（通信与信息系统专业论文）空时编码和ofdm技术在下一代无线通信中的应用.pdf

南京邮i u 学院硕士学位论文摘要 摘要 空时编码技术是一种有效的、实用的用于提高多输入多输出系统( m i m o ) 容量和性能的方法，通过编码使得在不同空间和时间上的发送信号产生时域和空 间域的相关性。接收端利用这一相关性对抗信道衰落，减少传输差错，并在不牺 牲带宽的情况下获得发送分集和功率增益。空时编码有多种方案如：空时分组码、 空时格栅码、分层空时码等，其核心都是利用m i m o 系统多个收发天线之间形 成的多径效果获得高的频谱效率和性能增益。 正交频分复用( o f d m ) 技术由于其能够有效的消除符号间干扰i s i ，并具 有较高的频谱利用率已被广泛的采用，作为许多标准的物理层标准。 本论文分析，研究了若干现有的空时编码方案，对其中的应用于无线广播的 嵌入式空时编码收发结构和算法提出了改进。同时考虑到无线信道传播条件较为 恶劣，将空时分组码和o f d m 技术相结合以满足下一代无线通信支持高传输速 率，高移动性的要求。并通过仿真给出s t b c o f d m 和d s t b c o f d m 的系统 性能分析。 南京邮i 乜学院倒上学位论文a b s t t a c t a b s t r a c t s p a c e - t i m ec o d i n gi sa ne f f e c t i v ea n dp r a c t i c a lm e t h o dt oi m p r o v et h ec a p a c i t yo f m u l t i p l e i n p u ta n dm u l t i p l e - o u t p n t ( m i m o ) s y s t e m ，w h i c hg e n e r a t e st h es p a c ea n d t i m ec o r r e l a t i o nb yc o d i n g ，t h er e c e i v e ru s e st h i sc o r r e l a t i o nt ow i t h s t a n dc h a r m e l f a d i n ga n dr e d u c et r a n s m i s s i o ne r r o r a st h es a m et i m e t h es y s t e mc a na c h i e v e d i v e r s i t yg a i nw i t h o u ts a c r i f i c i n gt h eb a n d w i d t h t h e r ea r ev a r i o u sa p p r o a c h e si n c o d i n gs t r u c t u r e s ，i n c l u d i n gs p a c e t i m eb l o c kc o d e s ( s t b c ) ，s p a c e - t i m et r e l l i sc o d e s ( s t t c ) a n dl a y e r e ds p a c e t i m e ( l s t ) c o d e s ac e n t r a li s s u ei na l lt h e s es c h e m e si s t h ee x p l o i t a t i o no fm u l t i p a t he f f c c t si no r d e rt oa c h i e v eh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c i e sa n d p e r f o r m a n c eg a i n s 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 i n g ( o f d m ) c a ne f f e c t i v e l ye l i m i n a t ei s i i ta l s oh a sh i g hf r e q u e n c ye f f i c i e n c ys ot h a to f d mh a sb e e na d o p t e da sp h y s i c a l l a y e rs t a n d a r db ym a n ys t a n d a r d s i nt h i st h e s i s ，f i r s t l y , t h r o u g hs t u d y i n ga n da n a l y z i n gs e v e r a ls p a c e t i m ec o d i n g s c h e m e s a ni m p r o v e ds c h e m ef o re m b e d d e ds p a c e t i m ec o d i n