（通信与信息系统专业论文）移动通信系统中的若干新技术研究.pdf

a p a o a a r q a w g n b e r b l a s t b p s b p s k c d m a c s i d o a e c n f d d f d m a f f t f t i d m a l f f t l l d 1 p i s o m a c m c m c m l m o m l s o m l m m s e m s e n d m a o f d m o s i p d f p s l ( q a m q o s q p s k r 工 s d m a s i m o s i n r s i s o 英文缩略语表 a c c e $ sp o i n t a n g l eo f a r r i v a l a u t o m a t i cr e p c a tr e q u e s t a d d i t i v ew h i r eg a u s s i a nn o i s e b i te i t o fr a t e b e l l l a b sl a y e r e ds p a c e - t i m e b i t so 目s e c o n d b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g c o d ed i v i s i o nm u r i p l ea c e e s s c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d i r e c t i o no f a r r i v a l e x p l i c i tc o n g e s t i o nn o t i f i c a t i o n f r e q u e n c yd i w i s i o nd u p l e x f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f a s tf o u r i e rt t a n s f o r m f i n i t ei m p u l s er e p o n s e i n t e r l e a v ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a m f o i t s i n d e p e n d e n ta n di d e n t i c a l l yd i s t r i b u t e d i n t e r n e tp r o t o c 0 1 i n t c m a t i o n a io r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n m u l t i p l e - a c c e s sc h a n n e l m a r k o vc h a i nm o n t ec a r l o m u l t i p l e i n p u tm u r i p l e - o u t p u t m u l t i p l e - i n p u ts i n g l e - 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 r ls q u a r ee r r o r m e a ns q u a r ee r r o r n e t w o r k - a s s i s t e dd i v i s s i o nm u l t i p l ea c c e 骆 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 p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n p h a s es h i f tk e y i n g q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n q u a l i t yo f s e r v i c e q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g r e c e i v e r s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s s i n g l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t s i g n a lt oi n t e r f e r e n c e p l u s - n o i s er a t i o s i n g l e - i n p u ts i n g l e - o u t p u t 5 s n r s 。 