（通信与信息系统专业论文）蜂窝系统中动态三维资源调度技术研究.pdf

南京邮l u 人学顾i j 生学位论文 摘要 摘要 下一代移动通信系统能够提供更高的数据速率，支持更多的用户并且满足多种业务的 要求。m i m o ( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ) 技术与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 n m u l t i p l e x i n g ) 技术已经被广泛认为是未来移动通信系统中的主要核心技术，在频率选择性 衰落信道中，m i m o o f d m 系统可以实现高性能、高频谱效率的通信，通过动态调整各种 传输参数使得系统资源配置能适应信道的变化。另一方面，机会波束成形技术能加快信道 波动的速度、加大信道波动的范围，从而提高多用户分集增益。 本文在对m i m o 技术、o f d m 技术和机会波束成形技术研究的基础上，提出了蜂窝系 统中动态空间时间一频率三维资源调度技术，并进行了仿真。重点研究了将多波束机会波 束成形技术与m i m o o f d m a 系统相结合，利用多波束形成的多个并行空间信道和o f d m 特有的调制结构，实现空间、时间与频率三维无线资源的综合利用，从而提高蜂窝的系统 吞吐量，论文仿真比较了采用不同调度方法和不同波束组合的吞吐量性能。 a b s t r a c t t h en e x t g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a np r o v i d eh i g h - s p e e dd a t a t r a n s m i s s i o nw h i l es u p p o r t i n gal a r g en u m b e ro fs u b s c r i b e r sa n de n s u r i n gt h ef u l f i l l m e n to f q u a l i t yo fs e r v i c er e q u i r e m e n t s m i m o ( m u l t i i n p u tm u l t i - o u t p u t ) a n do f d m ( o r t h o g o n a l f 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 ) a r ec o n s i d e r e d a st w ok e yt e c h n i q u e so ff u t u r em o b i l e c o m m u n i c a t i o n i nf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s ，m i m o - o f d ms y s t e m sa r ea b l et o s u p p o r th i g hp e r f o r m a n c ea n dh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c yc o m m u n i c a t i o n v a r i o u sp a r a m e t e r sc a n b ea 由u s t e dd y n a m i c a l l ys ot h a tt h es y s t e mr e s o u r c e sa d a p tt ot h ev a r i a t i o n so fw i r e l e s s e n v i r o n m e n t 。o nt h eo t h e rh a n d ，o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gc a l la c c e l e r a t et h ec h a n n e l f l u c t u a t i o na n de x p a n d i n gt h er a n g eo fv a r i a t i o n ，a n dt h e r e f o r em u l t i u s e rd i v e r s i t yg a i nc a nb e i n c r e a s e d b a s e do nt h es t u d yo fm i m o ，o f d ma n do p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n g ，ad y n a m i c s p a c e - - t i m e f r e q u e n c yt h r e ed i m e n s i o n a ls c h e d u l i n gs y s t e mi sp r o p o s e da n ds i m u l a t e di nt h i s t h e s i s s p e c i f i c