gi nb r o a d c a s t i n gw a s p r o p o s e d s e c o n d l y ，c o n s i d e r i n gt h ec o n d i t i o n so fw i r e l e s sc h a n n e l ，t h es p a c e t i m e c o d i n ga n d0 f d mw e r ec o m b i n e dt om e e tt h ed e m a n do fh i g ht r a n s m i s s i o ns p e e d a n dh i g hm o b i l i t yi nn e x tg 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 s f i n a l l y , t h es y s t e m p e r f o r m a n c eo fs t b c 0 f d ma n dd s t b c - 0 f d mw e r ea n a l y z e db ys i m u l a t i o n 南京邮电学院学位论文独创性声明 y 7 6 5 2 4 2 本人声明所呈交的学位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的 地方外，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 含为获得南京邮电学院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已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名： 南京邮电学院硕士学位论文 第一辛绪论 第一章绪论 1 1 移动通信发展的现状和未来 移动通信自七十年代末问世以来，以同新月异的姿态发展着，三十年来，已 从模拟时代的频分多址a m p s 、t a c s ，进人到数字时代的g s m 、c d m a ，现在f 向 第三代c d m a 移动通信系统迈进。 仅仅传递话音的通信技术已不能满足人们对信息交流的需求，人们希望能随 时随地获驳除语音之外的数据、视频、和图像等多媒体业务信息，这些都要求寻 求频谱利用率更高的技术，寻求通信容量更大的移动通信系统，这极大地推动了 第三代移动通信系统的研究和发展。目前第三代移动通信系统正处在大规模商用 化的前夕。而真正实现高速运动状态下、高速数据传输和全球无缝覆盖的下一代 移动通信系统“b e y o n d3 g ”，或称为“4 g ”的技术研究和标准建议工作e t 前f 在紧张展开。 从移动通信系统提供的传输速率来看，第一代模拟系统提供模拟语音服务和 简单的信令：第二代移动通信系统以g s m 和n c d m a 两个系统为代表，主要 传输数字语音，当然可以同时使用多个时隙或多个码分信道实现相对较高速率的 数据通信。与第一、第二代移动通信系统相比，第三代移动通信系统的主要特征 是可以提供移动多媒体业务，包括高速移动环境中支持速率为1 4 4 k b i t s 的业务， 步行慢速移动环境中支持速度为3 8 4 k b i t s 的业务，室内环境支持速率达2 m b i t s 的业务。第三代移动通信系统的设计目标是不仅能够提供比第二代移动通信系统 更大的系统容量和更好的通信质量，而且要能在全球范围内更好地实现无缝漫游 及为用户提供包括语音、数据和多媒体业务。 根据国际电联i t u - r 的建议要求，第四代移动通信系统要能在 15 0 k m h 2 0 0 k m h 的移动状态下提供10 0 m b p s 数据传输能力，在静止状态下提 供高达1 g b p s 的数据传输能力：同时可在不同网络之间自由的切换。不断向通 信的终极目标一一个人通信( p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s ) 迈进，即利用各种可能的 网络技术，实现任何人( w h o e v e r ) 在任何时间( w h e n e v e r ) 、任何地点( w h e r e v e r ) 与任 何人( w h o e v e r ) 进行任何种类( w h a t e v e r ) 的信息交换。第三代移动通信可以晚是其 南京邮【b 学院顺i 。学位论义第一章绪论 初级阶段。现在人们正在研究的第四代移动通信，它将进一步向个人通信靠近， 具有更宽的频带和采用更高的射频频率，能传输更高速率的数据和多媒体信息。 许多世界著名通信公司投入巨资研究下一代移动通信系统。早在1 9 9 7 年日 本n t td o c o m o 公司已经启动第四代系统的研究工作，并于2 0 0 1 年6 月1 5r 向 国际电联提交了有关建议，于2 0 0 4 年6 月在b 3 g 国际大会上宣布已在实验系统 上通过采用m i m o 和o f d m 技术，在3 0 k m h 的移动速度，1 0 0 m 带宽的条件下成功 实现3 0 0 m b p s 的下行传输；m o t o r o l a 公司也在全球8 个实验室，投入了超过8 0 0 人开展b 3 g 的研究。