（电路与系统专业论文）相关信道下mimo系统天线选择技术研究.pdf

摘要 多入多出( 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 ) 多天线技术能在不增加带 宽和发射功率的情况下成倍提高通信系统的容量和频率利用率，因而成为新一代移 动通信系统的关键技术及热门研究课题。在以往的m i m o 系统研究中，一般假定m i m o 信道是独立、同分布的，但在实际的无线传输环境中，由于发射接收机尺寸的限 制，或者信道中散射体不够丰富等原因，m i m o 信道往往是空间相关的。因此，本论 文针对空间相关信道，研究m i m o 系统有关的理论和应用问题。天线选择技术是近 几年被提出和被广泛重视的一项新技术，其在解决m i m o 系统信道空间相关问题上 表现出明显的技术优势，同时能降低m i m o 系统实现的复杂性和实现成本。因此， 本论文研究具有相关信道m i m o 系统的天线选择技术问题，包括：该系统的信道容 量和误码率的精确解；天线选择的准则和算法；信道估计误差对天线选择性能影响： 发射端采用基于准正交s t b c 的差分调制方法，接收端采用基于接收信号的天线选 择及差分解码方案。 信道容量和误码率是衡量无线通信传输系统性能好坏的两个基本指标，因而给 出系统信道容量和误码率闭合解析式是非常重要的研究工作。本文利用概率统计以 及超越函数等知识，推导出了空间相关信道下天线选择系统的容量和误码率的闭合 解析式，并使用m a t l a b 仿真实验验证了推导的理论结果。结果表明，仿真实验值 与理论分析值完全吻合。 对于天线选择系统，有效的天线选择算法是需要研究的关键问题之一。已有大 部分的天线选择算法，都是基于最大化信道容量或者最小化误码率。这些算法均只 能使两个性能指标中一项最优化，而不能同时保证两项的最优化。本文针对这个问 题，提出了同时基于最大容量和最小误码率的天线选择算法。研究结果表明所提出 的算法能同时满足系统的最大容量和最小误码率。 已有的天线选择算法大多假设了在发射机或接收机处能准确地获得信道状态 信息( c s i ) 。但在实际通信环境中，无论是接收机还是发射机不可能准确已知c s i ， 而是通过一定的信道估计方法获得信道部分状态信息。因而，在天线选择过程中， 信道估计误差会影响天线选择的正确性，进而影响天线选择系统的性能。本文分析 了因高斯误差和多普勒频移而引起的信道估计误差对天线选择系统性能的影响，并 推导了在该环境下误码率闭合解析式以及在该环境下的最佳导频序列的长度。该理 论分析结果，对导频的设计具有一定的指导意义。 另外，为了避免因信道估计误差而给天线选择系统带来的影响，且不降低系统 传输速率，本文提出发射端采用基于准正交s t b c 的差分调制方法，接收端采用基 于接收信号的天线选择及差分解码方案。 关键词：m i m o ；相关信道；天线选择；信道容量；误码率； a b s t r a c 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 i m o ) s y s t e mh a sa t t r a c t e dg r e a ti n t e r e s t i n gr e c e n t l y s i n c ei tc a ni m p r o v et h ec h a n n e lc a p a c i t ya n dr e l i a b i l i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s m o s tr e s e a r c h e so nm i m oh a v em a d et h ea s s u m p t i o nt h a tf a d i n gc h a n n e l sb e t w e e n a n t e n n ap a i r sa r ei n d e p e n d e n t h o w e v e r , s p a c ec o r r e l a t i o nb e t w e e na n t e n n a su s u a l l y e x i s t si nr e a le n v i r o n m e n t sd u et os m a l li n t e r v a lb e t w e e na n t e n n ae l e m e n t so rp o o r s c a t t e r i n g s s ot h es p a c ec o r r e l a t i o ni sc o n s i d e r e di nt h i sp a p e rt om e e tt h ea c t u a l w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t s r e d u c i n gt h ec o m p l e x i t yi sa n o t h