（通信与信息系统专业论文）一种结合stbc与vblast的mimo系统研究.pdf

武汉理上大学硕士学位论文 摘要 多输入多输出( m i m o ) 技术是无线移动通信领域的重大突破，是新代移 动通信系统必须采用的关键技术。这使得人们努力开发更有效的编码、调制和 信号处理技术柬提高无线通信的质量和频谱效率，空时编码技术就是个彼好 的方案。空时编码技术将信道编码技术和天线分集技术相结合，在不牺牲带宽 的情况f ，大幅度增加了无线通信系统的容量，提高了多径衰落信道f 的通信 质量，对实现商速可靠的无线数据通信提供了新的解决方案。 空时编码包括三种：空时网格编码( s t t c ) 、空时分层编码( l s t ) 和空时 分组编码( s t b c ) 。一般的，空时网格编码具有较高的分集增益和编码增益， 但其编译码复杂度较高，难以付诸应用；空时分层码频带利用率高，但抗衰落 性能差：而空时分组编码具有较好的抗衰落性能而且接收机结构的复杂度并不 高，但当发射天线数固定时，其解码复杂度将随发射速率呈指数增长的趋势。 本文就是对结会s t b c 与v b l a s t 各自的优点组成新的m i m o 系统进行了 研究，主要 作如下： ( 1 ) 研究了m i m o 系统的基本概念、信道模型及箕国内外研究的现状分 析推导了慢袭落平坦瑞利信道下的m n v f o 系统容量，并对影晌m i m o 系统容量 的因素做了相关介绍。 ( 2 ) 深入研究了空时编码的重要技术。分集技术的基本概念、原理及其分类。 尤其着熏研究了在多径衰落环境下的多径信号的分离和合并以及基于发射端的 发射分集技术。 ( 3 ) 在深入研究了排序算法以及在瑞利衰落信道下，s t b c 与v b i a s r 的 编译码的基础上，提出了一种结合s t b c 与v b ，s t 的m i m o 系统模型，推导 出了在接收端运用排序q r 分解方法的结合s t b c 与v b l a s t 的m i m o 系统的 空时分组码和空时分层码的判决统计的表达式。 ( 4 ) 使用m a t l a b 作为仿真工具，对提出的系统与基于传统算法的 v b l a s t 系统和s t b c 与v b i l ，a s t 结合的系统进行了仿真对比。 关键词：多输入多输出系统：分组空时码：贝尔实验室垂直分层空时码 排序q r 分解 武汉理工大学硕士学位论文 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 ) i sa l li m p o r t a n tb r e a k t h r o u g hi nt h e w i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t ti st h ec r u c i a lt e c h n o l o g yi nt h en e wg e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hm a d e p e o p l ed e v e l o p m o r ee f t b c t i v e t e c h n o l o g yo fc o d i n g ，m o d e m ，a n ds i g n a lp r o c e s st oi m p r o v eq u a l i t ya n ds p e c t r u m e f f i c i e n c y ，s p a c e t i m ec o d i n gt e c h n o l o g yi sag o o ds c h e m e t h i st e c h n i q u ei sm a i n l y d e s i g n e dt oc o m b a tf a d i n gb yc o m b i n i n gt h et e c h n i q u eo f c h a n n e lc o d i n ga n da n t e n n a d i v e r s i t y ，h e n c ei n c r e a s i n g t h e c a p a c i t y o fw i r e l e s sc o r n m u n i c a t i o n s s y s t e m s s p a c e - t i m ec o d i n gc o m b i n e ss i g n a lp r o c e s s i n gw i t hc o d i n gt e c h n i q u e sa p p r o p r i a t et o m u l t i p l et r a n s m i ta n t e n n aa n dp r o v i d e ss i g n i f i c a n tg a i n i ti san e ws o l u t i o nt os a t i s f y h i g hd a t a r a t eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni nt h ef u t u r e ， s p a c e - t i m ec o d i n g i n c l u d e s s p a c e