2 0 0 2 年6 月，我国也联合国内七所高校和多家通信设备制 造商在中国移动通信项目总体组的领导下，从国家战略的高度出发，制定出代表 未来十到十五年中国移动通信发展方向的f u t u r e 计划，这是一份中国b 3 g ( 或称 4 g ) 的宣言书。 1 2m i m o 系统和空时编码技术 传统的单收发天线系统中，采用t u r b o 码或l d p c ( i 密度部分校验码) 已经 使信道容量逼近香农限 1 ，想要进一步提高频谱利用率只有采用m i m o 系统 2 3 。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 t ) 指的是在接收端和发送端使用多天 线阵列( m e a ) 结构，这种结构，大大提高了m i m o 系统的数据传输速率，系 统容量和频谱利用效率，在很短时间内引起了广泛关注。根据信息理论，在理想 情况下，m i m o 系统的容量近似于随其天线的个数呈线性增长。与传统的s i s o 系统相比，在不增加频谱宽度和发送能量的情况下，m i m o 系统的数据传输速率 随着天线个数的增加线性增长，其信道容量远远超过s i s o 系统所能提供的容量。 因此m i m o 成为b 3 g 无线通信关键技术研究的热点之一。 仅仅采用m i m o 结构是不够的，还要和空时编码相结合才能获得多输入多 输出无线信道的容量。空时编码技术是一种专门针对多天线系统的编码技术，通 过编码使得在不同空间和时间上的发送信号产生时域和空间域的相关性。接收端 利用这一相关性对抗信道衰落，减少传输差错，并在不牺牲带宽的情况下获得发 送分集和功率增益。空时编码有多种方案如：空时分组码【4 、空时格栅码【5 】、 分层空时码等 6 【7 】【8 ，各有侧重不同，但其核心都是利用m i m o 系统多个收发 南京邮i u 学院颂一l 学位论文第一章绪论 天线之间形成的多径效果获得高的频谱效率和性能增益。 1 3o f d m 技术 由于信道传输特性不理想，各类无线和移动通信中，普遍存在着符号间干扰 ( i s i ) 。克服符号间干扰的措施通常是采用自适应均衡器，但是，在高速数字通 信系统中，为了保证克服i s i ，往往要求均衡器的抽头数很大，尤其是在城市， 环境可能要求均衡器的抽头数上百个。这样，必然大大增加了均衡器的复杂程度， 使设备造价和成本大大提高。于是能够有效消除符号间干扰、频谱利用率高的 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 i n g ) 9 技术得到广泛的采纳，以取 代复杂而昂贵的自适应均衡器。目前此技术已经成功得应用于数字音频广播 ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) 、高清晰度电视( h i g h d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ， h d t v ) 中。在高速无线局域网标准8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l g 和固定宽带无线接入标准 8 0 2 1 6 a 和8 0 2 1 6 b 中都采用了o f d m 技术。 1 4 论文的主要安排 本论文着重研究空时编码技术及其与o f d m 相结合后的性能。第二章首先 介绍了m i m o 系统信息理论，随后给出了m i m o 系统的不同信道模型，最后概 括了m i m o 的几种不同应用方式。第三章中先介绍、分析了现有的几种空时编 码方案，随后针对其中的嵌入式空时编码方案提出改进了的结构和算法。第四章 简要的论述了o f d m 技术的原理及优缺点。第五章描述了两种空时编码方案和 o f d m 相结合的系统结构，并通过仿真给出其性能分析。第六章对全文作了总 结，并指出需要进一步研究的方向。 南京邮电学院硕士学位论文第二章m i m o 系统 第二章m i m o 系统 2 1m i m o 系统信息理论 2 1 1 信道容量 1 一般s i s o 的高斯信道容量【1 0 c = l 0 9 2 0 + p l h t 2 ) b s h z( 2 1 ) 其中h 是归一化的固定无线信道或随机信道某实现的复增益，p 是信噪比 2 s i m o 的高斯信道容量 1 0 m 是接收天线数。 3 m i s o 的高斯信道容量【2 】 c ：l 0 9 2 ( 1 + p m 卅) b 棚z ( 2 2 ) 吲。g ：c + 号卦1 2 ) z 沼， n 是发送天线数。 由公式( 2 3 ) 可看出，容量同天线数呈指数关系。仅仅依靠增加发射天线数来提 高信道容量代价是比较高的。 4 对于m i m o 高斯信道容量 2 1 ， 3 】， 11 】 c 。