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上海大学硕士学位论文m i m o 通信系统中的自适应均衡技术研究 摘要 近年来，宽带无线通信技术和应用得到了迅猛的发展。人们对高速无线数据 传输和多媒体业务的需求，促进了高速宽带无线通信新技术的发展和应用，多输 入多输出( m i m o ) 技术应运而生。m i m o 技术能有效利用移动无线信道中的多 径传播成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，被认为是新一代无线传输系统 的关键技术之一。 本文在阐述了m i m o 通信系统基本原理的基础上，分析了移动无线信道特 征以及多径信道的数学模型，并采用自适应均衡技术来消除由无线信道中的多径 效应引起的码间干扰。 为了充分体现自适应均衡技术在抗码问干扰中的作用，全文着重围绕自适应 均衡技术，深入研究了自适应均衡的基本原理和分类，各种自适应算法( z f 算 法、l m s 算法、r l s 算法) 的推导以及性能，并在传统l m s 算法和分级最小均 方误差( h l m s ) 算法的基础上【2 5 1 ，提出了一种改进型h l m s 算法。理论分析 和仿真结果均表明，两种h l m s 算法的收敛速度都较l m s 算法快。相对于 l m s 算法的最优维纳解，改进型h l m s 算法和h l m s 算法的最优解【6 】都是有偏 的，而改进型h l m s 算法的m s e 较h l m s 算法的m s e 降低了一个数量级。 在相同条件下，对于相同阶数的滤波器，其子滤波器分级方法不同，性能亦有所 不同。 现有的自适应均衡器一般采用传统的f i r 横向滤波器结构，其主要原因在于 该滤波器具有低复杂度、较好的跟踪性能以及易于实现的优点。然而，横向自适 应滤波器的固有缺点之一是在信道相关时间不变的情况下，随着被处理数据速率 的增加，滤波器的阶数将急剧增加。与自适应f i r 滤波器相比，在阶数相同条件 下，白适应i i r 滤波器可以提供比自适应f i r 滤波器好得多的滤波器性能。在能 获得同样滤波器性能的情况下，i i r 滤波器的阶数要比f i r 少得多。然而，由于 i i r 滤波器引入了反馈机制，故其稳定性问题将使i i r 滤波器的设计变得十分复 杂。为此，结合f i r 和i i r 结构的优缺点，本文将采用l a g u e r r e 滤波器取代上述 v 上海大学硕士学位论文 m i m o 通信系统中的自适应均衡技术研究 两种滤波器结构并引入梯度自适应l a g u e r r e 格型( g a l l ) 算法，以寻求一种解 决长脉冲响应自适应滤波器问题的折中方案。仿真结果表明，在低信噪比、复杂 多径传播环境或快速时变的条件下，采用自适应l a g u e r r e 均衡器可以获得比通常 的线性自适应均衡器和自适应判决反馈均衡器更好的均衡效果。 关键词；多输入多输出，多径传播，分级最小均方误差算法，l a g u e r r e 滤波器， 梯度自适应l a g u e r r e 格型算法 v i 上海大学硕士学位论文m i m o 通信系统中的自适应均衡技术研究 a b s t r a c t t h en e e df o rw i r e l e s sd a t aa n dm u l t i m e d i as e r v i c e sh a sp r o m o t e dt h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n s o f m a n yh i g h - s p e e d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e si nr e c e n ty e a r s m u l t i - i n p u tm u l t i o u t p u tt e c h n o l o g yh a sb e e nt h o u g h to f a so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u e so f t h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s st r a n s p o r t a t i o n s y s t e mw h i c hc a ni n c r e a s et h ec a p a c i t yo ft h es y s t e ma n dt h ee f f i c i e n c yo ft h e s p e c t r u mr e m a r k a b l yb yt a k i n ga d v a n t a g eo fm u l t i p a t hf a d i n gi nm o b i l ew i r e l e s s c h a n n e l s b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no fm u l t i i n p u tm