s t b c s t c s n c s v d t c p t d d t d m a t o a t x u d p w l a n z p s i g n a lt on o i s er a t i o s u 坳o c tt o 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 他l l i sc o d i n g s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea o c e t i m eo f a r r i v a l t r a n s m i t t e r u s e rd a u b ：a mp r o t o c 0 1 w i r e l e s sl o c a ia r c an e t w o r k z e r o - p a d d i n g 6 论文独创性声明 本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。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名它蔽赢 论文使用授权声明 日期：兰型卫 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，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，可以采用影印、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。 作者签名 施敷 导师虢兰茎堕刍日期 洞b 咯 摘要 移动通信己成为当代通信领域发展潜力最大、市场前景最广的热点技术。随 着人们对无线通信需求的不断提高，研究者们试图通过各种新技术来提高服务质 量。其中包括多址技术、o f d m 技术、智能天线与m i m o 技术、跨层设计、软 件无线电技术、无线定位技术、移动i p 技术、多用户检测技术、网络融合技术 等。这些技术都是当前移动通信领域非常活跃的研究方向，经过进一步深入研究 和开发，可能成为第四代移动通信系统的关键技术。 本文首先概述了移动通信系统的发展及其中的关键技术，并着重介绍了 m i m o 技术与信息论、空时技术、无线定位技术等。随后，通过对移动通信系统 中的几个热点技术研究，提出了基于凸优化理论的m i m o 系统的联合发送一接 收优化、基于贝叶斯估计的二步室内定位和基于跨层思想的多用户m i m os d m a 系统的优化，并给出了系统的仿真结果和室内定位算法在实际环境中的实验结 果。最后概括性地总结了全文的主要结论。 关键词：通信技术；服务质量；多输入多输出；空时处理：空分多址；凸优化； 室内定位；路径损耗模型；贝叶斯方法；吉普斯抽样：马尔可夫链蒙特卡洛；跨 层设计：多用户分集 a b s t r a c t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns t a n d so u ta sat e c h n o l o g yw i t ht h ep r o m i s eo f s i g n i f i c a n tp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ta n dt h ep r o s p e c to fal a r g em a r k e t w i t ht h e i n c r e a s i n gd e m a n do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，r e s e a r c h e r sa r em a k i n ge f f o r t st o e n h a n c eq o sb yu s i n gv a r i o u sn e wt e c h n o l o g i e s ，s u c ha sm u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g i e s ， o f d m ，s m a r ta n t e n n aa n dm i m o ，c r o s s - l a y e rd e s i g n ，s o f t w a r er a d i o ，w i r e l e s s l o c a t i o ne s t i m a t i o n ，m o b i l ei p , m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，n e t w o r km e r g i n g ，e t c t h e a b o v et e c h n o l o g i e sa r ec u t t i n g e d g er e s e a r c ha r e a si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h r o u g hf u r t h e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，t h