e ri m p o r t a n t r e s e a r c hi s s u ef o rm i m os y s t e m s a sw ek n o w , a n t e n n as e l e c t i o ns c h e m ei st h em o s t e 伍c i e n tt e c h n i q u et or e d u c et h es y s t e mc o m p l e x i t ya n dt h ec o s to ft h er fa sw e l la st h e e f f e c to ft h es e r i o u sc h a n n e lc o r r e l a t i o n t h e r e f o r et h ef o l l o w i n gi s s u e sa b o u ta n t e n n a s e l e c t i o na r ei n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s s i n c ec h a n n e lc a p a c i t ya n ds y m b o le r r o rr a t e ( s e r ) a r et w ob a s i cc r i t r i at oe v a l u a t e t h ep e r f o r m a n c eo ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，i ti sn e c e s s a r ya n ds i g n i f i c a n tt og i v e t h ec l o s e df o r mo ft h ec h a n n e lc a p a c i t ya n ds e r i nt h i st h e s i s t h ec l o s e d f o r mc h a n n e l c a p a c i t ya n ds e ra r es t u d i e du n d e rt h es p a c ec o r r e l a t i o nf a d i n gc h a n n e l s a n dt h e t h e o r e t i c a lr e s u l t sa r ev a l i d a t e db yu s i n gt h em a t l a bs i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t s r e v e a lt h a to u rt h e o r e t i c a la n a l y s i si sq u i t ep r e c i s e f o rt h ea n t e n n as e l e c t i o ns y s t e m s ，t h ea n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h mi so n eo ft h e s ek e y p r o b l e m s t h e r ea r em a n ye x i s t e ds e l e c t i o na l g o r i t h m su pt on o w b u tt h e ya r em o s t l y o n l yb a s e do nm a x i m u mc h a n n e lc a p a c i t yo rm i n i m u ms e o rm a x i m u md i v e r s i t ya n d s oo n h o w e v e r t h e s ea l g o r i t h m sc a n ts i m u l t a n e o u s l ye n s u r et w oo rm o r ee l e m e n t s o p t i m u m i nt h i st h e s i s ，a na l g o r i t h mb a s e do nm a x i m u mc h a n n e lc a p a c i t ya n dm i n i m u m s y m b o le r r o rr a t ei sp r o p o s e d ，w h i c hi sd i v i d e di n t ot w os t e p ss e p a r a t e l y f i r s t ，p a r t a n t e n n a sa r ec h o s e nt om e e tt h em a x i m u mc h a n n e lc a p a c i t yc r i t e r i a s e c o n d ，o t h e r a n t e n n a sa r ec h