t i m e t r e l l i s c o d i n g ( s t t c ) ，l a y e r e d s p a c e t i m ec o d i n g ( l s t c ) a n ds p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g ( s t b c ) i ng e n e r a l ，s t t c h a sm o r eg a i no fd i v e r s i t ya n dc o d i n g ，b u th i g h e rc o d ea n dd e c o d ec o m p l e x i t ya n di t i sd i f f i c u l tt oa p p l y l s t ch a sh i g hs p r e a du s i n gb u tt h ep e r f o r m a n c ei sn o tg o o d a g a i n s tf a d i n g s t b ci sg o o da g a i n s tf a d i n ga n dl o w e rc o m p l e x i t yo ft h er e c e i v e r s t r u c t u r e b u tw h e nt h en u m b e ro ft h et r a n s m i t t i n ga n t e n n a si sr a t i o n ，t h ec o m p l e x i t y o f d e c o d i n gw i l lg ou pi ni n d e x w ei n v e s t i g a t et h en o v e lm i m os y s t e mc o m b i n i n gs t b cw i t hv b l a s ti nt h e p a p e r t h em o s t l ys t u d ya sf o l l o w s ： ( 1 ) w ew o r ko v e rt h eb a s i cc o n c e p t ，t h e c h a n n e lm o d e la n dt h e p r e s e n t r e s e a r c h i n gt h ec i v i la n di n t e r n a t i o n a ls i t u a t i o no ft h em i m os y s t e m a n di ti s a n a l y z e da n dd e d u c e dt h em i m os y s t e mc h a n n e lc a p a c i t yi ns l o wf a d i n g e v e n r a y l e i g h i n f o r m a t i o nc h a n n e l i n t r o d u c e dt h ef a c t o r s a f f e c t i n gm i m os y s t e m c a p a c i t y ( 2 ) w el u c u b r a t e dt h eb a s i cc o n c e p t ，p r i n c i p l ea n dc a s s e t t eo ft h ei m p o r t a n t t e c h n i q u eo fs p a c e t i m ec o d e _ d i v e r s i t y e s p e c i a l l y , w es t u d yt h es e p a r a t i o na n d c o m b i n a t i o no fm u l t i - p a t hs i g n a li nt h em u l t i p a t hf a d i n ge n v i r o n m e n tm a dt h e t r a n s m i td i v e r s i t yb a s e do nt h et r a n s m i t t e r s ( 3 ) a f t e rw el u c u b r a t e dt h es o r ta l g o r i t h ma n dt h ec o d ea n dd e c o d eo fs t b ca n d 武汉理工大学硕士学位论文 v b l a s ti nr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l ，w ep u tf o r w a r dam i m os y s t e mm o d e l c o m b i n i n gs t b ca n dv b l a s t d e d u c e dt h e a d j u d i c a t e ds t a t i s t i c a le x p r e s s i o no f t h e m i m os y s t e m ss t b ca n dv b l a sfw h i c hc o m b i n gs t b ca n dv b l a sfa p p l y i n g s o r t e dq rd e c o m p o s i t i o n ( s q r d ) a tt h er e c e i v e r s f 钔w eu s e dm a t l a bf o rs i m u l a t i n g ，a n dw ec o m p a r et h es i m u l a t i o no h c o m e o ft h ei s s u e ds y s t e mw i mv b l a s t sa n dt h es y s t e m sc o m b i n i n gs t b cw i t h v b i 。