（通信与信息系统专业论文）mimo多天线技术研究.pdf

捅要 虽然第三代移动通信技术还没有应用到实际生活之中，但是新一代无线通信 技术已扑面而来，其无所不在、高质量、高速率的移动多媒体传输目标让人耳目 一新。然而，实现这一振奋人心的通信目标并非易事，常规单天线收发通信系统 面临严峻挑战，采用常规分集技术或智能天线技术己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。此时，多天线的无线通信技术为我们提供了 解决该问题的新途径，它在无线链路两端均采用多天线，能够充分开发空间资源， 在无需增加频谱资源和发射功率的情况下，成倍地提升通信系统的容量与可靠性。 本文首先介绍了m i m o 通信技术的相关背景及其信道模型，并对几种天线配 置下的信道容量进行了仿真分析；然后引入了空时编码的介绍，同时对基于垂直 分层编码的四种检测算法进行了性能比较，利用这些检测算法的仿真结果，分析 在不同天线配置下算法的可靠性。 关键词：m i m o 信道容量垂直分层编码检测算法仿真 a b s t r a c t t h em i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ( 3 0 ) t e c h n o l o 百e sa r cs t i l ln o t a p p l i e d i n t oo u rl i f e h o w e v e r , t h en e wg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e sa r ee m e r g i n ga n db o o m i n g , w h o s et a r g e to fp r o v i d i n gu b i q u i t o u s ，h i 9 1 1 q u a l i t y , a n dh i g hd a t ar a t em o b i l em u l t i m e d i at r a n s m i s s i o ns o u n d sm u c ha t t r a c t i v e o f c o u r s c , t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h i su n p r e c e d e n t e dt a r g e ti sn o ts oe a s y , a n dt h e t r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m su s i n gs i n g l e a n t e n n at r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n ga r c c o n f r o n t e dw i t has t i f fc h a l l e n g et oa c h i e v et h i st a r g e t t h ed e m a n d so fb o t hh i g h c a p a c i t ya n dh i g hr e l i a b i l i t yi nt h en e wg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r e n o te n o u g ht ob em e te v e nt h o u g ho n eo ft h et r a d i t i o n a li m p r o v e dm e a s u r e s ，s u c ha s t h et r a d i t i o n a lt r a n s m i td i v e r s i t y , r e c e i v ed i v e r s i t ya n ds m a r ta n t e n n at e c h n o l o g y , i s u s e d f o r t u n a t e l y , t h ec r e a t i v et e c h n o l o g y , n a m e l ym 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 ) ，h a sp r o v i d e dan o v e ls o l u t i o nt ot h i sp r o b l e m m i m om e t h o d sm a k eu s eo f m u l t i p l e a n t e n n aa tb o t ht h et r a n s m i ta n dt h er e c e i v es i d eo ft h er a d i ol i n kt om u l t i p l y t h ec a p a c i t ya n dr e l i a b i l i t yo v e rm o l et r a d i t i o n a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sb y f u l l ye x p l o r i n gt h es p a c er e s o u r c ew i t h i nt h es a m ef r e q u e n c yb a n da tn oa d d i t i o n a l p o w e re x p e n d i t u r e h o w e v e r , m a n ym o r ep r o b l