（通信与信息系统专业论文）mimo无线通信系统中若干问题的研究.pdf

摘要 摘要 在无线信道中实现对多媒体业务( 包括语音、数据和图像等) 的支持已经成 为通信系统发展的必然趋势，高速无线数据接入业务与用户数量的迅速增长，需 要更高速率、更大容量的无线链路的支持。决定无线链路传输效能的最根本因素 在于信道容量，然而单纯以增加带宽、功率的方式来扩展信道容量是不切实际的。 多天线信息理论揭示了多输入一多输出( m i m o ：m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ) 技术所 具有的远远超越于传统单天线系统的高效传输性能，为空时编码技术的产生与应 用奠定了坚实的理论基础。 本文针对m i m o 无线通信系统中的若干问题进行了研究，并取得了如下成果： 针对酉空时码最大似然检测的高复杂度问题，提出了一种具有树形结构的酉 空时星座，及其最小平均失真设计准则与相应的迭代设计算法。利用这种星座结 构，可以通过树形搜索替代最大似然检测对整个星座的遍历计算，因此能够有效 地降低译码复杂度。在树形酉空时星座的基础上，提出了邻接子树的概念与邻接 子树联合译码算法。这种改进的译码算法能够有效地避免单纯树形搜索过程中， 子树根判决错误时造成的错误译码，因而能够获得明显优于树形搜索译码算法的 差错概率性能。同时由于邻接子树联合译码过程中避免了对大量非邻接子树叶子 节点的计算，因此仍然具有相对较低的译码复杂度。对于具有循环相关特性的酉 空时信号集，我们提出了一种子树交叠树形星座设计方法。利用信号集合的循环 相关性，依照一棵子树中子树根与叶子节点之间的相对位置关系，仅需要通过序 号的延拓即可生成树形星座。同时，可以通过提高子树叶予节点集合之间的交叠 程度来改善其译码性能。 利用多元统计分析理论的研究结论与一种逐层递推的分析方法，对基于判决 反馈结构的分层空时检测算法的差错概率性能进行了分析。推导了非相关平坦 r a y l e i g h 衰落信道中，使用多进制p s k 调制方式时，z f d f e ( z e r of o r c i n g - d e c i s i o n f e e d b a c ke q u a l i z a t i o n ) 与m m s e - d f e ( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r - d e c i s i o n f e e d b a c ke q u a l i z a t i o n ) 算法的符号错误概率性能的近似解，并且通过计算机仿真 验证了上述理论分析结果。 提出了一种结合最大似然检测的分层空时检测算法。这种算法通过对排序分 层的分组最大似然检测与组问判决反馈相结合的方式，避免了对全体分层直接进 行最大似然检测时的高复杂度。由于每个分组内部的分层通过最大似然检测能够 获得更好的分集阶数与检测性能，因而由于判决反馈引起的误差传播问题能够得 到较好的抑制，相对于传统的分层空时检测算法能够获得显著的性能改善。本文 m i m o 无线通信系统中若干问题的研究 - ， 还提出了一种结合判决反馈的分组球形译码算法，这种算法将信号的实等效向量 进行分组，并且在各个分组内部通过球形译码进行检测，而分组之间通过判决反 馈方式消除耦合。由于分组的划分降低了l a t t i c e 维数，因此这种方法能够明显降 低球形译码的最坏情况下复杂度与平均复杂度。而计算机仿真结果表明，该算法 仍然保持了与最优解相接近的差错概率性能。 关键词：多输入一多输出，空时编码，酉空时码，分层空时码，复杂度，差错概率 a b s t r a c t t h es u p p o r to ft h em u l t i m e d i as e r v i c e ( i n c l u d i n gs p e e c h ，i m a g ea n dv i d e oe t c ) i n t h ew i r e l e s sc h a n n e li st h et r e n do ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e r ei sa ni n c r e a s i n g c a p a c i t yd e m a n df o rh i g hs p e e dw i r e l e s sd a t aa c c e s ss y s t e mw i t hc o n t i n u s l yi n c r e a s i n g o ft h ea m o u n to fs u b s c r i b e r s i tm a yn o tb ee f f i c i e n to re v e np r a c t i c a b l et oe x p a n dt h e c h a n n e lc a p a c i t yb yp u r e l yi n c r e a s i n gt h eb a n d w i d t ha n dt r a n s m i tp o w e rd u et ot h e l i m i t a t i o no ft h e s p e c t r a l r e s o u r c e s t h ee s t a b l i s h m e n ta n d d e v e l o p m e n to ft h e m u l t i a n t e n n ai n f o r m a t i o nt h e o r yh a v er e v e a l e dt h a tt h e m i m o ( m u l t i