面。1 ) 将单波束机会波束 成形扩展到多波束机会波束成形。2 ) 将m i s o ( m u l t i p l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统扩展到收 发均采用多天线的m i m o 系统。3 ) 宽带信道的机会波束成形技术。 1 4 本章小结和全文主要安排 本章首先介绍了移动通信的发展状况，各个阶段移动通信的技术特点，以及4 g 的研 究现状和关键技术。本章对于课题的研究背景也作了详细的说明，并在国际上已提出的基 于机会波束成形的d t d m a 技术基础上，集中研究将单波束扩展到多波束的方法。 5 南京| l | l j i u 人学坝l j 学位论文第一督绪论 论文安排如下：第二章主要介绍了无线衰落信道的传播特性和m i m o 相关技术，重点 介绍了r a y l e i g h 分布、r i c e 分布、n a k a g a m i m 分布三种信道衰落模型以及m i m o 系统的 原理和信道容量。第三章主要介绍了机会波束成形相关理论与技术，包括多用户分集，比 例公平调度算法以及机会波束成形的基本理论。第四章在机会波束成形基础上重点介绍了 多波束机会波束成形技术，并对单波束和多波束作了比较全面的仿真比较，提出了在数据 模式下存在波束| 日j 干扰的情况下选择用户以及进一步减少反馈量的方法。本文最后一章给 出结论，并指出需要进一步研究的方向。 6 南京邮l u 人学坝i j 究生学位论艾 第二帝无线f 。i 道f 输特性和m i m o 技术 第二章无线衰落信道的传播特性与m i m o 技术 2 1 无线衰落信道的传播特性 信道是任何一个通信系统所必不可少的组成部分。移动通信的信道和固定通信信道 ( 无线本地环路例外) 是完全不同的。在固定通信中，信号的传输媒介是人工制作，例如 双绞线、电缆、光纤等。这些媒质的传输特性在相当长的时间内是十分稳定的，可以认为 这种信道是恒定参数信道。而在移动通信信道中，信号在空间中自由传播，受外界信道条 件的影响很大。由于天气的变化、建筑物和移动物体的遮挡、反射和敞射作用以及移动台 的运动造成的多普勒频移的影响等造成信道的变化，可以认为这种信道为随机参数信道。 在移动通信信道中，一般来说接收信号的功率可以表示为 尸( d ) = 竹”s ( d ) r ( a ) ( 2 1 ) 其中d 表示移动台与基站的距离向量，i d i 表示移动台与基站之间的距离。根据式( 2 1 ) ， 无线信道对信号的影响可以分为三种： ( 1 ) 电波在自由空间内的传播损耗川一，也被称作大尺度衰落，其中，z 一般为3 4 ； ( 2 ) 阴影衰落s ( d ) ：表示由于传播环境的地形起伏、建筑物和其它障碍物对地波的阻 塞或遮蔽而引发的衰落，被称作中等尺度衰落； ( 3 ) 多径衰落r ( d ) ：由于无线电波在空间传播会存在反射、绕射、衍射等，因此造成 信号可以经过多条路径到达接收端，而每个信号分量的时延、衰落和相位都不相 同，因此在接收端对多个信号分量叠加时，会造成同相增加，异相减小的现象， 这也被称作小尺度衰落。 此外，由于移动台的移动，还会使得无线信道呈现出时变性，其中一种具体表现就是 会出现多普勒频移。自由空间的传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆盖，通过合 理的设计可以消除这种不利影响。本文主要讨论无线信道的多径衰落和时变性，对大尺度 衰落和阴影衰落只作简单介绍。 2 1 1 无线信道的大尺度衰落 无线电波在自由空问内传播，其信号功率会随着传播距离的增加而减小，这会对数据 7 i 苘京邮l u 人学颂l j i i j fj ， 生学似论文 第一二l 等尢线f 占道传输特性c + - nm i m o 技未 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的模型叮以表示为： ：妥：k 与( 2 - 2 ) pd 7 其中e 表示本地平均发射信号功率，e 表示接收功率，d 是发射机与接收机之i 玎j 的距离。 