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m i m o - 0 f d m 系统中自适应调铺技术的研究 m i m o - o f d m 系统中自适应谲翩技术的研究 摘要 信怠的有效传递已经成为衡量现代社会发达程度的重要标志之一。无 线移动通信成为信息社会不可或缺的通信手段。从业务和技术的发展而 言：方西，随着袋砖业务的发展，秃线资源妇频谱变褥越慕越紧缺，如 何凳离效遗荦j 用有限的通信资源成沟无线逶倍新技术发展的焦点所在；努 一方面，由于计算机和数字信弩处理技术的翻趋成熟，通信终端对予信号 在空间域，时间域和频攀域魄处理成为霹熊。本论文以提惑通信系统容量， 藏系统资源尤其是无线瓷潦的有效 生；舅：l 通信系统转输可靠往为舀标，主要 研究多天线m i m o ，o f d m 系统中的臼适应调制技术及其相关的问题。 本谂文的磺究思路是从基本理论史发，在掌握了技术姥基本原理鳇基 础上，建立系统模型，研究各种技术的系统实现方法和糟关算法，最后通 过仿真分析，提出简化算法。 多天线m i m o 技术可以提高空阀分集增盏，正交频分复照o f d m 技 术剡十分适于无线环境下的逶铸。在m i m o 与o f d m 系统的结合方面， 阁前已经投入了大量的研究工作。该系统集合了两方面技术的优势，不但 可以提裹数据速率，还可以降低时延扩展对系统的影响。对予 m i m o - o f d m 系统的研究主要有三个方囊：第一静是结合空时编码的 m i m o o f d m 系统，该方案魑面向性熊的，目的是实现分集增精和编码 增益的最大化。第二种是基予奇异值分解( s v d ) 的方案，该方案主要蕊 北京邮电火学硕士学位论文 m i m o - o f d m 系统中自适应调制技术的研究 向系统容量，通过收、发鼹端对予信道进行分解，实现多条傣邀的熬立_ 弗 行传输。第三种是贝尔试验塞提出的b l a s t 系统，这是面向比特速率的 一种方案。 囱适应技术从信遴的时变性出发，掇高功率效率和传输速率，本文重 点研究前两种方案下的系统囱适应调制性能。首先进行多天线( m i m o ) 的基本原理分析，然螽分析m i m o o f d m 系统鹩纂本聪理戮及应髑中的 凡种方案。这受深入研究两种情况下戆自逶应调铡技术。第一稀， m i m o - o f d m 蒸统采翔空时壤磅时酶鑫适应调裁，集中摄毽磷秘方法， 势暹避仿真进行比较。纂二秘，基予奄舅篮分鳃( s v d ) m i m o ，o f d m 系 统的甄适应调制技术。这里深入分凝了魁适应调制算法，完成比特和功率 的映射。最后通过仿真和数学分析褥出实际系统中可行的优化箨法。 关键词：正交频分复用( o f d m ) 自适感调制多天线( m i m o ) 空时 编码奇异德分解( s v d ) 无线倍道系统容粲 l t 京蝼 & 犬学硬l ：学蹙论文m i m o - o f d m 蕞绽孛叁透巍疆糍挂拳热研究 r e s e a r c ho nt h ea d a p t i v em o d u l a t i o n t e c h n i q u e s i nm i m o - o f d ms y s t e m a b s t r a c t t h ei n f o r m a t i o n st r a n s m i s s i o nh a sb e c o m ea l l i n d i c a t i n g o fa s o c i e t y s c i v i l i z a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n sa r en o wp l a y i n gam o r ea n dm o r e i m p o r t a n tr o l ei nt h e w o r l d sd e v e l o p m e n t + i nc o m m u n i c a t i o na r e a ，t h es e r v i c e s a n dt e c h n i q u e sb o t hm a d eg r e a tp r o g r e s s e s ，b u tc o n f l i c t e dw i t he a c ho t h e ra t t h es a m et i m e f r o mo n es i d e ，s om a n yk i n d so fs e r v i c e sa r ea p p e a r i n gw h i c h a s k s 鳓rm u c hm o r er a d i or e s o u r c e ss u c ha sf r e q u e n c y , p o w e r , e t c f r o mt h e o t h e rs i d e ，t h ec o m p u t e ra n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) t e c h n o l o g yc a n m e e tt h e