p = l 0 9 2 d e t ( + 号嘲 洲z 沼4 ， = 善ml 。9 2 ( 1 + 号 ) 是w 的非零特征值，m = m ；n c m n ，w = p 黼 这里的c 是一个随机变量。h 是m * n 的信道矩阵。这一公式是等功率发送 时的信道容量公式。此时信道容量随r e = r a i n ( m ，n ) 呈线性增长而不是指数 关系。这一线性增长是在信道为独立同分布的瑞利平稳衰落信道条件下得到的， 南京邮【u 学院硕士学位论文 第二章m i m o 系统 在其它情况下并不一定适用。且这增长和h h 的特征值的特性有关。如特征值 变化很大衰减很快，则不会有线性增长。另外，也不会出现大部分特征值都很小 而容量线性增长的情况。由于c 是一个随机变量，所以通常用另外两个概念，遍 历容量( m e a nc a p a c i t yo r e r g o d i cc a p a c i t y ) 或各态历经容量 3 】，i n ，【1 2 ，以及中 断容量( o u t a g ec a p a c i t y ) 来描述 2 ，【1 3 】- 【1 5 。中断容量e 。定义为中断概率q 对 应的信道容量，即以此容量对应的信息速率在信道上进行可靠传输的概率是( 1 - q ) ，也反映了系统的可靠性。天线之间的相关性会降低信道容量，但有些公 式( 2 4 ) 没有涉及的传播效果如多径时延扩展( m u l t i p a t hd e l a ys p r e a d ) 则会增 加信道容量。 2 1 2m i m o 信号模型 m i m o 信号模型 r ：h s + n r 是m l 的接收信号向量，s 是n 1 的发射信号向量 容量为 3 ，【l l 】： c = l o g ：e d e t ( o + h q h ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) q 是s 的协方差函数( 就是s 的方差) t r ( q ) = p ，说明发送总功率受控。对 于等功率不相关发射端9 = ( n ) l a ，此时公式( 2 - 6 ) 退化为公式( 2 4 ) 。 另一方面，通过对h 进行奇异值分解可将m i m o 信道分解为m 个等效的平 行s i s o 信道h = u d v d = d i a g ( 石，石石，o ，o ) 这样等式( 2 5 ) 可写为 r = d s + n( 2 7 ) 等式( 2 7 ) 表示系统等效于m 个并行的单输入单输出信道，各信道的信号 功率由特征值 乙确定。下面我们来看一看反馈信息对容量的影响和信道对 容量的影响( 在下面的讨论中都默认接收端已知信道信息) ： 南京邮i 巳学院硕二匕学位论文第二章m i m o 系统 2 1 3 反馈和信道对容量的影响 1 发端已知信道信息 此时信道h 已知，可利用灌水法则( w a t e r - f i l l i n g ) 1 6 - 【1 8 】在总发射功率 受控的情况下实现最佳容量 其中的选择要满足 坼= l o g ：( 以) + p = ( 一耳1 ) + ( 2 8 ) ( 2 9 ) + 表示只取正的那些分量，对于某一给定的h ，丑已知，容量的计算成为一 个带约束的最优化问题。( 备注：对于r i e e a nc h a n n e l 增加l o s 分量会引起容量 下降，这实际上是一种相关衰落，在天线间隔空间较小时相关衰落对于实际容量 的影响较大。) 灌水法带来的容量增加是由矩阵q 的相关性而不是非等功率分配 造成的。在信噪比较低时，灌水法可带来比较明显的容量增加，但在信噪比较大 时，灌水法带来的容量增加逐渐趋向于零。由反馈使发送端知道信道信息而采用 灌水法则带来的容量增加，在信噪比为1 0 d b 时，通常不超过3 0 ，在信噪比为 o 1 0 d b 时，灌水法则带来的容量增加通常不超过6 0 ，当信噪比为一1 0 d b 叫， 容量增加达到2 0 0 1 9 1 。这一现象可这样解释，信道信息对于发送端来说主要 用于提供发射阵列增益，而分集增益和复用增益不需要信道信息。在较高信噪比 时，阵列增益在全部增益中的重要性下降，所以反馈带来的容量增加的好处在大 信噪比时下降。在大信噪比时= c w f 。 2 发射端不知道信道信息 此时容量由公式( 2 4 ) 确定，对于独立同分布( i i d ) 的瑞利衰落信道，等 功率发送是一种最佳的方式。 根据上面的分析可以看出从信息论的观点出发，灌水法则无疑是最佳的。但 6 南京l i f i u 学院倾l 学位论文第二章m i m o 系统 在实际中，与互信息性能相比，m i m o 系统性能对比特差错性能更为敏感。此外， 发送端在信道信息获取方面存在定困难，对于频分双工( f d d ) 方式由于上下 行采用不同频率，基站不能把对上行信号进行估计而获得的信道信息用于下行 信号的功率分配策略。对于时分双工( t d d ) 方式如果信道相干时间较短，终端 移动速度较快，则接收端反馈给发送端的信道信息也可能与实际信道状念有较大 的出入。 