e ya r em o s tl i k e l y t ob e c o m ek e y t e c h n o l o g i e si nt h e4 g m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i st h e s i sf i r s ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a n dt h e i rk e yt e c h n o l o g i e s ，a m o n gw h i c hm i m ot e c h n o l o g i e s ，i n f o r m a t i o nt h e o r y ， s p a c e - t i m et e c h n o l o g i e s ，w i r e l e s sl o c a t i o ne s t i m a t i o nt e c h n o l o g i e sa r ep r e s e n t e di n g r e a t e rd e t a i l t h e n ，a f t e ri n d e p t hr e s e a r c hi ns o m ep o p u l a rw i r e l e s st e c h n o l o g i e s ， w ep r o p o s es e v e r a ln e wa l g o r i t h m s j o i n tt r a n s m i t r e c e i v eo p t i m i z a t i o no fm i m o s y s t e mb a s e do nc o n v e xo p t i m i z a t i o nt h e o r y ，t w o s t e pi n d o o rl o c a t i o ne s t i m a t i o n b a s e do i lb a y e s i a na p p r o a c h ，a n do p t i m i z a t i o no fm u l t i u s e rm i m o s d m as y s t e m b a s e do nc r o s s l a y e r d e s i g n s i m u l a t i o nr e s u l t so fa l lt h e s ea l g o r i t h m sa n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t so fi n d o o rl o c a t i o ne s t i m a t i o ni nr e a l w o r l de n v i r o n m e n ta r e p r e s e n t e d i m p o r t a n tc o n c u l s i o n sa r es u m m a r i z e d a it h ee n do f t h i st h e s i s k e y w o r d s ：c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ；q o s ；m i m o ；s p a c e t i m ep r o c e s s i n g ； s d m a ；c o n v e xo p t i m i z a t i o n ；i n d o o rl o c a t i o ne s t i m a t i o n ；p a t hl o s sm o d e l ； b a y e s i a na p p r o a c h ；g i b b ss a m p l i n g ；m a r k o vc h a i nm o n t ec a r l o ；c r o s sl a y e r d e s i g n ；m u l t i u s e rd i v e r s i t y 2 第一章绪论 移动通信已成为当代通信领域发展潜力最大、市场前景最广的热点技术。尽 管第三代移动通信( 3 0 ) 标准比现有无线技术更强大，但也将面临竞争和标准不兼 容等问题。人们开始呼吁移动通信标准的统一，期待通过第四代移动通信标准的 制定来解决兼容问题。 第三代移动通信发展之际，世界已开始关注第四代移动通信。本章以移动通 信为主要研究对象，回顾移动通信的发展历程，探讨3 g 、b 3 g 、4 g 移动通信系 统的特点，并介绍了b 3 g 4 g 中的热点新技术。 1 1 移动通信理论的发展 随着以通信技术和计算机技术为标志的高科技的发展，人们的生活发生了日 新月异的巨大变化，人与人之间的信息传递越来越密切，方式也越来越多样化， 人类进入了“信息社会”。传统的电信业务只是针对话音业务和低速率的数据业 务，而现在，越来越多的多媒体业务和高速率数据业务讵以惊人的速度赶超传统 业务。可以说，世界通信业的发展从来没有像目前蜂窝移动通信技术的发展那样 受人瞩目，那样高速发展，那样竞争激烈。 