e m sa r ee m e r g i n ga n du r g e n t l yw a n t e d t ob es o l v e di nm i m oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sd u et oi n t r o d u c i n gt h em u l t i p l e a n t e n n a c o m p a r i n g w i t ht h et r a d i t i o n a ls i n g l e - a n t e n n as y s t e m s i nt h i sp a p e r , t h em i m os y s t e mm o d e la n dk n o w l e d g er e l a t e dw a si n t r o d u c e d f i r s t l y w ea n a l y z e dt h ec a p a c i t yo fm i m oc h a n n e li nd i f f e r e n tc a s e s t h e nt h e s p a c e - t i m ec o d i n gw a si n t r o d u c e d ，s i m u l t a n e i t yw cc o m p a r e dw i t ht h ep e r f o r m a n c e o ff o u rd e t e c t i n ga r i t h m e t i ca n da n a l y z e dt h er e l i a b i l i t yo fs y s t e mi nd i f f e r e n ta n t c n n a s t a t i o n k e y w o r d ：m i m oc a p a c i t y v - b l a s td e t e c t i o na l g o r i t h m ss i m u l a t i o n 创新性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，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。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己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：凌维 日期纽生! l 趁 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；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) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 丛 野 日期2 1 1 星! ! ：西 日期丛g ：! ；：l j 第一章绪论 第一章绪论 无线m i m o 技术被认为是实现未来高速宽带无线i n t e m e t 接入网的关键技术 之一，在第三代( 3 g ) 乃至三代以后( b 3 g ) 的移动通信系统中有着广阔的应用 前景。常规单天线收发通信系统面临严峻挑战，即使采用常规分集技术或智能天 线技术己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。只有在 透彻了解无线移动通信的背景后，才可能寻求到无线通信领域的革新性技术以从 根本上解决无线通信系统的频谱利用效率和通信质量问题，而结合空时处理的多 天线技术带来了解决这些问题的新思路。它们包括天线分集技术与智能天线技术， 以及最终演进到的多入多出( m i m o ) 通信技术，这些先进的技术都值得我们仔 细研究。 1 1 本文的研究背景和意义 任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端都采用了多个天线或者天线 阵列，就构成了一个无线m i m o 系统。无线m i m o 系统采用空时处理技术进行 信号处理。在多径环境下，无线m i m o 系统可以极大地提高频谱利用率，增加系 统的数据传输率。 在传统的无线通信系统中，发射端和接收端通常是各使用一根天线，这种单 天线系统也称为单输入和单输出( s i s o s i n g l e i n p u t s i n g l e o u t p u t ) 系统，对于这 样的系统，c e s h a n n o n 提出了一个信道容量的计算公式【l 】： c = w l 0 9 2 ( 1 + s n )( 1 - 1 ) 其中代表信道带宽，$ n 代表接收端的信噪比，用矿归一化后，得到带 宽利用率： 叩= l 0 9 2 ( 1 + s 7 ) ( 1 2 ) 它确定了在有噪声的信道中，进行可靠通信的上限速率。以后的电信工作者 无论使用怎样的调制方案和信道编码方法，只能一点一点地接近它，却无法超越 它，这似乎成了一个公认的、不可逾越的界限，也成了现代无线通信的发展的一 大瓶颈。 随着目前移动通信的普及和广泛应用，加上未来i n t e r n e t 的要求无线接入， 用户要求大幅度地提高无线通信速率的愿望变得越来越强烈，因此必须设法突破 上述传统无线通信系统的容量界限。一般来说，提高移动通信的信道容量有三种 方法：( 1 ) 设置更多的基站；( 2 ) 拓宽己使用的频带；( 3 ) 提高频谱的使用效率。设 2 m i m 0 多天线技术研究 置更多的基站意味着增加更多的蜂窝，为此付出的代价较高。