u l t i o u t p u tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， t h em a i nw o r ko ft h ed i s s e r t a t i o ni st oa n a l y z et h ef e a t u r e so ft h em o b i l ew i r e l e s s c h a n n e l sa n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fm u l t i - p a t hc h a n n e l s ，r e m o v et h ei s ic a u s e d b ym u l t i p a t hf a d i n gb ya d a p t i v ee q u a l i z a t i o n i no r d e rt of u l l ym a n i f e s tt h ep e r f o r m a n c eo fa d a p t i v ee q u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yi n d i s t u r b i n gt h ei s i ，t h ew h o l ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h eb a s i cp r i n c i p l e ，c l a s s i f i c a t i o n o fa d a p t i v ee q u a l i z a t i o na n dd i f f e r e n ta d a p t i v ea l g o r i t h m si n c l u d i n gz f , l m s ，r l s b a s e do nt h et r a d i t i o n a ll m sa l g o r i t h ma n dt h eh i e r a r c h i c a ll m sa l g o r i t h m 5 】w h e r e t h et a p so fat r a n s v e r s a lf i l t e ra r eo r g a n i z e di n t oah i e r a r c h y , am o d i f i e dh l m s a l g o r i t h mi sp r o p o s e d t h e o r i e sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a t ( i ) t h em o d i f i e d h l m s a l g o r i t h ma n dh l m sa l g o r i t h mc o n v e r g em o r eq u i c k l yt h a nl m sa l g o r i t h m ( i i ) a l t h o u g ht h eo p t i m a ls o l u t i o no ft h em o d i f i e dh l m sa l g o r i t h ma n dh l m s a l g o r i t h mi sb i a s e dt o w a r dt h a to ft h el m sa l g o r i t h m 6 】，t h em o d i f i e da l g o r i t h mc a n o b t a i no n eo r d e ro fm a g n i t u d ei m p r o v e m e n to nt h em s et h a nt h a to ft h ep r o p o s e d h l m s a l g o r i t h mu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ( i i i ) u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n sd i f f e r e n t m e t h o do f h i e r a r c h y ，t h ep e r f o r m a n c ei sd i f f e r e n t t h ee x i s t i n ga d a p t i v ee q u a l i z e r sg e n e r a l l yu s et r a d i t i o n a lf i rt r a n s v e r s a lf i l t e r s , w i t hl o wc o m p u t a t i o n a lc o s t ，g o o dt r a c i n gp e r f o r m a n c ea n de a s yi m p l e m e n t a t i o n h o w e v e r , o n eo f i t