o s e nt om e e tt h em i n i m u ms e rc r i t e r i ac o m b i n e dw i t ht h ef i r s tc h o s e n a n t e n n a s t h e n ，c o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o n sa r em a d et ov a l i d a t eo u rt h e o r e t i c a la n a l y s i s i nm o s tr e s e a r c h e s i ti sa s s u m e dt h a tt h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s l ) i sa v a i l a b l e a tt h er e c e i v e r h o w e v e r ，i ti si n e l u c t a b l et h a te x i s te s t i m a t i o ne r r o r sc a u s e db yg a u s s i a n n o i s ea n dt h es p e e do fm o b i l e ( d o p p l e rf r e q u e n c y ) i nt h i st h e s i s ，w ea n a l y z et h e p e r f o r m a n c eo fa n t e n n as e l e c t i o ns y s t e m sw i t ht h ei m p e r f e c tc s ia n dd e r i v et h ee x a c t b i t - e r r o r - r a t i o ( b e r ) e x p r e s s i o nu n d e rr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l 1 h ec o r r e s p o n d i n g s i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u tt oi l l u s t r a t et h ei m p a c t so fg a u s s i a ne r r o r sa n dd o p p l e r s p r e a do nt h ep e r f o r m a n c eo fa n t e n n as e l e c t i o ns y s t e m sa n dt op r o v et h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s t h eb e s tp i l o tl e n g t hi sa l s od i s c u s s e da n dv a l i d a t e db yt h es i m u l a t i o n s f i n a l l yt o a v o i dt h ec o m p l i c a t e dc h a n n e le s t i m a t i o n ，ad i f f e r e n t i a lm o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o ns c h e m ej o i n t e dw i t ha n t e n n as e l e c t i o na tt h er e c e i v e ri sp r o p o s e d k e y w o r d ：m i m o ；c o r r e l a t e dc h a n n e l ；a n t e n n as e l e c t i o n ；c h a n n e lc a p a c i t y ；s y m b o le r r o rr a t e ； 术语表 a w g n ：加性高斯白噪声( a d d i t i o nw h i t eg a u s s i a nn o i s e ) b e r ：误比特率( b i te r r o rr a t e ) b p s k ：二进制相移键控( b i n a r yp h a s e s h i f tk e y i n g ) b l a s t ：贝尔实验室分层空时( b e l 1l a bl a y e r e ds p a c e - t i m e ) c d f ：累积分布函数( c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ) c s i ：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 b m ：最小相关性选择方法( m i n i m u mc o r r e l a t e db a s e dm e t h o d ) e g c ：等增益合并( e q u a lg a i nc o m b i n i n g ) g f ：特征函数( g e n e r a t i o nf u n c t i o n ) l s t ：分层空时( l a y e r e ds p a c e t i m e ) l s t c ：分层空时码( l a y e r e ds p a c e t i m ec o d e ) m g f ：矩生成函数( m o m e n tg e n e r a t i n gf u n c t i o n ) m i m o ：多输入多数出( 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 i s o ：多输入单输出( m u l t i p l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) l l ：最大似然( m a x i m u ml i k e l i h o o d ) m r c ：最大比合并( m a x i m u mr a t i oc o m b i n i n g ) n b m ：最大行列范数选择方法( m a x i m u mn o r mb a s e dm e t h o d ) n o n a s ：非相干天线选择方法( n o n c o h e r e n ta n t e n n as e l e c t i o nm e t h o d ) p n ：伪随机数( p s e u d o r a n d 伽n u m b e r ) p d f ：概率密度函数( p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ) r f ：射频( r a d i of r e q e n c y ) s e r ：误码率( s y m b o le r r o rr a t e ) s i m o ：单输入多输出( 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 s o ：单输入单输出( s i n g l e i n p u ts i n g l e - o u t p u t ) s n r b m ：最大信噪比选择方法( m a x i m u ms n rb a s e dm e t h o d ) s n r ：信噪比( s i g n a l t o - n o i s er a t i o ) s t b c ：空时分组码( s p a c e t i m eb l o c kc o d e ) s v d ：奇异值分解( s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ) t c m ：网格编码调制( t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ) u c b m ：最大不相关选择方法( m a x i m u mu n c o r r e l a t e db a s e dm e t h o d ) v - b l a s t ：垂直一贝尔实验室分层空时( v e r t i c a lb e l ll a bl a y e r e ds p a c e t i m e ) 3 g ：第三代无线通信( t h et h i r dg e n e r a t i o n ) 4 g ：第四代无线通信( t h ef o u r t hg e n e r a t i o n ) v 图表目录 图3 1 接收端天线选择系统框架19 图3 2 发射端天线选择系统框架2 0 图3 3 收发联合选择系统框架2 1 图3 4 在不同相关系数下，2 x 2 系统的信道容量的理论分析与仿真比较2 5 图3 5 在不同相关系数下，2 x 3 系统的信道容量的理论分析与仿真比较2 6 图3 6 天线选择系统与完全复杂系统的容量性能曲线比较2 7 图3 7 在空间相关与不相关信道下，不同调制2 x l m i m o 系统的误码率性能比 较31 图3 8 在空间全相关( 弱强) 信道下，不同调制2 x 2 m i m o 系统的误码率性能 比较3 2 图3 9 在不同相关程度信道下，不同调制的2 x 2m i m o 系统理论分析曲线与实 验仿真曲线比较3 3 表4 1 所提出算法步骤3 9 图4 1 所提出算法与u c b s 算法的b e r 性能比较图4 0 图4 2 所提出算法与u c b s 算法的信道容量性能比较4 1 图4 3 所提出算法与u c b s 算法的信道容量性能比较( 图4 2 的放大图) 4 1 图5 1 近似和真实之间的比较4 8 图5 2 函数y 的最佳解图示4 8 图5 3 在= 5 d b 及v = 0 情况下，2 x 2 和2 x 4 系统b e r 性能图4 9 图5 4 在l = 2 4 和不同移动速度下，2 x 2 和2 x 4 系统b e r 性能比较5 0 图5 5 在不同导频长度下2 x 2 系统b e r 性能比较。