为了便于提高无线 通信的传输速率，也有人建议把目前使用的频带拓展到毫米波段，因为在毫米波 段有更宽的频带可供使用。但是就目前的技术的水平来说，这样做的代价还相当 昂贵，而且目前无线通信市场迫切需求的是介于u m t s 和w l a n 之间设备，它 们使用的是微波波段，对于u m t s 和i s m ( 工业、科研和医疗) 使用的频率在 2 g h z 附近，而w l a n 使用的频率在2 到5 g h z 。由此看来，合理的选择是设法 提高频谱的使用效率。 在传统的无线系统中，根据s h a n n o n 给出的信道容量公式，增加信噪比可以 提高频谱的使用效率，信噪比每增加3 d b ，信道容量每秒每赫兹增加1 比特。对 于单用户方案，信噪比主要和系统热噪声有关，而系统热噪声在通信期间基本保 持不变，如果增大发射端的发射功率，接收端的信噪比便随之增加，然而，不仅 是因为人的健康原因不推荐使用这种方法，而且还因为要设计一个功率放大器能 在很宽的线性范围内和很高的发射功率上工作，是件很困难的事情，而且当发射 功率很高时，器件的散热也成问题。在蜂窝( 多用户) 方案中，由于来自其他用 户的干扰电平通常高于系统的热噪声，所以在这种情况下增大发射功率似乎对增 加信道容量没有太大的帮助。 提高频谱使用效率的另一种方法是使用分集技术。如果发射端使用单根天线， 接收端使用多根天线，这种分集通常称为接收分集，也称之为单输入多输出 ( s i m o s i n g l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 系统，采用最佳合并的接收分集技术通常能 改善接收端的s n r ，从而提高信道的容量和频谱的使用效率。如果发射端使用多 根天线，接收端使用单根天线，这种分集通常称为发射分集，也称之为多输入单 输出( m i s o m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 系统，如果发射端不知道信道的状态信 息，无法在多发射天线中采用波束形成技术和自适应分配发射功率，信道容量的 提高不是很多。s i m o 和m i s o 技术的发展自然演变成m i m o 技术，即在无线链 路的两端都使用多根天线，e t e l a t a x l 2 和j f o s h i n i 3 j 分别证明了m i m o 系统与 s i m o 和m i s o 系统相比，可以取得巨大的信道容量，该信道容量突破了传统的 单输入单输出信道容量的瓶颈，是s h a n n o n 信道容量的推广。与目前已实现的信 道容量相比，有望提高几个数量级。因此无线m i m o 技术在第三代( 3 g ) 乃至 三代以后( b 3 g ) 的移动通信系统中有着广阔的应用前景。目前，无线m i m o 技 术己成为了无线通信领域的一大研究热点。粗略地说，使用m i m o 技术的好处在 于能创建多个并行的正交子信道、能综合使用发射分集和接收分集技术、能较大 地增加天线的增益等等。 第一章绪论 1 2 目前已取得进展和存在的问题 最近r r u 和3 g p p 已着手制定在3 g 和b 3 g 的移动通信中使用m i m o 技术的 有关标准。对于3 g ，m i m 0 及其相关的技术可以看成是用于提高数据流量、系 统性能和频谱效率方面的有力补充，目前具有很强的吸引力。与此相关的技术包 括自适应调制和编码、混合a r q 和快速蜂窝选择等。 1 2 1 目前已取得进展 在蜂窝移动通信中，目前还没有商用化的m i m o 产品，在3 g 中，除了使用 纯发射分集的解决方案( m i s o ) 外，也没有使用m i m o 技术。几年前，朗迅通 信技术公司己做过了m i m o 系统的早期实验，并成功地测试了两款b l a s t 芯片， 芯片的最高速度达到了1 9 2 m b p s ，而且b l a s t 研究小组最近取得了以前难以想 象的无线频谱效率：2 0 - , 4 0 b p s h z ，比较而言，使用传统的无线调制技术，对于蜂 窝移动通信系统取得的频谱效率为：l 5 b p s h z ，对于点对点的微波通信系统取得 的频谱效率为：1 0 1 2 b p s h z ，而且在3 0 k h z 的带宽内，b d l 实验室在上述的频谱 效率上实现了0 5 m b p s - , - i m b p s 的有效载荷数据速率，而使用传统的技术，在该带 宽内取得的数据速率仅为5 0 k b p s 。对于3 g p p ，表1 1 给出了在平衰落条件下， 2 , - 4 g h z 频段、5 m h z 载波间隔，在移动通信的下行链路中，使用m i m o 技术所 取得的峰值数据速率【4 j 。 表1 1 各种m i m o 信道的数据传输速率 ( m ，n ) t x 技术码速调制方式速率子数据子数据流数数据速率 流量量 ( 1 ，1 ) 传统3 46 4 q a m 5 4 0 k b p s 2 0 1 0 8 m b p s ( 2 ，2 ) m i m o3 4 1 6 q a m3 6 0 k b p s 4 0 1 4 4 m b p s ( 3 ，3 )m i m 0 3 4q p s k 1 8 0 k b p s 8 0 1 4 4 m b p s ( 4 ，4 ) m i m 01 28 p s k 5 4 0 k b p s 8 0 2 1 6 m b p s 1 2 2 仍存在的问题 自从t e l a t a r 和f o s c h i n i 在无线m i m o 系统中做出了开创性的工作以来，目 前在蜂窝无线系统、固定接入系统方面，己提出了各种实验性的m i m o 系统，尽 管在这方面已取得了较大的进展，但是距离m i m o 技术大规模投入商用的时间， 4 m i m 0 多天线技术研究 专家估计至少还要五年，因为还有许多实际问题需要解决，这些问题主要包括以 下几个方面： ( 1 ) 信道状态信息( c s i ) 获取和利用 如何准确地获取信道的状态信息并及时地反馈给发射机是m i m o 系统设计 中一个值得深入研究的课题，信道容量实际上是信道特征模式的函数，m o 信 道容量的实现将得益于知道信道状态信息的发射机，因为发射端可以利用信道的 状态信息或部分反馈信息依据注水原理而不是平均分配发射功率【6 】。