（通信与信息系统专业论文）稀疏网络中机会波束成形技术研究.pdf

南京邮也人学坝i ：7 0 d z 生学位论义 摘要 摘要 近年来，随着无线通信的迅猛发展，提出了一系列未来无线通信的关键技术。其中 重要的一项就是机会波束成形技术，它充分利用了信道的衰落特性，提高多用户分集增 益。信息论分析结果表明，在系统用户数很大的情况下，只需要很少的用户反馈，机会 波束成形技术就可以提供和基于全信道状态信息的波束成形技术相同的容量级。遗憾的 是，随着用户数量的下降，即在稀疏网络中，这种机会波束成形技术的系统性能也随之 急剧下降。更进一步，随着发射端天线数的增加，这种下降趋势更加严重。 在本文中，我们研究机会波束成形在稀疏网络中的两阶段解决方案，阶段一：利用 机会波束成形将信道质量好的空间分离的用户区分出来；阶段二：利用阶段一的用户反 馈信息训练初始的随机波束，改善这些选出的用户的系统性能。我们首先研究了这种方 案在单载波情况下的性能，其次将这种方案应用于o f d i 忆a 多载波系统。模拟结果表明， 这种两阶段的机会波束成形方案，可以提高稀疏网络系统的总吞吐量。 南京| i | i j l 【1 人学顺i j 研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，as e r i e so fk e yt e c h n i q u e so ft h e f u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sh a sb e e np u tf o r w a r d o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n g ( o b f ) i so n e o ft h et e c h n i q u e s ，w h i c he x p l o i t sc h a n n e lf a d i n gi no r d e rt oi n c r e a s em u l t i u s e rd i v e r s i t yg a i n i n f o r m a t i o nt h e o r yh a ss h o w nt h a to b fs c h e m eo f f e r st h es a m ec a p a c i t ys c a l i n ga st h eo p t i m a l f u l lc s i t - b a s e d ( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na tt r a n s m i t t e r ) w h e nt h en u m b e ro fu s e r si sl a r g ea n d r e q u i r e so n l yl i t t l ef e e d b a c kf r o mu s e r s u n f o r t u n a t e l y ，o b fy i e l d sd e g r a d e dp e r f o r m a n c ew i t h d e c r e a s i n gn u m b e ro fu s e r s ，s u c ha ss p a r s en e t w o r k s f u r t h e r m o r e ，t h i sd e g r a d a t i o ni sa m p l i f i e d w h e nt h en u m b e ro ft r a n s m i ta n t e n n a si n c r e a s e s i nt h i st h e s i s ，w ei n v e s t i g a t ea t w o s t a g es o l u t i o nt ot h i sp r o b l e m i nt h ef i r s ts t a g e ，o b fi s e x p l o i t e dt oi d e n t i f ys p a t i a l l ys e p a r a b l eu s e r sw i t hg o o dc h a n n e li n f o r m a t i o n i nt h es e c o n ds t a g e ， t h ei n i t i a lo p p o r t u n i s t i cb e a m sa r er e f i n e db a s e do nt h ea v a i l a b l ef e e d b a c ki nt h ef i r s ts t a g et o o f f e ri m p r o v e dp e r f o r m a n c et o w a r dt h es e l e c t e du s e r s t h es c h e m ei st h e na p p l i e dt os i n g l e c a r r i e ra n do f d m ab a s e dm u l t i c a r r i e rs y s t e m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i st w o s t a g eo b f s c h e m ec a ni m p r o v et h et o t a lt h r o u g h p u ti ns p a r s en e t w o r k s y s t e m 南京| | | j j i u 人学坝i ? 