2 2m i m 0 系统信道模型 m i m o 系统的各种算法对信道矩阵特性比较敏感，所以信道模型在评估各种 结构的m i m o 系统性能时是十分重要的。一些同s i s o 系统相同的关键模型参数 可通过测量得到如：路径损耗、阴影效应、多普勒频移、时延扩展等。另外还要 注意一些m i m o 系统特有的模型参数5 i i ：收发天线之间的相关性、信道矩阵奇 异值的分布。在实际中，信道矩阵的奇异值分布更准确的反映了矩阵w = 删+ 特 征值的分布情况，这直接影响到信道的容量。下面我们看一看环境参数( l o s 成分，散射强度) 和天线参数( 间隔，极化) 对相关性或矩阵特征值的影响。 2 2 1 窄带m i m o 信道 1 l o s 分量模型 一般的无线信道模型中包含两种分量，l o s ( 1 i g h to fs i g h t ) 分量和n l o s 分量h = 峨。+ h m ，莱斯分布中的k 因子就是l o s 分量和n l o s 分量的功率 之比。在传统的s i s o 信道中，总是希望天线的安放可以便收发天线之问的信道 k 因子越大越好。因为k 因子越大，发生边缘衰落的地区就越小。在保证业务 9 9 的可靠性情况下，k = 1 0 时的边缘衰落要比k = 0 ( 纯瑞利衰落) 时低1 0 d b 以上。另外，某些波束成型技术，特别是依赖到达角估计的技术只有在信道l o s 分量占主导时才有效。 南亲邮屯学院确上学位论文第一二幸m i m o 系统 但是在m i m o 系统中，莱斯分布的k 因子越大，日镕占的比例就越高。由 于乒t 。是时不变的，通常是低阶矩阵，这就造成天线相关性的增强著使得整个 信道矩阵的阶下降，更准确的说使得奇异值的分布范围变大。高的k 因予信道 其有用的空间自由度较低，在相同的信噪比下具有较低的信道容量。举例来说， 信噪比等于6 d b 时，4 4 的m i m o 信道在k = o 时的信道容量总是高于k = 1 0 时的信道容量。但这并不意味着我们要有意识的将天线放置在使信道没有l o s 分量的位置上。尽管会损失一些信道容量，但l o s 分量使信道有更好的路径损 耗及衰落特性。一些试验表明k 因子和天线高度成f 比，与传播距离成反比。( 经 验公式k o c ( a n t e n n ah e i g h t ) 0 4 6 ( d i s t a n c e ) 05 ) 2 0 i l e d 、区靠近基站的地方，由 于天线高度较高，且距离较近k 因子很大，即使采用m i m o 也不能从实质上提 高容量。但此时信号强度较大，质量较好。在微小区，由于通常天线高度较低， 所以一般k 因子小于宏小区的情况。而在室内环境中，存在丰富的散射，l o s 分量较小，k 因子较低。 2 n l o s 分量模型 当信道中仅有n l o s 分量时，信道成为瑞利衰落信道。在这种情况下，日。 元素间的相关性通常是由于天线问隔不足，存在若干各较强的散射分量或者到达 角度扩展较小造成的。 相关模型： 考虑有n 个发射天线，m 个接收天线的系统( 简单起见假定为全向天线) 则天线瓦和如之间的信道增益等于全部散射路径之和。 h ( a o ，z ) = ( 如，瓦) ( 2 - 1 0 ) f = l 信道矗( r ，五) h ( r t , ，瓦) 之间的协方差函数为 1 0 】 南京i l l l l b 学院顶i 学位论文第- 二章m i m o 系统 e f 墨( 瓦) t ( ，黟f 叭联疋x “巳五 2 赢雨幕) e 丽( 1 h ( r 蒜 。1 1 e ( j ( 如，) r，) 1 ) d ( r ，r p ) 是天线心和r 。之间的距离。出公式( 2 - 1 2 ) 可知天线嶂j 的不相关 常只有在方位角0 【妒一，妒+ 】内的波束可以到达移动终端，这罩妒是到达角 (矗(r，l)，h(r，t)：(!：+?p(口)exp2a_sin(o)h(rx p ( jd ( 瓦，t ) ) d o ( 2 1 3 ) ( 矗( r 肿，l ) ， ，t ) ) = 一。p ( 口) i d ( 瓦， ( 2 _) d ( 7 ：，瓦) 是基站天线7 ：t 和之间的距离。假定移动台周围存在均匀分布的散 y ( 厶( 如，瓦) ，h ( r p ，) ) = j o ( ( 2 r r a ) 2 d ( 瓦，毛) ) ( 2 1 5 ) 为了降低天线之间的相关性，总是希望天线间的距离尽量大，但相位阵列波 南京蛐l n 学院碰士学位论义 第二章m 【m o 系统 柬成型为了抵抗空间混淆现象又要求天线问隔较小，所以不得不在天线阵歹u 的不 同用处间作出选择。 c d m a 系统中用户信号可以通过设计成为准正交的，与c d m a 系统不同， m i m o 信道的分离性依赖于丰富的多径。( 多径可造成信道空间选择性) 某些智 能天线系统( 波束成型。基于滤除的干扰消除) 在l i n e o f - s i g h t ( l o s ) 信道状况 下性能更好一些( 这些方法是有效的利用多径) 特别在以到达角为最优化准则的 情况下。