（通信与信息系统专业论文）移动通信系统中容量问题的研究.pdf

中国科学技术大学博士论文摘要 摘要 这篇论文研究的核心内容是移动通信系统中的容量问题。论文首先介绍了移动通信中 依次出现的单天线收发( s i s o ) 系统，单入多出( s 讧o ) 系统，多入单出( m i s o ) 系统 和多入多出( m m l o ) 系统以及它们目前的核心技术特点研究现状和尚未解决的问 题。进一步地，论文介绍了时不变信道下单天线收发系统和多天线系统的基本系统模型、 容量和容量的极限性能，给出了容量研究中已有的重要的相关结论。 针对硬切换和软切换的s i s o 线性小区系统的下行容量，论文分析了些关键参数对这 两类系统容量的影响，并逐一提出了从数学上解决这几个关键容量参数问题的方法，推导 出了它们最终的数学表达式，从而解决了硬切换和软切换的s i s o 线性小区系统下行容量公 式的完备性问题。同时论文还提出了s i s o 线性小区系统的三个界和三个变动范围。 基于闭环m m i o 系统的系统模型，论文首次提出了使用率失真理论研究闭环m i m 0 容 量的研究方法，推导出了反馈信道速率和闭环m m l o 容量增益之间的数学关系。通过理论 分析和仿真结果，论文得到了比较重要的一些结论，并给出两者在不同天线数，信噪比， 中断概率下的变化规律。论文的这些研究成果从数学上描述了闭环m d d o 系统提供的附加 信息量对反馈信道速率的依赖性，并为折衷闭环m 订0 容量增益与反馈信道速率提供了基 础性的依据。 对导频辅助的闭环m d 讧o 系统论文建立了其通用系统模型。基于此模型，论文描述 了一种通用的导频辅助方案，并对导频和数据的复接波形作了详细阐述。在论述了论文提 出的反馈信道的一般性之后，论文对信道响应做最大似然估计，推导出了反馈信道速率与 导频辅助的闭环m m l o 容量之间的数学关系以及反馈信道速率的下界和上界，并对此数 学关系，下界和上界做了相应的分析。通过仿真，论文对不同反馈信道速率，天线数，信 噪比，中断概率，导频功率和相关时间下的导频辅助的闭环m n 垤o 系统做了比较，并详尽 刻划和比较了导频辅助的闭环m m o 容量，开环m m i o 容量和充水m i m o 容量的统计特 性。论文的这些理论研究成果，以及相应的结论，规律总结和数值结果，对于基于全局考 虑反馈信道速率，天线数，信噪比和导频辅助的闭环m d d o 容量的系统设计有指导意义， 也可以作为导频辅助的闭环m d d o 系统性能的基准指标或更加复杂的系统的基准参考性 能。 论文所作出这些研究成果和贡献，使s i s o 线性小区系统和m 讧0 系统的理论容量的 研究更加完善，并对它们在实际移动通信系统中的应用有着指导意义。 关键字：容量，移动通信，单天线收发，反馈信道速率，闭环多入多出系统，导频辅助 第1 页共1 1 4 页 中国科学技术大学博士论文abs”act a b s t r a c t t h i sp a p e rf o c u s c so nt h ec a p a c i t yo fm o b j l ec o m m u n i c a t i o ns ”t e m s f 妇，t h i sp a p e r m o d u c e ss i s o ( s i n g i e - h l p u ts i n g l e o u 叭0 ，s i m o ( s i n g l e i n p u tm u i t l p l e o u t p u t ) ，m i s o ( m u l t i p l e - i n p u ts i i l g l e 旬u t p u o ，蛆dm i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e 咖讪ds y s t e 黜0 nt h e j rk e y t e c t l l l i q u e s ，r e c e n tr e s e a r c ha n do p e np r o b l e n l s t h e n ，m i sp 叩e ri n 吣d u c e sm eg e n e r i cs y s t e m m o d e l s ，t l l ec a p a c i 廿e sa l l dt h eo 叩觚i t yh m i 协o ft i m e i v 耐a n ts i s oa n dm u l t i - 柚i e n n as y s t 即黯， f o n o w e db yaf e wi m p o r t a n tc o n c l l l s i o n s f o rd o w n l 址c a p a c 移o f 壬壬 o ( h a r dh a n d o v e ，a n ds h o ( s o 矗h a n d o v e f ) l c s s ( “n 韵r c e l l u l a rs y s t e m s ) ，血i sp 印e ra n 8 l y s e st h ee f 斑c to fs e v e r 8 lk e yp a r a m e t e r so nt