研究生学位论义英义缩略语 a d s l a m p s a w g n b 3 g 英文缩略语 a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m a d d i t i v ew h i t ega u s s i o nn o i s e b e y o n d3g e n e r a t i o n b l a s tb e l ll a y e r e ds p a c e - t i m e b e l l c d m a c s i d a b f d m a g s m h d t v h s d p a c o d e - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c h a n n e ls t a t u si n f o r m a t i o n d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g f 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 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 h i g h d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s i m t - 2 0 0 0 i n t e r n a t i o n a lm 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 p i s i i t u l o s m i m o m i s 0 m l m m s e o b f o f d m i n t e m e tp r o t o c o l 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 nu n i o n l i n eo fs i g h t 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 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 a x i m u mm e a ns q u a r ee r r o r o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n g 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 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 p a p r s d m a s i m o s 跗r p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o 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 on o i s ep l u si n t e r f e r e n c er a t i o 5 7 非对称数字用户环路 先进移动电话系统 加性高斯白噪声 超三代 分层空时结构 码分多址 信道状态信息 数字音频广播 频分多址 全球移动通信系统 高清晰度电视 高速下行分组接入 国际移动通信2 0 0 0 网际协议 符号间干扰 国际电信联盟 视距传播 多输入多输出 多输入单输出 最大似然 最小均方误差 机会波束成形技术 j 下交频分复用 j 下交频分复用多址接入 峰值平均功率比 空分多址 单输入多输出 信号干扰噪声比 南京邮1 1 1 人学f 唤i j 研究生学位论义英义缩略语 s i s 0 s n r t a c s t d m a t d s c d m a w c d m a w l a n w l l z f s i n g l e - - i n p u ts i n g l e - - o u t p u t si g n a lt on o i s er a t i o t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t