i n p u t m u l t i o u t p u t ) t e c h n i q u ec a np r o v i d ee x t r a o r d i n a r i l yh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c yg a i no v e r t h et r a d i t i o n a ls i n g l ea n t e n n as y s t e m s ，w h i c hh a v ea l s ol a i dt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n f o rt h ei n v e n t i o na n da p p l i c a t i o n so fs p a c e - t i m ec o d e s t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so ns e v e r a li s s u e so fw i r e l e s sm i m oi m p l e m e n t a t i o n t h e m a i nc o n t r i b u t i o n sc o n s i s t st h ef o l l o w i n ga s p e c t s i no r d e rt or e d u c et h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo ft h em a x i m u ml i k e l i h o o d ( m l ) d e t e c t i o no fu n i t a r ys p a c e - t i m ec o d e s ，at r e e s t r u c t u r e du n i t a r ys p a c e - t i m ec o n s t e l l a t i o n i s p r o p o s e d t h em i n i m u ma v e r a g ed i s t o r t i o nd e s i g nc r i t e r i o na n dr e l e v a n ti t e r a t i v e d e s i g na l g o r i t h ma r ea l s op r o p o s e d ，t h ee x h a u s t i v es e a r c hu s e di nm l i sa v o i d e di nt h e t r e es e a r c hd e c o d i n g ( t s d ) a l g o r i t h m ，a n dh e n c er e s u l t e di nm u c hl o w e rd e c o d i n g c o m p l e x i t y b a s i n g0 1 3 t h et r e e s t r u c t u r e du n i t a r ys p a c e t i m ec o n s t e l l a t i o n ，w ep r o p o s e d t h ec o n c e p to fa d j a c e n ts u bt r e ea n dt h ea d j a c e n ts u bt r e ej o i n td e c o d i n g ( a s t j d ) a l g o r i t h m s i n c ei t ss t i l lp o s s i b l ef o rt h er e c e i v e ds i g n a lt ob ec o r r e c t l yd e c o d e dw i t ha l l e r r o rd e c i s i o no ft h es u bt r e er o o t ，t h ea s t j dc a nr e m a r k a b l yi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c e o fp u r e l yt r e es e a r c hm e t h o d t h o s en o n a s t sa r ee x c l u d e dd u r i n gt h ed e c o d i n gs e a r c h p r o c e s s ，s ot h a t t h e c o m p l e x i t y o fa s t j di s s t i l ll e s st h a nt h a to fm l t h e t r e e - s t r u c t u r e du n i t a r ys p a c e - t i m ec o n s t e l l a t i o nw i t ho v e r l a p p e ds u bt r e e si s p r e s e n t e d f o rt h e u n i t a r ys p a c e t i m es i g n a l s e tw i t hc i r c u l a n tc o r r e l a t i o ns t r u c t u r e t h e t r e e s t r u c t u r e dc o n s t e l l a t i o ni sc o n s t r u c t e da c c o r