1 1 1 移动通信的早期发展 移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生t l 】。1 8 9 7 年，m g 马可尼 完成了在固定站与一艘拖船之间的无线通信试验，距离为1 8 海里。现代移动通 信技术的发展始于2 0 世纪2 0 年代。人们首先在短波几个频段上开发出专用移动 通信系统，如美国底特律市警察使用的车载无线电系统，它们的特点是用于专用 系统开发，工作频率较低。到2 0 世纪4 0 年代，公用移动通信业务开始问世。1 9 4 6 年，根据美国联邦通信委员会( f c c ) 的计划，贝尔在圣路易斯城建立了世界上 第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”。当时使用三个频道，间隔为1 2 0 k h z ， 通信方式为单工。随后，德国( 1 9 5 0 年) 、法国( 1 9 5 6 年) 、英国( 1 9 5 9 年) 也 相继研制了公用移动电话系统。这标志着移动通信从专用移动网逐步过渡到了公 用移动网，但接续方式为人工，网的容量也很小。2 0 世纪6 0 年代中期到7 0 年 代中期，美国推出了改进型移动电话系统( i m t s ) ，使用1 5 0 m h z 和4 5 0 m h z 频段，采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用 电话网。这一阶段是移动通信系统改进与完善的阶段，其特点是采用大区制、中 7 小容量，使用4 5 0 m h z 频段，实现了自动选频与自动接续。 1 1 2 第一代移动通信系统 到2 0 世纪8 0 年代初，出现了包括a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m 高 级移动电话系统，美国) 、t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 全接入通信 系统。欧洲) 、t a c s ( 日本) 的模拟蜂窝无线系统( 第1 代移动通信系统，1 g ) 。 第1 代移动通信系统基于模拟的处理技术，主要采用f d m a 技术，但由于受到 传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信 系统。第一代移动通信有多种制式，在我国主要采用t a c s 。第一代移动通信有 很多不足之处。比如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不 高、不能提供数据业务、不能提供自动漫游等。 1 1 3 第二代移动通信系统 随着移动通信慢慢地进入人们的日常生活，最初的模拟系统远不能提供足够 的容量保证越来越多的用户接入。第二代移动通信系统应运而生，典型系统有 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，欧洲) 和i s 9 5 ( 美国) 。它们采 用数字方式进行信号处理，系统也从原先的模拟系统变为数字系统，其业务仍以 语音为主，辅助提供一些低速率的数据业务。数字移动通信系统克服了模拟移动 通信系统的弱点，话音质量、保密性可以得到很大的提高，并可进行省内、省际 自动漫游。第二代移动通信替代第一代移动通信系统后完成了模拟技术向数字技 术的转变，但由于其采用不同的制式，移动通信标准不统一，用户只能在同一制 式覆盖的范围内进行漫游，因而无法进行全球漫游。由于第二代移动通信系统带 宽有限，限制了数据业务的应用，也无法实现高速率的业务，如移动的多媒体业 务。 在第二代移动通信系统商用过程中，由于用户对数据业务需求的增加以及其 系统本身具有容量扩展的空间，系统可以在原先的网络和硬件基础上进行软件升 级，采用一些资源分配的算法提供几十k b p s 甚至一百多k b p s 的数据速率的业务。 此时我们称升级的系统为2 5 代移动通信系统，在一定程度上它已实现互联网与 移动系统的互相通信。 1 1 4 第三代移动通信系统 与第一代移动通信系统和第二代移动通信系统相比，第三代移动通信系统的 8 带宽可达5 m h z ，最低传输速率为3 8 4 k ，最高传输速率为2 m 。它不仅能传输话 音，还能传输数据，从而提供快捷、方便的无线应用，能将高速移动接入和基于 互联网协议的服务结合起来，提高无线频谱利用率，并提供包括卫星在内的全球 覆盖，实现有线和无线以及不同无线网络之间业务的无缝连接。 第三代移动通信系统 1 2 1 主要有w c d m a ( w i d e - b a n dc d m a ，欧洲) ， c d m a 2 0 0 0 ( 美国) ，t d - s c d m a ( t i m e d i v i s i o n s y n c h r o n o u s c d m a ，时分同步 码分多址，中国) 。这三个系统都采用码分多址技术接入用户，能够支持蜂窝之 间的软硬切换，系统使容量大大增大。 