（通信与信息系统专业论文）tddmimo中有限反馈技术的研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向：垂垡墼塑量整垫盐篁旦鳖 作者：2 0 0 3 级研究生卢 飞指导教师塞苤直 题目：t d d m i m o 中有限反馈技术的研究 英文题目：r e s e a r c ho nl i m i t e df e e d b a c ki nt d d m i m os y s t e m s 主题词：多输入多输出 信道状态信息 有限反馈时分双工 t u r b o 码 k e y w o r d s ： 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 ) l i m i t e df e e d b a c k t i m e d i v i s i o nd u p l e x ( t d d ) c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) t u r b oc o d e s 南京邮电大学学位论文独创性声明 x8 5 1 0 1 5 本人声明所呈交的学位论文是我个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的 地方外，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 含为获得南京邮电大学或其它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谓 意。 研究生签名 仁一喻趔弩 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：圭礁 导师签名日期 南京邮电丈学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 在发射端利用信道状态信息对无线通信系统进行优化能提供更高的链路容 量、改善链路性能。在时分双工通信系统中，发射端对发射模式进行优化时般 都假设上下行链路互易以及发射端与接收端所受的干扰对称。但是在实际应用 中，收发端射频电路并不对称以及收发侧所受干扰并不对称，这样使得大多数文 献的假设不再成立。本文提出了内外双层自适应方案，内层利用信道对称性，外 层利用周期性反馈和事件驱动反馈( 即误帧率反馈) 来消除这两种影响。仿真结 果表明，与传统的无自适应系统相比，使用内外双层自适应方案的系统吞吐量可 以显著提高，而系统增加的开销并不大。 误帧率是衡量服务质量的重要指标，为了进行有效的自适应，一般都需要快 速精确的误帧率反馈。在传统的误帧率反馈中，一般都需要经历上千帧的时间， 才能使反馈系统达到稳定状态，而此时系统的信道状态信息等可能已经改变，本 文提出了一种适合多输入多输出系统的快速精确的误帧率反馈结构。将t u r b o 码 应用于多输入多输出系统中，通过反馈t u r b o 码的平均迭代次数，可以缩短反馈 系统达到稳定状态的时间，这样系统也就能获得准确的误帧率。 南京邮电大学硕士研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t o p t i m i z i n gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m su s i n gc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na t t h et r a n s m i t t e rc a np r o v i d eh i g h e rl i n kc a p a c i t ya n dp e r f o r m a n c e i nt i m ed i v i s i o n d u p l e x ( t d d ) s y s t e m s ，c h a n n e lr e c i p r o c i t ya n ds y m m e t r i ci n t e r f e r e n c eb e t w e e n t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rs i d e sa r et w oa s s u m p t i o n sf o rt h ed e s i g no fo p t i m a l a d a p t a t i o n h o w e v e r , i np r a c t i c e ，t h er a d i of r e q u e n c y ( r f ) c h a i nc i r c u i t r i e sa r en o t r e c i p r o c a la n dt h ei n t e r f e r e n c e sb e t w e e nt h et r a n s m i t t e ra n dt h er e c e i v e rs i d e sa r e d i f f e r e n t t h e r e f o r e ，t h et w oa s s u m p t i o n si nm o s tl i t e r a t u r ea r en ol o n g e rv a l i d i nt h i s t h e s i s ，at w o l a y e rc l o s e d l o o pr a t ea d a p t a t i o nf r a m e w o r ki sp r o p o s e di nw h i c h c h a n n e lr e c i p r o c i t yi su s e di nt h ei n n e rl a y e r , p e r i o d i cf e e d b a c ka n de v e n t d r i v e n f e e d b a c ki e f r a m ee l t o rr a t e ( f e r ) f e e d b a c k ，a l eu t i l i z e di nt h eo u t e rl a y e rt o e l i m i n a t et h ee f f e c to ft h er fc h a i nc i r c u i t r i e sa n dt h ea s y m m e t r yo fi n t e r f e r e n c e s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tw h e nc o m p a r e dt ot h es y s t e mw i t h o u ta n ya d a p t a t i o n p r o c e s s ，t h es y s t e mg o o d p u ti ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e db yu s i n gt h ep r o p o s e d f r a m e w o r kw i t ho n l yas l i g h ti n c r e a s ei ns y s t e mo v e r h e a d f e ri sw i d e l ya d o p t e da sam e a s u r eo fq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) t oe n a b l e e f f