h ec a p a c i t y ，a n d d e r i v e st h em a m e m a t i c a le x p r e s s i o n so ft h ep m m e t e 取w l i i c he r 吼l r e sm em a t l l e m a n c a li n t e g d t y o f d o w 【l l i n kc a p 8 c 时f o r 删o 柏ds h ol c s s f u m 幛n n o r e ，t i l j sp a p e ra i s op p 叩o s e s l i b o d s d l l r e er 捌r g e sf o rl c s s b a s e do ns y s t e mm o d c lo f c l - m 讧0 ( c l o s e d l o 叩m 蹦0 ) ，t 蛐sp a p e rj 尬o v a 廿v e l yp f 叩o s e s ar s e a r c hm e l l l o do fa p p l y 曲gn t e d i s t o n i o nt i l 曲r yt oc l m i m oc a p a c i 竹，舡l dd e w sl l l e m a m e r m t i c a l l a t i o 】惦址po ff e e d b 们km t ea n dc l m i m oc a p a c i t yg a j n t 哪g h 廿1 e o r e 垃c a l a n a l v s j s 柚ds 咖l a 缸o n s e v e l 甚1c r u c i a lc o n c l 嘴i o n sa r ed f a w 卸d 出en u m e c a l “翮l t so f 出er a t e 蚰dl l l eg a i na td i 施r e n tn u m b e r so f 蚰t e n n 船，s n r s 蛐do u 协g ep r o b a b i l i 妙叭p r o v i d e d t h e a b o v er e a r c hr e s u l t sm a t h e m a t i c a l l yd e s c b e 血ed 印e n d 柚c y o f 血ea d d i t i o n a li n f 撕n a t i o no nt i l e r a t e ，a n dp m “d eab a s e i i n et ot r a d e o f f t i l ec a p 时g a i na 1 1 d ( h ef a t e f o rp i l o 卜髂s i s t e dc l - m i m 0s y s t e m s ，t h i sp a p e rf b r m sag e n e d cm o d e lo f 血es p 钯j m ，b a s e d o nw b j c ha 职n e r a lp j l o t - a s s i s t e ds c h e m ei sd e s c r i b e da ，l dw a v e f o 盯r l so f m u 撕p l e x e d 仃a n s m i s s i o n a r ei l l u s 们t e d t h e n ，岫p 印e re m p l o y sm l ( m a x 吼啪l 妇l i h o o d ) 髂t i m “o nf o rc h 咖e l r e s p o n s 锄dp r e s e n t st h em a t l l e i n a t k a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e n 脚d b a c kr a t e 柚dp i i o t a s s i s t e dc l m 删oc a p a c i 坼r m h e r n l o 阼，l o w 盯a n du p p e rb o u n d so ft h er a e8 f ep r e s 船t e db a s 。do n h e r e l a t i o n s h i p b ys i m l a t i i l gm ec a p a c i t y 柚dt l l eb o u n d sf o rv 鲫o u sm l m b e f so fa n t e l 1 n a s ，s n r s ， o u t a g ep r o b a b i u t ya n dc d h e f e n c et i m e ，t h i sp a p e rd e 渊曲e sa n dc o n 单a r e s 也ep i l o t a s s i s t e dc l - m i m oc 印a c i t y ，i l l ep i l o t a s s i s t e d0 l - m 订0 ( o p 锄- k 吣pm d 以o ) c 印a c 时a i l dt i l ep i i o t a s s i s i e d w f m i m o 州咖r _ f i l l i n gm 砌o ) c a p a c 吼t h e 籼v et i i e o 枷c a lr e s u l t s ，也er e l e v a i l tc o n c l u s i o n s a n dn l en 啪e r i c a lr e g u l t sc o h 耐b u t et os y s t e md e s i g nb 够e do no v e r a l lc o n s j d e m 吐。