w c d m a 系统是从g s m 演变过来的，在r e l e a s e 9 9 版本中沿袭了g s m 的 电路交换格式的核心网，可有效支持电路交换业务( 如p s t n 、i s d n 网) 、分 组交换业务( 如i p 网) 。w c d m a 采用d s c d m a 多址方式，码片速率是 3 8 4 m c p s ，载波带宽为5 m h z 。系统不采用全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ，g p s ) 精确定位时，不同基站可选择同步和不同步两种方式，可以不受g p s 系统的限制。在反向信道上，采用导频符号相干r a k e 接收的方式，解决了c d m a 中反向信道容量受限的问题。 c d m a 2 0 0 0 由美国高通北美公司为主导提出，它一个主要特点是与现有的 t i a e i a 9 5 b 标准后向兼容，可从i s9 5 b 系统的基础上平滑地升级到3 g 。它采 用m c c d m a 多址方式，在5 m h z 带宽情况下由三个1 2 8 m h z 的子载波构成， 可支持话音、分组、数据等业务，并且可实现上述q o s 的协调。 t d s c d m a 是由中国原邮电部电信科学技术研究院提出的，它采用t d d 模 式，带宽为1 6 m h z 。它是目前世界上唯一采用智能天线的3 g 系统，还采用了 联合检测、接力切换、同步c d m a 、软件无线电、低码片速率、多时隙、可变 扩频系、自适应功率调整等技术，从而在频谱利用率、对业务支持、频率灵活性 及成本等方面具有独特优势。 第三代移动通信系统中的w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系统已经在全球得到商用， 与第二代通信系统相比有着不可比拟的优势，为用户的需求提供了一个很好的平 台。但是第三代移动通信系统仍是基于地面、标准不统一的区域性通信系统，其 有限的带宽仍无法满足未来多媒体的通信需求。因此，研究者们又纷纷着力对 3 g 系统升级或者设计第四代移动通信系统。 i i 5 第四代移动通信系统 国际电信联盟( i t u ) 早在1 9 9 9 年9 月把“第三代之后”的移动通信系统下的 标准化问题提上了日程，在i t u - r 的工作计划中列入了“1 m t 2 0 0 0 及其以后的系 9 统”，i t u 有关4 g 的提法是b e y o n di m t - 2 0 0 0 ( 3 0 ) ，并提议各会员国于2 0 1 0 年 实现4 g 的商用。但到现在4 g 也仅是一个基本框架而已，定义并不明晰。 目前对第四代移动通信系统的描述主要有以下几方面( i 3 1 ：( 1 ) 建立在新的频 段( 比如5 - s g h z 或更高) 上的无线通信系统，基于分组数据的高速率传输 ( 5 0 m b p s 以上) ，承载大量的多媒体信息，具有非对称的上下行链路速率、地区 的连续覆盖、q o s 机制、很低的比特开销等功能；( 2 ) 真正“全球统一”( 包括卫 星部分) 的通信系统，基于全新网络体制的系统，或者说其无线部分将是对新网 络智能的、支持多业务的、可进行移动管理的“无线接入”，能便各类媒体、通 信主机及网络之问进行“无缝”连接，使得用户能够自由地在各种网络环境间无 缝漫游：( 3 ) 将不是单纯的传统意义上的“通信”系统，而是融合了数字通信、 数字音视频接收( 点播) 和因特网接入的崭新的系统，用户能够自由的选择协 议、应用和网络。让应用业务提供商( a s p ) 及内容提供商能够提供独立于操作的 业务及内容。 1 24 g 系统中的关键技术 4 g 系统总的目标概括为1 1 , 1 1 ：同3 g 等已有的数字移动通信系统相比，4 g 系 统应具有更高的数据率、更好的业务质量( q o s ) 、更高的频谱利用率、更高的 安全性、更高的智能性、更高的传输质量、更高的灵活性：4 g 系统应能支持非 对称性业务，并能支持多种业务；4 g 系统应体现移动与无线接入网和i p 网络不 断融合的发展趋势，因此4 g 系统应当是一个全i p 的网络。 国内外的研究者们致力于这样的目标，不断在已有技术的基础上改进或创 新，如多址技术、o f d m 技术、智能天线与m i m o 技术、跨层设计、软件无线 电技术、无线定位技术、移动i p 技术、多用户检测技术、网络融合技术等都得 到了进一步的研究和开发，可能成为第四代移动通信系统的关键技术。下面选择 其中一部分作简要的讨论。 1 2 1 多址技术 在移动通信环境的电波覆盖区域内，如何建立众多用户之间无线信道的连 接，是多址技术解决的问题。用户之间无线信道的连接总是要通过某种可用资源， 一般可用资源有频谱、时间、空间，根据对不同资源的利用情况产生了下面三种 基本多址技术，如图i 1 所示。 频分多址( f d m a ) ：给定频谱按一定要求分成若干部分，每个用户通信时占用 其中之一。所有第一代系统都采用f d m a 。 1 0 时分多址( t d m a ) ：将连续时间段分成若干段，叫做时隙，每个用户通信时 占用一个周期内所有分配频谱的部分时间。第二代系统中g s m 、i s 5 4 1 3 6 、 j d c 和美国第三代系统中u w c 1 3 6 采用t d m a 。 ( a ) 频分多址 ( b ) 时分多址( c ) 码分多址 国i i 不同的多自e 技术 码分多址( c d m a ) ；每个用户在通信时占用所有频谱和所有时间，但不同用 户具有不同的正交码形，依靠这些正交码形来区分用户。第二代系统中i s 9 5 和第三代系统中w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 都采用了c d m a 。 而除第一代系统外，也可以混合使用以上几种多址方式，如f d m a + t d m a ( g s m ，i s - 5 4 1 3 6 ，j d c ) ，f d m a + c d m a ( i s 9 5 ，w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ) ，f d m a + t d m a + c d m a ( t d s c d m a ，u t r a - t d d ) 。 除了以上三种传统的多址方式，s d m a 和i d m a 这两个多址方式也慢慢成 熟起来，成为四代移动通信多址方式的有力竞争者。 空分多址( s d m a ) ：每个用户在通信时，可以占用所有频谱、所有或部分时间、 所有或部分码形，但只占用特定的空间( 方向) 。在本文的第三章有详细讨论。 交织分多址( i d m a ) 1 5 1 ：每个用户在通信时，与c d m a 一样占用所有频谱 和所有时间，但i d m a 用不同的交织来区分用户。一般的c d m a 系统采用 符号交织后扩频的方式，而i d m a 系统采用扩频后迸行帧内码片交织的方式。 1 2 2o f d m 技术 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 ，正交频分复用) 是一种 无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，面 o f d m 技术的主要思想就是l l 叫通过快速复立叶变换( f f t ) 和加入循环前缀，在频 域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调 制，并且各个子载波并行传输。o f d m 系统如图1 2 所示。在o f d m 系统中， 尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，且 在每个子信道上进行的是窄带传输，信号宽带小于信道的相应带宽，因此不但消 除了子载波间的相互干扰，而且提高了频谱利用率。 输 i 塑型竖! 卜叫 r 丽丽f ? _ 加入防护 s ，p i f f t p s 间隔 痤巫叶 ( a ) o f d m 发送机 通匦团一 移去防护 悃圃固一 s ，p f f t p s 闻厢 懂巫p ( b ) o f d m 接收机 图1 2 0 f d m 系统 尽管o f d m 、多载波技术不是一项新技术【17 1 ，但是将o f d m 应用于无线宽 带移动通信系统，尤其是o f d m 、多载波作为一项核心技术和其他技术的结合， 仍是4 0 系统研究的一大热点。 2 1 2 3 智能天线与m i m o 技术 与m i m o 相比，智能天线的概念较先提出。它的基本原理是在基站使用多 个天线元来收发信号，通过基带信号处理，在空间域内抑制交互干扰，增强特殊 范围内想要的信号。波束成形和空间分集分别是智能天线中的两项重要技术。波 束成形通过把能量集中在期望的方向上来提高平均信噪比。它估计每个天线对给 定信号及干扰的响应，最优化地选择权重，从而使所有天线结合后的平均期望信 号最大，或噪声或邻近信道干扰最小。空间分集是指使用非相干的天线元，当有 多径传输产生的随机衰落时，丢失信号的概率将随使用的天线元数量的增加而呈 指数下降。将两种优势结合在一起，智能天线系统使无线信号质量与传输容量都 得到了改进。在我国提出的3 g 标准t d s c d m a 中已采用了智能天线技术。 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 ，多输入多输出) 是指在接收机和发送 机中同时包括多个天线元，如图1 3 所示。由于m i m o 系统使多天线优化在更大 空间内进行，它可以提供更大的自由度。特别是当我们知道先验信道信息时， m i m o 不但能提供天线元阵列产生的增益，而且能产生联合发送接收增益，第 二章将对此作详细说明。 一r 棍天线 1 2 4 软件无线电技术 图1 3 m i m o 信道 根天线 所谓软件无线f g ( s o t h v a r cd e f i n e dr a d i o ，s d r ) ，就是将标准化、模块化的 硬件功能单元经过一个通用的硬件平台，利用软件加载的方式来实现各种类型的 无线电通信系统，是一种具有开放式结构的新技术，使得无线通信系统具有软件 、， 机 似 们 p 嫩 棚 ：萋 缈 接 一 一 ； 一 劁 l l ；l j j ；j 机 吣 晰 印 黼 啦 缈 发一 可移植性和功能可编程性，使系统互联和功能升级非常方便。 