（电路与系统专业论文）多用户mimoofdm系统中的资源分配研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 中文摘要 下一代移动通信系统需要支持高速率、高可靠性的数据传输和提供端到端的服 务质量( q u a l i t yo fs e l - v i e e 。q o s ) 保证。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、 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 ) 技术和自适应传输技术己经被广 泛认为是未来移动通信系统中的主要候选技术。在频率选择性衰落信道中，自适应 m i m o o f d m 系统可以用较低的复杂度，实现高性能、高频谱效率的通信，并通过 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。自适应子载波分配技 术是在多用户o f d m 环境中，根据各个用户的信道状况，动态地调整子载波资源在 用户间的分配。大量的研究己经证明，它能够有效利用系统中由于随机的用户位置 而产生的多用户分集效应，大幅度她提高o f d m 系统的性能或容量。 本文主要提出了两种基于多用户m i m o - o f d m 系统的优化算法： 一是针对多用户m i m o o f d m 系统，先通过奇异值分解将m i m o 信道变成平 行子信道，使m i m o o f d m 系统简化为虚拟o f d m 系统，然后再利用粒子群算法 进行子信道分配，优化系统的性能，降低计算的复杂度。 二是基于跨层网络结构，在多用户m i m o o f d m 系统中改进一种公平自适应 资源分配方案。该方案在保证系统的频谱利用率的同时，以用户在链路层的排队延 迟相等作为分配子载波和功率的条件。从而实现公平性和吞吐量的联合优化。 全文分为五章：第一章介绍了研究背景，提出了资源分配的意义，第二章针对 研究内容所需具各的基本原理进行了分析和阐述，第三章主要研究了基于粒子群算 法的资源分配，第四章主要研究基于跨层结构的资源分配，第五章总结全文，概括 了本文的主要工作以及未来工作展望。 关键词：多入多出；正交频分复用；多用户分集；跨层；粒子群优化算法 a b s t r a c t t h en e x t - g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sf i r er e q u i r e dt op r o v i d eh i 曲 d a t a - r a t e ，h i g hr e l i a b l et r a n s m i s s i o n , a n dg u a r a n t e ee n d t o - e n dq o s m i m o ，o f d m ，a n d a d a p t i v et r a n s m i s s i o nh a v eb e e nc o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r e da st h em a j o rc a n d i d a t e t e c h n i q u e sf o rf u t u r er a d i oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，i nf r e q u e n c ys e l e c t i v ec h a n n e l s , a d a p t i v em i m o - o f d ms y s t e m sa r ea b l et os u p p o r th i g hr e l i a b l ea n dh i g hs p e c t r a l e f f i c i e n c yc o m m u n i c a t i o nw i t hl o wc o m p l e x i t y , w h i l ei tc a na d j u s tv a r i o u sp a r a m e t e r s d 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 f w i r e l e s se n v i r o n m e n t a d a p t i v es u b c a r r i e ra l l o c a t i o nt e c h n i q u ei se m p l o y e di nm u l t i u s e ro f d ma p p l i c a t i o n s ， w h i c ha s s i g n st h es u b e a r r i e r sa m o n gu s f f f sa c c o r d i n gt ot h e i rc h a n n e lc o n