（通信与信息系统专业论文）mimo通信系统中空时编码的预编码研究.pdf

摘要 摘要 m i m o ( 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 o 系统是未来宽带无线移动通信的关键 技术之一，采用多天线技术来抑制信道衰落，利用m i m o 技术极大的提高了系 统的通信容量，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地 提高，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率，因此，m i m o 技术受到了广 泛关注。空时编码技术是达到或接近m i m o 无线信道容量的一种可行、有效地 方法，它包括基于发射分集的空时编码和空间复用技术。m i m o 系统存在的多址 干扰和多径衰落会造成接收信号的失真、畸变，为解决这一问题需要提出有效的 空时信号处理方案。信号检测技术就是从接收机端解决用户间干扰的一种有效方 法。m i m o 系统中的预编码技对发射信号进行预处理，可以减少接收机的复杂度， 降低符号间的干扰，通过利用反馈的信道信息达到提高系统性能的目的。 本文首介绍了m 【m o 系统的基本原理及其相关的衰落信道模型和分集技术， 接着介绍了m i m o 系统中的信号检测技术，然后介绍了空时编码技术的原理和设 计准则，分析了基于发射分集技术的空时编码技术，以s t b c ( s p a c e t i m eb l o c k c o d e ) 编译码为例介绍其设计准则，并对采用不同的收发天线个数的空时分组 编码方案的性能进行了仿真分析。最后着重研究了m i m o 系统中空时编码的预编 码技术，提出了一种带反馈的空时分组码预编码方案，研究了基于信道统计信息 的线性预编码，对基于迫零( z f ) 准则和最小均方误差( 删s e ) 准则的线性预 编码设计进行了仿真比较，给出了基于成对差错概率( p e p ) 准则的线性预编码设 计，并对采用此设计准则的空时分组编码预编码方案进行了仿真比较。仿真表明 采用基于成对差错概率( p e p ) 准则的线性预编码设计，使得m i m o 系统性能有明 显的提升。 关键词：m i m o ；空时编码；信号检测；预编码；b e r 性能 a b s t r a c t ab s t r a c t l v i i m o ( 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 ) s y s t e mi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si n t h ef u t u r eo fb r o a d b a n dw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，i tu s et h em u l t i p l ea n t e n n a t e c h n o l o g yt oi n h i b i tt h ef a d i n g ，t h es y s t e m sc o m m u n i c a t i o nc a p a c i t yi m p r o v e d g r e a t l yb yt h em i m ot e c h n o l o g y ，s p e c t r u me f f i c i e n c yc a l lb ei n c r e a s e de x p o n e n t i a l l y w i t h o u ti n c r e a s i n gt h eb a n d w i d t ha n da n t e n n at r a n s m i tp o w e r ，i ta l s oc a l li m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo ft h ec h a n n e la n dr e d u c et h ee r r o rr a t e ，t h e r e f o r e ，m i m ot e c h n o l o g yh a s b e e nf o c u s e di naw i d er a n g e s p a c e - t i m ec o d i n gt e c h n o l o g yi saf e a s i b l ea n de f f e c t i v em e t h o dt oa c h i e v et h e c a p a c i t yo fm i m or a d i oc h a n n e l ，w h i c hi n c l u d e ss p a c e - t i m ec o d e sa n ds p a t i a l m u l t i p l e x i n gt h a tb a s e do nt r a n s m i td i v e r s i t y t h em u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c