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(通信与信息系统专业论文)方向图可重构天线对mimo系统性能影响的研究.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
摘要 在无线通信业务中,如何最大限度地提高频谱利用率,是当前研究的一个热 门课题。m i m o 技术可以在不增加带宽和发射功率的情况下提高通信系统的信道 容量,也可以通过增加冗余来提高系统的传输可靠性。 多输入多输出天线传输以其能极大增加系统容量与改善无线链路质量的优 点而受到了越来越多的重视与关注。在以往的多天线传输研究中,一般假定天线 作为信道的一部分,认为天线特性是系统的一个不可调参数。在目前所能找到的 国内文献中,作者发现针对方向图可重构天线对信道性能影响进行研究的文献资 料较少,近年来,随着可重构天线的发展和应用,使我们在信道中应用可重构天 线成为一种可能,并且其应用范围将随着可重构天线的发展而更为广泛。本文验 证性的仿真了几种典型系统( s i s o 、m i s o 、s i m o 、m 1 m o ) 的平均信道容量;其 次,重点研究了实测方向图可重构天线对信道容量和误码率性能的影响,并与全 向天线进行相应的仿真比较;本文还对多天线传输中理想可重构天线对系统容量 和误码率的影响进行了仿真研究,仿真结果显示可重构天线的性能表现优于全向 天线。 关键词:多输入多输出信道容量误码率方向图可重构天线 a b s t r a c t c o n s i d e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s ,h o wt oi n c r e a s et h es p e c m t m e f f i c i e n c yf a r t h e s th a sb e e nap o pt o p i c m i m ot e c h n o l o g yc a l le l e v a t et h ec h a n n e l c a p a c i t yw i t h o u ta d d i t i o n a lb a n d w i d t ha n dt r a n s m i t t i n gp o w e rc o n s u m p t i o n s t h e i n c r e m e n t a lc h a n n e lc a p a c i t yc a nb eu t i l i z e dt oi m p r o v et h et r a n s m i s s i o nr a t ea sw e l l a st h ec o m m u n i c a t i o n r e l i a b i l i t y m i m ow i r e l e s ss y s t e m sh a v ea t t r a c t e di n c r e a s i n g l ys i g n i f i c a n ta t t e n t i o nd u et o t h e i rh i g hc a p a c i t ya n dg o o di m m u n i t yt ot h ec h a n n e lf a d i n g i nt h ep a s t ,m o s t r e s e a r c h e so nm i m oh a v em a d et h ea s s u m p t i o nt h a ta n t e n n ai sas e g m e n to ft h e c h a n n e l ,w h i c hc a nn o tb ec h o s e na i ma tt h ec h a n n e la n df o rt h i sr e a s o n , t h ea n t e n n a i sa nu n a d a p t i v ef a c t o n i nf o r m e rp a p e r s ,s u c hs c r a pw h i c ha i ma t r e c o n f i g u r a b l e a n t e n n aa n dd i s c u s st h ee f f e c to nc h a n e li sl e s s i nr e c e n ty e a r s 。