（通信与信息系统专业论文）分布式无线通信环境中的循环延时分集技术.pdf

摘要 摘要 分布式m i m o o f d m 技术是近年来无线移动通信研究的热点问题，也是下 一代移动通信系统( 如3 gl t e ) 的重要组成部分。未来移动通信的高速要求， 使得对抗信道深度衰落的发射分集技术得到广泛的关注。传统点对点系统的分集 技术可以应用在分布式系统中，但由于分布式系统与集中式系统的区别，需要针 对分布式的特点对相关算法进行性能分析和改进，以保证最大的性能增益。本文 对分布式无线通信系统中的循环延时分集技术进行了深入的研究。 本论文首先对无线移动通信系统的发展状况进行了综述。然后介绍了无线信 道的特点，说明了适时有效的分集技术在现代通信系统中的重要作用，在总结基 本的分集技术的基础上，详细介绍了循环延时技术的发展近况。 本论文接着对分布式环境中循环延时分集的成对差错概率进行分析，得到其 上界，提出了一种适用于分布式环境中循环延时分集技术的次优功率分配方案。 为了有效地在分布式小区中使用循环延时分集技术，首先利用循环延时分集码字 的循环特点和分布式信道大尺度衰落的概率分布，得到了分布式环境中循环延时 分集的成对差错概率的上界。以最小化该上界为目标，提出了一种次优功率分配 方案。仿真结果表明，通过对移动台位置信息的利用，得到其路径损耗信息，再 结合功率分配方案，分布式小区中使用循环延时分集技术的系统性能得到改善。 本文然后分析了在信道缓变时，h a r q 对两次传输时间的信道的变化要求。 提出一种基于时变循环延时分集的h a r q 传输方案。在信道缓变时，时变循环 延时分集中循环时延值的时变特性能改变h a r q 两次传输时间的等效信道状态， 使两次传输的等效信道状态不同，从而获得时间分集。将时变循环延时分集和 h a r q 结合起来，充分利用了时间分集和频率分集，仿真结果表明，在基本不改 变原系统结构的情况下，系统性能有了一定的提升。且随着多普勒频移的增大， 性能提升的空间加大。此外使用h a r q 增大了连续子载波分配给相同用户的情 况下的时变循环延时分集相对于循环延时分集的增益 关键字：分布式，m i m o o f d m ，循环延时分集，功率分配，时变循环延时分集， h a r q 第1 页 a b s t r a c t a b s t r a c t g r e a ti n t e r e s t i n gh a sb e e np a i dt od i s t r i b u t e dm i m o - o f d m t e c h n o l o g i e sw h i c h a r ea l s oa ni m p o r t a n tp a r to ft h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mt h e s ey e a r s t h eo b je c tt h a ts u p p o r t i n gh i 曲m o b i l i t yo ft h ef u t u r ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sm a k e st r a n s m i td i v e r s i t yt e c h n o l o g i e sg a i nal o to fa t t e n t i o n w h i c hc a nc o m b a tt h ed e e df a d i n go ft h ew i r e l e s sc h a n n e l 、 r i 廿lr e s p e c tt of a c i l i t ya n d e f f e c t i v e n e s s t h et r a d i t i o n a ld i v e r s i t yt e c h n o l o g i e so fc e n t r a l i z e ds y s t e mc a nb e a p p l i e di n d i s t r i b u t e ds y s t e m d i r e c t l y , b u td u et ot h e d i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e d i s t r i b u t e da n dc e n t r a l i z e ds y s t e m s ，c a r e f u la n a l y s i sa n di m p r o v e m e n to fa l g o r i t h m s s h o u l db ed o n et oe n s u r et h em a x i m u mp e r f o r m a n c eg a i n w ed i dad e e pr e s e a r c h w o r ko nc y c l i cd e l a yd i v e r s i t y ( c d d ) ，w h