s en e e d sa n dd e a lt h e s i g n a li nt i m e ，f r e q u e n c ya n ds p a c ed o m a i n t h i s t h e s i sf o c u s e so nt h e a d a p t i v e m o d u l a t i o n si nm i m o o f d ms y s t e mt o i m p r o v e t h es y s t e m c a p a c i t ya n do p t i m i z e t h es c h e m i n go f r a d i o r e s o u r c e s ，a n d f u l f i l lt h ed e m a n d o f h i g h d a t ar a t ea n d h i g hq u a l i t yc o m m u n i c a t i o n s f h er e s e a r c hs t a r t e dw i t ht h ea n a l y s i so ft h eb a s i ct h e o r i e s ，t h e nm o d e l e dt h e s y s t e ma n ds t u d i e dr e l a t i v ea l g o r i t h m st h r o u g hs i m u l a t i o n ；a tl a s tw eg a v ea d r a f ti nc o n s t r u c t i n ga p r a c t i c a ls y s t e m m i m o ( m u l t i i n p u ta n dm u l t i o u t p u t ) t a k e ss y s t e mg a i n so fd i v e r s i t y a n d o f d m o 热h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i d e dm u l t i p l e x e d ) i sf a v o r a b l et ob eu s e di n | | 璁采邮电大学硕士学位论交 m i m o - o f d m 系统中自适施调制技术的研究 c o m m u n i c a t i o n su n d e rw i r e l e s sc o n d i t i o n s ，t h e r eh a v em a n yr e s e a r c h e si n a d o p t i n gm i m o i no f d m s y s t e m ，w h i c hc a ni m p r o v ed a t a - r a t e a sw e l la s r e l i e v e m u l t i - p a t h e f f e c t s t w os c h e m e sh a v eb e e n b r o u g h t f o r w a r di n m i m o o f d mw i t ha d a p t i v em o d u l a t i o n si nt h i st h e s i s 。o n e i s a d a p t i v e m o d u l a t i o ni nm i m o o f d mw i t hs t c ( s p a c e - t i m ec o d i n g ) ；t h eo t h e ri s a d a p t i v em o d u l a t i o n i nm i m o o f d mw i t hs v d ( s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s e d ) a d a p t i v e m o d u l a t i o na l g o r i t h m s c o m p l e t e t h eb i t sa n dp o w e rl o a d i n gi n o f d m s u b c a r r i e r s a tt h ee n do ft h i sp a p e r ，ap r a c t i c a ls c h e m eb e i n gg i v e no u t b a s e do n s i m u l a t i n g a n d a n a l y s i s 。 k e yw o r d s ：o f d m ，m i m o ，s t c ，s v d ，w i r e l e s sc h a n n e l ，s y s t e m c a p a c i t y v 北京邮电太学硕士举位论盘=m i m o - o f d m 系统中自适应调制技术的研究 独创性( 绒创薪性) 声明 本人声硝所呈交的论文是本人在导师指导下迸行的研究工作及取得的研究成粜。 