在4 g 移动通信系统中，要求用户能够在不同的系统中利用单一的终端进行 漫游，而软件无线电技术的灵活性则使其成为第四代移动通信系统研究的个热 门技术。目前，软件无线电已有了一些应用，如欧洲f i r s t 计划将软件无线电 技术应用到设计多频，多模可编程手机中；美国麻省理工学院提出的 s p e c t r u m w a r e 计划，为软件无线电技术与计算机技术的融合开创了先例。 1 2 5 跨层的网络体系结构 在传统的网络参考模型中，为了减少设计的复杂性，网络设计者们把协议和 实现协议的软、硬件组织成分层结构。每一层向上一层按照预先定义好的接1 2 1 提 供服务，除此之外，各层之间相互独立地实现本层特定的功能。 这种网络体系结构及分层设计的思想在现有的无线网络中得到广泛的应用， 但目益演进的无线网络却对它发起了巨大挑战。第四代移动通信将把现有的和新 的无线系统结合到一个全i p 的网络之中，且这些无线终端的处理功率、内存、 存储空问、电池寿命、数据处理能力都各不相同，其q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ， 服务质量) 也存在很大的差异。因此，4 g 网络必须支持各式各样不断变化的业 务类型及其q o s 要求，并支持网络拓扑结构的变化。如何将分散在网络各个子 层的特性参数协调融合，以提升整体网络的性能，即是跨层设计的总体目标。 近几年来，跨层优化的研究引起了学者们的浓厚兴趣。针对移动通信系统的 特点已提出了很多跨层优化方案，如：物理层通过一个新的接口将信道信息传递 给m a c 层，使m a c 层能够根据信道状态调节传输参数：应用程序将它们各自 对延时的要求通知数据链路层，使数据链路层优先处理那些对延时敏感的分组； 等等。跨层设计在本文第六章有详细讨论。 1 3 论文结构与内容安排 本文分为七个章节。 第一章为概论，介绍本文的研究背景，发展现状，及各个章节的结构安排。 第二章和第三章讨论了m i m o 技术及其在多用户系统中应用。其中，第二 章主要介绍m i m o 及空时技术的发展历史及现状。第三章给出了一个实际的 m i m o 系统，针对此系统提出一种联合发送接收算法，在给出优化的数学基础后， 对此系统进行优化。 第四章和第五章介绍室内定位系统。第四章归纳了目前学术界提出的主要室 内定位算法。第五章提出了一种新的基于贝叶斯估计的二步定位算法，并在计算 1 4 机模拟的基础上，开发了实际环境下的定位软件 第六章讨论了无线网络的各种跨层设计算法，及其优缺点。并用跨层优化的 方法设计了一个多用户m i m os d m a 系统，就其性能进行了分析。 第七章概括性地总结了全文的主要结论，并指出需在将来作进一步研究的问 题。 第二章m i m o 与空时技术 m i m o 技术是代表当前无线系统领域最新发展的一项技术。它在接收机和发 送机( 即基站和用户终端) 使用多根天线，通过编码增益、分集增益以及复用增 益来提高系统的传输可靠性和容量。 本章主要介绍多输入多输出( m i m o ) 空时编码无线系统领域的最新进展。 首先介绍m i m o 无线连接技术以及巨大的研究潜力；然后，重点阐述m i m o 的 系统容量，从信息论的基本数学结论导出m i m o 信道容量；之后，分析和探讨 空时技术，包括空时技术的基本原理，空时码技术以及空时信道估计方法：最后 根据m i m o 和空时技术的优势，讨论这些技术在实际通信系统中的应用。 2 1m l m o 技术简介 m i m o 技术最近成为现代通信最重要的技术突破之一。这个技术依靠系列 最新的技术，有望解决未来因特网普及的无线网络的信道容量的瓶颈问题。更令 人惊讶的是，在这项技术发明的仅仅几年时间后，它似乎就进入大范围有标准的 商业无线产品和网络，如宽带无线接入系统、无线局域网、3 g 网络等等。 m i m o 的基本思想是：一端发送天线的信号和另一端接收天线的信号以某一 种特定的方式结合，使每一个m i m o 用户的通信质量( 比特误码率) 或数据速 率有所改进。这样的优势可以大大提高网络的服务质量和运营商的收入。 m i m o 系统的核心是空时信号处理，即用多个不同空间分布的天线来等效替 代时间。这种m i m o 系统可以看作所谓智能天线的补充。智能天线是一种使用 天线阵列来改进无线传输的技术，这项技术可以追溯到几十年以前。 m i m 0 系统的个重要特点是它可以把传统上作为无线传输缺陷的多径传 输转换成优点。m i m o 有效地利用了随机衰落和多路径延时扩散来增加传输速 率。我们有可能在不需要额外频谱的情况下( 仅仅增加硬件和复杂度) 把无线通 信的传输性能提高好几个数量级，这大部分归功于m i m o 作为一个新的研究课 题的成功。它促进了信道建模、信息论与编码、信号处理、天线设计、固定与移 动多天线识别的蜂窝设计等众多领域的进步。 2 1 1 技术背景 近来，用户单元正逐步演变为成熟的无线因特网接入设备，而不是简单的移 动电话，因此，对用户单元大小和复杂度的限制没有以日u 那么严格。这样，就能 在接收机和发送机( 即基站和移动终端) 中同时包括多个天线元，组成m i m o 系 1 6 统。 