i c hi sad i s t r i b u t e dm i m o t e c h n o l o g y t h et h e s i sb e g i n sw i t l lt h ei n t r o d u c t i o nt ot h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sc h a n n e l ，t h e i m p o r t a n c eo fd i v e r s i t yt e c h n i q u e sf o rt h em o d e mc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m si s i l l u s t r a t e d t h e nt h eb a s i cd i v e r s i t yt e c h n o l o g i e sa r es u m m a r i z e d t h e nw eg i v ea d e t a i l e dd e s c r i p t i o na b o u tt h er e c e n td e v e l o p m e n ta b o u tc d dt os t a r tt h ep r i n c i p a l p a r to ft h i st h e s i s t h ef i r s tp a r to ft h er e s e a r c hi st o e x p l o r et h e c h a r a c t e r i s t i c so fp r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o no ft h ep a i r - w i s ee r r o rp r o b a b i l i t y ( p e p ) o fc d di nd i s t r i b u t e dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( d w c s ) f o ran e wp r o p o s e ds u b o p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o n a l g o r i t h m i no r d e rt oa p p l yc d de f f e c t i v e l yi nt h ed w c s ，w ef i r s t l ya n a l y z et h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ec o d e w o r do fc d dw h i c hi sc y c l i ca n dt h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n o fl a r g es c a l ef a d i n gi nd w c st oo b t a i nt h eu p p e rb o u n do fp e po fc d di nd w c s f i n a l l yw ep r o p o s eas u b o p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mf o rc d di nd w c s r e s u l t i n gf r o mm i n i m i z i n gt h eu p p e rb o u n do fp e en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s r e v e a lt h a tt h e s y s t e mp e r f o r m a n c e i s s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e db yu t i l i z i n g t h e i n f o r m a t i o no ft h el o c a t i o no ft h em o b i l es t a t i o nt og e ti t sp r o p a g a t i o nl o s sa n d a p p l y i n gt h es u b o p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m t h es e c o n dp a r to ft h er e s e a r c hi st oe x p l o r et h er e q u i r e m e n to fa l t e r i n gc h a n n e l s t a t u e so ft h et w ot r a n s m i s s i o n si nh