d i t i o n s al a r g e a n l o u n to fr e s e a r c h e sh a v es h o w nt h a ta d a p t i v es u b e a r d e ra l l o c a t i o nc a ni m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo re n h a n c et h ec a p a c i t ys i g n i f i c a n t l yb ye x p l o i t i n gt h em u l t i u s e rd i v e r s i t y r e s u l t i n gf r o mu s e r s r a n d o ml o c a t i o n s t h i sp a p e rw eh a v ep r o p o s e dt w oa l g o r i t h m sb a s e do nm u l i t u s e rm i m o o f d m s y s t e m ： f i r s t ，m i m o - o f d ms y s t e mh a sb e e nt u r a e di n t ov i r t u a lo f d ms y s t e mt h r o u g h s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ( s v d ) a tt h es a m et i m e ap a r t i c l es w f i r l no p t i m i z a t i o n a l g o r i t h mb a s e dm u l t i u s e rm i m o - o f d ms y s t e mh a sd e c r e a s e dt h ec o m p l e x i t yo ft h e a l g o r i t h ma n di m p r o v e dg a i n so f s y s t e m s e c o n d ，w eh a v ei m p r o v e daf a i rr e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m eb a s e do nc r o s s l a y e r a r c h i t e c t u r et h i ss c h e m ea s s i g n ss u b c a r r i e r sa n dt r a n s m i s s i o np o w e ra m o n gu s e r s a c c o r d i n gt ot h e i rd e l a yi nt h eq u e u eo f d a t al i n kl a y e r a n di th a so p t i m i z e df a i r n e s sa n d t h r o u g h p u t q h i sp a p e rc o n s i s t so ff i v ec h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e ri si n t r o d u c t i o n , w h i c hp r e s e n t s t h er e s e a r c hb a c k g r o u n d , m e a n i n go f r e s o u r c ea l l o c a t i o n i nt h es e c o n dc h a p t e r , w es h o w t h ep r i n c i p l eo fm i m o - o f d ms y s t e m w er e s e a r c hr e s o u r c ea l l o c a t i o nb a s e do np s o a l g o r i t h mi nc h a p t e rt h r e e i nc h a p t e rf o u r , w er e s e a r c hr e s o u r c ea l l o c a t i o nb a s e do n c r o s s - l a y e rs t r u c t u r e t h ef i f t hc h a p t e ri sc o n c l u s i o n , w h i c hg e n e r a l i z e s t h em a i nw o r ko f t h i sp a p e ra n df u t u r ew o r k k e yw o r d s ：m i m o ；o f d m ；m u l t i u s e rd i v e r s i t y ；c r o s s - l a y e r ；p s oa l g o r i t h m n 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 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和汇编本学位 论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 日期：年月 日 导师签名： 日期：年月 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。