a l l y , b yc o m b i n i n gm u l t i b e a m f o r m i n ga n dm i m o - o f d m a ，m u l t i p l ed a t a c h a n n e l sc a nb ef o r m e da n dt h r e ed i m e n s i o n a lr e s o u r c ec a nb eu t i l i z e dd y n a m i c a l l yt oi n c r e a s e t h es y s t e mt h r o u g h p u t p e r f o r m a n c e si nt h ec a s e so fd i f f e r e n ts c h e d u l i n gm e t h o d sa n dd i f f e r e n t b e a ms e td e s i g n sa r es i m u l a t e da n dc o m p a r e d 南京邮f 【1 人学硕l ：研究生学位论文 英义缩略语 英文缩略语 n n g na d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b 3 g c d f c d m a c d p d c s i d f t d o a e d g e f f t g p r s g s m i c i i d f t i f f t i i d b e y o n d3g e n e r a t i o n c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a c h a n n e ls t a t u si n f o r m a t i o n d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r n l d i r e c t i o no f a r r i v a l 加性高斯自噪声 超三代 累积分布函数 码分多址 蜂窝式分组数据 信道状态信息 离散傅立叶变换 波达方向 e n h a n c e d d a t ar a t ef o rg s me v o l m i o n增强型数据速率g s m 演进 f a s tf o u r i e ry r a n s f o r r n g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e g l o b a ls y s t e m sf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s i n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o t i n i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o i t n i n d e p e n d e n ti d e n t i c a l l yd i s t r i b u t e d i m t - 2 0 0 0i n t e m a t i o n a im o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s 一2 0 0 0 i s i i t u m i m o m i s o i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t m a xc i m a x i m u mc a r r i e r - t o i n t e r f e r e n c er a t i o 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 o f d m a o b f 0 r b f p a p r p d f 快速傅立叶变换 通用分组无线业务 全球移动通信系统 载波间干扰 离散傅立时逆变换 反向快速傅立叶变换 独立同分布 国际移动通信2 0 0 0 符号间干扰 国际电信联盟 多输入多输出 多输入单输出 最大载干比 正交频分复用 o a 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 ea c c e s s 正交频分复用多址接入 o p p o r t u n i s t i cb e a mf o r m i n g o r t h o n o r m a lr a n d o mb e a mf o r m i n g p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n 5 7 机会波束成形 正交随机波束成形 峰均功率比 概率分布函数 南京邮l u 人学顾i ：研究生学位论文英义缩i 咯语 p s k q a m q o s s d m a s 烈r s i s ：0 s n r t d m a v c i r w c d m a w l