w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fr e c o n f i g u r a b l ea n t e n n a , w h i c hm a k et h eu s eo fr e c o n f i g u r a b l ea n t e n n ai sa t h i n gt o b el i k e l ya n dt h es c a l ew i l lb ei n c r e a s i n ga st h ed e v e l o p m e n to f t h ea n t e n n a f i r s t l y , s o m ea v e r a g ec a p a c i t i e so fs e v e r a lt y p i c a ls y s t e m s ,s u c ha ss i s o ,m i s o , s i m o ,m i m o ,a r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e da n ds i m u l a t e df r o mt h ep o i n to fv i e wo f i n f o r m a t i o nt h e o r y s e c o n d l y , t h ee f f e c t so fp a t t e r nr e c o n f i g u r a b l ea n t e n n ao nt h e p e r f o r m a n c ea r em a i n l yr e s e a r c h e d , a n dp e r f o r m a n c eo fp a t t e r nr e c o n f i g u r a b l e a n t e n n aa n dc o m m o na n t e n n aa r ec o m p a r e d ,w h a ti sm o r e ,t h ee f f e c to fi d e a lp a t t e r n r e c o n f i g u r a b l eo nm i m os y s t e mi sa l s od i s c u s s e d i nt h i st h e s i s ,t h ee f f e c to fp a t t e r n r e c o n f i g u r a b l ea n t e n n ao nm i m os y s t e m si se x c e l l e n t ,s p e c i f i c a l l y , o nt h ec a p a c i t yo f m i m oa n dt h ep e r f o r m a n c eo fb e r k e y w o r d s :m i m o ,c h a n n e lc a p a c i t y , b e r , a d a p t i v em o d u l a t i o n 3 g p p 3 g & n g r b e r b s m s c d m a f d m a t d m a c s i c i r c d f i i d l o s a o a a o d i t u s i s 0 s i m o m i s o m o 缩略语列表 t h et h i r dg e n e r a t i o np a r t e rp r o j e c t t h et h i r dg e n e r a t i o n a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e b a s es t a t i o n m o b i l es t a t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n c h a n n e li m p u l s er e s p o n s e c u m u l a t i o nd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n i n d e p e n d e n ti d e n t i c a l l yd i s t r i b u t e d l i n eo fs i g h t a n g l eo f a r r i v a l a n g l eo fd e p a r t u r e i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n s i n g l e i n p u t s i n g l e - o u t p u t s i n g l e i n p u t - - m u l t i p l e - 。o u t p u t 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 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 第三代合作伙伴计划 第三代移动通信系统 加性高斯白噪声 误比特率 基站 移动台( 用户终端) 码分多址 频分多址 时分多址 信道状态信息 信道冲击响应 累积概率分布 独立同分布 直射 到达角 出发角 国际电信联盟 单输入单输出 单输入多输出 多输入单输出 多输入多输出 系统 系统 系统 系统 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和取得的 研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果,也不包含为获得墨壅盘堂或其他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。 