i m e d i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m a w i d e b a n dc d m a w i r e l e s sl o c a ia r e an e t w o r k w i r e l e s sl o c a ll o o p z e r of o r c e 5 8 单输入单输出 信噪比 全接入通信系统 时分多址 时分同步c d m a 宽带c d m a 无线局域网 无线本地环路 迫零 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： 粹嗍珥盟， 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：导师签名 南京i | | i j i 【1 人学坝 j 研究生学位论文第一章绪论 1 1 移动通信概述 第一章绪论 2 0 世纪7 0 年代末，第一代商业移动通信蜂窝系统丌始进行商用。近3 0 年来，移动通 信事业发展迅速，远远超出了人们对它的预测，移动通信系统也经历了从第一代到第二代、 第三代再到超三代( b 3 g ) 。现今，移动通信已经发展到了第三代( 3 g ) 以及基于全i p 的超 三代( b 3 0 , b e y o n d3 g ) 【1 】 2 1 。 第一代移动通信系统( 1 g ) 以模拟式蜂窝网为主要特征，主要采用频分多址f d m a 方式 实现对用户的动态寻址功能。代表性的第一代系统是：美国的a m p s 、欧洲的t a c s 、日 本的n t t 等。第一代移动通信系统存在着频谱利用率低、价格昂贵、设备复杂、业务种类 单一、系统保密性差、制式太多且不兼容等问题。同时，随着移动用户的增加系统容量的 问题同益突出，以高容量、低功耗、全球漫游和具有切换能力为目标的第二代数字移动通 信系统的研究被排上了同程。 第二代移动通信系统( 2 g ) 以数字化为主要特征，构成数字式蜂窝移动通信系统，主要 采用时分多址t d m a 和码分多址c d m a 技术实现对用户的动态寻址功能，同时采用了数 字化技术和新的调制技术，主要强调网络的兼容性，话音业务仍是其支持的主要业务，同 时短消息和低速数据业务( 如用户数据加密) 也纳入了2 g 的标准中。代表性的第二代系 统有：g s m 、d a m p s 、c d m a ，虽然g s m 获得了世界范围的成功，但是这些第二代系 统之间也互不兼容。相比于第一代移动通信系统( 1 g ) ，第二代移动通信系统频谱利用率 大大提高，业务种类增多，抗干扰和抗多径衰落能力增强，便于实现通信的保密性。但是 随着移动通信技术的发展和用户需求的增多，高速率、多业务的第三代移动通信系统也迫 在眉睫。 第三代移动通信系统( 3 g ) 于1 9 8 5 年由i t u ( 国际电信联盟) 提出，意指在2 0 0 0 年丌 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，并能够提供2 m b p s 的峰值速率。 与现有的第二代移动通信系统相比，第三代移动通信系统除了能提供话音业务之外，还可 以方便的进行网页浏览、收发电子邮件、使用可视电话、视频点播等多媒体业务。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，以多媒体为主要特征，于本 世纪初刚刚投入商业化运营。具有代表性的3 g 标准主要有：北美的c d m a 2 0 0 0 、欧洲和 同本的w c d m a 以及我国提出的t d s c d m a ，2 0 0 7 年，美国的w i m a x f 式也加入了 1 南京l i | i j l u 人学坝i j 研究生学位论义第一辛绪论 3 g 行列。 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地提高，并可以支持多媒体和 i p 类型的业务，然而3 g 仍然存在些问题： 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； 由于空中接口标准对于核心网的限制，难以胜任大量的有着各自业务质量( q u a l i t y o f s e r v i c e ，q o s ) 幂i j 性能要求的多速率数据业务； 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，就有了对超3 g 或 第四代移动通信( 4 g ) 的讨论和研究。 超3 g 是i t u 定义的“s y s t e m sb e y o n di m t - 2 0 0 0b 3 g ”简称，意为超越3 g 的系统，或称 b e y o n d3 g 、后3 g 等。目前，对b 3 g 通信系统提出的要求包括： 统一的无线接入，全球无缝覆盖、全球漫游； 更高速的数据接入； 高速、高效的空中接口和接入网结构； 动态支持各种传输类型、终端类型、无线环境、q o s 类型和各种移动模式： 基于路由的全i p 网络，更多的多媒体应用业务； 极大的系统容量，更高的频谱利用率。 