（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统下波束成形技术研究.pdf

摘要 摘要 m i m o 系统的信道容量与发射端和接收端的最小天线数成线性关系。这使 m i m o 技术成为b 3 g 技术中最有前途的技术之一：o f d m 技术由于较高的频谱利 用率、能有效对抗无线信道多径衰落和易于实现等优点，也成为b 3 g 技术研究的 重要内容。将m i m o 技术与o f d m 技术相结合，己成为下一代移动通信的一个 很有潜力的方案。而闭环系统，由于可以让发射端知道信道状态信息，就可以在 发射端使用预编码技术，从而可以大大提高信道容量和传输质量。此本文重点研 究闭环m i m o o f d m 系统中的波束成形技术，具体工作和创新点概括如下 传统的m i m o o f d m 系统下的波束成形使用o f d m 符号内每个子载波中具 有最大特征值的特征向量来作为波束成形方向。在m i m o o f d m 系统下的波束 成形可以采用子载波分配算法来改善性能，方法是使用o f d m 符号内所有的、相 互正交的子信道中，最好质量的那部分子信道来作为发送波束成形的方向。但是 当从接收机反馈回来的信息有延迟的时候，m i l v l o o f d m 系统下采用子载波分配 算法的波束成形会在那些选取了两个或者多个子信道的子载波上出现自我干扰。 这种自我干扰会很严重的影响系统性能，特别是在归一化多普勒频移较大的时候。 在本文中，做了以下的工作： 1 设计了接收机改进检测算法来降低这种自我干扰。通过将有自我干扰的 子载波等效成v - b l a s t 模型来消除自我干扰。 2 对这种模型加上信道编码再进行软输出。由于等效模型中的噪声不是白 噪声，我们又采取了将噪声白化的方法来使得系统可以采用传统的软输 出算法。 3 对于基于码本的波束成形，一般没有子载波分配算法，但是通过对信道 模型的等效化，也可以进行子载波分配，然后再将使用多个码本的子载 波等效成v - b l a s t 模型来检测。 4 在考虑反馈延迟后，模型依然不变，可以很简单的进行检测。 5 最后还引入了一种基于子载波的自适应码本分配算法，并验证了性能。 关键词：m i m o - o f d m 闭环系统波束成形反馈延迟 a b s t r a c t a b s t r a c t m i m oi so n eo ft h ep r o m i s i n gt e c h n i q u e si nb 3 gs y s t e m s m i m os y s t e m se n a b l e t og r o wl i n e a r l yi nt r a n s m i s s i o nr a t ew i t ht h em i n i m u mo ft h en u m b e ro fa n t e n n a sa t e i t h e re n d a n do f d mi sw i d e l ys t u d i e db e c a u s eo fi t sh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c ya n d c a p a b i l i t yt oc o m b a tm u l t i p a t hf a d i n g c o m b i n i n gt h em i m o a n do f d mt o g e t h e r , a s m i m o - o f d m s y s t e m ，i st h ep r o m i s i n gs t r a t e g yi nt h en e x tg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n s y s t e m i nt h ec l o s e - l o o ps y s t e m ，b e c a u s et h et r a n s m i t t e rc a nk n o w st h ec h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n ，s o ，i tc a na d o p t sp r e c o d i n ga l g o r i t h m sa tt h et r a n s m i t t e rt og r e a t l yi n c r e a s e t h ec h a n n e lc a p a c i t ya n dt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e s o ，t h ep r e c o d i n gf o rm i m oa n d o f d m s y s t e m sa r es t u d i e di nt h i st h e s i s n et r a d i t i o n a lb e a m f o r m i n gi nm i m o o f