（电路与系统专业论文）相关信道下天线选择系统容量问题的研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st l l e s i s 中文摘要 多输入多输出( m i m o ) 技术能够有效地提高系统的容量和降低误码率，成为 了目前各种先进的通信系统的关键技术之一。但是由于多输入多输出系统需要较多 的射频链路，使得系统的成本和复杂度增加。天线选择技术的出现很好的解决了这 个难题，天线选择技术能在减少m i m o 系统复杂度的情况下保留m i m o 技术的优势。 系统容量是衡量系统性能的一个非常重要的指标，因此给出系统容量的表达式 以及其闭式解是非常必要也是非常有意义的研究工作。传统的m o m o 系统容量分析都 是在假设信道是不相关的条件下来进行的，但是在实际系统中信道却往往是相关 的，因此研究相关信道下而的天线选择系统更具有实际意义，本文的研究都是基于 相关信道模型。 在接收端和发射端同时选择任意数量的天线，这样的系统我们称为一般天线选 择系统。由于数学计算上的局限性，计算一般天线选择系统的容量闭式解一直是个 公开的难题，相关信道下的天线选择系统的容量分析就更加复杂，因为不仅信道矩 阵的分布难以求得，信道的相关矩阵也随着不同的选择算法而不同。 本文在信道相关的条件下分析了天线选择系统的容量问题，由于容量的闭式解 难以求得，我们主要研究容量的界限以及界限的闭式解问题。以往的容量界限的分 析都是基于容量表达式中信道矩阵的处理，数学分析上的复杂性很高。本文避开了 这个难题，从相关矩阵的处理入手，从而能很容易的给出天线选择系统的界限表达 式。 本文主要分析了两类系统的信道容量界限。首先给出了在发射端选择一根天 线，在接收端选任意数目天线的天线选择系统( 我们称为这样的系统为m x l 天线选 择系统) 的容量界限，并且给出了在特殊情况下的界限表达式的闭式解。随后又给 出了一般的天线选择系统的容量界限，在接收端和发射端都选任意数日的天线( 我 们称这样的系统为朋，z 天线选择系统) ，并且也给出了特殊情况下的容量界限的闭 式解。 最后我们利用m a t l a b 软件仿真验证了我们的分析结果。仿真结果表明我们给出 的容量界限非常紧凑，并且我们求出的界限的闭式解的理论值与仿真值也是完全吻 合的。 关键词：m i m o ：相关信道；天线选择；容量；界限；闭式解 硕士学位论文 m a s t e r st l e s i s 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 m sh a v ea t t r a c t e dg r e a ti n t e r e s t , s i n c e t h e yc a l li 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 够o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s a st h e n e e df o rt h el a r g en u m b e ro ft h er f , c o m p l e x i t ya n dt h ec o s to ft h em i m os y s t e m sa r e v e r yl a r g e a n t e n n as e l e c t i o nc a ns o l v et h i sp r o b l e m ，a n t e n n as e l e c t i o ni sp r o p o s e da sa l l e f f e c t i v et e c h n i q u et or e d u c et h ec o s to ft h ei m p l e m e n t a t i o no fm u l t i p l ea n t e n n a sw h i l e r e t a i nt h ea d v a n t a g eo fm i m o s i n c es y s t e mc a p a c i t yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts t a n d a r d st ow e i g h tt h e p 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 ，i ti sn e c e s s a r ya n ds i g n i f i c a n tt os o l v et h e e x p r e s s i o na n dc l o s e df o r mo ft h es y s t e mc a p a c i t y m o s tt r a d i t i o n a la n a l y s i sf o rs y s t e m c a p a c i t yi su n d e rt h eu n