（信号与信息处理专业论文）mumimo预编码技术的研究.pdf

_ 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， 本人签名： 趟是k 本人承担一切相关责任。 日期：竺! 里：隆 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) 保密论文注释：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： 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：塑坐：墨：堡 日期：丝! ! ：i ：! 皇 c i h l ， m u m i m o 预编码技术的研究 摘要 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 ) 系统利用多根发射天线和接 收天线来发送和接收数据，能够有效地抑制信道多径衰落，在不增加系统带宽和天线发 射功率的前提下，可以使得信道容量随着天线数量( 最小发射，接收天线数) 线性增大， 从而提高频谱利用率。因此m i m o 技术已经成为下一代( b 3 g ) 或第四代( 4 g ) 移动通 信的核心技术。预编码技术是当前m i m o 技术研究的热点之一，它利用信道的状态信息 在发射端进行一种预处理，通过调整发射策略来适应相应的信道环境，从而提高m i m o 系统的性能。本文研究的重点主要是在多用户情况下，系统在发射端完全已知信道状态 信息或存在信道估计误差的情况下，以及具有部分信道状态信息时，如何利用预编码来 优化系统性能。 首先介绍课题的研究背景及研究现状。接着介绍m i m o 系统无线衰落信道的传播特 性，其中包括移动无线信道的特性、m i m o 系统的复用和分集技术以及m i m o 系统信道 容量的推导，同时介绍了空间信道模型的基础知识，这些都是研究m u m i m o 预编码技 术的基础。 在第三章中，介绍了完全信道信息条件下的预编码技术，其中包括收发联合优化的 预编码技术，包括基于奇异值分解和特征值分解两种，以及线性预均衡、块对角化算法 并给出了仿真结果和分析。接着给出了非线性预编码算法主要是脏纸编码的理论来源， 容量推导以及实现方式和仿真结果等。 第四章，也是本文的重点内容，详细介绍了有限反馈预编码条件下的码本设计，码 本选择等原理，并给出了一种基于3 g p p l t e 协议中所给出预编码矩阵的简单的预编码 矩阵选择算法，该算法在与遍历算法性能相差无几，却能够大大降低计算的复杂度。接 着，针对预编码与多用户选择相结合的问题，在现有逐用户归一化速率控制( p e r - u s e r u n i t a r ya n dr a t ec o n t r o l ，p u 2 r c ) 的基础上提出了一种松弛正定条件的p u 2 r c 算法， 该算法在用户端不需要进行任何的改动，基站端利用预先设计好的码本向量之间的关系 表来扩大用户调度的范围，这虽然在计算复杂度上稍有提高，但却极大地提高了系统性 能。 最后，对全文进行了概括性的总结，明确了下一步有待进行的工作和未来的一些研 究方向。 关键词：多输入多输出预编码信道信息有限反馈逐用户归一化速率控制 广 r e s e a r c ho fm u m i m os y s t e mp r e c o d i n g t e c h n i q u e a b s t r a c t 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 ) s y s t e m su s em u l t i p l et r a n s m i t t i n ga n t e n n a sa n d m u l t i p l er e c e i v i n ga n t e n n a st os e n da n dr e c e i v ed a t a s t h i sm e t h o dc a ne f f e c t i v e l ys u p p r e s s m u l t i - p a t ht i d i n gc h a n n e l s w i t h o u ti n c r e a s i n gt h es y s t e mb a n d w i d t ha n dt r a n s m i t i n gp o w e r o ft h ea n t e n n a s ，i tc a nm a k ec h a n n e lc a p a c i t ya st h ea n t e n n an u m b e rl i n e a ri n c r e a s e ，t h e r e b y e n h a n c et h e s p e c t r a le f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，m i m ot e c h n o l o g yh a sb e c o m et h