a st - w h i c ha r eb a s e do nt r a d i t i o n a la l g o r i t h m k e yw o r d s ：m i m o ；s t b c ；v b l a st ，s q r d 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 本课题研究的意义 第l 耄绪论 在当今的信息社会，移动通信技术的发展得到r 越来越多的关注。移动通 信技术发展的最终目标是个人通信，也就是使用可能的技术实现任饲人，任何 地方，任何时间能够与任何人进行任何种类的通信。直到目前为止，移动通信 系统已经由第一代的模拟语音移动通信系统演变到第二代数字移动通信系统。 由于通信技术自身的发展以及用户不断增长的需要，许多新型的业务逐渐引入 移动通信领域，它不仅要求无线通信网络能够提供更好的话齑服务，还要能够 提供多种高速数据监务和多媒体业务。 在传输过程中，通信信号主要受到码间干扰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 ) 和同信道干扰i t 2 i ( i n t e r c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 。这些干扰主要源于带限发射和接 收滤波器、放大器、时延和多径传输、发射机与接收机之间的相对运动、耦合 效应及多址干扰等作用。再考虑到有限的带宽资源和发射功率的限制，在无线 环境下实现高速的数据业务传输非常困难f l j 。盲均衡、多用户监测、阵列信号处 理和自适应阵列都是抑制信道干扰和改善信道性能的技术。在无线通信中，同 信道干扰和码间干扰往往同时存在。均衡可对码闻干扰进行有效补偿，但不能 抑制同信道干扰；多用户检测方法可抑制同信道干扰，却无法补偿码问干扰。 为了同时抑制这两种干扰，可选用空时联合处理方法忙1 。 空时编码( s p a c e t i m ec o d i n g ) 技术是未来移动通信抗衰落按术的重大突破， 是无线通信中一种新的编码和信号处理技术。空时编码技术实质上是种空时 二维处理手段：在空问上，采用多发射多接收天线的空闻分集来提高无线通信 系统的通信容量；在时间上，不同信号在不同时隙内使用嘲。天线发射，并在 不同天线发射的信号之间引入时域和空域相关，使接收端可以进行分集接收。 因此，在不牺牲带宽的情况下，空时编码可获得更高的编码增益，有效提商无 线系统容量。这对满足第三代无线通信系统的离语音质量和赢达2 m b s 比特率 的数据服务以及未来移动通信更高的数据传输速率其有极大的吸引力p j 。 武汉理】：大学硕士学位论文 1 2m i m o 技术国内外研究的现状 实际上多输入多输出m i m o ( m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ) 技术由来已久， 早在1 9 0 8 年马可尼就提出用它来抗衰落。在2 0 世纪7 0 年代有人提出将多入多 出技术用于通信系统，但是对无线移动通信系统多入多出技术产生巨大推动的 奠基工作则是上个世纪9 0 年代由a t & tb e l l 实验室的学者完成的。1 9 9 5 年 t e l a d a r 给出了在衰落情况下的m l m o 信道容量| 4 j ；1 9 9 6 年f o s h i n i 给出了。种 多入多出处理算法一对角一贝尔实验室分层空时d b l a s t ( d i a g o n mb e l l l a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e ) 算法p j ：1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了用于多入多出 的空时码 6 1 ；1 9 9 8 年w o l n i a n s k y 等人采用垂直贝尔实验室分层空时 v - b l a s t ( v e r t i c a lb e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e ) 算法建立了一个m i m o 实 验系统，在室内实验中达到了2 0 b i t ，s h z 以上的频谱利用率1 7 】，这一频谱利用率 在普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大注意，并使得m t m o 的 研究工作得到了迅速的发展。 