士l so fm e f e e d b a c kr a t e ，t h es n r ，t h en u n l b e ro fa n t e n 船sa n d1 1 l ec a p a c i 饥w h i c hc 她a l s ob ea p p l i e dt 0 e v a l l l a t ep m c n c a lp i l o 协站i s t e dm m os y s t e 娜a sab e n c a r k t h ea b o v ef 船e a m hr 鼯u l 括a n dc o n 缸b u t i o n s m a k et h e t h e o f e 蛀c a lr e s 翎r c ho ns i s oa i l d m 【m oc 印a c i l ym o r ec o m p l e l e ，粗dg i v ec o l l s i d e r a b l yh n p o r t a l l ti n s t n l c t i o n st op r 神廿c a ls y s t e m d e s i g nf o rm o b i l ec o m i c a 咖s y s t e i 璐 j h d “，h 刖悖：c a p a c i t y ，m o b i l ec o m m 帅i c a t i o n ，s i s 0 ，雠曲矗c kr a t e ，c l _ m i m o ( c l o s e d - l o o pm i m o ，p i l o t - a s s i s t e d 第1 i t 页共1 1 4 页 中国科学技术大学博士论文 第1 章绪论 第1 章绪论 提要：本章按照移动通信的发展，介绍了依次出现的单天线收发的移动通信系统。单 入多出和多八单出的移动通信系统，以及多八多出的移动通信系统。同时，本章介绍了它 们目前的核q 技术，研究现状和尚未解决的问题。最后，在这些介绍的基础上，本章提出 了论文的研究内容和结构安排。 1 。l 单天线收发的移动通信系统 移动通信最初的发展，经历了从模拟到数字的巨大变革。最早的模拟移动电话投入市 场后，使个人通信服务系统大批量地出现，诞生了第一代移动通信系统( 怂o s 等) ，即 模拟移动通信系统。其后从上个世纪9 0 年代开始，移动通信飞速发展，第二代移动通信 系统曰趋成熟，它是在克服第一代模拟系统不足之处的基础上发展起来的通常采用单天 线收发( s i s o ，s i n g l e h 1 呻ts i n 9 1 e - o u l p u t ) 技术，构成单天线收发小区系统。同时它采 用了数字信号处理技术，其多址方式采用了时分多址( t d m a ) 频分多址( f d m a ) 和 码分多址( c m d a ) ，如全球移动通信系统( g s m ) 、个入数字蜂窝( p d c ) 以及i s - 9 5 ( i n t e d ms t a l l d a r d9 5 ) 等，它实现了全球无缝覆盖和全球漫游以及多种移动通信制式的 融合。基于大规模集成电路的发展，单天线收发的移动通信系统得到了飞速发展，移动通 信的用户数量迅速增长，1 9 9 7 年全球移动用户为2 亿，2 0 0 4 年达1 4 亿，而到2 0 0 7 年将达 1 8 亿。 到目前为止，世界范围内出现了许多第一代和第二代移动通信系统标准，表1 1 到表 1 3 列出了北美、欧洲和日本的最通用的标准，这些标准中有些是可咀合并的。其中，欧洲 各种蜂窝系统彼此闻是不相容的，因为采用了不同的频段和逶信协议，目前这些系统已 经被欧洲全球移动通信系统所取代。 表1 1 北美的移动通值系统标准 标准类型开始时间多址方式频段调制信道带宽 a m p s 蜂窝 1 9 8 3 f d m a 8 2 4 8 9 4 m h z f m3 0 k h z n a m p s 蜂窝 1 9 9 2 f d m a 8 2 4 8 9 4 m h z f m1 0 k h z u s d c 蜂窝 1 9 9 lt d m a8 2 4 8 9 4 m h zn 4 3 0 k h z d q p s k c d p d 蜂窝 1 9 9 3n 伊a c h t8 2 4 8 9 4 m h zg m s k3 0 k h z i s - 9 5 蜂窝， 1 9 9 3c d m a8 2 4 - 8 9 4 m h zq p s k ，b p 1 2 5 m h 2 个人1 8 g h z - 2 o g h z s k 通信 服务 f l e x 寻呼 1 9 9 3苴一 若干 4 f s k1 5 k h z 第l 页共1 1 4 页 中国科学技术大学博士论文 第l 掌绪论 g s m 个人 1 9 9 4t d m a1 8 9 i 。