e c o r e t e c h n o l o g y o ft h en e x t g e n e r a t i o n ( b 3 g ) o rt h e f o u r t h g e n e r a t i o n ( 4 g ) m o b i l e c o m m u n i c a t i o n s t h ep r e - c o d i n gt e c h n o l o g yi st oc o n d u c tap r e - p r o c e s s i n gt ot h et r a n s m i t t e r t oa d j u s tt h et r a n s m i t i n gs t r a t e g yt oa d a p tt ot h ec o r r e s p o n d i n gc h a n n e le n v i r o n m e n tb yu s i n g c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，i tc a ne n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fm i m os y s t e m s t h e r e f o r e ， p m c o d i n gb e c o m e so n e o ft h eh o tt e c h n o l o g i e si nt h em i m or e s e a r c hf i e l da tp r e s e n t t h i s p a p e rf o c u s e sm a i n l yo nm u l t i u s e rc a s e ，h o wt o u s ep r e - e n c o d e dt oo p t i m i z es y s t e m p e r f o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n tc o d i t i o n s ，s u c ha st h es y s t e mf u l l yk n o w nt o t h et r a n s m i t t e r c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，t h ee x i s t e n c eo fc h a n n e le s t i m a t i o ne r r o rc o n d i t i o n s ，a sw e l l 嬲w i t h p a r t i a lc h a n n e l s t a t ei n f o r m a t i o n t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dt h er e s e a r c hs t a t u sq u oo ft h e s u b j e c t ，t h e n i n t r o d u c e st h em i m os y s t e m s w i r e l e s s f a d i n g c h a n n e l p r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，i n c l u d i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o b i l er a d i oc h a n n e l ，m i m om u l t i p l e x i n g s y s t e m sa n ds u b a s s e m b l yt e c h n o l o g y ，a sw e l la st h ed e r i v a t i o no ft h ec h a n n e lc a p a c i t ya n d t h es p a c ec h a n n e lm o d e l a l lt h e s ek n o w l e d g e sa r eb a s e o fm u m i m op r e - c o d i n g t e c h n o l o g yr e s e a r c h i n g i nt h et h i r dc h a p t e r , t h ep r e - c o d i n gt e c h n i q u e sa r ei n t r o d u c e du n d e rt h ec o n d i t i o no f p e r f e c tc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，i n c l u d i n gal i n e a rp r e e q u a l i z a t i o n , b l o c kd i a g o n a l