d i n gt ot h er e l a t i v ep o s i t i o no ft h er o o t a n dl e a fn o d e si no n l yo n es u bt r e e t h ed e c o d i n gp e r f o r m a n c ec a nb ei m p r o v e db y i n c r e a s i n gt h ea m o u n to f t h eo v e r l a p p e dl e a f n o d e sb e t w e e ns u bt r e e s b a s e do nt h em u l t i - v a r i a t es t a t i s t i c a l a n a l y s i st h e o r ya n dar e c u r s i v ea n a l y s i s m e t h o d ，t h ee r r o rp r o b a b i l i t yp e r f o r m a n c eo ft h el a y e r e ds p a c e t i m ed e t e c t i o n a l g o r i t h m sw i t hd f es t r u c t u r ei sa n a l y z e d u n d e rt h ea s s u m p t i o n so fu n c o r r e l a t e df i a t r a y l e i g hf a d i n ga n dq p s km o d u l a t i o n ，t h en e a r l ye x a c ts e p ( s y m b o le r r o rp r o b a b i l i t y ) p e r f o i n l a n c e o f z f d f e ( z e r of o r c i n g d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z a t i o n ) a n d m m s e - d f e ( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r - d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z a t i o n ) d e t e c t i o n a l g o r i t h m sa r eg i v e n t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea l s op r o v i d e dt od e m o n s t r a t et h e r e s e a r c ho ns o m e s s u e so fm i m ow 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 v a l i d i t yo f o u ra n a l y s i s ad e t e c t i o na l g o r i t h mc o m b i n e dw i t hm lf o r t h e l a y e r e ds p a c e t i m ec o d e si s p r e s e n t e di nw h i c ht h er a n k e dl a y e r sa r ed e t e c t e db yg r o u p - w i s em la n dd f eb e t w e e n g r o u p s s i n c et h em l d e t e c t i o ni sp e r f o r m e df o rt h el o w e rd i m e n s i o nv e c t o r s ，am u c h l o w e rc o m p l e x i t yc a nb eo b t a i n e d t h ed i v e r s i t yo r d e ra n dt h er e l i a b i l i t yo fe a c hl a y e r a r ee n h a n c e db yg r o u pm ld e t e c t i o n ，a n dt h ee r r o rp r o p a g a t i o ni sl a r g e l yl i m i t e d o u r n e wa l g o r i t h ma c h i e v e sa l lo b v i o u s l yp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n tc o m p a r e dw i t ht h o s e t r a d i t i o n a la l g o r i t h m s ac o m b i n a t i o no fd f ea n dg r o u ps p h e r ed e c o d i n gf o rt h el a y e r e d s p a c e t i m ec o d e si sa l s op r o p o s e d t h eg r o u ps p h e r ed e c o d i n gi sp e r f o r m e df o rt h e g r o u p e de l e m e n t so ft h ei n p