c o r r e l a t e dc h a n n e l s ，b u ti nr e a ls y s t e m st h ec h a n n e li sa l w a y s c o r r e l a t e d ，s ot h er e s e a r c h e sf o rt h es y s t e mu n d e rt h ec o r r e l a t e dc h a n n e l sa l es i g n i f i c a n t i nt h i sp a p e r , a l lt h er e s e a r c h e sa r eb a s e do nc o r r e l a t e dc h a n n e l s t h ea n t e n n as e l e c t i o ns y s t e mw h i c hw es e l e c ta r b i t r a r yt r a n s m i ta n t e n n a sa n d r e c e i v ea n t e n n a si sc a l l e dg e n e r a la n t e n n as e l e c t i o ns y s t e m d u et os o m eu n s o l v e d m a t h e m a t i c a lp r o b l e m s ，i ti sd i f f i c u l tt og i v et h ec l o s e df o r mo ft h ec a p a c i t yf o rt h e g e n e r a la n t e n n as e l e c t i o ns y s t e m a n di ti sm o r ed i f f i c u l tw h e nt h ec h a n n e li sc o r r e l a t e d ， n o to n l yt h ec h a n n e lm a t r i xi sh a r dt ob ec a l c u l a t e db u ta l s ot h ec o r r e l a t i o nm a t r i xi sh a r d t ob ec a l c u l a t e d i nt h i sp a p e r , w ei n v e s t i g a t et h ec a p a c i t yf o rjo i n tt r a n s m i ta n dr e c e i v ea n t e n n a s e l e c t i o ns y s t e m si ns p a t i a lc o r r e l a t e dc h a n n e l s a si ti sh a r dt og i v et h ec l o s e df o r mo f t h ec a p a c i t yf o rt h ea n t e n n as e l e c t i o ns y s t e m s ，w ef o c u so nt h eb o u n d so ft h ec a p a c i t y m o s tt r a d i t i o n a la n a l y s i sf o rt h ec a p a c i t yi sb a s e do nt h ep r o c e s s i n go ft h ec h a n n e l m a t r i x ，i ti sv e r yd i f f i c u l ti nm a t h e m a t i c s w ej u s td e a l 淅t ht h ec o r r e l a t i o nm a t r i x ，a n d t h e nw ec a ng e tt h ec a p a c i t yb o u n d se a s i l y i nt h i sp a p e rw em o s t l yg i v et h ea n a l y s i sf o r t h et w ot y p e so ft h ea n t e n n as e l e c t i o n s y s t e m s f i r s tw eg i v et h ec a p a c i t yb o u n d sf o rt h ea n t e n n as e l e c t i o ns y s t e m st h a to n e a n t e n n ai ss e l e c t e da tt h et r a n s m i t t e ra n da n yn u m b e ro fa n t e n n a sa r es e l e c t e da tt h e r e c e i v e r ( t h i ss y s t e mi sc a l l e dm xla