a 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 fs e r v i c e 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 g n a lt on o i s ep l u si n t e r f e r e n c er a t i o s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t s i g n a lt on o i s er a t i o t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s v e c t o rc h a n n e li m p u l s er e s p o n s e w i d e b a n dc d m a w i r e l e s si ，o c a la r e an e t w o r k 5 8 相移键控 正交幅度调制 服务质量 空分多址 信号干扰噪声比 单输入单输出 信噪比 时分多址 向量信道冲击响应 宽带c d m a 无线局域网 南京邮电大学学位论文原创性声明 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已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 研究生签名： 盔缒慨碑岑 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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、缩印或其它复制手段保存论文。本文电子文档 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 大学研究生部办理。 研究生签名：夕蓉渤导师签名： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 无线通信是当今通信领域中最为活跃的研究热点之一。从2 0 世纪4 0 年代提出无线通 信的概念后，直到8 0 年代无线移动通信才开始在全球范围内得到前所未有的发展，这种 发展的势头还在延续，今后甚至会更快。 1 1 1 无线移动通信发展历程 第一代模拟移动通信系统( 1 g ) 主要建立在频分多址接入和蜂窝频率复用的理论基础 上，在商业上取得了巨大的成功。但是，该系统主要问题是所支持的业务( 主要是语音) 单一、频谱效率低、保密性差等，特别是在欧洲，一个国家有一个自己的标准和体制，无 法解决跨国家的漫游问题。模拟移动通信系统经过1 0 余年的发展后，终于在2 0 世纪9 0 年代初逐步被更先进的数字蜂窝移动通信系统所代替。 第二代数字移动通信系统( 2 g ) 主要有g s m 系统、i s 1 3 6t d m a 系统以及i s 一9 5c d m a 系统。它实现了话音的数字化，并用时分多址代替了频分多址接入方式，大幅度增加了系 统的用户容量。但即便如此，g s m 系统也仅能提供2 4 9 6 k b p s 与1 4 4 k b p s 的电路交换 语音业务，以及通过使用通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，g p r s ) 和增强 型数据速率g s m 演进( e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n ，e d g e ) 技术分别提供 1 4 4 k b p s 和3 8 4 k b p s 的分组交换数据业务；i s 1 3 6t d m a 系统能提供9 6 k b p s 的电路交换 语音和传真业务，其最高数据传输速率可达4 0 6 0 k b p s ；i s 9 5c d m a 系统能够提供可变 速率接入，其峰值速率分别可以达到9 6 k b p s 和1 4 4 k b p s ，还可以通过使用蜂窝分组数据 网络( c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a ，c d p d ) 来提供1 9 2 k b p s 的数据业务。显然，第二代移 动通信系统还不能满足用户日益增长的对全多媒体业务的需要。 第三代移动通信系统( 3 g ) 于1 9 8 5 年由国际电信联盟( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n s u n i o n ，i t u ) 提出，并且在1 9 9 6 年确定了正式名称：国际移动通信系统2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a l m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s 一2 0 0 0 ，i m t - 2 0 0 0 ) ，意指在2 0 0 0 年开始商用并工作在2 0 0 0 m h z 频段上的国际移动通信系统，它的关键特性和目标是提供全球无缝覆盖，并且提供全球漫 游业务。