u ts i g n a l se q u i v a l e n t l yr e a lv e c t o r ，a n dt h ed f ei s p e r f o r m e db e t w e e ne a c hg r o u p s i n c et h es p h e r ed e c o d i n gi sp e r f o r m e ds e p a r a t e l yf o r t h e1 0 w e rd i m e n s i o nl a t t i c e t h ec o m p l e x i t yi sr e d u c e dd r a m a t i c a l l yi nt h ew o r s tc a s ea s w e l la si nt h ea v e r a g ec a s ew i t ho n l ys l i g h t l ys c a r i f y i n gt h ep e r f o r m a n c e k e y w o r d ：m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ，s p a c e - t i m ec o d i n g ，u n i t a r ys p a c e t i m ec o d e s l a y e r e ds p a c e t i m ec o d e s ，c o m p l e x i t y , e r r o rp r o b a b i l i t y 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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：也不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，本人承担一切相关责任。 本人签名 考目斤 同期2 0 0 6 g 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。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文( 与学位论文相关) 工作成果时署名单位仍然为 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i 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。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名 善昕 r 期动衫占 日期攫盟：左 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 通信与信息系统是构建现代信息社会的重要基石，而无线通信是实现在任何 时间、任何地点与任何人进行任何方式的通信这一终极理想的必要途径。1 8 6 4 年 麦克斯韦通过严格的数学论证提出了电磁理论，1 8 8 8 年赫兹通过试验验证了电磁 波的存在。1 8 9 6 年波波夫和雷布金首次成功地使用无线电传送了有明确内容的电 报，1 8 9 7 年马可尼实现了固定站与相距1 8 海里的拖船之间的无线通信，开创了无 线移动通信技术的先河。1 9 0 1 年马可尼在加拿大纽芬兰市的圣约翰斯港通过风筝 牵引的天线，成功地接收到英国普耳杜电台发来的电报。马可尼的成功在世界各 地引起巨大的轰动，推动无线通信走向了全面实用的阶斟“。 现代移动通信系统始于上世纪2 0 年代。第一阶段为2 0 年代初到5 0 年代末， 主要用于船舰及军用，采用短波频段及电子管技术，至该阶段末期出现1 5 0 m h z 的单工汽车公用移动电话系统m t s ；第二阶段为5 0 年代到6 0 年代，此时频段扩 展到4 5 0 m h z 的u h f 频段，器件技术已经向半导体过渡，大都为移动环境中的专 用系统，并解决了移动电话与公用电话的接续问题；第三阶段为7 0 年代初到8 0 年代，此时频段已经扩展到8 0 0 m h z ，美国进行了a m p s 试验；第四阶段为8 0 年 代到9 0 年代中期，第二代数字移动通信兴起并且大规模的发展，并逐步向个人通 信发展。出现了d a m p s 、t a c s 、e 1 a c s 、g s m 仍c s 、c d m a o n e 、p d c 、p h s 、 d e c t p a c s 、p c s 等各类系统，频段扩至9 0 0 m h z 到1 8 0 0 m h z ，而且除了公众移 动电话系统以外，无线寻呼系统、无绳电话系统、集群系统等各类移动通信网络 与系统随着用户与市场需求的增长而同时兴起；第五阶段自9 0 年代中期开始，随 着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算机及移动多媒体 的第三代移动通信开始兴起，c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 、t d s c d m a 等相应的标准 应运而生。 除公用电信领域的移动通信网之外，i e e e8 0 2 1 l 体系及h i p e r l a n 标准体系 的无线局域网、i e e e8 0 2 1 6 体系的无线城域网等多种标准体系也在蓬勃发展。