（微电子学与固体电子学专业论文）基于mimo的移动通信系统若干关键技术研究.pdf

北京邮电大学硬士论文 基于m i m o 的移动通信系统若干关键技术研究 摘要 当人们还在讨论第三代移动通信系统商用进程的时候，下一代移 动通信技术的研究已经在很多国家和研究所悄悄开始了。然而到目前 为止，移动通信的发展还有很多不足，人们对通信速率的更高要求和 移动无线信道的不稳定性是一对矛盾，快速增长的系统容量和频谱资 源的缺乏也是一对矛盾，这些问题都对下一代移动通信系统中所采用 的技术提出了较高的要求。 多入多出( m i m o ) 天线系统的出现，给了人们新的思路，也把 人们的目光转向了以前被忽视的“空间”域。由于m i m o 系统高的 频谱利用率和数据速率，近年来人们对其各个方面的技术更是非常关 注，本论文正是在这样的背景下面产生的。 论文研究了m i m o 系统的一些关键技术，包括m i m o 系统的信 道建模、m i m o 系统中发送天线的功率分配和m i m o 系统中接收天 线的选择。作为研究m i m o 技术的基础，信道模型对于m i m o 系统 中其他技术的研究都起着重要的作用，因此，论文对目前m i m o 系 统的各种信道模型做了介绍，结合现有的模型，提出了一个新的信道 模型，为后面m i m o 系统其它关键技术的研究打下了基础；论文提 出了一种新的功率分配算法，它适合予在发送端知道信道状况的情况 下采用，仿真结果表明，与现有算法比较，更适合于快速变化信道， 同时具有更低的计算复杂度；天线选择作为m i m o 系统中较新的课 题，自从提出之后就引起了人们的重视，论文介绍了目前存在的天线 选择的方案，并提出了一种计算复杂度更低的天线选择方案。 论文吸收了一些国内和国际上在m i m o 研究方面的最新成果，在 研究现有成果的基础上提出了一些新的观点，通过计算机仿真进行了 验证，得出了几个新的结论。 关键词：m i m o 信道建模功率分配天线选择 北京邮电大学硕士论文 s o m ek e yt e c h n o l o g i e sr e s e a r c h i nw 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 b a s e do nm i m o a b s t r a c t r e s e a r c he f f o r t s b rt h en e x tg e n e r a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e mh a sa l r e a d yb e e nl a u n c h e di ns e v e r a lc o u n t r i e s ，w h i l ep e o p l ea r e s t i l lt a l k i n ga b o u tt h ec o m m e r c i a ls c h e d u l e rf o rt h e3 “g e n e r a t i o ns y s t e m s u n t i ln o w , t h e r ea r em a n yd e f i c i t so f w i r e l e s ss y s t e m s t h e r ei sc o n f l i c t b e t w e e nt h ed e m a n df o rh i g h e rs p e e da n dt h ei n s t a b i l i 够o f t h ew i r e l e s s c h a n n e l ，b e t w e e nt h er a p i di n c r e a s i n gs y s t e mc a p a c i 够a n dt h e l a c ko f r a d i or e s o u r c e s a ht h e s ec o n f l i c t sc a l lf o rm o r en e wt e c h n o l o g i e sf o rt h e n e x t g e n e r a t i o n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h eu s eo fm i m oa n t e n n as y s t e mi n s p i r e sp e o p l e i ta p p e a l sp e o p l e t ot h es p a t i a lf i e l d ，w h i c hh a sb e e n 7 i g n o r e df o ral o n gt i m e m i m oh a s r e c e n t l yg a i n e dg r e a ti n t e r e s t s f o ri t sh i 曲d a t ar a t ea n dh i g hs p e c t r u m e 蚯c i e n c y t h i si st h eb a c k g