ea n d m u l t i p a t hf a d i n go fm i m os y s t e mc a nc a u s et h ed i s t o r t i o na n dd i s t o r t i o no fs i g n a l ， w en e e dt oc o m eu pw i t he f f e c t i v es p a c e - t i m es i g n a lp r o c e s s i n gp r o g r a mt os o l v et h i s p r o b l e m s i g n a ld e t e c t i o nt e c h n o l o g yi sa ne f f e c t i v em e t h o dw h i c hs o l v em u l t i - u s e r i n t e r f e r e n c ef r o mt h er e c e i v e rs i d e t h ep r e - c o d i n gt e c h n o l o g yo fm i m os y s t e m s p r e t r e a t m e n tt h et r a n s m i ts i g n a l st or e d u c ei n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，u s et h ef e e d b a c k i n f o r m a t i o nf o r mt h ec h a n n e lt oi m p r o v ep e r f o r m a n c e so ft h es y s t e m t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fm i m o s y s t e m ，f a d i n gc h a n n e lm o d e l s a n dd i v e r s i t y t e c h n i q u e s ，t h e ni n t r o d u c e st h em u l t i u s e rd e t e c t i o nt e c h n i q u e s i n m i m os y s t e m ，a n da tl a s ti n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l e sa n dd e s i g nc r i t e r i ao fs p a c e - t i m e c o d i n g ，a n a l y s i st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sb e t w e e nd i f f e r e n ts p a c e - t i m e c o d i n g ，i n t r o d u c et h ed e s i g nc r i t e r i ab yt h ee x a m p l eo fs t b c ( s p a c e t i m eb l o c k c o d e ) d e c o d i n g ，a n da n a l y s i st h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tn u m b e ro fa n t e n n a so f s t b cs c h e m e f i n a l l y ，t h e s y s t e mf o c u s e do nt h es p a c e - t i m ec o d i n gm i m o p r e - c o d i n gt e c h n i q u e ，d e s i g n e dp r e - c o d e ds c h e m ew i t hf e e d b a c k ，a n a l y s i st h ed e s i g n c r i t e r i o no fs t a t i s t i c a li n f o r m a t i o nb a s e do nt h eo p t i m a lc h a n n e l p r e c o d i n g ，a n d c o m p a r e dt h es i m u l a t i o nr e s u l to ft h en u m b e ro fm i m os p a c e t i m ep r e c o d i n g s c h e m ew i t hd i f f e r e n ta n t e n n a 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 es p a c e - t i m e m u l t i u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nm