si n h e r e n td r a w b a c k si san e e dt oi n c r e a s et h ef i l t e rl e n g t hw i t ht h e i n c r e a s eo ft h ep r o c e s s e dd a t ar a t ea l t h o u g ht h ec h a n n e lc o r r e l a t i v et i m er e m a i n s u n c h a n g e d c o m p a r i n gw i t ht h ea d a p t i v ef i rf i l t e r s ，t h ea d a p t i v ei i rf i l t e r sp e r f o r m m u c hb e t t e rw i t ht h es a m ec o e f f i c i e n t s m e a n w h i l ei i rf i l t e r sc a l lo b t a i nt h es a m e v i i 上海火学硕士学位论文 m i m o 通信系统中的自适应均衡技术研究 p o r f o r m a n c ew i t hl e s $ c o e f f i c i e n t s b e c a u s ei i rf i l t e r sh a v ei n t r o d u c e dt h ef e e d b a c k m e c h a n i s m , t h es t a b i l i t yp r o b l e mm a k e st h ed e s i g no fi i rf i l t e r sb e c o m e 8 0c o m p l e x c o m b i n e dw i t ht h ea d v a n t a g e sa n dd r a w b a c k so ff i ra n di i rf i l t e r s ，t h el a g u e r r e f i l t e ru s i n gg r a d i e n ta d a p t i v el a g u e r r el a t t i c ea l g o r i t h mi sp r o p o s e di nt h ep a p e rt o s o l v et h ep r o b l e mo f l a r g el e n g t ho f t r a u s v e r s a lf i l t e r s s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t e t h a tt h el a g u e r r ea d a p t i v ef i l t e r sp e r f o r mm u c hb e t t e rt h a nl i n e a ra d a p t i v ee q u a l i z e r s a n dd f ei nt h ee n v i r o n m e n tt h a tt h es n ri ss m a l lo l t h em u l t i p a t hf a d i n gi ss e r i o u s k e y w o r d a ：m i m o ，m u l t i - p a t hf a d i n g , h i e r a r c h i c a l l e a s t m e a n - s q u a r e d e r r o r a l g o r i t h m ，l a g u e r r ef i l t e r , g r a d i e n ta d a p t i v el a g u e r r e - l a t t i c oa l g o r i t h m v l l i 上海大学硕士学位论文 b l a s t b f w a c d i c s i d f e g a l g a l l h l i i s h s d p a i s i l m s l s t m i m o m l m s e m s r l s s i s o s n r s s 叫 s t b c s t c s t t c s t t d t c m t s t d z f m 1 m o 通信系统中的自适应均衡技术研究 英文缩写说明 b e l1l 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 b r o a d b a n df i x e dw i r e l e s sa c c e s s c h a n n e ld i s t r i b u t i o ni n f o r m a t i o n c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r g r a d i e n ta d a p t i v el a t t i c e g r a d i e n ta d a p t i