y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ( h a r q ) w h e ni n al o w - m o b i l i t ys c e n a r i oo rl o wr e t r a n s m i s s i o n d e l a yc a s e f o ran e wp r o p o s e d t v - c d db a s e dh a r qs c h e m e t h et i m ev a r y i n gc h a r a c t e r i s t i co ft v - c d dc a l l 第1 i i 页 a b s t r a c t c h a n g et h ec h a n n e ls t a t u eo ft h et w ot r a n s m i s s i o n si nh a r qt o o b t a i nt h et i m e d i v e r s i t yg a i n d u et ot a k i n ga d v a n t a g eo ft i m ea n df r e q u e n c yd i v e r s i t yg a i nb y c o m b i n i n gt v - c d da n dh a r q ，t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e m p e r f o r m a n c ei ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dw h i l em a i n t a i n i n gt h eb a s i cc o n f i g u r a t i o no f t h em i m o o f d ms y s t e m a n dt h em o r et h ed o p p l e rf r e q u e n c yo f f s e ti s ，t h el a r g e r t h es p a c eo fp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n tw i l lb e f u r t h e r m o r e ，t h i ss c h e m ee n l a r g e st h e g a i ng a pb e t w e e nt v - c d da n dc d d w h e nt h es u b s e q u e n ts u b c h a r m e l sa r ea l l o c a t e d t ot h es a m eu s e r k e y w o r d s ：d w c s ，m i m o o f d m ，c d d ，p o w e ra l l o c a t i o n ，t v - c d d ，h a r q 第页 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：鲎鳌墅 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解罾后也遵守此规定。 玉开口保密( 年) 作者签名：监墨 导师签名： 签字日期：j 堡乒弛 签字日期： 第1 章绪论 第1 章绪论 本章首先介绍了本文所做研究的背景，即现代无线通信系统的发展状况和新 兴的分布式无线通信系统的进展。在介绍多输入多输出( m i m o ，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 ) 技术的基础上，引进了分布式m i m o 的概念，说明了为了满足 未来无线移动通信的要求，分布式m i m o 系统是非常具有竞争力的选择，这些是 以后理论分析和仿真试验的基础前提。最后给出本论文的结构和主要的贡献。 1 1 无线通信系统的发展 近年来，在全球通信产业的发展中，以无线移动通信技术和宽带p 数据通 信技术发展最为迅速。整个通信产业的技术呈现出无线化、宽带化和i p 化的特 点。其中无线移动通信系统经历了几十年的快速发展，已经从第一代( 1 g ：t h e1 乱 g e n e r a t i o n ) 窄带模拟通信系统发展到如今实现商用的第三代数字宽带通信( 3 g ： t h e3 mg e n e r a t i o n ) 系统，并且以3 g l t e 为代表的演进计划也正在实施中。 第一代( 1 g ) 移动通信系统的发展阶段主要是在2 0 世纪2 0 年代至7 0 年代。 早期发展的典型代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统和稍后贝尔系 统公司在圣路易斯城建立的世界上第一个公用汽车电话网”城市系统”。1 9 7 8 年底美国贝尔实验室研制出了先进移动电话系统( a m p s ) ，建成了蜂窝状模拟 移动通信网，显著提高了系统容量。