（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统下行多天线技术研究.pdf

摘要摘要目前，移动通信发展要求更高的传输速率，更高的传输质量。为此3 g 协议中为了满足上下行数据业务不对称的需求提出了高速下行链路分组接入技术( h s d p a ) 来提升系统容量，满足用户高速业务的需求。因此在t d s c d m a系统中迫切需要进一步的提高系统容量和通信质量。相对于传统的单输入单输出( s i s o ) 系统，m i m o 系统通过空间分集技术或者空间复用技术来获得系统容量的极大提升。本文结合t d s c d m a 系统的特点提出了t d s c d m a 移动通信系统中的每天线速率控制p a r cm i m o 方案和预编码m i m o 方案。仿真研究结果表明，在t d s c d m ah s d p a 系统中，采用p a r c 的技术，实现m i m o 方案，链路性能在一定编码调制格式下完全可以达到误码率和信噪比的要求。t d - s c d m am i m oh s d p a 方案的实现在很大程度上提高了t d s c d m a 系统的容量和可靠性。预编码m i m o 方案，针对在恶劣的多径信道环境中很难准确进行信道估计，提出了采用提取信道矩阵中每个子信道的功率最大的信道冲激响应抽头组成新信道冲激响应矩阵，并对该矩阵进行奇异值分解得到预编码矩阵和译码矩阵。这样能够大大的降低用户设备( u e ) 端运算的复杂度，在保证性能的前提下，增大了系统容量，提高了数据传输速率。关键词：t d s c d m a 系统m i m o 预编码h s d p a 每天线速率控制奇异值分解a b s t r a c ta b s t r a c tt h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nr e q u i r e sh i g h e rt r a n s m i s s i o nr a t ea n dh i g h e rt r a n s m i s s i o nq u a l i t yr e c e n t l y i no r d e rt os a t i s f ya s y m m e t r ys e r v i c eo fu p l i n ka n dd o w n l i n kd a t a , t h e3 g p pi n t r o d u c e san e wf e a t u r ed e n o m i n a t e dh i g hs p e e dd o w u l i n kp a c k e ta c e e s s ( h s d p a ) ，w h i c hc a l li n c r e a s et h ec a p a c i t yo fr a d i oa c c e s sn e t w o r ka sw e l la ss u p p o r th i g hd a mr a t e s c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a ls i s os y s t e m ，m i m ot e c h n i q u ec a ng r e a t l yi n c r e a s et h ec a p a c i t yo ft h es y s t e mw i t hs p a t i a ld i v e r s i t yo rs p a t i a lm u l t i p l e xt e c h n o l o g y w es e tu pp a r cm i m oa n dm i m op r e c o d i n gi nt d - s c d m as y s t e m ，b a s e do ni t sc h a r a c t e r i s t i c c o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tu s i n gp a r em i m ot e c h n i q u ec 觚m e e tt h er e q u i r e m e n to fb i te r r o rr a t i oa n ds n i lt h er e a l i z a t i o no ft d s c d 队+ m 蹦o + h s d p ：ac a ng r e a t l yi n c r e a s et h ec a p a c i t ya n dr e l i a b i l i t yt oac e r t a i nd e g r e e i ti sd i f f i c u l tt oa c c u r a t e l yc a l c u l a t et h ec h a n n e le s t i m a t i o n , m i m op r e c o d i n gs e tu pan e wc h a n n e li m p u l s er e s p o n s em a t r i x ，w h i c hi sc