d ms y s t e m sl l s e st h es u b c a r r i e r s c h a r a c t e r i z e db yt h el a r g e s td g e n v a l u e st ot r a n s m i tt h eo f d mb l o c ks y m b o l s i n c o n t r a s tt ot h ep r e v i o u so n e ，t h eo p t i m a lb e a m f o r m i n gi nm i m o - o f d ms y s t e m su s e t h eb e s ts u b c h a n n e l si n a l lo p t i o n a lo r t h o g o n a ls u b c h a n n e l s b u tw h e nf e e d b a c kf r o m r e c e i v e r d e l a y s ，t h eo p t i m a lb e a m f o r m i n g i nm i m o o f d mw i l l a p p e a r s e l f - i n t e r f e r e n c ei nt h es u b c a r d e r st h a th a v em o r et h a no n es u b c h a n n e l s ，n 地 s e l f - i n t e r f e r e n c ew i l li m p a c tt h ep e r f o r m a n c es e v e r e l ye s p e c i a l l yw h e nt h en o r m a l i z e d d o p p l e rf r e q u e n c yi sl a r g e t h ef o l l o w i n gw o r k si si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ： a ni m p r o v e dd e t e c t i o na l g o r i t h m si si n t r o d u c e dt or e d u c et h es e l f - i n t e r f e r e n c e b y e q u a l i n gt h em o d e lo ft h es u b c a r r i e r s 州t 1 1h a s2s u b c h a n n e l st oav - b l a s tm o d e l ，t h e n ， i t se a s yt oe l i m i n a t et h es e l f - i n t e r f e r e n c e m o r e o v e r , w ea d o p tc h a n n e lc o d i n gt ot h es y s t e ma n do u t p u ts o f ti n f o r m a t i o n b u t i nt h ev b l a s tm o d e l ，t h en o i s ei sn o tw h i t en o i s e , s o , w eu s eam e t h o dt ow h i t e nt h e c o l o rn o i s e t h e n , w ec a nu s et r a d i t i o n a ls o f ti n f o r m a t i o na l g o r i t h m si nv - b l a s t m o d e l f o rt h eb e a m f o r m i n gb a s e do i le o d e b o o k ，w ec 锄a l s oa d o p td y n a m i cs u b c a r r i e r s a l l o c a t i o n a st h es a m e , i tc a nd e t e c tb ye q u a l l i n gt h es u b c a r r i e r st h a th a v es e v e r a lc o d e s t om i m o - o f d mv - b l a s tm o d e l t i l i sd y n a m i cs u b c a r r i e r sa l l o c a t i o na l g o r i t h mo fc o d e b o o kb e a m f o r m i n gi ss t i l l l t a b s t r a c t r o b u s tw h e nc o n s i d e rt h ee f f o r t so ff e e d b a c kd e l a y w ei n t r o d u c e daa d a p t i v ec o d e