表1 1 给出了从1 g 到b 3 g 发展过程中的主要技术参数。 表1 11 g 剑b 3 g 移动通信的基本技术参数 技术参数 1g2 g3 gb 3 g 使用频率 4 0 0 - 8 0 0 m h z8 0 0 9 0 0 m h z2 g h z3 - 5 g h z 频带宽度 3 0 k h z 0 3 - 1 2 5 m h z2 - 5 m h z 10 - 2 0 m h z 调制方式f mg m s kq p s km p s k q a m 多址方式f d m at d m ac d m a c d m a t d m a o f d m 蜂窝区域 大区 中区小区 微小区 业务类型话音话音短消息话音多媒体多媒体 核心网独立的电信独立的电信独立的电信 i p 网+ 软交换 交换网交换网交换网+ i p 网 南京j | | | j i u 人学颂i ：t 0 d f _ ：生学位论文第一章绪论 对于b 3 g ，为了满足其各项要求，如今已经提出了多种新技术，其中最被看好的有： 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 ，简称m i m o ) ，正交频分复用( 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 ，简称o f d m ) ，多载波码分多址( m c c d m a ) ，软件无 线电，智能天线，以及本文中将研究的机会波束成形等技术，这些技术是目前为止很被看 好的可能用于b 3 g 4 g 的关键技术。 我们相信，在不久的将来，人们肯定会看到一个丰富多彩的无线世界，大到无线网， 小到无线个人局域网，它们彼j k 4 h 连并与全球网络连接，为人类提供从窄带到宽带的各种 无线服务，让人们尽情享用丰足的宽带、智能化的人性服务以及无缝覆盖的移动性。 1 2 本章小结和全文主要安排 本章首先介绍了移动通信的发展过程，及其各个阶段移动通信的技术特点，接着介绍 了移动通信的未来发展趋势，即b 3 g 移动通信系统，将b 3 g 与现今的3 g 系统进行了详 细的比较，指出了未来可能用于b 3 g 的几个关键技术。 全文介绍了b 3 g 中可能使用的几个关键技术，包括m i m o ，o f d m ，机会波束成形， 多波束，重点研究了在m i s o o f d m a 系统中联合使用多波束机会波束成形和功率控制技 术对系统性能的提高情况。第二章介绍了无线信道的衰落特性；第三章依次介绍了 m i m o 系统和o f d m a 系统的基本原理和特性，并给出了m i m o 系统和o f d m a 系统的 结合方案；第四章主要介绍了多波束机会波束成形技术；第五章先后介绍了在单载波和0 f d m a 多载波系统中使用多波束机会波束成形技术的情况，并联合功率控制技术，主要解 决在稀疏网络中，用户数较少时，波束成形矩阵与信道矩阵失配时对系统容量所带来的影 响，进一步提高系统的容量，并且通过m a t l a b 进行数字仿真，给出了具体的性能分析。 本文最后给出结论，并指出需要进一步研究的方向。 南京l i | i j i u 人学坝i ：0 7l 生学位论文笫二章 无线衰落竹道的传播特- h 2 1 引言 第二章无线衰落信道的传播特性 第三代和未来移动通信系统实现电波传播的主要方式是空i 训波，即折射波、直射波、 散射波以及他们的合成波。信号通过无线信道时，会遭受各种衰落的影响，一般来说接收 信号的功率可以表达为： p ( d ) = 竹”s ( d ) r ( a ) ( 2 1 ) 其中d 表示移动台与基站的距离向量，矧表示移动台与基站的距离。根据上式，无线信道 对信号的影响可以分为三种： ( 1 ) 电波在自由空间内的传播损耗例1 ，也被称为大尺度衰落，其中疗一般为3 4 ； ( 2 ) 阴影衰落s ( d ) ：表示由于传播环境的地形起伏、建筑物和其他障碍物对地波的 阻塞或遮蔽而引发的衰落，被称为中等尺度衰落i ( 3 ) 多径衰落r ( d ) ：由于无线电波在空| 日j 传播会存在反射、绕射、衍射等，因此造 成信号可以经过多条路径到达接收端，而每个信号分量的时延、衰落和相位都不相同，因 此在接收端对多个信号分量叠加时，会造成同相增加，异相减少的现象，这也被称作小尺 度衰落。 此外，由于移动台的运动，还会使得无线信道呈现出时变性，其中一种具体表现就是 会出现多普勒频移。自由空f 白j 的传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆盖，通过合 理的设计就可以消除这种不利影响。本章主要针对无线信道的多径衰落和时变性加以讨 论，对大尺度衰落和阴影衰落只做简单介绍。 2 1 1 无线信道的大尺度衰落 无线电波在自由空间内传输，其信号功率会随着传播距离的增加而减少， 速率以及系统的性能带来不利影响。