i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o rm a k i n gab e t t e r p e r f o r m a n c eo fp r e c o d e dt e c h n o l o g yf o rs p a c e - t i m ec o d i n gi nam i m os y s t e m k e yw o r d s ：m i m o ；s p a c e - t i m ec o d i n g ；s i g n a ld e t e c t i o n ；p r e - c o d i n g ；b e r 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着移动通信的广泛应用和无线通信技术的快速发展，无线移动通倒州的 发展已经经历了两代，从上世纪7 0 年代中期到8 0 年代中期，第一代【2 】( 1 g ) 采 用模拟蜂窝技术的语音移动通信，从上世纪8 0 年代中期开始，至今仍在快速发 展的第二代【3 】( 2 g ) 采用数字蜂窝技术的移动通信，以语音业务为主，同时可以 提供低速率的数据传输业务，其传输速率为9 6 1 4 4 k b i t s ，目前仍在广泛使用的 g p r s 和e d g e 分组交换数据传输速率分别可达到1 4 4 k b i t s 和3 8 4 k b i t s 。为了满 足更高的数据传输速率要求和提供更好、更丰富的数据和多媒体业务，各国的蜂 窝移动通信技术仍在进行系统演进，由近年来开始应用的第三代移动通信系统向 着第四代( 4 g ) 过渡。 第三代移动通信系统( 3 g ) 由国际电信联盟 i t u ) 于1 9 8 5 年提出，最初被命 名为未来公众陆地移动通信系统t s j f p l m t s 。随后i t u 将f p l m t s 正式命名为全 球移动通信系统i m t - 2 0 0 0 。第三代移动通信系统的目标是要实现全球覆盖和多媒 体通信，针对个人通信其容量大，频谱利用率较高，可以称之为全球通信领域的 一场巨大的变革。第三代系统的容量获得极大地提高，比c d m a 和g s m 高2 5 倍 以上，支持高速数据传输，可提供无线多媒体业务。第三代移动通信系统有更大 的带宽，可达5 m h z 以上。在用户移动时的最低传输速率为3 8 4 k b i t s ，室内的传 输速率最高为2 m b f f s 。 在提高移动通信系统有效性的同时还要兼顾可靠性，即在满足高速分组数据 传输的同时，需要提高系统的抗差错性能和抗干扰能力。由于无线移动通信大多 在复杂的无线环境中传播信号，因而需要根据不同传播路径的复杂性，采用相关 抗干扰和衰落的技术来消除信道环境的不利影响。为了实现移动通信的数字化、 宽带化，满足高速率，高质量的通信要求，要对无线通信信号进行一些处理。无 线通信信号的处理方式主要有两种：一种是基于时间域的处理，如各种信道纠错 码，调制和交织等技术；另一种是基于空间和时间结合的处理技术，如空时编码 和多天线m i m o 技术。 1 2 研究背景及意义 1 2 1m m o 技术 在单天线的无线通信系统中，发射端通过一根天线将数据传输给同样只有一 1 绪论 根接收天线的接收端，此为单输入单输出( s i s o ，s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 系 统。对于这样的系统，s h a n n o n 于1 9 4 8 年提出了一个信道容量的计算方法，它确 定了再有噪声的信道中进行可靠通信的上限速率【5 】。此后如何使通信速率接近或 达n s h a n n o n 极限成为人们研究的题目。 随着蜂窝移动通信的广泛应用和无线通信向宽带数据传输的方向发展，世界 范围内无线通信的容量需求在迅速增长，提高无线通信速率成为非常禁播的研究 任务，因此必须设法突破无线通信容量的s h a n n o n 极限。设置更多的基站意味着 通信成本的增加。 在传统的无线通信系统中，s h a n n o n 给出的信道容量公式说明通过增加信噪 比可以提高频带利用率，在单一用户的通信系统中，系统传输性能主要受到热噪 声的影响，而热噪声在数据传输期间通常是恒定的，若使基站或移动台的发射功 率增加，接收端的传输性能也会随着增加。然而，实际工程中很难去设计一个能 在较宽线性范围和很高发射功率上工作的功率放大器，而且发射功率的提高，器 件的散热性能也是必须考虑的。 在单发射天线链路系统中，采用最佳合并的分集接收技术和纠错码可以接近 s h a n n o n 限。在多输入单输出( m i s o ，m u l t i p l ei n p u ts i g n l eo u t p u t ) 系统中，如果 发射端信道状态信息未知，波束形成和发射功率分配不能有效进行，信道容量提 高不大。在系统收发端采用多发射、多接收天线的通信系统称为多输入多输出 ( 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 ，m i m o ) 系统，实现了数据流的实时同频传输， 极大地提高了信道容量。 