对于典型环境来说，路径损耗指数y 一般在2 4 中选择。由此可以得到平均的信噪比为 ：曼：ksnr 旦j 二 = 二上= 二三_ ： d 7n o 优 ( 2 - 3 ) 其中n o 是单边噪声功率谱密度，玩是信号带宽，k 是独立于距离、功率和带宽的常数。 如果为保证可靠接收， 2 求s n r s n r o ，其中s n r 。表示信噪比门限，则路径损耗会为比 特速率带来限制： 吼丽x p , ( 2 4 ) 以及对信号的覆盖范围也会带来限制： 诛一n o b w s n r o ) i ， p 5 ， l 。 可见，如果不受其它特殊的技术，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。但是在一般的蜂窝系统中，由于小区的规模相对较小，所以这种大尺度衰落对移 动通信系统的影响并不需要单独加以考虑。 2 1 2 阴影衰落 当电磁波在空间传播收到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些障碍物后面会产生电 磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起衰落。与多径衰落相比，阴影衰落是一种宏 观衰落，是以较大的空间尺度来衡量的，其衰落特性符合对数正态分布。其中接收信号的 局部场强中值变化的幅度取决于信号频率和障碍物状况。频率较高的信号比低频信号更加 容易穿透障碍物，而低频信号比较高频率的信号具备更强的绕射能力。 2 1 3 无线信道的多径衰落 无线移动信道的主要特征就是多径传播，即接收机所接收到的信号是通过不同的直 8 南京i i i i ；i u 人学f 硕i j _ l j 允i 卜学位论文 第二承尢线竹道f 输特忡和m i m o 技术 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，因此各条路径中 发射波的到达时0 ；j j 、相位都不相同。不同相位的多个信号在接收端卺加，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。 在传输过程中，由于时延扩展，接收信号中的一个符号的扩展到其它符号当中，造成 i s i ( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，符号j 、日j 干扰) 。为了避免产生i s i ，应该使符号宽度远远大于 无线信道的最大时延扩展，或者符号速率要小于最大时延扩展的倒数。 在频域内，与时延扩展相关的重要概念是相干带宽，实际应用中通常用最大时延扩展 的倒数来定义相干带宽，即 1 ( 衄) ，l( 2 6 ) r m 。 其中r 。表示最大时延扩展。 从频域角度来看，多径信号的时延扩展可以导致频率选择性衰落，即针对信号中不同 的频率成分，无线传输信道会呈现不同的随机响应。由于信号中的不同频率分量的衰落是 不一致的，所以经过衰落以后，信号波形就会发生畸变。由此可以看到，当信号的速率较 高，信号带宽超过无线信道的相干带宽时，信号通过无线信道后各频率分量的变化是不一 样的，引起信号波形的失真，造成i s i ，此时就认为发生了频率选择性衰落；反之，当信号 的传输速率较低，信道带宽小于相干带宽时，信号通过无线信道后各频率分量都受到相同 的衰落，因而衰落波形不会失真，没有i s i ，则认为信号只是经历了平坦衰落，即频率非选 择性衰落。相干带宽是无线信道的一个重要特性，至于信号通过无线信道时，是出现频率 选择性衰落还是平坦衰落，这要取决于信号本身的带宽。 2 1 4 无线信道的时变性及多普勒频移 当移动台在运动中进行通信时，接收信号的频率会发生变化，称为多普勒效应，这是 任何波动过程都具有的特性。信道的时变性是指信道的传递函数是随时| 、日j 而变化的，即在 不同的时刻发送相同的信号，在接收端收到的信号是不相同的。时变性在移动通信系统中 的具体体现就是多普勒频移，即单一频率信号经过时变衰落信道之后会呈现为具有一定带 宽和频率包络的信号，这也可以称为信道的频率弥敖性。 