n t e n n as e l e c t i o ns y s t e m ) ，a n dt h ec l o s e df o r m so f t h ec a p a c i t yb o u n d sa r eg i v e ni ns p e c i a ls y s t e m s s e c o n dw eg i v et h ec a p a c i t yb o u n d sf o r t h ea n t e n n as e l e c t i o ns y s t e mt h a ta n yn u m b e ro fa n t e n n a sa r es e l e c t e db o t ha t r e c e i v e r a n dt r a n s m i t t e r ( t h i ss y s t e mi sc a l l e d ，竹刀a n t e n n as e l e c t i o ns y s t e m ) ，a n dt h ec l o s e d f o r m so ft h ec a p a c i t yb o u n d sa r ea l s og i v e ni ns p e c i a ls y s t e m s a tl a s tw eg i v et h es i m u l a t i o nt ov a l i d a t eo u rt h e o r e t i ca n a l y s i sb ym a t l a bo n 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s c o m p u t e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to u rb o u n d sa r ev e r yt i e 、析t l le r g o d i cc a p a c i t y , a n dt h ee x a c tf o r m so fb o u n d sf i tt h em o n t ec a r l or e s u l t se x a c t l y k e yw o r d s ：m i m o ；c o r r e l a t e dc h a n n e l s ；a n t e n n as e l e c t i o n ；c a p a c i t y ；b o u n d s ； c l o s e d f o r m 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 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。 名：饰吼垆乡月夕日 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。同意华中 师范大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 硕士学位论文 m 人s t e r st h e s i s 第一章概论 1 1 移动通信发展历史 随着社会的发展，人们对无线移动通信的要求越来越高，随之而来的是无线通 信技术的发展越来越快，越来越成熟。现代移动通信技术的发展始于本世纪2 0 年 代，大致经历了以下几个发展阶段： ( 1 ) 第一代移动通信技术( 1 g ) 第一代移动通信系统传输的都是模拟信号，因此也被称为模拟通信系统，主要 采用的频分多址( f d m a ) 技术。虽然第一代通信系统是无线通信的一个巨大的进 步，但是明显有着许多的缺点，比如传输带宽有限，速率比较低，保密性差，通话 质量低，不能提供数据业务等等。 ( 2 ) 第二代移动通信技术( 2 g ) 第二代移动通信技术已经从模拟通信发展到数字通信了，主要采用时分多址 ( t d m a ) 技术和码分多址( c d m a ) 技术。主要有c d m a 与g s m 两种体制，c d m a 主要是美国高通公司提出来的，目前韩国，美国等国家在使用。g s m 则是欧洲提 出来的标准，欧洲大多数国家都是使用的这个标准，我们国家也是主要使用g s m 这个标准。第二代移动通信系统明显的改进了第一代模拟通信的许多缺点。带宽， 传送速率，语音质量，保密性能都有很大的提高，而其具有漫游功能。虽然第二代 通信系统对比第一代通信系统有很大的进步，但是自身也存在着一些问题，比如全 球的通信标准不统一，无法实现全球漫游；另外第二代信系统的带宽虽然有所增加， 但是还是无法满足数据业务的需求，无法实现高速率的业务。 ( 3 ) 2 5 代移动通信技术( 2 5 g ) 第二代通信系统的限制使得人们不停地追求更完善的通信技术即是第三代通 信系统，但是由于第二代通信系统已经占有很广阔的市场，无法很快的迈进3 g 时 代。于是在二代与三代技术之间，市场上还推出了2 5 代技术，比如中国移动的g p r s 技术和中困联通推出的c d m a l x 技术。