o m p o s e do fc h a n n e li m p u l s er e s p o n s ev e c t o ro ft h em a xp o w e ro fe v e r ys u b - e h a r m e l w i t ht h es v dd e c o m p o s i t i o no ft h en e wc h a n n e li m p u l s er e s p o n s em a t r i xw ec a ng e tp r e e o d i n gm a t r i xa n dc o d i n gm a t r i x t h em e t h o dc a ng r e a t l yr e d u c et h ec o m p u t i n gc o m p l i c a t i o no fl y e ，a l s oi n c r e a s es y s t e mc a p a c i t ya n dh i g h e rt h er a t eo fd a t at r a n s m i t t i n g c o m p u t e rs h n u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h er e l i a b i l i t yo f t h em e t h o d k e y w o r d ：t d - s c d m as y s t e mm u l t i p l ei n p u tm u f i t p l eo u t p u tp r e e o d i n gh i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e t a c c e s sp a r cs v d创新性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导帅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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也4 i 包含为获得西安电子科技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做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：虚2 叁甘期囝，1 驴关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕q k 后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的论文在解密后遵守此规定)本学位论文属于保密，在一年解密后适州本授权书。本人签名：篮主叁导师签名 丕量日期望! 卫日期! 星：竺第一章绪论第一章绪论1 1第三代移动通信系统概述早在1 9 8 5 年，国际电联( i t u ) 就提出了第三代移动通信系统的概念，当时称为未来公共陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，后来更名为国际移动通信系统i m t - 2 0 0 0 。按其设计思想，是有能力解决第一、第二代移动通信系统主要弊端的先进的移动通信系统。其主要特征有：全球化、多媒体化、综合化、个人化，此外，还有频谱利用高、保密性好、价格低( 设备和服务) 等要求。而它的一个最突出的特点就是使个人终端用户能够在全球范围内的任何时间、任何地点，与任何人、用任何方式高质量地实现任何信息的移动通信与传输。可见，第三代移动通信十分重视个人在通信系统中的主导地位，所以又称为未来个人通信系统。i m t - 2 0 0 0 的无线接口技术规范( r s p c ) 分为c d m a 和t d m a 两类共五种技术。其中，主流技术为以下三种c d m a 技术：1 、i m t - 2 0 0 0c d m a d s ，即w c d m a ，是由欧洲和日本共同支持实施的标准。它是在宽达5 m h z 的频带内直接对信号进行扩频；2 、聊t - 2 0 0 0c d m a m c ，即e d m a2 0 0 0 ，代表了美国和北美地区的标准。它是由多个1 2 5 m h z 的窄带直接扩频系统组成的一个宽带系统；3 、i m t - 2 0 0 0c d m at d d ，目前包括我国提出的t d s c d m a 和u t r at d d ( t d - - c d m a ) 。t d s c d m a 技术是由我国大唐电信科学技术研究院自行提出的具有完全自主知识产权的标准。第三代移动通信系统要求最大程度的利用频带，在提供大容量传统业务的同时，支持高质量和多速率的多媒体业务，能运行在多种通信环境和多种通信网络中【1 1 i 3 1 ，因此它的实现需要有各种强有力的技术支持。各国都已经开展了大量的理论分析研究，同时也建立了一些技术实验平台。1 2t d - s c d m a 通信系统概述t d s c d m a 系统是t d m a 和c d m a 两种基本传输模式的灵活结合，是由我国无线通信标准化组织( c w t s ) 提出并得到i t u 通过的3 g 无线通信标准。