学位论文作者签名:翟疆、呼 签字日期: 劢哆年月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨连盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基鲞盘堂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,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 穆霭叶 签字日期:口7 年月j 日 聊躲侵概 签字日期:2 纱尹年月j 日 第一章绪论 第一章绪论 通信系统是信息社会发展的基石,而无线通信则是最终迈向理想的个人通信 ( 无论何时、何地与任何人进行任何方式的通信) 的重要途径。随着社会的进步、 科技的发展,对信息传输的需求日益增长,对于无线通信系统有了更高的要求, 近年来出现了许多的新业务类型,包括图象、视频、数据等各种高速率传输业务。 无线传输业务的迅速增长,其基础是高速率的无线链路,在频率资源日益紧张的 情况下,仅仅依靠提升带宽方式来提升速率是不现实的,同时,现有的城市中的 无线传输系统常常工作于建筑群落或室内这样地形较为复杂的环境中,信号 的多种形式传播以及各种干扰与噪声的影响,信道特性比较复杂。如何在这样的 信道条件下保证通信的有效性与可靠性是通信与信息理论的研究重点之一,与此 同时,如何增加系统容量,提高信道的利用率越来越成为人们关注的问题之一。 1 1 移动通信系统的演进 在过去的几十年里,伴随着半导体、微电子和计算机技术的发展,无线通信 技术( 尤其是移动通信技术) 得到了迅猛的发展和广泛的应用,极大的推动了社会 的发展,移动通信已成为现代通信网中一种不可缺少并且发展最快的通信手段之 一。移动通信系统已经历了从第一代模拟通信( 1 g ) 至i j 第二代数字通信( 2 g ) 再到第 三代多媒体通信( 3 g ) 的三个阶段,并且现在世界各国和很多大的公司都在着手后 三代( b 3 g ) 和第四代( 4 g ) 的研究工作。在我国,移动通信也是最具发展活力的产 业之一。 由于第一代通信系统使用人数和范围的减少,第二代通信系统正在被2 5 代 ( 如g p r s ) 和第三多媒体通信所慢慢取代,现在,3 g 在全球己经进入了规模发展 和应用的阶段。目前,全球已经颁发了多张3 g 许可证,商用的3 g 网络已经超 过2 0 个,3 g 用户达到了2 亿以上【l 】。我国己经于0 9 年初颁发了三张3 g 许可证 2 1 ,在3 g 产业链方面已具备条件,设备制造商和运营商都为3 g 做好了充分的 准备。 第三代移动通信系统是19 8 5 年由国际电信联盟( i t u ) 在模拟移动通信发展初 期时提出的,当时称其为未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) 。1 9 9 6 年i t u 正 式将其更名为全球移动通信系统i m t - 2 0 0 0 ,表示的是工作在2 0 0 0 m h z 频段, 般称为3 g 。从技术角度来看,3 g 主要分为三种w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d 第一章绪论 s c d m a 技术制式。物理层关键技术有:调制解调技术、信道估计技术、信号检 测技术、信道均衡技术、功率控制技术、分集技术、智能天线技术、空时处理技 术和信道编译码技术掣3 】【4 】。3 g 所涉及技术之广,采用技术之新是它以前通信系 统所不能比拟的。我们相信对3 g 通信技术的研究必将会对未来的移动通信标准 做出贡献,也将有利于我国民族通信产业的振兴,从而加速了世界移动通信业的 发展【5 】。 1 2 无线业务的发展要求 无线业务的种类和数量增长非常迅速,己从单一的话音业务发展到可以提供 话音、数据和传真业务。随着高速无线互联网的发展和无线数据业务的不断增加, 用户已经可以在无线互联网上自由的沟通联络,实现网上学习、移动商务、网页 浏览、文件传输等功能,赋予用户全新的无线体验,享受无限乐趣。随着通信技 术的进一步发展,无线个人通信系统必须能够提供现有通信网络中的绝大部分业 务,即来自各种信源如语音、传真、低速与高速数据等,具有不同的特征如数据 率、激活因子、突发性和不同质量( 误比特率) 要求的多媒体业务,无线个人业务 最高数据速率要达到2 m b i t s s 。同时还希望能做n - ( 1 ) 能够提供具有图像文字识别功能的简单人机接口; ( 2 ) 能够适应复杂的移动计算环境; ( 3 ) 能够接入大型数据库; ( 4 ) 能够接入数字影像数据库等。 无线个人通信的发展,应当保证每个用户自由自在的使用自己选择的网络业 务,如视频、语音、e m a i l 、聊天等等,并且还可以自由地构造和生成自己需要 的业务。总而言之,多种移动业务要求更好的无线传输速率和带宽,因此未来人 们对于信道容量和传输性能的要求越来越高。 1 3 选题意义和本论文工作安排 1 3 1 选题意义 随着3 g 时代的来临,人们对宽带业务的需求日益提升,而带宽和信道容量 的矛盾日益凸显,多输入多输出( m i m 0 ) 系统在发送和接收段都采用多个天线, 可在不增加信道带宽和发射功率的条件下成倍地提高信道容量。 