5 1 图5 6 在l = 4 的情况下，理论分析与仿真结论性能比较51 图6 1 采用d q o s t b c 调制及接收天线选择技术的4 x 2 和4 x 3m i m o 系统的 b e r 性能比较5 6 图6 2 采用d q o s t b c 调制和q o s t b c 调制的4 x 2 接收天线选择系统的 b e r 性能比较5 7 图6 3 采用d q o s t b c 调制及天线选择技术的4 x 2 系统与采用d q o s t b c 调 制而未采用天线选择技术的4 x l 4 x 2 系统的b e r 性能比较5 7 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。 学位论文作者签名：潮丕认、 日期：扣6 年，月1 1 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。 学位论文作者签名：溺友秋 日期：孑“年f 月i1 日 指导教师签名：研叩 日期：加年，二月t t 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。同意论文提交后滞后：口半年；口一年；耐兰年发 布。 学位论文作者签名：；和舂扒 日期：洲年f 月t 1 日 指导教师签名：知名，叮 日期：枷，年，二月t 1 日 第一章概论 1 1 本课题研究背景及意义 无线通信技术是当前通信领域研究的热门课题之一。由于无线个人移动通信和 无线网络极大的应用市场，世界各国都以战略的眼光在这一领域加大人力和财力的 投入，争取掌握关键和核心技术，促进本国的经济发展。随着第三代( 3 g ，t h et h i r d g e n e r a t i o n ) 无线通信技术的成熟和逐步地推广应用，对下一代无线通信技术( 4 g ， t h ef o u r t hg e n e r a t i o n ) 的研究已经进入了研究工作者的视野。国际上著名的大 学、研究机构和电子公司等都已经相继投入了研究。在我国，对4 g 相关的技术开 展广泛的理论和应用研究，解决理论上的关键和核心的技术问题，对我国在新的一 轮国际通信技术的竞争中，技术上不受制于人，保持一定的技术领先，参与和制定 新的国际标准，均有重要意义。我国对4 g 移动通信的研究非常重视，2 0 0 2 年在8 6 3 计划中设立了f u t u r e ( f u t u r et e c h n o l o g i e sf o rau n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t ) 研究项目；国家自然科学基金委员会在2 0 0 4 年重大研究计划中设立了“未来移动 通信系统基础理论与技术研究 研究课题。 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 ) 技术在不增加系统带宽和发射功率 的情况下成倍提高通信系统的容量和频谱利用率。m i m o 系统通过在发射端和接收端 配置多个天线( 或天线阵列) 建立多个平行独立的无线信道，结合一定的信号处理 和信道编码方法，来抑制信道衰落对通信性能的影响。它将多径无线信道与发射机、 接收机视为一个整体进行优化，可以获得更高的通信容量和频谱利用率，提高了通 信的可靠性口，3 1 。 目前，国际上很多科研院校与商业机构都争相对m i m o 通信技术进行深入研究， 其研究现状如下。 1 )m i m o 算法研究 虽然理论分析结果表明m i m o 无线技术能够极大地提高系统容量与可靠性，但 仅有分析是不够的，更为重要的是开发误码性能与复杂度折衷的传输方案以获取 m i m o 系统的实际性能增益。大量m i m o 算法企图同时充分获取分集与复用增益，因 此可将m i m o 算法方案分为两大类。 第一类是分集最大化方案，即空时编码( s t c ，s p a c e t i m ec o d i n g ) 方案。天 线分集可以对抗信道衰落，提高无线链路的可靠性，并且联合应用多维天线分集与 时间分集，可以获得更好的分集效果，即通过空时编码而增加传输的空时冗余信息， 从而提高无线传输的稳健性。在延时发射分集的基础上，t a r o k h 等提出了空时网格 码( s t t c ，s p a c e t i m et r e l l i sc o d i n g ) 2 ，它具有卷积码的特征，并将格形编 码、调制与发射分集结合在一起，在不增加带宽的情况下，可以同时获得满分集与 高编码增益。它利用某种格形图，将同一信息从多副天线发射出去，在接收端采用 基于欧式距离的v i t e r b i 译码，其复杂度很高，且随传输速率呈指数增加，但其性 能较好，抗衰落能力强。