这些技术的传输速率虽然没有3 g 快，但 理论上也有1 0 0 多k b p s ，实际应用基本可以达到拨号上网的速度，因此可以发送图 片、收发电子邮件等。同时，还可以广泛应用于生产领域。 ( 4 ) 第三代移动通信技术( 3 g ) 与第一代通信系统和第二代通信系统相比，第三代通信系统对带宽和速率都有 更高的要求，带宽可达到5 m h z 以上，传输速率最低为3 8 4 k b p s ，最高可以达到 2 m b p s 目前全球的3 g 主要有三大标准，分别是美国提出的c d m a 2 0 0 0 ，欧洲提出 硕士学位论文 m 人s t e r st h e s i s 的w c d m a 以及中国提出的t d s c d m a 。第三代通信系统不仅能够提供语音服务， 还能传输数据，切合了人们对目前对高速率的数据业务的需求。目前很多国家已经 开通了3 g 网络，中国的部分城市也已经开通3 g 服务。虽然第三代移动通信系统 可以比现有传输率快上千倍，但是仍无法满足未来人们对多媒体通信的需求。第四 代移动通信系统便是希望能满足提供更大的频宽需求，满足第三代移动通信尚不能 达到的在覆盖、质量、造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要。 ( 5 ) 第四代通信技术( 4 g ) 第四代通信系统是一个宽带移动通信系统，目标是提供比第三代通信系统更高 的传输速率，更大的带宽，而且保证用户的移动性，目前正在研究中。第四代通信 系统与第三代通信系统的一个最主要区别就是数据传输速率的增长，大概可以达到 2 0 4 0 m b p s 。除此之外，对于多媒体传输，流媒体视频传输，全球接入等都比3 g 有 着更高的要求。第四代移动通信网络跟前面几代通信系统还有一个非常大的区别， 它是一个基于i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 的系统，可以服务于各种不同的无线协议，允 许人们设计出一个拥有足够适应性的核心网络，可以很好的降低接入网的限制，底 层还能够支持不同的物理层技术，这样无线运营商也不需要受到单一系统设备的限 制，让多种互联设备更容易接入，使得成本大大降低。 4 g 中涉及到的关键技术有o f d m 技术，软件无线电技术，m i m o 技术等等。 1 2m i m o 出现的背景 1 、有限的频谱资源 现代无线通信中所面临的一个主要问题就是有限的频谱资源。早在1 0 0 多年前， 马叮尼就为无线通信作了奠基性的工作，随希社会的发展，人们的生活已经无法离 开无线通信了，无线通信正迅速地影响着我们g i 活的各个方面。然而，人们对于带 宽和频谱利用率的追求是没有止境的。当今的无线通信在移动和固定应用方面都扮 演着非常重要的角色。比如在作为移动应用，无线通信可以提供快速移动的用户从 语音到数据的各项服务，在固定应用方面，无线通信主要用来作为数据传输，最常 用的就是计算机和手机终端设备之间的数据通信。 无线通信的设计所要面临的主要难题，一个是如何利用非常有限的无线频谱资 源，另一个就是如何处理复杂多变的无线信道，因为无线信道不仅有衰弱还有多径。 如何克服这些问题，合理地设计出无线通信系统，从而满足同益增长的高速率传送 要求，是无线通信系统研究的一个最主要的任务。另外，还必须考虑到提供更好的 服务质量q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 。 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 、高速数据传输的需求 随着人们对高速数据传输( 以b p s 为衡量单位) 和频谱的有效利用( 以b p s h z 为衡 量单位) 的日益增长的需求，现代移动通信系统已经取得了非常大的进步。j 下如前文 所述，第一代移动通信系统是模拟通信系统，进入2 0 世纪9 0 年代后，发展到了数 字系统，被称为第二代( 2 g ) 通信系统。在欧洲，2 g 的代表系统为g s m ( t h eg l o b a l s y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) ，运行频率在9 0 0 m h z 或15 0 0 m h z ，最高速率可 达到2 2 8 k b p s 。当今全球很多地方g s m 系统都占支配地位，g s m 系统是一个蜂窝 系统，一般每个小区都有一个基站( b a s es t a t i o n ) ，同时服务于多个移动台( m o b i l e s t a t i o n ) 。但是在美国，2 g 的代表系统是t d m a 13 6 系统，它也是一个蜂窝系统。 为了提高g s m 系统的数据传输率，研究者在g s m 系统基础上又发展了两个新的系 统，分别是h s c s d ( h i g h - s p e e dc i r c u i ts w i t c h e dd a t a ) 和g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ) 系统，提供3 8 4 k b p s 和1 7 2 2 k b p s 的最高传输速率。