而且，如果 已知信道的相关矩阵，还可以使信道编码、每一支流的比特分配和放大器的功率 管理做到最佳。 ( 2 ) 天线的数量和间距 天线的数量和各天线之间距离是m i m o 系统设计的关键参数，如果要实现 m i m o 系统的高频谱效率，后者更为重要。在基站安装大量的天线，对周围的环 境会造成一定的损害，因此天线的数量宜限制在中等的水平，例如4 根，它们之 间的距离般选择为1 0 个波长，这个距离稍微偏大，之所以要这样选择是因为基 站一般安装在较高的位置，不能保证总是存在能使衰落去相关的本地散射体。如 果使用双极化天线，在2 g h z 的频率上，1 0 倍波长的间隔，4 根天线占据的空间 约为1 5 米。对于终端，选择半个波长的天线间距足以保证有相当数量的不相关 衰落，因为终端一般处于本地散射物之间，而且不存在直接传播路径，终端天线 的最大数量预计为4 根，但是实际实现时，一般选择最小的数目：2 根。据计算4 根双极化天线要占据7 5c l n 的空间，这4 根天线可以非常容易地嵌入诸如笔记本 电脑的外壳中，然而对于蜂窝手机，即使是安装2 根天线也成问题。因为手机目 前的设计趋势是把天线嵌入到机壳中，目的是为了改进外观和增加产品的吸引力， 这使得天线间距要求成为一个非常严重的问题。 ( 3 ) 接收机的复杂性 m i m o 接收机与单天线接收机相比，复杂性明显要增加，具体表现在：( 1 ) 由于多用户、多天线的存在，消除空间干扰的空时合并器和信号检测器的设计变 得异常复杂，例如( 4 ，4 ) m i m o 系统与单天线接收机相比，复杂性要增加约2 倍。 f 2 ) 1 ：1 ：1 于m i m o 接收机受周围环境的散射影响，存在角度扩展和延时扩展，在均衡 和干扰对消方面需要增加一些附加的处理。( 3 ) m i m o 信道估计也要导致复杂性的 增加，因为整个信道矩阵的每一条路径延时( 在o f d m 中为每一个时隙) ，都需 要及时跟踪和更新，而不是只跟踪和更新单个系数。( 4 ) 额外的复杂性还来自增加 的r f 链( 与r x 天线的数目相等) 和相应的基带运算单元，还有接收机的隔离算 法等。对于蜂窝手机，电池的寿命长短也跟接收机的复杂性有关。 ( 4 ) m i m o 信道模型 m i m o 系统的性能，在很大的程度上跟所处环境的多径信号的性质有关，特 第一章绪论 别要受各条路径之间的相关度、时延扩展和角度扩展的影响，因此，了解和掌握 户内和户外环境中，无线m i m o 信道的特性，对实现潜在的巨大信道容量、取得 预期的性能、选择合适的系统结构和设计优良的信号处理算法至关重要。为此除 了一些必要的实际测量外，必须建立合适的信道模型，用于预测系统的性能和评 估算法的优劣。为了适应无线信道的时变特性，不仅需要建立m i m o 信道的静态 模型，还要建立特定的动态模型，因为提出新的和更具体的信道模型，可用于分 析现有的传输算法是如何影响系统的性能的，同时为适应这些更具体的模型要求， 是否能提出一些新的算法。传统的无线系统的传播模型己成为了标准【5 】，不过到 目前为止，i t u 还未制定相应的m i m o 信道模型标准，3 g p p 己制定出了有关 m i m o 的信道模型标准。 ( 5 ) 系统的集成和信号设计 m i m o 系统需要与现有的非m i m o 通信网络集成、向后兼容，即未来的m i m o 接收机应该是双模式的。为此，m i m o 的信号设计可以从特殊的无线资源控制 ( r r c ) 消息中，获得支持和帮助。例如，终端可以通过下行链路的广播信令来 知道基站是否处在m i m o 模式，同时，基站也需要知道终端是处在m i m o 模式， 还是非m i m o 模式，m i m o 通信链路可以在呼叫期间确立。另外，在非m i m o 模式通信中，终端也需要给基站提供反馈信息，随时报告信道的质量情况，如果 信道条件许可，基站便可安排m i m o 传输，这些下行和上行的r r c 消息一般放 在信令消息的第二层。 除上述因素外，还有其他一些因素也会使m i m o 系统的性能退化，例如：不 正确的信道估计、天线单元之间存在相关、较高的多普勒频移等。 1 3 本文的内容安排 第一章：绪论，简要地介绍了本文的研究背景和意义，回顾了目前无线m i m o 技术的研究和应用概况，包括目前已取得的一些进展和还存在的一些问题。 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，由此介绍了分 集技术以及智能天线技术向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 有关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问题：第一，不同信道数 情况下的信道容量比较。第二，m i m o 信道容量仿真，利用前面几章的分析，通 过m a t l a b 软件进行仿真。 6 m i m o 多天线技术研究 第五章：空时系统的检测算法，对四种接收端的检测算法在不同收发天线情 况下，以及是否采用干扰消除技术的情况下的系统性能进行仿真比较。 第六章：结论，对前面五章的内容进行概述性的总结。 