简单说来，m i m o 系统就是利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天 线数量，相对于普通的s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l e - o u t p u t ) 系统，m i m o 还i 】以 包括s i m o ( s i n g l e - l n p u tm u l t i p i e o u t p u t ) 系统和m i s o ( m u l t i p l e i n p u t s i n g l e o u t p u t ) 系统。 通常多径要引起衰落，因丽被视为有害因素。然而研究结果表明，对于m t m o 系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。m i m o 系统在发射端和接收 端均采用多天线( 或阵列天线) ，m i m o 的多入多出是针对多径无线信道来说的。 图1 1 所示为m | m o 系统的原理图。传输信息流经过空时编码形成m 个信怠! = ：；j 流。这m 个子流同时发送封信道，吾发射信号占用同一频带，因而并未增加带 宽。若各发射接收天线闻的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行 空间信道。通过这些并行空问倍道独立得传输信息。数据率必然可以提高。m i m o 将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量 和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。 武汉理工大学硕士学位论文 m 个 发 射 端 n 个 接 l | 女 端 图l l 多入多出系统原理图 系统容量是表征通信系统的最重要的标志之 ，表示了通信系统最大传输 率。对于发射天线数为m 。接收天线数为n 的多入多出( m i m o ) 系统，假定 信道为独立的瑞利衰落信道，并设m 、n 很大，则信道容量c 近似为： c = m i n ( m ，n ) b l 0 9 2 ( p 2 ) 】 其中b 为信号带宽，p 为接收端平均信噪比，m i n ( m n ) 为m ，n 的较小者。 上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或者容量上限随最小 天线数的增加两线性增加 s j 。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或 天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而 言，多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。 可以看出，利用m i m o 技术在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频潜 利用率可以成倍的提高。利用m i m o 技术可以提高信道的容量，同时也司。以提 高通信的可靠性，降低误码率。目前m i m o 技术领域另个研究热点就是空时 编码。常见的空时码有空时分组码( s t b c ) 1 9 1 、空时网格编码( s t t c ) 阢空 时码的主要恩想是利用空闽和时间上的编码实现定的空间分集和时间分集， 从而降低信道误码率。 目前，各国学者对于m i m o 的理论、性能、算法和实现的各方面正广泛进 行研究。 在m i m 0 系统理论及性能研究方面已有批文献，这些文献涉及相当广泛 的内容。但是由于无线移动通信m i m o 信道是一个时变、非平稳多入多出系统， 尚有大量问题需要研究。比如说，各文献大多假定信道分为分段恒定衰落信道。 武汉理工大学硕士学位论文 这对于宽带信号的4 g 系统及室外快速移动系统来说是不够的，因此必须采用复 杂的模型进行研究。已有不少文献在进干亍这方面的工作i l o 】l l i l ，即对信道为频率 选择性衰落和移动台快速移动情况进行研究。再有，在大多数文献中，均假定 接收机精确已知多径信道参数，为此，必须发送训练序列对接收机进行训练。 但是若移动台速度过快，就使得训练时间太短，这样快速信道估计或旨处理就 成为重要的研究内容”“。 t u r b o 码结合网格编码调制( t c m ) 空时码可以克服帧误差率随帧长增加而 增加的问题，并可大大降低码结构和信道结构的相互作用。空时t u r b o 码的这些 优点引起了学者的广泛注意f 1 4 j 。比如，s a l l a t h u r a i 等对v - b l a s t 的问题，提 出采用软对消方式实现检溅的t u r b o 编码与贝尔实验室分层空时( b l a s t ) 锋 法结合的m i m o 处理方案。 另外实验系统就是m i m o 技术研究的重要一步。实际系统研究的一个蘑要 问题是在移动终端实现多天线和多路接收，学者们正在大力进行这方面的研究。 由于移动终端设备要求体积小、重量轻、耗电少，因而还有大量的工作要做。 b e l l 实验室的b l a s t 系统【4 i 是最早研制的m i m o 实验系统。该系统工作频 率为1 9 g h z ，发射8 天线，接收1 2 天线，采用v - b l a s t 算法。频谱利用率达 到了2 5 9 b p s h z 。