v el a g u e r r el a t t i c e h i e r a r c h i c a ll e a s tm e a ns q u a r e h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e l e a s tm e a ns q u a r e l a y e r e ds p a c e t i m e m u l t i - i n p u tm u l t i o u t p u t m a x i m u ml 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 o b i l es t a t i o n r e c u r s i v el e a s ts q u a r e s i n g l e 。i n p u ts i n g l e o u t p u t s i g n a l 。t o n o i s er a t i o s i t es e l e c t i o nd i v e r s i t yt r a n s m i t s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g s p a c e t i m ec o d i n g s p a c e t i m et r e llisc o d i n g s p a c e t i m et r a n s m i td i v e r s i t y t r e l l i sc o d i n gm o d u l a t i o n t i m e s w i t c h e dt r a n s m i td i v e r s i t y z e r o f o r c i n g i x 贝尔试验室分层空时编码 固定宽带无线接入 信道分布信息 信道状态信息 判决反馈均衡器 梯度自适应格型 梯度自适应l a g u e r r e 格型 分级最小均方误差 高速下行分组数据接入 码间干扰 最小均方 分层空时编码 多输入多输出 最大似然 最小均方误差 移动台 递归最d , - - 乘 单输入单输出 信噪比 站点选择分集发射 空时分组码 空时编码 空时格码 空时分集发射 网格编码调制 时间切换分集发射 迫零 上海大学硕士学位论文m m i o 通信系统中的自适应均衡技术研究 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：盏丛日期：磁垒2 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：二塑日期：= z 2 9 ，导师签名：兰至趁日期：= z ： n 上海大学硕士学位论文m i m o 通信系统中的自适应均衡技术研究 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 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亟待 提升，常规单天线收发( s i s o ) 通信系统面临严峻挑战。采用常规发射分集、 接收分集或智能天线技术已不足以解决新一代无线通信系统的大容量与高可靠 性需求问题。可幸的是，结合空时处理的多天线技术多输入多输出( m i m o ) 通信技术，提供了解决该问题的新途径。 任何一个无线通信系统，只要其发送端和接收端均采用多副天线或者天线阵 列，就构成了一个无线m i m o 系统。m i m o 技术的核心是空时信号处理，也就 是利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理。因 此，m i m o 技术可以看作是智能天线的扩展。但是传统的智能天线的智能体现在 天线加权选择算法上，而m i m o 系统强调的是信号的编解码处理。m i m o 技术 与智能天线的不同在于它能够同时获得发送和接收分集增益。 m i m o 技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多径影响因素变成对用 户通信性能有利的增强因素。m i m o 技术有效地利用了随机衰落和可能存在的多 径传播来成倍地提高业务传输速率，在不额外增加所占用的信号带宽的前提下带 来无线通信性能上几个数量级的改善。实验室研究结果证实，采用m i m o 技术 在室内传播环境下的频谱效率可以达到2 0 - 4 0 b i t s s h z ：而使用传统无线通信技 术在移动蜂窝中的频谱效率仅为1 - 5 b i t s s h z ，在点到点的固定微波系统中也只 有1 0 - 1 2 b i f f s i - i z t h l 【3 5 l 。m i m o 技术作为提高数据传输速率的重要手段得到人们 越来越多的关注，已经被认为是新一代无线传输系统的关键技术之一。 上海大学硕士学位论文 1 2 国内外研究概况 m i m o 通信系统中的自适应均衡技术研究 自从1 9 9 5 年t e l a t a r 推导出多天线高斯信道容量【蚓、1 9 9 6 年f o s c h i n i 提出b l a s t 算法【3 1 、1 9 9 8 年t a r o k h 等提出空时编码【2 1 1 以来，m i m o 无线通信技术的 研究如雨后春笋般涌现。