圃重逢塞堡塞卮澄卮! 旦主生；旦= 生；旦三生筮查! 作者签名： 日期：年月 日 导师签名： 日期：年月 日 m a s t e r s t h e 娜 1 1 研究背景 第一章概论 在信息科学的发展过程中，无线通信无疑已经成为近几十年来发展最为迅速、 ， 最受关注的领域之一。人们对于无约束通信的需求、硬件和数字信号处理技术的飞 速发展以及通信理论在实际系统中的成功应用，造就了从模拟到数字的第一代 ( 1 g ) 、第二代移动通信系统( 2 g ) 。如今，基于c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术的第三代移动通信系统( 3 g ) 已经在全球范围内开始大规模使用，人们正在向 自己期待中的“任何人可以在任何时间、任何地点进行任何方式的通信”的目标步 步逼近。同时，无线通信之所以吸引如此多研究者目光的一个重要原因就是其中还 有很多尚待解决的问题。3 g 系统虽然在极限条件下可以达到2 m b p s 的数据传输速 率，即使在高速移动环境中，也可以实现1 4 4 k b p s 的数据速率。但是，它也有其 明显的缺点：比如，由于c d m a 技术固有的干扰问题的限制，3 g 系统的数据速率 很难达到诸如5 0 一l o o m b p s 这样的范围；3 g 系统目前还难以保证不同用户对于不 同服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 的要求，难以支持多速率业务等。因此， 正当3 g 的广泛应用尚未完全开始时，对于未来蜂窝移动通信系统b 3 g ( b e y o n d 3 g ) 或4 g 的研发已经如火如荼地展开起来了。目前正在构思中的4 g 通信系统具 有下述几方面的特征： 1 通信速度更快 由于人们研究4 g 通信的最初目的就是要提高蜂窝电话和其他移动装置无线访 问i n t e r n e t 的速率，因此4 g 通信的特征莫过于它具有更快的无线通信速度。专家 预估，第四代移动通信系统的速度可以达到l o m 2 0 m b p s ，最高可以达到l o o m b p s 。 2 网络频谱更宽 要想使4 g 通信达到l o o m b p s 的传输速度，通信运营商必须在3 g 通信网络的基 础上进行大幅度的改造，以便使4 g 网络在通信带宽上比3 g 网络的带宽高出许多。 据研究，每个4 g 信道将占有1 0 0 姗z 的频谱，相当于w - c d m a3 g 网络的2 0 倍。 3 通信更加灵活 从严格意义上说，4 g 手机的功能己不能简单划归“电话机”的范畴，因为语音 数据的传输只是4 g 移动电话的功能之一而已。而且4 g 手机从外观和式样上看将有 更惊人的突破，可以想象的是，眼镜、手表、化妆盒、旅游鞋都有可能成为4 g 终 端。 4 智能性能更高 第四代移动通信的智能性更高，不仅表现在4 g 通信的终端设备的设计和操作 具有智能化，更重要的是4 g 手机可以实现许多难以想象的功能，例如，4 g 手机将 能根据环境、时间以及其他因素来适时提醒手机的主人。 5 兼容性能更平滑 要使4 g 通信尽快地被人们接受，还应该考虑到让更多的用户在投资最少的情 况下轻易地过渡到4 g 通信。因此，从这个角度来看，4 g 通信系统应当具备全球漫 游、接口开放、能跟多种网络互联、终端多样化以及能从2 g 平稳过渡等特点。 6 实现更高质量的多媒体通信 4 g 通信提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等，大量信息透过 宽频的信道传送出去，为此4 g 也称为“多媒体移动通信”。 7 通信费用更加便宜 由于4 g 通信不仅解决了与3 g 的兼容性问题，让更多的现有通信用户能轻易地 升级到4 g 通信，而且4 g 通信引入了许多尖端通信技术，因此，相对其它技术来说， 4 g 通信部署起来就容易迅速得多。同时在建设4 g 通信网络系统时，通信运营商们 将考虑直接在3 g 通信网络的基础设施之上，采用逐步引入的方法，这样就能够有 效地降低运营成本。 为了能够实现这些特征，多项技术已经被人们所看好，这些技术将很有希望成 为未来移动通信系统架构中的关键技术，这其中就包括能有效克服多径衰落，提高 传输速率的正交频分复用( 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 ) 技 术，能有效改善系统性能或显著提高系统容量的多进多出( m u m p m i n p u t m u l t i p l e - o u t p u t , m i m o ) 技术，以及随着信道的变化调整系统传输参数和结构以适应 无线环境的自适应技术等。