但该系统仅对窄带信号和室内环境迸行了研究，对于在3 g 、 4 g 应用尚有相当大的距离。在发送端和接啦端各设黉多个天线，可以提供空间 分集效应，克服电波衰落的不良影响。这是因为安排恰当的多个天线提供多个 空间信道，不会全部同时受到衰落。在上述其体实验系统中，每一个基站备设 置2 个发送天线和3 个接收天线，而每一用户终端各设置1 个发送天线和3 个 接收天线，即下行通路设置2 3 天线、上行通路设置l 3 天线。这样与“单 输入7 单输出天线”s i s o 襁比，传输上取得了 0 2 0 d b 的好处，相应地加大了系 统容量。而且，基站的两个发送天线在必要时可以用来传输不同的数据信号， 用户传送的数据速率可以加倍。 朗讯科技的贝尔实验室分层的空时( b l a s t ) 技术是移动通信方面领先的 m i m o 应用技术，是其智艇天线的进一步发袋。b l a s t 技术就其原理而言，是 利用每对发送和接收天线上信号特有的“空间标识”在接收端对其进行“恢复”。 利用b l a s t 技术，如同在原有的频段上建立了多个互不干扰、并行的子信道， 并利用先进的多用户检测技术，同时准确离效地传送用户数据，其结果是极大 提高前向和反向链路容量。b l a s t 技术证明，在天线发送和接收端同时采用多 武汉理工夫学硕士学位论文 天线阵，更能够充分利用多径传播，达到“变废为宝”的效果，提离系统容量， b l a s t 技术有着非常大的潜力。鉴于对于无线通信理论的突出贡献，b l a s t 技 术获得了2 0 0 2 年度美国t h o m a se d i t h ( 爱迪生) 发明奖。2 0 0 2 年f 月，世界 上第一颗b l a s t 芯片在朗讯公司贝尔实验室阀世，贝尔实验窒研究小组设计小 组宣布推出了业内第款结合了贝尔实验室l a y e r e ds p a c et i m e ( b l a s i ) m i m o 技术的芯片，这一芯片支持最高4 4 的天线布局，可处理的最商数据速 率达到1 9 2 m b p s 。该技术用于移动通信，b l a s t 芯片使终端能够在3 g 移动网 络中接收每秒1 9 2 兆比特的数据，现在，朗讯科技已经开始将此b l a s t 芯片应 用到其f l e s e mo n e b t s 家族的系列基站中同时还计划授权终端制造商使用该 b l a s t 芯片，以提高无线3 g 数据终端支持高速数据接入的能力。 2 0 0 3 年8 月，a i r g on e t w o r k s 推出了a g n l 0 0w i f i 芯片组，并称其是硅：| = 界 上第一款集成了多入多出( m i m o ) 技术的批量上市产品。a g n l 0 0 使用该公司 的多天线传输和接收技术，将现有w i f i 速率提高到每信道1 0 8 m b p s ，同时保持 与所用常用w i f i 标准的兼容性。该产品集成髑片芯片，包括n 片 b a s e d b a n d m a c 芯片( a g n l 0 0 8 b ) 和一片r f 芯片( a g n l o o r f ) ，采用一种 可伸缩结构，使制造商可以只使用一片r f 芯片实现单天线系统，或增加其他 r f 芯片提高性能。a i r g o 蛇芯片组和目前的砌掰标准兼容，支持8 0 0 2 1l a , b 和 g 模式，使用三个5 - g h z 和三个2 4 一g h z 天线，使用a i r g o 芯片组的无线设备可 以和以前的8 0 2 u 设备通讯，甚至可以在以5 4 m b p s 的速度秘8 0 2 t l a 设备通讯 的同时还可以以1 0 8 m b p s 的速度和a i r g o 的设鍪通讯。 凭借在提高系统频谱利用率方面卓越的性能表现，多输入多输出( m i m o ) 技术已经成为移动通信技术发展进程中炙手可热的课题。 1 3 本论文研究内容 本论文的主要内容如下： 第二章介绍了m i m o 信道模型和系统模型，分析推导了平坦慢瑞利衰落 信道下的m i m o 系统容量。 第三章介绍了m i m o 系统的重要技术：分集技术。 第四章针对种s t b c v b l a s t 结合的m l m o 系统，对原接收端的榆测 算法进行改进，提出一种新的方法，来达到简化计算复杂度的目的，并采用 武汉理工大学硕士学位论文 m a t l a b 进行仿真”】，仿真结果表明所提出的方法有较好性能，使其在复杂度 和性能方面获得了较好的折衷。 第五章对全文工作进行了总结，并对今后的可进行的研究工作傲了定 程度的预测。 由j 二本入水平有限论文中难免会存在着错误和不足，望各位老师批评指 正。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章m i m o 信道模型和系统信道容量 移动通信信道是研究任何移动通信系统首先要遇到的问题，也是无线信道 中最为复杂的信道。研究移动信道就是要搞清楚无线电信号在移动信道中可能 发生的变化和发生这些变化的原因，这与载波频段、传播环境、移动速度、传 播的信号形势以及信道的上、下行方向等都有密切的关系。具体移动通信系统 的设计、开发、网络规划需要全面考虑上述方面。因此本章先对移动信道模型 做一个简单的介绍，然后在此基础上推导和分析平坦快衰落瑞利信道下的m i m o 系统容量。 2 1 无线衰落信道 在无线移动通信系统中，多径效应广泛存在，无线电波可以从不同的方式 以不同的时延到达接收机。