（通信与信息系统专业论文）tddmimo系统中的闭环反馈研究.pdf

南京邮电人学硕i j 研究生学位论文 摘要 摘要 近年来，无线通信己经逐渐成为人们同常生活中所不可缺少的组成部分。人 们对通信的要求也越来越高，人们希望在任何地点任何时间都能实现高质量通 信，而大量的用户需求反过来又促进了无线通信的发展，使得通信系统向更高的 目标发展。因此o f d m 、m i m o 等下一代无线通信中的关键技术，也逐渐成为 人们研究的热点。 信息论研究表明，在发送端利用信道状态信息对无线通信系统的发送信号进 行优化能提供更高的链路容量、改善链路性能。在传统的时分双工系统中，上下 行信道被认为是对称的，下行信道响应可以由基站估计出的上行信道响应获得， 即上行信道重用，并以此对发送信号进行优化。但是在实际系统中，由于收发端 的射频电路以及收发侧所受干扰并不对称，这使得上下行信道对称的假设不再成 立。本文首先分析了当在t d d 系统中采用传统的上行信道重用法时，由于射频 电路以及上下行信道干扰的不对称性对系统性能带来的影响，并提出了相应的解 决方案；然后结合前面的分析，针对t d d 模式下的自适应m i m o 0 f d m 系统 提出了闭环双层自适应反馈方案来消除该影响。仿真结果表明采用此双层自适应 反馈可以提高系统的有效吞吐量。 南京邮电人学帧i j 学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h ew ir e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a v eb e c o m eo n ei n d i s p e n s a b l ep a r to fo u r d a i l yl i f e p e o p l eh o p et h e yc a l lc o m m u n i c a t ew i t hh i g hq u a l i t ye v e r y w h e r ea ta n y t i m e ，a n dt h i s k i n d o fr e q u i r e m e n tc a nh e r e b y p u s ht h ed e v e l o p m e n to fo u r c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h u s ，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 n dm u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) ，w h i c ha r et h ek e yt e c h n i q u e si nt h e n e x tg e n e r a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，h a v eb e e nt h ef o c u so fr e s e a r c h r e c e n t l y i n f o r m a t i o nt h e o r yh a ss h o w nt h a tc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na tt r a n s m i t t e rs i d e c a nb eu s e dt oo p t i m i z et h et r a n s m i t t e ds i g n a lo ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m f o rh i g h e rl i n kc a p a c i t ya n dt h r o u g h p u t i nt r a d i t i o n a lt i m ed i v i s i o nd u p l e x ( t d d ) s y s t e m s ，c h a n n e lr e c i p r o c i t yi sa s s u m e da n dt h ed o w n l i n kc h a n n e lr e s p o n s ec a nb e e a s i l yo b t a i n e db yu p l i n kr e u s et oo p t i m i z et h et r a n s m i t t e ds i g n a l h o w e v e r , i n p r a c t i c e ，b o t ht h er a d i of r e q u e n c y ( r f ) c h a i nc i r c u i t r i e sa n dt h ei n t e r f e r e n c e sb e t w e e n t h