r o u n d o f t h ed i s s e r t a t i o n i nt h ed i s s e r t a t i o n ，s o m ek e yt e c h n o l o g l e si nm i m os y s t e mh a v e b e e ns t u d i e d ，i n c l u d i n gt h ec h a n n e lm o d e l i n g ，p o w e ra l l o c a t i o ns c h e m e f o rt h et r a n s m i t t i n ga n t e n n a sa n da n t e n n as e l e c t i o ns c h e m ea tt h er e c e i v e r a st h e b a s i so f 田ot e c h n o l o g i e s t h ec h a n n e lm o d e l i n g i s v e r y i m p o r t a n t t h ed i s s e r t a t i o ng i v e sa b r i e fi n t r o d u c t i o no fd i f f e r e n te x i s t i n g m i m 0c h a n n e lm o d e l s ，a n dan e wm i m 0 c h a n n e lm o d e l i s p r o p o s e d i t m a k e st h eb a s ef o rt h er e s e a r c ho fo t h e rm i m o t e c h n o l o g i e s an e w p o w e r a l l o c a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e d i tc a l lb eu s e dw h e nt h et r a n s m i t t e r k n o w st h ec s i c o m p a r i n gt ot h ee x i s t i n go n e s ，t h en e wa l g o r i t h mh a s i o wc o m p u t a t i o n c o m p l e x i t y a n di sm o r es u i t a b l ef o rf a s t c h a n g i n g c h a n n e l a sar e c e n tn e wc o n c e p t ，a n t e n n as e l e c t i o ng a i n si n t e r e s t ss i n c e i t s b e i n gb r o u g h tf o r w a r d w eh a v ear e v i e wo fe x i s t i n ga l g o r i t h m sa n d p r o p o s e af l e wa l g o r i t h m i th a st h ea d v a n t a g eo fl o w e r c o m p l e x i t y 1 i i 北京邮电大学硕士论文 t h ed i s s e r t a t i o nh a sa b s o r b e dt h el a t e s tr e s e a r c hf r u i t so fb o t h d o m e s t i ca n do v e r s e a s s o m en e wi d e a s a r e p r o p o s e d a n dv a l i d a t e d t h r o u g hc o m p u t e r s i m u l a t i o n k e y w o r d s ：m i m o ，c h a n n e lm o d e l i n g ，p o w e ra l l o c a t i o n ，a n t e n n a s e l e c t i o n 北京邮电大学硕士论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 莛名薹垂一 日期：二挺型生主l 一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 傈密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 ，本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：2 受：墨：i f 日期； 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 人类社会要进行信息交流就离不开通信，通信是推动人类文明、进步与发展 的巨大动力。