学 术界相继提出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 ) f 2 【3 j 4 j 、m i m o ( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ) 【5 j i “、u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) i7 j 1 w 等无线传输技术理 论，随着研究工作的不断深入与扩展，部分新技术已经进入了新的无线通信标准， 甚至已经开始实现商业应用。 随着经济的发展、科技的进步，对信息传输的需求迅速增长，对于通信系统 2 m i m o 无线通信系统中若干问题的研究 的要求不仅仅满足于单一的传输话音，而是出现了多种多样的新业务类型。包括 图象、视频、数据等多种高速率传输业务。据估计，到2 0 1 0 年话音业务量仍将增 长一倍，但是2 0 1 0 年以后话音业务将逐渐维持在一个较为稳定的水平，而2 0 1 0 年后的多媒体通信业务将以年均4 0 的增长率发展， 2 0 1 5 年左右多媒体通信的 业务量将增长到现有水平的2 3 倍。随着i n t e r n e t 的迅速发展和用户对数据通信需 求的快速增长，全球通信产业的发展呈现三大趋势：无线化、宽带化和i p 化。互 联网业务的发展推动了市场对宽带网络的需求，宽带用户数量在全球呈现出非常 强劲的增长态势。在众多的宽带技术中，无线接入技术尤其是移动通信技术成为 近年来通信技术市场的最大亮点，是构成未来个人通信系统的必要组成部分。无 线通信技术满足了用户在多种移动状态下获取网络信息的强烈需求，也符合当今 社会人员流动性大、工作生活节奏紧张的发展趋势。另一方面，无线通信技术具 有网络部署迅速便捷的特点，能够灵活方便地为用户提供服务。 无线传输业务的迅速增长，需要更高速率的无线链路的支持，然而在频率资 源日益紧张的情况下，单纯以增加带宽的方式提高传输速率是不切实际的。同时， 现有的无线传输系统常常需要工作于建筑群落或室内这样地形地物较为复杂的环 境中，信号的接收受到反射、绕射、散射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目自口通信与信 息理论的研究重点。随着无线通信系统中用户的增多，将会存在更多大业务量的 用户共同占用有限的资源，导致无线频谱资源日益紧张。信道拥挤、相互干扰已 经成为阻碍通信系统扩展的重大障碍。为了解决这样的矛盾，在现有带宽范围内 提高数掘速率，可以采用高效的调制解调方式、编码方式、多址方式、以及小区 复用方式。同时可以通过动态的分配发射功率和信道，达到有效的降低系统干扰、 提高通信质量、扩大系统容量的目的。 通信中的物理信道必然要占据一定的频带、时间、空间、功率、码字等。实 际上在某一地区使用了某一频带、时隙、或码字后，只要能够合理配置其辐射方 向与功率，就完全可以在合适距离的另一地区( 空间) 中重复使用这一资源，这 一思想称之为频谱的空间复用。因此空间资源也是一种重要的无线资源，针对空 间资源的利用技术包括最基本的小区结构、频率复用、信道配置技术、分集接收 技术，还包括相对复杂的发射分集技术以及智能天线与本文讨论的m i m o 技术等 等。蜂窝小区的分裂是提高无线资源空间利用率的一种有效手段。在用户相对密 集的区域可以使用更多数量的一组较小的蜂窝进行区域覆盖，这样可以有效地提 高同频再用效率，扩大用户数目。例如自我国g s m 系统丌始运营以来，网络扩容 就主要是通过小区分裂方式。 分集接收是一种有效的抗衰落技术，这种技术在接收方使用一组空间位置问 隔一定距离( 空j 日j 分集) 或者使用不同的极化方式( 极化分集) 的接收天线，获 第一章绪论一3 取一组衰落特性不相关的接收信号( 来自同一发射信号) ，通过特殊的合并处理方 式降低信号电平的起伏范围。合并方式有：选择式、等增益与最大比合并等。如 果使用自适应天线阵列技术，在满足某些特定准则的条件下自适应的调整各个接 收天线的复权值，则可以在抗衰落的同时有效地抑制同道干扰，以实现近距离的 频带复用一j 。 智能天线系统【l o 【1 1 j 1 1 2 1 通过适当的权值产生特定的方向图，以有效地接收有用 信号而抑制干扰信号。智能天线分为三类：固定波束天线，部分自适应天线与全 自适应智能天线。其中全自适应智能天线可以根据有用信号与干扰信号空间特性 的变化而自适应地调整方向图，从而使接收信号信干比保持最大化。 然而类似小区分裂、动态功率控制、分集接收以及智能天线等技术都没有从 根本上解决随杌衰落，同道干扰与提高传输速率之间的矛盾，因而并不能充分利 用频谱资源。实际上，提高无线数据通信速率的最根本的途径在于提高无线通信 系统的信道容量， e t e l a t a r i5 】与g j f o s h i n i 6 1 通过对多天线信息理论的深入研究， 分别证明了在无线通信链路的收、发两端均使用多个天线的通信系统所具有的信 道容量，将远远超越s h a n n o n 于1 9 4 8 年提出的s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统的信息传输能力极限。m i m o 信息理论的出现突破了传统技术传输能力的瓶 颈，展现了m i m o 技术在未来高速无线接入系统中的广阔应用前景，为空时编码 技术提供了降实的理论基础，并且引发了多天线系统信道模型、多天线信息与编 码理论、m i m o 天线设计与支持多天线通信系统的小区、信令及网络结构设计等 等多方面的研究领域。 m i m o 系统在无线通信链路的发射、接收两端都使用多个天线，在发送端将 用户的数据信息分成多路并行信号并引入编码关系，再分别由多个天线元同时、 同频段发送；接收方依靠特殊的编码方式与信号处理算法实现对发送信息的恢复。 m i m 0 系统是一种将信号的空间域与时域处理相结合的技术方案，空间域的处理 实际上利用了多径随机衰落环境中电磁波散射所产生的空间选择性，而并非象其 它传统技术中那样极力地避免多径与随机衰落。