可重构天线可以实时调整天线的方向图、极化、频率等特性参数,从而可以 2 第一章绪论 改变无线链路的传播特性。可重构天线自1 9 8 3 年由d s c h a u b e r t 等人提出来, 经过二十多年的发展,其实现技术已经成熟。可重构天线的可重构特性也为无线 通信链路的优化带来了新的自由度。 目前国际上无线通信系统的研究仍将天线看作信道的一部分,并没有将他作 为一个可调的系统参数加以研究。因此如何在无线通信系统中充分发挥可重构天 线所带来的新的自由度,实时、自适应地改善无线信号的传播环境,进而提高无 线频谱的效率和系统的性能,所有这些在国际上并没有得到充分的研究。 1 3 2 本文主要内容和工作安排 本课题来源于:国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 ) “多域协同宽带无线通信 基础研究子课题基带与天线协同处理( 2 0 0 7 c b 3 1 0 6 0 5 ) 。 本人主要研究方面为方向图可重构天线对于m i m o 容量和信道特性的影响, 希望能从容量本质上理解m i m o 系统的原理和特性,为今后的继续研究打下基 础。 全文共分五章: 第一章:主要介绍了无线传输技术所面临的挑战和无线通信系统的发展历史 以及未来发展的趋势; 第二章:无线m i m o 通信技术概述,从分集与复用技术谈起,介绍了传统天 线和智能天线技术向m i m o 多天线技术的发展,并说明了m i m o 多天线技术的 实质及优点; 第三章:无线m i m o 信道模型,首先介绍了两种典型的确定型m i m o 信道 模型:双向传播的信道模型及二维射线跟踪模型,其次引入了随机信道模型中的 衰落及扩展问题,并且引用了3 g p p 关于m i m o 信道模型的标准; 第四章:m i m o 信道容量,主要介绍了两个方面的情况:第一,不同收发天 线数目条件下( 非m i m o 系统) 的信道容量比较;第二,m i m o 信道容量仿真 和容量分析比较; 第五章:通过m a t l a b 进行仿真,得出在2 x 2 m i m o 信道条件下,两种方向 图可重构天线对于信道的容量和误码率特性的影响,并分析比较二者与采用不同 天线时系统的性能表现: 第六章:对前面五章的内容进行概述性的总结,并对未来可重构天线的发展 进行展望。 3 第二章m i m o 通信技术概述 第二章m i m o 通信技术概述 本章主要介绍一些m i m o 多天线技术中用到的天线分集技术、复用技术,以 及各种技术向多天线技术演化的过程,以此来说明m i m o 多天线技术的优点。 m i m o 系统是指收、发两端均使用多个天线的无线传输系统,不同的天线对应不 同的空间位置或者极化状态,这样信号与编码的设计被扩展到了时间与空间的二 维集合之中,可以通过空间与时间二维对信号的发送与接收进行优化,以获得更 高的传输效率及更高的可靠性。可以说m i m o 技术的核心思想就是通过空时联 合的处理方式,利用多径环境的随机衰落甚至包括由此引起的时延扩展等因素来 获得远高于传统s i s o 系统的信道容量。而m i m o 系统中信号的发送是一个由输 入信息b i t 向空间位置与时隙确定的二维空间映射的过程,因此往往将这种映射 关系所对应的编码与信号设计方法统称为空时编码( s p a c e t i m ec o d i n g ) 。基于不 同的空时编码方案设计策略,各个发送天线上的信号可能完全独立,以获得成倍 增长的数据传输速率或频带利用率。同时各个天线与时隙上的信号也可能在一个 或多个空时码字矩阵中部分、甚至完全冗余,以尽可能获得较高的分集或编码增 益,提高数据传输的可靠性。 m i m o 系统在形式上与传统的智能天线技术有着一定的相似之处,甚至在某 些方面可以认为m i m o 是智能天线的一种扩展。智能天线或自适应天线阵列最 初用于雷达、声纳等军事应用,实现空间滤波与定位等功能,移动通信系统中则 利用智能天线来抑制同道干扰、提高服务质量、扩展覆盖区域。智能天线系统一 般仅在通信链路的一端( 一般是基站中) 配置天线阵列,构成s i m o ( s i n g l e i n p u t m u l t i o u t p u t ) 或者m i s o ( m u l t i i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 的形式。而更为重要的一个区 别在于:智能天线与其它一些传统的多天线技术一般更侧重于线性加权( 线性置 零) 算法,而并非通过信息的空时映射与编码方式进行处理。波束成形是智能天 线技术的一个重要思想,一般情况下基于波束成形算法的智能天线系统在存在视 距传播( l i n e o f - s i g h t ) 或者近似l o s 的条件下能够获得比较好的性能。在非视距 ( n o n - l o s ) 条件下期望信号与干扰往往都不存在明确的波达方向,这时基于波束 成形,尤其是依靠a o a ( a n g l eo f a r r i v e ) 估计的智能天线系统的性能会有所下降。 实际上如果估计出各个干扰信号的响应,则有可能通过某种线性加权策略对期望 信号的接收进行优化,以进一步提高期望信号的接收质量,同时最大化地抑制干 扰与噪声的作t 6 1 。