随后，各种空时编码得到快速发展，如t u r b o 空时网格码 6 4 与级联空时码 6 5 等。然而，空时编码的盛行实际是从空时分组码( s t b c ，s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ) 3 的发现开始的，因为s t b c 的构造比较容易。由于发射信 号两两正交，接收端可采用线性最大似然检测，其译码简单。s t b c 的性能只与分集 有关，它可以获得满分集增益，但是没有编码增益，其抗衰落性能较差，尤其是抗 快衰落性能很差，因此，更适于微小区或微微小区环境。 第二类为数据率最大化方案，即复用方案，因为m i m o 系统的多天线也可实现 空间复用。无线信道的多径传播增加了m i m o 系统可用的自由度，若各对收发天线 路径的衰落独立，则空间矩阵信道可以创建多个并行的空间传输通道，利用并行通 道传输独立的信息流，从而提高系统的数据率。著名的b l a s t 结构 6 6 ，就是将待 发射的信息流分解为多路并行子流，对各路独立地进行编码、调制与映射到其对应 的发射天线上，在接收端采用迫零或迫零结合干扰消除等技术将多路子数据流分 离。其实质是将单路高信噪比信道分解为多路相互重叠的低信噪比信道并行传输， 达到空间复用的目的，从而提高频谱利用率。复用方案也可归结为分层空时编码结 构( l s t ，l a y e r e ds p a c e t i m e ) ，包括v b l a s t ( v e r t i c a lb e l ll a bl a y e r e d s p a c e - t i m e ) 6 7 、d b l a s t ( d i a g o n a lb e lll a bl a y e r e ds p a c e t i m e ) 6 8 3 及 t - b l a s t ( t h r e a d e db e l ll a bl a y e r e ds p a c e - t i m e ) 6 9 等。 然而，纯粹的天线分集与纯粹的复用方案并非最优方案，因为m i m o 系统本身 的自由度在给定天线配置下是有限的，它们各自都只解决了问题的一个方面，即获 取更高的分集增益是以牺牲复用增益为代价的，反之亦然。于是，在m i m o 算法开 发中如何对二者进行折衷以同时获得分集与复用增益达到最佳的系统性能，成为人 们追求的目标。 另外，其他一些m i m o 算法也成为m i m o 算法开发的重要分支，它们确保了m i m o 系统正常且有效地工作。 2 ) m i m o 无线信道建模 m i m o 系统利用无线信道的多径传播，开发空间资源，建立空间并行矩阵传输通 道，利用空时联合处理提高无线通信系统的容量与可靠性。然而，决定空时处理性 2 能的关键因素在于无线传播信道的空时特性。研究表明，只有在无线信道散射传播 的多径分量足够丰富的条件下，各对收一发天线单元间的多径衰落才趋于独立，信 道矩阵才趋于满秩；如果散射不够丰富或天线单元间距较小等，多径衰落将不完全 独立，信道矩阵也非满秩，m i m o 信道的空间优势得不到充分发挥，m i m o 系统传输 方案的性能将下降，即信道传播条件决定了m i m o 系统的信道容量。一方面，需开 发更加稳健的空时处理算法，如空时编解码、空时均衡与m i m o 收发信机算法；另 一方面，需开发m i m o 无线信道模型以模拟各种实际信道条件、评估各种空时处理 算法的相对性能、仿真与优化设计高性能的通信系统。 3 ) m i m o 天线设计 发射与接收多天线系统是m i m o 无线系统的重要组成部分，其性能直接影响m i m o 信道的性能。多天线发出的信号在无线信道中经散射传播而混合在一起，再经接收 端多天线接收后，系统通过空时处理算法分离并恢复出发射数据，其性能取决于各 天线单元接收信号的独立程度，即相关性，而多天线间的相关性与散射传播及天线 特性密切相关。因此，实现m i m o 系统的高性能除依赖于多径传播的丰富度外，还 依赖于多天线单元的合理设计。 m i m o 无线系统的多天线，一方面，其天线单元间距较大，必须具有分集功能， 不同于常规智能天线；另一方面，各天线单元应该尽可能接收各方向的散射到达波， 因此也不同于常规分集天线。天线单元数目、天线单元间距与天线安装位置等都是 至关重要的因素。比如，对于基站天线，其天线数目限制较小，但由于安装位置较 高而散射扩展较小，要求天线单元间距较大；对于便携终端天线，其数目与位置要 求都较严；对于手机天线，天线数目与间距要求尤为严格。实验表明，由于散射传 播环境不同，提供空间低相关的衰落信号所需要的天线单元间距也不一样。比如， 偏远地区的宏小区环境可能需要若干个波长间隔才能获得天线解相关，而丰富散射 的室内环境可能只需半个波长间距。对于极化域而言，交叉极化耦合度决定了能否 提供极化分集，或能否提供近似正交的并行信道，因此，m i m o 多天线的设计是与传 播环境和天线的安装位置紧密相关的。 