m i m o 保留了传统智能天线的优点，即在m i m o 系统中同样能类似地运用 智能天线中的波束形成与分集技术。由于m i m o 系统使多天线优化在更大空间 内进行，它可以提供更大的自由度。特别是当我们知道信道信息时，m i m o 不但 能提供天线元阵列产生的增益，而且能产生联合发送- 接收增益。 事实上，m i m o 的优势具有本质意义1 2 ”。它的内在数学特性意味着数据是 在矩阵信道而不是向量信道中传输，这就使m i m o 提供的增益不局限于分集增 益或阵列增益。【2 2 】中说明了怎样通过空间复用，在由m 个发送天线和n 个接 收天线组成的矩阵信道的本征模式中，同时传输m i n ( n , m ) 个独立数据流。 信息论研究成果表明，对于有m 个发送天线和个接收天线的m i m o 系统， 在发送方完全不知道信道信息的情况下，该m i m o 系统容量由以下公式给出【2 3 】： 卅 d e t ( “十旨删” b s h z t ， 其中，上标h 代表共轭转置，p 表示任意接收天线的信噪比，日表示n m 信 道矩阵，。表示n x n 单位矩阵，c 的下标e p 表示发射机由m 个等功率的不相 关源组成。式( 2 1 ) 中的信道容量随m i n ( n , m ) 的增长而线性增加。 m i m o 系统的信道容量也可以用信道本征值的形式来表示： c e p = 喜l o g ：【1 + 昙丑) b s h z ( 2 _ 2 ) ，一i h 其中， ，五，厶是w 的非零本征值，m = m i n ( n , 胸， 肚 篇谶 g ， 以上分析可以看出，m i m o 系统的系统容量将随发射天线数和接收天线数的 较小者线性增长，从而从理论上肯定了m i m o 技术的优势。 2 1 2 数学模型 图m i m o 系统结构框图 1 7 刃焉、。! 菖藏砥h 爵譬 n 撕 ，扪 m i m o 系统的结构框图如图2 1 所示。设( f = l ，2 ，) 为第i 个发射天 线的发射信号，则发射信号向量双r ) = k o ) ，屯( r ) ，h ( r ) 】；设 此( ，) ( k = l ，2 ，m ) 为第k 个接收天线的接收信号，则接收信号向量 y ( ，) = ( ，) ，儿( f ) ，y l ( f ) 】设信道矩阵 h = ， ： 虬1 t 岛l ：l i h n 、h w l l h n ? n ? 其中上标t 表示矩阵转置，h , a i = 1 ，2 ，；j = 1 ，2 ，n r ) 表示第i 个发射天线 到第_ ，个接收天线的信道参数，可以根据实际信道环境设定服从某一种分布。从 而该模型的接收信号可以表示为 ，y = h x + n ， ( 2 4 ) 其中 r 为噪声向量。 2 2m i m o 信息论 系统容量是评价无线通信系统的一个重要指标，因此任何一种通信技术的提 出必然会引起应用该技术的系统的容量讨论。本节从信息论基础引出无线信道容 量的表示方法，进而讨论m i m o 信道容量。通过m i m o 信道容量的理论研究进 一步确立m i m o 技术的优越性。 2 2 1 基本数学结论 对于一个无记忆lxl 的系统( s i s o ) ，容量由下式决定： c = l 0 9 2 ( 1 + p l h l 2 ) b s h z ( 2 5 ) 在这里，h 是固定无线信道或随机信道特定实现的归一化复数增益，p 代表 任意接收天线的信噪比。当我们使用更多接收天线时，容量的统计值会得到改进。 当有膨个接收天线时，这个s i m o 系统的容量由下式给出： c=l092fl+pc l o g 瓠1 2 1 b s h z ( 2 6 ) l时l ( 2 6 ) 摔i 在这里，矗是第i 个接收天线的增益。由( 2 6 ) 式能得出：随着天线数m 的增 加，平均信道容量只呈对数增长。如果我们选择发送分集，那么在发送端不考虑 信道信息的情况下，有j v 个发送天线的多输入单输出( m i s o ) 系统的信道容量 8 由下式给出： c t o g ：( t + 号枷2 ) w 五 亿7 ， 在这里，归一化因子保证了总传输功率的固定，并且说明了在这种情况下 没有数列增益( 而在( 2 6 ) 中，信道能量可以连续地结合在一起) 。同样要注意， 这里的信道容量与呈对数关系。现在让我们考虑在发送机和接收机中都使用 分集，即m i m o 系统。对于有个发送天线和m 个接收天线的系统，它的容量 由下列著名的公式给出： r，、 = l 0 9 2 fd e t fi m + 号h h “ff b s i - i z ( 2 8 ) l 州 j 其中，上标h 代表共轭转置，h 代表肘n 信道矩阵。( 2 7 ) 式和( 2 8 ) 式都基 于个等功率( e p ) 的不相关源。f o s c h i n i 2 。】和t e l a t a r 【25 1 都证明t ( 2 8 ) 中信道 容量随m i n ( m , n ) 的增长而线性增加，而不是像( 2 7 ) 中的那样呈对数增加。这个 结果可以由下列过程直觉推出：对( 依赖于信道的) 矩阵进行行列式计算可以得 出这个矩阵的m i