智能天线的另外一个重要作用就是实现空间分集,这时信号 低于门限电平的概率将随阵列中不相关阵元数量的增加而呈指数降低。基于分集 4 第二章m n 订o 通信技术概述 的智能天线系统在非视距情况下性能更优越,但是这种方式仍然是消极地对抗多 径而并非利用多径。 实际上智能天线的种种优点在m i m o 系统中都能够体现出来,而且由于空时 编码中对信号形式的优化可以在空时二维中联合进行,能够获得更大的自由度, 并且能够提供联合的收发分集增益与编码增益,而不仅仅是单纯的分集或者 阵列增益。m i m o 信息理论的研究结论展现了m i m o 系统广阔的应用前景,但 是信道容量是一个在完全不考虑系统实现复杂度前提下的理论性能界,而并不能 由此直接得出适宜在实际环境中传输的信号形式、编码方式与检测、译码算法。 同时m i m o 技术是尽可能的利用多径引起的空间选择性,而不是消极地克服多 径。 2 1 天线分集技术 移动通信系统中,移动台经常工作在各种复杂的地理环境中,发送的信号经 过附近各种物体的反射、散射等形成多径传播,使到达接收机输入端的信号是多 个幅度和相位各不相同的信号的叠加。分集接收就是为了克服各种衰落,提高系 统性能一项重要技术【6 】 7 1 ,基本思路是:将接收到的多径信号分离成不相关的( 独 立的) 多路信号,然后将这些信号的能量按一定规则合并起来,使接收到的有用 信号能量最大,对数字系统而言,使接收端的误码率最小,对模拟系统而言,可 以提高接收端的信噪比。 常用的分集技术: ( 1 ) 空间分集 7 】【8 】:利用多副接收天线来实现的。接收端天线之间的距离d 2 入( 入为工作波长) ,以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的,经 相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路,得到一个总的接收 天线输出信号,从而降低了信道衰落的影响。该技术在频分系统( f d m a ) 、时 分系统( t d m a ) 以及码分系统( c d m a ) 中都有应用。 ( 2 ) 时间分集【7 】:将要传输的信息分别在不同的时隙发射出去,要求重发信 号的时隙间隔要大于信道相干时间,以保证重发信号在时域上的独立性,在接收 端便可以得到衰落特性不相干的信号。若将信号以大于相干时间的时间间隔重复 传输m 次,就可以得到m 条独立的分集支路。 ( 3 ) 极化分集睁9 】:在移动信道中,两个在同一地点极化方向相互正交的天 线发出的信号呈现出互不相关的衰落特性。利用这一特点,在发端同一地点装上 垂直极化和水平极化两副发射天线,在收端同一地点装上垂直极化和水平极化两 副接收天线,就可以得到两路衰落特性互不相关的极化分量。极化分集实际上是 第二章m i m o 通信技术概述 空间分集的特殊情况。 ( 4 ) 频率分集【7 】【8 】:将信息分别在不同的载频上发射出去,要求载频间的频 率间隔要大于信道相关带宽,以保证各频率分集信号在频域上的独立性,在接收 端可以得到衰落特性不相干的信号。在移动通信系统中,可采用信号载波频率跳 变扩展频谱技术来达到频率分集的目的。和空间分集相比,频率分集的优点是减 少了天线数目,缺点是要占用更多的频谱资源,在发端需要多部发射机。 ( 5 ) 角度分集 9 - 1 1 由于地形地貌及建筑物等通信环境的不同,到达接收端 的信号来自不同的方向。在接收端利用方向性天线,分别指向不同的方向,则每 个方向性天线收到的信号是互不相关的。采用这种方案,移动台比基站的电路更 有效。实际上,联合应用多维天线分集可以获得更好的分集效果。将天线分集与 时间分集联合应用,还能获得空间维与时间维的分集效益。通常,在基站端采用 多副天线接收多径信号,通过合并处理而对抗无线信道衰落,这就是接收分集技 术,它出现较早,研究较彻底。常用的合并方式包括等增益合并、选择合并与最 大比合并,等增益合并的工程实现简单但性能较差,最大比合并的性能最优但处 理较繁,故应在性能优劣与实现繁简方面折衷考虑。相对而言,在发射端采用多 副天线的发射分集技术要晚得多,它由接收分集技术发展而来,其发射信号被设 计成独立的信号,在接收端对多径信号进行合并,以减弱信号的衰落效应。 2 2m i m o 无线通信技术 m i m o 无线通信技术源于天线分集技术与智能天线技术,它是多入单出 ( m i s o ) 与单入多出( s i m o ) 的结合,具有两者的特征。结合天线发射分集、 接收分集与信道编码技术是无线通信发展的趋势,在多径传播环境中,增大阵元 间距与角度扩展以及结合空时处理都有利于捕获、分离与合并多径。因此,天线 分集技术与空时处理技术的结合结果产生了极具潜力的m i m o 无线通信技术 【l7 】 口 对于m i m o 无线通信技术,有以下几点需要说明: 首先,发送端并行的n 路子数据流同时发送,各发射信号占用同一频带,因 而并未占用额外带宽,但提高了有效带宽;可以保持发端总功率恒定,实现最优 功率分配,而不增大系统的发射功率。m i m o 无线通信技术将多径信道、发射端 与接收端视为一个整体进行优化处理,这是一种近于最优的空域与时域联合的分 集和干扰对消处理。 