9 9 g h zg m s k 2 0 0 k h z 通信 服务 p a c s 无绳 1 9 9 4j r d m al8 s 19 9 g h z ，4 一 3 0 0 k h z 个人，f d m a d o p s k 透信 服务 m 巧噶s m a 1 9 9 4 t d m a 若干1 6 q a m 2 5 k f 2 ，个人 通信 服务 表1 - 2 欧洲的移动通倍系统标准 标准类型 开始时阍 多址方式频段 调剁 信道带宽 e ，t a c s 蜂窝 1 9 8 5f d m a9 0 0 m h z蹦2 5 z n m t - 4 5 0 蜂窝 1 9 8 lf d m a4 5 0 - 4 7 0 h m z f m2 5 k h z n m t _ 9 0 0 蜂窝 1 9 3 6f d m a8 9 0 9 6 棚z蹦1 2 5 k h z g s m 蜂彰 1 9 9 0t d m a8 9 0 母6 0 m h zo m s k2 0 0 融 个a 通信 掘务 g 4 5 0 蜂窝 1 9 8 5f d m a4 5 0 珥6 5 m h z踟2 0 k h z ，1 0 k h z e r m e s 寻呼1 9 9 3蜀) m a 著手 4 s k2 5 k h z g t 2 无绳 1 9 8 9f d m a 8 6 4 8 6 8 m h zg f s k 1 0 0 k h z d e c t 无绳 1 9 9 37 d m a拈8 0 - 1 9 0 0 m h z( 枣s k1 7 2 8 瑚z d c s 1 8 0 0 无绳，1 9 9 3t d m a1 7 l 叭1 8 8 0 m h 2g m s k2 0 0 k i z 个人 适信 服务 袁3 目本的移动通信系统标准 标准类型开始时间多址方式频段 调制信道带宽 j t a c s 蜂窝 1 9 8 8f 】) m a8 6 0 - 9 2 5 瑚zf m2 5 k h z p d c 蜂窝 1 9 9 3t d m a8 l0 _ 1 5 0 l 砌z 口 4 一 2 5 l h z d q p s k n 下r 蜂窝 1 9 7 91 d m a 4 0 0 ，8 f m2 5 k h z 第2 页共1 1 4 夏 中国科学技术太学博士皓空第l 章绪论 n t a c s 蜂窝 1 9 9 3鞴m a8 4 3 - 9 2 5 m zf m1 2 5 k h z n t t寻呼 1 9 7 9f d m a2 8 0 m h zf s k1 25 k 珏z n e c寻呼 1 9 7 9f 0 m a 若干 f s k1 0 k h z p h s 无绳 1 9 9 3t d m a1 8 射1 9 0 7 m h ze i a 3 0 0 k h z d o p s k 1 2 多天线的移动通信系统 1 2 1 单入多出和多入单出的移幼通信系统 随着倍息技术的发展，语音通信已不能完全满足移动用户对信息交流的需要，移动用 户希望能随时随地获取除语音之外的数据、视频和翻像等信息并掘出了对更高容量、更 高服务赓薰的高速通信的嚣求，这极大地推动7 第兰代移动通信系统的出现和发屣。 第三代移动透信系统可努提供移动高速业务，雠括高速移动环境( 轴d ：5 0 0 靶赫， t d d ：1 2 0 l 皿，h ) 支持速率为1 4 4 k b p s 的业势步行移动环境( 3 0 k r n m ) 支持速率为 3 8 4 k b p s 豹业务，室内环境( 3 h n m ) 支持遥率选2 m b p s 酶业务。其中。具有代表性韵是 南欧洲e t s l 的w c d m a 系缝和荧屋引a 的c d m a 2 0 0 0 系统 1 】t 其具体参数如袁j 珥。 蓑1 。4 w c o m a 和c d 舢峻o 系统 参数 w c b m ae d m a 2 0 9 0l x 玛片速率38 4 m 印s1 2 2 8 8 m c d 8 载渡间隔 5 m h z1 2 5 ，5 m h z 赣长1 0 m2 0 m 3 基站的固步异步弼步 1 9 0 8 年马霹尼提出了用多天线来抑制信道衰落，到上世纪7 0 年代。己有人提趣将多天 线用于移动遵信。在第三代穆动通信系统中。多天线拉术褥到了实际的应用。多哭线技术 的两个子爨，单人多出( s d 讧o s i t l 9 1 肾h p u tm u l l j p l e j 0 u t p u t ) 和多入单出( m l s 0 ， 砌印b h l p t l ts f m g l e 心l 鲫n ) 系统，它们的多种传输技术已被篇兰代移动通信系统轹准他。 这些传输技术的巍用，提高了系统白勺容囊鞠覆盏蓟积，其提供的空闻分寨还可毅显著改善 觅线链路性能。以w c d m a 标准为倒，在3 g p p 中标准的基本配置为基站使用两天线，移 动台使用单天线。