在m i m o o f d m 系统中应用自适应技术，能充分利用 空间、时间和频率维上的自由度，可以设计更为灵活的传输结构，可调整的参数更 多，当然推导和实现也更为复杂。 在多用户系统中，由于不同用户所处位置的随机性，大多数用户之间所经历的 信道衰落状况往往是独立的。在某个时刻或是某个子载波上，某些用户可能正处于 深度衰落当中，不适于在信道上传输数据。而与此同时，很可能会有另一部分用户 信道状况比较好。因此，在多用户环境中存在着多用户分集【i 。5 1 。如果我们能够在发 射端获得不同用户的信道状态信息，我们就可以将资源合理地分配给适宜传输数据 的用户，从而获取多用户分集增益。当系统中用户数越多时，某个时刻或某个频率 2 硕士擘位论文 m a s t e r s t h e s i s 上，越有可能有用户处于很好的信道状况，如果让其占用信道进行传输，那么能够 获得的增益也就越大。多用户分集与传统的分集技术( 如时间、空间分集等) 有几 点重要的区别：一是传统的分集技术是用来改善传输的可靠性，而多用户分集最初 是被利用来增大系统的吞吐量，当然它也可以提高系统的整体性能：二是多用户分 集与传统的分集技术不同，它不是把衰落当作一种有害的效应去消除它，而是将衰 落当作一种有益的资源，去利用由它所带来的随机性；三是传统的分集技术都属于 “点对点”的“链路级”技术，而多用户分集则是一种“系统级”的优化技术，它 是从所有用户的角度出发进行设计的。 1 2 资源分配技术的研究现状 有关多用户资源分配技术的理论，在国内外的许多文献中有着较为详细的阐 述，因为涉及到了多址接入，自适应资源分配既包含了子信道的分配，又包含了子 信道上比特和功率的分配。通过在发射端根据信道状况调整传输功率 6 1 、符号速率 川、调制星座图l 钔、信道编码码率 9 1 、或者联合调整这些参数n 0 1 等，从而提高系统 的整体性能，这些可供调整的参数和指标通称为自由度【l ”。在m i m o 环境下，由 于增加了空间方向上的自由度，可以进一步调整发射接收天线数量 1 2 1 、天线传输策 略等【1 3 1 ，在多载波情况下可以调整每个子载波上的编码调制方式和发送功率等1 1 4 1 ， 在多用户条件下还可以调整用户间资源分配的数量和方式等i l 舅。 w o n gc y 和l e t a i e fk b 最早研究了该问题，他们在文献i l l 中以系统总的发射 功率最小化为优化目标，提出了一种适用于单小区多用户o f d m a 系统下行链路的 自适应子载波、比特和功率分配方案，在用户数据速率固定和误比特率( b i te r r o r r a t i o ，b e r ) 给定的情况下，该方案与传统的不使用自适应子载波分配和调制的o f d m 系统相比，能使系统的发射功率降低5 - 1 0 d b ，与使用自适应调制但不使用自适应子 载波分配的0 f d m 系统相比，发射功率降低3 5 d b 。 z h a n gy j 以w o n gc y 的工作为基础，不但提出了一系列适用于单小区o f d m a 系统下行链路的自适应子载波、比特和功率分配算法 1 7 q 8 1 ，而且对蜂窝系统1 1 6 1 和 m i m o o f d m 系统中的无线资源分配方案进行了深入研究【1 9 - 2 “。 文献i ”1 6 j 的算法以系统的吞吐量最大化为优化目标，实现了子载波、比特和 功率的自适应分配。该算法能够满足用户的最小发送速率要求，尽力为用户提供公 平的数据发送机会。为了解决过载和业务密度不均匀的问题，作者同时考虑了自适 应小区选择对系统性能的影响。 文献【l7 7 1 8 l 是z h a n gy j 等近期的研究成果。文中报导的算法在满足用户q o s 要 求( 误比特率和数据速率要求) 并在保证公平性的条件下，实现了系统总的发射功率 最小化。更重要的是，文中使用了基于包( p a c k e t b a s e d ) 的业务模型，而不是文献 “ i ”j 中的流模型，从而把算法的应用范围扩展到了多业务的全i p 系统中。通过添 加空域和用户域资源作为优化对象，z h a n gy j 把文献幅】中的算法应用到 m i m o - o f d m 系统中【l ”1 1 ，同样取得了令人满意的效果。 l i uh u i 研究小组在解决o f d m 系统无线资源分配问题时，更注重算法在系统中 的实现 2 2 - 2 # 1 。