目前，国际上很多科研机构和院校，以及设备制造商都 争相对m i m o 通信技术进行深入研究，其研究现状如下： ( 1 ) m m o 信道建模 研究表明，只有在无线信道散射传播的多径分量足够丰富的条件下，各对收 发天线单元间的传输信道才趋于独立，信道矩阵才趋于满秩 3 4 1 ，系统容量将会随 着发射端和接收端天线数中最小的增加而线性增加【3 4 1 。如果无线信道不满足富散 射条件或天线单元间距较小时，传输信道将不完全独立，信道矩阵非满秩，此时， m i m o 信道的空间分离优势得不到充分发挥，其传输性能也将下降。由此可见， 信道传播条件决定了m i m o 系统的信道容量。寻求合适的m i m o 无线信道模型 以便模拟各种实际信道条件、评估各种空时处理算法( 空时编解码、空时均衡与 m i m o 收发信机算法) 的相对性能以及仿真与优化设计高性能的通信系统必然成 为当务之急。 ( 2 ) m i m o 信道容量分析 容量分析从独立信道和一般相关性m i m o 信道的容量分析向具体使用不同 发射方案、在各种m i m o 信道条件下的容量分析方向发展，以求容量分析更准 确【蚓。 ( 3 ) m i m o 算法开发 虽然理论分析结果表明，m i m o 无线技术能够极大地提高系统容量与可靠 性，但仅有分析是不够的，更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 系统的实际性能增益。大量m 1 m o 算法企图同时充分获取分集与 复用增益，因此可将m i m o 算法方案分为两大类。 第一类是分集最大化方案，即空时编码( s t c ) 方案。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，即通过空时编码来增加传输的空时冗余信息，从而提高无 2 上海大学硕士学位论文m i m o 通信系统中的自适应均衡技术研究 线传输的稳健性。在延时发射分集的基础上，t a r o k h 等提出了空时格码( s 下r c ) 【2 1 1 ，它具有卷积码的特征，并将格型编码、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。它利用某种格型图，将同 一信息从多副天线发射出去，在接收端采用基于欧氏距离的v i t e r b i 译码，其复 杂度很高，且随传输速率呈指数增加，但其性能较好，抗衰落能力强。随后，各 种空时编码得到快速发展，如t u r b o 空时格码与级联空时码等。然而，空时编码 的盛行实际是从空时分组码( s t b c ) 开始的。由于发射信号两两正交，接收端 可采用线性最大似然检测，其译码简单，性能只与分集阶数有关。它可以获得满 分集增益，但是没有编码增益，其抗衰落性能较差，尤其是抗快衰落性能很差， 因此，更适于微小区或微微小区环到捌。 第二类为数据率最大化方案，即复用方案。著名的b l a s t 结构，包括v b l a s t 、d b l a s t 、t - b l a s t 等，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，在接收端采用迫零 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进行传输，达到空间复用的目的，从而提高 频谱利用率。 ( 4 ) 与传播相关的研究方向 如何解决m i m o 系统的多径效应是一个很重要的问题，现在常用的方法一 是与o f d m 技术结合，二是在接收端作均衡处理，这也是本论文的主要研究内 容。美国a g e r e 系统公司日前在收发两端结合了m i m o 和o f d m 两种技术，成 功开发了最高传输速度为1 6 2 m b i t s 的无线l a n ( 局域网) 技术。i e e e8 0 2 1 l a 、 1 1 9 都是以o f d m 为核心技术，而i e e e8 0 2 1 6 系列则是以m i m o + o f d m 技术 为核心的【删。 ( 5 ) m i m o 测试平台搭建与m i m o 芯片开发 1 9 9 8 年贝尔实验室开创性的实验验证了v - b l a s t 的可行性哪! 5 】，随之引发 了对m i m o 技术的广泛研究，进而促使人们开发m i m o 测试平台进行信道测试。 m i m o 无线传输技术发展至今，理论日渐成熟，而现场测试亟待进行。开发测试 平台进行现场测试对于m i m o 通信技术迈向实用化具有重要意义。先进的多天 线系统测试平台，不但可以探测各种传播环境下的m i m o 信道特征，验证信号 上海大学硕士学位论文m i m o 通信系统中的自适应均衡技术研究 处理算法性能，而且有助于评估算法实时实现的可行性。这些测试平台也是进行 新技术研究与实际系统开发的重要基地。