t d s c d m a 系统特别适合于在城市人口密集区提供高密度大容量话音、数据和多媒体业务f l 】【4 】。系统可以单独运营，以满足i m t - 2 0 0 0 的要求，也可以与2t d - s c d m a 系统下行多天线技术研究其他无线接入技术配合使用。t d s c d m a 系统的要点如下所述：( 1 ) 使用t d d 双工方式；( 2 ) 同时使用f d m a ，r d m a i c d m a ；( 3 ) 使用相同的q p s k 射频调制解调技术；( 4 ) 使用相同的正交可变扩频系数的扩频调制方法；( 5 ) 使用相同的超帧和无限帧长度；( 6 ) 使用相同的数据复接和分接方法：( 7 ) 在信道编码和交织方面，使用和3 g p p 完全相同的技术；( 8 ) c d m a t d d 将使用完全相同的第二、第三层信令。系统使用时隙和扩频码来在时间域和码域上区分不同用户信号，这在某种意义上有些t d m a 的成分f 3 】，在一个时隙的用户组内共有k 个用户，每个用户使用不同的扩频序列。图1 1 清楚的表示了多用户的叠加情况。图1 1多用户码分模型1 3本课题的选题依据近年来蜂窝移动通信的发展十分迅速，用户量呈指数率上升。在用户大幅度增长的同时，目前的通信系统正面临着许多亟待解决的问题。其中突出的问题包括：信道容量的限制、多径衰落、远近效应、共道干扰、越区切换、移动台由于电池容量原因带来的功率受限等等 5 h l o l 。在我国提出的t d s c d m a 系统中，采用智能天线技术在一定程度上提高了通信系统的容量和通信质量。由于在t d d 双工方式下，上行链路和下行链路使用同一频率，则两条链路的无线空间物理信道的衰落特性相同p 】，所以从上行链路获得的有关空间参数的信息可以直接用于下行链路的发射，从而避免了复杂的数学计算。这是较f d d 双工第一章绪论3方式的不同之处。目前，移动通信发展要求更高的传输速率，更高的传输质量。为此3 g 协议中为了满足上下行数据业务不对称的需求提出了高速下行链路分组接入技术( h s d p a ) ，来提升系统容量，满足用户高速业务的需求，因此在t d s c d m a系统中迫切需要进一步的提高系统容量和通信质量。这即是m i m o 多天线无线通信技术得以在t d s c d m a 系统中发展的客观环境。归纳起来，m i m o 的研究主要有以下两个方面的内容，第一、论证m i m o对通信系统的功效，包括m i m o 对通信系统容量的提高，抗多径干扰的性能等等。第二、提出各种实现m i m o 的优化方案。m i m o 技术的研究是通信界亟待解决的重要课题之一，如何将m i m o 运用到t d s c d m a 系统中更是解决h s d p a 系统中传输容量要求的关键。本文围绕这一主题作了一些研究和探索。1 4本课题的主要内容本课题研究的目的是解决针对t d s c d m ah s d p a 系统的容量和传输速率问题，根据t d s c d m ah s d p a 通信系统的特点，结合多天线输入输出m i m o技术，提出t d s c d m am i m o h s d p a 的链路设计方案。论文内容安排如下：第一章概述了第三代移动通信系统、t d s c d m a 通信系统，并介绍了本课题的选题依据和主要内容。第二章介绍了t d s c d m a 系统物理信道结构、训练序列( m i d a m b l e 码) 、t d s c d m a 系统上行链路模型、离散时间传播的数学模型和t d s c d m a 系统中的几种关键技术。第三章介绍了m i m o 技术。首先介绍了m i m o 技术在t d s c d m a 系统中的优势，再介绍m i m o 系统原理和m i m o 的实现技术，包括：波束形成技术、空间分集技术、空间复用技术、智能天线技术。第四章首先分析了t d s c d m a 系统下行信号模型，再介绍了p a r c 的基本原理，通过分析t i ) s c d m a 通信系统的特点，根据n ) s c d m a 通信系统时分双工，上下行物理空间特性在同一时刻完全相同的特点，结合h s d p a 的特点，详细介绍了利用每天线速率控制p a r c 技术，实现了t d s c d m a 室内覆盖的m i m oh s d p a 方案，包括发射端设计方案和接收端设计方案。第五章首先介绍了预编码的基本理论，然后根据t d s c d m a 通信系统时分双工，上下行物理空间特性在同一时刻完全相同的特点，详细介绍了在4t d - s c d m a 系统下行多天线技术研究t d s c d m ah s d p a 系统中采用预编码m i m o 技术的方案，包括发射机结构和接收机结构。第六章介绍了在项目组中承担的其他工作、本文的总结及下一步的研究工作展望。第二章t d s c d m a 系统简介5第二章t d - s c d m a 系统简介2 1t d - s c d m a 系统的物理信道2 i i 物理信道结构t d - s c d m a 系统的物理信道采用4 层结构：系统帧号、无线帧、子帧和时隙码。