在接收机的天线上，它们通过矢量相加台成一个信 号。由于不同的方向来的信号的合成结果是变化的，合成信号会增加或相甄抵 消。这样，即使同+ 信号源发出的信号，距离很近的接收机接收的信号电平也 可以相差几十分贝。在移动情况下，来自不同方向的信号的相位也不断变化， 因此存在相位和幅度的起伏，我们称这个信号受到衰落。另外，由于接收机相 对于发射机是运动的，它们之问的多径电磁波的频率也发生偏移，这种由于相 对运动而产生的频率偏移称为多普勒效应。 2 1 1 多径时延扩展 在蜂窝移动无线环境中，周围的物体( 如房屋、建筑或者树木) 对无线电 波会起到反射的作用。这些障碍物会产生幅度衰减和相位延迟的反射波。如果 发射一个调制信号，那么该发射信号的多个反射波就会从不同的方向经过彳i 同 传播延迟到达接收天线。这些反射信号经空中各处的接收机天线接收后，根据 其随机相位的不同，对接收信号会起到加强或者减弱的作用。这些多径分量的 和就形成了一个空间变化的电磁波场。因此，移动单元在这个多经场中移动时 就可能接收到幅度和相位剧烈变化的信号。由于周围物体在无线信道中移动， 因此当移动单元静止不动时谈收信号的幅度也可能发生变化。这种由于信道的 武汉理工大学硕士学位论文 时变多径特性引起的接收信号幅度上的波动称为信号衰落。 1 时间色散参数 多径传播效应主要表现在频率选择性衰落和时延扩展等方面。多径信道的 时间色散特性通常用平均附加时延( r ) 和r i l l s 时延扩展( o ，) 来定量描述。 平均附加时延是功率延迟分布的一。阶矩，定义为： 一a k ”前 k ( 2 一1 ) 其中，a i 【和分别表示第k 个多径分量的时间幅度和第k 个多径分量与第一 个到达的分量相比而- g 的相对时延。 r r n s 时延扩展式功率延迟分布的二阶矩的平方根，定义为： 驴厢 ：， 其中 ( 2 3 ) 相干带宽b 。( “相干带宽”定义为信道衰落过程中相关的频率范围) 是从r i l l s 时延扩展得出的个确定的关系值。相干带宽是一定范围内的频率的统计测量 值，是建立在信道是平坦的基础上的。换句话说，相干带宽是指一个特定的频 率范围，在该范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性。相关带宽袁征的是 信号中两个频率基本相关的频率间隔，衰落信号中的两个频率分量，在其频率 间隔小于相干带宽时，它们是相关的，衰落特性具有一致性：在其频率瞬隔大 于相关带宽时，它们是不相关的，衰落特性不具有致性。频率间隔大于b 。的 两个正弦信号受信号影响大不相同。如果相关带宽定义为频率相关函数大于0 9 的特定带宽，则相干带宽近似为： 驴击 眩。， 2 多径时延扩展产生的衰落效应 气o 翌p = 一， 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 平坦衰落 如果无线信道带宽大于发送信号的带宽，且在带宽范围内有恒定的增益及 线性相位，则信号就会经历平坦衰落过程了。在平坦衰落情况下，信道的多径 结构使发送信号的频谱特性会在接收机端仍保持不变。然而由于多径导致信道 增蘸的起伏，接收信号的强度会随着时间变化。在平坦衰落信道中，信号带宽 的倒数远大于信道的多径时延，信号带宽比信道带宽窄的多，可以看成窄带信 道。信号经历平坦衰落的条件是： b ；b 。 ( 2 - 5 ) 或者 y s 叮。( 2 - 6 ) 其中，b s 是信号带宽，t s 是信号带宽的倒数。 ( 2 ) 频率选择性衰落 如果信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围小于发送信号带宽，则该信 道特性会导致接收信号产生频率选择性衰落。此时，信道冲激晌应具有多径时 延扩展，其值大于发送信号带宽的倒数，接收信号中包含r 经历衰减和时延的 发送信号波形的多径信号，产生接收性能好失真。频率选择性衰落是由于信道 中发送信号的时间色教弓l 起的，这样就引起了码闻串扰( i s i ) 。频域中接收信号 的某些频率分量比其他分爨获得了更大的增益。信号经历频率选择性衰落的条 件是： b sbe( 2 - 7 ) 或者 2 1 2 多普勒频移 由：f 发信机和收信机之问的相对运动，每个多径波的频率都会发生定的 偏移。这种由于相对运动引起的接收信号的频率偏移叫做多普勒频移。频率频 移量与移动单元的运动速度成正比。 t 信道时变特性两个参数 信道时变特性是由移动台与基站闻的相对运动引起的，或者是由信道路径 中物体的运动引起的。多普勒频移和相干时间就是描述小尺度信道时变特性的 9 武汉理工大学硕士学位论文 两个参数”。 当载频为f c 传输信号相对于物体移动方向以角度0 入射时，接收信号的多普 勒频移为：f d = b d c o s 0 ，其中b d = v f d c 是最大的多普勒频移，v 是物体移动速度， c 是光速。多普勒效应使得传输信号的载频在f + b d 的范围内变化。如果蒸带信 号带宽远大于b d ，则在接收端可以忽路多普勒频移的影响。 相干时间t c 是多普勒频移在时域的表示，用于在时域描述倍道频率色散的 时变特征。它与多普勒频移成正比，即 t c = i 1 ( 2 9 ) 相= _ i 二时间是信道冲激响应维持不变的对间间隔的统计平均值。换句话说， 相干时间是一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。 