l ig q 等在文献, 2 3 1 中对基站缓冲区溢出问题进行了研究；k i v a n cd 在文献畔】中提出了一种计算复杂度更小的带宽分配和功率控制算法；文献瞄j 分析了 不同的上行链路业务信道配置方案对系统性能的影响；文献【2 6 】研究了多小区0 f d m a 系统动态信道分配问题，并且提出了一个半分布的解决方案，即动态资源分配由无 线网络控制器( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ，r n c ) 和基站收发信机( b a s es t a t i o n t r a n s c e i v e rs u b s y s t e m ，b t s ) 共同完成，其中r n c 在每个超帧为它的所有b t s 分 配无线资源，b t s 在每一帧为小区中的用户分配无线资源。 以上各种资源分配算法侧重点各不相同，有的是从系统最终性能( 主要是误码 率) 着手，有的是从系统容量方面来考虑，有的是从节约资源方面来考虑( 主要是 发射功率) ，但是各种方法都有各自的优缺点，优点是都使得系统在多方面的性能 得到改善，缺点是或多或少地忽略了其他一些参数的改善。因此，资源分配算法研 究至今，且如何保证各种参数的总体提高以及算法的复杂度降低，将是今后研究的 一个重要内容。 上面提到的这些方案大都是从物理层的观点来研究资源分配的有效性，到目前 为止，m i m o o f d m 系统中自适应链路技术的研究主要集中在物理层，不仅没有 考虑多业务传输时的质量需求，也没有利用数据链路层的可靠传输机制来进一步提 高频谱利用效率；而且仅仅依靠物理层的信道状态信息来实现自适应调制编码、自 适应比特和功率加载等自适应链路技术，在仅有部分信道状态信息和有反馈时延的 情况下，只能获得较小的性能增益，只有在信道状态信息能准确获锝、且无反馈时 延下，才能获得很大的性能增益，但此时系统具有实现复杂度高、信令流量大等缺 点。因此，如何将宽带无线接入系统各协议层结合起来进行自适应调整策略的研究 成为众多研究者关注的热点。 1 3 研究思路与主要内容 本文将重点对多用户m 1 m o o f d m 系统中的子载波分配算法进行研究，从系 统的容量最大化着手，简化系统，优化算法；并且将联合物理层和m a c 层，跨层 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 最优化系统性能。 研究思路： 第一章首先介绍了研究背景，提出了资源分配的意义。在阅读了大量书籍和相 关文献的基础上，总结了现有资源分配算法的分类和发展现状。 本论文的第二章针对研究内容所需具备的基本原理一一无线信道特性和 m i m o o f d m 基本原理进行了分析和阐述。其中重点分析了大尺度衰落和小尺度衰 落的特性，以及m i m o 信道模型和信道容量。同时，介绍了m i m o o f d m 技术的 原理和系统模型以及m i m o o f d m 系统的一些关键技术。 第三章主要讨论了在多用户m i m o o f d m 系统中，将m i m o o f d m 信道简化 成虚拟o f d m 信道，然后通过一种基于离散粒子群的优化算法进行子信道分配，降 低系统的复杂度和计算的复杂度。最后通过m a t l a b 仿真，比较了不同情况下的系统 性能以及各种算法的优劣。 第四章结合第三章的算法，改进了一种基于跨层的资源分配算法，通过联合物 理层和姒c 层进行自适应资源分配，进一步优化系统的性能。 第五章总结全文的主要工作和一些重要结论，提出了本文中存在的一些不足和 有待于进一步深入研究的方向。 第二章m i m o o f d m 系统简介 本章将首先介绍一下无线信道的特性，然后分析m i m & - 0 f d m 系统的基本原理和 模型以及其关键技术。 2 1 无线信道的特性 在无线通信中，发射信号在传播过程中往往会受到环境中的各种物体所引起的 遮挡、吸收、反射、折射和衍射的影响，形成多条路径信号分量到达接收机。这种 发射信号经过不同的传播路径到达接收端的现象称为多径效应。不同路径的信号分 量具有不同的传播时延、相位和振幅，并附加有信道噪声，它们的叠加会使复合信 号相互抵消或增强，导致严重的衰落。这种衰落会降低可获得的有用信号功率并增 加干扰的影响，使得接收机的接收信号产生失真、波形展宽、波形重叠和畸变，甚 至造成通信系统解调器的输出出现大量差错，以至完全不能通信。此外，如果发射 机和接收机处于移动状态，或者信道环境发生变化，会引起信道特性随时间随机变 化，接收到的信号由于多普勒( d o p p l e r ) 效应会产生更为严重的失真。 一般无线移动系统中的接收信号呈现的衰落如图2 - 1 所示： 图2 1 无线信道中的接收电平变化示意图 通常，无线信道的传播模型可分为大尺度传播模型和小尺度传播模型两种。大 6 硕士举住论文 m a s t e r st h e s i s 尺度模型主要用于描述发射机和接收机( t r ) 之间长距离( 几百或几千米) 上的信 号强度变化。小尺度模型用于描述短距离( 几个波长) 或短时间( 秒级) 内接收信号强 度的快速变化。但两种模型并不是相互独立的，在同一个无线信道中，既存在大尺 度衰落，也存在小尺度衰落。一般而言，大尺度表征了接收信号在一定时间内的均 值随传播距离和环境的变化而呈现的缓慢变化，小尺度表征了接收信号短时间内的 快速波动。