尽我熙妇，除了文中特鄹加以撂渡郛致谢孛爨罗列的蠹容以终，谂文中不包含笑娃人 融经发袭或撰写过的研究成果，识不包含为获褥北京邮电大学或其他教育机构的学位 菠证书褥楚羯避缒牵季辩。墨我一瓣王簿瓣嚣惑瓣零碜 究舨傲豹 壬髂贾献鞠汪在论文中 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贸之处，本人承担一切相关蒲任。 零人签名：日期： 关予谵文健矮援粳瓣滋爨 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寇，即：研究 生在较攻凌学位期闻论文王终酶熟识产投攀位褥l e 京都电大学。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，允许学位论文被查阕秘偻阅；学校可以 公布学傻论文的全部或部分内容，可以允许采蹋影印、缩印残其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文褒瓣整恁遵守戴媲定) 保密论文注释：本学饿论文髑予保密在一年勰密屠适用本授权书。非保密论文注 释：零学往论文不瓣予绦鬻范餮，适用本授权书。 本人签名；日期： 导师签名：一 嗣弼： 北京邮电大学颂士举位论丑 m i m o - o f d m 系统中自适麻调制技术的研究 第一牵引富 信息的有效传递已l 经成为衡摄现代社会发达稷度的重瑟标志之。无线移动通信 成为信怠社会不可残缺的通信手段。无线移动通信进入数字仡阶段以来，在技术上已 缝墩褥了个又一个突破，截蠢2 0 0 4 年1 1 簿底，全球已经霄1 1 3 家运营鬻提供3 g 暇务，5 0 令国家秘地区镳谈了3 g 嬲络，飕户数这l 4 亿。然瑟，这并寒实瑰寒泉移 动通信的目标，即隧在任何时阑、任何地点、自经何人提供快速可靠昀通信服务。 从移动通信技术和姓务的发展而言：一方面，随蓿各葶争业务的发展，无线瓷源如 频谱变得越来越紧缺，如何更商效她利用有限的通信资源成为无线通信新技术发展的 焦点所在；另一方面，由予计算橇和数字信弩处理技术的日趋成熟，通信终端对于倍 号在空满城，时间域和频率域的缒理戒舞可髓。本论文馥绳裔通信系统容鬣，或系统 资源茏其是无线资源豹蠢效楼帮撩售系统转辕霹嚣经淹强檬，主蘩研究多天线 m l m o o f d m 系统中的爨邋应谡剃技术发其攘关数瓣趱。 本章首先介绍了现代无线移动通信的发展状掇，然后讨论o f d m 技_ 求，囊遥应调 制技术以及多天线m i m o 技术的主辩特 眍和翻前的硪究进展，爆后贪绍了本沧文的结 构和内容安排。 + 无线移渤邋信发展现状 移动通信可以说从笼线电发瞑之层就产生了。人类采翔无线方戏进行通信鲍鹰史 w 以追溯剁十九世纪术。1 8 6 4 簪，英国物理攀家囊克颠维( j c m a x w e l l ) 创造牲地 总结了人们已有的电磁学知识，预言了电磁渡的存在。1 黯7 年，德博物理学家赫兹( h r h e r t z ) 璃安验产生蹴电磁渡，证嘲了裹竟新壤的疆富。1 8 9 7 年，意大利科举家马 哥凳( gm a r c o n i ) 蓄次使用无线窀波遴褥倍怠传褥著获褥成麓。1 9 0 1 年，马可尼实 魏了扶英阑到坦芬兰瓣跨大疆洋无线鬯镕号接牧，这爱一次超过2 7 公蓬静远躐离懑 傣，楚分鼹示了无线通揍的巨大发震潜力+ 槎隧嚣的一令多世纪弱孵同墨，黪隧着计 辣机投术和大规模集成电路技术的发展，无线通镄的耀论和技术不断取得进步，今天 的移动通信技术已成为人们日常生活中不可缺少的熏要通倍方式。 早期的无线通信主要用于船舶、航空、列车、公熬安全等专用领域，用户数量很 少。： 一髓纪六十年代疆承实验室掇尚了蜂窝钓概念，使无线通信摆脱了稼统韵丈酝 钧结籀，为无线遥债弱大溉摸裔羯奠定了蘩磷。七卡年代獒有商霹靠经瀚霞急徽登射 频硬l 串躲发展使移动遵信逐灏成熟越来。扶二十世纪七一卜年代来到现在的二卡多年孵 北京邮电太学礤士学位论文 m m o - o f d m 系统中自适应调制技术的研究 间里，无线邋信系统从以模拟技术、频分多蛙为特征的第代发展到以数字技术、时 分多址为特诬的第二代，商至目前正在逐渐开始商用的以宽带码分多址为核心的第三 代。 最近十年楚移动通信迅猛发展的十年，据绕汁，1 9 9 0 年全球移动电话的用户仅为 l 予万，嚣2 0 0 3 年痰移动邀话焉户的数蕊己这爨1 3 识。在巾鏊，截史2 0 0 4 年s 胃残 移动电话用户总数达到3 0 5 亿，同时在燎高峰时每月新增的移动电话用户数超过l 千 万，串溺毫缆成为全球最大戆移劾遥蓿帑场【l ，2 j 。不涂蔗中国还蹩全球，移动魄话静 用户数都已缀超过了固定电话的用户数。移动避信的成功在于。固定电话只能实现菜 一固定位置与嚣醐定位援之闯的通信，而移动通信可以真难实现人与人之问的通信， 因此受到了用户的欢迎，嬲时也援健其获提了缀丈的发展。 除了蜂窝移动通信系统，还有其他一魑无线通信投零也程不断潲现，包括以d e c t 、 p h s 必钱表改无线索话接入方式 叛i e e e8 0 2 。l l 彝h i p e r l a n 2 为健表静无线爨城弼、 以i e e e8 0 2 1 6 为代液的无线城域网( 雄地无线宽带接入) 、以蓝碧( b l u e t o o t h ) 技术 为 弋表翡无线夺城潮黻及骧数字漪蒙广播( d a 3 ) 、数字褫频广播( d v 转) 鸯代表静 浙一一代数字广撩技术等。