b o o ka l l o c a t i o na l g o r i t h mb a s e do ns u b c a r r i e r sa t l a s t , a n ds i m u l a t et h i sm e t h o d sp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：m i m o o f d mc l o s e - l o o ps y s t e mb e a m f o r m i n gf e e d b a c kd e l a y i i l 图目录 图目录 图2 1m i m o 的系统结构图1 1 图3 1m i m o - o f d m 系统下波束成形的系统框图1 7 图3 2 波束成形的子载波分配算法的性能一2 2 图3 3 理想反馈和有限反馈的性能比较2 4 图3 - 4 反馈延迟的影响( 2 发2 收) 2 5 图3 5 反馈延迟的影响( 3 发3 收) 2 5 图4 1 硬判决下的改进算法的性能( q p s k3 k i n h ) 3 7 图4 2 硬判决下的改进算法的性能( q p s k2 0 k i n h ) 3 8 图4 3 硬判决下的改进算法的性能( q p s k 4 0 k m h ) 3 8 图4 - 4 软判决下的改进算法的性能( q p s k3 k i n h ) 3 9 图4 5 软判决下的改进算法的性能( q p s k2 0 k m h ) 4 0 图4 _ 6 软判决下的改进算法的性能( q p s k4 0 k m h ) 4 0 图4 7 软判决下的改进算法的性能( b p s k3 k m h ) 4 l 图4 _ 8 软判决下的改进算法的性能( 1 6 q a m3 k i n h ) 4 l 图5 1 码本波束成形的子载波分配算法性能( 无延迟) 4 9 图5 2 码本波束成形的子载波分配算法性能( 有延迟) 5 0 图5 3 基于子载波的自适应码本分配算法5 l v i 缩略词表 3 g p p 3 g p p 2 叁瀚g r b e r b l a s t c d m a c p c s i t d f 阳d f f t i f f t l l r m i m o m l m m s e m i 配 o m m o s u c 删 缩略语 3 一g e n e r a t i o np a r t n e rp r o j e c t 3 一g e n e r a t i o np a r t n e rp r o j e c t2 a d d i t i v e 肠i t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rl b t e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c e s s c y c l i cp r e f i x 第三代合作伙伴计划 第三代合作伙伴计划2 加性高斯白噪声 误码率 贝尔实验室分层空时码 码分多址 循环前缀 c 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 r 发射端信道状态信息 f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m l o g - l i k e l i h o o dr a t i o 判决反馈 频分双工模式 快速傅立叶变换 快速傅立叶逆变换 对数似然比 m u l t i i n p u tm u l t i - o u t p u t多输入多输出 m a x i m u m - l i k e l i h o o d m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r m a x i m u mr a 6 0c o m b i n a t i o n 最大似然 最小均方误差 最大比合并 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正交频分复用 o r d e r e ds u c c e s s i v ec a n c e l l l a t i o n q u a d r a t u r e a m p l i t u d em o d u l a t i o n v 排序干扰抵消 正交幅度调制 缩略词表 q p s k s i n r s n r s t b c s u c t d d q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o s i g n a lt on o i s er a t i o t i m ed i v i s i o nd u p l e x 正交相移键控 信干噪比 信噪比 空时块码 连续干扰抵消 时分双工模式 v - b l a s tv e r t i c a l b e l ll a b sl a y e r e ds p a c e t i m e 垂直贝尔实验室分层空时码 z f z m s g z e r of o r c i n g z e r om e a nc o m p l e xg a u s s i a n i 迫零 零均值复高斯 符号表 数学符号表 复参量的共轭 矩阵的m o o r e - p e n r o s e 广义逆 矩阵或向量的共轭转置 矩阵或向量的转置 矩阵h 的第f 列 矩阵的第f 行 单位矩阵 矩阵的f r o b e n i u s 范数 表示随机变量服从某种分布 序列最大值对应的自变量参量 序列最小值对应的自变量参量 i x 哆 缸 目 + r g g m 汹 盯盯盯盯叫叫i删。 