与此同时，其他发达国家也相继开发出了蜂 窝式公共移动通信网，移动通信得到迅猛发展。 第二代( 2 g ：t h e2 n dg e n e r a t i o n ) 移动通信系统主要采用数字的时分多址 ( t d m a ) 技术和码分多址( c d m a ) 技术。其主要业务是语音，主要特点是提 供数字化的话音业务及低速数据业务。目前世界范围内正在使用的2 g 数字移动 通信系统主要包括g s m 系统、i s 1 3 6 t d m a 系统、i s 9 5 c d m a 系统 1 】。随着 用户需求的不断提高，基于主要支持话音业务而采用电路交换模式的第二代移动 通信系统已不能满足多媒体业务的需要。 第三代( 3 g ) 移动通信系统是为移动多媒体通信而设计的，不仅支持高速 移动下的语音业务还支持多种多样的数据业务，例如手机电视，移动互联网业务 丝 写于。 与2 g 系统相比，3 g 的最大优势在于，通过使用新技术它能够提供至少 3 8 4 k b s 的高速数据接入，这使其除可承载原有的话音业务和短信业务外，还能 够开发许多新的业务。例如移动接入互联网业务。这是3 g 最具吸引力的一项业 第1 页 第1 章绪论 务。随着3 g 网络建设日臻完善，用户使用3 g 终端可以随时随地接入互联网， 浏览信息或者处理公务。除此之外，3 g 还能提供移动视频电话和多媒体电话等 高级话音业务，这也是3 g 网络能够提供的一项特殊业务。 3 gl t e 的研究，包含了一些很重要的部分，如减少等待时间、提供更高的 用户数据速率、有更大的系统容量和覆盖的改善以及运营成本的降低。 为了达到以上目标，无线接口和无线网络架构的演进同样重要。考虑到需要 实现比3 g 更高的数据传输速率，配合未来可能分配的频谱，l t e 需要支持高于 5 m h z 的传输带宽。u t r a 和u t r a n 的演进目标，是建立一个能够获得高传 输速率、低等待时间和基于包优化的可演进的无线接入架构。3 g p pl t e 正在制 定的无线接口和无线接入网架构演进技术主要包括如下内容： ( 1 ) 明显增加峰值速率，在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界 比特速率，明显提高频谱利用率。 ( 2 ) 无线接入网延迟时间低于1 0 m s ，明显降低控制面等待时间，低于l o o m s 。 ( 3 ) 带宽等级为：a ) 5 、1 0 、2 0 m h z 和可能取的1 5 m h z ；b ) 1 2 5 、1 6 和 2 5 m h z ，以适应窄带频谱的分配。 ( 4 ) 支持与已有的3 g 系统和非3 g p p 规范系统的协同运作。 ( 5 ) 支持进一步增强的多媒体广播和组播业务( m b m s ) 。 上述演迸目标涉及到3 g l t e 系统的能力和系统的性能，是l t e 研究中最重 要的部分，也是e u t r a 和e u t r a n 保持最强竞争力的根本所在。 目前，针对后三代( b 3 g ：b e y o n d3 g ) 和第四代( 4 g ：t h e4 mg e n e r a t i o n ) 移动通信系统的研究正在全球范围内开展。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数率、更好的服务质量( q o s ：q u a l i t y o f s e r v i c e ) 、 更高的频谱利用率、更高的网络安全性，以及更高的智能性和灵活性，可被称为 宽带接x , ( b r o a d b a n da c c e s s ) 和分布网络；4 g 系统应能支持多种业务包括非对称 性业务，例如为用户终端提供高达几十到上百m b p s 的峰值无线数据传输速率， 支持高速互联网数据下载、高质量视频点播等各种媒体传输业务，使之成为真正 意义上的宽带多媒体无线移动通信系统；4 g 与i n t e r n e t 技术高度结合相互 补充、相得益彰，是一个具有强大生命力和广阔市场前景的无线移动通信系统； 此外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。 4 g 对更高的数据速率的目标是：对于大范围的高速移动用户( 2 5 0 k r n h ) ， 数据速率为2 0 m b p s ；对于中速移动用户( 6 0 l ( 1 n a h ) ，数据速率为1 0 0 m b p s ：对 于低速移动用户( 室内或步行者) ，数据速率至少为1 g b p s 。 实现下一代移动通信系统的目标，在技术上还面临着很多挑战，这些困难主 要来自于： 第2 页 第1 章绪论 复杂的无线传播信道移动终端可能位于各种环境中，而电磁波在传 播时会产生反射、折射、散射和绕射等现象，由此带来多径效应和多普 勒效应等，使信号在接收端受到衰落和畸变； 无线媒质的开放性无线通信易受到噪声和各种外界干扰的影响； 有限的频带资源无线电频谱是一种稀缺资源，随着移动通信的高速 发展，急剧增加的带宽需求导致频谱严重短缺的现象： 受限的信号发射功率为了延长移动用户设备的电池寿命并且降低环 境中的电磁污染、或者考虑设备成本，一般发射机的功率是受限的。 