大尺度路径损耗的模型可以表示为： ：生：k 上 尸d ” 这会对数据 ( 2 2 ) 南京l | f | 5 i u 人学坝l j i i j 究生学位论义第二章 无线哀落竹道的传播特性 其中尸表示本地平均发射信号功率，p ，表示接收功率，d 是发射机与接收机之间的距离。 对于典型环境来说，路径损耗指数y 般在2 到4 中选择。由此可以得到平均的信号噪声 比( s n r ) ： s n r ：三：k 三一l ( 2 - 3 ) 尸，d 7 n o b 其中。是单边噪声功率谱，b 是信号带宽，k 是独立于距离、功率和带宽的常数。如果 为保证可靠接收，要求s n r s n r 。，其中s n r 。表示信噪比门限，则路径损耗会为比特速 率带来限制： b 丝(2-4) d 7 n o s n r o 以及对信号的覆盖范围也会带来限制： d ( 志厂 沼5 ， 可见，如果不采用其他特殊的技术，数据的符号速率以及电波的传播范围都会受到很 大的限制。但是在一般的蜂窝系统中，由于小区的规模相对较小，所以这种大尺度衰落对 移动通信系统的影响并不需要单独加以考虑。 2 1 2 阴影衰落 当电磁波在空间传播受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些障碍物后面会产生电 磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起衰落，被称作阴影衰落。与多径衰落相比， 阴影衰落是一种宏观衰落，是以较大的空间尺度来衡量的，其衰落特性符合对数f 态分布。 其中接收信号的局部场强中值变化的幅度取决于信号频率和障碍物状况。频率较高的信号 比低频信号更加容易穿透障碍物，而低频信号比较高频率的信号具备更强的绕射能力。 2 1 3 无线信道的多径衰落 无线传播信道的主要特征就是多径传播，即接收机所接收到的信号是通过不同的直 射、反射、折射等路径到达接收机。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各条路径中 发射波的到达时间、相位都不相同。不同相位的多个信号在接收端叠加，如果同相叠加则 雨泉| | i | ；l u 人学坝f j 驯生学位论文第二帝尢线裒落f 膏道的传播特。陆 会使信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度。这样，接收信号的幅度将会发生急剧 变化，就会产生衰落。 这种由于多径效应引起的接收信号中脉冲宽度扩展的现象，称为时延扩展。扩展的时 间可以用第一个码元信号至最后一个多径信号之削的时i 白j 来衡量。时延扩展将引起符号j 、日j 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 ) ，严重影响数字信号的传输质量。为了避免发生i s i ， 应该令符号带宽要远远大于无线信道的最大时延扩展，或者符号速率要小于最大时延扩展 的倒数。 在频域内，与时延扩展相关的另一个重要概念是相干带宽，实际应用中通常用最大时 延扩展f 。的倒数来定义相干带宽，即： ( a s ) ，j 一 ( 2 6 ) f i n a x 从频域角度观察，多径信号的时延扩展可以导致频率选择性衰落，即针对信号中不同的频 率成分，无线传输信道会呈现不同的随机响应，由于信号中不同频率分量的衰落是不一致 的，所以经过衰落之后，信号波形就会产生畸变。由此可以看出，当信号的速率较高，信 号带宽超过无线信道的相干带宽时，信号通过无线信道后各个频率分量的变化是不一样 的，引起信号波形的失真，造成符号问干扰，此时就认为发生了频率选择性衰落；反之， 当信号的传输速率较低，信号带宽小于相干带宽时，信号通过无线信道后各频率分量都受 到相同的衰落，因而衰落波形不会失真，没有符号l 白j 干扰，即非频率选择性衰落。相干带 宽是无线信道的一个特性，至于信号通过无线信道时，是出现频率选择性衰落还是平衰落， 这要取决于信号本身的带宽。 2 i 4 无线信道的时变性与多普勒频移 信道的时变性是指信道的传递函数是随着时间而变化的，即在不同的时刻发送相同的 信号，在接收端收到的信号是不相同的。时变性在移动通信系统中具体表现之一就是多普 勒频移，即单一频率信号经过时变衰落信道之后会呈现为具有一定带宽和频率包络的信 号。这又可以称为信道的频率弥散性( f r e q u e n c yd i s p e r s i o n ) 。 在多径条件下，由移动体的运动速度和方向引起信号频谱展宽的现象称为多普勒效 应，这是任何波动过程都具有的特性。多普勒效应引起的附加频移称为多普勒频移，可用 下式表示： 6 阿京邮i 【1 人学坝f j 研究生学位论文 第二帝 尢线哀落侨道的f 譬播特。件 f ，= - - c o s 口 ( 2 7 ) 以 式中口是入射电波与移动台运动方向的夹角，u 是移动台运动速度，五是波长。上式 中，0 2 与入射角无关，是力的最大值，= 0 2 称为最大多普勒频移。 