l f l ；f 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，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作了明确的 说明并表示谢意。 签名： 窒l 宝 日期：年月 e t 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：一导师言一 第一章绪论 1 1 移动通信发展概述 第一章绪论 在信息时代的今天，信息的交换和传递越来越占据重要的地位，人与人之间， 团体与团体之间，乃至国与国之间的交流日益频繁，要交换的信息的数量和种类 都大大增加。通信已经成为信息产业中发展最为迅速，进步最快的行业之一。通 信技术的发展可以极大地推动经济的发展，人们可以突破空间和时间的限制进行 信息交流和传递，而在通信领域有两个最积极最活跃和发展最快的分支：无线移动 通信和i n t e m e t 。 无线移动通信技术经历了从模拟调制到数字调制技术的发展。直到1 9 9 0 年左 右，业务提供商的兴趣仍还在采用f d m a 和模拟调制方式实现话音传输上。这种 制式被称为第一代无线移动通信，这种系统的主要缺点是频谱利用率，低信令干 扰话音业务等。但从1 9 9 0 年以后，就出现了数字语音传输的重大变革，第二代蜂 窝系统采用了t d m a 或c d m a 的数字调制方式，提高了系统容量并采用独众信 道传送信令使系统性能大为改善。随着社会进步及用户数量的急剧增长，频率资 源日益紧张，要求第三代移动通信系统能够提供更大的系统容量，更好的通信质 量并能提供z m b p s 的数据业务以满足人们对多媒体通信的要求，适应通信个人化 的发展方向。第三代数字蜂窝移动通信系统的三大主要候选方案是北美的 c d m a 2 0 0 0 系统欧洲的w c d m a 系统和中国的t d s c d m a 系统，它们都是建立 在c d m a 技术基础上，c d m a 己被广泛接受为第三代移动通信系统的核心技术。 在国际上第三代移动通信的商用化正在全球范围内进入实施阶段。北美的s 研n g p c s ，b e l lm o b i l i t y ，v e i l z o nw i r e l e s s ，日本的k d d i ，韩国的k t 均宣称已实现 c d m a 2 0 0 0 - i x 的商用化。与此同时，日本d o c o m o 于2 0 0 1 年1 0 月起首先实现了 w c d m a 的商用化。欧洲的大部分运营商则计划于2 0 0 3 年开始对w c d m a 技术 进行试商用。根据对有关电信运营商的调查，与位置有关的信息点播业务，多媒 体短信，业务移动上网浏览业务，移动电子商务交互式娱乐业务等将是未来最具 发展前景的移动通信业务。 i n t e n e t 业务的日益普及促使移动通信技术向全p i 方向发展。目前3 g p p 和 3 g p p 2 等标准化组织正在制定基于全m 的第三代移动通信增强型标准。为迎合该 1 电子科技大学硕士学位论文 方面的发展，3 g p p 2 己提出了能够支持高速分组业务( 峰值速率为4 至s m b p s ) 的 c d m a 2 0 0 0 一l x e v 标准。3 g p p 也在进行类似的工作，一个名为h s p d a q 增强性 第三代移动通信标准正在制定之中，其分组业务峰值传输速率将达到8 m b p s 以上。 随着第三代移动通信系统逐渐进入商用，国际上有关第四代移动通信的研究 已初见端倪。在i t u ，有关b e y o n di m t - 2 0 0 0 的概念与需求研究于1 9 9 9 年被首次 列入议事日程，2 0 0 1 年l o 月在东京进行的i t u rw p 8 f 会议上，己收到许多有关 b e y o n di m t - 2 0 0 0 的研究提案并初步明确了b e y o n di m t - 2 0 0 0 研究的基本框架，根 据i 刊的研究计划，其总体目标及远景于2 0 0 2 年6 月完成，在2 0 0 5 或2 0 0 6 年进 行频谱规，划2 0 1 0 年之后开始商用。欧盟在前期研究计划( “第五框架研究计划”) 的基础上，成立了w w r f ，着手进行第四代移动通信的概念，需求与基本框架研 究，并把第四代移动通信系统列入于2 0 0 2 年启动的欧盟“第六框架研究计划”。 