2 多普勒扩展引起的衰落效应 根据发送信号与信道变化快慢程度韵比较，信道可以分为快衰落信道和馒 衰落信道。 ( 1 ) 快衰落 在快衰落信道中，信道冲激响应在符号周期内变化很快。即信道的相干时 间比发送信号的信号餍期短。由于多普勒颏移弓l 起的频率色散( 时间选择性衰 落) ，从而导致信号失真。从频移角度可以看出，信号失真随着发送信号带宽的 多普勒扩展的增加而加剧。因此，信号经历快衰落的条件是： i s t c ( 2 1 0 ) 且 bsbd t s 和b s 分别是信号的周期和频率。 ( 2 1 1 ) 一般快衰落仅发生在数据率比较低的情 况。 ( 2 ) 慢衰落 在慢衰落信道中，信道冲激响应变化率比发送的基带信号变化率低得多。 因此可假设在一个或若干个带宽倒数的闯隔内，信道均为静态信道。在频移中， 这意味着信道的多普勒频移比基带信号带宽小的多。所以信道经历慢衰落的条 件是： t s t c( 2 1 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 且 b s b d( 2 - 1 3 ) 显然，移动台的移动速度及基带信号发送速率决定了信号是经历快衰落 还是慢衰落。 2 1 3 衰落信遵的统计模型 由于信号传播在蜂窝移动通信环境中涉及的因素很多，因此使用统计技术 来描述信号的变化比较方便。 对于窄带系统，发射信号占据的带宽通常比信道的相干带宽要小。也就是 说发射信号的所有频谱成份在相干带宽范围内具有相同的衰减。这种衰落称为 “频率非选择性衰落”或“频率平衰落”。反过来，如果发射信号的带宽比信道 相干带宽大，那么频率间隔大于相干带宽的发射信号的频率残份是独立衰落的。 由于各种频谱成分之间的关系与发射信号不同，因此接收信号的频谱会有失真。 对于宽带系统，发射信号通常会发生“频率选择性衰落”。 根据衰落信号幅度所服从的不同的统计分布，可以建立如下几种经常用到 的移动通信信道模型【。7 l ： 1 高斯信道 高斯信道是最简单的信道模型，常指加性高斯白噪声信道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 ) 。自噪声通常假设在整个信道带宽范围内功率谱密度为常 数，且衰落幅度x 符合高斯分布，其概率密度函数p d f ( p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ) 为： 昨，。丽1 e x p ( 拳 。、 其中m 。是x 的均值，a 2 是均方差。商斯信道对于评价系统性能的：限有熏 要的意义，对于实验中定量或定性的评价某种方案有重要的作用。 2 瑞利衰落信道 我们来分析恒幅单频信号的发射情况。在典型的陆地移动无线信道中，假 设直射波被阻断，并且穆动单元只能接收反射波。根据中心极限定理，当反射 波的数量比较大时，接收信号的两个正交分壁是均值为零、方差6 2 的互不相关 的高斯随机过程。当无线信道无法实现视距传输时，接收信号中无直射波分量， 武汉理工大学硕士学位论文 接收信号的每一个多径分量的幅度是均值为0 ，方差为0 2 的独立正交商斯随机变 量，相位符合( 丌，冗) 的均匀分布，那么信号的包络服从瑞利( r a y l e i g h ) 分 布，其概率密度函数( p d f ) 为： 吣，2 扣p 卜割 晓 一m 。= 伊一纠z 一缈 在最大多普勒频移为如。的衰落信道中，接收信号会经历频率扩展，并旺 带宽会限定在f c + f d 。范围内。 3 莱斯衰落信道 在有些传播环境中( 如卫星或微波移动无线信道) ，可视路径上没有障碍物。 接收信号由直达波和许多反射波组成。直达波是幅度恒定的稳定的无衰落信号。 发射波是独立的随机信号。发射波的和称为接收信号的散射分壁。 当反射波的数量很大时，可以用均值为零、方差为矿的商斯随机过程来摘 述数射信号的正交分量的特征。散射分量的包络服从瑞利概率分布。 幅度恒定的宣达波信号和瑞利分布韵散射信号的和构成了一个包络服从菜 斯分布的信号。接收信号包络的概率密度函数服从莱斯分布： 吣，。扣p c 一等i o c 笋 。触圳协 其中a 2 是主信号的能量，l o ( ) 是第一类零阶贝塞尔函数。包络的均值为 m x 2 刘志吧x p - k ( i + k ) i o ( k 2 ) + k i l ( k 2 ) l ，方差彬小m 小) 是第一类一阶贝塞尔函数。这里k 被定义为主信号的功率与多径分量方差之比， 即k = a 2 ( 2 a 2 ) ，k 又称为藁斯因子( r i c i a nf h t o r ) ，它完全确定了莱斯分布。、 a 无穷趋近于零，k 也无穷趋近于零，莱斯分砸就转变为瑞利分布。 4n a k a g a m i 信道 n a k a g a m i 信道是一种非常有用的衰落信道模型。在描述具体的实测数据结 果时，它比瑞利分布、莱斯分布以及对数正态分布具有更好的灵活性和广泛的 武汉理工大学砸士学位论文 适应性。比如，当n a k a g a m i 信道的衰落系数为0 5 和1 时，恰好等效于单边高 斯分布和瑞利分布这两种特殊情况。由于n a k a g a m i 信道能比较充分地描述多径 效应，因此它在现代无线通信的理论研究和实际应用中获得了广泛的重视。