当移动台向入射波方向移动时，多普勒频移为证，即移动台接收到的信号频率会增加； 如果背向入射波方向运动，则多普勒频移为负，即移动台接收到的信号频率会减小。由于 存在多普勒频移，所以当单一频率信号( 厶) 到达接收端时，其频谱不再是位于频率轴f o 处 的单纯艿函数，而是分布在( 厶一厂”兀+ 厂。) 内的、存在一定宽度的频谱。 从时域来看，与多普勒频移相关的另一个就是相干时i 日j ，即： ( 7 1 ) 。 ( 2 8 ) 啪 相干时间是信道冲击响应维持不变的时间间隔的统计平均值。换句话说，相干时i n j 就是指 一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。如果基带信号带宽的倒 数，一般指符号宽度大于无线信道的相干时问，那么信号的波形就可能会发生变化，造成 信号的畸变，产生时间选择性衰落，也成为快衰落；反之，如果符号的宽度小于相干时间， 则认为是非时i 日j 选择性衰落，即慢衰落。 快衰落可分为以下三类：时间选择性衰落、频率选择性衰落和空| 自j 选择性衰落。所谓 选择性，是指在不同的时间、不同的频率和不同的空| 、日j ，其衰落特性是不同的。在实际的 移动通信环境中，三类选择性衰落都存在，它们形成的原因是由于多径传播。选择性衰落 按产生的条件可划分为以下三类： 第一类多径干扰：由于快速移动用户附近物体的发射而形成的干扰信号，其特点 是在信号频域上产生多普勒频移而引起时| 白j 选择性衰落； 第二类多径干扰：由远处山丘或者高大建筑物反射而形成的干扰信号，其特点是 信号在时域和空间角度上产生了弥散，从而引起相对应的频率选择性衰落和空间 选择性衰落； 第三类多径干扰：由基站附近的建筑物和其它物体的反射而形成的干扰信号，其 特点是严重影响到到达天线的信号入射角分布，从而因此空间选择性衰落。 综合以上叙述，快衰落和慢衰落是由相互独立的原因产生的。随着移动台的移动，快 衰落是信号强度瞬时值的快速变动，而慢衰落是信号中值的缓慢变动，这二者构成了移动 通信接收信号不稳定的因素，可能会对信号产生相应的影响。所以，对于无线信道的衰落 南京i | i l j i u 人学f 顾l ： i j | = 究生学位论文第二章尤线衰落信道的传播特忡 对信号的不利影响需要采取相关的措施加以降低或消除，而对于有利影响则要采取措施加 以利用，本文的研究重点是如何利用无线信道的衰落对信号的有利影响，这将在第四、五 章中作详细地介绍。 2 2 信道衰落模型 下面，我们将讨论现今流行的几种信道衰落模型，主要是讨论多径信道的包络统计特 性。一般而言，接收信号的包络根据不同的无线环境服从瑞利( r a y l e i 曲) 分布和莱斯( 砌c e ) 分布。另外，还有一种具有参数9 的n a k a g a m i - 9 分布，参数聊取不同的值时对应的分布 也不相同，因此更具有广泛性【引。 2 2 1r a y l e i g h 分布 在移动通信信道中，由于基站和移动台之间的反射体、散射体和折射体的数量是相当 多的，所以信道的冲激响应表示如下： 1 办( r ) = a i s ( t - r i ) e 7 西 ( 2 9 ) 其中l 代表到达的多径的径数：4 代表第2 条路径的信号幅度；f ，代表第? 条路径相对第 一条路径( f o ) 的时延；谚代表第? 条路径的信号相位。 假设发射机和接收机之间没有直射波路径；有大量的反射波存在，且到达接收机天线 的方向角是随机分布的( 0 2 兀均匀分布) ；各个反射波的幅度和相位都是统计独立的，则 达到接收机的信号包络厂服从瑞利分布： 加) = 砉e x p ( - 砉) ( 例) ( 2 - 1 0 ) 其中仃2 为r 的方差。 瑞利分布的概率密度函数如图2 1 ： 南京邮i 【1 人学坝i ：f ) f 可e 生学位论文 第二幸无线衰落信道的传播特件 0 7 0 6 0 1 0 、 _-_ 、 |。 、 、 、孓 0 ) ( 2 - 0 。 g 其中盯2 为，的方差，a 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 = 夏a 了2 ，定义为主信号的功率与多径分量方差之比，用d b 表示： k ：1 0 1 9 - 了a 2 ( 2 12 ) k 值是莱斯因子，完全决定了莱斯分布。当a - - 0 ，k 一一a 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 高斯分布趋进。莱斯分布的概率密度函数如图2 - 2 。 5 4 3 2 o 0 0 o 南京i i l i ；i u 人学顺j j 研究生学位论义第一二章无线哀落f 膏j 酋的传播特件 ：k = 0 瑞利：分析j ： 一二 ： i l 脚5 | f k = 2 k ： 8 k ：1 8 。鹰k ， ，一、 ? + - | ， ，： i ， j j 。 一1 一。 j 、， ， 、， f ， 7 、 、7、 v j 一一 ， ， ， 7 ， 、 二- 弋一、o o1 2 34 5 6 789 1 0 r a 图2 2 莱斯分布的概率分布密度 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 世幺己4 0 年代促出，通过基于场训0 试的试验力法， 用曲线拟合，达到近似分布。