因此，研究具有高数据速率、高频谱利用率和高性能的通信方式是无线移动 通信领域的首要任务。目前已经提出了正交频分复用( o 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 ) 【2 】，多天线输入输出( m i m o ：m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ) 【3 】，超宽带( u w b ：u l t r aw i d e b a n d ) 【4 以及认知无线电( c r ： c o g n i t i v er a d i o ) 【5 】等先进技术。 1 2 基于蜂窝系统的传统小区覆盖 目前的移动通信系统一般采用小区制结构，即将整个网络服务区域划分为若 干个小区，每个小区分别设有一个( 或多个) 基站，用以负责本小区移动通信的 信令交互和控制等功能。因此，移动网络的覆盖区域可以看成是由若干个正六边 形的小区相互邻接而构成的服务区。由于这种服务区的形状很像蜂窝，我们便称 这种系统称为蜂窝式移动通信系统，与之相对应的网络称为蜂窝式网络。 但是随着无线频谱资源的开发利用，系统的工作频点不断提高，这样造成的 结果是随着工作频点的提高，基站如果要覆盖相同的面积，需要的发射功率会迅 速增加。例如：在自由空间电磁波衰落模型下，若要保持5 0 0 米覆盖范围，工作 在5 g h z 频点的基站发射功率比工作在8 0 0 m h z 频点的基站发射功率高1 6 d b 。如 果只是单纯的增加下行发射功率会造成同频小区的共道干扰，同时也降低了基站 的功率效率，并且产生了更强的电磁污染。 此外随着移动通信的进一步发展，传统的蜂窝通信体制也受到限制。这主要 表现为：小区半径的不断缩小意味着基站密度增大，网络建设的成本增高。同时， 频繁的越区切换会造成较大的资源浪费，频谱效率也因此降低。传统的小区结构 在移动通信技术不断发展的今天需要进一步的创新。研究新一代的移动通信系 统，突破传统蜂窝体制的限制，以获取更高的频谱效率和更大的系统容量是很有 必要的。 第3 页 第1 章绪论 1 3 分布式通信系统 1 3 1m l m o 技术简介 多输入多输出( 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 ，m 1 m o ) 技术因为能显著地 提高容量已经成为无线通信领域的关键技术之一。1 9 9 5 年，t e l a t a r 的研究给出 了在衰落情况下的m i m o 系统的容量 6 】，初步展现了m i m o 系统的潜力。t e l a t a r 的研究表明，m i m o 系统能在不增加带宽的情况下，通过利用多个收发天线充分 开发空间资源能成倍地提高通信系统的容量。m i m o 技术提高容量的同时，还可 以提高无线信道的可靠性，降低误码率。在未来移动通信的物理层，人们对m i m o 系统寄予厚望，将其视为移动通信领域的重大突破。 m i m o 系统通过在发送和接收端都采用多天线，利用空间分集或者空间复 用，提高系统性能及增加系统容量。空时编码( s p a c e t i m ec o d i n g ，s t c ) 既能够 利用多天线的空间上的一定程度的不相关性获得空间分集增益，又可以利用时域 冗余获得时间分集增益研究表明，对一个采用了m 根发送天线，跟接收天 线的m i m o 系统，s t c 可以获得m ，的分集增益。空间复用方法是对不同发 射天线发送的数据流进行复用，利用信道间的独立性获得高频谱效率。 为了提高系统容量，下一代的宽带无线移动通信系统将会采用m i m o 技术， 即在基站端配置多个天线，在移动台也配置多个天线，使基站和移动台之间形成 m i m o 通信链路。通过将基站的单天线换为多个天线构成的天线阵列，m m o 技术可以比较简单地直接应用于传统蜂窝移动通信系统。基站通过天线阵列与小 区内的具有多个天线的移动台进行m i m o 通信。从系统结构的角度看，这样的 m i m o 系统与传统的单入单出蜂窝通信系统相比并没有根本的区别。 1 3 2 分布式系统 分布式天线系统可以将地理位置不同的多天线收发信号通过光纤、光缆或微 波连接集中到同一处进行基带处理，成为一种提高小区覆盖的手段。同时分布式 天线系统可以克服大尺度衰落即阴影衰落和传播损耗等引起的路径损耗，能够在 小区内形成良好的系统覆盖，解决小区内的通信死角问题，提高通信服务质量。 在采用分布式天线 7 】技术的移动通信系统中，每个小区内有多个相距远大于 载波波长、仅具有功放、l n a 和变频和信号预处理等简化功能的无线信号处理单 元。这些无线信号处理单元只需要完成信号的收、发功能和进行简单的信号预处 理，并通过光纤、电缆或微波无线信道与基站等核心处理单元连接，在核心处理 单元完成信号处理功能。 