这样w m a 的下行链路鞫成了多入单出系统，而且根据不同的信道 环境和折衷要求，此系统可以自由选择六种分集估袖方式：空时传输分集( s t 物) 、时间 切换传输分集( t s t d ) 、 l l 环传输分集毒( c l 狮4 ) 、闭环传辕分集- ( c l 肋h ) 、软 切换分集，以及站点选择分集传输( s s d t ) 。不难理解，w c d m a 的上抒链路。对每个移 动用户构成了单入多出系统，可以采用最太比台井( h 讯c ) 、等增益合并( e o c ) 戤选择 努集台并( s d c ) 以提高系统性能。 第3 嚣共1 1 4 页 中国科学技术大学博士论文第l 章绪论 1 2 2 多入多出的移动通信系统 随着互联网的蓬勃发展和用户需求的进一步提高未来移动通信系统要求提供包括实 时流媒体业务在内的更广泛类型的因特网服务，支持更高速率的多媒体业务，而且可以为 各种业务提供大范围动态变化的传输速率。 为了满足这种需求，不仅第三代移动通信系统自己不断向更高的容量的系统( b e y o n d 3 g 35 g ) 演进，如h s d p a 口i g hs p e e dd o w n l i i l l ( p a c k e ta c c e s s ) 2 ，3 】，而且其它有关35 g 甚至4 g 系统方案也正不断涌现。在这些系统中，数据传输的速率普遍高达2 0 m 一 1 0 0 m b p s ，这对现有的移动通信技术提出了新的挑战。 1 9 9 5 年，t e l a 诅r 给出了在衰落情况下的多入多出( m 讧o ，m u l t i p l e h l p u tm u l d p l e ， 0 u p u t ) 系统获得的高容量 4 】。t e l a t a r 的研究表明，m d 0 系统能在不增加带宽的情况下 成倍地提高通信系统韵容量，利用多个收发天线充分开发空闯资源。在不需要增加频谱资 源和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高容量。利用m d o 技术提高容量的同时，还 可以提高信道的可靠性。降低误码率。因而，在未来移动通信的物理层，人们对m d d o 系 统寄予厚望，将其视为移动通信领域的重大突破。 1 2 2 1m 讧0 系统的容量分析 m i m o 系统可被定义为具有多发送天线和多接收天线的系统( 也可以认为，广义的 m i m o 系统包括s i m o 系统和m i s o 系统可以将它们视为m 口江。系统在不同天下数配置 下的特例) 。 图1 】所示为m d d o 系统的原理图。传输信息流经过时空编码等处理流程，形成m 个 信息予流。这，个子流由m 个天线发射出去，经空间信道后由，个接收天线接收。多天 线接收机利用时空信号处理。能够分开并解码这些数据子流，从而实现高容量的最佳接 收。接收端相应的算法有迫零算法( z f ) 、最小均方误差算法( m m s e ) 和最大似然算法 ( m l ) 等 5 7 】。迫零算法是一种线性接收方法，可以很好地分离同频信号，但是需要有较 高的信噪比才能保持较好的性能。最小均方误码算法可以使由于噪声和同频信号相互干扰 造成的错误最小，尽管它降低了信号分离的质量，但具有较好的抗噪性能。最大似然算法 接收性能最好，但是计算复杂性高，在对于实时性要求较高的无线通信中常常不能满足要 求。 v ” v 2 1 v m 。l x 2 x 。 图1 1m i m 0 系统原理图 第4 页共1 1 4 页 中国科学技术大学博士论文 第l 章绪论 需要注意的是，这m 个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带。并未增加带 宽。若各发射接收天线间的信道响应独立，则多入多出系统可以构建多个并行空间子信 道。通过这些并行空间子信道独立地传输信息，极大地提高了数据速率。 m n 订o 系统将无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现了高的通信容 量。理论研究表明，对于准静态、平坦独立的瑞剥衰落信道，发送天线数为m ，接收天线 数为的m m 帕系统，只要接收天线数火于发送天线数，则在功率固定和天线数较大时， m d d o 系统的容量随着发送天线数的增加而线性增加【4 ，8 】。m m i o 系统的优势在于每个输 入数据流( 相当于一个虚拟的用户) 不需要频率上的扩展就可以达到近似正交的空间特性 ( 取决于信道的衰落相关特性) ，所以节省了在移动通信系统中最宝贵的频率资源，在不 增加带宽和天线发送功率的情况下，成倍地提高了频谱利用率。 l - 2 2 2 目前m d 订o 主要的研究方向 为了开发出m 讧0 的高容量，目前的m i m o 研究集中在将m d “o 高容量实用化，切 实地将它应用于未来移动通信系统中。为了达到这个目的，目前m m i o 研究的主要方向 有：容量研究和信道建模时空信号处理和时空编码，选择天线发射接收，未来分组网络 中的应用，以及实际系统的可实现性。 容量研究和信道建模 在考虑更多因素影响下的m 讧0 系统，它们的理论容量还有待进一步研究。如果有这 方面的研究成果将是所有实用化研究的基础，能为实际系统提供很好的基准，并能为提 高系统容量指明方向。 