et r a n s m i t t e ra n dt h er e c e i v e rs i d e sa r en o tr e c i p r o c a l ，w h i c hm a k et h ea s s u m p t i o n n ol o n g e rv a l i d t h ea s y m m e t r ye f f e c t sa r ef i r s ta n a l y z e di nt h i st h e s i sa n de f f e c t i v e s t r a t e g i e sa r ep r o p o s e dt oe l i m i n a t ei t t h e nat w o - - l a y e rc l o s e d - - l o o pr a t ea d a p t a t i o n f r a m e w o r ki sp r o p o s e di nt d da d a p t i v em i m o o f d ms y s t e mt oe l i m i n a t et h e a s y m m e t r ye f f e c t s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h r o u g h p u to ft h es y s t e mc a nb e i m p r o v e dw h e nt h et w o - l a y e rc l o s e d - l o o pr a t ea d a p t a t i o ni sa d o p t e d 南京邮电大学学位论文独创性声明 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。 研究叠签名：空立建日期：竺! ：竺：多 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 他复制手段保存论文。本人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： 丛磕导师签名：日期：坐夕 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学 通信与信息系统 研究方向： 无线数据与移动计算网络 作者：2 0 0 4 级研究生代康指导教师宋荣方 题目：t d d m i m o 系统中的闭环反馈研究 英文题目： r e s e a r c ho nc l o s e d - l o o pf e e d b a c ki nt d d - m i m o s y s t e m s 主题词： 多输入多输出正交频分复用闭环反馈时分双工 信道状态信息 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 ( m i m o ) o n 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 ) c l o s e d l o o pf e e d b a c k t i m ed i v i s i o nd u p l e x ( t d d ) c h a l r l e is t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) 南京| i i i j 电人学坝l ：学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线通信系统发展状况 传统通信以话音为主要业务，随着社会的发展，人们希望通信系统能够提供 更丰富的功能，支持例如i n t e r n e t 接入、图像传输、视频点播、数据互传、电话 会议等数据和多媒体等应用，这些应用要求通信系统有更高的数据速率和服务质 量，由此促使通信网络结构和接入技术不断发展。 无线通信，相对有线通信具有巨大的便利性和低廉的建设成本，是实现“任 何人( w h o e v e r ) 在任何地方( w h e r e v e r ) 任何时间( w h e n e v e r ) 可以同任何对 方( w h o m e v e r ) 进行任何形式( w h a t e v e r ) 通信”的重要保证，一直是通信领 域的研究热点。无线通信系统大致分两类：一类为移动通信系统，主要解决大范 围的连接，在各种环境下的连接性是首先考虑的，其次才是数据速率；另一类为 无线宽带接入系统，作为有线系统的替代，用于特定环境下的高速数据传输。 我们讲的移动通信系统，一般指蜂窝移动通信系统，该系统大致经历了以下 几个发展阶段： 第一代起源于2 0 世纪8 0 年代，提供频分多址( f d m a ) 的模拟语音通信， 典型代表为美国的a m p s 系统。该系统发展到9 0 年代初，面临用户容量不够的 困境。 