原先i t u 在制定i m t - 2 0 0 0 标准的时候，希望得到一个提供高速数据接入的全球 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 统一的移动通信标准。然而各标准制定方在自身利益的驱动下互不相让，最终折中成五大 主流标准。其中三个是基于码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 技术的标准， 包括：i m t - 2 0 0 0c d m ad s ( 直扩：w c d m a ，c d m a2 0 0 0 ) ，i m t - 2 0 0 0c d m am c ( 多 载波：c d m a2 0 0 0m c ) ，i m t - 2 0 0 0c d m at d d ( 时分双工：t d s c d m a 、t d c d m a ) ： 两个是基于t d m a 技术的标准，包括：i m t - 2 0 0 0t d m as c ( 单载波) ，i m t - 2 0 0 0t d m a m c ( 多载波：d e c t ) 。 3 g 系统相对于2 g 系统在通信速度和质量上都有了很大的提高，并可以支持多媒体和 i p 类型的业务，然而3 g 仍然存在一些问题： ( 1 ) 主流3 g 标准均采用c d m a 技术，而在c d m a 结构下提供数据业务需要克服更大 的干扰； ( 2 )由于空中接口标准对于核心网的限制，难以胜任大量有着各自服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 和性能要求的多速率数据业务； ( 3 ) 为了有效地适应不同的无线环境，时分、频分复用结构的融合受到限制。 所以，为了弥补3 g 对于未来超高速数据( 2 0 m b p s ) 传输的不足，就有了第四代移 动通信( 4 g ) 的讨论和研究。 1 1 2 未来移动通信系统的研究现状与关键技术 为了适应未来通信发展的需求，i t u 开始将目光放到3 g 以后的无线通信系统上，1 9 9 9 年1 2 月i t u r 成立了w p 8 f 工作小组【1 】，负责规划未来移动通信系统的发展，至此掀起 了研究热潮。中国在“十五”计划中也投入了大量资金着手研究基于多载波和正交频分复 用( 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 ) 的第四代无线移动通信系统，这 些都将极大地影响着未来无线通信系统发展的方向。 目前的研究机构通常将下一代移动通信系统统称为超三代移动通信系统( b e y o n d3 g e n e r a t i o n ，b 3 g ) 或第四代移动通信系统( 4 g ) 。按照i t u r 的设想，从当前存在的无线 接入网平稳、平滑地演进是4 g 的一个主要特征。i t u r 进一步期望能够开发出新的无线 接入技术，具有自适应接口能力的高速数据传输无线接口。这两个方面使得用户不必关心 在某一个位置和时间所采用的技术，但是能够得到最好的服务。总之，下一代移动通信系 统的开发包括两个方面：一个是对现存无线网的集成和融合，另一个是开发新的无线接口 技术。 随着移动通信技术和i n t e m e t 技术的不断发展和结合，下一代移动通信系统和i n t e m e t 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第苹绪论 网将会逐渐融合为一体。在下一代移动通信系统中，用户将使用各种各样的移动设备接入 其中，从而使得各种不同的接入系统结合成一个公共的平台，如图l - 1 所示，它们互相补 充、互相协作以满足不同的业务要求，移动网络服务趋于多样化，最终将演变为社会上多 行业、多部门、多系统与人们沟通的桥梁。 r 图l - 1b 3 g 系统的网络结构 从技术角度来说，在宽带无线接入系统中，存在两个主要的问题：一是无线信道的多 径效应会引起严重的符号间干扰( i n t e r - s y m b 0 1 i n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，二是有限的频谱资源大 大限制了系统的容量。因此为了实现b 3 g 系统的目标，满足高带宽业务对系统容量的需求， 必须开发能够有效利用频谱的新技术。i t u rw p 8 f 对无线接入技术趋势的研究表明，下 列技术将会在b 3 g 系统中得到广泛应用： ( 1 ) o f d m 技术，o f d m 本质上是一种多载波数字调制技术，其基本原理就是把高速 的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个正交子信道中进行传输，从而 消除时间弥散信道( 即频率选择性信道) 上严重的符号间干扰。o f d m 的概念是d o e l z 在1 9 5 7 年提出的，1 9 7 1 年w e i n s t e i n 和e b e r t 用i d f t d f t 实现了o f d m 的调制与解调【2 】， 但是因为系统的实现比较复杂，该技术一直没有得到广泛应用。