研究表明，n a k a g a m 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： p = 而2 m , r 面2 , , , - ie x p ( 一等) ( r o ) ( 2 其中，2 ：兰萼：，是n a k a g a m i 衰落参数，为不小于1 2 的实数；q = e ( r 2 ) ；i ( 聊) = v a r ir 。l p - e - a t g a m m a 函数。n a k a g a m i 一忉概率密度函数见图2 - 3 。 o 7 6 5 4 3 2 1 0 o 0 0 0 n c ； c ； 南京j i i i ；l u 人学f 砚f ：研究生学位论文第- 二章无线衰落信道的传捅特，阽 图2 - 3q = 1 ，n a k a g a m i 一所分布莱斯分布的概率分布密度 对于功率s = f 2 2 的概率密度函数，则有 h 嵩唧c 一等， 式中，j = e ( s ) = q 2 ，为信号的平均功率。 当m = 1 时，有 加) = 吾e x p ( 一鲁) ：y _ - - - = e x p ( ，- 至、 2 _ = 1 ss ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 则n a k a g a m i 一9 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 ( 一般称为形状因子) 和莱斯因子k 之间的关 系来确定近似，即 所：羔生竖 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 1 6 ) 南京| | i i j l u 人学f i ! ； i ：研究生学位论文 第二章无线衰落什道的传播特性 2 3 本章小结 无线电波传播的主要方式是空| 、日j 波，即直射波、折射波、散射波以及它们的合成 波，再加之移动台本身的移动性，使得移动台与基站间的无线信道呈现多种衰落特性。 本章简单介绍了无线衰落信道的传播特性，包括大尺度衰落、阴影衰落和小尺度衰落， 主要针对无线信道的多径衰落和时变性加以讨论，重点阐述了多径效应和多普勒效应 对无线信号在信道中传输的影响，以及快衰落和慢衰落的相关概念，并讨论了几种相 关的衰落模型，包络瑞利分布，莱斯分布和n a k a g a m i m 分布。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，如何有效地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。 南京邮i u 人学f 嗍i j 研究生学位论文 笫二三章m i m o 。o f d m 系统技术理论 3 1 引言 第三章m i m o o f d m 系统技术理论 移动通信系统的发展具有一定的继承性，新一代移动通信系统是从现有系统以及将来 的3 g 系统的基础上演化而来。因此在新一代移动通信系统中，多个不同的接入系统将结 合成一个公共的平台，它们互相补充、互相协作以满足不同业务的要求。它将支持多媒体 通信、无线接入宽带固定网、以及在不同系统之i 、日j 的漫游。新一代移动通信b 3 g 将可以。 提供的数据传输速率高达1 0 0 m b i t s ，甚至更高，支持的业务从语音到多媒体业务，包括实 时的流媒体业务。由第二章可知，无线传输信道，尤其是移动环境中的无线传输信道是一 个非常复杂的物理现象。移动通信要在有限的频谱资源上支持高速率数据和多媒体业务的 传输，就必须采取频谱效率高的抗衰落技术来提高系统得性能，m i m o 和o f d m f 是其 中的两种有效措施。研究证明，m i m o 技术非常适用于复杂无线信号传播环境下的无线宽 带通信系统中使用，在室内传播环境的频谱效率可达2 0 - - - 4 0 b i t s h z ；m i m 0 系统在发射 端和接收端都采用多天线和多通道，可充分丌发空间资源，利用多个天线实现多发多收， 在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以提高信道容量【4 培l 。而o f d m 技术 是多载波传输的一种，其多个载波之间相互正交，且各子载波并行传输，可以高效地利用 频谱资源，另外，o f d m 将总带宽分割为若干个窄带子载波，使得每个子信道是相对平坦 的，信号带宽小于信道的相应带宽，因此可以大大消除信号波形i 白j 的干扰，有效地抵抗频 率选择性衰落。而将两者相结合构成的m i m o o f d m 系统，技术上相互补充、使之成为 实现无线信道高速数据传输最有希望的解决方案之一，能够同时获得空一时频分集，大幅 度提高无线通信系统的信道容量和传输速率，并能有效的抵抗衰落、抑制噪声，具有广阔 的发展前景。