现代的人类已经进入通信时代，现代通信系统就是信息时代的生命 线。为适应世界性的政治与经济活动的需要，人们已经建立起世界性的通信网， 现代通信已经成为最重要的信息技术服务。 移动通信可以说从无线电发明之日起就已经开始了。1 8 9 7 年5 月1 8 日，马可 尼进行横跨布里斯托尔( b r i s t 0 1 ) 海峡的无线电通信取得成功，通信距离为1 4 公 里。蜂窝系统的概念和理论二十世纪六十年代就由美国贝尔实验室等单位提了出 来但其复杂的控制系统，尤其是实现移动台的控制直到七十年代随着半导体技 术的成熟，大规模集成电路器件和微处理器技术的发展以及表面贴装工艺的广泛 应用，才为蜂窝移动通信的实现提供了技术基础。 1 1 移动通信系统的发展概况 第一代移动通信系统是模拟制式的蜂窝移动通信系统，时间是上世纪七十年 代中期至八十年代中期。1 9 7 8 年，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统 ( a m p s ) ，建成了蜂窝式移动通信系统，其它工业化国家也相继开发出蜂窝式 移动通信网。这一阶段楣对于以前的移动通信系统，最重要的突破是贝尔实验室 在七十年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网即小区制，由于实现了频率复用，大大 提高了系统容量。 第一代移动通信系统的典型代表是美国的a m p s ( 系统先进移动电话系统) ， 第一代移动通信系统的主要特点是采用频分复用( f d m a ) 模拟韵式，语音信号 为模拟调制，每隔3 0 k h z 2 5 k h z - - 个模拟用户信道。第一代系统在商业上取得了 巨大的成功但是其弊端也日渐显露出来： ( 1 ) 频谱利用率低 ( 2 ) 业务种类有限 ( 3 ) 无商速数据业务 ( 4 ) 保密性差，易被窃听 ( 5 ) 设备成本高 ( 6 1 体积大重量大 为了解决模拟系统中存在的这些根本性技术缺陷，数字移动通信技术应运而 生，这就是以g s m 和i s 9 5 为代表的第二代移动通信系统，时间是从上世纪八十 北京邮电大学颐_ 上论文 年代中期开始。模拟蜂窝网虽然取得了很大的成功，但其频谱利用率低，业务种 类受限，通话易被窃听，难以满足穰动通信系统的发展。到了八十年代中期，欧 洲首先推出了泛欧数字移动通信网( g s m ) 的体系，随后美国和日本也制订了 各自的数字移动通信体制。数字移动通信网相对于模拟移动通信网，提高了频谱 利用率支持多种业务服务，并与i s d n 等兼容。第二代移动通信系统以传输话 音和低速数据业务为目的，因此又称为窄带数字通信系统。 第二代数字蜂窝移动通信系统的典型代表是美国的d a m p s 系统、i s 9 5 和欧 洲的g s m 系统。 g s m ( 全球移动通信系统) 发源于欧洲，它是作为全球数字蜂窝通信的t d m a 标准而设计的：g s m 采用f d d 双工方式和t d m a 多址方式，每载频支持8 个信道 信号，带宽2 0 0 k h z ；g s m 使用9 0 0 m h z 频带，使用1 8 0 0 m h z 频带的称为d c s l 8 0 0 ： g s m 标准体制较为完善，技术相对成熟，不足之处是相对于模拟系统其容量增 加不多，仅仅为模拟系统的两倍左右，且无法和模拟系统兼容。 i s 9 5 是北美的一种数字蜂窝标准，使用8 0 0 m h z 或1 9 0 0 m h z 频带。c d m a 多 址方式己成为美国p c s ( 个人通信系统网) 的首选技术。 移动通信现在主要提供的服务仍然是语音服务以及低速率数据服务，由于网 络的发展，数据和多媒体通信有了迅猛的发展势头，所以第三代移动通信的目标 就是宽带多媒体通信 1 。 第三代移动通信系统最早由国际电信联盟( 1 1 u ) 于1 9 8 5 年提出，当时称为 未来公众陆邋移动通信系统( f p l m s ，f u t u r ep u b l i el a n dm o b i l et e l e e o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，1 9 9 6 年更名为i m t 2 0 0 0 ，意即该系统工作在2 0 0 0 m h z 频段，最 高业务速率可达2 m b i t s ，预期在2 0 0 0 年左右得到商用。主要体制有w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 和我国自主开发的t d s c d m a 。 1 2 论文的研究背景 1 2 1 下一代移动通信技术展望 当人们还在讨论目前的第三代移动通信技术如何商用的时候，世界上部分国 家和研究机构已经开始了对下一代移动通信技术( 4 g 或者b 3 g ) 的研究，早在 1 9 9 7 年，f i 本n t td o c o m o 公司己经启动第四代系统的研究开发工作，并于2 0 0 1 年6 月l5 日向国际电联提交了有关建议；西门子正积极与国内外颇具实力的高校 进行下一代系统的合作研究；爱立信也已宣布进行第四代手机的研发；a t t 公 司正在研究以提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问因特网速率为目的的第四 代移动通信系统 2 】。 