另一方面，基于分集的天线技术在n o n l i n e - o f - s i g h t ( n l o s ) 信道下性 能更好一些。 实际上，发送的并行数据流数和每一个数据流的比特差错性能共同决定了链 路的效率而不仅仅决定于独立输入数据流数。所以在多天线系统中编码对于比特 差错性能有着至关重要的影响。 2 2 2 空间相关的影响： 1 锁眼效应 在实际系统中，由于锁眼( k e y h o l e s ) 效应的存在造成信道矩阵的秩 下降，从而引起信道容量减少。锁眼效应较易发生在走廊，隧道，或收发天 线相距较远的环境下。下面我们通过两发射天线两接收天线的模型来说明 锁眼效应对信道容量的影响。 图2 - 1 锁眼效应示意图 由图2 1 可看到，发射天线1 、2 发出的信号必须经过中间的小孔才 0 南京邮电学院硕_ | ：学位论文 第二章m i m o 系统 能到达接收天线3 、4 。则在小孔左边的信号为 t l = 工( 2 - 1 6 ) 啊= ( a l , a 2 ) m ，a z 分别是两天线到达t - 处的信道系数，x = 羔 是 天线1 、2 上的发射信号。天线右边的信号为 t 2 = c t l( 2 1 7 ) c 是信号经过小孔的衰减系数。在接收天线处的信号向量为 r = h 2 t 2 ( 2 1 8 ) 其中4 = ， 将前几式带入得 ，= c h 2 h t x = h x ( 2 - 1 9 ) 雠a l b 2 竺 弦： 如。i 锄2 l 旺删 由h 的表达式可看出等效信道矩阵的秩为1 ，而不是该系统能提供 的2 。即由于锁眼效应的存在使信道矩阵的秩下降。由公式( 2 4 ) 可知此时 信道容量为 吲。g ：( ，+ 旯万p ) ( 2 - 2 1 ) 其中五= c 2 ( d 1 2 + a 2 2 ) ( 6 1 2 + b 2 2 ) 2 两极化分量之间的相关模型 不管反射还是衍射过程都对极性比较敏感，同入射波相比散射波会产生 极性旋转。这使得在构建m i m o 系统时可能在收发两端都采用成对极化天 线。假定两端都使用一对垂直和水平极化的天线，此时用一个2 2 等方差 的复高斯矩阵来描述窄带信道就不太合适了。首先，传播环境对于两个极化 分量的通过损耗可能不同。其次，c r o s s p o l a r 分量通常要比c o - p o l a r 弱的多， 这是因为散射越少，c r o s sp o l a r i z a t i o n 的效果就越差，另外随着传播距离的 南裁呲b 学院坝士学位论文 第二章m i m o 系统 增加，c r o s sp o l a r i z a t i o n 也减少。 在典型的室外环境下，有试验表明 2 1 】_ 2 3 c o - p o l a r 分量和c r o s s p o l a r 分量几乎是不相关的，其平均相关系数大约为0 1 甚至更低。在微小区结构 中稍微有所上升。随着小区范围的增大，c o - p o l a r 分量与c r o s s - p o l a r 分量的 功率差也逐渐增大，当功率差到达一定程度时，不管c o p o l a r 分量和 c r o s s p o l a r 分量的相关性如何，2 x 2 的信道矩阵的阶总是2 。 3 有效的自由度 由公式2 ，4 可以看出m i m o 信道容量等于m 个独立的s i s 0 信道容量之 和，也就是说在m i m o 信道上传输信息相当于在m 个独立的并行的s i s o 信道 上传输信息，我们称该m i m o 信道的空间自由度( d o f ：d e g r e eo ff r e e d o m ) 为m 。信道的空问自由度是用来反应信道维数的，自由度越高信道容量越大。 当信道存在相关性时，虽然的阶仍等于m ，但 的分布会很分散。这时有 的兄对容量是没有贡献的，因而有一个有效自由度( e d o f ：e f f e c t i v ed e g r e e s o ff r e e d o m ) 的定义： 肋沂= 万dc ( 2 5 意l c z 啦， 其中p ( 巧) = 少每是一个可变的s n r 。 2 2 3 时变宽带m i m o 信道 时变宽带m i m o 信道可以看作l o s 分量和若干延迟随机衰落分量的和。 l h ( r ) = h a ( r t ) ( 2 2 3 ) 如前所述，m i m o 系统的性能很大程度上依赖于天线元素之间的相关性，但 信道矩阵h 可能变换较快，也就是说系统性能可能变化较大，信道矩阵的变化 南京邮电学院硕上学位论文 第一二章m i m o 系统 速率称为多普勒扩展，可以从每秒几赫兹到每秒2 0 0 赫兹甚至更高。多普勒扩展 和同时激活用户数的乘积决定了反馈信道状态信息的通信开销。多普勒扩展还决 定了从信道测量到发送方自适应信道反馈信息的时间，所以完全依赖反馈信息的 自适应发送方法在实际使用中并不太实用。 