m i m o 技术的提出基于b e l l 实验室的e t e l a t a r i 6 】和g j f o s c h h i l 4 1 于上世纪九 十年代提出的空时分层传输结构，已经验证了在衰落信道下，当信道参数可以准 确估计，且发送端和接收端天线相关性较小时，信道容量随着发射天线数的增加 而增长。因此，m i m o 技术在无线移动通信中的应用前景被人们一致看好。1 9 9 8 年，g j f o s c h k t i 教授还提出了m i m o 系统的分层空时码【7 j ( b l a s t ) 算法，在 2 4 - 3 4 d b 的信噪比下频谱利用率可达2 0 4 0 b p s h z 。 1 2 2m i m o 系统中的空时编码技术 在m i m o 系统中，空时编码技术利用空域和时域上的相关性进行编码，这 种空时相关性提高了系统的抗衰落性能和传输可靠性，相对于无编码系统而言带 宽未损失，从而可以获得较高的分集增益和编码增益，系统的频带利用率较单天 线系统提高很多。通常使用天线分集技术来减少散射环境中的多径衰落。但传统 的通信系统中多采用接收端分集合并方式，下行链路往往设置多个接收天线，这 会造成通信设备成本、体积和功率的增加。因此，可以考虑基于发射端的分集方 2 1 绪论 法。由于3 g 系统要求具有比现行蜂窝移动通信系统更高的话音质量和和高速数 据服务，因此基于发射分集技术的空时编码得到了研究者的重视。 空时编码技术f l j t a r o k h t m 等人提出，此技术以发射分集技术为基础，t a r o k h 等人证明若在发射端采用相应的多天线分集发射的空时编码调制，并在接收端进 行相应的合并接收及处理技术，系统性能改善显著，传输速率得到很大提高。空 时编码的编码结构不尽相同，基于发送分集的有空时分组码【争1 0 l ( s p a c e t i m e b l o c kc o d e ，s t b c ) 和空时网格码【1 1 1 ( s p a c et i m et r e l l i sc o d e ，s t t c ) ，不基于 发射分集的有分层空时码1 7 1 ( l a y e r e ds p a c et i m ec o d e ，l s t c ) 。 下面简要介绍这几种空时编码技术： 1 9 9 6 年f o s c h i n i 等人提出- j l s t c 模型【7 l ，该分层空时结构将信源数据经串并 变换为多个信息序列，然后分别对每个信息序列进行编码和调制。l s t c 实现了 在同一空间范围内和相同频率范围内同时对一维信号的多维处理，没有引入空间 冗余，并非基于发射分集的空时编码。虽然l s t c 能提供较高的信道容量，达到很 高的频谱效率，但系统编码复杂度高，而且接收机的复杂度随数据率的增加而线 性升高。 1 9 9 8 年v t a r o k h t m 等人将空时编码与网格编码调制( t c m ) 技术结合提出了 s t t c ，s t t c 的提出以时延分集为基础，可以在信道环境较差时利用多迸制传输， 提供尽可能多的分集和编码增益，能够克服多径衰落效应，而且发射带宽不损失。 然而s t t c 的系统容量不随天线数目的增加而增长。由于在接收端采用v i t e r b i 译 码，其译码复杂度会随发射天线个数的增加变大。 s t b c t l o l 是v t a r o k h 等人在a l a m o u t i 编码研究的基础上，牺牲部分分集增益结 合编码的正交性提出的。此编码方案采用简单的最大似然译码( 池) 在多个发 射和接收天线的情况下，保证了码字的正交性，有效提高通了系统容量。 空时编码由t a r o k h 等人提出以来，人们对在不同的传输环境中和采用不同的 调制方式的空时编码作了大量的研究【12 1 。根据译码时是否需要知道信道的状态信 息( c s i ) ，空时编码可分为需要c s i 的s t b c 、s t t c 平i 不需要c s i 的酉空时码、 差分酉空时码，以及由此衍生出的酉空时分组码，差分酉空时分组码，酉空时格 码，差分酉空时格码等。 s i w a m o g s a t h a m 等人结合正交空时分组码( o r t h o g o n a ls p a c e t m eb l o c k c o d e s ) 和空时网格码，提出了基于u n g e r 分割技术的子集分割的正交空时网格码 【n l 。j a a f r k h a n i 进一步研究后提出了超正交空时网格码的设计【1 4 1 。文献 1 5 】将t u r b o 码的交织技术和迭代译码的思想应用到空时编码技术中。这些空时编码在对接收 信号进行解码时，需要准确估计信道状态信息( c s i ，c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i n ) ，一 般通过增加导频序列或反馈支路来估计c s i 。然而，随着发送天线和接收天线个 1 绪论 数的增加，导频序列会占用相当一部分的带宽资源，造成频带利用率降低，且若 信道衰落系数变化比信息速率的变化慢时，还能准确估计c s i ，但当移动台快速 移动时，将不易于准确估计c s i 。