4 )m i m o 测试平台搭建与m i m o 芯片开发 1 9 9 8 年贝尔实验室开创性的实验验证了v - b l a s t 的可行性，随之引发了对m i m o 技术的广泛研究，进而促使人们开发m t m o 测试平台进行信道测试。m i m o 无线传输 技术发展至今，理论日渐成熟，而现场测试亟待进行。开发测试平台进行现场测试 对于m i m o 通信技术迈向实用化具有重要意义。先进的多天线系统测试平台，不但 可以探测各种传播环境下的m i m o 信道特征，验证信号处理算法性能，而且有助于 3 评估算法实时实现的可行性。这些测试平台也是进行新技术研究与实际系统开发的 重要基地。国外很多研究机构纷纷进行实验平台开发与外场测试，并有大量实验结 果发表，如国内电子科技大学与东南大学的室内m i m o 实验，国际上v - b l a s t 的可 行性验证实验、i s tm e t r a 项目的室内外实验与b y u 的室内m i m o 实验等，它们极大 地促进了m i m o 技术的发展。 随着m i m o 技术日趋成熟，为适应市场发展，诸多无线产品厂商共同合作，提 出各种以m i m o 技术为基础的解决方案，并且进行m i m o 芯片的开发。目前，主要的 m i m o 芯片制造商包括a i r g o 、a t h e r o s 、m e t a l i n k 与r a l i n k 等。一些设备制造商已 将芯片用于自己的m i m o 产品，而且a i r g o 开始试产第三代m i m o 芯片，并同l i n k s y s 公司一起研发第四代产品。总之，全球的m i m o 芯片市场日益壮大，为m i m o 技术的 商用打下基础。 5 ) m i m o 技术的标准化进展 随着m i m o 技术日趋成熟，并向实用化迈进，国际上很多研究机构已不断推动 m i m o 技术的标准化进程，包括：m i m o 无线传播信道模型的标准化和m i m o 技术的标 准化。 在国内，科技部对新一代无线通信技术相当重视，已启动的未来通用无线通信 技术研究计划( f u t u r e ) 分为三阶段实施：在第二阶段( 2 0 0 4 1 到2 0 0 5 1 2 ) ，b 3 g 4 g ( b e y o n dt h et h i r dg e n e r a t i o n t h ef o u r t hg e n e r a t i o n ) 空中接口技术研究达 到相对成熟的水平，并进行与之相关的系统总体技术研究( 包括与无线自组织网络、 游牧无线接入网络的互联互通技术研究等) ，完成联网实验和演示业务的开发，建 成具有b 3 g 4 g 技术特征的演示系统，向i t u 提交初步的新一代无限通信体制标准； 在第三阶段( 2 0 0 6 1 到2 0 1 0 1 2 ) ，完成通用无线环境的体制标准研究及其系统实 用化研究，开展较大规模的现场实验，完成预商用系统的研制。 以上这些方面虽然已经取得丰富的研究成果，但由于m i m o 系统本身在分析和 信号处理上的复杂性，真正地解决m i m o 技术在实际中的应用，仍然存在大量亟待 解决的问题。突出表现在： ( 1 ) m i m o 系统实现的复杂性问题。由于m i m o 系统需要在终端安装多根天线， 并同时给每根天线配置相应的r f 模块，提高了m i m o 系统的硬件实现成本h 1 ：已知 空时码编解码的复杂度与天线个数成指数关系，配置天线个数的增加，必定会增 加编码与解码的实现难度h 1 。因此，如何在保证获取m i m o 技术足够利益的情况下， 降低m i m o 系统实现的复杂度是目前亟待解决的问题之一。 ( 2 ) 实际无线传播信道对m i m o 系统性能的影响问题。为了降低研究的复杂性， 4 目前大多的研究都是对实际的信道进行数学上的简化，认为信道是平坦r a y l e i g h r i c i a n 衰落信道，空间上是独立非相关的。但实际的通信环境，由于移动终端的 尺寸限制，天线间的间隔十分有限，或发射接收端周围的散射体不够丰富，因而 天线对之间的信道( 子信道) 衰落往往是相关的。众所周知，信道之间的相关性会 严重影响系统的传输性能。因而，在m i m o 系统中如何抑制或抵消信道相关所带来 的负面影响，同样也是亟需解决的问题之一。 ( 3 ) 空间相关信道的估计问题。已知信道状态信息不仅是接收端解码的要求， 也是对m i m o 系统进行各种资源优化和自适应分配的先决条件。在假定天线间不存 在相关的条件下，这一问题的分析相对比较简单，基于导频和盲信号估计技术的 m i m o 信道估计方法已经有很多研究报道睁 。但是，对空间相关的无线信道的估计 研究进展缓慢，迄今为止，还没有很好地解决办法。因为信道的相关性是统计量， 要想估计信道的相关特性，从统计学理论的要求，需要大量的统计数据，显然，在 通信系统中是不允许的。因此，目前的大多数研究者在提出相关信道的信道估计方 法时，均是假定已知信道的相关性隅1 ，这显然是矛盾的。 