日本m 兀 d o o o m o 公司早在1 9 9 7 年就已经启动下一代移动通信系统的研究开发 工作，日前试制成功了计划在2 0 1 0 年左右投入使用的第四代移动通信系统【2 1 ，并 进行了室内传输试验。n t rd o c o m o 在此次传输试验中采用的接入方式为该公司 自行开发的v s f o f c d m 方式这种无线访问方式以o f d m 方式为基础，融入了 c d m a 扩频码概念，在像o f d m 一样使用多载波的同时进行与c d m a 相同的扩 频处理来增大容量。从2 0 0 2 年l o 月开始，美国f l a r i o nt e c h n o l o g i e s 与韩国的s k 电信在韩国国内利用f l a s h - o f d m 技术进行高速无线数据通信的试验， f l a s h o f d m t l 】是由使用多个载波进行高速数据通信的o f d m 技术衍生出来的通信 方式之一，其最大数据传输速度为3 m b p s 。同时i s o p a n 公司把它的宽带无线接 入技术扩展到移动通信上他们采用的核心技术是m i m o - o f d m t 2 1 ，西门子正积极 进行下一代移动通信系统的研究，爱立信也己宣布进行第四代移动通信手机的研 发。在我国，第四代移动通信已被正式列入国家8 6 3 “十五一研究计划并且已经启 动。 1 2m i m o o f d m 技术简介 1 2 1m i m o 技术 移动通信中的m 蹦0 t 2 】【3 1 技术指的是利用多根发射天线和多根接收天线进行 无线传输的技术，使用这种技术的无线通信系统即为m i m o 系统。当天线相互之 间有足够远的距离，各根发射天线到各根接收天线之间的信号传输可以看成是相 2 第一章绪论 互独立的。m i m o 的思想是把收发端天线的信号进行合并，以改进每个m i m o 用 户的通信质量和速率。m i m o 可以极大地提高无线通信系统的性能，而不需要以 频谱为代价。 移动通信环境中存在多个散射体、反射体，因此在无线通信链路的发射端与 接收端之间存在多条传播路径。多径传播对接收的信号造成了严重的影响。研究 表明，在m i m o 系统中可以利用接收信号的某些空间特性实现接收端的信号分离。 多入多出( m m o ) 技术在通信链路两端均使用多个天线，发端将信源输出的串行码 流转换成多路并行的子码流，分别通过不同的发射天线阵元在同一频率、同一时 刻发送，接收方则通过利用接收信号的某些空间特性从混和信号中分离估计出原 始子码流，那么这相当于频带资源的重复利用，实现在原有频带内的高速率的信 息传输，大大提高了频带的利用率和链路的可靠性。m i m o 系统提供分集增益 ( d i v e r s i t yg a i n ) 和复用增益( m u l t i p l e x i n gg a i n ) 【3 1 。 1 2 2o f d m 技术 正交频分复用( o f d m ) 【2 】技术是一种多载波调制技术，也可以说是一种复用 技术，它的基本原理是在频域把信道分成许多子信道，各子信道间保持正交，频 谱相互重叠，各子信道可根据信道情况采用不同的调制方式。o f d m 系统存在以 下主要优点【4 5 6 】： ( 1 ) 高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号的持续时间相 对增加，从而有效地减小无线信道的时间弥散( t i m ed i s p e r s i o n ) 所带来的符号间 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 ) ，这样就减小了接收机内均衡的复杂程度，有 时甚至可以不采用均衡器，仅通过插入循环前缀的方法消除i s i 的不利影响。 ( 2 ) 传统的频分复用( 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 ) 技术中，每个子 信道是不重叠的，为防止信道间的干扰，信道间还要加保护间隔，导致频带利用 率下降。o f d m 系统中由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互 重叠，因此可以最大限度地利用频谱资源。 ( 3 ) o f d m 是一种多载波技术，它的多载波调制和解调是通过离散傅立叶反 变换( 1 0 f t ) 和离散傅立叶变换( d 聊实现的，对于子载波数目n 很大的系统，我们 可以通过采用快速傅立叶变换( f f t ) 来实现。随着大规模集成电路与数字信号处 理技术的发展，i f f t 和f f t 都是很容易实现的。 ( 4 ) 无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大 3 电子科技大学硕士学位论文 于上行链路传输的数据量。o f d m 系统可以很容易地通过使用不同数量的子信道 来实现上行和下行链路中不同的传输速率。 ( 5 ) 由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深 的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利 用信噪比较高的子信道，从而提高系统的性能。 ( 6 ) 由于o f d m 把整个信道分成相互正交的子信道，因此抗窄带干扰能力很 强，因为这些干扰仅仅影响到一部分子信道。正是由于o f d m 具有以上优点，因 此受到了广泛关注。目前，o f d m 技术良好的性能使其在很多领域得到了应用， 如高比特率数字用户线( h d s l ，h i g hd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) ，非对称数字用户线 ( a d s l ，a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) ，甚高比特率数字用户线( v d s l ， v e r yh i g hd i g i t ms u b s c r i b e rl i n e ) ，数字音频广播( d a b ，d i # t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 和数字视频广播( d v b ，d i s t i lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 1 7 8 】【9 】，以及无线局域网 ( w l a n ) i e e e 8 0 2 1 l a m 】等，甚至可以应用到电力线传输中。在2 0 0 2 年4 月i e e e 颁布的8 0 2 1 6 和8 0 2 1 6 a 宽带无线接入城域网技术标准，也都是基于o f d m 技术 的。目前普遍认为在宽带无线接入领域采用o f d m 是发展的趋势，而且它将成为 未来移动通信系统的关键技术。 1 2 3m i m o 系统下的闭环预编码技术 通常在发射端进行的可使接收端的信号检测简化的预处理方法都可认为是预 编码。预编码与信号检测不同，它需要在发射端已知信道状态信息。在对称t d d 系统中，接收和发射交替进行，如果这种接收和发射的转化时间小于信道的相干 时间，此时接收端估计的信道状态信息可用于下一发射时刻对发送信号进行信号 预处理。在其它应用中，信道状态信息可以在接收端估计，再通过一个反馈信道 发送到发射端。 无线信道存在两个最显著的特征，一个是多径现象，另一个是衰落现象。在 数字通信系统中，人们最感兴趣的问题是，如何设计最优接收机来消除传输的失 真，和加性高斯噪声的影响。解决办法是，接收端对信道进行估计，并以此来设 计均衡器。 接收端通常采用导频序列来估计信道。当信道为时变，即使是慢时变时，发 射端也必须周期性地发射训练序列，来对信道进行重新估计。这样就大大降低道 的有效通信速率，这个问题在t d m a 系统中尤其严重。因为训练序列必然会占据 4 第一章绪论 大量时隙，从而使系统能够有效利用的时隙数量大大减小。比如，在g s m 系统中， 每1 4 8 个符号的突发中，就有2 6 个供训练用的符号，导致1 8 的容量失【l l l 。在高 频( h f ) 通信系统中，用于传输训练信号的时间甚至会占去总传容量5 0 的开销。 盲的方法是不通过发射端发送训练序列来估计出信道。由于的方法不占用信道的 频谱资源，从而引起了人们极大的兴趣【1 2 1 3 j 。严格说来，盲的方法只有观察的输 出数据可以利用。实际中得最多的是半盲方法f 1 4 1 5 1 。在半盲方法中，除了接收的 数据外，还可利用些以概率形式给出的辅助信息，如恒模、有限字符、循环平稳 等【1 6 1 。更为详的关于信道的估计请参见【1 。n 。 与接收端相比，发射端要想获得信道的状态信息将更为困难。因为信道状态 息在发射时是不可知的。在t d m a 系统中，由于上、下行信道占用相同的频带， 信道的相干时间内，可以认为上、下信道具有互易性。因此，发射端可以利用接 收到的信息来进行信道估计，并根据其互易性来确定下行信道的状态信息。f d d 系统中，由于上、下行信道并不占用相同的频带，且大多数下上下信道几乎独立， 此时上、下行信道将不再满足互易性，只有通过接收端将信道状态信反馈回发射 端。问题由此而产生，即使认为接收端估计出的信道状态信息是理想的，即完全 确知的，但为了将接收端获得的状态信息反馈回发射端，由于受频谱效率的限制， 反馈信道的带宽不可能为无穷大，因此，接收端必须将信道状态信息进行量化， 由此而引入信道的量化误差：另外，在反馈过程中，由于存在反馈时延，而信道为 时变的衰落信道，发射端获取的信道状态信息将是过时的，但又与当前信道状态 信息存在一定程度的相关性。更进一步，在反馈过程中，传输过程会受到噪声干 扰，使得发射端接收到的信道状态信息存在误码。上述三种因素将使得发射端获 取的信道状态信息，为不完全确定的信道状态信息，即部分信道状态信息。 1 3 主要研究内容和贡献 本文的主要工作和贡献如下： 1 给出了闭环m i m o - o f d m 系统下波束成形的数学模型，然后引入了由 o f d m 特性带来的子载波分配算法，并验证了这种分配算法在频率选择性 率领信道下可以给系统带来很好的增益。 2 由于现有的波束成形研究，基本都没有考虑反馈延迟的影响。