国内外很多研究机构纷纷进行实验平台 开发与外场测试，并有大量实验结果发表，如国内电子科技大学与东南大学的室 内外m i m o 实验，国际上v - b l a s t 的可行性验证实验、i s tm e t r a 项目的室 内外实验与b y u 的室内m i m o 实验等，它们都极大地促进了m i m o 技术的发 展嗍。 随着m i m o 技术日趋成熟，为适应市场发展，诸多无线设备制造商共同合 作，提出各种以m i m o 技术为基础的解决方案，并且进行m i m o 芯片的开发。 目前，主要的m i m o 芯片制造商包括a i r g o 、a t h e r o s 、m e t a l i n k 与r a l i n k 等，一 些设备制造商已将芯片用于自己的m i m o 产品，而且a i r g o 开始试产第三代 m i m o 芯片，并同l i n k s y s 公司一起研发第四代产品。总之，全球的m i m o 芯片 市场日益壮大，为m i m o 技术的商用打下了扎实基础。 ( 6 ) 标准化发展 随着m i m o 技术日趋成熟，并向实用化迈进，国际上很多研究机构已不断 推动m i m o 技术的标准化进程，包括：m i m o 无线传播信道模型的标准化和 m i m o 技术的标准化。在国内，科技部对新一代无线通信技术相当重视，已启动 的未来通用无线通信技术研究计划( f i 兀兀i r e ) 分为三阶段实施：第一阶段主要 是面向未来新一代无线关键技术展开研究，并已于2 0 0 3 年8 月完成。在第二阶 段( 2 0 0 4 1 到2 0 0 5 1 2 ) ，b 3 g 4 g 空中接口技术研究达到相对成熟的水平，并进 行与之相关的系统总体技术研究( 包括与无线自组织网络、游牧无线接入网络的 互联互通技术研究等) ，完成联网实验和演示业务的开发，建成具有b 3 g 4 g 技 术特征的演示系统，向i t u 提交初步的新一代无线通信体制标准；在第三阶段 ( 2 0 0 6 1 到2 0 1 0 1 2 ) ，完成通用无线环境的体制标准研究及其系统实用化研究， 开展较大规模的现场实验，完成预商用系统的研制。 1 3 论文的主要研究内容 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，主要研究m i m o 系统的自适应均衡技术，以期达到消除无线移动通信信道中由多径效应引起的码 4 上海大学硕士学位论文m i m o 通信系统中的自适应均衡技术研究 问干扰的目的。在第一章中阐述了课题研究的背景意义以及国内外研究现状。第 二章简要阐述了m i m o 无线通信系统，包括m i m o 技术的演进、m i m o 系统模 型、系统容量以及m i m o 技术的应用现状。第三章简单介绍了移动通信系统中 的无线信道，重点介绍了多径传播，并描述了其数学模型。由此引出了本论文的 研究重点：为了克服m i m o 系统中多径效应引起的码间干扰，采用自适应均衡 技术来消除。第四章简要介绍了自适应均衡技术的原理、均衡器的分类( 线性均 衡器和判决反馈均衡器) ，并同时讨论了多种自适应均衡算法，重点推导了l m s 算法和r l s 算法，并在传统l m s 算法和h l m s 算法【5 】的基础上提出了一种改进 型h l m s 算法，同时对这几种算法的性能进行了相关的仿真分析。第五章结合 f i r 和i i r 结构的优缺点，采用l a g u e r r e 滤波器取代上述两种滤波器结构并引入 梯度自适应l a g u e r r e 格型( g a l l ) 算法，以寻求一种解决长脉冲响应自适应滤 波器问题的折中方案。仿真结果表明，在低信噪比、复杂多径传播环境或快速时 变的条件下，采用自适应l a g u e r r e 均衡器可以获得比通常的线性自适应均衡器和 自适应判决反馈均衡器更好的均衡效果。第六章对课题的研究工作作了总结，并 对进一步的研究方向作了展望。 上海大学硕士学位论文m i m o 通信系统中的自适应均衡技术研究 第二章m i m o 无线通信技术 2 1m i m o 技术的演进 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s h a l l n o n 容量限制。针对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。将天线分集与时间分集联合应用，以期获得空间维与时自j 维的分集效益。 显而易见，从传统单天线系统向多天线系统演进是无线通信发展的必然趋势。 智能天线的核心思想在于利用联合空间维度与天线分集，通过最优加权合并 而最大化信噪比，使信号出错概率随着独立衰落的天线单元数目呈指数减小，而 系统容量随天线单元数目呈对数增长【4 1 1 。然而，开关波束阵列仅适于信号角度扩 展较小的传播环境，且自适应阵列虽可以用于信号角度扩展较大的多径传播环 境，但在高强度的、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 相当有限，这是因为智能天线技术没有利用多径传播。由于增大阵元间距与角度 扩展及结合空时处理都有利于捕获与分离多径，因此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，成为了无线通信发展的必然趋势，即从智能天线向多天线系统演进。 