第4 页 第1 章绪论 与传统的单一天线系统相比，分布式天线具有如下优点： 小区间干扰低，信干比( s i g n a l t o i n t e r f e r e n c er a t i o ，s i r ) 高，系统容量 大； 内在的分集能力可以抗阴影效应，抗衰落，从而提高系统容量； 切换性能全面提高，切换次数降低，接收信号功率更高； 在相同发射功率下覆盖的区域更大； 在相同覆盖区域情况下，发射功率更低； 对其他通信系统的干扰减小； 更方便实现任意形状的无线业务服务区； 信号在核心处理单元集中处理有利于无线资源的利用等。 分布式天线系统由以下几个部分组成： 无线信号处理单元用于接收和发射空中信号，并进行必要的信号预处理。 中央控制器作为分布式天线小区的核心处理器，用于处理小区中的空中 资源管理等。 移动交换中心和其它核心网络设备用于管理和控制分布式天线小区的中 央控制器，负责进行网络管理和用户管理等。 1 3 3 分布式m i m o 系统 从基站端的多天线放置方法上，可以把应用m i m o 技术的无线宽带移动通 信系统分为两大类：一类是基站的多个天线集中排列形成天线阵列，放置于覆盖 小区中，这一类可以称为集中式m i m o 系统；另一类是基站的多个天线分散放 置于覆盖小区中，可以称之为分布式m i m o 系统。而在最近的m i m o 技术的研 究中发现，分布式天线系统与m i m o 技术相结合可以有效地提高系统容量，这 种新的分布式m i m o 系统结构分布式无线通信系统( d i s t r i b u t e dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，d w c s ) 成为m i m o 技术的重要研究热点 8 1 1 9 1 。 在采用m i m o 的d w c s 系统中，分散在小区内的多个天线通过光纤等高速 介质和基站处理器相连接。具有多天线的移动台和分散在附近的多个基站天线进 行通信，与基站建立了m i m o 通信链路。这样的系统结构不仅具备了传统分布 式天线系统的优点，即减少了路径损耗，克服了阴影效应，同时还通过m i m o 技术提高了信道容量。与集中式m i m o 系统相比，d w c s 的各个基站天线距离 较远，所以不同天线与移动台之间形成的信道衰落可以看作完全不相关，信道容 量更大。此外在3 gl t e 中也明确提出了对多媒体多播组播业务( m b m s ) 的支 第5 页 第l 章绪论 持，从技术上对多小区分布式基站系统的协同发射提出了要求。 总体上说，d w c s 系统的信道容量更大，发射机功耗更小，系统覆盖性能更 好，系统具有更灵活的扩展性。 采用m i m o 的d w c s 系统也带来了一些新问题。移动台和小区内邻近的基 站天线建立的m i m o 通信链路，由于不同基站天线的位置不同，它们距离移动 台的距离不同，导致基站端的多个天线的信号到达移动台的延时也不同，因此带 来新的研究课题。研究内容具体包括：新系统的容量分析，适合分布式的同步技 术、信道估计、天线选择、发射方案、信号设计和检测技术等。 1 3 4m i m o 一0 f d m 未来移动通信系统希望能在非视距和恶劣信道下保证高q o s ，这是未来移动 通信领域的研究重点。m i m o o f d m 是所有4 g 解决方案的基础，获得了广泛的 关注。 多载波技术是一种频分复用( f 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 ，f d m ) 实现机 制，它利用在各个载波之间插入频率保护间隔来减小或消除载波间干扰。虽然保 护间隔可以有效地保证各个子载波之间的正交性，却造成了频带资源的浪费。为 了获的高频谱利用率，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 ， 0 f d m ) 技术作为一种特殊的多载波技术被提出，它将信号调制到相互重叠但正 交的子载波上。一方面，o f d m 的正交子载波保证了信号无干扰的高速传输； 另一方面，这些相互重叠的子载波可以有效的节省频带资源，从而提高系统的频 谱效率。 正交频分复用技术具有以下优点： o f d m 技术将宽带频率选择信道分为多个窄带平坦衰落子信道，因而比 单载波系统更能够对抗频率选择性衰落。 o f d m 系统引入了循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) ，当取循环前缀的长度 大于信道冲激响应的长度时，可以消除符号问干扰( i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) 的影响。 由于各个子载波之间不需要频率保护间隔，因此可以有效的提高系统的 频谱效率。 在高速宽带无线通信系统中，多径效应、频率选择性衰落和带宽效率是信号 传输过程中必须考虑的几个关键问题。多径效应会引起信号的衰落，因而被视为 有害因素。然而m i m o 系统是针对多径无线信道而产生的，在一定程度上可以 利用传播过程中产生的多径分量，多径效应对其影响并不大，反而可以作为一个 第6 页 第1 章绪论 有利因素加以使用。但m i m o 对于频率选择性衰落仍无法避免，而解决频率选 择性衰落问题恰恰正是o f d m 的一个长处。