m d d o 研究还需要考虑实际的信道模型。经典的理论约定天线之间的信道互不相关， 而且信道矩阵是一个满秩矩阵而m m 幻系统的性能很大程度上取决于无线传播环境，所 以正确建立室内，宏小区和微小区的信道特征模型是研究m n d 0 系统的重要方向。既然实 现m n “o 系统实际容量的关键在于建立更准确的信道模型，这就必须首先考虑环境中无线 电波的各种教射情况【9 1 l 】。同时需综台考虑的因索还有：发射和接收天线阵列的形状、天 线问的距离，接收信号的角度扩散衰落之间的相关性，多径分最。以及天线的极化等。 不仅如此所建模的m 订o 信道的一阶和二阶统计特性应该与现场实测的数据尽可能地吻 合，在文献【1 2 中有m 瑚。信道建模的一些基本的研究结果，新修正的模型使得香农容量 可以看做传播环境的函数，这样更贴近实际无线信道。 时空信号处理和时空编码 目前m m o 领域另一个研究热点就是时空信号处理和时空编码，常见的时空编码有时 空分组码和时空格码。时空编码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分 集和时润分集，从而降低信道误码率提高m d d o 系统的实用性。 1 9 9 8 年t a r o 妨等讨论了用于m 订o 系统的时空编码【1 3 】，他把编码调制与分集综合考 虑，减少了接收端复杂度，提出了构造准静态瑞利衰落信道下满分集增益和高编码增益的 第5 页共1 1 4 页 中国科学技术大学博士论文 第l 章绪论 系列准则。t a f o l c l l 提出的时空分组码技术在发送端对几个连续发送符号作简单的正交编 码，接收端只要采用线性台并就可以获得最大似然译码，并可实现最大的发送分集增益。 t a f o l c h 的工作受到各国学者的注意，使得时空信号处理和时空编码的研究工作得到了 迅速发展。此后，研究者们不断地提出新的或改进的方法。改进发射机和接收机的编解码 结构，以改善m i m o 性能，减少空时编码系统复杂性，更好地适应未来移动通信系统的容 量需求。这方面已发表了相当多的文献，如h o c h w a l d 等提出了一种针对分段恒定衰落信道 的新的信号调制方法，u n i t a r y 空时调制 1 4 ，1 5 】，这种方法可以在不估计信道传输矩阵的条 什下，很好地进行m d d o 信号处理。随后h o c h 、a l d 又将该方法推广到连续衰落信道情 况，提出了微分u n i t a r y 时空编码。 时空编码的另一个重要的研究成果是1 1 i l l b o 码结台网格编码调制( t c m ，1 h l l i s c o d em o d u l a i i o l l ) 技术，它可以克服帧误差率随帧长增加而增加的问题并可大为降低码 结构和信道结构的相互作用。这个技术的优点引起了后续的学者的广泛注意，比如，一些 文献新提出了采用软对消方式实现的瓜b o 编码与时空算法结构结合的m d 讧o 处理方案 【1 6 ，1 7 】。 选择天线发射，接收 在低散射环境当中，信道的秩由于实际传播路径的减少可能小于发射杌或接收机的天 线数，此时只有部分天线形成的信道对容量是有贡献的。在这种低秩信道采用选择天线发 射，接收更具有实际意义，因为此时采用全部天线发射不仅浪费了射频单元，而且浪费了发 射功率。典型的m i m 0 系统，发射机和接收机同时使用所有的天线发射或接收，这就要求 使用与天线一样多的射频链路，这大大增加了系统的硬件成本。由于与射频链路相比天 线振子成本很低，因此可以采用选择天线发射，接收的方法，用相对较少的收发射频链路支 持较多的天线，从而使m 蹦0 系统不再完全受射频成本的限制。 文献【1 8 ，1 9 】针对低秩信道分别提出了最优和次最优选择天线发射的方法，仿真结果表 明。最优选择方法可以用部分发射天线实现系统最大容量，次最优选择方法也可以在降低 计算量的情况下，达到满意的容量结果。文献 2 0 】将天线选择技术扩展到发射机和接收机 并与时空分组码相结合，进一步提高了m h 幢o 系统的信噪比。文献 2 l 扮析了不相关衰落 信道中选择天线发射接收对信道容量以及误码率的影响，结果表明。选择发射，接收方法以 很小的性能损失换取了射频成本的大量降低。文献 2 2 】研究了低秩信道m 皿讧o 通信系统 中，天线选择对系统容量的影响，它的研究表明，当系统处于低散射环境时采用选择天 线发射的方法可以增加容量，而选择天线接收不会增加信道容量，而且得出天线的最佳选 择与信道结构有关，对于不同的信号出发角和到达角，要求选择不同的天线和准则以使容 量最大。 未来分组网络中的应用 虽然目前的m h o 还有相当的局限性。比如存在额外的射频开销、收发天线的体积较 大等，但是其下一个应用领域无疑是新一代宽带分组交换的移动通信网，目前这方面需要 做的工作是：研究开发适合蜂窝网络的m 证o 链路，以提高频谱效率、扩大小区覆盖范 围、提高传输质量 2 3 ，2 4 】；设计利用m m l 0 信道实现在降低干扰和提高速率之间最优的折 第6 页共“4 页 中国科学技术大学博士论文第l 章绪论 衷算法：减少附加天线所带来的干扰；对m i m o 的物理层和m a c 层主要功能进行分析及 对二者之间的跨层相互作用进行联台优化等等 2 5 。 