北京螂电大学硕士论文 由于目前第三代移动通信的技术仍处于起步阶段，还没有大规模商用，本身 的能力又有很大的扩展空间，目前不宜人为地定义新的一代，所以i t u 强烈呼吁 不要使用“第四代移动通信“这个术语 3 】，在本文下面的论述中，我们称其为 下一代移动通信系统， 人们对下代移动通信技术有着较高的期待，总的来说，下一代移动通信技 术有如下的性能要求： ( 1 ) 户速率在准静止( 低速移动和固定) 情况下达2 0 m b w s ，在高速移动情 况下达2 m b i t s ： ( 2 ) 系统容量要达到第三代系统的5 一t 0 倍，传输质量相当于甚至优于第三 代系统； ( 3 ) 条件相同时小区覆盖范围等于或大于第三代系统； ( 4 ) 具有不同速率间的自动切换能力，以保证通信质量； ( 5 ) 网络的每比特成本要比第三代低。 1 2 z 多入多出天线系统的引入 人们对下代移动通信系统有著高的期望，下一代移动通信技术不单单是在 3 g 的基础上，简单的加上某些技术的改进。也就是说，下一代移动通信系统相 对于3 g 而言，应该有质的飞跃。 在移动通信的发展过程中对其起主要制约作用的是无线通信中本身存在的 问题。无线信道中存在的多径衰落，多普勒频移以及信道的快速时变等不利因素， 都使无线通信系统的性能受到很大限制。另外，随着系统用户数目的增多，用户 不可避免的会受到同小区或者相邻小区的干扰，比如g s m 系统中的共信道干扰 和c d m a 系统中的多址干扰，这些干扰不仅会导致通信质量下降，而且也是容量 增长的障碍。尽管移动通信的发展过程中，经历了多次的技术革命，从第一代的 模拟移动通信系统到第二代的数字通信系统，从f d m a 、t d m a 到c d m a ，移动 通信系统的服务质量、系统容量等不断加强，但是到目前为止，移动通信系统的 发展还有很多不足，人们对通信速率的更高要求和移动无线信道的不稳定性是一 对矛盾，快速增长的系统容量和频谱资源的缺乏也是一对矛盾，这些问题部对下 一代移动通信系统中所采用的技术提出了较高的要求。 尤其是可用于民用移动通信的频谱资源的日益缺乏，已经成为制约移动通信 容量提高的一个大的瓶颈，如何更高效率的利用现有的频率资源，是人们研究的 个热点。于是越来越多的人把目光投到了以前被人们忽视的“空间”资源，多 天线技术便应运而生。相比较于目前已经广泛采用的频分多址( f d m a ) 、时分 多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 等多址技术，多天线技术可咀称为空分多 北京邮电大学硕士论文 址( s d m a ) 。 1 2 3 多入多出天线系统发展概况 多入多出天线系统，英文全称n m u l t i p t ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( 在本文后面 简称m i m o ) ，是一种同时在发送端和接收端采用多个天线的无线通信系统。1 9 9 8 年，贝尔实验室开发的采用v - - b l a s t ( v e r t i c a lb e l ll a b sl a y e r e ds p a c et i m e a r c h i t e c t u r e ) 技术的m i m o 实验系统，更是达到了 4 0 b p s h z 的高的频谱利用率f 4 1 ， 这是单入单出( s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ，在本文后面简称s i s o ) 天线系统所不 能达到的。正是由于m i m o 系统非常高的频谱利用率和数据速率，能够有效的缓 解当前频谱资源缺少的状况，m i m o 技术成为了人们关注的焦点技术，很多人积 极投入了m i m o 系统各项技术的研究，m i m o 也成为了下一代移动通信系统中的 必选技术。 由于m i m o 技术本身的复杂性，然而到目前为止，还没有相应的标准来规定 m i m o 系统的各项关键技术，也没有成熟的采用m i m o 作为关键技术的实际商用 系统，m i m o 系统本身也存在着诸多的缺陷。但是瑕不掩玉，由于其容量方面的 巨大优势的诱惑，其各项关键技术的研究正在逐步的进行。 论文正是在这种背景下，对m i m o 系统的信道模型、功率分配和天线选择等 技术进行了研究。 1 3 论文的主要创新点 ( 一) ，针对目前m i m o 系统信道建模的多样性，分析了现有模型的特点，并 总结出了一种实用的，适合于仿真的莱斯信道模型。目前许许多多的研究机构都 开始了m i m o 系统关键技术的研究，而信道模型作为研究一切m i m o 系统技术的 基础，必须首先建立好。不同的研究都提出了各自推荐的信道模型，目前尚没有 一个统一的，得到大家认可的信道模型，这给我们后面m i m 0 系统其他算法的研 究带来了不方便。