第二代( 2 g ) 起源于2 0 世纪9 0 年代初，开始致力于提升用户容量，这个阶 段丌始显现数字通信相对模拟通信的优越性，是数字语音传输的重大变革时期。 典型代表有欧洲基于时分多址( t d m a ) 的g s m 系统和美国高通公司基于码分 多址( c d m a ) 的i s 9 5 系统。 第三代( 3 g ) 起源于2 0 世纪9 0 年代未，致力解决第一第二代系统仅能提供 话音和低速率数据业务、用户容量不足和频谱利用率低的缺点。通过美国高通和 欧洲爱立信等公司的推动，基于码分多址的技术成为标准【1 】，主要有三个代表： 美国的c d m a 2 0 0 0 、欧洲和r 本的w c d m a 及中国自主提出的t d s d m a 。 为实现从2 g 到3 g 的平稳过渡，保护现有的2 g 投资，中间还出现了2 5 代 技术，如g p r s 用于减小从g s m 向w c d m a 过渡的成本，其最大的贡献是把 南京邮i 乜人学硕i j 学位论义第一章绪论 分组交换引入了原先基于电路交换的g s m 系统；而c d m a 2 0 0 0 1 x 用于基于i s 9 5 的窄带c d m a 系统向宽带c d m a 系统演进。 几代蜂窝移动通信系统的简单比较见表1 1 。 表1 1 蜂窝移动通信系统比较 3 代以后及第4 第1 代系统第2 代系统第3 代系统 代系统 数字语音、低速高速数据、多更高数掘速率、 业务模拟语音 数据媒体多媒体、全i p c d m a 结合 c d m a ， 多址方式f d m ac d m a ，t d m a t d m ao f d m a 主要频段8 0 0 m h z 8 0 0 + 19 0 0 m h z2 g h z2 g h z + 5 g h z w c d m a ， g s m ，i s - 9 5 ， 单一的融合标 代表 a m p s ，t a c sc d m a 2 0 0 0 ， p h s准 t d s c d m a 数掘速率 1 9 k b p s 14 4 k b p s 2 m b p s1 0 0 m b p s 核心网 p s t np s t n 分组网分组网 跨入新世纪后，3 g 建设刚刚起步，第三代以后( b 3 g ) 及第四代( 4 g ) 技 术己经丌始了研究。2 0 0 0 年1 0 月6 日，国际电信联盟( i t u ) 在加拿大蒙特利 尔市成立了i m t - 2 0 0 0 ( i n t e m 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 ) a n db e y o n d 工作组，负责协调分布在欧洲、美洲、亚洲等世界各地的无线通信技术研发机构 和通信设备制造公司对b 3 g 的研究与标准化工作。我国在2 0 0 2 年3 月f 式宣布 启动对b 3 g 通信系统的研究工作，并于2 0 0 4 年4 月正式启动b 3 g 移动通信技 术的标准化进程。这些研究主要致力解决的问题有：3 g 系统缺乏全球统一标准； 3 g 所采用的语音交换架构仍承袭了2 g 的电路交换，而不是纯i p 方式；由于受 到多用户干扰，c d m a 难以达到很高的通信速率等。 再来看一下宽带无线接入系统的发展。与移动通信系统从解决广泛的移动性 入手然后向高速宽带发展不同，宽带无线接入系统一丌始就侧重于解决高速的无 2 南京| | l | j i u 人学颂i j 学位论文 第一章绪论 线数掘传输，对移动性和覆盖范围的支持有限。按照作用范围和支持的移动性不 同，宽带无线接入系统可以大致分为以下几类： 1 1 室内无线：包括无线局域网w l a n ( 8 0 2 1 l a b g n ) 、超宽带u w b 、蓝牙 b l u e t o o t h 等。 2 1 室外固定无线：包括无线广域网中的8 0 2 1 6 a d 、固定无线宽带 m m d s l m d s 等。 3 ) 室外移动无线：包括无线广域网中的8 0 2 1 6 e 、移动宽带无线接入m b w a 等。 对几种宽带无线接入系统的主要参数比较见表1 2 。 表1 2 几种常见的宽带无线接入技术比较 w i f iw i m a xw i m a xw i m a xm b w a 8 0 2 1 1 x 8 0 2 1 6 a 8 0 2 1 6 d8 0 2 1 6 e8 0 2 2 0 i o m h z 带1 0 m h z 带5 m h z 带宽1 2 5 m h z 带 数据速 10 8 3 2 0 m b p s 宽最高 宽最高最高宽至少 蛊 ( 1 i n ) 5 0 m b p s5 0 m b p s1 5 m b p s1 m b p s 主要频 2 4 g h z + l l g h z2 6 6 g h z 6 g h z 3 5 g h z 段 5 g h z 频段许许可和免许可和免许许可和免许 免许可需许可 可许可可可 6 9 k m6 9 k m 作用距室内1 0 0 m ： 2 - 5 k m ( 非视 最远5 0 k i n最远15 k m 离室外5 0 0 m( 非视距) 距) ( 视距) 室外，移动室外，移动 典型应室内，热点接室外，固室外，固定 无线无线( 最高 用入 定无线 无线 ( 1 2 0 k m h )2 5 0 k m h ) 无线通信目自订正呈现加速发展的趋势，其中宽带和移动是两条主线，移动通 信和宽带接入的应用范围均向对方传统领域渗透，两者的分界开始变得模糊，可 南京l i | l j i u 人学硕l j 学位论义第一章绪论 以预见网络的融合将是b 3 g 4 g 系统的发展趋势。 