所以本文从 考虑反馈延迟的角度出发，分析了在反馈延迟下，波束成形算法的信号模 型。分析了为何会出现性能衰减，并指出子载波分配算法对反馈延迟特别 5 电子科技大学硕士学位论文 的敏感。 3 根据反馈延迟下的信号模型，将系统等效成为一个m i m ov - b l a s t 模型， 然后就可以通过常规的m i m ov - b l a s t 模型解调方法来抑制反馈延迟带 来的干扰。并在硬判决下，验证了这种抑制算法可以带来的增益。在软判 决下，由于等效模型的噪声不是白噪声，所以不能使用常规的软解调方法。 通过分析色噪声的特性，本文将噪声白化，然后就可以简单的进行软输出 了。 4 在有限反馈的模式下，由于码本本身的非正交性，所以常规的基于码本的 m i m o o f d m 下的波束成形不能进行子载波分配。但是通过分析，只需 要和理想反馈相似的进行模型等效后，就可以进行子载波分配。通过这种 分配算法，在频率选择性衰落信道下，可以是系统的性能得到较大提升。 同时，本文也分析了这种基于码本的子载波分配算法在反馈延迟下的性 能。 5 最后，本文还提出了一种基于子载波的自适应码本分配算法。通过在不同 信道质量的子载波上，使用不同精确度的码本，就可以使得系统得到码本 上的分集，从而是的系统性能得到提升。 1 4 本论文的结构安排 第二章先介绍了无线信道的一些特性。然后介绍了m i m o o f d m 系统的一些 性质，包括了各自的基本理论、特点等等。然后介绍了什么是闭环系统，什么是 闭环系统下的预编码技术。然后介绍了一些常见的预编码技术。 第三章着重介绍了闭环的m i m o o f d m 系统下，波束成形算法的一些特点。 包括理想反馈和有限反馈两种形式，以及结合o f d m 系统后的子载波分配算法， 并介绍了反馈延迟将会给闭环系统带来的影响。在本章的最后，给出了一些仿真 结果及结论。 第四章介绍了在闭环m i m o - o f d m 系统下的接收机改进算法。首先分析了在 考虑反馈延迟后，理想反馈的系统信号模型的变化。然后给出了硬判决下的改进 算法。对于软判决，由于等效噪声是非白噪声的问题，不能直接判决。于是又分 析了色噪声的性质后，进行了噪声的白化，使得系统可以进行软输出。在最后， 给出了一些仿真结果来验证改进算法的性能。 第五章介绍了有限反馈下的波束成形系统，首先，根据等效模型，提出了在 6 第一章绪论 基于码本反馈的波束成形系统中的子载波分配算法。然后将这个子载波分配算法 再假如反馈延迟的考虑，进行了分析。然后，又给出了一种基于子载波的自适应 码本分配算法。并在该章的最后，给出了这些算法的仿真性能图。 第六章对全文做出了总结。 方程部分( 下一个) 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章m i m o o f d m 系统的基本理论 本章主要介绍m i m o o f d m 系统以及无线信道的特点，然后介绍在闭环系统 下，也就是发射端知道信道状态信息的情况下，一些常见的预编码技术。重点介 绍本文所研究的波束成形技术。 2 1m i m o o f d m 系统模型及基本理论 2 1 1 无线信道特性 众所周知，移动通信系统的各种性能很大程度上受限于移动信道的特性。所， 移动通信研究问题的第一步就要给出移动信道的数学模型。数学模型是对研对象 的数学抽象，而且不同的研究对象要选择不同的数学模型。 无线电波在空间传输时，会遇到各种建筑物、树木、植被，还由于地形起伏 原因，引起能量的吸收，并造成电波的穿透、反射、散射和绕射等。无线电波空 间传播时的损耗可以归纳为三类0 8 - 路径传播损耗：它是指电波在空间传播时所产生的能量损耗，它反映了传播 在宏观大范围( 即公里量级) 的空间距离上的无线电波在接收端接收信号电平平 均值的变化趋势。 阴影衰落：它是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡而产生的 损耗。建筑物及山丘等障碍物对无线电波的影响很类似于对光波产生的阴影效应， 因此称之为阴影衰落。它反映了中等范围内几百波长量级接收电平的均值变化而 产生的损耗，一般遵从对数正态分布，其变化率较慢。 多径衰落：它主要是由于多径传播过程中不同路径信号对消而产生的损耗， 它反映微观小范围内几十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，接收信号 场强的瞬时值呈现快速变化的特征，其衰落特性一般遵从瑞利分布( r a y l e i g h ) 或 者莱斯分布( r i c i a n ) 。 由于路径传播损耗、阴影衰落和多径衰落的影响，接收信号要比发射信号弱 得多。对快速移动的用户而言，平均路径损失变化很慢，信号的变化主要表现为 衰落。阴影衰落常被称为长期衰落，主要来自建筑物和其他障碍物的阴影效应。 8 第二章m i m o - o f d m 系统的基本理论 多径衰落常被称为短期衰落，由移动用户附近的多径叠加产生。 2 1 1 1 多径衰落信道的物理特性 移动通信的接收信号，往往不是单一路径的信号，而是许多路径来的众多反 射、饶射和透射电波的合成。由于不同路径的信号有不同的传播时延，因此信号 的相位也就不同，所以，叠加之后的接收信号幅度有时因同相叠加而增强，有时 因反相叠加而减弱。