论文结合了现有模型的特点，总结了一种实用的模型，从而为 项目组其他研究人员提供了仿真平台。 ( 二) ，提出了一种新的可以用于m d v i o 系统的功率分配方案。功率分配方案 作为影响系统性能的一个重要因素，越来越引起了人们的重视，论文总结了现有 的功率分配算法，包括最优功率分配算法和平均功率分配算法，对它们的性能进 行了仿真比较。根据对m i m o 系统容量公式的s v d 分解，提出了适用于当发送端 知道信道状况( c s i ) 下的新的功率分配算法，并对该算法性能进行了仿真，与 现有的功率分配算法相比较，新算法具有计算复杂度低，更适合于快速变化信道 北京邮电大学硕士论文 的特点。 ( 三) ，提出了一种新的可以用于m i m o 系统的天线选择方案。采用天线选择 方法，可以在获得更好的性能的同时更有效的节约成本，论文总结了现有的天线 选择方案，并提出了一种新的天线选择算法。对现有的天线选择算法和提出的算 法进行了仿真和性能比较，仿真结果表明，论文提出的新的天线选择算法具有更 低的计算复杂度和与现有算法相当的性能。 1 4 论文的组织结构 论文共分为五章，第一章为序论，讲述了移动通信的发展状况和遇到的问题， 心0 技术的产生背景和发展状况，并阐述了论文的背景。第二章详细的介绍了 m i m o 系统的各个方面；第三章研究了m i m o 系统信道建模的状况，并总结出了 一种实用的信道建模方法；第四章提出了一种新的功率分配方案并做了性能仿 真；第五章研究了现有的天线选择方案，并在此基础上提出了一种新的天线选择 算法，最后对算法性能迸行了仿真。 1 5 参考文献 1 】张平，王卫东，陶小峰等，“w c d m a 移动通信系统”，北京，人民邮电出 版社。 2 宋铁成，“下一代移动通信系统中的o f d m 技术”，移动通信，2 0 0 2 年， 第三期。 【3 】曹淑敏，“3 g 和后3 g 的标准化及发展近况”，, h t t p ：w w w c h i n a t e l e c o m c o m c n 。 4 p ww o t n i a n s k y ，g j f o s c h i n i ，g d g o l d e n ，a n dr a v a l e n z u e l a ，“v b l a s t ：a na r c h i t e c t u r ef o ra c h i e v i n gv e r yh i g hd a t ar a t e so v e rr i c hs c a t t e r i n g w i r e l e s sc h a n n e l s ? i ni s s s e 一9 8 。p i s a i t a l y 北京邮电大学硕士论文 2 1 引言 第二章多入多出( m i m o ) 天线系统 随着移动通信的不断发展，人们对通信的速率和质量都提出了越来越高的要 求。无线频谱资源的日益缺乏，使得人们将更多的目光转向了“空间”这块最后 的阵地，于是m i m o 应运而生。它在发送端和接收端采用多个天线，发送端多 个天线同时发送信号，接收端采用数字信号处理技术解出发送信号。m i m o 系统 在不增加系统带宽的情况下，可以大幅度的提商无线通信的速率和频谱利用率， 成了解决目前无线通信中频谱资源匮乏等各种问题的关键所在。 可以这样来定义，m i m o 系统就是指在发送端和接收端同时都采用了多个天 线的无线通信系统，如图2 一l 所示。实际上，这个概念的背后隐含着如下三个 方面的含义【1 】： 多个输入天线，多个输出天线。 在发送端将数据流转化为并行多路输入，在接收端将收到的并行数据转 化为单路输出。 更高的数据速率，更高的频谱利用率。 串一 并 兮。血 x v 淡? 井一) 串 7 iy , d n ) 图2 一lm i m o 系统简图 在单用户的环境下，m i m o 的香农速率是采用传统的技术所不能达到的， 然而m i m o 技术本身还有很多没有解决的问题，比如如何克服各个子信道的相 关性而重新获得较高的速率? 如何在终端，例如手机，采用多个天线进行通信? 还有许多其它的问题，这些问题导致了到今天为止，m i m o 系统还仅限于理论的 北京邮电大学硕士论文 讨论，距离大规模的商用还有一些距离。但是，作为一项优秀的技术，m i m o 仍 然是值得我们去研究的。、 本章对m i m o 物理层的各项技术进行了讨论，总结了m i m o 目前的发展和 将来的研究方向。 2 2m i m o 系统容量分析 2 ，2 1基本结论 对于传统的单入单出( s i s o ) 系统，由香农公式 1 ，容量可由下式表示： c = l 0 9 2 ( 1 + p lh 1 2 ) b s h z ( 2 1 ) 其中h 是一个固定无线链路的归一化复数增益，p 是在接收天线端的信噪 比s n r 。如果在接收端用多个天线，假设为个，我们就可以得出单入多出 ( s i n g l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，s i m o ) 系统的容量为 3 ： _ l o g ：( 1 + p 善l 讥慨( 2 _ 2 ) 其中h 是接收天线i 的增益。