依据不同的资源分配方案，子帧或时隙码的配置结构可能有所不同。所有物理信道的每个时隙间都需要有保护间隔。物理信道的层次结构见图2 1 所示【l 】1 1 1 。t d s c d m a 系统中帧长是1 0 m s ，为了实现快速功率控制和定时提前校准以及对一些新技术的支持( 如智能天线) ，将一个1 0 m s 的帧分成两个结构完全相同的子帧，每子帧的时长为5 m s 。r a d i ofr 皿e ( 1 0 m i - - +fr m e # ifr a me # i + ls q b f r l m e ( s i n l s 1 1 b f r s m e # 2 is u b f r a m c 2 i + lt i ) s l o l 一7 s m 。)- - - 一l 凰一川ts2ts 3ts 4its5lts 6lld wp tsgu pp ts( 7 5 u l 】( 7s us )( 12 5 u )2 1 2 子帧结构图2 1 物理信道结构t d s c d m a 系统的子帧结构见图2 2 所示。每个5 m s 的子帧由3 个特殊时隙和7 个常规时隙( t s o t s 6 ) 组成。常规时隙用作传输用户数据或控制信息。在7 个常规时隙中，t s 0 总是固定地用作下行时隙来发送系统广播信息，而t s l总是固定地用作上行时隙。其他的常规时隙可以根据需要灵活地配置成上行或下行，以实现不对称业务的传输，如分组数据。每个5 m s 的子帧有两个转换点，6t d s c d m a 系统下行多天线技术研究第一个转换点固定在t s 0 结束处，而第二个转换点则取决于小区上、下行时隙的配置，可位于t s l t s 6 结束处。1 2 8 m c h i p sd w p t s( 9 6 c h i p s )t 转换点t s o i t s l tt s 2 tt s 3 tt s 4 t s s lt s 6 1 l2 1 3 时隙格式对于一个子帧，常规时隙t s 0 t s 6 ，它们具有完全相同的时隙结构，见图2 3 所示，两个数据区( 各为3 5 2 码片) 由1 4 4 码片( c h i p ) 的训练序列( m i d a m b l e )分隔，末尾有一个1 6 码片的保护间隔( g p ) 。数据区中的数据比特先用q p s k调制为数据符号( s y m b 0 1 ) ，然后再采用正交可扩频因子( o v s f ) 码对数据s y m b o l 进行扩频。这样，每个主时隙可以由o v s f 码分为1 一1 6 个码道。特殊时隙包括下行导频时隙( d w p t s ) 、保护间隔( g p ) 、上行导频时隙( u p p t s ) ，其基本结构见图2 4 、2 5 所示。下行导频时隙由6 4 比特正交码组成，它是无线基站( 小区) 的导引( p i l o t ) 信号，也是下行同步的信号。保护时隙用于区分上、下行时隙，使距离较远的终端能实现上行同步。上行导频时隙由1 2 8 比特正交码组成，它是用户终端( 小区) 的导引信号，主要用于在随机接入或切换时，用户和基站之间初始同步的建立。t d s c d m a 系统的主时隙结构( 或称突发结构) 如图2 3 所示。图2 3 主时隙结构图2 4 下行导频时隙结构第二章t d s c d m a 系统简介图2 5 上行导频时隙结构2 2训练序列m i d a m b l e 码是一组训练序列，用于估计无线信道参数，不携带用户信息。在上行和下行中都发送m i d a m b l e 码，传输时不需要进行基带处理和扩频，直接与经基带处理和扩频的数据一起发送，其发射功率和赋形波束都应与同一码道中的数据一样。m i d a m b l e 码在n ) s c d m a 系统的主时隙结构( 或称突发结构) 见图2 3所示。m i d a m b l e 码位于时隙的中间，数据域对称地分布于m i d a m b l e 码的两端。m i d a m b l e 码t d s c d m a 系统中的上行同步、智能天线以及联合检测技术中有着非常重要的意义。训练序列的主要用途有：1 信道估计。在上行中，将使用联合信道估计技术估计2 1 同一时隙中所有用户的信道冲激响应。这是t d s c d m a 系统中联合检测技术和智能天线技术应用的前提。2 功率控制。通过测量接收信干比s i r ，将在上行和下行中使用功率控制技术。3 上行同步的保持。每个上行时隙中的不同用户信道的m i d a m b l e 码都不相同。基站通过估计时隙中每个用户的m i d a m b l e 码的范围得到定时差。然后基站将在相应的下行时隙发送上行同步的控制信息，使得用户能够正确的调整发送时间这些过程能完成上行同步的保持。4 用户频率校正。2 3 1 上行链路模型2 3t d 。s c d m a 系统原理一个较完整的t d s c d m a 系统上行链路框图如图2 6 所示。8t d - s c d m a 系统下行多天线技术研究il图2 6t d s c d m a 系统上行链路框图2 3 2t d s c d m a 系统离散时间传播的数学模型对一个离散输入输出的c d m n 系统，设系统共有k 个用户接入，当系统采用线性调制时，某个用户所发送的信号可表示为，以( f ) = 以 岛 r 一 ( n - d q + q 皿)d ”14 “n o( 2 1 )d”- ，。