2 2 4 标准化信道模型 m i m o 信道模型在i e e e 8 0 2 1 6 固定宽带无线接入和3 g p p ( t h i r d g e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 移动应用中已经被标准化。在i e e e 8 0 2 1 6 中m i m o 信道模型 采用的是斯坦福大学的技术人员提出的一组s u i 信道。一共有6 种s u i 信道， 其参数如附录1 所示。 影响路径损耗大小的地形地貌大致可分为a ，b ，c 三种。地形起伏较大植 被较密的为a 类，其路径损耗最大，多径时延也较大。地形平坦植被稀疏的为c 类，其路径损耗较小，多径时延也较小。居于a ，c 之中的情况被划为b 类。 s u i 1 s u i 6 大致可作如表2 一l 所示划分： 地形类型信道模型 c s u i 1 ，s u i 一2 b s u i ，3 s u i 4 a s u i 5 ，s u i 6 表2 1 由附录a 中表1 表6 可看到s u i l ，s u i 2 ，s u i 3 信道是l o s 信道，天线角 度的选择将影响到l o s 分量的强弱。s u i 4 ，s u i 一5 ，s u i 一6 是n l o s 信道。对这六 种信道模型，天线角度的选择对最大时延扩展和多径信号的强度都产生了影响。 最大多径时延对于多载波技术o f d m 来说是一项非常重要的参数，它决定了 o f d m 中保护间隔、子载波的间隔的大小，继而影响到o f d m 的符号速率和频 谱效率。该部分内容将在m i m o 和o f d m 结合部分详细讨论。 南京邮 u 学院硕l 学位论文第二章m i m 0 系统 2 3m i l o 的几种不同应用 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 ) 技术成为现代通信得个重 要技术突破。一方面该技术打破了无线通信的容量瓶颈，可以为用户提供高达几 十b i t h z 的频带利用率。另一方面，可将多径传播这传统的无线传输的不利条 件转变为对用户有利的条件。针对不同的目标，m i m o 系统现有几种不同的应用 方式：1 、空间分集2 、空间复用3 、波束成型，这几种方式各有侧重不同。 2 3 ，1 空时系统原理 信息以二进制数据流的形式送入简化的发送框图如图2 2 ，包括信道编码、 调制、映射然后形成几路分离的符号流，这些符号流可能是独立的，也可能是部 分相关或完全相关的。然后每一路被映射到多个发射天线其中的个天线上。这 个映射可能包括天线元素的线性空间加权或线性天线空时预编码。再经过上变 频、滤波、放大信号被送入信道。在接收端，信号被多个天线捕获并解调和反映 射回复信息。对于不同的应用，系统复杂度、智能化水平、用于选择编码的先验 信道知识和天线映射算法都有所不同。这决定了多天线实现方案的类型和性能。 l 沙卜 卜沙 幽2 - 2 多输入多输山系统框图 现在用户单元逐渐发展成复杂的无线互联网接入设备而不仅仅是收发分组 话音，对于尺寸和复杂度的要求也有所放松，这使得可以在链路的两端实现多天 线。很明显，m i m o 链路中由于多天线信号的最优化在更大的空间上进行，提供 了额外的自由度所以传统智能天线的优点仍然保持。特别m i m o 系统可在获得 来自天线相干合并的阵列增益的同时提供联合收发分集增益。 4 南京邮电学院硕士学位论文第二章m i m 0 系统 2 3 2m i m o 系统的几种不同应用 1 智能天线 传统的智能天线技术，实际上只是在发送端或者接收端安装多个天线。通常 选择在基站端安装多个天线，这是由于基站对额外支出的承受力更强并且在空间 的获取上比小型的手持机更为便利。传统上，多天线系统的智能更多的用于权重 选择算法上而不是编码上。空时编码的发展f 在改变这一观点。 智能天线技术的基本原理是使用自适应天线阵列系统，优化空中无线接口的 容量，从而扩大基站覆盖范围，提高信号质量。原理如图2 - 3 所示。通常自适应 天线阵列系统包含多个天线，利用无线资源管理算法控制射频信号能量，动态地 集中发射给所要寻找的用户，同时避免射频信号干扰网络中的其他用户，大大提 高了接收端的信号干扰比。 波束 成形 交换 网络 幽2 3 智能天线原理幽 智能天线采用数字方法对阵元接收信号加权处理形成天线波束，使主波束对 准用户信号方向，而在干扰信号方向形成较强抑制，达到抑制干扰的目的。自适 应智能天线技术利用了空分多址接入技术，使得即使同一小区内的用户处于相当 邻近的状态时，也能使用相同的频率资源和时间资源，自适应智能天线技术使基 站能够与用户建立独立的虚拟天线连接，生成即时定义的空间信道。使用空间信 道，原来定义的处于特定时域内某一频率上的无线信道可以在本小区内多次重复 利用，大大提高了小区的容量。 2 空间复用 m i m o 系统的另一个应用是空间复用。( s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ) 如图2 - 4 所示： 台 靶产 ，蓁：酗 钔 南京邮电学院坝士学位论文第二章m 1 m o 系统 一个高速数据流分解为3 个独立的速率为1 3 的比特序列利用多个天线在同样的 频带上同时发送出去。