从上式我们可以看出，如果我们增大，也就 是增加接收天线的个数，容量c 会相应增长，以对数速度增长。 同样道理，如果我们在发送端采用多个发送天线( m 个) ，我们这里先假设 发送端不知道信道状况( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) ，而采用等功率发射， 且总功率保持恒定，那么我们也可以得出多入单出( m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ， m i s o ) 系统的理论容量： = l o g z ( 1 + 告萎j 囊1 2 川剐h z( 2 吲 可以看出，在上式中系统容量是随着发送天线数目m 的对数增长。 下面考虑在发送端和接收端同时采用多个天线，也就是m i m o 系统的容量。 我们假设m 个发送天线等功率发送，个接收天线，我们可以得出m i m o 系统 的理论容量 2 】： c e e = l 。9 2 d e t ( i n + 上m 删7 ) 】6 j h z( 2 4 ) i 。是m n 的单位矩阵，h 是盯的信道传输矩阵，( ) 7 代表矩阵的厄密 转置。理论可以证明，上式所代表的容量是随着m i n ( m ，n ) 呈线性增长的。考虑 到对数函数和线性函数的增长特性，m i m o 系统与s i m o 、m i s o 和s i s o 系统 北京邮电太学硕士论文 相比，容量有了很大的提高。 得出m i m o 系统的理论容量公式是有条件的，首先，我们假设m i m o 工作 的信道是“准静态瑞利平坦衰落”，也就是说，在每一帧内信道是保持固定不变 的，而帧与帧之间信道可以随机变化。其次，我们讨论容量的问题，是假设在单 用户的前提下，很多结论对于多用户也是同样适用的。最后，系统容量的线性增 长只是在特定的信道状况下才能实现，就是在独立同分布的平坦瑞利衰落信道 下，才能实现理论的容量，并不是对于所有的信道容量都是适用的，比如如果h 有比较强的相关性，那么m i m o 系统的传输机制将被破坏，将无法进行高容量 的传输。 2 2 2容量的信息论分析 m i m o ( m ，n ) 系统简单的输入输出模型为： y = i - i x + n ( 2 5 ) 其中y 代表接收信号，是一个维向量，x 是发送向量，为必维。h 是信 道模型，是n m 维的矩阵。n 是归一化的加性对称复高斯噪声，归一化后噪声 的协方差矩阵为单位阵，即g ( n n 7 ) = i 。 由线性代数可知，对于任何一个矩阵都可以进行特征值分解，因此h c ” 矩阵可以分解为 h = u a v r u c n * nv c 盯肼 u 、v 都是酉矩阵，j 面a = d i a g ( a l ，口，) ， h h 7 的特征值的非负平方根，因而可以得出： y = u a v + x 1 1 ( 2 6 ) 是非负定对角矩阵，其元素是 ( 2 7 ) 令t ：u + y ，文：v + x ，矗= u + n ，则由以上两式得出： 它：a 文+ 矗 ( 2 8 ) 从而可以得出： 多，= 丑主+ 五， 1 f m i n ( m ，玎) i y ，= 0m i n ( m ，胆) f m a x ( m ，仃) ( 2 9 ) 从上面的式子可以看出，信道已经被分成r n i n ( 膨，) 个独立的子信道，因此 可以通过计算各个独立的子信道的并行信道容量之和来得到整个m i m o 系统的 信道容量。 北京邮电大学硕士论文 良罗。, l 0 9 2 ( 1 + 争 ) 肌恤( 2 9 ) 其中只为发送端总的可用功率，只为第i 个子信道分配到的功率，满足 b ：y 尸。 发送端是否已知信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) 对整个系 统的性能影响很大，下面讨论这个问题。 2 2 。2 1发送端已知c s i 时的系统容量 发送端己知信道信息时，就可以根据链路状态自适应的调整各个发送天线的 发送功率，这样在总的发送功率保持不变的情况下，就可以让信道状况好的信道 获得较多的功率，从而更好的传送信息。由这种情况得出的结果是最优的此时 m i m o 系统的信道容量为 3 ： = * ( 1 + ( 笋一- ) + 卜位 c z 州， 其中，a 应该满足：b = ( 一万) + ，( a ) + 表示m a x ( a ，o ) 。 f # i 2 2 2 2发送端未知c 剐时的系统窖量 当发送端不知道信道信息时，采用等功率分配进行发送，这样得出来的结果 与上面得出的结果相同，即： = 1l 。g z ( 1 + 嘉圳川 ( 2 叫) 2 2 3相关信道中的系统容量 在 4 中，作者详细分析了子信道的相关对系统容量的影响，也得出了m i m o 系统的容量公式。天线在发送端和接收端的配置决定了信道矩阵h 的各个子信道 的相关性：在一个( ，) 的m i m o 系统中，系统的总容量是个s i s o 系统容 量之和，而且这个s i s o 系统的容量与h h + 的特征根有密切的关系。