因此充分丌发这两种技术的潜力，将二者结合起来可以成为新一代移动通信 核心技术的解决方案，下面详细介绍这两种技术及其二者的结合方案。 3 2m i m o 技术 随着蜂窝移动通信、因特网和多媒体业务的发展，世界范围内无线通信的容量需求在 迅速增长。另外，可利用的无线频谱资源是非常有限的，如果频谱资源的利用率不能显著 提高，就不可能实现通信容量的大幅度增长。使用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 ) 南京l i i i j i u 人学坝l j i j 究生学位论义第三章m i m o o f d m 系统技术理论 技术，在不需要增加频谱资源和天线发射功率的前提下，可以大大提高信道容量。 3 2 1m i m o 系统发展历史 在通信领域，m i m o 并不是一个新的概念，s a l z 在1 9 8 5 年就首先讨论了加性噪声 m i m o 信道中存在的耦合的优化问题。而在无线通信领域，对m i m o 的研究源于对多个天 线阵元空f 刚分集的性能研究。从2 0 世纪8 0 年代丌始，研究学者发现与合并技术结合的多 ， 天线空f 白j 分集可进一步改善无线链路性能并增加系统容量。1 9 9 5 年，b e l l 实验室的研究人 员t e l a t a r 假定已知接收端信道参数，分析了高斯平坦衰落信道中接收端和发送端同时使用 多天线阵元的容量。在1 9 9 6 年，f o s c h i n i 提出了b e l l 实验室分层空时结构( b e l ll a y e r e d s p a c e t i m e ，b l a s t ) 编码结构，这种收发端同时使用多阵元阵列的编码方法可以理论上 逼近信道容量的下限。在f o s c h i n i 的理论指导下，w o l n i a n s k y 等人采用垂直一贝尔实验室垂 直分层空时( v - b l a s t ) 进行的试验结果，利用v - b l a s t 的实验平台达到了2 0 b i t s h z 以上的频谱利用率。 3 2 2m i m o 系统原理 在当前第三代移动通信系统中，下行链路的容量构成了整个系统的瓶颈。由于诸多业 务对上下行链路容量要求的不对称性，尤其对下行容量有很高的要求，如视频多媒体、下 载等业务。在传输带宽一定的条件下，这无疑给第三代移动通信系统提出了难题。但是如 果在发送端或接收端使用多天线( 即m i m o 系统) ，此时的信道容量将随着天线数量的增 大而线性增大。也就是说可以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和 天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。 根据收发两端天线数量，相对于普通的s i s o ( s i n g l e - i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统，m i m o 还可以包括s i m o ( s i n g l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 系统和m i s o ( m u l t i p l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统。 无线m i m o 信道与s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 信道相比，有着惊人的容量。 这表明下行链路容量的瓶颈问题可以通过在基站和移动台都使用多元天线阵列，即利用空 问分集或空l 、白j 相关的方式来解决。采用这种传输方案，可以获得线性增加的信道容量，而 通常采用接收分集或者没有分集的s i s o 系统的信道容量是l o g 的方式增加的。 通常多径效应会引起衰落，被视为有害因素。然而研究结果表明，对于m i m o 系统来 说，多径效应可以作为一个有利因素加以利用。m i m o 系统在发射端和接收端都采用多天 1 4 雨京邮 u 人学坝i j 研。( 生学位论文第三章 m i m o o f d m 系统披术理论 线( 或阵列天线) 和多信道。m i m o 的多输入多输出是针对多径无线信道来说的。图3 1 示 为m i m o 系统的原理刚2 | 。传输信息流s ( k ) 经过空时编码形成m 个信息子流c ( k ) ， f - 1 m ，这m 个子流由m 个天线发射出去，经空间信道后由j v 个接收天线接收，多天 线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流。这m 个信息子流同时发 送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并不增加带宽。若各发射接收天线间的通道响 应独立，则m i m o 系统可以产生多个并行空间信道，通过这些并行空间信道独立