为了提供更高速的传输 速率，3 g 系统就发展起来了。3 g 系统可以达到的最高速率为3 8 4 k p s 到2 m b p s ，目 前3 g 的主要系统为u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e p h o n es y s t e m ) ，又被称作 w c d m a ( w i d e b a n dc o d e d i v i s i o nm u l t i p l e x ) 或u t a rf d d t d d 系统，u m t s 系统是 2 g 在数据速率和服务上的一个改进，u m t s 也是一个蜂窝通信系统，运行频率在 2 g h z 。随着社会的发展，3 g 能够提供的传输速率和带宽也无法满足人们对通信系 统的需求，第四代无线通信系统4 g 的目标就是为了提供比3 g 更高的传输速率， 它是一个宽带移动通信系统，目前正在研究中，理论上可以达到2 0 m b p s 4 0 m b p s 的传输速率。 由此可见人们对通信系统的传输速率以及频谱利用率提出了越来越高的要求。 如何有效的提高传输速率和频谱利用率成为无线通技术发展的焦点所在。研究表 明，基于多发射天线多接收天线的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 ) 技术能够 充分的利用空间资源，在不增加系统带宽和总发射功率的情况下，可大大提高系统 的频谱利用率和信道容量，是高速数据传输的优选技术之- - 1 。 1 3m i m o 技术简介 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 ) 技术最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的， 它利用多天线来抑制信道衰落。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 t m 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。 m i m o 技术可以简单的认为是通信系统在发射端和接收端都采用多根天线。此 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 时的信道容量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，频谱利用率也可以 成倍地提高。 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。实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的b l a s t 算法、z f 算法、m m s e 算法、m l 算法。m l 算法的译码性能非常好，但是复杂度比较大， 对于实时性要求比较高的无线通信该算法就无法满足要求。z f 算法虽然简单容易 实现，但是它对信道的信噪比要非常的高。综合起来，性能和复杂度最优的就是 b l a s t 算法。目前m i m o 技术研究的另一个热点就是空时编码问题，常见的空时 编码有空时分组码( s t b c ) 、空时网格码( s t r c ) 等。空时编码的主要思想是利 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。 m i m o 无线通信技术的概念就是在任何一个无线通信系统中，只要在发射端和 接收端都采用了多个天线，就构成了一个无线的m i m o 系统。m i m o 无线通信技 术主要采用空时处理技术进行信号处理，在多径的环境下，无线m i m o 系统可以极 大地提高频谱利用率，增加系统的数据传输速率。m i m o 技术非常适用于室内环境 下的无线局域网系统。采用m i m o 技术的无线局域网系统在室内环境下的频谱效率 可以达到2 0 - - 一4 0 b p s h z 。 可以看出，信道容量随着天线数量的增大而线性增大。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，这也是m i m o 的最初原理。空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间 分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。提到m i m o 技术，就必须提到 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，o f d m 技术实际上是一 种高效的多载波调制技术，是目前第叫代移动通信的核心技术。