这使得接收信号的幅度出现急剧变化，这就是所谓的多径衰 落。一般来说，多径衰落主要表现出三类特性：一是随机时变特性，又称时间选 择性，或多谱勒扩展特性；二是时延扩散特性，又称频率选择性；三是角度扩展 特性，又称空间选择性。所谓选择性是指在不同的时间、不同的频率和不同的空 间其衰落特性是不一样的【1 9 】1 2 0 】。 1 ) 随机时变特性和相干时间 随机时变特性：由于传输介质的变化而导致的多径随机时变特性，即接收到 的各径信号幅度、相位在变化，同时多径的数目也是变化的。这种时变特性是无 法预知的，因此必须用统计的方法来表征。多普勒频移和相干时间是描述信道多 径衰落时变特性的两个重要参数。 移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，所导致的附加频移称为 多普勒频移，表示为 五= c o s 秒 ( 2 一1 ) 其中y 是移动台或反射物体的运动速度，名是载波波长，0 是入射电波与移动 台运动方向的夹角。厶= 是的石最大值，称为最大多普勒频移。 在任一时刻，移动台接收到的信号由来自周围多个方向的多径信号叠加而成， 假设入射功率在秒( 一7 ，万) 区间中是均匀分布的。当发射信号是单一频率为z 的信 号，可得接收信号功率谱密度 僻麦f 1 - ( 警丌正小胤+ 厶 c z - 2 ) 其中，只是各向同性天线接收到的平均功率，上式即是c l a s s i c 谱。可见，虽 然发射信号为单一频率z ，但接收电波的功率谱s ( ) 却展宽到正一厶到正+ 厶 范围，这就是多普勒频谱扩展。 9 电子科技大学硕士学位论文 相干时间乙= 1 厶是信道冲激响应维持不变的平均时间间隔，在相干时间间 隔内，多径到达信号具有很强的幅度、相位相关性。假如基带信号带宽远大于最 大多普勒频移，对应在时域中，就是基带信号带宽的倒数( 最快的符号周期) 远 小于信道相干时间，接收机接收到的信号在一个符号周期内变化不大，可以认为 传输是不受多普勒频移影响的。 随机时变特性可用多个独立信号源的叠加来表征，当信号源数目很大时，由 中心极限定理可知，接收信号在基带上可以表示为独立的零均值复高斯随机过程， 其幅度变化符合瑞利( r a y l e i g h ) 分布，则相应信道被称为瑞利衰落信道。当信号 源中有一直达的( 或反射的) 强径时，则幅度变化符合莱斯( r i c e ) 分布那么相应 信道被称为莱斯衰落信道。本文中的仿真主要针对瑞利衰落信道进行的。 2 ) 时延扩散特性和相干带宽 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。在发射端发送一个极窄的脉 冲信号8 i t ) ，由于不同路径的传播距离不一样，信号沿各自路径到达移动台的时 间就不同，接收信号，f f ) 由不同时延的脉冲组成，可表示为： ，( f ) = q ( t ) # t - r t ( t ) ( 2 - 3 ) ， 这里口，f t l 是第，条路径的接收信号衰减因子，它是t 的函数代表了前述的 信道的时变特性。乃( t 1 是第，条路径的时延，最后一个可分辨的延时信号与第一个 延时信号的到达时间之差定义为时延扩散，记作乏。相干带宽通常定义为最大时 延倒数，即b = 。oo1 r 多径衰落信道对信号中不同的频率分量所造成的衰落是不同的。根据衰落与 频率的关系，可将衰落分为两种：频率选择性衰落和非频率选择性衰落。对于移 动信道来说，当信号带宽小于相干带宽时，发生非频率选择性衰落，常称平坦衰 落，即传输后，信号中各频率分量所遭受的衰落是一致的，因而衰落信号的波形 不失真。当信号带宽大于相干带宽时，发生频率选择性衰落，即传输信道对信号 中不同频率分量有不同的随机响应，所以衰落信号波形将产生失真。 3 ) 角度扩展特性和相干距离 角度扩展包括接收端的角度扩展和发射端的角度扩展。接收端的角度扩展是 指多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽。同样，发射端的角度扩展指的是由 多径的反射和散射引起的发射角展宽。由于角度扩展，接收信号产生空间选择性 衰落，也就是说，接收信号幅值与天线的空间位置有关。空间选择性衰落用相干 距离来描述。相干距离定义为两根天线上的信道响应保持强相关的最大空间距离。 1 0 第二章m i m o o f d m 系统的基本理论 相干距离越短，角度扩展越大；反之，相干距离越长，则角度扩展越小。 2 1 2m i m o o f d m 系统的基本理论 2 1 2 1m i m o 系统 m i m o i 2 3 】是多入多出( m 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 ) 的简称。m i m o 技术最早由m 绷c o i l i 于1 9 0 8 年提出。但对该技术产生巨大推动作用的奠基工作是 由a t & tb e l l 实验室的学者在9 0 年代完成的。移动通信中的m i m o 技术是指利用 多根发射天线和多根接收天线进行无线传输的技术，使用这种技术的无线通信系 统即为m i m