目前b 3 g 4 g 通信系统还处于研究阶段，有些定义尚不明晰，概括起来， 其大致具备以下几个特征 2 】： 1 ) 更高的数据率和系统容量。对于大范围高速移动用户( 2 5 0 k m h ) ，数据 速率不低于2 m b p s ；对于中速移动用户( 6 0 k m h ) ，数据速率不低于2 0 m b p s ； 对于低速移动用户( 室内或步行应用) ，数据速率在1 0 0 m b p s 以上。其提供的系 统容量至少是现在3 g 的l o 倍。 2 ) 更加平滑的兼容性。应当具有接口开放、能够跟多种网络互连、网络间 实现无缝切换、终端多样化及能从现有网络平稳过渡的特点。 3 ) 高度智能化的网络。以分组交换为基础，形成一个高度自治、自适应的 网络结构，具有良好的重构性、可伸缩性、自组织性，用以满足不同环境、用户 的通信需求。 4 ) 业务的多样性和自适应性。提供广泛的业务功能，并能根据业务流量的 大小自适应的进行资源分配。 就无线系统的物理层技术来说，o f d m ( f 交频分复用) 和m i m o ( 多输入 多输出) 将成为b 3 g 4 g 系统的关键。其中o f d m 具有高的频率效率、并有潜 在抗多径和自适应选择信道等优势，能显著提高数据传输速率。在宽带无线接入 领域o f d m 技术己成为首选。同时3 g 的长期演进计划l t e 中也将融入o f d m 技术。另一方面，m i m o 能够在不增加频带的情况下，通过在发射端和接收端增 加天线数量 3 6 】，进一步提升信道容量，更是近年来研究的热点。h s d p a ( h i g h s p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) 已经采用m i m o 技术来提高信道容量【7 。 1 2 时分双工 在无线通信中有两种工作方式：频分双工( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ，简 称f d d ) 和时分双工( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ，简称t d d ) 。f d d 的特点是系统 在分离的两个对称频率信道上进行接收和传送：t d d 的特点是系统利用同一频 率信道( 即载波) 的不同时隙来完成接收和发送的工作。通过双工的工作方式， 收发双方都能同时完成发送和接收工作。 最先使用t d d 模式的蜂窝移动通信系统是r 本的p h s 与欧洲的d e c t 。在 4 南京邮l u 人学硕i j 学位论文 第一章绪论 第三代移动通信系统中，有两个标准采用t d d 方式：t d c d m a 8 】与 t d s c d m a 9 】。 t d d 与f d d 的区别如图1 1 所示，对于t d d 模式，收发双方在不同的时 隙相同的频段上进行双工通信；对于f d d 模式，收发双方采用不同的频段进行 双工通信。 频 率 时间 ( a ) f d d 频 窒 图1 1t d d 与f d d 的区别 时间 ( b ) t d d t d d 较f d d 具有以下优点： 能使用各种频率资源，不需要成对的频段： 适用于不对称的上下行数据传输速率； 上下行工作于同一频率，对称的电波传播特性使之便于适用诸如智能 天线等新技术，达到提高性能、降低成本的目的； 系统设备成本较低，有可能比f d d 系统低2 0 - 5 0 。 1 3 链路自适应技术 链路自适应技术是基于发送端已知信道衰落情况下，根据信道的衰落信息对 发送参数进行自适应选择的一种适应衰落信道传输的物理层技术。在无线通信系 统中，采用链路自适应技术使发送信号特性与当自订信道状态相适应，能极大地改 善链路性能。 链路自适应控技术分为闭环和开环两种机制。以移动通信中下行信道传输为 例，闭环自适应调整过程为：m s ( 移动终端) 接收机根据接收信号预测未来信 道质量信息，并通过上行信道反馈给b s ( 基站) ，b s 根据反馈回的信息选择发 送参数，并以新的参数发送下行信息，同时b s 还需要将新的发送参数通过信令 南京邮 乜人学硕i ：学位论文第一审绪论 通知m s 以进行f 确接收；开环自适应调整过程为：b s 接收机根据上行接收信 号预测下行信道质量，并掘此调整下行发送参数，同时通过信令通知m s 所采用 的下行传输参数以进行正确接收。 