其次,与时间域、频率域以及码域类似,空间域也是一种资源维度。天线分 集技术是对空域资源的初步利用,智能天线技术可以比较充分地利用空域资源, 6 第二章m 1 m o 通信技术概述 而结合两者的m i m o 技术对空域资源的利用达到了前所未有的高度。与传统智 能天线的波束形成构建空间向量信道相比,m i m o 系统构建了并行空间矩阵信 道,更充分地利用了空间资源,并且空域已经被拓展到空间与极化域,不只是基 本的空间域( 即方向特征) 。m i m o 系统通过离散的天线单元对空域采样,其空 间方向特征很可能不完全正交,但可利用极化域对其加以补偿。 再次,在丰富散射的环境中,智能天线的效果并非最佳,因为达波信号数目 远大于天线阵元数目。m i m o 天线对系统性能的改善远大于常规智能天线, m i m o 天线的重要特点在于它能够将常规视为不利因素的多径传播转化为提高 数据率的途径。与智能天线相比,m i m o 系统的天线单元尽可能在空间上分开, 以获得不同接收天线信号间的低相关性。因此,m i m o 天线只有在丰富散射的环 境中才能最有效地工作,在直视传播环境下,其性能就会下降。 另外,m i m o 系统需要更复杂的硬件设备与信号处理技术才能得到预期的空 间带宽,与常规采用更大带宽提高数据率的通信系统相比,其网络与移动终端的 软件与硬件复杂度都提高了。 2 2 1 传统天线向多天线技术发展 传统无线通信系统采用一副发射天线和一副接收天线,称作单入单出( s i s o ) 系统。s i s o 系统在信道容量上具有一个不可突破的瓶颈,即s h a n n o n 容量限制 【1 2 】 c = l o g2 ( 1 + l p1 2 ) b i t s h z ( 2 1 ) 式中,c 是香农容量,p 是接收天线的信噪比,w 为系统带宽,可见其信道 容量没有利用空间维度。不管采用何种调制技术、编码策略或其他方法,无线信 道总是给无线通信工程作了这个实际的物理限制。传统的无线通信理论一直将多 径传播视为一种不利于信号传输的因素,因为具有不同延时的多径信号副本相叠 加会产生破坏性干扰,使信号相互抵消,起伏衰落,链路性能不稳定,通信不可 靠。为对付移动通信中的多径衰落与提高链路的稳定性,人们提出了天线分集技 术 7 - 9 。而将天线分集与时间分集联合应用,还能获得空间维与时间维的分集效 益。随着无线互联网多媒体通信的快速发展,无线通信系统的容量与可靠性有待 提升,结合天线发射分集与接收分集技术是无线通信发展的必然趋势,即从传统 单天线系统向多天线系统( m i m o 系统) 演进,以寻求获取更大信道容量的途径。 第二章m i m o 通信技术概述 2 2 2 智能天线向多天线的发展 在常规术语中,智能天线是指仅在无线链路的一端采用阵列天线捕获与合并 信号的处理技术,它能够在不利的传播条件( 如存在多径衰落与干扰) 下提供更 可靠的通信链路。智能天线的核心思想在于联合空间维度( 自然扩展到时间维度) 与天线分集。如果估计出各接收天线单元对期望发射信号的响应,就可以根据各 响应选择加权最优合并它们,从而最大化平均合并信号电平而最小化噪声与干 扰。进一步,在多径衰落中,信号完全丢失的概率随着独立衰落的天线单元数目 呈指数减小。这样,在发送端或在接收端采用智能天线技术( 分别称作m i s o 与 s i m o ) 的无线链路容量随着采用的天线单元数目的呈对数增长。对于n 1 的 m i s o 系统,发端包含n 副天线,在发送端无信道状态信息情况下,各发射天线 支路平均分配发射功率,其信道平均容量为【1 3 】【l4 】: c 札9 2 ( ,+ 号孙| 2 ) 础俐勉 眨2 , 式中,h ,是第i 副接收天线到发射天线的子信道复增益,p 是接收天线的信 噪比。对于1 x m 的s i m o 系统,其信道平均容量为: , c = l 0 9 2 ( 1 + p y l h ,1 2 ) b i t s h z i = 1 ( 2 3 ) 式中,h ,是发射天线到第i 副接收天线的子信道复增益。以上表明,单发多 收系统中,信道容量随发射或接收天线数目呈对数增长,分集系统或智能天线系 统利用了空间维度提高信道容量。在高强度的多径分量比较丰富的环境下,自适 应天线系统抗衰落的能力是相当有限的,这是因为智能天线将无线信道的多径传 播视为消极因素,从而加以抑制而不是利用。由于在多径传播环境中,增大阵元 间距与角度扩展以及结合空时处理都有利于捕获与分离多径,那么结合天线发射 分集与接收分集技术,充分利用而不是抑制多径传播,进一步开发空域资源,提 高无线传输性能,成为无线通信发展的必然趋势,即从智能天线向多天线系统 ( m i m o 系统) 演进【1 5 d 9 1 。 2 2 3m 蹦o 系统中的多天线设计 前面我们从信息论的角度分析了m i m o 系统的容量,但是仅仅给出了多天线 无线系统在无限复杂度的算法与编码下的理论容量上界,并没有给出实际传输系 第二章m i m o 通信技术概述 统可获得的性能。因此,尤为重要的是,开发误码性能与复杂度折衷的传输方案 以获取m i m o 系统的实际增益。由于m i m o 系统中的多天线能够同时提供分集 增益与复用增益【1 7 】【1 8 】,故现有的传输方案可分为两大类: 第一类是分集最大化方案,即空时编码方案( s t c ) 【2 0 - 2 2 ,因为m i m o 系统 的多天线可实现天线分集。