o f d m 技术实质上是一种多载波窄 带调制，可以将宽带信道转化成若干个平坦的窄带子信道，每个子信道上的信号 带宽小于信道的相关带宽，所以每个子信道上的频率选择性衰落可以看作是平坦 性衰落。o f d m 被认为是第四代移动通信中的核心技术，然而4 g 需要高的频谱 利用技术和高速传输系统，为了进一步提高系统传输速率，使用o f d m 技术的 无线通信网就必须增加载波的数量，而这种方法会造成系统复杂度的增加，并增 大系统的占用带宽。而m i m o 多天线技术能在不增加带宽的情况下，在每一个 窄带平坦子信道上获得更大的信道容量，可以成倍地提高通信系统的容量和频谱 效率，是一种利用空间资源换取频谱资源的技术。因此m i m o o f d m 系统的提 出是无线通信领域的重大突破，其频谱利用率高、信号传输稳定、高传输速率等 基本特性能够满足下一代无线传输网发展要求。m i m o o f d m 系统内组合了多 输入和多输出天线和正交频分复用调制两大关键技术。这种系统通过空间复用技 术可以提供更高的数据传输速率，又可以通过空时分集和正交频分复用达到很强 的可靠性和频谱利用率。 m i m o o f d m 的主要应用领域包括下一代移动无线通信系统( b 3 g 4 g ) ，无 线局域i n ( w l a n ) 、无线宽带接入( w i m a x ) 等。 1 4 本文的工作及内容安排 本论文对分布式无线通信系统中的循环延时分集技术进行了深入的研究。主 要从理论性能分析出发找到适合分布式循环延时分集技术的功率分配算法；然后 利用时变循环延时分集的时变特性和h a r q 对两次传输信道状态的要求提出一 种新的基于时变循环延时分集的h a r q 4 - 专输方案并在分布式环境下验证了性能。 第一章首先回顾了无线移动通信的发展历程，指出了新一代无线通信系统中 对分布式小区制提出了需求。在分布式天线系统的基础上产生的分布式m i m o 技术也必将在分布式小区中发挥重要作用，特别是分布式m i m o o f d m 技术。 第二章首先介绍了无线信道的特点，说明了适时有效的分集技术在现代通信 系统中的重要作用。然后在总结了基本的分集技术的基础上，详细介绍了循环延 时技术的发展近况。 第三章首先对分布式环境下循环延时分集的成对差错概率进行分析，得到其 上界。为了有效地在分布式小区中使用循环延时分集技术，以最小化成对差错概 率的上界为目标，提出了一种次优功率分配方案。通过对移动台位置信息的利用， 得到其路径损耗信息，再结合次优功率分配方案，分布式小区中使用循环延时分 第7 页 第1 章绪论 集的系统性能得到改善。 第四章首先分析了在信道缓变时，h a r q 两次传输时间的信道变化不大，不 利于取得时间分集的问题。时变循环延时分集技术在信道缓变时，能使h a r q 两次传输时间的等效信道状态不同，从而获得额外的时间分集。将t v - c d d 和 h a r q 结合起来，提出一种基于t v - c d d 的h a r q 传输方案充分利用了时间分 集和频率分集，仿真结果表明，在基本不改变原系统结构的情况下，系统性能有 了一定的提升。且随着多普勒频移的增大，性能提升的空间加大。此外使用h a r q 增大了连续子载波分配给相同用户的情况下的t v - c d d 相对于c d d 的增益。 本文的主要贡献： 1 对分布式环境中循环延时分集的成对差错概率进行分析，得到其上界。 以最小化成对差错概率的上界为目标，提出了一种次优功率分配方案。 2 分析了h a r q 技术对两次传输时间的信道变化的要求，利用时变循环延 时分集的时延值的时变特性，提出1 种基于时变循环延时分集的h a r q 传输方 案。 第8 页 第2 章分集技术原理和基本技术 第2 章分集技术原理和基本技术 本章首先介绍了无线信道的特点，说明了适时有效的分集技术在现代通信系 统中的重要作用，在总结了基本的分集技术的基础上，详细介绍了循环延时分集 技术 2 1 无线信道特点概述 移动无线信道的主要特征是信道强度关于时间和频率的变化。主要可以分为 两种类型：大尺度衰落( l a r g e s c a l e f a d i n g ) ，小尺度衰落( s m a l l s c a l e f a d i n g ) 。 由于空间物体对电磁波存在反射、绕射、散射等作用，电磁波的传播经受多 种损耗【1 1 】。当移动台运动的距离与小区尺寸相当，由发射端和接收端之间的空 间距离、以及大型障碍物遮断而造成的与频率无关的电磁波平均场强的变化、衰 减被称为是无线信道的大尺度衰落。另一方面，当空间尺度和与载波波长相当时， 由发射端和接收端之间的多条信号路径的相长干扰和相消干扰造成的无线信号 在很短的传播时间或距离内有很大的幅度衰落，被称为小尺度衰落。 2 1 1 大尺度衰落 在无线移动通信系统中，影响传播的三种最基本的机制为反射、绕射和散射。 大尺度衰落主要是在小区尺度上移动的，是电磁波因传播距离产生的路径损耗或 者是因大的障碍物带来的阴影效应。接收功率或路径损耗是大尺度传播模型预测 的最重要参数。