到了2 0 世纪9 0 年代，o f d m 技术开始应用到一些标准的系统中 3 1 1 4 ，比如d a b 、d v b 、h i p e r l a n 和i e e e 8 0 2 1 1 系 统等。o f d m 技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰。当然，o f d m 也带来 了新的问题。这些问题包括：较高的峰值平均功率比( 非线性放大问题) ：时频同步困难 气 南京邮电人学硕士研究生学位论文第一章绪论 ( 特别是上行链路的子载波同步问题) ；对频率偏移比较敏感等。随着研究的深入和技术 的广泛应用，这些问题正在被解决。 ( 2 ) 智能天线技术，智能天线也叫自适应天线，它可以利用信号在传输方向上的差别， 将同频率或同时隙、同码道的信号进行区分，动态改变信号的覆盖区域，使主波束对准用 户方向，旁瓣或零陷对准干扰信号方向，并能够自动跟踪用户和监测环境变化，为每位用 户提供优质的上行链路和下行链路信号，从而达到抑制干扰、准确提取有效信号的目吲5 | 。 因此也可以把智能天线技术看作一种空分多址( 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 d m a ) 技 术。 ( 3 ) 多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 技术，为无线通信系统的 发射机和接收机分别安装多副天线，可以构成m i m o 系统。m i m o 系统的核心思想是空时 信号处理f 6 】【7 1 ，即在原来时间维的基础上，通过使用多副天线来增加空间维，从而实现多 维信号处理，获得空间分集增益和空间复用增益。研究表明，在富散射的环境中，m i m o 系统的链路容量随着天线数的增加正比例增长，这些增加的信道容量可以用来提高信息传 输速率，增加系统的有效性，也可以作为信息的冗余度改善系统的传输可靠性，或者在有 效性和可靠性之间取得一个合理的折衷【8 】【9 】。 ( 4 ) 无线资源管理技术，无线业务提供者需要为获得的频谱付出昂贵的费用。频谱效 率是决定采用一种技术的非常重要的因素，对b 3 g 系统也是如此。无线资源管理就是在满 足用户q o s 需求的情况下，在有限的带宽上分配和调度资源达到最大限度地提高频谱效率 和系统容量，同时避免网络的拥塞【i o 】【1 1 1 。在网络业务分布不均匀与无线信道环境比较复杂 的情况下，通过对网络内可用无线资源的合理使用，可以最大程度地提高无线频谱利用率。 ( 5 ) 软件无线电( s d r ) ，软件无线电使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的 网络和空中接口。软件无线电技术能支持采用不同空中接口技术的多模式手机和基站，能 实现各种应用的可变q o s 。软件无线电技术有助于不同标准和系统的融合。在b 3 g 中采用 软件无线电技术，可以实现单一终端在各个不同系统之间的漫游，为系统共存和频谱共享 提供了可能【1 2 】【1 3 】。 通过上面的分析可以看到，目前，基于o f d m m i m o 技术的系统被视为b 3 g 4 g 系统 最有前景的实现方案。o f d m m i m o 技术可以将系统资源扩展到时域、频域、空域三维空 间上，同时在基于o f d m 的系统中应用自适应编码和调制，在多维空间中对多用户实行调 度，就可以使无线资源管理变得非常灵活。正交频分复用多址接入( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，o f d m a ) 被认为是最简单有效、资源分配最灵活的多址技术， 目前在8 0 2 1 x 系列无线接入技术中得到了广泛的应用。 正 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 2 本文主要内容及安排 本文主要研究在m i m o 和o f d m 两者技术优点的基础上，结合多波束成形技术来搭 建一个适用于无线宽带传输的m i m o o f d m a 系统。实现在空间、时间与频率三维资源上 的并行数据传输，从而提高系统吞吐量。 全文介绍了m i m o ，o f d m ，机会波束成形等技术，重点研究了在m i m o o f d m a 系 统中的多波束成形技术。具体章节安排如下： 第一章简单介绍移动通信发展史和未来移动通信的关键技术。 第二章介绍了无线衰落信道的传播特性。 第三章对m i m o 技术和o f d m 技术进行了介绍，给出了m i m o o f d m 系统模型。 第四章介绍了多用户分集与机会波束成形技术，并对多波束成形技术进行实例仿真。 第五章主要讨论了多波束成形技术在m i m o o f d m a 系统中的应用。 第六章对全文工作的总结与展望 符号说明：为表达方便，我们统一用小写黑体表示向量，大写黑体表示矩阵，e f 1 表 示求期望，v a r 】表示求方差，乃 】表示求矩阵的迹，【】爿表示矩阵的共轭转置，i 。表示 玎玎的单位矩阵。