善喀o # ( - 1 c i ( y - 1 ) m o d o + t o 一幔) - 善刚卜v 正)式中，v = 一1 ) q + q ，f l o o r ( x ) 表示取不大于x 的最大整数，( y ) m o d ( x ) 表示y以x 为模取余数。j 表示用户发送的数据符号，是符号持续时间，n 为用户发送的符号数目，g 为扩频因子，正为码片周期，g o ( r ) 为发送端码片冲激响应，白，。为第k 个用户的扩频码片值。设接收端等效信道滤波器冲激响应为( f ) ，则各用户在接收端的等效信号表达式为，r 。1( ，) = | g f i t - v t 。) l + 鬼( f f ) t o )( 2 2 )l 忙lj式中h k ( r ，r ) 为空中信道特性的冲激响应。考虑到用户一个数据符号持续时间较短，因此，在实际工程中可近似将时变信道的冲激响应风( f ，t ) 在一个数据符号持续时间内可以看成是恒定的，即可以用魄( f ) 代替鬼( f ，) 。利用这一可假设的特性，定义等效信道冲激响应如下，b ( r ) = ( f ) 峨( f ) ，( f )( 2 3 )第二章t d - s c d m a 系统简介9将式( 2 3 ) 、( 2 - 2 ) 代入式( 2 一1 ) 得，锄( f ) = b j ( t - v t 。) ( 2 - 4 )如果将实际的c d m a 系统看成是一个时间受限的因果系统，则对赶( f ) 在( w 1 ) 时刻处抽样时，可得到有限个非零样值，k = ( ( w 一1 ) 瓦) w = l ，2 ，( 2 - 5 )式中w 为k ( f ) 有效窗长，它表征了c d m a 移动通信系统的信道多径时延扩展特性。根据抽样定理，如果砀( 力的带宽不大于抽样频率l ，r c ，则k ( f ) 可完全由丸恢复出来。实际系统的取样频率多少便可以达到系统要求，还需要迸一步分析。数字中频中可以用软件控制输出到基带的采样率。根据式( 2 4 ) 和( 2 - 5 ) 并利用卷积互易定理，对于单个用户k 来说，其接收信号的样点值可由公式2 - 6 给出。脚r= 艺s r , k 噍产。l = 艺& 川k ( 2 - 6 )式中，当w w 时，魄，= o ；当v q 时，q j = o ；当i q + 彤一l 时，钆= o 。则由式( 2 - 6 ) 得到c d m a 系统离散时间传播的数学模型rr岛： 荟” 臻 k 心n q 埘。1( 2 - 7 )10其他2 4 1 联合检测2 4t d s c d m a 系统的关键技术t d s c d m a 系统是干扰受限系统。系统干扰包括多径干扰、小区内多用户干扰和小区间的干扰。这些干扰破坏了各个信道的正交性，降低了c d m a 系统的频谱利用率。传统的r a k e 接收机技术把小区内的多用户干扰当作噪声处理，而没有利用该干扰不同于噪声干扰的独有特性。联合检测技术即“多用户干扰”抑制技术，是消除和减轻多用户干扰的主要技术，它把所有用户的信号都当作有用信号处理，这样可充分利用用户信号的扩频码、幅度、定时、延迟等信息，从而大幅度降低多径多址干扰【1 3 】【1 5 】。1 0t d s c d m a 系统下行多天线技术研究2 4 2 智能天线智能天线因其抗干扰和定位功能在通信领域得到广泛应用。i d - s c d m a 系统的上、下行信道使用同一载频，上、下行射频信道完全对称，从而有利于智能天线的使用0 6 1 。智能天线系统由一组天线阵及相连的收发信机和先进的数字信号处理算法构成。在发送端，智能天线根据接收到的终端到达的信号在天线阵上产生的相位差，利用先进的数字信号处理算法提取出终端的位置信息，根据终端的位置信息，有效地产生多波束赋形，每个波柬指向一个特定终端并自动地跟踪终端移动，从而有效地减少了同信道干扰，提高了下行容量。在接收端，智能天线通过空间选择性分集，可大大提高接收灵敏度，减少不同位置同信道用户的干扰，有效合并多径分量，抵消多径衰落，提高上行容量。2 4 3 同步c d m a同步c d m a 指上行链路各终端发出的信号在基站解调器处完全同步，它通过软件及物理层设计来实现，这样可使正交扩频码的各个码道在解扩时完全正交，相互之间不会产生多址干扰，克服了异步c d m a 多址技术由于每个移动终端发射的码道信号到达基站的时间不同，造成码道非正交所带来的干扰问题，提高了t d s c d m a 系统的容量和频谱利用率，还可简化硬件电路，降低成本。2 4 4 软件无线电软件无线电是利用数字信号处理软件实现传统上由硬件电路来完成的无线功能的技术，通过加载不同的软件，可实现不同的硬件功能。在t d - s c d m a系统中，软件无线电可用来实现智能天线、同步检测、载波恢复和各种基带信号处理等功能。2 4 5 接力切换由于t d s c d m a 系统中智能天线的使用，系统可得到移动台所在的位置信息。接力切换就是利用移动台的位置信息，准确地将移动台切换到新的小区。接力切换避免了频繁的切换，大大提高了系统的容量。在切换时可根据系统需要，采用硬切换或软切换的机理。