在传统的t d d 系统中，由于认为上下行信道对称，b s 可以通过上行信道接 收的信号估计出下行信道质量，通常采用丌环自适应技术。但是由于受实际中射 频( r a d i of r e q u e n c y ，简称r f ) 电路以及上下行信道干扰的不对称性的影响， 采用开环自适应技术必然会带来性能的损失，采用闭坏自适应技术才能更有效地 改善系统性能。本文则主要研究了利用信道对称性与反馈技术相结合的闭环自适 应技术。 1 4 无线信道的传播特性 本节简单介绍了无线信道的几种基本传播特性。与其它通信信道相比，移动 信道是最为复杂的一种。电波传播的主要方式是空i 旬波，即直射波、折射波、散 射波以及它们的合成波。再加之移动台本身的移动性，使得移动台与基站问的无 线信道多变并且难以控制。信号通过无线信道时，会遭受各种衰落的影响，一般 来说接收信号的功率可以表示为 e ( d ) = p d ls ( d ) r ( d ) ( 1 - 1 ) 其中孑表示移动台与基站的距离向量，矧表示移动台与基站之间的距离，p 表示 发送功率。根据式( 1 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矧，也被称作大尺度衰落，其中行一般 为3 - - - 4 ； ( 2 ) 阴影衰落s ( 孑) ：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； ( 3 ) 多径衰落月( 孑) ：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。 6 南京邮l 【l 大学硕i j 学位论文 第一章绪论 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。这罩主要针对无线信道的多 径衰落和时变性加以讨论，对大尺度衰落和阴影衰落只作简单介绍。 1 4 1 无线信道的大尺度衰落 无线电波在自由空间内传播，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可 以表示为： ：鲁：k 去 (12)dp 7 、。 其中只表示本地平均发射信号功率，p 表示接收功率，d 是发射机与接收机2 _ i b 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( s i g n a lt on o i s er a t i o ，简称s n r ) 为 ：旦：ksnr 旦上= 二三= 二l： 只d 7n o b ( 1 - 3 ) 其中0 是单边噪声功率谱密度，b 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，, 求s n r s n r o ，其中s n r o 表示信噪t t , f - 限， 则路径损耗会为比特速率带来限制： 曰 丝 d 7 n o s n r o ( 1 - 4 ) 以及对信号的覆盖范围也会带来限制： 诛一n o b s n r o ) l ， m 5 ， l v 叫 可见，如果没有其它特殊的技术，则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。 南京| i | i j 电人学坝i j 学位论文第一章绪论 1 4 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i 日j 尺度来衡量的，其衰落特性符合对数 讵态分布。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。 1 4 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间、相位都不相同。不同相位的多个信号在接收 端叠加，同相叠加会使信号幅度增强，而反相叠加则会使信号幅度减弱。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扩展到其它符号当中， 造成符号间干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，简称i s i ) 。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) ，二( 1 - 6 ) r m 其中表示最大时延扩展。 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 8 南京邮i u 人学彤il j 学位论文 第一章绪论 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。 1 4 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 间而变化的，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 率弥散性。 