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线衰落信道的传播特性 第二章无线衰落信道的传播特性 2 1 无线信道传播特性 一切无线通信都是基于电磁波在空间的传播来实现信息传输的。电磁波在自由空间中 的传播主要有直射、反射、散射和漫射四种方式，其结果是到达接收机的接收信号与发送 信号相比产生了一些变化。无线信道的传播特征在很大程度上决定了无线通信系统的复杂 度和性能。因此，对任何无线通信系统的研究和设计都必须以信道特性为基础。 无线信道的传播特征可以用大尺度衰落和小尺度衰落两个层面加以描述。大尺度衰落 包括路径传播损耗和阴影衰落，反映信号平均功率随距离和位置的缓慢变化，主要影响无 线通信系统的通信距离和覆盖范围。小尺度衰落表现为多径衰落，主要由传播环境中各种 建筑物、障碍物的反射、散射、绕射及运动引起，反映无线终端在数十个波长范围或极短 时间内信号功率的快速变化，是影响接收机性能的主要因素。因此，信道建模主要包括三 个方面：路径损耗模型、阴影衰落模型、多径衰落模型。无线信道的总体损耗为路径传播 损耗、阴影损耗及多径衰落损耗之和【l4 1 。 2 1 1 路径损耗 路径传播损耗又称衰耗，是指无线电波在空间传播所产生的损耗。它反映出宏大范围 的空间距离上接收信号电平平均值的变化趋势。 对于理想的自由空间( 不考虑地理环境、天线高度等影响) 传播环境，f r i i s 自由空间 方程如下式： p ( d ) = 丽p , g , g ，2 3 ( 2 - 1 ) 其中，只为发射功率，p ( d ) 为距离发射天线d 处的接收功率，g ，g ，分别为发射天线增 益和接收天线增益，五为波长，三为系统硬件引入的损耗。式( 2 1 ) 只能用于预测发射天 线的远场( f a r - f i e l d ) 信号功率。 在f r i i s 自由空间方程的基础上，若不考虑天线影响和系统损耗，即g ，= g ，= = 1 ， 则自由空间路径损耗定义为： 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线衰落信道的传播特性 瑚) = l o l g - c 拿= - l o l g 剁 协2 ) 实际的路径传播损耗不仅取决于传播距离、载波频率，还与传播环境中的地形、地貌 及发、收天线高度等密切相关。理论和实测模型均表明，无论室内环境还是室外环境，随 着通信距离的增加，平均接收信号功率呈对数下降趋势。对任意距离，平均大尺度损耗可 以表示为距离的函数，即： 一p l ( d b ) = - f i - l ( d 。) + 1 0 x xl g ( d ) ( 2 3 ) 其中，行为路径损耗指数，反为靠近发射天线的参考距离，d 为收发信机距离，儿( 乩) 可 以测量得到或利用自由空间路径损耗模型计算得到。因此，如何根据具体环境实测结果确 定路径损耗指数门及其变化规律，是对路径损耗进行建模要解决的问题。 2 1 2 阴影衰落 阴影衰落是无线传播特有的一种现象，又称慢衰落，主要是指电磁波在传播路径上受 到建筑物等的阻挡所产生的阴影效应导致的损耗，反映了在中等范围内( 数百波长量级) 的接收信号电平平均值起伏变化的趋势。其变化率比系统传信率慢得多。研究结果表明， 阴影衰落从统计特征上服从对数正态分布( l o g n o r m a l ) ，衰落的严重程度随应用波段和环 境条件而变。对阴影衰落的建模问题主要是根据实测数据确定对数正态分布的标准差 8 ( d b ) 及其变化规律。 2 1 3 多径衰落 小尺度衰落是影响接收机性能的主要因素，是信道建模的重点内容。小尺度衰落反映 微观小范围( 数十个波长以下量级) 接收电平平均值的起伏变化趋势，其变化速率比阴影 衰落快，又称快衰落。从统计规律上看，根据信号带宽和传播环境条件的不同，其电平幅 度一般服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布、莱斯( r i c e ) 分布、纳卡伽米( n a k a g a m i ) 分布等。 从不同角度对小尺度衰落进行细分，又可分为：时间选择性衰落、频率选择性衰落和空间 选择性衰落。 时间选择性衰落由于用户的快速移动或附近物体的移动，从而导致信号在频域产生多 谱勒扩展而引起的，其严重程度正比于移动速度和信号频率。在时域信号上表现出包络起 7 南京邮电人学硕上研究生学位论文 第二章无线衰落信道的传搔特性 伏不定。对于高速( 7 0 k m h ) 车载通信，时间选择性衰落影响严重。对于慢速移动的步 行和准静态的室内通信则几乎可以不予考虑。通常用信道相干时间乏和多普勒扩展眈加以 描述。根据信道相干时间乏与符号时间t 的关系分为：快衰落信道( 瓦 z ) 。 频率选择性衰落是指在不同的频段上衰落特性不同的现象。其原因在于用户所处地理 环境导致的多径效应，使得接收信号不仅有直射波的主径信号，还有不同障碍物引起的反 射、绕射、散射等不同路径信号，而且它们的信号强度、到达时间、相位角各不相同。这 些多径信号的叠加导致白干扰，小于符号时间部分的多径信号引起幅度和相位波动，超过 符号时间部分的多径信号引起符号间干扰。频率选择性衰落在时域表现为信号的时延扩 散，又称时间色散。