i z a t i o n a l g o r i t h m ，a n dt h ep r e - c o d i n gt e c h n i q u e sw i t hj o i n tt r a n s m i ta n dr e c e i v eo p t i m i z a t i o n , w h i c h i si n c l u d e dt h o s eb a s e do ns i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o na n dt h ee i g e n v a l u ed e c o m p o s i t i o n a s l oi tg i v e so u tt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s a tt h ee n do ft h i sc h a p t e r ，t h en o n l i n e a r p r e c o d i n ga l g o r i t h m sa r eg i v e nw h i c ha r em a i n l ya b o u td i r t yp a p e rc o d i n g ，i n c l u d i n gt h e s o u r c eo ft h et h e o r y ，t h ec a p a c i t y ，a sw e l la st h es i m u l a t i o nm e t h o d s c h a p t e ri vw h i c hi sa l s ot h ek e yp a r to ft h i sa r t i c l ei n t r o d u c e sd e t a i l so ft h el i m i t e d f e e d b a c kp r e c o d i n gm e t h o d ，s u c ha st h ed e s i g no ft h ec o d e b o o ka n dt h ec o d e b o o ks e l e c t i o n p r i n c i p l e s i ta l s og i v e sas i m p l ep r e c o d i n gm a t r i xs e l e c t i o na l g o r i t h m ，b a s e do nt h e p r e - c o d i n gc o d e b o o kf r o m3 g p p - l t e t h i sm e t h o dc a ng r e a t l yd e c r e a s et h ec o m p l e x i t yi n t h ec a s eo fh a v i n ga l m o s tt h es a m ep e r f o r m a n c ec o m p a r e dw i t ht h eo p t i m a ls o l u t i o n t h e n ， t h ep a p e rf o u c e so nt h ec o m b i n a t i o no ft h ep r e c o d i n ga n dm u l t i u s e rs e l e c t i o n b a s e do nt h e a l g o r i t h mo fp e r - u s e ru n i t a r ya n dr a t ec o n t r o l ，t h ea r t i c l eg i v e so u ta l la l g o r i t h mw h i c hr e l a x e s t h eo r t h o g o n a ld e f i n i t i o no ft h ep u 2 r ca l g o r i t h m t h i sa l g o r i t h md o e sn o tr e q u i r ea n y c h a n g e st ot h em o b i l et e r m i n a l s t h eb a s es t a t i o ne x p a n d st h es c o p eo ft h eu s e rs c h e d u l i n gb y t h eu s eo fp r e - d e s i g n e dr e l a t i o n s h i pt a b l eb e t w e e nt h ec o d e b o o kv e c t o r s a l t h o u g ht h e r ei sa s l i g h tm c r e a s eo nt h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , t h i sm e t h o dc o u l dg r e a t l yi m p r