圈l 。l 给出了不i 霉无线系统程覆盖藏匿和数据速率一e 的麓别。 圃 涎 稠 咚 爨 蒋 漤 数据速率( m b i v s ) 豳1 1 不同光线系统在覆盏范围和数据逮率的麓别 男一方麟，在有线网终中，i n t e m e t 的发展照加邋猛，其业务爨已经超过了传统黪 北隶娜电大学硕士学位论文 m i m o - o f d m 系缝孛囊逶应调铷技米 自磺究 谖蠹业务的她努量。与此辐对应鲍，入髓也棼颦在移动逶结中能够露撵馒爱i m e m e t 业务。在这方面最为成功当属日本n r r d o c o m o 于1 9 9 9 年推出的i - m o d e 业务。这项 潼务疆麦焉户提供电子女# 转、w e b 测熬渡及锯援黢蔡、天气等绩惫查询、镶行鼗务、 游戏、娱乐等的在线业务。 移动互联阚的笈艟，谈褥移动电话汪经不议莰跫个谮音交谈的工欺，也藏为了 人们进行各种个人和商业掰的电予通讯的通信工具。同时，暹信的对象也进一步得到 了扩大，从入与入之间扩大到了入与机器之闻【3 】。 隧黄用户对务秘实时多媒体业务嚣漆数增麴程嚣联黼技术趣迅猛发疑，无线通售 的这种发展趋势将继续。预计到2 0 0 6 - 2 0 0 7 年阀，全球蜂窝电话的用户数量将超过2 0 亿，箕链无线搜本麴无线熙域稻、无线凝域赠、无线令久城鬻等毽将毒熨大懿枣场需 求。 箍瓣宽带照务需求承不貉增彀，无线转籍锌灸个入通信的重要手段，其矛麓最得 十分突出。尽管第三代移动通信系统( 3 g ) 熊提供m b p s 鬟缀的佟输速率。但与宽带 妲务酌发展需求相比还相麓甚远，远远不能满足束来个人通信的簧求。根据移动通信 1 0 年代的发展援终，颈计在2 0 1 2 年左鸯将会推出4 g ( 也称为b e y o n d3 g 或b e y o n d 1 m t - 2 0 0 0 ) 无线通信系统。 一般来落，技零豹发袋总是蘩趣懿予实黥熊囊整疲援，铡妇g s m 系绞奁9 0 年代 巾期得撂大规模的尚用，假是它的研究在8 0 年代就开始了。同样3 g 的研究工作也是 钛年代裙颓疆震开了。强魏，器旃正是野始4 g 磷究静耩尊候。 国际电信联盟i t u 于2 0 0 0 芏f1 0 月发起成立了b e y o n di m t - 2 0 0 0 工传组，黩在统 全球移动通信标准。2 0 0 1 年l o 月酌i t u - rw p g f 会议上，纫步明确了b e y o n d 1 m 1 = 2 0 0 0 磺究的基本框架：b e y o n di m t - 2 0 0 0 楚指广泛应用予各秘电售环境的无线系 统的总和，识括蜂窝、固定无线接入、游牧( n o m a d i c ) 接八系统等，玄涵盖厂已有 的i m t - 2 0 0 0 、无线接入、数字广援等系统，势将耨滋两个帮势，帮支持终1 0 0 m b p s 的蜂窝系统和支持蠲达1 g b p s 以上速率的游牧本地兹线接入系统等【4 ，5 1 。根据1 t u 给 岛兹辩溺表，2 0 0 2 年6 胃完残慧俸嚣标藕远豢，2 0 0 7 年进行频谱绒翔，2 0 1 0 年左右 完成全球统的标凇化工作，2 0 1 2 年左右开始投入商用。 蔼前4 g 已经成为簪簖性的研究热点f 6 】。觚世界藏蔺内洙看，欧溯和强本在4 g 研 究中处于领先地位。 由于g s m 标准的巨大成功，欧洲的设备生产商、运营滴和研究机构在无线和移动 逶信磺宠稠开发上越了镢器躲终掰，链们也对4 g 系绞磅竞羧为积擞。2 0 0 1 年8 月， 以欧美5 大通信设豁制造商( 阿尔卡特、爱立信、诺基亚、西门予和摩托罗拉) 为。p 北隶邮电人学颐j ：学位论义 m i m o o f d m 系统中自适威溺是4 技术的研究 心成立了世界无线邋信技术研究谂坛( w w r f ) ，作为一个非盈利性组织，积极推进 全球范围内研究、霸：发4 g 相关昀技术以及4 g 标准的制订。同时，欧盟髅息技术协会 ( i s t ) 第5 撂架移籀6 挺絮磺究毒中划下舱多令磺究磺嚣，如w i n n e r 、a m b i e n e t 、 m i n d 、m a t r i c e 簿也都开展了大量的研究工作。此外，欧洲各国也有一些相关的研 究壤基，翔渡阗戆r n r t ( r 6 s e a un a t i o n a ld el ar e c h e r c h e e l lt 6 1 6 c o m m u n i c a t i o n s ) 、德 国的b m b f ( b a s i c t e c h n o l o g i e s f o r c o m m u n i c a t i o n s n e t w o r k s ) 瑞舆的p c c ( p e r s o n a l c o m p u t i n ga n dc o m m u n i c a t i o np r o g r a m ) 和芬兰静n e t s ( n e t w o r k so f t h ef u t u r e ) 等。 日本作为第一个投入3 g 商雕的国家，在4 g 系统研究上也投入很多的人力物力。 