因此，实际的无线信道衰落因子可表示为： 玎o ) = f ( f ) f ( f ) ( 2 1 ) 式中，1 7 ( f ) 表示信道的衰落因子；f ( f ) 表示小尺度衰落；f o ) 表示大尺度衰落。 2 1 1 大尺度衰落 大尺度衰落表征了由于移动台经过较大距离的运动而引起的平均接收信号功 率衰减。由于受到位于发射机和接收机之间的显著地形特征影响( 小山丘、森林、 建筑群等等) ，接收信号幅度缓慢变化。大尺度传播模型是预测平均场强并用于估 计无线覆盖范围的传播模型，它们描述的是发射机和接收机之间长距离上的场强变 化。大尺度衰落主要受路径损耗和阴影衰落的影响。路径损耗指电波在自由空间内 的传播损耗。阴影衰落是指电波在传播路径上遇到高大障碍物时会产生电磁场的阴 影区，当手机通过不同的阴影区时，就会引起信号场强中值的变化。这种由于传播 环境的地形起伏、高大建筑物、山丘等障碍物对电波的遮挡所造成的电磁波阴影而 引起的衰落，称为阴影衰落，其造成平均信号场强中值在长时间内的缓慢变化，因 此也称为慢衰落。阴影衰落一般由较大范围( 不小于4 0 个波长) 的运动所引起。 由于阴影效应，导致路径损耗为随机的对数正态分布( l o g n o r m a ld i s t r i b u t i o n ) 。 即有如下概率密度函数： r一1 p ( r ) ：11 ：e x p l - ( r - m ) ，i ( 2 2 ) 2 刀口2l 2 0 r 一 式中，为信号中值的分贝值，朋为信号中值r 的均值( 分贝) ，为信号中值，的 标准方差( 分贝) 。盯随频率、天线高度和环境而变化，在市郊最大，在开阔区最 小，其值通常在5 - 1 2 d b 。在对大尺度路径损耗的研究中，自由空间传播模型是基础 并且比较重要。 7 2 1 2 小尺度衰落 小尺度传播模型是用来探讨小尺度衰落的现象，小尺度衰落也简称为衰落，主 要是用来描述无线电信号经过一段很短的时间( 或是很短的距离) 所产生的快速变 化；这些变化包括振幅、相位、频率、多重路径所造成的延迟等等。这种衰落是基 带信号处理所必须要面对的主要问题。简单的来说，大尺度传播模型是用来描述在 一段较长的时间之内，信号所呈现的平均功率变化；而小尺度传播模型则是描述信 号在短时间之内，受到信道影响瞬间所产生的变化，两者不可混淆。 无线信道可以用多径时延扩展、多普勒频移、相干带宽e 和相干时间瓦描述， 下面介绍这些参数及它们之间的关系。 时延扩展 反射和散射引起信号的多径传播，产生时间色散现象。通常采用平均附加 时延f ( 附加时延指多径分量相对于第一个径的时延) 和均方根时延扩展f 。 对多径信道的时间色散特性进行量化。 相干带宽髓 相干带宽表示信道被认为近似平坦的频率范围。平坦信道具有下面的特征 所有的频谱通过信道时具有近似相等的信道增益和线性相位。换句话说，相关 带宽豌是指频率分量有很强的相关性的特定频率范围，频率间隔大于皿的两 个正弦信号受信道的影响大不相同。 时延扩展和相干带宽的关系 相干带宽可以用均方根时延扩展f ，近似表示。如果把频率的相关函数值 超过0 9 认为相关，则 b c * l ( 2 - 3 、 5 0 r , w 如果把频率的相关函数值超过0 5 认为相关，则 1 厦二 ( 2 - 4 ) 5 f m 多普勒频移 8 硕士擘位论文 m a s t e r st h e $ 1 s 收发信机间的相对运动以及传播环境中物体的随机移动产生了多普勒效 应，即接收信号在频率上发生了扩散。当发送频率为厂的正弦信号时，接收信 号谱即多普勒谱在厂一厶至+ ：f 范围内存在分量，其中乃是多普勒频移。 厶= ；c o s 目 ( 2 5 ) 式中，2 为载波波长，v 为移动台运动速度，口是移动台运动方向与入射波的 夹角。 相干时间 相干时间表示信道的脉冲响应保持不变的时问间隔。在相干时间内，两个 到达信号有很强的幅度相关性。 多普勒频移与相干时间的关系 相干时间是多普勒频移在时域的表示，它们都可以描述信道的频率色散特 性。现代数字通信中，相干时间和多普勒频移的关系通常表示为 疋_ j 去2 半 治e ， 式中，厶是最大多普勒频移。 厶= ( 2 7 ) 信道参数( f 。，玩概瓦) 和传输信号参数( 信号的带宽口和符号周期r ) 决定 了不同的发送信号将经历不同类型的衰落。多径时延扩展引起的时间色散和多普勒 效应引起的频率色散是两种彼此独立的传播机制，它们可能产生两种显著的效应， 即平坦衰落频率选择性衰落和慢衰落快衰落。 ( 1 ) 由多径时延扩展引起的小尺度衰落主要分为平坦衰落和频率选择性衰落： 平坦衰落 当信号带宽远小于信道相干带宽时，产生平坦衰落。从时域的角度看，此 时符号周期远大于时延扩展。换句话说，如果移动无线信道在一个宽于传输信 号带宽的带宽上有固定的增益和线性的相位响应，则接收信号经历平坦衰落。 经历平坦衰落的条件可概括为 b f 。 ( 2 - 9 ) 在乎坦衰落中，信道的多径结构使传输信号的频谱特性在接收端能够保持完 整，不发生畸变。然而，由于多径引起的信道增益的起伏会使接收信号的幅度 随时间变化。平坦衰落信道也被称作幅变信道或窄带信道。一般的平坦衰落信 道会引起深度衰落，这需要2 0 d b 、3 0 d b 或更多的发送信号功率以获得低的误 比特率。