o v et h e s y s t e mp e r f o r m a n c e a tt h ee n do ft h i sp a p e r ，t h e r ei sa s u m m a r yo ft h ee n t i r et e x t w h a tr e m a i n st ob ed o n ei n t h en e x ts t e pa n ds o m ef u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n sa r ea l s og i v e n k e y w o r d s ：m i m o ，p r e - c o d i n gc s i ，l i m i t e df e e d b a c k ，p u 2 r c 产 一气 产 第1 章绪论 目录 l 1 1 研究背景l 1 2预编码简介”2 1 3 论文结构及内容3 第2 章m i m o 系统及信道模型” 4 2 1无线衰落信道的传播特性4 2 1 1时延扩展4 2 1 2多普勒扩展6 2 1 3角度扩展7 2 2复用和分集7 2 - 2 1空间复用技术7 2 2 2空间分集技术7 2 3m l m o 信道容量”8 2 。4空间信道模型( s c m ) 1 0 2 4 1建模过程l1 2 4 2信道系数”1 1 第3 章完全信道信息下的m i m o 预编码技术 1 3 3 1 收发联合优化的预编码1 3 3 1 1基于s v d 分解的收发联合优化”1 3 3 1 2基于e v d 分解的收发联合优化一1 5 3 1 3仿真分析1 6 3 2线性m l m o 预编码算法18 3 2 1 线性预均衡”1 9 3 - 2 - 2块对角化( b d ) 算法2 0 3 2 3加入功率分配的b d 算法2 l 3 2 4信道估计误差对线性多用户预编码性能的影响2 2 3 - 2 5仿真结果分析2 2 3 3非线性多用预编码- 脏纸编码( d p c ) 2 5 3 3 1d p c 的容量2 6 3 3 2实现方式”2 7 3 3 3 t h 预编码原理? 3 0 3 3 4仿真结果及分析3 3 第4 章有限反馈预编码技术一 4 1c s i 的获取3 5 4 2有限反馈预编码3 6 4 2 1码本设计准则3 7 4 2 2预编码码本选择准则”4 0 4 2 3基于h o u s e h o l d e r 变换的预编码码本选择算法4 2 4 3与用户调度相结合的有限反馈预编码算法4 7 4 3 1 p u 2 r c 算法4 8 4 3 2松弛正定条件的改进p u 2 r c 方案“5 0 4 3 3仿真结果及分析”5 3 5 结论与展望 5 7 5 1论文的主要工作5 7 5 2 下一步工作计划5 7 参考文献 致谢 攻读学位期间发表的学术论文目录 图目录 图2 1 空间信道模型示意图1 0 图2 2 信道建模过程ll 图3 1 收发联合优化系统框图1 4 图3 2e v d 分配预编码系统框图l5 图3 3 基于s v d 分解预编码算法的性能仿真1 6 图3 - 4t r ( m s e ) 最小化和m s e 最小化的误码率性能比较1 7 图3 5t r ( m s e ) 最小化和i m s e 最小化的容量性能比较图1 7 图3 6z f 线性预均衡系统框图一2 0 图3 7b d 算法与z f 算法的比较2 3 图3 8b d 与c b d 算法性能比较2 3 图3 - 9 信道估计误差对z f 预均衡的性能影响2 4 图3 1 0 信道估计误差对b d 算法的性能影响2 4 图3 1 l 信道估计误差对加入功率分配的b d 算法的性能影响2 5 图3 1 2c o s t a 编码框图2 6 图3 1 3 对信道矩阵进行q r 分解的t h p 系统框图2 8 图3 1 4 基于c h o l e s k y 分解的t h p 结构框图3 0 图3 1 5t h p 多用户系统框图3 0 图3 1 6z f t h p 与m m s e t h p 性能比较3 3 图4 1 互惠原则获取c s i 3 5 图4 2 通过反馈获取c s i 一3 6 图4 3 有限反馈预编码系统框图3 7 图4 4 层选择准则框图。4 4 图4 5 基于m m s e 准则的遍历与分组简化算法性能比较图4 7 图4 6 多用户m i m o 有限反馈预编码4 7 图4 7p u 2 r c 传输框图一4 8 图4 8 不同码本数的p u 2 r c 容量5 0 图4 9d f t 码本用户数目较小时容量性能5 5 图4 1 0d f t 码本用户数目较大时容量性能5 5 图4 1 l 不同的门限值对性能的影响5 5 图4 1 2 不同码本的性能对比5 5 图4 13h h 码本用户数目较小时容量性能一5 6 图4 1 4h h 码本用户数目较大时容量性能5 6 图4 1 5 用户端不同接收天线的h h 码本性能5 6 表目录 表3 1 丸及s n r 计算公式对应表15 表3 2 多用户m i m o 预编码仿真参数3 3 表4 1 不同天线的预编码码本。