基于这些考虑，h o c h w a l d l l 6 1 分析了不需要估计 c s i 的瑞利平坦衰落的多天线系统的信道容量，并证明当发送天线个数大于发射 周期的间隔时间，系统的分集增益增长有限。m a r z e t a t 随后提出了酉空时编码调 制( u s t m ，u m t a r ys p a c e t i m em o d u l a t i o n ) 方案f 1 引，实现了无c s i 情况下的空时 编译码。h u g h e s 1 s 提出了差分空时编码调制方案。h o e h w a l d 1 9 】提出了差分酉空 时编码。对酉空时码的研究主要为信号星座设计，还有酉空时码与其它编码方式 的级联的研究。 1 2 3m i m o 系统中的预编码技术及研究现状 在采用多收发天线结构的m i m o 系统中，由于用户数量的增加和高速数据 业务的发展，其无线传输信号受到的干扰不容忽视，存在严重的用户间干扰和符 号间干扰( i s i ) 。在m i m o 和空时编码技术发展之初，研究者通过在接收机端设 计先进的信号检测机制，希望根据接收端捕获的c s i 来尽可能恢复原始的发射信 号。虽然此类技术研究成果丰硕，但在多天线系统下，对于要求便携的移动台， 复杂的接收机设计是人们不得不考虑的问题。因此，对于通信系统的下行链路， 此技术的实用性受到严格的限制。 基于以上的问题，研究者致力于发射端的信号处理研究，若能够对发射信号 进行某种预处理，如预畸变、预均衡或预滤波等，就能够降低多天线系统在衰落 信道下的误码概率。与在接收端处理相比，在发射端根据信道信息对发送信号做 处理可以使接收机的设计更为简便。这种在发射端利用信道状态信息( c h a n n e l s t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) 对发射信号做预处理来减小系统误码率、提系统吞吐量 的方法，被称作为预编码技术【2 0 1 。m i m o 系统预编码能够在原有的m i m o 技术基 础上，更好地挖掘信道信息，进一步提升信道容量，提高系统性能。m i m o 系统 预编码技术可以同时消除符号间干扰i s i ( i n t e rs y m b o l i n t e r f e r e n c e ) 和天线之间的 干扰【2 1 1 。预编码技术与检测技术不同，在发射端必须知道c s i ，而在接收端则不 必知道c s i 。 目前，国内外对于无线m i m o 系统的预编码技术进行了较多的研究。预编码 根据发送端对接收信号的处理方式可以分为两类：一是线性预编码方法，另一类 是非线性预编码l z 2 | 。 线性编码主要有两种：一种是运用计算准则以简化接收端为目的，将原来在 接收端进行的处理转为在发射端进行预均衡，其相应的准则可以按照原来对接收 机的设计来选择，诸如，迫零z f ( z e r of o r c i n g ) 准则或是最小均方误差 4 1 绪论 m m s e ( m i n i m u mm e a ns q u a r e e n 0 r ) 准则【2 3 1 。另一种是波束成形，典型的方法是： 对信道矩阵日进行奇异值分解( s i n g l e v a l u ed e c o m p o s i t i o n ，s v d ) ，得到 h = u y y 日，对发送信号乘以矿，在接收端乘以u 胃，这等于将m i m 0 信道等效为 了多个并行传输的s i s o 信道，而v 就是波束成形矩阵【训。 非线性预编码主要有n 口( t o m l i n s o n h a r a s h i m a ) 预编码和v p ( v e c t o r p r e c o d i n g ) 预编码，本文主要讨论线性预编码技术，对于非线性预编码的方法可 以参照文献 9 1 0 。 1 3 本文的主要工作及内容安排 本文主要从事m i m o 系统中空时编码的预编码和信号检测部分的一些理论 研究，研究了信号检测技术的算法，对不同的检测算法进行了分析比较；对s t t c 和s t b c 在不同收发天线结构下的的性能进行了分析；将预编码技术与空时分组 编码相结合，提出了一种带反馈回路的空时分组码预编码方案，基于此方案，根 据成对差错概率( p e p ) 准则设计了一种预编码矩阵，对此方案在不同天线系统 下的性能进行了仿真分析，结果表明能够在保证最优误码率的前提下进一步提高 系统容量，克服信道相关性带来的不利影响。本文主要采用了数学分析、描述讨 论与计算机仿真相结合等方法。具体章节内容安排如下： 第2 章介绍了m i m o 系统的信道特性、分集合并技术及其信号模型，并系 统地研究了信号户检测技术的算法。 第3 章介绍了m i m o 系统中的空时编码技术，讨论了空时编码在不同衰落 信道环境下的设计准则，介绍了s t t c 和s t b c 的编译码方案，并对其多天线空 时编码系统性能进行了仿真分析。 第4 章介绍m i m o 系统中的线性预编方法和预编码的成对差错概率( p e p ) 准则，对对基于追零( z f ) 准则和最小均方误差( 删s e ) 准则的线性预编码设 计进行了仿真比较，分析了一种带反馈回路的空时分组码预编码方案，根据成对 差错概率( p e p ) 准则设计了种预编码矩阵，对此方案在不同天线系统下的性 能进行了仿真分析。 