能够有效地对抗多 径传播，从而很好地接收受到干扰的信号。o f d m 结合空时编码、分集、干扰抑制 以及智能天线技术，可以最大程度的提高物理层的可靠性。如果再结合自适应编码 技术、自适应调制技术、以及动态子载波分配技术、动态比特分配技术等等，可以 使其性能进一步优化。将m i m o 系统和o f d m 系统结合起来，即构成m i m oo f d m 系统，更好地发挥m i m o 的功效。 总体上来说，m i m o 的优势主要有以下几点： ( 1 ) 实现高速数据传输：m i m o 系统在接收端和发射端都配备多根天线，这样 可以充分利用空问传播中的多径矢量，在同一频带上使用多个数据通道发射信号， 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 从而使得容量随着天线数量的增加而呈线性增加。这种信道容量的增加不需要占用 额外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率，因此是提高信道和系统容量的一种非 常有效的手段。 ( 2 ) 抗干扰能力强：m i m o 无线通信技术通过空间分集的思想来抗干扰，在接 收端使用一定的合并方式能够很有效的把多径干扰这种不利因素转变成有利因素， 从而优化系统的性能。 ( 3 ) 提高频谱效率：m i m o 技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破，它 充分利用了空问分集，能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱 利用率。 1 4m i m o 技术目前存在的问题 自从t e l a t a r 和f o s c h i n i 在无线m i m o 系统中做出了开创性的工作以来【2 8 】， 目前在蜂窝无线系统、固定接入系统方面，研究人员已提出了各种实验性的m i m o 系统。尽管在这方面已取得了较大的进展，但是m i m o 技术的复杂性很高，距离 m i m o 技术的大规模商用，还有很大的差距。还有许多实际问题需要解决，这些问 题主要包括以下几个方面： ( 1 ) 系统成本过高：m i m o 系统的一个主要缺点就是其高额成本。完整的天 线主要由天线振子和射频链路以及一些数字信号处理电路组成。虽然天线振子并不 昂贵，数字信号处理芯片也越来越便宜，但是射频链路并不遵循摩尔定律，价格一 直居高不下。一个m i m o 系统在发射端和接收端配备了多少根天线就需要多少个射 频链路，此外还需要低噪声放大器，调制解调器等设备，这样使得成本十分昂贵。 未来移动通信系统发展的趋势就是提供更加廉价和便捷的通信服务，而m i m o 系统 的高额成本则极大的限制了m i m o 技术的发展和应用，这是目前m i m o 系统最大 的问题之一。 ( 2 ) 系统的复杂性很高：m i m o 系统的复杂性主要来源以下几个方面。第一， m i m o 系统的接收机明显的高于传统的单天线系统的接收机，主要是由于信号在多 根天线上面同时发射，在加上空问衰落的影响，从而使得在接收端进行的信号检测 与合并变得十分困难；第二，m i m o 系统的信道估计比传统的单天线系统的信道估 计要复杂的多，整个信道矩阵的每一条路径延时都需要及时跟踪和跟新，而不是跟 踪和更新单个系数；第三，相对于与传统的单天线系统，m i m o 系统的信道信息的 获取和利用都要复杂得多。 ( 3 ) 关于移动台的天线配备问题：m i m o 系统要求在接收端和发射端都配备 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 多根天线，对于现实的通信系统来说，在基站配备多根天线比较容易现实，但是要 在移动台上面配备多根天线就比较困难了。目前的手机体积越来越小，在这样的情 况下要安装多根天线明显会影响到手机的外观，即使能够安装多根天线，那么天线 之问的距离必定很难满足系统的需求，天线之间的距离过小会极大地降低m i m o 系 统的性能。如何在移动终端合理的安装多天线一直是m i m o 技术实现的主要难题之 一。 除上述几个方面外，还有其他一些问题也是m i m o 技术走向实用化所必须要解 决的。例如：系统的兼容问题，空时码的设计问题，多天线的辐射问题。m i m o 系 统的上述缺点极大地限制了m i m o 在移动通信系统中的大规模使用，尤其是成本过 高与天线的数量和间距等问题，这是m i m o 技术推广的关键性难题，不解决它们， 就无法使m i m o 技术真正走向实用化。 1 5 天线选择技术出现的背景 信号的收发通道是由天线射频链路单元数字基带处理模块所构成。随着电子产 业的发展，大规模集成电路越来越成熟，导致数字基带处理模块的成本日益降低。 然而一个完整的收发射频链路单元一般包含了低噪卢放大器、功率放大器( p a ) 、混 频器、双工器、数模转换器或者模数转换器、各类滤波器。对于这些模拟射频器件， 现有的工艺集成困难度非常高，通常需要采用分立的元件，比较难以降低成本。