4 3 表4 2 预编码矩阵分类关系4 4 表4 31 ，= l 时每个矩阵所选的层对应基础矩阵的列4 5 表4 4 ，= 2 时每个矩阵所选的层对应基础矩阵的列4 5 表4 5 ，= 3 时每个矩阵所选的层对应基础矩阵的列4 6 表4 6 ，= 4 时每个矩阵所选的层对应基础矩阵的列- 4 6 表4 7 仿真参数5 3 表4 8d r = 0 18 时d f t 近距码本表5 4 表4 9d r = 0 5 7 时d f t 近距码本表5 4 表4 1 0 d r = 0 5 7 时h h 近距码本表5 4 表4 11c q i 量化。5 5 1 1 研究背景 第1 章绪论 在信息社会，移动通信技术的发展得到了愈来愈多的关注。移动通信技术发展的最 终目标是个人通信【1 1 ，也就是使用可能的通信技术，实现任何人在任何地点在任何时间 能够与任何人进行任何种类的通信，它是实现未来理想的个人通信服务的必由之路。在 信息支撑技术、市场竞争和需求的共同作用下，移动通信技术的发展突飞猛进。到目前 为止，移动通信已经走过了两代的经历，并朝着第三代，甚至第四代迈进。 第一代模拟系统对应的接入技术是频分多址技术( f d m a ) ，它仅能提供9 6 k b i t s 的传输速率。其典型系统如美国的模拟电话系统a m p s 、北欧的移动电话系统n m t 、英 国的全接入通信系统t a c s 等。第二代窄带数字系统的接入技术主要有时分多址技术 ( t d m a ) 和码分多址技术( c d m a ) 两种，它可以提供9 6 - - 2 8 8 k b i t s 的传输速率。其 典型系统，如欧洲的全球移动通信系统g s m 、北美的数字增强型系统i s 1 3 6 、c d m a o n e 、 i s 9 5 a 、i s 9 5 b 、日本的个人数字蜂窝系统p d c 等。无论是第一代还是第二代技术，主 要针对话音通信设计，话音仍是当前和未来一段时间内移动通信市场的基石和主阵地。 与第一代和第二代移动通信技术相比，第三代移动通信将有更宽的带宽，其传输速 度最低为3 8 4 k b i t s ，最高为2 m b i t s ，带宽可达5 m h z 以上。目前全球有三大标准，分别 为欧洲提出的w c d m a 、美国提出的c d m a 2 0 0 0 和我国提出的t d - - s c d m a 。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，如无线接入i n t e m e t 等。能 够实现高速数据传输和宽带多媒体服务是第三代移动通信的主要特点。第三代移动通信 网络能将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起来，提高无线频率利用效率，提 供包括卫星在内的全球覆盖并实现有线和无线以及不同无线网络之间业务的无缝连接， 满足多媒体业务的要求，从而为用户提供更经济、内容更丰富的无线通信服务。 虽然第三代移动通信系统具有上述的优点，可是它还是存在因特网协议( i p v 6 ) 实 现困难、不能支持较高的通信速率、网络容量相对较小、用户费用高昂以及商业模型不 确定等难以逾越的困难和缺陷。由于第三代移动通信系统存在着这些缺陷与不足，所以 自它诞生以来，人们对它的争议就从来没有间断过，再加上市场需求和通信技术的不断 发展，第四代移动通信系统的研究便应运而生了。 国际电联目前已开始研究制定4 g 系统标准，把移动通信系统同其它系统( 如无线 局域网w l a n ) 结合起来，产生4 g 技术，2 0 1 0 年前使数据传输速率达到1 0 0 m b i t s ， 提供更有效的多种业务，实现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播和电视卫星通信等系 统的无缝衔接并相互兼容。除此之外，第四代移动通信系统比第三代移动通信系统具有 更多的功能，第四代移动通信系统可以在不同的固定、无线平台和跨越不同频带的网络 中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联网( 包括卫星通信和平流层通信) ， 能够提供定位定时、数据采集和远程控制等综合功能，并且第四代移动通信系统是集成 多功能的宽带移动通信系统，是宽带接入m 系统。 l t e 是3 g p p 在“移动通信宽带化 的趋势下，为了对抗w i m a x 等移动宽带无线 接入技术的市场挑战，在十几年超3 g ( b 3 g ) 研究的技术储备基础上研发出的“准4 g ” 技术。l t e 在空中接口方面用频分多址( o f d m f d m a ) 替代了3 g p p 长期使用的码分 多址( c d m a ) 作为多址技术，并大量采用了多输入多输出( m i m o ) 技术和自适应技 术提高数据速率和系统性能f z j 。 