实际系统的可实现性 实际系统的可实现性是m d o 容量研究的另一个重点。 如b e l i 实验室的最早的m o 实验系统，采用了8 发送天线，1 2 接收天线，工作频率 为1 9 g h z 频谱利用率达到了2 5 9b i t s m 如。这个系统的实现，对推动m d “o 成为未来移 动通信中极具竞争力的技术产生了深远的影响。 针对实际系统，第一个必须考虑的因素是天线问题。在m i m o 的系统设计中，天线的 数目和间距是很重要的系统参数。具有多天线的基站更多地考虑散射环境，因此，天线元 的数目被限制在恰当的数目，比如说四根天线。而对于终端而言，l 2 波长间距足够保证非 相关衰落。可以设想终端天线的最大数为四根，两根天线实现的可能性更大。当然，对于 手机这一类的小型移动终端而言，安装两根天线还可能会面临一些问题。所以，天线参数 对于实现m m i o 的高频谱效率是尤其重要的。 第二个实际因素是接收机复杂度的问题。首先，接收机中对m d d 0 信道的估计使得复 杂度增加。另外复杂度_ j 丕来自特别的射频、硬件和接收机高级分离算法。未来移动通信 系统的m m l o 接收杌应该是双模的，以支持非m 蹦。模式。在m n 订o 模式时，接收机的 每根天线使用一个射频链路，另外还要有附加的基带操作，即用来消除空间干扰的空时合 并器和检测器。这些附加需求使得四发理收m d d o 系统的复杂度大大高于单天线接收机 的。由于m m o 接收机环境的时延扩展带来的不同信道条件可能还需要均衡和干扰消除的 处理，这可能会进一步加大接收机的复杂度。 还有其它的实际因素比如移动终端要求体积小、重量轻和功耗低这对实际系统在 移动终端实现多天线接收也会产生较大影响。 1 3 论文的研究内容 对移动通信中单天线收发系统和多入多出系统，在分析它们容量研究现状及存在的问 题之后本论文的主要研究内容为下面三个部分。 1 3 1 下行容量公式的完备性 硬切换的s i s o 线性小区系统( l c s l i n e a rc e l l u l a rs y s t e m ) 和软切换的s i s o 线性小 区系统，作为两类重要的实用系统，它们的下行容量值得深入研究。不仅如此未来小区 系统上下行业务的不对称性的加剧，使数学上研究这两类系统的下行容量显得更加迫切和 重要。但是，目前国内外的文献，仅仅针对一些特定方案做了仿真，没有从数学上给出硬 切换和软切换的s i s o 线性小区系统下行容量完备的数学表达式。 本文提出了解决s i s 0 线性小区系统中硬切换的激活集合更新速率，平均激活集合更新 速率，中断概率和平均中断概率的数学方法，推导了它们的数学表达式，使该系统在硬切 换时下行容量数学公式具有了完备性。提出了解决该系统在软切换下的激活集合数目，平 均激活集合数目激活集合更新速率平均激活集台更新速率，中断概率和平均中断概率 第7 页共1 1 4 页 中国科学技术太学博士论文第l 章绪论 的数学方法，推导了它们的数学表达式使该系统软切换下行容量数学公式具有了完备 性。以上述的数学表达式为基础，分析并从数值上比较了s i s o 线性小区系统由于采用了 硬、软切换带来的性能差异，并对两种切换的容量相关的参数逐一做了对比。为系统设计 时制定切换方案提供了理论指导。 针对s i s o 线性小区系统的容量，本文还提出了该系统的性能界限，从理论和数值的角 度证明其正确性，并分析了v i t e r b i 软切换增益的物理含义和s i s o 线性小区系统的实际软 切换增益的差异，且证明了针对此系统本文的性能界限更为恰当和准确。 1 3 2 闭环m i m o 容量 闭环m i m o ( c l m m t 0 ，c i o s e ( 卜l o o pm u l t i j n p u tm u n i o u t p u t ) 相对于开环m i m o 存 在着一定的容量增益。若反馈信道速率受限，则此容量增益受限，在数学上准确的描述闭 环m 讧o 容量增益和反馈信道速率之阔的数学关系对研究闭环m d 证o 容量非常重要。但 是，现有的文献没有给出表述两者依赖关系的数学表达式。 本文提出了在闭环m d d o 容量研究中引入率失真理论的研究方法，这种研究方法是首 次提出的，它对更加复杂的闭环m 蹦o 系统的研究也具有方法上的指导意义。本文还推导 了反馈信道速率和闭环m m i o 容量增益之间的数学关系，从数学上准确描述了闭环m 砌0 系统提供的附加信息量对反馈信道速率的依赖性，并为折衷闭环m d d o 容量增益和反馈信 道速率提供了数学依据。最后本文给出了不同天线数下，不同反馈信道速率下的容量增 盏的数值结果，为实际应用折衷方案提供了数值依据。 1 3 3 导频辅助的闭环m i m o 容量 在实际m i m o 系统中，除了用户数据，发射机通常还必须发射导频序列，以辅助接收 机正确解调用户数据。所以，实际的m 讧o 系统是导频辅助系统。研究导频辅助的闭环 m d 订。容量，是在实际系统中利用m n “o 高容量的基础，具有非常重要的指导意义。