尤其是n t td o c o m o 公司在4 g 研究工作非常弓l 入疆嗣，他们提出了以可交扩频因予 正交频宰码分复用( v s f 。0 f c d m ) 为圭要技本戆4 g 系统实现方案，继2 0 0 2 年l o 月 酋次推出下行链路速率为1 0 0 m b i t s ，上行链路速率为2 0 m b i t s 的实验系统后，在2 0 0 4 每5 月2 6 日- - 2 7 目第4 我移动遴信系统( 毒g ) 国器会议“i c b 3 g2 0 0 4 ( i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c eo nb e y o n d3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s 2 0 0 4 ) ”上，n t td o c o m o 公靠了正 在蠢本神奈j | | 荟横缀贺帮蜜施戆4 g 实稳试验鹣详绥数据。在离4 g 无线纂谴8 0 0 m 一 1 k m 的地方以3 0 k m 的时德行驶的车辆中，实现了下行速度煨大约3 0 0 m b i g s ，平均约 l3 5 m b i t s 的数据传输速度。 在中国，2 0 0 1 年启动的“十孤”8 6 3 重大研究计划项g 中专门设立了露恿4 g 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 a lr a d i oe n v i r o n m e n t ) 计划，该计划的研究耳 拣楚盔藏技术产生豹据麓，对国驻主滚梭心技零豹发蔗班及知识产粳懿形藏赛瓣囊献， 实现移动通信技术跨越式发展；汗展高技术研究和试验，侧重于可实现性的关键技术 开发与演示，并予2 0 0 5 年藤逶嚣装键技术静演示。霾嚣搴孛嚣科学院霸上海市政府在上 海联台成立了移动通信技术研究中心，专门进行4 g 的研究= ：e 作。 无线互联网和无线多媒体是束来移动通信系统的主要目标，这对4 g 褥出了聪高的 要求，包括具有更商的信息传输速率，为用户提供熨大的便剥性。虽然4 g 的研究还 在进行中，德是目前普遍认为，4 g 无线通信网络的特征包括：涵箍各种无线系统，包 据蜂窝网、无线局域网、卫星等，鑫秘察孛接隧可以与因特网妻接裙连，鳃戒一兮统 一的全球性的网络；以l p 为核心网采用分组交换方式，向用户提供的峰值速率超过 1 0 0m b i t s ，并毙支持蠲户在各秘无线逶信弱络中无蟪浚游；支特不蔺类鼙鼗务鞠多秘 q o s 要求，灵活的用户管理、移动性管理，更商的蜜全性；智能、开放的网络! 眦务平 台，便予耨照务静歹i ：发稻藏翔；终端智能偬，可重载等。 从传统蜂窝通信网的角度来饕，第l 代至篇4 代蜂窝通信网的演进可以 圭| 表1 一l 给出【7 l 。 4 她京邮f b 太学砸士学位论文m i m o a o f d m 幕缝孛自适成避麟技拳犍醑突 袭1 - 1 蜂窝逶糖瓣豹演进 l g2 g3 g4 g 无线接入 模攒 数字数字数字 硼) l 幢a基于o f d m 和 技术f d m a突豢d s ，c d m a 窄带d s c d m ac d m a 电路交换和分 核心戮泡路交换慧鼯交换完全墓予翠 组交换 语啻语誊逶毒均l p 主要业势 文本、嘲片、低宽带移动互联 文本 码率褫频等 网 但是来米的4 g 通信系统耱突破传统的蜂鬻网的概念，它不仅包含蜂窝网，还将涵 篷无线城域斛、无线爨域瓣、纛线个人域网、墨星、广播等多砖炎线技术，并擐据蚤 种接入技术的特点，构建分层的笼缝隙企覆盏蹙合系缆，形成“道用无线电环境”，并 实堍餐系统之瘸静互遵。黼1 2 绘爨了掰靛熬4 t 3 无线瓣终。 鹜t - 24 g 潮缀示意鹜 托京都电又擘颟_ 士攀经论文m i m o - o f d m 系统中自适应调制披术的研究 为了支持更离的信息传输速率和熨藤的趱户移劫涟度，在下代的玉线邋镶中崧 缀采羯鬏谗效率雯裹，撬多经手撬鼹力羹强缒豢蘩镱输技术。蕊中鳐关键投 之篷戆 o f d m 多载波技术、m i m o 多天线技术、链路自适威技术以及馕邋犏译码技术等。 t ，2 游雠技术的演进 频分笈阁( f d m ) 技术一妻披广泛成用于频攀潦拇性衰落镂懑下麴信号蟾校。英 技术的本质怒把信道划矜为菠千个带宽襁对较窄的予债道，然麟谯姆个独立的：乎信遂 上黉输速攀竣低懿锭号+ 菇了覆攘羧瓷秀矮送努务貉擦号，务予臻遂逶鬻奁簇攀主缣 赫足够的鞭离，保证髂譬程颓奉壤上不会重含。舄外，在接收端一般秘甬滤波耩对各 潞信弩进行滤液，国予滤波器本身设谛不可蘸实现壤耨情况下的锐禳j k ，这墩娶求各 个子傣邀阚胬霄檬护频带阙邋。霞戴，遮耱系统静频率稳耀率憝缀低懿。 为了瓣浚臻统籁努复麓戆糕赘竟载礴枣辩题，a 髓摄纛o f d m 捩术。o f d m 疆零 利用载波爨棚技术，通避予载波在频域上保持蕊炎，使得予载波鲍阉蹋等予髂号魄蛰 垮速率，从黼大大提高了系统的频率效率。o f d m 投沭开始提出予二十馓纪六一l 年代， 囊到丸年代君褥到f - 泛碰翅。这墨葵褥蕊予惫赣竣诗技零豹捩遮发鬟，懿线靛般大 器等。今天，o f d m 授术成为4 g 始末瀛技术之一。 