p a u l r a j 嘲和n k o n g 1 们等人提出了m i m o 系统中天线选择的思想，即按照一 定的准则从根发送天线中选择出m 根天线用于发送经过空时编码后的信号，这 里m 小于，极端情况下m = 1 ；同样在接收端从m 根接收天线中选择出旭根用 于接收信号。这样就构成了经过选择的m 旭的m i m o 系统。同样，必小于m ， 极端情况下m = 1 。显然，经过天线选择，同时用于通信的天线数目将减少，如果 电路中增加电子转换开关，那么系统所需要的r f 链路将显著减少。因此，天线选 择技术将极大地减少m i m o 系统的实现复杂性，极端情况下，m i m o 系统可以像传统的 单天线系统一样只需要一个r f 链路。正是这一明显的技术优势，从天线选择技术 被提出起，就得到了研究者的广泛关注。 天线选择技术的另一潜在技术优势是能很好地解决天线相关条件下的空时编 码问题。在信道相关性较弱时，系统性能主要受编码增益降低的影响，这个影响可 以采用发射机预均衡的方法来抵消1 ；但在信道相关性很强的情况下，m i m o 系统的 信道自由度也会受到影响，此时m i m o 系统能支持的独立子信道的个数将可能少于 发射接收天线对数，此时，如果从全部的发射天线中选择部分较好的天线( 按照 一定的准则) 进行传输n2 1 ，可以减小空间相关性对系统性能的影响，同时也降低了 系统实现的复杂性。 基于以上分析，天线选择技术可以降低m i m o 系统实现的复杂性，并且可以很 好地克服由于各种因素带来的信道相关性给系统性能带来的负面影响。因而对基于 天线选择技术的低复杂性m i m o 系统有关理论问题进行研究，无疑是一个重要的研 究课题。 1 2 天线选择技术国内外研究的现状 关于天线选择技术的研究，已取得了一定的进展和研究成果，其主要集中在 以下方面： ( 1 ) 关于天线选择准则的研究。文献 1 3 - 1 8 提出了基于误码率最小化天线选择 准则：文献n 提出了基于信道容量最大化的天线选择准则。其它的还有最大分集准 则乜引，最大中断容量准则n 2 1 等。 ( 2 ) 关于天线选择算法的研究。天线选择系统最关键的问题是如何选择出所需 的天线进行传输或接收，即天线选择算法问题。目前已有的选择算法有：最大行 列范数选择方法( n b m ) 1 ；最小相关性选择方法( c b m ) 乜引；最大不相关选择方法 ( u c b m ) 乜引；最大信噪比选择方法( s n r b m ) 捌；非相干天线选择方法( n o n - a s ) 2 7 3 等等。 ( 3 ) 天线选择系统的误码率和容量分析。文献 2 2 推导出天线选择系统能够获 得的最大分集；文献 2 8 推导了在n a k a g a m i m 衰落信道下具有“匙孔”效应时正 交空时编码的多输入多输出系统的平均容量的紧下边界值、系统中断概率的具体表 达式及其误码率的近似值。结果表明采用天线选择仍然能够获得与未采用天线选择 的m i m o 系统相同的分集增益；文献 2 9 采用q r 分解方法推导了信道容量的上限， 从而提出了一种基于容量最大化的天线选择方案，结论显示适当选择发射天线可以 使系统的信道容量增加；文献 3 0 在独立的平坦瑞利衰落信道中，完整地导出了 n n t x 系统关于b p s k q p s k 调制的比特误码率( b e r ) 性能界的理论表达式：文献 3 1 研究了接收天线空间相关条件下组合发射选择最大比合并方法的性能，导出了准 确差错概率的上限；文献 3 2 讨论了在信道矩阵为非满秩情况下天线选择问题，结 果表明选择发射天线可以增加信道容量，选择接收天线只能降低系统误码率性能而 不能增加系统信道容量。 ( 4 ) 信道估计误差对天线选择的影响：文献 3 3 考虑了信道估计误差存在的前 提下，分析了天线选择系统性能，并提出了一种自适应的天线选择方案。 ( 5 ) 天线选择系统空时码的设计问题。文献 3 4 研究了采用差分空时编码的接 收天线选择系统，并提出了该系统的空时码设计准则；文献 3 5 在一系列的假定前 提下，推导了成对差错概率的上界表达式。基于上界表达式，给出了适合天线选择 的空时码设计准则。 总的来说，由于数学上分析的困难，关于天线选择技术有关的理论研究，迄今 6 为止所公开发表的论文数量不多，研究不充分，所取得研究成果也是初步的和不完 整的。主要表现为：对天线选择系统的性能分析( 容量、b e r 、分集等) 主要局限 于简单的m i m o 系统、简化的信道模型和精确的信道状态信息( c s i ) ，没有给出普 遍的、精确的数学表示，同时信道估计误差对天线选择的影响还没有很好的讨论： 目前的天线选择准则都是基于单一参数最优化，l v , 女n 最大信道容量，最小b e r ，最 大分集，最大接收信号s n r ，信道系数的最大范数等。但是，这些参数的关系是什么， 还不能很好的回答，关于多个参数的同时最优化选择准则问题还没有开展相关研 究；目前的天线选择都是固定选择天线的数目，由于信道的时变性，应该根据信道 的特性，动态、自适应地选择天线，这给空时编码又带来新的困难。这方面的研究 还没有看到相关的报道；另外，信道的统计相关性对天线选择