当子信 道的相关性比较强的时候，h i + 的特征根比较少，相应的系统容量就会降低； 而当子信道独立的时候，就有更多个特征根，从而获得更大的系统容量。 我们可以认为m i m o 系统的信道容量是信道矩阵相关性的一个函数，这样 北京邮电大学硕士论文 相应的对于不同的m i m o 系统天线配置，又会产生很多相应的“香农容量极限”。 关于相关性与信道容量的定量分析，还需要进一步的研究。、 2 。3m l m 0 主要技术分类 从理论容量公式我们可以看出，m i m o 系统与s i s o 相比可以成倍的提高信 息速率，然而，它只是给出了一个理论上的上限，对于实际的系统，我们可以获 得怎样的性能? 这些还需要实际的验证。下面就给出一些m i m o 系统中一些常 用技术的简介。 现在m i m o 的传输技术可以大致分为两类：复用和分集。第一类是复用，它 充分利用空间特性，致力于在一定的误码率前提下信道中传输更高的数据速率， 比如b l a s t 系统；第二类与第一类不同，它的目的是消除无线链路中由于多径、 衰减等带来的负面影响，而致力于提高链路的可靠性。它是通过增加多个发送天 线所发送数据间的冗余来达到这个目的的，一个极端情况就是，发送信号完全相 同，这样整个链路的速率与s i s o 相同，多个天线只是起了一个增加空间分集的 作用而不是用来提高通信速率。 下面我们分别讨论这两种技术。 2 3 1复用 复用的一个典型的例子就是美国贝尔实验室提出的v - - b l a s t 系统 5 】，下 面简单介绍一下v - - b l a s t 系统。 2 3 1 1 、，- b l a s t 如图2 - 2 所示，b l a s t 通过将原始数据流分成不同的子数据流，通过一个 发射天线阵同时发送这些并行的数据来实现高速率的数据传输。所有的数据是通 过不同的天线在同一频段上同时发送，所以系统的频带利用率很高。既然用户的 数据被分成不同的数据流同时进行传播，可以得出，整个系统的传输速率与传统 的无线传输相比，提高到了原来的m 倍( m 是发送天线的个数) 。 北京邮电大学硕士论文 v e d 口r _ 璺置 e n t ) o d ” 吨一 吼 曲 蕤 差嘉 图2 - - 2 v - - b l a s t 系统。 置_ i d a t a 在这里需要指出的是，首先，b l a s t 与c d m a 或者扩频系统相比，它只占 用了一部分系统的带宽丽非全部频段；其次，不同于f d m a ，每个子数据流都 占用了整个数据流宽度。最后，不同于1 r i ) m a ，所有的子数据流是同时发送的， 而不是占用不同的时隙。 在b l a s t 系统的接收端也有一个天线阵来接收通过无线环境的发送信号及 其多径的拷贝。每一个接收天线都可以接收到不同天线发送的子数据流。如果多 径非常丰富，不同的子数据流都经历了稍微不同的环境，因为原本他们发送的时 候空间位置就有一些差别，利用信号处理的技术，这些散射稍微有些不同的子数 据流可以被识别并恢复出来。这实际上就是充分利用空间的多径来并行传输数 据，从而提高数据传输的速率。因此我们可以看出，无线环境的散射越丰富，多 径越多，效果会更好，这与传统的系统恰好相反。 在b l a s t 系统的接收端的信号处理过程是这个技术的核心。在接收端，接 收天线在接收不同的子数据流的时候就要同时进行这个处理过程，首先从中取出 最强的一路子数据流，接着依次处理剩下的相对强度较弱的信号。取出强的数据 流后，这些较弱的数据流将比较容易恢复出来，所有这些都要依靠无线传播环境 的多径效应。 假设采用理论上的瑞利散射环境，那么从理论上，我们可以计算出b l a s t 系统的容量几乎跟天线的数目成正比。即使所有天线的总的发射功率保持不变。 但是在实际的环境中，教射当然没有瑞利散射那么充分，我们需要计算这中情况 下的系统容量。试验表明，技术实际环境的散射很不充分，b l a s t 系统依然可 以显著的提高系统的性能。b e l l 实验室做出来的芯片证明，可以使系统的频谱利 用效率提高到2 0 一4 0 b i t s h z ，这是使用传统的方法不能达到的。 北京邮电大学硕士论文 2 3 2分集 空时编码采用的是m i m o 分集技术，包括空时格状编码( s p a c e t i m et r e l l i s c o d e ，s t t c ) 和空时分组编码( s p a c et i m eb l o c kc o d e ，s t b c ) ，下面简单介 绍一下这两种空时编码方案。 2 。3 。2 。1s t t c 空时格状码是a t & t 公司研究院的t a r o k h 在空时延迟分集和格状码的基础 上提出的 6 】。为了方便说明，这里以图2 - - 3 所示格状图为例，图中采用8 状态 格状码和8 p s k 星座符号，每次输入2 b i t 。需要说明的是，输出的两个符号分别 对应于8 p s k 星座点，且分别由天线i 、天线2 在k 时刻同时发送。这便组成了 3 重空时格状码。 r z l i i m p =o 工57 64 t k 工：00 s13 6 吧k2 ：0i57 64 3 4 、一 | 4 0 i，j 争t 一，1 6 0 0 ，0 1 0 3 t 0 3 ，0 4 ，0 5 0 6 ，0 7 s 口一赫5 2 ，5 3 i ，! i t ，! 