其 包络的概率密度函数为： 吣，2 面2 _ x m m2 m - l e x 一鲁j 汜 其中q = e ( x2 j ，为包络的二二阶矩；e ( ) 是数学期望运算：r ( m ) 为伽玛幽 数，m 为衰落系数，假设各个路径相同，定义为 n 2 e | ( x2 一q ) 2 i 、l ，m 1 2 ( 2 ，1 8 ) 当m = l 时，式( 2 1 7 ) 就变为瑞利分布。 本文如没有特别说明，我们都假设信道为平坦慢衰落瑞利信道。韶假设信 号没有经历频率选择性衰落，且信道参数服从瑞利分布，在一帧内不变，在帧 与帧之间独立变化。 2 2m i m o 信道模型 m i m o 信道模型如图2 一l 所示。系统的模型参数说明如下： 信 息 序 列 发射h， 接收 空 1 r 空 时 时 编 解 码 码 图2 1m i m o 信道模型示例 系统共有m 个发射天线和n 个接收天线 解 码 序 列 武汉理工大学硕士学位论文 籀个发射功率为p ，且与发射天线数目无关，每个天线具有相同的发射功 塞p y m 躅m l 阶矩阵x 代表发送信号 用n 1 阶矩阵r 代表接收信号 信道用h 表示，h 是n m 阶矩阵。假设信道是平坦慢衰落瑞利信道， 且各个信道相互独立。h 的元素h ，j 是从发射天线 到接收天线i 的复衰落系数 符合独立同分布的复高斯分布 假设接收端可以通过信道估计或者训练序列得到信道状态倍息( c s i ) ， 且发送端不知道信道状态信息 接收端噪声用n 表示，n 是n 1 阶矩阵。假没每个天线上的噪声独立 且服从均值为0 ，方差为口n 的复商斯分布，噪声与发送信号x 相互独立 假设每个接收天线的输出功率为r r 每个接收天线的平均信噪比为 一p s n r = 甚 d ：，它与接收天线数目有关，与发射天线数无关。 h 怪叠m , 。i 2 3m i m o 系统容量 ( 2 一1 9 ) ( 2 ，2 0 ) 系统容量定义为在保证误码率任意小的条件f 的最大发射速率。首先，假 设信道矩阵在发射端为未知，在接收端已知。 由奇异值分解s v d ( s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ) 理论l l “，任何个n m 矩阵h 可以写成：h = u d v “ 式中，d 是n m 非负对角矩阵；u 和v 分别是n n 和m m 的酉矩阵。 则有u u ”。i n 和v v “= 1 m ，其中i n 和i m 分别是n n 和m m 单位阵。d 的 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 对角元素是矩阵h h “的特征值的非负平方根。矩阵h h “的非零特征值的数量等 于矩阵i - i 的秩，用r 表示。 假设在等效m i m o 信道中，每根天线的发射功率为p m ( p 为总的发射功 率) 。运用香农容量公式，可以估算出总的信道容量( 用c 表示) 为 c = w 扣z ( t + 矿p nj 协。， 式中，w 是每个子信道的带宽：p n 是在第i 个子信道中接收的信号功率 由下式给出： 琢= 等 式中，万是信道矩阵h 的奇异值。因此信道容量可以写成 c = w ：( t + 等) 堋冉 ，+ 蔷 2 31 自适应发送功率分配的m i m o 信遘容量 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 当已知发射端信道参数时，根据注水原理，通过给各个天线分配不列的发 射功率，可以增加式( 2 - 2 3 ) 给出的信道容量。当信道条件较好时，分配较多的 功率：当信遘状态差时，分配较少的功率。分配给信道i 的功率由下式给出： p2 ( 一甜洚， 池：。， 式中，a + 是指m a x ( a ，0 ) ，并且u 的确定应该满足 p i = p “ ( 2 2 5 ) 考虑信道矩阵h 的奇异德分解，于是有m i m o 信道容量为 c = w 喜- 。s z ，+ ；r 仇p 一占2 ) + 。：一：。，l 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 具有随机信遵系数的m i m 0 系统容量 有种更为实际的情况即信道矩阵的元素是随机变量。首先接收端能够 正确估计信道参数，而发射端不了解信道条件。其次，假定信道矩阵的元紊是 零均值复高斯随机变量。它的实部和虚部是独立同分布零均值复高斯随机变量， 每个方差为l ，2 。信道矩阵的每个元素的幅度服从瑞利分布，相位服从均匀分布， 幅度二i 次方的勰望等于l 。 在此分析中，式( 2 - 1 5 ) 中d n 归一化为1 2 。天线闻隔足够大，从而确保信 道矩阵的元素互不相关。根据信道参数的变化频率，可分为三种情况： ( 1 ) 矩阵h 是随机的，它的元素在每个符号间隔t 开始处随机变化，并 e l 在一个符号间隔内保持不变。这个信道模型可以称为快衰落信道。 ( 2 ) 矩阵h 是随机的。它的元素是随机的，但在固定数量的德号间隔中 保持恒定，而且保持时问比总的发射时间短的多。称这个信道模型为块衰落。 ( 3 ) 矩阵h 是随机的。但它在发射开始时是选定的，若在发射期间一商 保持恒定。信道模型可称为慢衰落或准静态衰落模型。 2 4 1 快瑞利衰落和块瑞利衰落信遵的m i m o 信遘容量 推导快瑞利衰落信道的m i m o 信道容量表达式是，可以先从简单的单天线 链路开始。得到单天线链路的抉衰落信道的容量后，运用奇异值分解方法，可 以用一