天线发射分集、接收分集与信道编码技术的融合已成为无线通信发展的研究 热点。m i m o 无线通信技术就是天线分集与空时处理技术相结合的产物，它源于 天线分集与智能天线技术，具有二者的优越性，属于广义的智能天线的范畴。 m i m o 系统在发送端与接收端均采用多天线单元，利用先进的无线传输与信号处 理技术，以及无线信道的多径传播，因势利导，开发空间资源，建立空间并行传 输通道，在不增加系统带宽与发射功率的情况下，成倍提高无线通信系统的质量 与数据速率，堪称现代通信领域的重要技术突破。 6 上海大学硕士学位论文 2 2m i m o 系统模型 m i m o 通信系统中的自适应均衡技术研究 图2 1 所示为m i m o 系统的框图。传输信息流s ( | ) 经过空时编码形成个 信息子流c ；( | | ) ，i = i , 2 ，n 。这个信息子流由副天线同时发射出去，经空 间信道后由m 副天线接收，其中m n 。多天线接收机利用先进的空时编码处 理能够有效地恢复数据子流，从而实现最佳接收。特别是，这个子流同时发 送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加信号的传输带宽。若各天线 单元间距足够大，无线信道散射传播的多径分量足够丰富，各对收发天线单元间 的多径衰落就趋于独立，即各对等效的收发天线间的无线传输信道趋于独立，则 m i m o 系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信 息，通信系统的数据率必然可以提高。 图2 1 m i m o 系统框图 f i g 2 1b l o c kd i a g r a mo f m i m os y s t e m 2 3m i m o 系统容量 接收 在时不变信道中，s h a n n o n 容量是指信道输入输出间的最大互信息，即信道 所能传送的最大速率。在时变信道中，信道容量有多种定义方式，主要取决于发 送端和接收端所能获得的信道状态( c s i ) 信息或信道分布信息( c d i ) 。近年 7 上海大学硕士学位论文m i m o 通信系统中的自适应均衡技术研究 来的研究结果进一步表明，m i m o 系统容量与发送端和接收端所能获得的信道状 态信息，信道信噪比及信道相关性密切相关 3 4 1 。 对于图2 1 ，在平坦衰落即非频率选择性衰落条件下，收发端均采用阵列天 线，假设发送端有副天线，接收端有肼副天线，就构成了一个( ，m ) 的无线 m i m o 系统。 在k 时刻，m i m o 信道的输入输出关系可以描述为： r ( 后) = h ( 七) c ( 七) + n ( i ) ( 2 1 ) 式中，r ( 七) = r d k ) ，( 后) 】7 是m l 维接收信号向量。m n 维的信道矩阵 为日( 蠡) = i h 。( 置) ， 。( 露) 1 7 ，其中h ( 七) = 一l ( 七) ，h m ( 后) 】7 ，1 _ ，s ， 是从副发射天线到第，副接收天线的n x l 维信道向量。 c ( 七) = f c l ( 七) ，知( 后) 】7 为k 时刻从副发射天线发射的n x l 维码向量。 n ( i ) _ ( 七) ，抨。( 七) 】7 为接收天线一端的m x l 维噪声向量。关于信号模型， 有下面的假设： ( 1 ) 信道衰落为平坦衰落或准静态信道，信道矩阵为复高斯随机矩阵，其元素 均为均值为0 ，方差为1 的独立同分布的复高斯随机变量。 ( 2 ) 信号矢量c ( 后) 的各个元素q ( i ) ，1 f n 为零均值，方差为占2 的互不相关 的随机变量。假设c ( 后) 的总功率为p ，则c ( i ) 的自相关矩阵为； 研c ( 七) c ”( 后) 】= 9 2 i 5 专1 ” ( 2 2 ) ( 3 ) 噪声矢量n ( k ) 代表均值为0 ，方差为盯2 的复高斯加性白噪声，其自相关矩 阵为： e n ( k ) n ”( 七) 】= c r 2 i _ | l f ( 2 3 ) 而且，与c ( k ) 相互独立，即有e c ( k ) n ” ) 】= 0 。 ( 4 ) n 个符号从副不同的天线同时发射出去。 ( 5 ) 发送端无c s i ，接收端通过信道估计获得c s i 。 对( 2 1 ) 式进行相关运算，有r 。= h r 。h ”+ r 。，r 。= ，i n ，r 。= 仃2 i m ， 其中上标日表示该矩阵的共轭转置。 考虑如图2 1 所示的信道模型，该信道的互信息为： 8 上海大学硕士学位论文 m i m o 通信系统中的自适应均衡技术研究 l ( e ，r ) = 日( r ) 一h ( r i c ) ( 2 4 ) 其中【4 1 日( r ) = 1 1 。9 2 t 2 n 叫r 。| 】 ( 2 5 ) 日( c ) = l l 0 9 2 【2 m j r 。j 】 ( 2 6 ) h ( rle ) = 日( n ) ：委l 。g ： 2 别r 。