天线分集可以对抗信道衰落,提高无线链路的可靠性, 并且联合应用多维天线分集与时间分集,可以获得更好的分集效果。m i m o 系统 结合天线分集与时间分集,还可同时获得空间与时间维的分集效益,即通过空时 编码而增加传输的空时冗余信息,从而提高无线传输的稳健性。 t a r o k h 等首次提出空时编码的概刽2 3 1 ,它集发射分集、编码与调制于一体。 在延时发射分集的基础上,t a r o k h 提出了空时格形码( s t t c ) ,它具有卷积码的 特征,并将格形编码、调制与发射分集结合在一起,在不增加带宽的情况下,可 以同时获得满分集与高编码增益。它利用某种格形图,将同一信息从多副天线发 射出去,在接收端采用基于欧式距离的v i t e r b i 译码,其性能较好,抗衰落能力 强,但其复杂度随发射天线数目增加呈指数增长。空时编码的盛行实际是从空时 分组码( s t b c ) 的发现开始的,因为s t b c 的构造比较容易,其发射信号两两 正交,收端可采用线性最大似然检测,其译码算法简单。 第二类为数据率最大化方案,即复用方案【2 3 1 ,因为m i m o 系统的多天线也 可实现空间复用。无线信道的多径传播增加了m i m o 系统可用的自由度,若各 对收发天线路径的衰落独立,则空间矩阵信道创建了多个并行的空间传输通道, 利用并行通道传输独立的信息流,从而提高系统的数据率。著名的b l a s t 结构 【l8 1 ,就是将待发射的信息流分解为多路并行子流,对各路独立地进行编码、调制 与映射到其对应的发射天线上,在收端采用迫零或迫零结合干扰消除等技术将多 路子数据流分离。其实质是将单路高信噪比信道分解为多路相互重叠的低信噪比 信道并行传输,达到空间复用的目的,从而提高频谱利用率。由于各天线发射不 同的信息流,分层空时结构没有进行发射分集,但在传输速率与处理复杂度方面 具有较明显的优势。 然而,纯粹的天线分集与纯粹的复用方案并非最优方案,因为m i m o 系统本 身的自由度在给定天线配置下是有限的,二者之一都只解决了问题的一个方面, 比如,获取更高的分集增益是以牺牲更大的复用增益为代价的,反之亦然。由于 二者的折衷方案可以同时获得分集与复用增益,可能是最好的选择,即传输误码 率与速率的折衷方案。 发射与接收多天线系统是m i m o 无线系统的重要组成部分,其性能直接影响 m i m o 信道的性能。多天线发出的信号在无线信道中经散射传播而混合在一起, 经接收端多天线接收后,系统通过空时处理算法分离并恢复出发射数据,其性能 第二章m i m o 通信技术概述 取决于各天线单元接收信号的独立程度和耦合程度,即相关性和耦合性,而多天 线间的相关性与散射传播及天线特性密切相关,耦合性和天线间距离有关【2 4 - 2 6 。 因此,m i m o 无线系统的高性能除了依赖于多径传播的丰富程度外,还依赖于多 天线的合理设计与放置 2 7 】 2 8 1 。 对于m i m o 无线系统的多天线,一方面,其天线单元间距较大,必须具有分 集功能,不同于常规智能天线;另一方面,各天线单元应该尽可能接收各方向的 散射达波,因此也不同于常规分集天线。天线单元数目、天线单元间距与天线放 置位置等都是至关重要的因素。比如,对于基站天线,它对天线数目的限制较小, 但由于放置位置较高且散射扩展较小,从而天线单元的间距要求较大;对于便携 终端天线,其对天线数目与位置要求都较严;对于手机天线,它对天线数目与间 距要求尤为严格。实验表明,由于散射传播环境不同,提供空间低相关的衰落信 号所需要的天线单元间距也不一样。比如,宏小区环境可能需要若干个波长的间 隔才能获得天线解相关,而丰富散射的室内环境可能只需半个波长间距就足够 了。 2 3m i m o 技术的实质和优点 综上所述,m i m o 技术的实质就是空间分集和空间复用,是利用多发射、多 接收天线进行空间分集和时间分集的技术,它采用的是分立式多天线,能够有效 的将通信链路分解成为许多并行的子信道,从而大大提高容量。 其优点具体表现在以下两个方面: 空间分集增益:无线信号在传输时,由于移动和多径信号的功率随机变化, 这就是衰落效应。分集是对抗衰落的强有力手段,它主要依靠相同信号通过多个 独立衰落路径的传输,很显然,多个路径同时衰落概率非常低。同时间和频率分 集相比,m i m o 空间分集最大的好处是不会有时间和频率资源的支出。不考虑复 用,有n m 路独立通道,接收机如果统一合并这n m 条通道,同s i s o 相比,能 够获得n m 阶分集效果,接收信号的b e r ( 误码率) 性能会有显著提高。 空间复用增益:m i m o 能够在不增加发射功率或者频带资源的情况,实现信 道容量随m i n ( m ,n ) 线性增加。该增益就是空间增益,主要通过不同天线传输不 同信息,实现n 路并行的数据传输。 2 4m i m o 技术存在的问题与趋势 在m i m o 技术实用化的进程中,仍然存在一些可能限制其应用的重要因素。 1 0 第二章m i m o 通信技术概述 首先需要考虑的是m i m o 天线阵列的设计问题。一般情况下,基站天线架设的 比较高,天线阵列周围的近场散射相对较为微弱,因而为了在不同阵元上获取不 相关的信号往往需要将阵元间至少保持1 0 倍波长间距。