3 g p pl t e 项目的主要性能目标包括：在2 0 m h z 频谱带宽能够提供下行1 0 0 m b p s 、 上行5 0 m b p s 的峰值速率；改善小区边缘用户的性能；提高小区容量；降低系统延迟， 用户平面内部单向传输时延低于5 m s ，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于 5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于1 0 0 m s ；支持1 0 0 k m 半径的小区覆盖； 能够为3 5 0 k m h 高速移动用户提供 1 0 0 k b p s 的接入服务；支持成对或非成对频谱，并 可灵活配置1 2 5m h z 到2 0 m h z 多种带宽。 多入多出( m i m o ) 技术以其特有的大容量与高可靠性的优势正在谱写高速无线传 输的新篇章，其技术自身不断丰富与完善，同时也推动了无线通信相关领域的发展，如 m i m o 无线信道建模【2 】、空时编解码设计、调制解调方案设计、高速信号处理、多天线 设计等。由于m i m o 技术本身的复杂性，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 术的研究正在逐步地进行。 在m i m o 系统中，空分复用通过将输入数据分成几路独立的并行子序列来同时传 送，从而获得了较高的频谱效率，然而由于空分复用技术在空域上没有冗余，而易受 m i m o 信道矩阵秩不足的影响。预编码技术首先将发送序列分成m 个并行子序列，再 与预编码矩阵相乘后分配到不同的发射天线，从而可以有效地抑制m i m o 信道矩阵的 秩不足对系统性能的影响。论文正是在这种背景下，对m i m o 系统，尤其是m i m o 中 的预编码设计进行了系统的研究。 1 2 预编码简介 在点对多点的广播信道中，由于各用户在地理位置上的差异，不能协同接收，当各 用户间的接收信号存在相互干扰时，也不能采用多用户检测的方法来避免干扰。因此， 解决无线多用户m i m o 广播信道多用户干扰问题的主要方法是采用预编码技术。理论 分析证明：采用脏纸编码( d i r t yp a p e rc o d i n g ，d p c ) 等预编码方法可以达到m i m o 高 2 斯广播信道的容量，因此对无线多用户m i m o 广播信道的预编码技术研究，是解决把 m i m o 技术应用于新一代蜂窝系统或无线局域网的关键问题，具有重大的研究价值。 目前，国内外对无线多用户m i m o 广播信道的预编码技术进行了积极的研究。预 编码的方法分为两大类，一类是线性预编码的方法，另一类是非线性预编码的方法。线 性预编码方法主要包括两种：一种是基于迫零( z e r of o r c i n g ，z f ) p j 或最小均方误差 m m s e 准则【4 】和简化收端的目的，将原来在收端进行的处理搬到发端进行，这种方法被 称为线性预均衡技术；另一种是根据对信道矩阵h 进行奇异值分解( s i n g u l a rv a l u e d e c o m p o s i t i o n ，s v d ) ，同时通过采用功率分配的方法来获得较高的信道容量或较低的 误码率，这种方法被称为s v d 预编码或收发联合优化。典型的非线性预编码方法包括： t o m l i n s o n - h a r a s h i m a 预编码( t h p ) 【5 】【6 】【7 】和向量预编码( v e c t o rp r e e o d i n g ，v p ) 。 此外，针对发端通过反馈的方式从收端得到信道状态信息的系统，特别是f d d 系 统，人们提出一种基于码本( c o d e b o o k ) 设计的有限反馈预编码方案。所谓有限反馈， 具体来说，就是各个接收端分别估计自己的信道状态信息，然后利用很少比特将信道状 态信息通过上行传输反馈给发送端，最后发送端根据反馈信息决定预编码的方案。这种 少量比特反馈部分信道状态信息的基础在于发端和所有的收端事先确定一个包含若干 预编码码字的码本，这样收端只需将选择的码字标号反馈给发端，就可以得到相应的预 编码处理矩阵。 1 3 论文结构及内容 论文总共分为五章，结构安排如下： 第一章介绍了移动通信的发展和选题背景及对m 1 m o 预编码技术的简要介绍。 第二章介绍了无线衰落信道的传播特性、m i m o 系统复用和分集技术、m i m o 系 统信道容量的推导，并重点介绍了空间信道模型( s c m s c m e 信道模型) 。 第三章介绍了完全信道信息条件下的预编码算法，给出了仿真结果，并比较了算法 之间的优劣。 第四章是这篇论文的核心章节，由于移动通信的发展以及资源的限制，有限反馈预 编码已成为重点关注的算法，本章重点介绍了有限反馈预编码的码本设计、码本选择等， 并给出了一种码本选择方案以及与用户调度相结合的预编码算法。 第五章为结论与展望，不仅对这篇论文进行了总结，同时对未来可以继续完成的工 作做了说明。 3 第2 章m i m o 系统及信道模型 m i m o 技术即多入多出技术，最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出，它利用多天线来 抑制信道衰落。