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： 厶= - - ：c o s 0 ：堕c o s 秒：f # pcos0(1-7) , c 其中z 表示载波频率，c 表示光速，厶表示最大多普勒频移，臼表示射频电磁波 传播方向与移动台位移方向之间夹角，1 ，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。 由于存在多普勒频移，所以当单一频率信号二到达接收端的时候，其频谱 不再是位于频率轴+ f o 处的单纯占函数，而是分布在( 厶一厶，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i 日j ，即： 1 ( r ) 。 ( 1 - 8 ) jm 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 间就是指一段时问间隔，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； 9 南京邮电人学硕1 j 学位论文第一章绪论 反之，如果符号的宽度小于相干时i 日j ，则认为是时间非选择性衰落，也称为慢衰 落。 1 5 本文的主要安排 本文重点研究t d d m i m o 系统中的闭坏反馈技术。第二章主要介绍了 o f d m 技术和m i m o 技术的基本理论，包括m i m o 系统的容量分析，并比较了 不同情况下的m i m o 系统容量；第三章讨论了t d d 模式下射频电路不对称性对 系统容量的影响；第四章讨论了t d d 模式下上下行信道干扰不对称性对系统性 能的影响；第五章在前两章讨论的基础上针对t d d 模式下的自适应 m i m o o f d m 系统提出了双层闭环自适应反馈方法，并给出了仿真结果。本文 最后一章给出结论，并指出需要进一步研究的方向。 l o 南京邮f l ! 人学坝1 j 学位论文 第二审o f d m 和m i m o 披术暴奉理论 第二章o f d m 和m i m o 技术基本理论 随着人们对高速无线数据传输需求的不断增加，无线通信领域正朝着宽带无 线传输的方向发展，各种先进技术层出不穷，而m i m o 技术和o f d m 技术是宽 带无线传输领域的两个主流技术。o f d m 技术是高效的多载波调制技术，能够 有效地对抗多径衰落，从而可靠地接收受到干扰的信号：m i m o 技术可以在不增 加宝贵的频率带宽的基础上，通过在发射端和接收端增加天线数目，提供空间分 集或者复用，进而提升系统的容量。本章主要介绍o f d m 和m i m o 的相关知识， 为以后的进一步分析做准备。 2 1o f d m 技术 正交频分复用( o f d m ，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 ) 技术 【1 0 1 4 】的提出已有近5 0 年历史，早在2 0 世纪5 0 年代末就在军事通信中得到应 用。近年来由于数字信号处理技术的飞速发展，o f d m 作为一种可以有效对抗 符号问干扰( i s i ，i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ) 的高速传输技术，引起了广泛的关注。 目前己经成功地应用于非对称数字用户坏路( a d s l ，a s y m m e t r i cd i g i t a l s u b s c r i b e rl i n e ) 、无线本地坏路( w l l ，w i r e l e s sl o c a ll o o p ) 、数字音频广播 ( d a b ，d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 、高清。晰度电视( h d t vh i g h d e f i n i t i o n t e l e v i s i o n ) 、无线局域网( w l a n ，w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ) 等系统中，它 在无线通信中的应用是大势所趋。 2 1 1o f d m 技术原理 o f d m 与已经普遍应用的频分复用( f d m ，f 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 ) 技术十分相似，其基本原理相同，但o f d m 技术更好地利用了控制方法，使频谱 利用率有所提高。 o f d m 是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可 以被当作一种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干子数据流，这样每个子 数据流将具有比原先低得多的比特速率，用这些低比特率形成的低速率多状态符 南京邮i u 人学倾i j 学位论文 第二帝o f d m 和m i m o 技术皋本理论 号去调制相应的子载波，就构成多个低速率符号并行发送的传输系统。