o f d m 移栽渡技术【8 1 3 】由予其裔频谱藕裾率黼( 予载波栽变) 、抗颓率逸擗僚衰 落戆力强( 一般只镶要程舔个予载渡上键糟擎糖头稳衡器) 、实瑷鬻零( 可班使弼f f t ) 、 黠羲肇豢予撬( 窄嚣予弑其影嚓藩努予载波) 、曩予嶷璐子载波鬻憋鑫邋盛毙褥、功率 分配、支掩多j f 中多址方戏( o f d 双o f d m - t d m f a 、o f d m - c d m a 、o f d m f h 等) 簿优点，融娩被视为是4 g 系统空中拔口煨有可& 深用的技术。擞然，o f d m 已经在 攮多爨费数掇传辕系绫泽袋鼹，毽撼x d s l 、融磬加v b 、爰线裁蠛瓣i e e e8 0 2 。l l a 壤 鞠h i p e r l a n 2 、无线蠛域嗣i e e e 8 0 2 + l 翻等，煎照将铝甭予移动透信静复杂环境，运 霄一鎏闯邀褥舞解决，毽旗同步、频偏、峰蚜汔蛰阏聪。 ，3 链巍螽遮盛饔多天线援零 1 3 1 链路霸道应技术波典畿麟 灵线逶傧奄裂子豢线遵荣穰重要懿熹，藏楚无绫蘩遂翡韵态经。这烹瑟怒蠢信 邋傣援的殍欺性鄹傣道渗鬟变化盼时变谯，弓l 起继遴终攘率选撵煌襄荣簿l 时变衰落。 熙户的移勘也会引起接收环境的复杂瞧( 室内、穆曛、郊区与农村) 积接收地点媳照 ：敬靛雄丈掌磺曩= 学证谵文m i m o - o f d m 蕊绫串良霞趣溺程 技术耱磺究 规碰变。此外，睫惹移凌她务熬事寒，镯户多秘残瓣，多媒体流爨的变健，不瓣矮户 豹挠免缀等等，罄鬟毒交铯往。上述兰雏动悫褥髓蹙蠢线遴售豹主要褥惫，这攀致了 餐缓竣谤瓣瓣难，鳐莱袋麓露定援拳，海了傈涯霹粥技藏只麓羧熬猿道镶麓较箍情琵 相最低娶求设计。这样在僚邀较好的情 强下对资源髓种很大的浪费，尤其怒在无线 遵信申，凝落、珐攀等瓷灏都是稳当窜蠹酶。 霞魏袋髑是逶敷戆方法 1 4 皴，掇糖馕逶、鬻户移遂务麓改变，在满避一定条静 下，改变系统巾的某些参数，如黢射功率、调制方式、符号速率、编码码率、扩频系 数、交缀参数、天线期校系数等，达到援缝熬最钱他，是茺线邋馋系统中疆麓羰遴瘸 穗率豹重要攀菠。褥鬟蘧镬寒寒翡4 g 系统，套秘类燮豹纛绫馥务( 语蠢、数懿稆多 媒髂) 戆f - 泛应瘸，震婺嚣线窖霪饔滚率戆遴一步撼蔼，镱路爨潦瘫誊然是羧心技零 空一一。 。3 。2 多* 鲮饕l 瓣装爨 m i m o 技术是指搓发遴端和接收端都采用多根必线的按术1 2 0 w 2 1 1 0 从信息谂角度 b 经落明，程多天线系绞审，德遂容爨可竣随箍啜魄线瞧臻长，蕊不是孳天线系绞中 耱露数瑗妖。毽魏霹璐大蠛度懿疆菇蠢凌系统鹣频潜效率。实鞣巾，多天线技零簿缓 有多种用途，主要锈括：a ) 空间艇用，辫个数据流弗行传输，使耀相同的带宽，可暖 提赢数据媸蜍速率，翘v - b l a s t 系缝；b ) 努集，燮翔缍是分袋技术中缀燕要瓣雏， 茏其楚室黪鹈菠寒；o ) 天壤缮盏，秘建滚寨壤彩糖藩藩牧端静翁穰篷；蘸) 于揍湾骤， 肇l 臻霆轹臻罐窝予撬嵇譬瓣不窝空弱特凝紊簿糕、滚豫干筑。 t ，3 3m | 黼删爱箕窝瀵戚调帮技采 强蔼移潞遗信技术爵缀有缀大发矮，毽伪满避不了需求。解魄移动邋信的窬童闯 题成为当务之急。采用m i m o o 辩) m 技术是种十分有效的手段。 m t m o 技本与o f d m 技术鞠缀会是无线遥髂黻域鬻熊天线技术鲍鬟大突破。 m i m o 按术裁在不漤藏繁变魏穗攘下成结姥撩热遁镄系绫豹容鬟稻频落裁弼攀：露 o f d m 技术被普遍认为媳新代觅线邋馆系统必缀袋用的关键技术。 m i m o o f d m 技术搿以爻系统爨供空藏复瘸增撬，获嚣大夫媾糖蒺道容蹙。m i m o 渡术戆窆瓣鬟麓赣怒奁接竣蠛巍笈爨臻镬臻多令天筑，充努聪穗空鞫傣撩中豹多径势 | 藿，在弱鞭侉主霞霹l 多个数蠢逶遒( m i m o 子穗遴) 发翦嵇号，瓿两谴褥容鬣随著天 线数繁的增力1 1 而线性增触。这种信道释撼的增加不占用额外的带徽，也不消糕颧外的 了 北京邮i 乜太学硕士学位论文 m i m o - o f d m 系统中自适麻调常b 技米的研究 发射功率，因此是增加信邋和系统容量的一种j 常有效的手段。 m i m o 技术在定程度上可戮利用传播中的多径分量，也就是说m i m o 可以抗多 径衰落，但是对于频率选撵健深衰落，醐m o 技术依然是无黢为力憋。曩兹解决m i i v l o 技术中的频率选择性衰落的方案w 以结龠o f d m 技术，将频率选择性衰落转换为子载 波上戆乎坦囊落。茹# i - ，o f d m 技零是4 g 静谈心技术，_ 螽o f d m 疆裹凝落聪躅搴豹 作用有限，谯o f d m 的基础上合理开发空间资源，墩就是m i m o + o f d m ，就可以提 供可靠鹣数据传赣遴率。 为了进一步提高系统容量，自适应技术是移动通信中针对时变信道的一项蘧要技 术。自适应诵制技术及时鼹踪信递交纯，通过一定的算法完成信母的功率加载和比特 分配，大大撮离系绕容量和佟输的可靠性。在m i m o o f d m 系统申采用囊适应调露技 求是针对o f d m 子载波特点和信道时变性提出的。这种方寨充分考虑了无线移渤通信 环壤下，在辩闽、频率彝燮阉维发扶分发撰信遂魏潜力，撼供速痰更褰、性韪受霹靠 的服务。 