第二章无线m i m o 通信技术概述 第二章无线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。 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【8 9 lo 】，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【8 】：利用多副接收天线来实现的。接收端天线之间的距离 d 旯2 ( a 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【8 j ：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 9 - 1 6 ：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 空间分集的特殊情况。 ( 4 ) 频率分集i s 】：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 m i m 0 多天线技术研究 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【i6 l ：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梨”1 “。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。发 射分集技术的研究主要集中在三个方面：反馈方案：即接收端显式或隐式地反馈 信息给发送端的方案；前馈方案：即发送端采用线性处理、接收端利用最优合并 并且只训练不反馈的方案；盲方案：即无需前馈或反馈的方案。 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 i v l o 无线通信技术r 丌。 2 2 1 传统天线向多天线技术的发展 传统无线通信系统采用一副发射天线和- n 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【l l ： c = w l 0 9 2 ( 1 + p l h l 。) b i f f s h z ( 2 1 ) 式中，c 是香农容量，p 是接收天线的信噪比，h 是归一化信道复增益，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 第二章无线m i m o 通信技术概述 9 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【8 】。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，以寻求突破s h a n n o n 容量限 制的途径。 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 0 ) 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 l 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，其信道平均容量为口4 】： 一n c = l 0 9 2 0 + 导蚶h j ) b i v s h z ( 2 2 ) i = 1 式中，h i 是第f 副发射天线到接收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 1 m o 系统，其信道平均容量为： c = l o g ：( 1 + p 盯) b i v s h z ( 2 3 ) i = 1 式中，h j 是发射天线到第f 副接收天线的子信道复增益。以上表明，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 1 0 m i m 0 多天线技术研究 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【4 】o 2 2 3m i m o 无线通信技术“阳 m i m o 无线通信技术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 系统在发送端与收收端均采用多天线单元，运用先进的无线传输与信号处理技术， 利用无线信道的多径传播，开发空间资源，建立空间并行传输通道，在不增加带 宽与发射功率的情况下，成倍提高无线通信的质量与数据速率，首次突破s h a n n o n 容量壁垒，为无线通信勾画出了美好的前景，堪称现代通信领域的重要技术突破。 实际上，m i m o 无线通信技术己非传统智能天线技术，其优势己非常规智能 天线所及。智能天线采用加权选择算法驱动波束指向，通过将能量聚集到期望方 向而提高平均信噪比，抑制而不是利用多径传播。f o s c h i n i 在1 9 9 6 年的开创性文 章里首次指出【1 8 l ：如果用于描述具有n 副发射天线与m 副接收天线的无线链路 的m n 信道矩阵的元素是完全独立衰落的，则该系统的容量随最小天线数目线 性增长，而不是采用智能天线下的对数增长，即： 厂厂、 c = l 0 9 2 ld e t ii + 导册”| | b i t s h z ( 2 - 4 ) l “ j 当天线数目较多时，平均容量为： cz m i n ( m ，忉l 0 9 2 ( 1 + p ) b i t s i - i z ( 2 - 5 ) 式中，c 是s h a n n o n 容量，p 是各接收天线的信噪比，上标h 表示复共轭转置， h 是m n 信道矩阵。