但 是，国内外的文献，包括它们用到的数学方法，都没有论述并给出反馈信道速率和导频辅 助的闭环m 蹦o 容量之间的数学关系，更没有给出此系统中与容量相关的反馈信道速率的 下界和上界， 本文推导了在各种天线数，信噪比，导频功率导频符号数和相关时间下的反馈信道 速率和导频辅助的闭环m m 幻容量之间的数学关系。对导频辅助的闭环m o 系统，确定 了任何反馈信道速率下的闭环容量。 本文还推导了与容量相关的反馈信道速率的下界和上界，并对下界和上界做相应的分 析。当反馈信道速率低于此下界时，反馈不仅不能增加导频辅助的闭环m d d o 系统的容 量，而且错误率很高的信道状态信息反雨使此闭环系统的容量低于了相应的开环系统。当 反馈信道速率高于此上界时，导频辅助的充水m m 的容量与相应的闭环容量几乎完全相 等，反馈信道速率的提高不具有实际意义。 最后本文比较了导频辅助的闭环m d 订o 中断容量和相应的充水m n 订o 中断容量，刻 划了导频辅助的闭环m “o 容量，开环m i m 0 容量和充水m i m o 容量在不同反馈信道速 第8 页共1 1 4 贞 中国科学技术大学博士论文第】章绪论 率，天线数和信噪比下的统计特性，并给出了对导频辅助的闭环m i m o 容量设计方面有意 义的结论以及可用于系统设计的反馈信道速率参数值。 1 4 论文的总体结构 论文的总体结构安排如下： 在第一章中，论文介绍了移动通信中的单天线收发系统和多天线系统它们的研究现状 和尚未解决的问题。 在第二章中，论文简要介绍了移动通信系统中已有的基本系统模型和重要的容量研究结 论。同时，论文介绍了时不变信道下单天线收发系统，单入多出系统，多入单出系统和 多入多出系统的基本系统模型、容量及其极限性能。在此基础上，论文引入了衰落信道 下的这些系统的容量、容量的中断概率中断容量和极限性能。最后，论文给出了容量 研究中已有的重要的相关结论。 在第三章中，论文首先分析了硬切换和软切换的s i s 0 线性小区系统的下行容量，给出 了文献中已有的数学结论。然后分别分析了这两类容量公式不完备的原因及它们所分别 缺失的几个关键参数。然后在广泛采用的小区模型和切换算法的基础上，逐一从数学上 提出了解决这几个关键参数问题的方法，推出了它们的数学表达式，并得到了s i s o 线 性小区系统的三个界和三个变动范围。接着，论文分析了它们随切换门限和空间位置的 变化规律，并对硬切换和软切换的相应性能逐一做了对比。在将仿真的数值结果与现有 文献的结论相比较后，得到了一些有指导意义的结论。 在第四章中，基于闭环m d o 系统的系统模型，论文首次提出了在闭环m m o 容量研 究中引入率失真理论的研究方法，推导出了反馈信道速率和闭环m “o 容量增益之问 的数学关系。通过理论分析和仿真结果，得到了些比较重要的结论，并给出两者在不 同天线数，信噪比中断概率下的变化规律和数值结果。论文的这些研究成果从数学上 描述了闭环m 讧o 系统提供的附加信息量对反馈信道速率的依赖性，并为折衷闭环 m i m o 容量增蓝与反馈信道速率提供了基础性的依据。 在第五章中，论文进一步地建立了导频辅助的闭环m 订o 系统的通用系统模型。基于 此模型，论文描述了一种通用的导频辅助方案并对导频和数据的复接波形做了详细阐 述。在论述了论文提出的反馈信道的一般性之后，论文对信道响应做了最大似然估计， 推导出了反馈信道速率与导频辅助的闭环m d o 容量之间的数学关系，以及容量相关 的反馈信道速率的下界和上界，并对此数学关系，下界和上界做了相应的分析。通过仿 真，论文对不同反馈信道速率，天线数，信噪比，中断概率导频功率和相关时间下的 导频辅助的闭环m 眦o 系统做了比较，并详尽刻划和比较了导频辅助的闭环m 蹦o 容 量，开环m n 讧。容量和充水m v 1 0 容量的统计特性。论文仿真了反馈信道速率下界和 上界在不同天线数，信噪比和中断概率下的变化规律，得出了相应的结论。并给出了可 直接查找的用于系统设计的表格。最后，论文提出了一些对于基于全局考虑反馈信道速 率、天线数、信噪比和客量的系统设计有指导意义的，可以作为导频辅助闭环m i m o 系统性能基准指标的结论、规律和数值结果。 第9 页共1 1 4 页 中国科学技术大学博士论文第1 章绪论 第六章总结了全文。 第1 0 页共1 1 4 页 中国科学技术大学博士论文 第2 章系统基本模型及容量分析 第2 章系统基本模型及容量分析 提要： 本章介绍了时不变信道下单天线收发系统，单入多出系统，多入单出系统和多 八多出系统的基本系统模型、容量及容量极限性能。在此基础上，本章引八了衰落信道下 的这些系统的容量、容量的中断概率，中断容量和极限性能，同时给出了容量研究中已有 的重要的相关结论。 2 1 通信系统中容量的定义 对通信系统而言，信息论提出的经典模型如图2 一l 所示【2 6 】 图2 1 香农通信系统 在通信过程中，信源发出的信息经信源编码器压缩进入信道编码器，信道编码器的输 出通过信道传输送给接收端信道解码器，最终经由信源解码器到达信宿。信道编码器的作 用是增加信息的冗余度，增强其抗干扰能力同时保持尽可能大的信息传输率，它本质上 是要最大程度地使信源编码输出和信道相匹配。 若将图2 1 中的编解码部分并入信道，则简他的香农通信系统如图2 2 所示 2 7 】： 图2 - 2 简化的番农