瞬时平坦衰落信道会引起接收信号的幅度按照瑞利( r a y l e i g h ) 分布随 时问变化。瑞利分布的概率密度函数( p d f ) 为 p = 垮唧卜争 盂掣 埘0 lv 、v ， 式中，是信号的幅度，2 0 2 是信号的平均功率。 频率选择性衰落 与平坦衰落相对，当信号带宽大于信道相干带宽时，频域中不同的频率 必然获得不同的增益，这就是频率选择性衰落。从时域的角度看，此时符号 周期小于时延扩展。因为接收信号包含了多个具有不同幅度衰减和相位时延 的多径波，因此产生了失真，引起了符号间干扰( i s i ) 。频率选择性衰落信道 也称为宽带信道，信号产生频率选择性衰落的条件可以概括为 b 玩 ( 2 - 1 1 ) 或 t ( 2 1 3 ) 或 b 厶 ( 2 - 1 6 ) 需要注意的是，一个信道是否为快衰落或慢衰落信道与该信道是否为平坦衰落 或频率选择性衰落信道没有关系。比如平坦衰落信道既可以是快衰落信道，也可以 是慢衰落信道；同样，频率选择性衰落信道可以为快衰落信道，也可以为慢衰落信 道【2 7 】。 2 2 m i m o 信道 2 2 1m i m o 信道模型 m i m o 系统即多输入多输出系统，就是在无线信道中利用多个天线收发来抑制 信道的衰落。对于无线信道而言，由于地形、天气等因素造成电磁波多路径传播产 生多径衰落，引起码间干扰，会大大降低系统的性能，这是无线信道相对于有线信 道一个先天的缺陷，然而对于m i m o 系统而言，多径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均采用多天线( 或阵列天线) 和多通道，m i m o 的多入多出是针对多径无线信道来说的。 影输入多翰： 绍j 曩 图2 - 2 m i m o 信遭不意图 图2 2 给出了一个典型的m i m o 系统的信道示意图。假设该系统有m ，个发射 天线和m 。个接收天线。第，个发射天线( ，= 1 ，m ，) 与第f 个接收天线( 扛l ，m 。) 问的信道冲击响应为瞄，c r ，) ，其中三为抽头延迟模型的阶数，对应于信道中主散 射簇数量，力以采样周期为单位的延迟时间。由此，m i m o 信道就可以由一个 m 。xm ，的矩阵h ，( 弓，f ) 来表示： 研i ( f ，r ) 叫1 ( r j ，f ) 一( f ，f ) 瞳2 ( r f ，f ) 硅2 ( f ，f ) 。：o ，f ) 叱，( f ，r ) 琏m ( f ，) 屹。，( f ，f ) 0 ，l 一1 ( 2 - 1 7 ) 下面简要介绍一下m i m o 信道的主要特征： ( 1 ) 功率延迟剖面 矩阵h ，( r ，f ) 各元素为服从r a y l e i g h 分布的独立随机变量，一般可以假设所有 系数同分布： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 毋= e 帆1 2 夥e 【l ，2 ，m 】，i e 【1 2 ，m 。】 ( 2 郴) 即功率衰减仅与散射簇有关，与收发天线对无关；只为路径平均功率增益，决定了 信道的功率延迟剖面( p d p ) 。不同散射簇之间无关 = o v i i 1 2 , v i t ，v i ：， ( 2 - 1 9 ) 为求相关系数；则平均p d p 可以表示为 p ( o = a ( r - r , ) ( 2 2 0 ) 典型的p d p 分布呈单边指数下降 f 一f 0 p ( r ) = e 一( 2 2 1 ) 【0f 0 ( 2 ) 空间相关性 在实际环境下，由于天线间距不大和散射体数量有限的原因，信道系数或者说 天线对之间存在不同程度的相关性。m i m o 信道相关特性对信道容量，分集特性以 及系统设计等具有重要影响。在某些场合，利用m i m o 信道的相关性作为先验信息 可以显著改善系统性能。 定义复数相关系数的计算方法 = 位- 2 2 ) 任意具有相同延迟，的两个信道系数的相关系数为： 一q 出, j 1 = ( 2 2 3 ) 令接收端和发送端天线间相关系数分别为： 吮磁q h i ( 2 - 2 4 ) 熊，= ( 2 2 5 ) 这里的复变量的相关系数为归一化的相关系数，其幅度的最大值为1 。 一般在r a y l e i g h 衰落假设下，接收端( 发射端) 不同天线接收( 发射) 信号的相关 系数与发射天线( 接收天线) 无关，仅取决于接收端阵列配置及散射簇分布。这是因 为，所有发射天线发送的信号经过相同的散射体散射，因而从接收天线观察，所有 散射簇的角度扩展( a s ) 完全一致，与发射天线无关。定义实际信号离开角( a o d ) 和 到达角( a o a ) 分别为和。，二者均为正态分布随机变量，其均值为散射簇的 平均离开角( a o d ) 瓦，j 和到达角( a o a ) 瓦，d 以，和d k 和该散射簇的角度扩展 ( a s ) 成正比。 