m i m o 系统将信道化解为若干并 行的子信道，能够在不需要额外带宽的情况下实现近距离的频谱资源重复利用( 多 个发射天线近距离同频、同时传输) ，理论上可以极大地扩展频带利用率、提高传 输速率，同时还可以增强通信系统的抗干扰，抗衰落性能。由于m i m o 技术的诸 多优越性能，因而被广泛地认为将成为未束高速无线接入系统的必选技术方案。 1 9 9 6 年美国l u c e n t 公司b e l l 实验室的j f o s c h i n i 等人提出了分层空时编码 的技术框架【f 引，并于1 9 9 8 年构建了分层空时编码的v - b l a s t ( v e r t i c a l b e l l l a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e ) 实验系统 1 4 1 1 5 1 。与此同时，美国a t & t 公司中 央研究院v t a r o k h 与a e n a g u i b 等人提出了用于高速数据无线通信的空时编码调 制技术，这种空时码以网格编码调制( t c m ：t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ) 为基础， 4 m i m o 无线通信系统中若干问题的研究 称为网格空时码( s t t c ：s p a c e - t i m et r e l l i sc o d e s ) 1 6 1 1 1 ”。s t t c 的设计者希望 用这种空时编码技术改进i s 一1 3 6 移动通信系统，他们不仅给出了空时码的编码结 构，而且提出了空时码的设计准则，并且对空时码的接收算法和信道估计算法都 做了讨论。随后出现了一种基于正交设计的空时码【1 8 1 1 1 9 l ，这种空时码可以被视为 一种分组码，因而被称为分组空时码( s t b c ：s p a c e t i m eb l o c kc o d e s ) 。由于s t b c 能够以简单的处理算法获得满分集增益而倍受关注，其中已经进入3 g 协议的空时 发送分集( s t t d ：s p a c e t i m et r a n s m i td i v e r s i t y ) 就是一种分组空时码。分层空 时码、格形空时码与分组空时码是空时编码技术的三种主要方案，在此基础上派 生出了许多新的类别，如d s t b c ( d i f f e r e n t i a ls p a c e - t i m eb l o c kc o d e s ) p 、u s t c ( u n i t a r ys p a c e ，t i m ec o d e s ) 2 2 1 2 3 】以及多种与o f d m l 2 4 1 或者u w b t ：5 】相结合的技 术流派。在所有相关的空时编码，译码与空时信号结构设计、空时检测算法中， 速率与可靠性、性能与复杂度之间的平衡或者折衷问题始终是关系到这一技术能 否真正适于实际应用的关键因素。 1 2m i m o 技术的研究现状 1 2 1m i m o 技术概述 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日j 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 向空间位置与对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帽似之处，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 用的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 第一章绪论 一5 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 m 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用【9 】【2 6 1 1 2 7 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束，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一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。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。 c d m a 系统与m i m o 也有一些相似之处，例如c d m a 系统的多个用户也能够 在同样的时间、频段、同时传送信息，但是m i m o 系统是利用多径随机衰落引起 的空间选择性区分不同天线的数据流，而不是象c d m a 系统中那样通过用户码的 正交性区分用户。同时由于m i m o 系统中的多个并行数据流一般都来自同一用户， 因而可以比较方便地对它们进行联合编、译码。但是应当指出，m i m o 的一些信 号处理算法与c d m a 中的多用户检测技术f 2 8 1 有很多相似之处，甚至可以相互借鉴。 例如多用户检测中的并行干扰抵消1 2 9 、串行干扰抵消 3 0 1 与分层空时码的几种检测 算法都具有基本一致的处理流程。 1 2 2m i m o 信息理论 文献【5 】( 6 】中推导出了非相关准静态平坦r a y l e i g h 衰落信道中，使用m 个发射 天线、n 个接收天线的m i m o 系统的信道容量公式 c 电( a e t ( l + 鲁朋“) ( b i t s 嘲 ， 6 m i m o 无线通信系统中若干问题的研究 其中h = f 红，1 c “”为n x m 阶复信道传输矩阵，( ) “表示矩阵的共轭转最， d e t ( 1 表示方阵的行列式。