第6 章对所做工作进行总结，并指明今后的努力方向。 2g i 9 0 系统与信号户检测技术 2 m i m o 系统与信号检测技术 无线移动通信在进入3 g 时代不久就已经在向4 g 时代快速发展着，m i m o 技术作为未来移动宽带发展的技术支撑，得到越来越的关注。前文提到，若增加 m i m o 系统的发射端天线个数，其信道容量的增长近似于线性。采用空时编码技 术的多天线阵发射分集方案可以提高系统传输效率和传输质量。本章首先介绍了 m i m o 系统中的信道衰落模型和相关的分集合并技术。接着分析了m i m o 系统 中空时编码的相关理论，包括m i m o 系统模型和系统的容量分析，最后介绍并 分析了加m o 系统的信号检测技术及其相关算法，并在m i m o 衰落信道下对采 用不同检测算法的分层空时( b l a s t ) 系统进行了性能仿真比较。 2 1 移动无线信道传播特性 无线通信信息的传输通过电磁波在空间的传播来实现，电磁波的传播机制有 绕射、散射、反射和直射，由于无线信道环境的复杂性，信号在无线信道中传输 时，除了受到加性白高斯噪声( a w g n ) 的影响外，反射、散射和绕射路径的存 在使得接收信号出现明显的随机衰落和时延，另外，在移动通信系统中，接收机 相对发射机的移动会引起信道情况随时间变得更复杂，造成接收信号的严重失 真。无线移动信道的主要特征是信道强度在时域和频域上的衰落，所呈现出的这 种时变性可分为大尺度衰落和小尺度衰落。 2 1 1 大尺度衰落 大尺度衰落( l a r g e - s c a l ef a d i n g ) ：它是由随距离而变化的信号路径损耗和由 建设物、山脉等大型障碍物的阴影造成的。 路径损耗【5 】是指电波在空间传播时产生的损耗，跟收发双方的距离有密切关 系，它反映了接收信号电平均值的变化，定义为有效发射功率和接收功率的差值。 基于理论和测试的传播模型指出t 无论室内或室外信道，信号的平均接收功 率随距离呈对数衰减。如果收发信机之间的距离为d ，路径损耗可以表示为【1 5 】： p 二一 j e l ( d ) = 1 0 l o g i at = p l ( d o ) + 1 0 a l o g 睁) ( 2 1 ) 口。 式( 2 1 ) 中，只是发射功率，只为接收功率；口为路径损耗指数，表明路 径损耗随距离增长的速率，表2 1 给出了不同传播环境下的路径损耗参数值： 6 2w i w o 系统与信号户检测技术 表2 1 不同环境下的路径损耗参数 环境路径损耗参数 自由空间 市区蜂窝 市区蜂窝阴影 建筑物内视距距离 被建筑物阻挡 被工厂阻挡 2 2 6 3 5 3 5 1 6 1 8 4 - 6 2 3 实际上，在传输距离相同的情况下，由传输环境中的地形起伏，建筑物或其 它障碍物对电波的阻塞、遮蔽，特定位置的接收功率一般遵从对数正态分布，这 就是阴影效应又称为慢衰落。可以表示为： s = 1 0 f m( 2 2 ) 是均值为零，方差值依赖阴影程度而变化的高斯分布随机变量。在一般的 蜂窝系统中，小区的规模相对较小，所以这种大尺度衰落对移动通信系统的影响 并不需要单独加以考虑。 2 1 2小尺度衰落 在实际的无线移动坏境下，电波将经历不同的路径到达接收天线，这就是所 谓的多径效应。小尺度效剧1 5 】是指：由多径分量的相互增强或相互抵消叠加造成 的信道失真使接收信号在短时间内发生剧烈变化。 无线传播信道中的许多物理因素都会影响衰落，主要因素有： 1 多径衰落 移动通信环境中受地面、水面反射或大气折射散射体的影响，使得微波信号 在传播过程中会使得经历不同路径到达接收机的信号形式各异，不同时间不同 相位的信号在接收端叠加成时变信号，产生了多径衰落。多径衰落可分为平坦衰 落和频率选择性衰落。 2 周围物体以及移动台的速度 如果信道中的物体处于运动中，它们就会对多径分量产生时间变化的多普勒 频移。基站与移动台之间的相对运动会使每个多径分量产生不同的多普勒频移， 从而引起接收信号的随机频率调制。移动接收机与基站之间的传播路径是缩短还 2m i 系统与信号户检测技术 是加长，则多普勒频移表现为有可能为正，也可能为负。若周围物体以明显快于 移动台的速度运动，时间变化的多普勒频移则在小尺度衰落中占主导地位。否则， 周围物体的运动就可以忽略，只需要考虑移动台的速度。 3 信号的发射带宽 如果发射的无线电信号带宽大于多径信道的“带宽”，即信号的自相关时间 小于多径信号的延时差，则接收信号会发生畸变，而小尺度衰落则不明显。信道 的带宽可以用刻画信道特殊多径结构的相干带宽进行量化。相干带宽是信号在幅 值上仍然保持强相关时的最大频率差的测度。若发射信号相对于信道有一个窄的 带宽，则信号的幅值将快速变化，但信号在时间上将没有畸变。因此小尺度信号 强度的统计特征和小尺度距离范围内信号畸变的可能性在很大程度上与多径信 道的幅值特性、时延以及发射信号的带宽有关。因为多径传播导致信号在不同维 ( b e 间、频率、空间) 的扩展，它们对通信信号有明显的影响，因此是重点关注的 对象。 2 1 3无线衰落多径信道模型 在窄带系统中，发射信号的频谱在相干带宽内衰减幅度相同，此为“频率非 选择性衰落”。