特 别是基站端大功率的功率放大器往往占了设备成本相当大的部分。与此同时处在收 发最前端的天线是实现空间选择性信道的前提，然而天线的成本相对就比较便宜。 针对以上所说的几个特点，近年来一种结构简化的多天线技术天线选择 【9 1 2 被人们提了出来。天线选择的思想是发射端和接收端都采用多根天线，搭配 少量的射频链路，按照一定的性能准则在每个时刻激活一组最优的天线子集来实现 通信。天线选择在保持了多天线的空间增益的基础上，降低了系统的复杂度和成本。 并且有研究结果表明对于某些特殊情况，比如当信道为低阶矩阵的情况下，天线选 择系统甚至可以获得比全天线系统更好的性能 1 3 】。因此，天线选择作为一种性价 比很好的技术被人们广泛关注。天线选择系统是选择一组最优的天线子集来进行通 信，因而可以看作是一种简化的多天线系统，因此在多天线系统下发展的各类技术 比如空时编码、空时复用等，都可以和天线选择系统相结合。现有的天线选择系统 有着以下两大研究方向：一类是空时编码的天线选择系统 1 4 1 6 ，这一类系统以优 化系统性能为目标。另一类是空时复用系统的天线选择，这一类系统目标是最大化 系统容量。 6 硕士学位论文 m a s t e r st t t e s i s n k o n g 1 7 】和p a u l r a j 1 8 】等人提出了m i m o 系统中进行天线选择的思想， 即按照一定的准则从r 根发送天线中选择出厶根天线用于发送经过空时编码后的 信号，这里厶 r ，极端情况下= 1 ；同样在接收端从坼根接收天线中选择出t 根天线用于接收信号，同样，厶 。，极端情况下t = 1 。这样就构成了经过选择 的t 厶的m i m o 系统。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。j 下是这一明显的技术优势，从天 线选择技术被提出起，就受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 9 】；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 2 0 l ，可以减小空闻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 6 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 ) 接收端的天线选择研究。文献 2 1 】给出了在平坦衰落信道下的接收端天线 选择系统的理论和算法的分析。文献 2 2 2 4 分析了接收端天线选择系统的空时码的 设计和性能分析等方面的问题。文献【2 5 】给出了在n a k a g a m 卜m 信道下的接收端天 线选择系统的性能分析。文献 2 0 1 给出了接收端天线选择系统的中断容量( o u t a g e e a p a e i t y ) 的分析。文献 2 6 】介绍了接收端的自适应天线选择系统。 ( 2 ) 发射端的天线选择研究。文献【2 7 】介绍了分析了空间复用系统下面的发射 端天线选择系统。文献 2 8 】给出了发射端天线选择系统的一个快速选择算法。文献 2 9 也是分析的发射端天线选择系统的算法问题。文献【3 0 】分析了发射端天线选择系 7 ： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 统的a l a m o u t i 编码问题。 ( 3 ) 接收端和发射端的联合天线选择研究。文献 3 1 3 3 1 介绍了两端联合选择 的天线选择系统的基本框架和理论分析。文献【3 4 】介绍了相关信道下的两端联合选 择的天线选择系统的性能分析。 另外天线选择系统研究的最多的两个方面还可以归纳如下： ( 1 ) 天线选择系统的准则和算法的研究。文献 3 8 4 2 贝j j 提出了基于误码率最 小化天线选择准则；文献【2 1 】 4 3 】提出了基于信道容量最大化的天线选择准则。其它 的还有最大分集准贝u 3 0 1 ，最大中断容量准则【4 4 】等。天线选择系统中非常关键的问 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【3 5 】：最小相关性选择方法 2 8 】；最大不相关选 择方法 2 9 1 ；最大信噪比选择方法【3 6 】；非相干天线选择方法 3 7 】，等等。 ( 2 ) 天线选择系统的性能分析。性能分析一般分成两种，其一为容量分析 2 0 】 3 2 】【3 4 】，其二为误比特率或者误码率( b e r s e r ) 的分析【2 2 】 2 5 】【3 0 】。 除此之外还有些其他方面的研究，比如信道估计以及误差对天线选择的影响 2 6 】，天线选择系统的空时码的设计问题【4 1 】，天线选择的硬件实现 4 5 】。 另外关于天线选择的课题研究，国内清华大学、南京邮电大学、中山大学、北 京邮电大学、集美大学、安徽理工大学、东南大学等开展了天线选择的初步研究。 在研究项目方面，近几年来国家自然科学基金委信息科学部一处围绕m i m o 技术的 研究提供基金资助了二十多项研究项目【4 6 4 8 】。 