多普勒效应所引起的附加频率偏移可以称为多普勒频移，可以表示为： 9 南京蛐：l u 人学坝i j 研究生一位论文第二乖无线f 膏道传输特和im i m o 技术 兀：_ ! - vc o s 0 ：堕c o s 臼：以，c o s 0( 2 7 ) 允c 其中正表示载波频率，c 表示光速，无，表示多普勒频移，v 表示移动台的移动速度。可以 看到，多普勒频移与载波频率和移动台的移动速度成正比。 由于存在多普勃频移，所以当单一频率信号石到达接收端的时候，其频谱不再是位于 频率轴f o 处的单纯万函数，而是分布在( 五一z ，五十厶) 内的、存在一定宽度的频谱。 从时域来看，与多普勒频移相关的概念就是相干时问，即： ( 峨万1 ( 2 - 8 ) 相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。换句话说，相干时间就 是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。如果基带信号带宽 的倒数，一般指符号宽度大于无线信道的相干时间，那么信号的波形就可能会发生变化， 造成信号的畸变，产生时间选择性衰落，也称为快衰落；反之，如果符号的宽度小于相干 时间，则认为是时间非选择性衰落，也即慢衰落。 2 1 5 信道衰落模型 这里的衰落模型，主要是讨论多径信道的包络统计特性。一般而言，接收信号的包络 根据不同的无线环境服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布和莱斯( r i c e ) 分布。另外，还有一种具有 参数m 的n a k a g a m i m 分布，参数m 取不同的值时对应的分布也不相同，因此更具有广泛 性。 2 1 5 1 瑞利分布 在移动通信信道中，由于基站和移动台之间的反射体、散射体和折射体的数量是相当 多的，所以信道的冲激响应表示如下： 1 ( r ) = a 8 ( t - r ) e 脯 ( 2 9 ) 其中代表到达的多径的径数；4 代表第? 条路径的信号幅度；乃代表第? 条路径相对第一 条路径( f = 0 ) 的时延；谚代表第? 条路径的信号相位。 l o 南京i i f l j i u 人学坝i ：研究生学位论文第二章无线价j 酋传输特性稿lm i m o 技术 似设发射机和接q g l j j l 之i 日j 没有直射波路径；有大量的反射波存在，且剑达接收机天线 的方向角是随机分布的( o u2 兀均匀分布) ；各个反射波的幅度和相位郜足统计独立的， 则达到接收机的信号包络r 服从瑞利分布： 肿) 专e x p ( - 毛2 0 - ) ( 舢)仃一 。 其中盯2 为，的方差。 瑞利分布的概率密度函数如图2 1 ： 2 1 5 2 莱斯分布 图2 1 瑞利分布的概率分布密度 ( 2 1 0 ) 当接收信号中有视距传播( l o s ) 的直达波信号时，视距信号成为主接收信号分量， 同时还有不同角度随机到达的多径分量叠加在这个主信号分量上，这时的接收信号幅度r 就呈莱斯分布，甚至高斯分布： p ( 沪孝e x 叶瓦r 2 + 厂a z 儿7 r a ) ( a o ，r 硼 ( 2 - 1 1 ) 其中盯2 为，的方差，a 是主信号的峰值，i o ( ) 是零阶第一类修j 下贝赛尔函数。贝赛尔 l l 南京i | i | j i u 人学坝i j 研究生学位论义2 ；j 二章尤线f 一道传输特件和m i m o 技术 分布常用参数簟来描述，k = 虿a 2 ，定义为主信号的功率与多径分量方差之比，用d b 表示： ： _ a 2(21k 1 0 1 9 1 2 ) = _( 2 一) d k 值是莱斯因子，完全决定了莱斯分布。当a j 0 ，k 专一0 0 d b ，此时在接收信号中 没有主导分量时，混合信号的包络从莱斯分布转变成瑞利分布。显然，强直射波的存在使 得接收信号包络从瑞利分布变成莱斯分布，当直射波进一步增强( k 1 ) 时，莱斯分布 将向