婚v 尊- 5 7 2 0 ，2 工2 2 ，2 3 ，2 ，2 5 ，2 6 ，2 7 妻匿疆露疆淫鬃黧粼霹嫒 o ，4 1 4 2 4 , 3 ，4 t ，4 5 ，4 6 ，7 ：l o , , i z ，土2 。，土3 _ 1 i ，1 s - 土6 ，1 7 6 0 ，6 土。6 2 ，6 3 ，5 矗，6 s 蓐6 ，6 7 馘鬻灏毒器墨鳓凄事蓄酾。3 7 8 - p s k8 - s t a t es p a c e - t n ec o d ew i t h2 ixa n t e n n a s 图2 - 38 p s k ，8 个状态空时格码2 个发送天线” 6 中给出了瑞利衰落条件下空时格状码的成对差错率p e r 性能界： r、一 p ( c _ e ) i 耳届j ( e , 4 n o ) 一( 2 川) 其中r 是矩阵a ( c ，0 ) 的秩，1 3 , ( i = 1 , 2 ，) 是矩阵a ( c ，e ) 的r 个非零特征 值，托、m 分别为发送和接收天线数。这样得到的分集增益为r - n ，编码增益 为( a 卢：一，) 一。并由此得到两个设计准则： 衡量分集增益的秩准则：对于，| ，副天线的发送分集系统，矩阵a ( c ，c ) 满秩 o 1 2 3 4 5 6 7 北京邮电大学硕士论文 时将得到最大分集好处1 ，即，。 衡量编码增益的行列式准则：如果要设计n ，- n ，重分集。那么对所有不同的 码字c 和c ，设计时应尽可能使矩阵a ( c ，c ) 的行列式的最小值最大化。 因此，在给定分集增益的情况下，可以通过增加格状图状态的方法来提高编 码增益，但同时状态数的增加必然会导致编解码复杂度的提高。由此可见，这种 编码方法的缺点是，译码复杂度将随着传输速率的增加而指数地增加。因此，实 际应用中，要在编码和分集之间取得折衷。 2 3 2 2s t b c 当天线的数目一定时，空时格码( s t t c ) 的译码复杂度与天线的个数和数 据速率成指数增长。为了解决译码复杂度的阅题，c a d e n c e 公司的a l a m o u t i 在 7 卜一文中首先提出了一种使用两个发送天线的传输方法，采用两个发送天线和 一个接收天线，这种算法的性能与采用最大比合并算法( 一个发送天线，两个接 收天线) 的性能是相同的。下恧对具体算法简要介绍如下。 s 0 j 信道估计i：l合并 n 曩7 弧 【 最大似然检测 i 图2 4 两个发速天线，一个接收天线 如图2 - - 4 所示，在第一个码元周期，两个天线同时发送两个符号。假设从0 号天线发送信号，从1 号天线发送信号五；在下一个码元周期，0 号天线发送 一s ? ，1 号天线发送s ：， 鼍咱丫 北京邮电大学硕士论文 在时刻t ，从0 号天线发送出来的数据经过信道到达接收端，我们可以把这 个信道的响应看作是一个乘性的干扰h o ( t ) ，同样从l 号天线发送出来的数据经 历了h 。( ，) 。为了考虑问题的方便，这里先假设在连续的两个符号周期的时间内， 信道保持不变，即： h o ( t ) = h o ( t + t ) = 厅o = t t g o e 。 强( f ) = 扛9 + r ) = 啊= q g 。屹 ( 2 1 3 ) t 是符号的持续时间，于是接收到的信号就可以被表示为： = ，( f ) = + 啊+ ， = ，( f + d = 一i + 啊s ：+ n i ( 2 1 4 ) 其中和r t 分别表示在时刻t 和t + t ，接收天线接收到的信号。和啊表 示接收机端的随机噪声和干扰。 在图2 - - 4 中的合并器，产生如下的两个信号并送到最大似然检测器里 磊= h ；r o + 啊+ 写= 耳，0 一。( 2 - - 1 5 ) 将上面两个式子合并，就可以得到下面的式子： 晶= ( 簖+ 口? ) + + 坷 j t = ( 口；+ 彳) 5 i - h o n 卜砰( 2 - - 1 6 ) 上式中的合并信号和采用两径最大比合并算法得到的式子是等效的，这就是 说，这种算法的性能和两个接收天线的最大比算法的性能是相同的。 在正交设计理论的基础上， 8 】中把a l a m o u t i 的方法推广到多于两个天线的 系统中，提出了另外一种空时编码方案：正交空时分组编码。尽管空时分组码在 性能上与空时网格编码有些差异，但是由于其相对简单和易于实现，该编码方法 还是受到了广泛的关注。具体算法如下所述。 设( _ x ，坼) 为传送的信息符号序列，采用列正交编码矩阵g q ： c 产 ( 2 1 7 ) 进行空时编码。这里c = 1 , 2 ，n ；t = 1 , 2 ，p ) 为一，x 2 ，孔及其共轭的线性组 合。一个编码码字共有p 个时刻，并按行由片，副天线同时发送，即在第一个时刻 发送第一行，第二个时刻发送第二行，依此类推，在第f 个时刻发送第f 行，总 共需要p 个时刻才可完成一个编码码字的发送。因此，矩阵的每- - y u 符号实际是 由同一副发送天线在不同时刻发送的。考虑到编码矩阵g 列之间的相互正