对于归一化的噪声方差，p 表示平均每个接收天线上的 信噪比。由于信道状态的随机变化，式( i - 1 ) 中c 本身就是一个随机变量，因而 又被称作m i m o 信道的瞬态信道容量。一般通常使用两种方式度量瞬态信道容量， 即均值容量f 5 】【3 1 l 与中断容量【5 】【3 2 】【3 3 1 。这两种度量都需要通过信道状态的统计分布进 行推导，这一内容我们将在第二章中详细讨论。 由于很多空时处理算法需要在接收方估计信道状态，并对信道状态矩阵日进 行求伪逆等一系列处理，因而许多m i m o 系统的研究工作中都假设信道准静态， 即信道状态在一定长度的突发内保持近似恒定，而在突发之间独立随机变化。这 样信道估计与信道矩阵的处理引起的计算量平均至突发中的每个时隙后，能够处 于较低的数量级。同时如果假定在一个突发内能够传输足够多的b i t 数量，就能够 更好地符合信息理论推导过程中的无限时间长度假设。 文献 5 1 1 6 1 q b 均指出，m i m o 信道容量能够随m i n ( m ，) 而线性增长，然而式 ( 1 - 1 ) 是针对日的分量都是独立同分布的复高斯随机变量，且信道平坦衰落的情 况推导出来的，因此并不能适用于所有信道状态。当天线间距缩短或者是由于存 在l o s 或近似l o s 时，天线阵元之间可能存在强相关，这时并不能保证信道容量 能够随m i n ( m ，n 1 而线性增长1 3 4 1 1 3 5 】口6 1 。例如文献【3 7 】中研究了相关衰落信道中 m i m o 系统的信道容量，文献 3 8 1 对一种比较特殊的传播环境( p i nh o l e 或者k e y h o l e 效应) 中的情况进行了分析，在上述情况下实际信道容量将不能达到式( 1 - 1 ) 的水平。同时，在其它一些情况下则有可能获得比式( 1 - 1 ) 更高的信道容量。例 如当存在明显的多径时延扩展时，信道将出现频率选择性衰落，这时不同频点的 衰落相关性减小，在一定程度上增加了信号的自由度，从而可能获得更高的信道 容量。从更一般的角度讲，m i m o 系统的信道容量在很大程度上取决于信道模型 的选取。然而根掘目前已知的信道测量结果以及针对m i m o 信道模型的研究结论 表明，大多数实际情况中仍然能够获得与文献 5 1 、 6 】中基本一致的结果1 3 9 ，而p i n h o l e 现象并不常见。 假设发送信号向量为s c ”，信号的协方差矩阵为q = e s t 一 ，q 的迹满足 仃( q ) p ，此时的信道容量可以表示为口】 c = l 0 9 2 d e t ( 1 + h q h “) ) ( b i t s h z ) ( i - 2 ) 文献【5 中证明了当发送方不能获取信道状态信。g ( c s hc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 而接收方确知c s i 时，以不相关且等功率的s 配置方式，以及高斯输入分白形式能 第一章绪论 7 够使互信息最大化。此时q = ( p m ) k ，式( 1 - 2 ) 退化为式( 1 - 1 ) 。文献 3 3 4 0 】 的研究结果表明，不相关等功率配置方式的m i m o 系统的信道容量在r i c e a n 信道 中将随着l o s 分量能量的增强而明显下降。 在条件许可的情况下，通过反馈使发送方获取c s i 或者部分c s i 的先验信息 将有助于发送方式的优化，这时的m i m o 系统将具有更高的信道容量。这种情况 下q 可能不再具有同单位阵成比例的形式，能够使互信息最大化的q 将由著名的 “注水算法”( w f ：w a t e r f i l l i n g ) 所确定删【4 3 】。在低信噪比区域，按照注水算法 获得的信道容量相对于平均分配发射功率方式的信道容量的增益较为显著，但是 这种增益随着信噪比的提高将逐渐趋于掣3 r i d l l l 4 2 。存在l o s 的环境中，平均分配 功率与注水算法的信道容量都会随着天线之间的相关性增强而降低，但是这种情 况下，注水算法相对于不相关等功率的配置方式的信道容量增益将随r i c e a n 因子 的提高而更加明显【4 3 】f 3 1 1 。这是由于随着l o s 分量的增加，m i m o 信道中的各个等 效并行子信道的传输能力更加不均衡( f a tp i p e 现象) ，因而依照各个子信道的情 况优化发送方式的注水算法自然比等功率方式更加优越。文献 4 1 4 4 4 5 o f 还针 对大规模系统或者极限情况下( 假设m ，一o o 且m 与保持同比例增长) m i m o 的信道容量进行了分析，并且对不相关等功率配置与注水算法的m i m o 信道容量 进行了对比研究。 上述研究工作主要针对单用户的点对点通信链路，文献【4 6 】中将单用户m i m o 系统的研究结论扩展至多用户情况下，并且分析了多用户环境中发送方确知或部 分确知c s i 时m i m o 系统的信道容量。文献【4 7 】【4 8 从信息论角度研究了蜂窝系统 中m i m o 的信道容量性能，而文献 4 9 5 0 贝1 j 从信号处理的角度出发对上述问题进 行了讨论。 1 2 3m i m o 系统中的数据传输 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。 现有的空时编码方案大致可以分为两类：数掘速率最大化以及分集最大化。 其中数掘速率最大化方案