第三章m i m o 技术简介第三章m i m o 技术简介目前多输入多输出( m i m om u l t i - i n p u tm u l t i - o u t p u t ) 技术已经越来越多的应用到无线通信的各个领域，i e e e 8 0 2 1 l n 、i e e e 8 0 2 1 6 都在物理层协议中选用了m i m o 技术，t d s c d m a 的h s d p a 中也把m i m o 技术列为可选项，所以对m i m o 技术的研究是非常有必要的。我们首先介绍m i m o 技术的概念和它的分类。3 1a 压i d o 辟q 优乡争无线通信的永恒目标是提供高速传输的可靠的随时随地接入的移动的话音服务和数据业务，这也是推动无线通信发展的根本的动力。目前实用的移动通信已经采用了时域，频域，码域来提高通信的可靠性和有效性，相关技术基本成熟并大量应用于实际移动通信系统中。同时，人们开始研究采用空间滤波的方法来消除空间干扰，也就是采用多天线阵的方式，即智能天线，通过把能量集聚到一个方向从而消除对别的方向的用户的干扰；同时，移动通信也开始在基站采用多天线的发射分集的方式以提高通信系统的可靠性。这样就开始了一个新的研究思路和方向，也就是在空间信号处理技术，通过在基站和移动用户端采用多天线收发的方式，是否可以提高通信系统的容量，能提高多少? 1 9 9 5年t e l a t a r 在文献 1 7 】中对这个问题做了详细的解答，即通过在收发两端采用多天线的方式，可以大大提高通信系统的容量和可靠性，由此对m i m o 的通信研究在学术界和工业界形成了无线通信技术的一个新的研究热点。目前3 g p p 增强型已经确定采用m i m o 技术来提高系统数据传输速率和可靠性，相关的标准和技术方案正在完善中，有关多天线技术的基础研究如信道测试和建模，链路和系统仿真已基本完成，在3 g p p 的框架下开始讨论基于h s d p a 的m i m o 技术方案，在这个方面已经有大量的研究，但具体的技术标准仍在制定和完善，没有最终成型。m i m o 技术是近年来移动通信领域的热门研究领域，它的特征在于无线发射机和接收机都引入了多根天线。相对于传统的单输入单输出( s i s o ) 系统，m i m o 系统通过空间分集技术或者空间复用技术来获得系统容量的极大提升。多输入单输出( m i s o ) 和单输入多输出( s i m o ) 是m i m o 的两种特殊形式，即只在通信链路的一端采用多根天线，另一端仍然采用单天线。广义的m i m o 包括了空间分集和空间复用两种方式。以2 x 2m i m o 为例，空间分集方式是指根发射天线发射组相同的数据( 可以是选择性发射、波束赋形1 2t d s c d m a 系统下行多天线技术研究发射，也可以是以某种特殊正交结构形式发射如空时分组码等) ，接收端进行合并以获取空间分集增益，通过提高接收信号信噪比从而获取容量增益；而空间复用方式被称为狭义的m i m o 方式，它是指发射天线发射两组不同的数据，接收机利用空时均衡来恢复两组发射数据，从而直接获得空间复用带来的容量增益。本章主要讲述m i m o 技术的基本原理以及m i m o 系统实现几种方式。3 2m i m o 系统原理3 2 1m i m o 系统的由来和基本原理为了进一步提高频谱的复用率，研究者们想到在通信的一方或双方采用多个收发天线，主动地利用用户的空间方位信息或空间信道的冗余来提高系统的容量，这便是m i m o ( 多输入多输出) 系统的由来。其基本思想是在收发双端采用多个天线，通过空时处理技术，充分利用空间资源，提商频谱利用率。使用不同的m 1 m o 系统可以获得相当可观的阵列增益、分集增益、干扰抵消增益和空间复用增益。利用系统的阵列增益可以提高发射功率和进行波束形成；利用系统的分集特性可以改善信道衰落造成的干扰；利用系统的空间复用增益可以构造空间正交的信道，从而成倍地增加数据率。因此，充分地利用m i m o 系统的这些优秀品质能够大幅度地提高系统容量、获得相当高的频谱利用率，从而可以获得更高的数据率、更好的传输品质或更大的系统覆盖范围。一般来说，m i m o 系统是指具有多输入多输出( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t )信道结构的系统，是相对于单输入单输, m , ( s i n g l e - i n p u ts i n g l e - o u t p u t ，s i s o ) 系统而言的。与之相关的系统还包括多输入单输, q 4 , ( m u l t i p l e i n p u ts i n g l e - o u t p u t ，m i s o )和单输入多输出( s i n g l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t , s i m o ) 系统。根据m i m o 信道结构物理形成机理的差异，m i m o 信道结构可划分为空域、频域和时域等三类。空域m i m o 信道结构由多个发射多个接收( m u l t i p l e - t r a n s m i tm u l t i p l e - r e c e i v e ，m t m r )天线之间的无线信道构成。任一对收发天线之间的无线信道，既可以是平衰落信道也可以是频率选择性衰落信道【i b l 。