上式表明，理论上，对于理想的随机信道，如果天线的空 间和成本不受限制，m i m o 系统就能提供无限大的容量。与m i s o 与s i m o 系统 相比，m i m o 系统的容量提升几乎难以置信，它是空间维度充分结合时间维度的 结果，即采用空时编码的数据流利用矩阵信道而不是智能天线系统中的向量信道 传输数据。 m i m o 技术利用了无线信道多径传播的固有特性：在无线通信中，如果在发 送端与接收端同时采用多天线系统，只要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，各对发一收天线单元间的多径衰落就趋于独立，即各 对有效的发一收天线间的无线传输信道趋于独立，进一步，这些同频率、同时间、 同信道特征码的子信道趋于相互正交。具有n 副发射天线与m 副接收天线的 m i m o 系统，其系统框图见下图。发射数据流s 、被分离为n 路子数据流，在调 制与射频前端处理后以相同的频率分别从n 副天线同时发射出去。经无线信道的 散射传播，这些并行子流从不同路径到达接收机，由m 副接收天线接收，接收机 第二章无线m i m o 通信技术概述 采用先进的信号处理技术对各接收信号联合处理，可恢复出原始数据流。 信 号 处 理 发送天线接收天线 图2 1m i m o 无线信道系统框图 相比之下，一些智能天线系统( 如基于干扰抑制的波束形成) 在直视( l o s ) 或近似直视传播条件下的性能更优，而基于分集的智能天线在非直视环境下虽具 有较好的性能，但是它对多径传播的机制在于抑制而不是利用多径。m i m o 无线 通信系统借助多径传播建立空间并行传输通道，采用各种空时编码方案实现发射 分集与接收分集，获得相对常规无线通信系统明显的复用增益与分集增益，其有 效的并行数据通道显著提升信道容量。这使m i m o 技术成为不断涌现出的无线 通信技术中最具有潜力的技术，开辟了实现无线通信系统高速传输的重要途径。 对于m 1 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， 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。 m i m 0 多天线技术研究 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 4m i m 0 系统中的分集和复用 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 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9 1 ，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 ) 1 2 0 , 2 1 捌，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念阱】，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，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【l 引，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 第二章无线m i m 0 通信技术概述 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。 2 2 5m i m o 无线信道建模 m i m o 系统利用无线信道的多径传播，开发空间资源，建立空间并行矩阵传 输通道，利用空时联合处理提高无线通信系统的容量与可靠性然而，决定空时处 理性能的关键因素在于无线传播信道的空时特性。研究表明1 1 8 1 只有在无线信道散 射传播的多径分量足够丰富，各对发一收天线单元间的多径衰落才趋于独立，从 而信道矩阵才趋于满秩：如果散射不够丰富或天线单元间距较小等，多径衰落将不 完全独立，信道矩阵也非满秩，m i m o 信道的空间优势得不到充分发挥，m i m o 系统传输方案的性能将下降，即信道传播条件决定了m i m o 系统的信道容量。一 方面，需开发更加稳健的空时处理算法，比如空时编解码、空时均衡与m i m o 收 发信机算法，另一方面，需开发m i m o 无线信道模型以模拟各种实际信道条件、 评估各种空时处理算法的相对性能、仿真与优化设计高性能的通信系统。 先前的研究工作主要在于开发s i s o 无线信道模型。然而，并不能直接将这 些模型拓展到m i m o 应用中，因为m i m o 信道模型必须将空域信息直接或间接 刻画出来，比如，散射分布、角度扩展、收发天线方位、达波角与去波角等。自 从1 9 9 8 年e n c l 等发表对空间信道模型的综述文章以来，m i m o 无线信道建模一 直就是研究的热点，己有大量文献对该领域进行了深入研究，为评估与开发空时 处理算法、仿真与设计高性能的通信系统提供了极大的帮助，促进了m i m o 通信 技术的发展。 2 2 6m i m o 系统中的多天线设计 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， 1 4 m i m 0 多天线技术研究 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 取决于各天线单元接收信号的独立程度，即相关性，而多天线间的相关性与散射 传播及天线特性密切相关。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【。 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