通常用相干带宽玩和均方根时延扩展，。来描述信道的频率选择性。 根据信道相干带宽皿与信号带宽b 。的关系可以分为：平衰落信道( e e ) 和频率选择 性信道( 最 o ) ( 2 - 9 ) 其中仃2 为，的方差，么是主信号的峰值，i o ( ) 是零阶第一类修正贝赛尔函数。贝赛尔分布 常用参数k 来描述，k = 等，定义为主信号的功率与多径分量方差之比，用d b 表示为： i o 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第二章无线衰落信道的传播特性 k ：1 0 1 9 等 ( 2 1 0 ) 盯 k 值是莱斯因子，完全决定了莱斯分布。当a 寸0 ，k - - ) - o o d b ，此时在接收信号中 没有主导分量时，混合信号的包络从莱斯分布转变成瑞利分布。显然，强直射波的存在使 得接收信号包络从瑞利分布变成莱斯分布，当直射波进一步增强( k 1 ) 时，莱斯分布将 向高斯分布趋近。莱斯分布的概率密度函数如图2 2 所示。 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 -i i ：k = 0 。瑞利：分布： ， 7 八：i 】| i 盖肛n 5 1 j 弋7 k = 2 k ： ：8 k = 1 8 ， 一、 ?+ 、 、 、 、 、 、 、1 7 t ：，7 一7 一i r “ n i 、，、 ，曩 j ， j 十，一j i ， i ， i ? ， f ， 1 ， 一。 ? 、 、 ， 、。 一波= 、 p 、一、一 0123456 7 891 0 r a 图2 - 2 莱斯分布的概率密度函数 注意：莱斯分布适应于一条路径明显强于其他多径的情况，但并不意味着这条路径就 是直射径。在非直射系统中，如果源自某一个散射体路径的信号功率特别强，信号的衰落 也服从莱斯分布。 2 2 3n a k a g a m i m 分布 n a k a g a m i m 分布由n a k a g a m i 在2 0 世纪4 0 年代提出，通过基于场测试的试验方法， 用曲线拟合，达到近似分布。研究表明，n a k a g a r n i m 分布对于无线信道的描述具有很好的 适应性。 若信号的包络，服从n a k a g a m i m ，则其概率密度函数为： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线衰落信道的传播特性 肿) = 而2 m m r 矿2 m - 1e x p ( 一等) ( 俐) ( 2 - 1 1 ) 其中脚= 器，是n 她锄i 衰落参数，为不小于1 2 的实数；q 刈一r ( 聊) 2p p 叫衍 是g a m m a 函数。n a k a g a m i m 概率密度函数见图2 - 3 。 图2 - 3 贮l ，n a k a g a m i - m 分布的概率密度函数 对于功率s = ，2 2 的概率密度函数，则有： p = ( 秒而s i n - 1e x p ( 一争 式中，s = e ( s ) = q 2 ，为信号的平均功率。 当m = l 时，有： 肿，= 吾唧c 一毒 ：三e x p ( 一垡) = ：一一) ss ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 则n a k a g a m i m 分布成为瑞利分布。 另外，n a k a g a m i m 分布可以用m ( 般称为形状因子) 和莱斯因子k 之间的关系来 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 确定近似，即： 第二章无线衰落信道的传播特性 m ：坠监 2 k + 1 当m 较大时，n a k a g a m i m 分布接近高斯分布。 2 2 4 空域衰落多径信道模型 ( 2 1 4 ) 为了让多径信道模型能更加精确地近似实际环境，必须考虑各多径分量的波达方向 ( d i r e c t i o no f a r r i v a l d o a ) 以及阵列天线对信道模型的影响。当基站天线采用具有n 个 阵元的阵列天线时，从移动台到基站的信道为向量信道，引入d o a 后，得到向量信道冲 击响应( v e c t o rc h a n n e li m p u l s er e s p o n s e ，v c i r ) h ( r ，f ) 为下式： 厶( o - z h 。( 妒) = a ( 皖，) 吼，( f 声( 卜靠，f ( f ) ) ：警1 a ( 吼，) 级，小户砌) 万( 卜靠刷)= a ( 吼，) 级，小户懒“。万( 卜靠，以) ) 这里，称a ( 皖) 为n 1 维导引向量，该向量是阵列天线的几何结构的函数，也是各个多径 分量波达方向皖，的函数。 根据式( 2 1 5 ) ，如果移动台发送信号为s k ( ，) ，那么基站接收的信号为一个n i 维向量， 即： u 。( r ) = k 。( r ) ，卅州一。( f ) 了= & ( f ) h 。t ，f ) + n ( f ) = a ( 鼠，) ，( r h ( 卜吒，) + n ( ，) 其中，n ( ，) 为n x l 维噪声向量。 