m i m o 技术的空间复用就是在接收端和发射端使用多个天线，充分利用 空间传播中的多径分量，在同一频带上使用多个数据通道( m i m o 子信道) 发射信号， 从而使得容量随着天线数量的增加而线性增加。这种信道容量的增加不占用额外的带 宽，也不消耗额外的发射功率，因此是增加信道和系统容量的一种非常有效的手段。 m i m o 系统主要有以下优点【1 】【8 】：第一，降低了码间干扰。在移动通信空间无线信 道中，由于多径干扰效应等原因造成码间干扰。在m i m o 系统中，高速的数据流经过 串并转换为多个低速的数据子流，每个码的长度增加，抗码间干扰的能力明显增加。第 二，提高了空间分集增益。由于m i m o 系统中发射或者接收端的多个天线中，各个天 线之间有足够的隔离度，各空间信道的相关性很小，因此能够提供更高的空间分集增益。 第三，提高了无线信道容量和频谱利用率。m i m o 将多径无线信道与发射、接收视为一 个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率，这是一种近于最优的空域时域 联合的分集和干扰对消处理。 利用m i m o 技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码 率。前者是利用m i m o 信道提供的空间复用增益，后者是利用m i m o 信道提供的空间 分集增益。m i m o 技术主要有两种表现形式：空间复用和空时编码。空时编码是m i m o 技术领域一个研究热点，其主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和 时间分集，从而降低信道误码率，所以m i m o 是4 g 移动通信的关键技术。 2 1 无线衰落信道的传播特性 在无线移动通信系统中，多径效应广泛存在，无线电波可以从不同的方式以不同的 时延到达接收机。通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素，然而对于m i m o 系 统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。在接收机的天线上，它们通过矢量相加 合成一个信号，合成信号会增加或相互抵消。另外，由于接收机相对于发射机是运动的， 它们之间的多径电磁波的频率也发生偏移，这种由于相对运动而产生的频率偏移称多普 勒效应。同时，对于多入多出的多天线系统，还存在着信号在空问中的衰落一j 。 2 1 1 时延扩展 在蜂窝移动无线环境中，周围的物体( 如房屋、建筑或者树木) 对无线电波会起到 反射的作用，这些障碍物会产生幅度衰减和相位延迟的反射波。如果发射一个调制信号， 4 那么该发射信号的多个反射波就会从不同的方向经过不同传播延迟到达接收天线。这些 反射信号经空中各处的接收机天线接收后，根据其随机相位的不同，对接收信号会起到 加强或者减弱的作用。这些多径分量的和就形成了一个空间变化的电磁波场。因此，移 动单元在这个多径场中移动时就可能接收到幅度和相位剧烈变化的信号。由于周围物体 在无线信道中移动，因此当移动单元静止不动时接收信号的幅度也可能发生变化。这种 由于信道的时变多径特性引起的接收信号幅度上的波动称为信号衰落。 1 时间色散参数 多径传播效应主要表现在频率选择性衰落和时延扩展等方面。多径信道的时间色散 特性通常用平均附加时延( f ) 和r m $ 时延扩展( 6 ) 来定量描述。r 平均附加时延是功率延迟分布的一阶矩，定义为： 一口：气 f = 生z 一，其中和。分别 表示第k 个多径分量的时间幅度和第k 个多径分量与第一个到达的分量相比的相对时 延。 肌s 时延扩展功率延迟分布的二阶矩的平方根定义为：4 ：0 甭，其中 一2 k 2 ，2 隶。 二一一e 相干带宽只是从r m s 时延扩展得出的一个确定的关系值，它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。相干带宽表征的是信号中两个 频率基本相关的频率间隔，衰落信号中的两个频率分量在其频率间隔小于相干带宽时， 它们是相关的，衰落特性具有一致性；在其频率间隔大于相干带宽时，它们是不相关的， 衰落特性不具有一致性。如果相干带宽定义为频率相关函数大于0 9 的特定带宽，则相 干带宽近似为：e = l 5 正。 2 多径时延扩展造成的衰落效应 ( 1 ) 平坦衰落 如果无线信道带宽大于发送信号的带宽，且在带宽范围内有恒定的增益及线性相 位，则信号就会经历平坦衰落过程了。在平坦衰落情况下，信道的多径结构使发送信号 的频谱特性会在接收机端保持不变。然而由于多径导致信道增益的起伏，接收信号的强 度会随着时间变化。在平坦衰落信道中，信号带宽的倒数远大于信道的多径时延，信号 带宽比信道带宽窄的多，可以看成窄带信道。信号经历平坦衰落的条件是：最 最或 者z 乃且b ，z 和毽分别是信号的周 期和频率。一般快衰落仅发生在数据率比较低的情况。 ( 2 ) 慢衰落 在慢衰落信道中，信道冲激响应变化率比发送的基带信号变化率低得多，因此可假 设在一个或若干个带宽倒数的间隔内，信道均为静态信道。在频移中，这意味着信道的 多普勒频移比基带信号带宽小的多，所以信道经历慢衰落的条件是：z 。 6 2 1 3角