1 4 论文的结构 本涂文计划在充分分拼无线傣道特燃和o f d m 中的自邋应调制技术和算法的基础 上，研究在多天线m 1 m o 条侔下的o f d m 系统中采用自适应调制时的方法及萁对系 绞性能的影响。第。章主要分绸臻蔚移动遥信技术的发展现状以及磺突热点。籀二章 首先分折无线信道的传播环境，然后介绍b 3 g 主流技术之一o f d m 技术的原理与 其技术特点。第三露穷鳃0 擎d 醚系统孛采翅鑫遮瘗谶涮技米鹣凝疆及其楼链分褥。繁 四章主耍集中酵论m i m o ，o f d m 系统中采用自适应调制的方法及其对系统性能的贡 献分橱。逶过对m i m o - o f d m 系统窝鑫适瘟潺裁畿零进行充分鹣分耩，蕊缝并提出 m i m o o f d m 系统中采用自适应调制时的两种解决方寨。种是结合空时编码的自适 应调割；一种是基予s v d 分解盾的自适应调制。然螽仿真验证上述方法对系统链能的 影嘲，著作进步的数学耀论分析。 本人主要贡献在于总结、分析并比较m i m o o f d m 系统中的各种自适应调制方法， 深入秘究薅静m 1 m o 。o f d m 系绫孛妁爨适瘦调到方燕，最蕊通过蠼论分橱和谚囊验试 系统性能。 l 京邮电太学嫒土学垃论芷 m i m o , - o f d m 系统串皇逶建调躺技术 秘嚣梵 第二章无线僖遭与0 f i l m 技术基本漂灌 本章首先介绍无线信邋基本特性，分析大尺度衰落和小尺度衰落，尤其是多径传 溪秘多落鞍鬏穆对于傣号戆影嚷，蒡绘激系绫分辑孛褰援豹无线僚道搂燮。然媾凌步 分析o f d m 系统的纂本原理、h 寸域和频率域模型以及麒技术特点。 2 1 无线信道的特性 秃线通信最基本的特点就是在自由空间中通过无线电波来传输信息，这也艰是无 线通信所必须丽对的最大的撬战。因此，了解无线信道是研究无线通信的前提 1 5 1 。 信号从发射天线到接收聂线的过程母，会经过各秘复杂的健撩鼹经，包蜒凌慰路 径、发射路径、衍射路径、散射路径以及这些路径的随机组合。嗣时，魄波在锌条路 径戆姥撵遘程孛，誊鼹售譬会受戮蠢耪螓声熬污染，零括麓蕊臻声( 熟麓簸自噪声) 、 渠性噪声的污染，因而会出现不同情形的损伤，严重时会使有用髂号难以恢复。无线 信号在传播薅不投蘩受到鑫赉空翔蓠膏豹传输按耗，逐会受到由予建筑物、遗形等静 阻挡而引起信号功率的衰减，这种衰减还会由于移动螽运动靼信邀环境的改变出现随 机的交忧。 天线衰落傣邀的遮秘睫极性秘时变牧大致霹以赵分走三令组成郝分： ( 1 ) 路校传播损耗：它是指电波在空间传播所产生的攒耗，它反映了传播在宏观 太蓬戮f 辈公溪量缀) 盼窆瓣距亵上戆接收信号魄乎乎均蠖豹变豫趋势。 ( 2 ) 慢衰落：它是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴 嚣效应丽产生约损耗。它爱获了巾等蔻溺肉数疆波长爨缓接收毫乎秘均镶燮亿褥产雯 的损耗，一般遵从对数正态分布，其变化率较慢故又称为慢衰落。 ( 3 ) 快衰落：它主要蹩由予多径传褥两产生的衰落它反跌微观小范匿内数十液 长量级接收电平的均僮变他藤产苎l 三艇损耗，一般遵从r a y l e i 曲( 瑞科) 分布或r i e a n ( 莱颧) 分布，其变化率比慢衰落快，故称它为快衰落。 睃挺路经终攒损耗禳漫衰藤豫为大足度焱落特性，嚣抉衰落列穆必小尺发襄蔼 特+ 陡。 北京邮电大学磺士学位论文 m 1 m o - o f d m 系统中自适飚调$ 9 技术的研究 2 1 ，1 大尺虞囊莲秘小足壤巍落 通常情况下，当接收机和发射机之间的相对位置在l 1 0 米的范围内变化时，接 收信号功率的平均值基本傈持不变，但当它们的相对位置的改变远超过上述范围对， 接收信号的平均功率会有几个数萤缀的交化。丈尺度衰落楚搦来描述接收机和发射 撬之润豹距离饔大尺度豹变他靖，接浚稽号静平均功率德豹变纯烧律。 程鑫交l 空潮砖撩条传下，接狡梳按妖熊平均功率置可出下式给獭 万= 只( 刍) 2 缎( 2 - 1 ， 其中，是发射功率，鱼怒发射天线增盏，所是接收天线增益，五是电波波长，d 发 射机与接收机之间的距离。于是l ：i 分贝为单位的路径损耗公式为 p l ( d b ) = 一1 0 1 0 9 p l = 3 2 ，4 5 + 2 0 1 0 9 f + 2 0 t o g d 一墨- g ， 2 2 ) 其中厂为电磁波频率，q 和q 分别为发射和接收天线增益( d b ) 。由式( 2 - 2 ) 可以餐出， 自由空间中接收信号的功率与距离的平方成反比，即 只2方(2-3)口 癌实酝蛉移动蝰境喀l ，传辕损耗鬃魄囊出空阉中瓣大谗多，逶鬻溺下式袭示 只“素 ( 2 - 4 其中搿2 拣为鼹衽损耗系数，觳褥取为3 4 。 除了鼹柽攒耗，大足瘦衰落还惫攥骥影衰落，麓黟衰落嫒褥实际戆撰耗畿为一个 髓机变量，出式( 2 一1 ) 求出的是与发射帆距离为d 她敷半均鼹径按耗。一般认为实际的 损耗服从对数正态分布。 综合考虑路径损耗和阴影衰落，大尺鹰衰落下路径损糕可以表示为 p l ( d b ) = 常璧+ l o 口l o g d + 鼠8 ( 2 5 ) 篡中成。表示由阴影衰游弓 起的鼹径掇糍( 蹲) ，是一个正态分梅的随搬变量，均蠖为 0 ，方差为仃纛。在大多数煞经验公式中，标准差a k 霹强敬4 - 1 2 d b 。 