o f d m 技 术是对多载波调制( m c m ，m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ) 的一种改进，特点是各个 子载波相互f 交，扩频调制后的频谱可以相互重叠，不但减小了子载波问的相互 干扰，还大大提高了频谱利用率，o f d m 的基本原理如图2 - 1 。 设o f d m 系统共有个子载波，其频率分别为f o ，z ， 一，由于它们之 间限定为相互正交，因此满足如下关系： = + k r o ，露= o ，l ，n l( 2 - 1 ) 其中，正是最低的使用频率，瓦为o f d m 符号i u j l 辐。o f d m 信号的发射周期 为【0 ，瓦】，c 础是在第胛个o f d m 符号的第七个子载波上传输的信息，其相应的调 制子载波为p 2 矾，其中以= 正+ k a f ，厂为子载波间隔，即a f = l 瓦。于是得 到的o f d m 信号表达式为 血岖卜 一匝丑甑 寓 啦一拦薛 并 帛 并 +攀 i 变 变 ； 换 换 密l e j 2 x f v _ do 轩 图2 10 f d m 基本原理图 l r c ，：= f t e 吉 小t 击一 尼 巍7 正 式( 2 2 5 ) 中，聊= 1 ，m 一。 以上只是给出了注水原理的简单介绍，具体推导可以参考 5 1 1 2 1 1 。 ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) 南京邮电大学硕i ：学位论文第二章o f d m 和m i m o 技术幕奉理论 将q = 去h h 日代入以上相关公式中，就可以得到发射端己知c s i 时的信 仃 道容量( 注：l i + a b i = i ，+ 删l 对任何矩阵彳，b 都成立) 。 2 2 3 发送端已知与未知c s i 时信道容量的比较 乒黑一l ( 2 2 6 ) c 1 月( 日) 、 器c u t _ 驾掣 ( h ) l o g i j + 詈r + i 一瓦面磊河面阿( 2 - 2 7 ) l o g历一l 0 9 2 ( 考) +2 l r + l 丽c 1 r ( h ) 臻型t r h 筹h ( 2 - 2 8 ) ( 日) 3 一) 、 2 3 南京邮电 学顾t 学位论文箪$ o f d m m i m o 拉$ 堆$ d 论 c r ( 日) 、l 0 9 2 q + 孝九。( h h “” o r ( h )l o g ，1 1 + 与h h “f “i 4 r 2 2 9 ) ”a 一( h h 一h ) t r h h ” 在s n r 足够大的条件下，q ，( 日) 虽然可以收敛于g 。( 日) ，但是在实际系 统中s n r 总是受到约束的，不可能无止境地增加。当增加通信系统的工作s n r ， 不仅对发射机功率放大器提出了更高的要求，同时也增加了接收机的功耗，这与 终端系统节电的原则不符合。因此在实际系统中，s n r 不可能满足足够大的条 件。根据以上分析可知，注水原理无疑是信道容量达到最大的最佳选择，在实际 系统中发射端应有效地利用c s i ，这样可以优化发送信号。 f 。 ， 一 p 一 ， 7 一 尹 ， ；， 一 ，辱_ 爱砸c s l * “ 。 2 发2 收c s i e 知 “ 4 发2 收，c s l * 知 4 发2 收，c s l 日知 - 一- 4 笈4 收，c s i 未知 一一4 发4 收c s l 已知 b 发4 收，c , s i 来知 8 发4 收，c s 旧知1 4681 01 21 41 61 82 0 信噪比( d b ) 刮2 - 8 不同收发天线配簧时，已知与未知c s 时门一化信道栉量比较 图2 - 8 比较了不同收发天线配置下，发送端已知与未知c s i 的情况下的归一 化信道容量。与前面的分析一致从图中可以看出，随着信噪比的不断增大， ( h ) 逐渐收敛于o ，( 日) 。还有点值得注意的是，当收发天线数目相等时， 十 一 2nf：f4。叶 一芏、篓d一嘲饰捌妲晕1日i 南京邮1 1 1 人学坝l 学位论文 第_ 二章o f d m 和m i m o 技术皋奉埋论 已知c s i 时的归一化信道容量仅略高于未知c s i 时；当发射天线数大于接收天 线数时，已知c s i 时的归一化信道容量要明显高于未知c s i 时。实际中由于移 动终端受各种因素的限制，它与基站端的天线数目是不平衡的，一般来说，移动 终端所支持的天线数目总是比基站端少。 2 2 4m i m o 系统的不同应用 m i m o 技术成为现代通信的一个重要技术突破。一方面该技术打破了无线通 信的容量瓶颈，可以为用户提供高达几十b i t s h z 的频带利用率：另一方面，可 将多径传播这一传统的无线传输的不利条件转变为对用户有利的条件。针对不同 的目标，m i m o 系统现有几种不同的应用方式：( 1 ) 智能天线，( 2 ) 空间复用， ( 3 ) 空间分集，这几种应用方式各有侧重。 