当无线信号的带宽小于信道的相干带宽，即信号经历平坦衰落时，可以认为多径时延 小于信道中传输符号的周期，可以近似认为气，= ，这样，式( 2 1 6 ) 可以化简为： u t ( f ) = s k ( f 一) i = 0 a ( 幺，) 吼，以) + n ( ，) ( 2 - 1 7 ) = & ( f 一靠，) b ( f ) + n ( ，) 这里，b ( t ) 称为窄带信道的空间特征，可由下式表示： 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第二章无线衰落信道的传播特性 l - l b ( t ) = e a ( o k ) ，t ) l = 0 ( 2 1 8 ) 式( 2 1 8 ) 表明，考虑到各多径分量的d o a 和天线的阵列结构以后，窄带平坦衰落信道 为乘性信道，即接收信号向量u 。( f ) 由发送信号s k ( ，) 和信道空间特征b ( f ) 的乘积得到。空 间特性表明接收信号在接收天线阵列上的投影。 2 3 本章小结 本章简单讨论了无线衰落信道的传播特性，包括大尺度衰落，阴影衰落，多径衰落和 多普勒频移。然后介绍了多径衰落的几种衰落模型，包络瑞利分布，莱斯分布和n a k a g a m i m 分布，以及空域衰落多径信道模型。无线信道的不可靠性主要是由无线衰落信道的时变性 和多径传播引起的，如何有效的对抗无线信道的这些传输缺陷是实现未来高速无线通信的 必要条件，通过对本章无线信道的衰落特性的学习，有助于后面利用信道衰落特性实现对 系统性能的改善。 1 4 南京邮电大学硕：l 研究生学位论文第三章m i m o o f d m 系统 第三章m i m o o f d m 系统 在多径散射丰富的环境中，m i m o 系统利用在空间上分开的多天线可以获得空间分集， 并利用这种空间分集来对抗衰落获得分集增益，或者提高系统容量获得系统容量增益。 o f d m 技术是实现无线高速数据传输的核心技术之一。在时变或频选信道中，o f d m 技术 与多天线技术结合可进一步获得分集增益或增大系统容量，也即m i m o o f d m 系统。下 面详细介绍这两种技术及其二者的结合方案。 3 1m i m o 系统介绍 多天线的概念最早是m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的。他最初的设想是利用多天线来抑制 信道衰落，而现在的m i m o 技术是通过增加发射天线和接收天线的数目，在收发两端之间 形成多个并行传输信道，利用这些信道进行数据的并行传输来提高通信速率。同传统的单 输入单输出( s i n g l e i n p u t - s i n g l e o u t p u t ，s i s o ) 信道相比，m i m o 信道可以提供更大的信道 容量和更高的传输速率。m i m o 系统可以定义为一个在收发两端同时采用多天线技术的无 线传输系统【l5 1 。真正意义上的m i m o 技术研究是从上世纪八十年代开始的，随后有更多的 文章对它进行了理论上的分析 8 1 【16 1 ，从那以后，m i m o 技术成为无线通信技术研究中的热 点。现在，m i m o 技术已为第三代移动通信技术所采用，同时在最新的一些无线技术中 ( w l a n 、w i m a x ) 被广泛使用。在未来的宽带无线通信系统中，m i m o 技术也被认为 是核心物理层技术之一。 m i m o 系统的核心思想就是：时间上的空时( s p a c e t i m e ) 信号处理同空间上的分集 结合起来【1 7 1 。时间上的空时信号处理一般是通过在发送端采用空时码( s p a c e t i m ec o d e s ) 来实现的，目前常见的空时码包括：空时分组码( s p a c e t i m eb l o c k sc o d e s ) 、空时格码 ( s p a c e t i m et r e l l i sc o d e s ) 、分层空时码( l a y e r e ds p a c e t i m ec o d e s ) 等。空时码的主要 思想是利用空间和时间上的两维编码来实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误 码率，在空间上的分集是通过增加空间上的天线分布来实现的。这样做的好处是能把原来 对用户来说是有害的无线电波的多径传播转变为对用户有利。最重要的一点是m i m o 技术 在多个方面提升无线通信系统性能的同时并不需要占用更多的无线带宽，所需要的仅仅是 通信硬件设备和系统复杂度的增加。这项优点使得m i m o 技术在频谱资源紧缺的现状下变 得更加吸引人。 南京邮电人学硕上研究生学位论文 第三章m i m o o f d m 系统 3 1 1m i m o 系统模型 假定一个点对点的m i m o 系统有唧根发射天线、n r 根接收天线，采用离散时间的复 基带线性系统模型描述，系统框图如图3 - 1 所示。用n rx l 的列向量x 表示每个符号周期内 的发射信号，其中第i 个元素z 表示