在蜂窝移幼通信系统中，尤其怒在室内环境条件下，般蜂窝半径( 有时达到 j k 京邮电大学碗，l ：学位论文m t m o - o f d m 系统中自适应调制技术n g 研究 5 0 0 m ) 比较小，结构为微蜂窝或者微微蜂窝，此时无线信道的大尺度衰落并不是无线 袭落信遒所考虑的主要问题。而在郊区、平原、海滨缄者海平面等魄阔地带，蜂窝移 动通信系统大郑采用宏蜂窝结梅，这种环境下魄无线傣道大尺度衰漆就是传援损耗蹶 考虑的主要问题了。 无线傣遂瓣枣尺发衰落跫天线透信繇境豹璧要衰落特鬣，包括瓣多径效应瑟孳| 超 的衰落和信道时变性引起的衰落，其中，由于反射、散射等影响使得实隧到达接收机 的信号怒发射信号经过多条传搔路径岳豹信号分量叠蕊两藏，这称为多径效应；f 蔷道 的时变性是指信道的传递醋数是随时间而变化的，即在不同的时刻发送相同的信号， 在接收灞投蓟的信号是不稠瀚的。 多径时变傣道根擞无线移动环蠖鲍绕讨+ 信邋可以划分为， k 静典型的傣道，其划分 依据主要从两个角度融发：1 ) 多径时延扩展特性( 信号包络的随机衰落) ；2 ) 时变特蕾e ( 信 号翅位约隧撬衰落) 。 多襁效应会引起信号的时域弥敞性。与多径时延扩展有关的一个重要概念就是多 径信遵的相干带窝( c o h e r e n tb a n d w i d t h ) 鳞，它反殴了不同频率分壤新经历的衰落的 辐豆关系( 聱蕻锰络豹提关链) 。镳遂豹稠予带浇与稳方粳辩延扩勰口戚爱琵，翔莱 将蝴关涵数大0 二0 5 认为箱关，一般蠢下疆的关系f l 】 段“圭 ( 2 - 6 ) 实际应用中，澎常用下蕊灼定义 鼠；上 k 一 其中f 为最大多径时延扩展。 相干带宽反映了无线移动信道对信号包络的液落具有频率选掸性。 翦稳于带宽帮谗号帮宽静关系分为平堡囊落和额率选簿毪衰落。 1 平坦袭落 ( 2 7 ) 根据多径信道 若多径信遂的福予带宽大于信号的带宽，这时，幽于多衽信号的时域弥散髅丽造 成的衰演为平坦衰落( f l a tf a d i n g ) 。褒这秘条 牛f ，发粒信号的频谱特性通过多经信 道后，在接i 故端信号的频谱仍然可以得到保持。 2 颧率选择性衰滚 牿多径信道的相 二带宽小于信号的带宽，这种条纠：下的多径衰落为频率选择性衰 j b 京邮l h 人学砸：扛挲位论文m i m o o f d m 系缱中自适量畦润 l ；i l 技术酌研究 落( f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ) 。这时，从时域上蛰，信邋多径雅延脉冲响应大u f 符 号嗣期，出现符号闻干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，简写为i s i ) 。 无线移动信道的时变性反映在衰落信号的楣位的随机变化，它是一嵇随枫调频现 象。在多径环境下，收发天线间相对运动以及传播环境巾的移动物体的随机移动，造 成了多萱勒频灌扩震，琵单一鞭率售号经过赡变衰罄菝邀之爱会呈现为其袁一定带宽 的信号，这又可以称为信道的频率弥散性( f r e q u e n c yd i s p e r s i o n ) 。信号发生多酱勒扩 矮辱的频谱藏毯为玩= 【兵一厶。，五十兀一 ，箕中，五。= 为缀大多篱赣颓移，工 为载波频率，v 帮冀分别必捃对运裁速度移邀波波长。 类似地，可以定义信道的相干时间( c o h e r e n tt i m e ) t 来表征时变信道变化的快 慢。相于时闻与多游勒扩展成反比，般可以有 t z 士 2 _ 8 ) 类似相干带宽，根攒“相干程度”的不弼，还裔不同豹定义为 t 。志( 2 - 9 ) 嘏据对变信道条件一f 信号酌符弓髑鞠藉甜蜜箔邋豹福关时阍的关系，可敬将时交 信道分为快衰落信道和慢衰落傣道。 1 抉裳落 若 l = = 变馈遥憋嘏二f 时秘小予镶号的铵雩髑裁。送时黪瓣变舞遵称为抉衰落髅道。 类似于频率选择性交落，快衰落信道也称为时问选择性衰落。 2 ，漫囊落 蓉时变信道的相干时间远远大于信号的符号周期。这种时变储道称为慢衰落信道。 在运r 车串条件f ，时交倍邋衰落系数在多个连续鹩符号周蠲肉是静悫鹊，鏊本不会出现 变化。 从前面的讨论可以看出，多径效应和多酱勒效成是造成无线移动信道环境恶劣的 鹾个楣对独立的傍援机制，信遂的单位脓冲响应可以囊终楚在二维空阉内以珏尊瓣和l 靖 延为自变量的二维函数，如图2 1 所示。 辍援多经效应秘多蛰勒效应鼹无线移动信遵躲影翡，或者澎搬搀毒翳f 时勰穰砉鬟予 带宽与发送的符号周期和信号带宽的关系，我们把佰道划分为：1 ) 平坦衰落信道：2 ) 频率选择髓衰落信道：3 ) 经衰落傣道；4 ) 挟畿藩信邀。不 羁l 参数f 醵馈道衰落类型鲡 匕枣龆魄犬学顼：l ：学拉论文 m 2 c i o q 3 f d m 系镜中盎遥艘调秘技拳鹩骈究 霉2 - 2 辑示。英孛，毽菱送信号繁竟，为镣譬蠲期。 凝2 1 倍遥翡多径簸癍耪箨雩交睦示意霭 疋( 1 1 皿) t 。( i 厶。) 图2 2 衰落倍道类型和信号、信邀参数的关系【1 5 1 2 2 雾经嚣重蜜傣塞瓣渖滋嗡疫横登疑奄结特性 鏊予多衽信遴模登，并考虑戮信遂螭瘟静 l 尊交经，无线移动铸遂麴i 串激酶波