3 2 2m i m o 系统的数学模型图3 1 描述了m i m o 系统模型，在发射器端配置了，个发射天线，在接收器端配置了，个接收天线，x j ( j = 1 ，2 ，a r t ) 表示第j 号发射天线发射的信号，f ( i =，2 ， - ) 表示第i 号接收天线接收的信号，表示匆号发射天线到第i 号接收天线第三章m i m o 技术简介1 3的信道衰落系数。在接收端，噪声信号胛；是统计独立的复零均值高斯变量，而且与发射信号独立，不同时刻的噪声信号间也相互独立，每一个接收天线接收的噪声信号功率相同，都为矿2 。假设信道是准静态的平坦瑞利衰落信道。发射豢接收嚣图3 1 多入多出 旺m o ) 系统模型m i m o 系统的信号模型可以表示为，i屹：r 写成矩阵形式为， l 2啊札，k mk 。k ：；r = 丑墨+ n3 2 3m i m o 系统的容量分析而而：h+码：n m( 3 1 )( 3 2 )无线信道容量是评价一个无线信道性能的综合性指标，它描述了在给定的信噪比( s n r ) 和带宽条件下，某一信道能可靠传输的传输速率极限。传统的单输入单输出系统的容量由香农( s h a n n o n ) 给出，而m i m o 系统的容量是多天线信道的容量问题。在多天线系统中，通过增加两端天线的个数，可以大大地增加系统的容量。容量随发射和接收天线数目较小者线性增长1 1 9 1 。得到的分集多天线系统下的容量是基于如下假设：在发射端，发射信号是零均值独立同分布的高斯变量，总的发射功率限制为只，各个天线发射的信号都有相等的功率f 仍。由于发射信号1 4t d s c d m a 系统下行多天线技术研究的带宽足够窄，因此认为它的频率响应是平坦的，即信道是无记忆的。在接收端，噪声信号胁是统计独立的复零均值高斯变量，而且与发射信号独立，不同时刻的噪声信号闻也相互独立，每一个接收天线接收的噪声信号功率相同，都为盯2 。假设每一根天线的接收功率等于总的发射功率，那么，每一根接收天线处的平均信噪比为s n r = p , ( x2 。在以上假设条件下，信道容量可以表示为肿坼+ 寿事叫b s ，其中，”日“表示矩阵进行( h e r m i t i a n ) 转置id e t 表示求矩阵的行列式，如果对数l o g的底为2 ，则信道容量的单位为b i t s i - i z 。如果底为e ，则信道容量的单位为n a t s s h z ，后续中取h - - 2 。对信道矩阵进行奇异值分解( s v d ) 1 2 l 】，从而将信道矩阵h 写为=ui)、一(3-4)其中，u s , 川和v i 。m - 是酉矩阵，即满足u u h = i 竹。，v y = i f 。f d = 【a 。o ；o o 】，a = 抛( 石，_ ，动，k 是信道矩阵的秩，暑五2 厶o 是相关矩阵皿h 的非零特征值。这样，m i m o 系统的信道容量可以进一步描述为c = 如a e t 陪纠她啦矧，可见信道容量并不依赖于发射天线数目m 和接收天线数目m 谁大谁小。一般情况下信道相关矩阵的非零特征值数日为k m i n ( n , ，栅，从而可以求得m i m o 信道容量的上限。当n , = n t 时，m i m o 系统信道容量的上限恰好是单入单出( s i s 0 ) 系统信道容量上限的 ，产m 倍。这意味着对于m i m o 系统而言，如果接收端拥有信道矩阵的精确信息，m i m o 的信道可以分解为m i n ( n , ，m ) 个独立的并行信道，其信道容量与m i n ( n ，m 个并列s i s o 系统的信道容量之和等价，且随着发射天线和接收天线的数目以m i n ( n ，柳线性增长。也就是说，采用m i m o 技术，系统的信道容量随着天线数量的增大而线性增大，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍提高。3 3m i m o 系统的实现下面给出m i m o 系统的框图，如图3 2 所示。m i m o 系统中，可以利用三种方式来体现其技术优势：波束形成技术、基于空一时编码的空问分集技术( d i v e r s i t y )和空间复用技术( s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ) 。第三章m i m o 技术简介发射机，、a无线信道0 、接收机图3 2m 1 m o 系统处理框图m i m o 中的波束形成方式与智能天线系统中的波束形成类似，在发射端将待发射数据矢量加权，形成某种方向图后到达接收端，接收端再对收到的信号进行上行波束形成，抑制噪声和干扰。与常规智能天线不同的是，原来的下行波束形成只针对一个天线，现在需要针对多个天线。通过下行波束形成，使得信号在用户方向上得到加强，通过上行波束形成，使得用户具有更强的抗干扰能力和抗噪能力。因此，和发分集类似，可以利用额外的波束形成增益提高通信链路的可靠性，也可在同样可靠性下利用高阶调制提高数据率和频谱利用率。其原理框图如图3 3 所示。f行泼康形成器上行波素形成器图3 3m i m o 系统波束形成原理图空时编码可以用来实现m i m o 系统的高分集增益。空时编码是指在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声导致的符号错误概率。