智能天线 传统的智能天线技术，实际上只是在发送端或者接收端安装多个天线。通常 选择在基站端安装多个天线，这是由于基站对额外支出的承受力更强并且在空i 白j 的获取上比小型的手持机更为便利。传统上，多天线系统的智能更多的用于权重 选择算法上而不是编码上。空时编码的发展e 在改变这一观点。 智能天线技术的基本原理是使用自适应天线阵列系统，优化空中无线接口的 容量，从而扩大基站覆盖范围，提高信号质量，其原理如图2 - 9 所示。通常自适 应天线阵列系统包含多个天线，利用无线资源管理算法控制射频信号能量，动态 地集中发射给所要寻找的用户，同时避免射频信号干扰网络中的其他用户，大大 提高了接收端的信号干扰比。 q波束 成形 交换 i 网络 f 击形 图2 - 9 智能天线原理图 智能天线采用数字方法对阵元接收信号加权处理形成天线波束，使主波束对 南京l f | i j 【! 人学侦f j 学位论文第二章o f d m 和m i m o 技术皋奉理论 准用户信号方向，而在干扰信号方向形成较强抑制，达到抑制干扰的目的。自适 应智能天线技术利用了空分多址接入技术，使得即使同一小区内的用户处于相当 邻近的状态时，也能使用相同的频率资源和时间资源，自适应智能天线技术使基 站能够与用户建立独立的虚拟天线连接，生成即时定义的空间信道。使用空间信 道，原来定义的处于特定时域内某一频率上的无线信道可以在本小区内多次重复 利用，大大提高了小区的容量。 空间复用 m i m o 系统的另一个应用是空间复用( s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ) ，如图2 1 0 所示： 一个高速数据流分解为个独立的速率为1 n 的比特序列利用多个天线在同样 的频带上同时发送出去。在接收端通过训练符号区分混合在一起的信道矩阵，然 后将各个比特流加以分离和估计。 卑并调制 转换 映射 图2 1 0 空间复用原理图 空间分集 空间分集则是出于与空间复用完全不同的考虑角度，空间复用利用多天线形 成的空间并行子信道传输不同的信号信息，以实现尽可能高的传输速率。空间分 集则是希望通过在并行子信道上传输相同的信号信息，利用空间冗余提供尽可能 高的可靠性。通过提高系统信噪比实现高传输速率。在多径传播造成随机衰落的 情况下，信号丢失的概率随使用的不相关的天线数增加呈指数下降。这的关键就 是分集数，它由发送端或接收端的不相关的天线数决定。 2 6 南京| | l l j 电大学硕i j 学位论文 第二帝o f d m 和m i m o 技术挂奉理论 复用、分集如何取舍 纯粹的空间复用使每个天线单独使用获得较高的数掘速率，但不能获得分集 增益，而且在给定比特差错性能时，这往往也不是最佳的发射方案。将符号按分 组进行编码，可以获得分集增益和编码增益这将有助于提高性能，这时数掘速率 要有一定的损失，但反之，性能提高了可以采用更多星座点的调制，如采用 1 6 q a m 代替q p s k 。现在出现了将空间复用和空时编码融合的趋势，即考虑到 性能要求又保证一定的数据速率 2 2 】 2 3 】。 2 3m i m o 和o f d m 两种技术的结合 随着无线通信技术的飞速发展，人们对无线局域网性能和数掘速率的要求也 越来越高。i e e e 8 0 2 1 l a 和i e e e 8 0 2 1 l g 协议标准支持的最高为5 4 m b i t s 的数据速率 显得有些低了。理论上来说，作为高速无线局域网核心的o f d m 技术，只要适当 选择各载波的带宽和采用纠错编码技术，多径衰落对系统的影响可以完全被消 除。因此如果没有功率和带宽的限制，我们可以用o f d m 技术实现任何传输速率。 而其他技术就不具备这种特性，因为采用其他技术时，当数据速率最终增加到某 一数值时信道的频率选择性衰落会占据主导地位，此时无论怎样增加发射功率也 无济于事，这正是o f d m 技术适用于高速无线局域网的原因：但从实际上来说， 为了进一步增加系统的容量，提高系统传输速率，使用多载波调制技术的无线局 域网需要增加载波的数量，而这种方法会造成系统复杂度的增加，并增大系统的 带宽，这对今日的带宽受限和功率受限的无线局域网系统就不太适合了。而 m i m o 系统虽然在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说m i m o 可以抗 多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，m i m o 系统依然是无能为力。而m i m o 和o f d m 技术的结合可以很好的解决以上的问题：利用o f d m 技术把频率选择性 深衰落信道转变成多个子载波的平衰落信道：利用m i m o 技术在不增加带宽的条 件下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。研究表明，在衰落信道环境下， o f d m 系统非常适合使用m i