在接收端通过训练符号区分混合在一起的信道矩阵，然后 将各个比特流加以分离和估计。 0 1 1 0 1 0 3 空间分集 图2 4 空间复用原理图 空间分集则是出于与空间复用完全不同的考虑角度，空间复用利用多天线形 成的空间并行子信道传输不同的信号信息，以实现尽可能高的传输速率。空间分 集则是希望通过在并行子信道上传输相同的信号信息，利用空间冗余提供尽可能 高的可靠性。通过提高系统信噪比实现高传输速率。在多径传播造成随机衰落的 情况下，信号丢失的概率随使用的不相关的天线数增加呈指数下降。这的关键就 是分集数，它由发送端或接收端的不相关的天线数决定。 复用、分集如何取舍 纯粹的空间复用使每个天线单独使用获得较高的数据速率，但不能获得分集 增益，而且在给定比特差错性能时，这往往也不是最佳的发射方案。将符号按分 组进行编码，可以获得分集增益和编码增益这将有助于提高性能，这时数据速率 要有一定的损失，但反之，性能提高了可以采用更多星座点的调制，如采用 1 6 q a m 代替q p s k 。现在出现了将空间复用和空时编码融合的趋势，即考虑到 性能要求又保证一定的数据速率【2 4 】，【2 5 】。 一 南京邮电学院硕士学位论文第= 章窄时编码 第三章空时编码 空时编码技术是一种专门针对多天线系统的编码技术，通过编码使得在不同 空间和时间上的发送信号产生时域和空间域的相关性。接收端利用这一相关性对 抗信道衰落，减少传输差错，并在不牺牲带宽的情况下获得发送分集和功率增益。 空时编码有多种方案如：空时分组码、空时格栅码、分层空时码等，各有侧 重不同，但其核心都是利用m i m o 系统多个收发天线之间形成的多径效果获得 高的频谱效率和性能增益。下面分别介绍受到较多关注的分层空时码和空时分组 码，以及一种新颖的嵌入式空时编码及其改进方案。 3 1 分层空时码 3 i 1 分层空时码编码 空间复用的一个代表就是分层空时码l s t ( l a y e r e ds p a c e t i m ec o d e s ) ，它 是将独立的数据从不同的天线，在同样的频带上同时发送出去以实现数据传输速 率的最大化。接收信号可表示为y = h c + ，y 是m l 的接收信号矩阵。c 是 n l 的发送信号矩阵。为了进行符号检测，接收端必须能够将各个信道区分开， 有几种可行的方法：( 1 ) 迫零技术( z e r o f o r c i n g ) 是一种简单、有效的方法。但 是当信道矩阵h 是高度病态或信道是l o s 信道时，系统性能很差。且z f 技术 要求接收天线数不少于发射天线数，在移动无线环境下的应用受到限制。( 2 ) m m s e 线性接收机可稍微改善这一情况，但也有限。( 3 ) 迭代检测，近年出现 的迭代检测接收机克服了上述弱点，在提供较高性能的同时接收机最少只需要一 根接收天线。 分层空时码有多种结构【2 6 ，【2 7 】，主要包括垂直分层空时码( v l s t ) ，其代 表有贝尔实验室提出的v - b l a s t ( v e r t i c a lb e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e d s p a c e t i m e ) ，还有水平分层空时码( h o r i z o n t a ll a y e r e ds p a c e t i m e ) 及对角空 时码( d i a g o n a ll a y e r e ds p a c e t i m e ) 和线状分层空时码( t h r e a d e dl a y e r e d s p a c e t i m e ) ，分别如图3 - 1 、3 - 2 、3 - 3 所示。 南京邮屯学院硕士学位论文第三章空时编码 图3 - 1v b l a s t 结构框图 v - b l a s t 的发送信号矩阵为： x = 其中一表示t 时刻，i 天线上的发送信号。由发送信号矩阵可看出，v - b l a s t 只是把信号解复用到不同的天线上并没有对信号进行其它处理，因此v - b l a s t 结构必然使系统性能对天线相关性和信道条件产生较大的依赖性。 幽3 - - 2h l s t 结构框图 d l s t 的发送信号矩阵为： 图3 - - 3 d l s t 或t l s t 框图 。如，缸，氟。向 。鼽，砖，向。如砖霉 南京邮电学院顺 ：学位论文 第三牵空时编码 对角分层产生空间分集所以取得比水平分层更好的性能。由于对角分层空时 码要补充0 所以有一些效率损失。 t l s t 的发送信号矩阵为 h l s t 和t l s t 的空间效率为r m n r ，r 是符号速率，1 1 2 是每符号的比特数， ，是发射天线数。 3 1 2l s t 接收机 空间复用带来了空间干扰，其它天线上的信号对目标天线上的信号形成干 扰如同c d m a 系统中的多址干扰。对于未编码的l s t 系统，最大似然检测( m l ) 是最佳