l 】 ( 2 7 ) 将( 2 1 ) 式自相关的结果代入( 2 5 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) ，根据s h a n n o n 的信息 理论，可以得到信道容量： 一似气1 斗+ 爿 眨s ， 为了表示上的简单，可以省略上面的1 2 ，则上述信道容量可简化为下述形式： 一- t 0 9 2 i i + 爿 ( 2 9 ) 由于矩阵a = h h ”为h e r m i t i a n 矩阵，它可以特征值分解为： a = h h ”= u ”x u ( 2 1 0 ) 式中，u ”u = i 。，是以上述h e r m i t i a n 矩阵一的特征值丑为对角线元素的对角 阵。 所以，( 2 8 ) 式变为： 鳓咖= 舡”- - - 7 见) = 1 = 1 ( 1 + 挣 ( 2 2 4m i m o 技术应用现状 由于m i m o 系统具有高频谱利用率的优点，在应用领域，m i m o 技术的优 越性在固定宽带无线接入( b f w a ) 以及无线局域网上得到了充分体现，有着光 明的前途。与移动无线通信相比，b f w a 的无线电传输环境要友好得多，不受 信道估计与均衡技术的约束，因而实现起来较为简单。在无线局域网，尤其是室 内的多径环境条件下，m i m o 更是可以提供高速可靠的数据传输。 9 上海大学硕士学位论文m i m o 通信系统中的自适应均衡技术研究 m i m o 研究的最大成果之一就是将它写进了代表未来移动通信发展方向的 第三代移动通信标准( 3 g p p ) ，承担高速下行分组数据接入( h s d p a ) 业务。 并且，在3 g p p 的w c d m a 协议中定义了六种分集发射方法：空时分集发射 ( s t r d ) ，时间切换分集发射( t s t d ) 、两种闭环分集发射模式、软切换中的 宏分集、以及站点选择分集发射( s s d t ) 1 4 0 。 2 5 本章小结 本章首先简要介绍了m i m o 技术的演进，给出了m i m o 系统最基本的系统 框图，并分析了平坦衰落情况下的系统容量问题，最后概括了m i m o 技术的应 用现状。 1 0 上海大学硕士学位论文m i m o 通信系统中的自适应均衡技术研究 第三章移动通信系统中的无线信道 信道是发送端和接收端之间传输媒介的总称，它是任何一个通信系统不可或 缺的组成部分。按传输媒介的不同，物理信道分为有线信道和无线信道两大类。 在移动通信系统中，无线信道处于主要地位，例如个人移动通信、卫星通信等。 相对于平稳的、可预测的且衰减较小的有线信道，无线移动信道的特性变化是极 其随机的，尤其在通信终端运动的情况下，变化还十分剧烈。复杂、恶劣的传播 条件是无线移动信道的基本特性。影响信号衰减快慢的因素除了移动的速度外， 还有其它的因素，例如发送端和接收端之间的距离、传输环境、发射信号的带宽 等。如何准确的建立无线信道模型是移动通信系统设计中的关键。 3 1 移动环境下的几个效应 远近效应：由于用户的随机移动性，带来移动台与基站间距离的随机变化。 若各移动台发射功率一样，则到达基站的信号强弱不同，移动台离基站近信号强， 离基站远信号弱，出现以强压弱的现象。这种现象称为远近效应。 阴影效应：地形地物结构的遮挡所引起的接收半盲区。由于传输环境中的地 形起伏、大型建筑物及其它障碍物对电波遮蔽而形成阴影衰落。 多普勒效应：由于移动体的运动速度和方向引起传播频率的扩散，其扩散程 度与用户运动速度成正比。多普勒频移的大小与移动体的运动速度、运动方向、 到达电磁波的夹角和波长( 频率) 有关。如图3 1 所示，s 是远端的源信号，移动 体由于路径的变化，接收信号相位变化为： 西：型：兰坐c o s 口 ( 3 1 ) 驴= 一= - c o s l j 1j 五旯 其中，是移动台的路径差，v 是移动台速度，f 是所用的时间，0 是入射角夹角， a 是入射波波长。其频率的变化( 多普勒频移) 为： 厶= 盖= 盖c o s 0 ( 3 2 ) 上海大学硕士学位论文m i m o 通信系统中的自适应均衡技术研究 若移动台向着来波方向，力为正，背着来波方向为负。在多径条件下，弓 起多普勒频谱展宽。 s 图3 1 多普勒频移的产生 f i g 3 1g e n e r a t i o no f d o p p l e rf r e q u e n c y s h i f t 多径效应：由于无线信道中的反射、散射和绕射，使得经过传播后的发射信 号沿着多个不同的路径达到接收天线，因此接收信号的幅度和相位随着天线的位 置、方向和信号的到达时间发生变化，表现为快速起伏，即短期效应，也称多径 衰落。多径衰落分为：频率选择性衰落和非频率选择性衰落( 即平坦衰落) 。频 率选择性衰落是指传输信道对信号不同的频率成分有不同的随机响应，不同频率 信号分量的衰落不一致，引起信号的波形失真。而非频率选择性衰落是指信号经 过传输信道后，各频率分量的链路是相关的，具有一致性，多径信号为相干信号， 从而衰落波形不产生失真。当信号带宽大于相关带宽时，就会发生频率选择性衰 落，引起码间干扰，这在宽带无线通信系统中是极力要求避免的。而自适应均衡 技术通过将宽带频率选择性信道转化为平坦信道，来克服多径效应，简化接收机 设计，有效克服了这一系统瓶颈。 目前，自适应均衡技术已经成为一种非常有吸引力的消除码间干扰方案， g s m 等标准均选择自适应均衡技术以支持高数据率。在未来的通信领域，自适 应均衡技术