而在宽带系统中，发射信号经多径传播后的频谱衰减幅度是不相 关的，于是产生了“频率选择性衰落”。常用瑞利衰落模型1 5 1 和赖斯衰落模型1 5 1 来描述窄带多径信道。 1 瑞利衰落模型 在无线通信信道环境中，电磁波以不同的传播方式，经过多径传播到达接收机后，接收信 号包络服从瑞利概率分布，相位服从一万石的均匀分布。归一化的瑞利分布为 p 皓黔矿三驾 3 ， 瑞利分布的均值聊。和方差仃：分别为 1 7 。= 0 8 8 6 2 ( 2 4 ) 仃。2 = 0 2 4 1 6 由于发射信号经过多条不同路径的时延传播后到达接收点，而多径分量的叠 加产生了驻波，从而形成了瑞利快衰落。瑞利衰落属于小尺度的衰落效应，它总 是叠加于如阴影、衰减等大尺度衰落效应上。 假设信道环境中有大量的反射波，并且有全向天线可以接收水平入射的信 号，接收功率平均分布在入射方向上，则衰落幅度的功率谱密度函数可以表示为 2m i m 0 系统与信号户检测技术 尸驴) i ：j 南阮一i 。2 挪 【0i 卅 i f j - l 式( 2 5 ) 中，厂是频率，力一是最大的多普勒频移，即最大衰落速率。 2 莱斯衰落模型 在无线通信信道环境中，发射信号经多径传播后到达接收机，若收到的信号 中除了经散射后等的信号外，还有从发射机直接到达接收机的信号，反射波是彼 此不相关的随机信号，直射波是视距内传播的无衰落信号，其和称为接收信号的 散射分量，散射分量的包络服从瑞利分布，那么散射分量与直射信号的叠加后的 信号包络服从莱斯分布，故称为莱斯衰落。莱斯分布的概率密度函数如下式： p 辨悟警厶刎 6 ， p 辨悟可厶刎 ( 2 6 ， 【0 口 0 式( 2 6 ) 中，d 是直射信号的厶( ) 功率，是修正的第一类零阶贝塞尔函 数。 假设将总平均信号功率归一化为单位功率，则 p m p “矿州1 + 置磐口厕三驾泣7 ， 式中，k 是莱斯因子，表示直射信号与散射分量的功率比。莱斯因子由下式 定义 肛茜 ( 2 8 ) 2 2 分集合并技术 2 2 。1 分集技术 在无线移动通信中，分集技术是对抗多径衰落的有效方法，系统传输的可靠 性得以提高，而且不需增加发射功率，也不会造成系统带宽损失【1 5 】【1 6 】。携带相 同信息的每个接收信号在信道中以不相关的模式衰落，即所有信号分量同时衰落 的可能性就会变小。分集技术有多种实现方法，有时间分集、空间分集、频率分 2m i m 0 系统与信号户检测技术 集以及信道编码( 可以看做时间分集) 。 1 时间分集 时间分集在不同时间间隔内，通过多次重复传送信号来实现分集。发送信号 的相邻时隙的间隔大于信道的相关( 记忆) 时间，这样在各重复时段发送同一信 息而使强突发差错就扩展到多个逻辑信道，才能使得衰落信道系数独立变化。时 间分集增加的时域冗余使造成系统的频谱效率降低。 2 空间分集 空间分集也叫天线分集，通过在收发端增加天线个数来对同一个发送信号产 生不同的延迟，时延大于信道的相关时间，于是多个衰落分量相互独立。各个天 线的间离应足够宽以致各天线的衰落不相关，各天线接收同一个发送信号的多径 独立分量，再对接收后的信号进行处理，以得到信噪比较大的解调信号。 目前，空间分集技术主要有极化分集和角度分集两种。在极化分集中，利用 天线的两个极化方向，发射水平与垂直极化波，不同的极化方向保证了两个副本 经历不相关的衰落，在接收端，将两路衰落不相关且互为正交的信号合并后解调。 角度分集通常用在载频较大的传输系统中，针对信号入射角度的不同，采用不同 的定向天线接收衰落不相关的信号，分别接收后合并处理。 3 频率分集 以多个不同频率的子带载波发送相同的数据信息，载频间隔要大于信道相关 带宽，接收端就能够得到独立衰落的信号分量，如典型的跳频扩频调制，随机而 频繁变更的跳载频可以获得平均的频率特性，有效地减小频率选择性衰落的影 响。 2 2 2 分集合并方法 在接收端，独立的衰落信号经过接收天线合并后，再通过解调恢复原来的信 号。根据对接收信号合并的不同方式，接收分集合并方法有选择性合并、切换合 并、等增益合并e g c 、和最大比合并i v l r c 1 7 1 。 1 选择性合并 选择性合并是在多支路接收机中，对所有支路的信号信噪比进行检测，选择 信噪比大于某一阈值的信号，即信噪比最大的信号，将此信号作为合并器的输出， 此时系统的信噪比等于最好的输入信号信噪比。 2 切换合并 在切换合并中，接收机对对所有接收支路进行扫描，将信噪比高于阈值的 支路信号作为输出信号，直到该信号的信噪比降到所设的门限值之下，当s n r 低于此门限值时，接收机开始扫描另一个支路，所以这种方案也叫扫描合并。 1 0 2m i m o 系统与信号户检测技术 3 最大比合并腻 在接收端由多个分集支路，经过相位调整后，按照适当的增益系数，同相 相加，再送入检测器进行检测。在接受端各个不相关的分集支路经过相位校正， 并按适当的可变增益加权再相加后送入检测器进行相干检测。m r c 方案接收端 只需对接收信号做线性处理，然后利用最大似然检测即可恢复原始信息。其译 码过程简单、易实现。 4 等增益合并e g c 等增益合并也称为相位均衡，仅仅对信道的相位偏移进行校正而幅度不做 校正。e g c 本质上不是最佳合并，只有当每一路信号的信噪比相同，并且在信 噪比最大化的意义上，它才是最佳的。