4 基于理论和测试的传播模型指出，平均接收信号功率随距离的对数衰减，对 任意的发送接收间距离，大尺度路径损耗表示为： 瓦( d ) f 导1 ( 2 1 ) l 口o 或者 一e l ( r i b ) = 一e l ( d o ) + 1 0 n l o g ( 2 2 ) 其中，以为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增加的速度：是近地参考 距离，由测试决定；d 为发送接收间距离，公式中横杆表示给定值d 的所有可能 路径损耗的综合平均。下面给出不同的无线环境下的路径损耗指数【1 2 】。 第9 页 第2 章分集技术原理和基本技术 路径损耗的综合平均。下面给出不同的无线环境下的路径损耗指数 1 2 1 。 表格2 1路径损耗指数 环境路径损耗指数疗 自由空间 2 市区蜂窝2 6 3 5 市反蜂窝阴影 3 5 建筑物内视距传播 1 6 1 8 被建筑物阻挡 4 - 6 被工厂阻挡 2 3 由于在相同发送接收间距离的情况下，不同位置的周围环境差别非常大，对 任意距离d ，特定位置的路径损耗p l ( d ) 符合随机正态对数分布，即 一 ，、 p l ( d a ) = 兕( d ) + k = p - l ( d o ) + l o l o g l5 “- i + k ( 2 3 ) “o 一， 其中，以为o 均值的高斯随机变量，单位为抛，标准偏差为仃，单位也是 拈。对数正态分布描述了在传播路径上，具有相同发送接收间距离时，不同的 随机阴影效应。这种现象叫对数正态阴影。 接收端的增益为 p r ( d ) a b m 】= p t ( d ) d b m - p l ( d ) d b m 】 ( 2 4 ) 其中p a d ) ，( d ) 分别为接收功率和发送功率。 2 1 2 小尺度衰落 小尺度衰落主要是在载波波长尺度上移动的，是由无线传播中多径信号引起 的。具体来说，小尺度衰落主要由以下几个方面引起：多径传播引起的延时扩展 ( 时间色散) ，表现为信号的频率选择性衰落；多普勒( d o p p l e r ) 效应造成的频 率偏移( 频率色散) ，表现为信号的时间选择性衰落；多天线阵在有散射体的空 间收发引起的角度色散，表现为信号的空间选择性衰落。 2 1 2 1 多径效应 通常用功率延迟分布( p o w e r - d e l a y p r o f i l e ，p d p ) 描述由多径引起的无线 信道在时间上的色散。对基于本地的瞬时功率延迟分布取平均即可得到功率延迟 分布。 多径信道的延时扩展特性用平均附加延时r 和均方根( r m s ) 延时扩展吒来 第1 0 页 第2 章分集技术原理和基本技术 定量描述。平均附加延时f 是功率延迟分布的一阶矩，定义为： e c r a r f 2 萤百 其中尸( 靠) 为延时为乙的第刀径信号的平均功率，是功率延迟分布的二阶矩的 平方根定义为r l t l s 延时扩展玩 = f 2 一( f ) 2 ( 2 6 ) 其中 一p ( 厶) l 2 扛面 相干带宽最用于在频域描述信道时间色散的频率选择特性，它跟c r f 成反比 关系。所谓相干带宽是指一个特定的频率范围，在该范围内两个频率分量有很强 的幅度相关性，如果包络相关系数为0 5 ，则相干带宽可近似为： 芝1 1 5 盯, ( 2 8 ) 当信号带宽远小于相干带宽时，称该信道为平坦的。从频域上来看，信号的 不同频率分量经历了相同的衰落；从时域上看，信号只经历了一个可分辨径的衰 落，符号间干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 可忽略不计。而当信号带宽大于 相干带宽时，称该信道为频率选择性信道。从频域上来看，信号的不同频率分量 经历了不同的衰落；从时域上看，信号经历了多个可分辨径的衰落，出现了严重 的i s i ：即前一个码元的延时副本对当前码元产生干扰。 2 1 2 2 多普勒效应 多普勒功率谱密度9 用于描述无线信道在频率上的色散。色散是由于接收 端和发送端之间的相对运动、或者信道路径中物体的运动而引起的。 移动台和基站之间多普勒频移计算公式如下： 乃= 姜c o s ( d ( 2 9 ) 其中，v 表示移动台的移动速度，五表示载波波长，秒为移动台的速度方向 与收发端径向之间的夹角。由公式( 1 1 2 ) ，可以得到最大多普勒频移： 六一= ( 2 1 0 ) 多普勒频率造成信道的时变特性，一般采用相干时间的概念来表征信道参数 基本维持不变的时间间隔的，相干时间定义为： 第l l 页 第2 章分集技术原理和基本技术 乏= ( 2 1 1 ) j d 当信号周期远小于相干时间时，可以认为信道参数在一个或多个信号码元周 期内是稳定的，称该信道为慢衰落信道。当信号周期大于相干时间时，信号失真 随发送信号带宽的多普勒扩展的增加而加剧，此时称该信道为快衰落信道。 2 1 2 3 角度色散 信道在角度上的色散用角度功率谱描述。而角度扩展给出接收信号主要能量 的角度范围，产生空间选择性衰落。空间选择性衰落用相干距离描述，它跟角度 扩展成反比关系。所谓相干距离是指一段距离间隔，在此间隔内的两个到达信号 有很强的幅度相关性。 2 1 2 4 小尺度衰落模型 首