当天线数量较大时,基 站天线阵列的架设将可能存在障碍。对于移动终端而言,由于近场散射体较为丰 富,一般认为天线阵元间距1 2 波长以上就可以使信号相关性足够微弱。极化天 线阵列可以在同一空间位置利用相互正交的极化状态实现阵元间的不相关性,因 而可以相对的减小天线阵列的尺寸。即便如此,在移动终端上配置多个天线还是 会与通信终端产品小型化、便携化的发展潮流相矛盾。同时天线与射频链路的增 加也意味着硬件成本与功耗的提高。 另外一个比较重要的问题就是各种m i m o 算法的计算复杂度问题。由于 m i m o 系统中信号被扩展至空时二维之中,信道估计、信道均衡、译码、检测等 环节的复杂度都将随着天线数量或者信号星座阶数的增长而急剧增加,而算法的 计算量又将直接影响到处理时延、设备功耗以及待机时间。如何以相对较低的成 本实现各种多天线分集方案将仍然是m i m o 系统设计中的一个研究重点【2 9 1 。 空时编码系统的性能在很大程度上取决于信道模型,尽管目前己经存在标准 化的无线传播模型,并且近年来在大量实测与理论研究工作的基础上出现了许多 种m i m o 信道模型( 其中包括i e e e8 0 2 1 6 与3 g p p 的标准化m i m o 信道模型) , 但是至今还没有被i t u 所认可的标准化m i m o 信道模型【3 0 1 。 实用的m i m o 系统需要能够与现有的非m i m o 通信网络相兼容,这时需要 相应的信令结构实现多种特殊的无线资源控制功能。例如移动台需要从基站的广 播信息中获知该基站是否支持m i m o 传输方式,而基站也需要了解移动终端的 传输能力以及终端是否支持m i m o 传输等信息。可能还需要由移动台向基站反 馈信道质量信息,以使双方协调、优化各自的传输模式。 发送方确知或者确知部分c s i 的先验信息时,可以对发送方式进行优化。因 此适应快速时变特性的c s i 反馈或者部分c s i 反馈方式,以及相应的优化功率分 配与预编码技术将是更加充分利用m i m o 系统潜能的一种重要途径。除此之外, 速率与分集之间的平衡问题,以及能够更好的适应快速时变信道m i m o 算法都 将是未来的研究重点【3 1 1 。 2 5 自适应m i m o 发展的现状 与传统的单天线发送和单天线接收系统相比,m i m o 无线通信系统的信道环 境更为复杂,影响信道容量的因素更多,在终端移动过程中,终端与基站之间的 信道可能历经不同的类型,其容量随之有较大幅度的变化。为适应信道环境的变 第二章m i m o 通信技术概述 化,可采用不同的传输方法,当信道为相关的平坦瑞利衰落信道时可以采用空分 复用技术,在应用多天线阵列时,可采用波束成形技术。显然,采用多种技术构 建实用系统,要保证高效可靠,其实现会变得非常复杂,因此寻求适用于各种信 道环境的自适应传输方法是至关重要的。 自适应于信道环境的传输,需要在发端利用信道的先验信息。信道的先验信 息可以是完全的信道状态信息或部分的信道状态信息,而部分信道状态信息是信 道的统计信息,包括干扰和噪声的统计量、发送相关、接收相关、以及均值等。 在典型移动通信环境下,特别是高速移动通信环境下,信道是快速时变的,发送 端无法确知完全的信道状态信息,而其部分状态信息在相当一段时间内是近似不 变的。理论研究表明,在发端相关的瑞利衰落信道环境下,当收端确知信道状态 信息且发端已知信道的发送相关矩阵时,信道容量最大化准则下的最优传输即为 基于特征模式的空间预滤波传输。此前的研究主要是将天线的选择和信道当成有 机的一体【3 2 1 ,本论文把天线视为m i m o 信道的一部分,选用方向图可重构天线 针对不同环境下的随机仿真,在多种重构环境下对仿真结果进行比较,进而得到 基于可重构条件下最佳信道参数值。 2 6 本章小结 本章主要介绍了m i m o 无线通信中天线的分集情况,说明了极化分集、频率 分集、时间分集等几种分集情况各自的特点及其应用。本章节还介绍了传统天线 和智能天线向多天线演变的趋势,以及m i m o 系统中所要求的多天线设计方案, 多天线技术在自适应m i m o 系统中占据很重要的地位,本文提出的将天线看为 独立于系统的一部分进行分析,这对于应用多天线技术的自适应m i m o 系统有 重要的研究价值。 1 2 第三章无线m i m o 信道模型介绍 第三章无线m i m o 信道模型介绍 在无线通信中,由于传播信道的复杂性,发射出去的信号在空间要经过若干 次反射、折射、散射和衍射( 绕射) ,以及受阴影效应、多径效应和多普勒效应 的影响,从而产生各种衰落和扩展,加上一些未知的干扰,严重地妨碍信号的正 确接收。在传统的单天线发送和单天线接收( 即单输入单输出s l s o ) 的无线通 信中,常用瑞利分布和莱斯分布作为近似信道特征的模型,当发射端和接收端之 间不存在直接传播路径( n l o s ) 时,瑞利衰落能够很好地描述信道的特性。而 如果发射端和接收端之间存在直接传播路径( l o s ) 时,则要采用莱斯分布模型 来描述信道的特性。国际上也有统一的信道模型标准【2 5 1 。而在多天线发射和多天 线接收( 即多输入
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