最后将各路信号幅值叠加一起作为输出。 2 3m i m o 无线通信系统 2 3 1m i m o 系统信号模型 m i m 0 系统采用n 个发送天线，m 个接收天线的收发结构，系统模型如图2 1 所示。在发射端，数据信息经发射端信空时编码和符号映射后，被并行调制到f 个发射天线上。在一个信号发射周期内，第i 个发射天线在该周期内发射的信号 表示为薯。在接收端，y ，为第j 个接收天线接收到的信号。在多天线系统中，每 根接收天线接收到的信号是n 个发射信号的叠加，此接收信号在时域频域上是重 叠的。 m i m o 系统信号在多径衰落信道中传播，根据其编码调制的方式或结构不 同，其发射端可以获得信道状态信息( c s i ，c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 或不可获得 c s i 。如果发射端能够获得c s i ，则在总得发送功率不变的条件下，通过注水原 理来分配各个发射天线的功率，使信道互信息最大化。但是很多情况下，发射端 无法获得c s i ，这时候可采用发射分集的结构改善系统吞吐量【1 刚。假设接收端通 过发射测试序列来获得c s i ，但发射端的c s i 未知，然后将估计的c s i 反馈发送到 发射端。描述m i m o 系统的信道衰落特性的信道矩阵可表示为： h = h i ，l 啊2 一啊， 吃。：如， 。，：k ( 2 9 ) 其中h j ，表示第i 根发送天线到第j 根接收天线之间的信道衰落系数。 对于信道是频率选择性衰落的m i m o 系统，接收信号用矩阵形式表示为： 2m i m o 系统与信号户检测技术 j ，= - x + 刀 ( 2 1 0 ) 上式中y = 【y l ，y 2 ，】，x = x l9 x 2 ，h 】，拧= h ，吃，】，噪声n 是零均 值，方差为仃2 的高斯随机变量。 图2 1m i m o 系统模型 2 3 2 m i m o 系统的主要特征 n m 1 m o 技术利用信道提供的空间复印蹲益可以提高信道的容量，同时也可以 利用空间分集增益提高传输的可靠l 生 1 9 i ! 嘴者是m i m o 系统的主要特征如下： 1 ) 信道容量及 由s h a n n o n 公式可知，信道容量为通j 舔统的最大信息传输速率，是通信系 统的最重要标志之一，f o s c h i n i 和l = l e y a t a r 分别对高斯噪声下多天线系 统的信道容量进行了研究，在假设各无线不相关的情况下，得出了信道容量随 天线个数的增加呈线性增长的结论【2 0 1 。垂辑m i m o 技术的通信系统与传统的蜂窝 通信系统相比，频带利用率和传输的可靠性得到极大的提耐2 1 1 。 2 ) 空间复用增益 当发射功率和传输带宽不变时，通过在发射端使串行输入的数据信息分路为 不同的相互独立的信号，信道容量的提高与发射和接收天线个数的增加有关，可 以使传输速率呈近似线性增长，从而获得空间复用增益，频带利用率得到提高。 3 ) 利用发送分集提高系统的传输性能 在无线通信系统中，多径衰落被视为影响系统性能的制约因素之一阻7 1 。 2i i i m 0 系统与信号户检测技术 m i m o 系统能利用多副天线多带来的多条传输路径来获得空间分集增益，从而提 高系统的传输性能，此为m i m o 系统的一个主要特征。然而，在信道变化很快的 环境下，信道等效的独立数据信息的数目也会发生较大的变化，要实现高的频谱 效率是很困难的。也就是说，传输性能是由发送数据量和每个发送信息的错误概 率决定的，因此，在m i m o 系统中，研究多天线信号的空时编码技术显得十分必 要。与空间复用系统不同，空时编码技术更注重分集增益的提高，可能会降低传 输速率。空时编码技术将编码、调制以及分集技术结合起来，在获得分集增益的 同时，编码增益也得到提高。 4 ) 空间复用与发送分集的折中 空间复用技术能带来频谱效率的提高，但在低信噪比环境中表现并不理想； 发送分集技术虽然能提高系统的分集增益，却有可能降低传输速率，即期望获得 高的复用增益和分集增益是相互矛盾的，因此，m i m o 系统需要折中考虑编码与 复用的优势，根据不同的而目标要求，采取相应的传输方案。 2 4 信号检测技术 2 4 1信号检测技术的提出 在传统的c d m a 接收机中，各个用户之间相互独立接收数据。在信道环境复 杂，存在多径衰落的情况下，由于系统所用的扩频码间的不完全正交性，造成多 个用户彼此之间的干扰，并对系统性通信能造成影响。c d m a 蜂窝移动通信系统 中，小区内总的干扰【2 2 】为： l 删= 1 喇+ i 删+ i 腻e 七l 瞰( 1 、 上式中，刎，是小区中同频用户之间的干扰，即多址干扰( m a j ) ；f 为相邻小区 的干扰与本小区m a i 之比；j 。触是加性高斯白噪声；表示为用户间的符号干 扰( t s t ) 。 高斯白噪声是通信系统中常见的一类加性噪声，它的概率密度函数满足正态 分布统计，而且其功率谱是常数，因此被称为加性高斯白噪声( a d d i t i v ew h i t e g a u s s i a nn o i s e ，a w g n 。在实际c d m a 无线蜂窝移