但是总的来说，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。主要表现在： 1 、目前关于天线选择系统的分析大部分都是在发射端或者接收端中的某一端 进行选择，同时在两端做选择的天线选择系统的分析得到的研究比较少。由于数学 分析上面的难题，在两端同时做选择的天线选择系统的容量问题一直是个公开的难 题，到目前为止的研究还没能给出其闭式解。 2 、目前大多数的天线选择系统的分析都是假设信道是不相关的，但是实际信 道却往往是相关的，因此在相关信道下研究天线选择问题更具有实际意义。同样由 于数学分析上的难题，使得相关信道下的天线选择系统的研究更加困难。 3 、目前关于天线选择系统的准则都是单一的，这些准则之间有何联系，是否 可以联合使用都一直少有研究。 4 、目前大部分的天线选择系统都足选择固定的天线，自适应的天线选择系统 8 硕士学位论文 m a s t e r st i t e s i s 的研究较少，特别是自适应天线选择系统的空时编码问题，直没有得到很好的解 决。 由此可见，天线选择的研究还存在着许多亟待解决的问题，值得我们去研究。 本文则主要是从第一点和第二点切入做了些研究工作。 1 7 本文的主要贡献 本文主要研究了相关信道下天线选择系统的容量问题，包括以下几个方面： ( 1 ) 天线选择系统的信道模型的建立，包括一般情况下的相关信道下的天线 选择系统的相关矩阵的建模。 ( 2 ) 给出了在相关信道下，在发射端选择一根天线，在接收端选择任意数目 天线的天线选择系统( 简称m l 天线选择系统) 的容量分析，给出了容量的上下界限， 并且给出了界限的闭式解。 ( 3 ) 给出了在相关信道下，同时在接收端和发射端选择任意数目天线的天线 选择系统( 简称聊n 天线选择系统) 的容量分析，给出了容量的上下界限，并且给出 了界限的闭式解。 ( 4 ) 利用计算机上的m a t l a b 软件对我们所分析的系统进行仿真，用仿真结果 来证明我们理论研究的正确性。 1 8 本文内容安排 本文总共分为6 章，每章安排如下： 第一章为绪论，主要介绍了本文的研究背景和意义，综述了天线选择的研究现 状。 第二章首先介绍了无线信道的分类，接着介绍了m i m o 以及天线选择系统的模 型，在此基础上给出了m i m o 和天线选择系统的容量推导。 第三章主要给出了在发射端选择一根天线，在接收端选择任意数目的天线的这 样的天线选择系统在相关信道下的容量界限，并且给出了界限的闭式解，仿真结果 证明我们的界限十分紧凑，闭式解的理论值跟仿真值完全吻合。其相应成果发表在 i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，n e t w o r k i n g a n dm o b i l e c o m p u t i n g ，d a l i a n ，c h i n a , o c t 1 3 - 1 7 ，2 0 0 8 第四章主要给出了在接收端和发射端都选择任意数目的天线这样的天线选择 系统在相关信道下的容量界限，并且给出了界限的闭式解，我们的分析是基于高 s n r 条件的近似值，但是仿真结果证明我们所求出的界限在所有s n r 值的情况下 都很紧凑，并且我们给出的界限的闭式解的理论值跟仿真值也是完全吻合的。其 9 相应成果已经被会议i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ， n e t w o r k i n ga n dm o b i l ec o m p u t i n g2 0 0 9 ( w i c o m 2 0 0 9 ) 录用。 第五章对本文的工作进行了总结，并且对天线选择研究领域做了一个简单的展 望。 由于本人的水平有限，加之时间仓促，论文难免有漏洞和错误，望各位老师批 评指正。 1 0 硕士学位论文 m a s t e r st t l e s i s 第二章m i m o 和天线选择系统模型 为了研究天线选择系统的容量问题，本章首先介绍无线信道，再介绍m i m o 系 统和天线选择系统的容量推导，为后面的研究打下基础。 2 1 无线信道 2 1 1 无线信道的特性 不同频率的无线电波，其特点和传播方式是不相同的。对于工作在甚高频 ( v h f ) 和超高频( u h f ) 频段的移动通信系统来说，无线电波传播的方式主要是 空间电波，即直射电波、折射电波、散射电波以及它们的合成电波。在陆地移动通 信系统中，移动台处于城市建筑群之中或处于其它一些地形复杂的区域，天线将接 收从多条路径传来的信号副本，再加移动台本身的运动，使得移动台和基站之间的 无线信道多变而且难以控制。 与其它通信系统的信道相比，移动通信的无线信道是最为复杂的一种。例如， 有线模拟通信的信道中典型的信噪大概为4 6 d b ，也就是说，信号电平要高出噪声 电平约4 0 0 0 0 倍。而且对有线信道来说，其传输质量是可以得到控制的。通过选择 合适的材料与一定的加工，可以保证