对所有路径t ( o ，三一1 ) ，定义相距s a ( a = d a ，五= c l ) 的两阵元空间相 关性为： 譬，j 2 = p ( ( j 2 一五) ，矿。) ( 2 - 2 6 ) 户韶：= 以( f 2 一) 机，a k ，) ( 2 2 7 ) 大多数情况下可以假设 尸( s a ，瓦a 。) p 2 m 叫刃p 一；2 “叫9 h 2 ( 2 2 8 ) 上式能精确表示小角度扩展时的信道特性，在大角度扩展时只能近似天线实际相关 性能。同时，此式表明相关函数取决于阵列间距和散射簇角度扩展的乘积成反比， 即大的天线间距和大的角度扩展将带来更低的相关性。 沿用上述的m i m o 信道相关系数的定义，对r a y l e i g h 衰落m i m o 矩阵信道的 第，阶矩阵权系数，定义其发射和接收相关矩阵为： r m 。= 蜀，= 础施， 肼m ，2 r 2 魄， 吼m h rt 3 p m t m r l 艟1 斑p i m t r 船。 群m 2 x 2 也。 p l m ? ”r t 2 p m | 埘r t m t 相关矩阵在均匀线阵时为t o e p l 池阵。一般情况下有： 。, j 。l , j 1 2p l m h r b p m l r 。h 进一步可以定义信道相关矩阵为： 1 4 f 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) 础磁；魄确如； r i = e v e c h i 】l ，p c 8 【日， = r t m x 。碍m ( 2 3 2 ) 分解相关矩阵： r l 州，= 磁硝z ( 2 3 3 ) 蜀蛳= r 器。聪z ( 2 3 4 ) 则进一步可以将m i m o 信道的r a y l e i g h 分量分解为： h t = 础。日。，r 盘z ，= o ，l ，上一1 ( 2 3 5 ) 日，为表征r a y l e i g h 衰落信道的膨rx m ，维随机矩阵，其元素为零均值独立同分布 高斯随机变量，其方差为毋。不同散射体对应的h w 。之间互不相关： 占k c 。，k ”口 】= o 。棚， f o r l 1 ( 2 3 6 ) 注意在( 2 - 3 5 ) 式的分解中我们已经将信道的p d p 信息融合迸了五乙。 对应于相同的散射簇的r a y l e i 曲衰落信道系数矩阵，即相同时延的m i m o 信 道系数矩阵，按照发射端和接收端系数的相关性，可划分为不相关、半相关和全相 关信道。 2 2 2m i m o 信道容量 m i m o 系统有多个发射天线和接收天线，一般使用相同的载频、带宽和调制方 式，系统具有很高的频谱利用率和信道容量。下面将m i m o 信道与单输入单输出信 j 酋( s i s o ，s i n g l e i n p u t - s i n g l e o m p u t ) 的信道容量作一下比较( 4 3 】。 s s o 带宽受限的a w g n 信道容量为： c ：1 0 9 ：6 + d 日f 2bitshz(2-37) 其中日为信道的复瑞利衰落系数，1 日j 2 为归一化的信道功率传递特性，p = p 。为 平均接收信噪比。很明显，对于高信噪比的情况，p 每增加3 d b ，容量就增加 l b i t s h z 。 平坦m i m o 信道的信道容量为： 硕士学位论文 m a $ t e r st h e s i $ c = 矽唱：d e t ( k + 舞删b i t s h z p s 酌 日为信道矩阵。 宽带m i m o 信道的容量为： c w = l i r a 掣。量l a f l 。9 2d e t ( 1 u 。+ m - 岳h h r c 2 羽， 其中y ；w i r ，为，处的窄带信道矩阵。 当各天线之间的信道矗f 不相关时，e ( h h ) 所有的特征值，都近似相等。 m i m o 信道的容量可以表示为： c * m i n ( m r ，m r ) l 。9 0 + 西p 力 ( 2 - 4 0 ) 若各天线之间的信道完全相关，则e ( h h ) 只有一个非零的特征值y ，此时有： l 0 9 0 + m 一老力( 2 - 4 1 ) 通过仿真，可以得到随着天线数的增加，系统容量在高信噪比时有很大的提高。 同时信道间相关性大小影响系统容量系统相关性撒大，系统的容量越小。 2 3m i m o o f d m 系统原理 m i m o 技术利用多幅天线实现多发多收，充分利用空间资源，在不需要增加频 谱资源和天线发送功率的情况下，利用空间复用增益成倍提高信道容量，或利用空 间分集增益提高信道传输的可靠性，降低误码率。但是对于频率选择性深衰落， m i m o 系统则依然无能为力。另一方面，o f d m 能将频率选择性衰落信道转化为若 干平坦衰落子信道，在平坦衰落信道中引入空时编码技术，能够大幅度的提高无线 通信系统的信道容量和传输速率，并能有效的抵抗衰落，抑制噪声和干扰，因此将 m i m o 技术与o f d m 相结合，构成m i m o o f d m 系统在未来的移动通信中具有非 常广阔的发展前景。本节首先给出了o f d m 的系统基本原理及实现方法，然后详细 讨论m i m o o f