空时编码通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度，从而使得信号在接收端获得空间分集增益。可以利用额外的分集增益提高通信链路的可靠性，也可在同样可靠性下利用高阶调制提高数据率和频谱利用率。原理见图3 4 所示。空时缡碣嚣徭坡器图3 4m i m o 系统的空间分集原理示意图1 6t d - s c d m a 系统下行多天线技术研究而空间复用则是通过在不同天线上同时发射的相互独立的信号来实现m i m o系统的高数据率以及高频谱利用率，其原理框图如图3 5 所示。图3 5m i m o 系统的空间复用原理示意图3 3 。1 波束形成技术关于波束形成，在m i m o 系统中存在两种形式：l 、波束分集移动通信系统中，空间发射分集可利用不同的天线、极化或波束。传统的分集技术应用多个空间分开的天线，比较创新的方法是在角域中利用正交极化或者正交波束。将天线放置的近可以形成波束，这就是所谓的自适应天线或智能天线。分集分支在空间、极化或角度分开的共同目的是来自不同分集分支的信号应该是尽可能不相关的，目的是最大化可获得的分集。极化和波束分集同空间天线分集相比有一个重要的不同。总体而言，信道增益对于正交极化或波束是不同的。在垂直极化的天线上发射的信道增益要远大于在水平极化上发射。极化分集同天线分集相比一个重要的优势是可以将极化合并在只一个天线上，可极大的减小天线系统的尺寸。2 、波束形成另一方面，利用天线阵列的波束形成是一个很有名的技术，可以提高无线链路的发射功率。这个提高称为波束形成增益。有许多方法产生正交的发射波束，固定波束和特征波束是其中两种。固定波束方法利用固定的预先定义的天线权值集合，形成和天线单元一样多的正交波束；特征波束形成技术对空间信号的协方差矩阵进行特征值分解，利用特征值向量作为发射权值。对每含波束而言波束形成增益是不同的，依赖于移动无线信道的空间特性。智能天线系统的最重要的好处是它可利用波束形成增益和分集的能力。将所有的功率分配给最强的分集分支，结果是造成高的信道增益。另一方第三章m i m o 技术简介1 7面，如果分配发射功率的值和各自分集分支增益的倒数成比例的话，分集被最大化。3 、波束形成的分类在m i m o 系统中，典型的波束形成可以有以下两种分类方式：( 1 ) 按照信号的发射方式，可以分为传统波束形成、推广波束形成和特征波束形成。传统波束形成( c o n v e n t i o n a lb e a m f o r m i n g ) 是当信道特征值只有一个或只有一个接收天线时，沿特征向量发射所有的功率实现波束形成。推广波束形成( g e n e r a l i z e db e a m f o r m i n g ) 是当信道信息在发端可以完全获得时，获得最好的差错性能的方法是将全部能量都发射到最主要的特征值对应的特征向量上。推广波束形成与传统波束形成的区别是特征值虽然不是一个，但只沿最大的特征值对应的特征向量进行传输。但结果都是只形成了一个波束。很多时候将其与传统波束形成不加区分。特征波束形成( e i g e n - - b e a m f o r m i n g ) 是对信道矩阵进行特征值分解，信道将转化为多个并行的信道，在每个信道上独立传输数据。对发射信号向量乘上特征向量矩阵之后发射到多个天线上。当信道矩阵是满秩时，可以得到最多的并行信道。此外，还存在介于推广和特征波束形成之间的波束形成方法，即在特征值中选择某些特征值进行信号传输，不是一个也不是全部。( 2 ) 按反馈的信道信息分，可以分为瞬时信道信息反馈、信道均值信息反馈和信道协方差矩阵反馈。瞬时信道信息反馈是指接收端可将估计的瞬时信道信息全部反馈给发射端，发端对其进行奇异值分解：当不进行功率控制，对于更好的误差性能，信道的相位信息比幅度信息更重要，因而也可以只反馈信道的相对相位信息给发端进行波束形成。发射端得到信道信息的方法有很多：反馈；t d d ，发端估计。在f d d 方式下，接收模式估计的信道首先要转换的需要的载频上才能用于发射模式。信道估计不仅是噪声而且由于反馈时延或双工时间的影响而过时了。在f d d 方式下，频率转换也是一个误差的来源。信道均值信息反馈是指由于在实际系统中，精确的信道估计不是总是可能的，尤其是在信道快速时变的环境下。此时反馈信道的瞬时信息由于时延而已经变化了，因而考虑反馈信道的均值是有意义的。因为信道的统计特性相对信道的时变性变化的要慢一些。信道协方差矩阵反馈同均值反馈一样，协方差矩阵表征了信道的信息，且变化较慢，适合于快衰落信道。对信道的二阶统计特性进行估计可对一段时间进行1 8t d - s c d m a 系统下行多天线技术研究平均。平均的时间间隔应满足两个条件：一个是间隔必须足够长，使得在间隔中的采样可完全描述潜在的统计特性；另一个是间隔必须足够短，使得空间信道的统计特性在平均期间没有变化很大。在f d d 方式下，由于双工距离同载波频率相比要小得多，信道系数的统计特性可假设上下行是一样的。3 3 2 空间分集技术采用多个收发天线的空间分集可以很好的对抗传输信道的衰落。空间分集分为发射分集、接收分集和接收发射分集三种。采用发射分集的系统在发端设置多个天线，通过对不同的天线发射的信号进行编码达到空间分集的目的。基于发射分集的空时编码( s t c ，s p a c e - t i