i c i e n ta d a p t a t i o n ，f a s ta n da c c u r a t ef e rf e e d b a c ki sn e e d e di n p r a c t i c e i n c o n v e n t i o n a la p p r o a c h e s ，t h o u s a n d so ff r a m e sm a yb er e q u i r e dt ob ec o n s i d e r e dt h a t s o m ep a r a m e t e r ss u c ha sc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o nm a yc h a n g eb e f o r ec o n v e r g e n c e i nt h i st h e s i san o v e lf a s ta n da c c u r a t ef e rf e e d b a c kf r a m e w o r ki nm u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) s y s t e m si sp r o p o s e d t u r b oc o d e sa r eu s e di nm i m o s y s t e m s t h et i m ef o rc o n v e r g e n c ei ss h o r t e n e db yf e e d b a c kt h en u m b e ro ft u r b o d e c o d i n gi t e r a t i o n s h e n c e ，t h en o v e lf r a m e w o r kc a no b t a i na c c u r a t ef e r ， i l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信发展的现状和未来 移动通信自七十年代末问世以来，以日新月异的姿态发展，三十多年来，已 从模拟时代的频分多址a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 、t a c s ( t o t a l a c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，进入到数字时代的g s m ( g l o b a ls y s t e m sf o r m o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) 、码分多址( c o d e d i v i s i o n m u l t i p l ea d d r e s s ，简称c d m a ) ，现在 正向第三代c d m a 移动通信系统迈进。 仅仅传递语音的通信技术已不能满足人们对信息交流的需求，人们希望能随 时随地获取除语音之外的数据、视频和图像等多媒体业务信息，这些都要求寻求 频谱利用率更高的技术，寻求通信容量更大的移动通信系统，这极大地推动了第 三代移动通信系统的研究和发展。目前第三代移动通信系统正处在大规模商用化 的前夕。而真正实现高速运动状态下、高速数据传输和全球无缝覆盖的下一代移 动通信系统“b e y o n d3 g ”，或称为“4 g ”的技术研究和标准建议工作目前正在紧张 展开。 从移动通信系统提供的传输速率来看，第一代模拟系统提供模拟语音服务和 简单的信令；第二代移动通信系统以g s m 和窄带c d m a 两个系统为代表，主 要传输数字语音，当然可以同时使用多个时隙或多个码道实现相对较高速率的数 据通信。与第一、第二代移动通信系统相比，第三代移动通信系统的主要特征是 可以提供移动多媒体业务，包括高速移动环境中提供速率为1 4 4 k b i t s 的业务， 慢速移动环境中提供速率为3 8 4 k b i t s 的业务，室内环境支持速率达2 m b i t s 的业 务。第三代移动通信系统的设计目标是不仅能够提供比第二代移动通信系统更大 的系统容量和更好的通信质量，而且要能在全球范围内更好地实现无缝漫游及为 用户提供包括语音、数据和多媒体业务。 根据国际电联i t u r 的建议要求，第四代移动通信系统要能在 1 5 0 k m h 2 0 0 k m h 的移动状态下提供1 0 0 m b i t s 数据传输能力，在静止状态下提 供高达l g b i f f s 的数据传输能力：同时可在不同网络之间进行自由切换。个人通 信( p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s ) 是移动通信的终极目标，即利用各种可能的网络技 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 术，实现任何人( w h o e v e r ) 在任何时间( w h e n e v e r ) 、任何地点( w h e r e v e r ) 与任何人 ( w h o e v e r ) 进行任何种类( w h a t e v e r ) 的信息交换。第三代移动通信可认为是它的初 级阶段。目前正在研究的第四代移动通信，它将进一步向个人通信靠近，具有更 宽的频带和采用更高的射频频率，能传输更高速率的数据和多媒体信息。 许多世界著名通信公司投入巨资研究下一代移动通信系统。早在1 9 9 7 年日 本n t td o c o m o 公司就已经开始第四代系统的研究工作，并于2 0 0 1 年6 月1 5 日向国际电联提交了有关建议，于2 0 0 4 年6 月在b 3 g 国际大会上宣布已在实验 系统上通过采用多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，简称m i m o ) 和 正交频分复用( o r n l 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 ，简称o f d m ) 技术， 在3 0 k m h 的移动速度、1 0 0 m 的带宽条件下成功实现3 0 0 m b p s 的下行传输； m o t o r o l a 公司也在全球8 个实验室，投入了超过8 0 0 人开展b 3 g 的研究。2 0 0 2 年6 月，我国也联合国内七所高校和多家通信设备制造商在中国移动通信项目总 体组的领导下，从国家战略的高度出发，制定出代表未来十到十五年中国移动通 信发展方向的f u t u r e 计划，这是一份中国b 3 g ( 或称4 g ) 的宣言书。 1 2m i m o 系统 随着蜂窝移动通信、因特网和多媒体业务的发展，世界范围内无线通信系统 的容量需求在迅速增长。另一方面，可利用的无线频谱有限，如果频谱利用率得 不到显著提高，就不可能满足通信系统容量的需求。在单输入单输出( s i n g l ei n p u t s i n g l eo u t p u t ，简称s 1 s o ) 系统中，采用先进的编码技术( 如t u r b o 码【1 】和低密 度奇偶校验码( 1 0 wd e n s i t y p a r i t yc o d e ，简称l d p c ) 2 3 ) 可以使系统容量接 近香农限f 4 。 m i m o 系统通过在发射端和接收端增加天线数量 5 8 】，可以进一步提高系统 容量。根据信息理论，在理想情况下，m i m o 系统的容量近似于随其天线的个数 呈线性增长。与传统的s i s o 系统相比，在不增加频带宽度和发送能量的情况下， m i m o 系统的数据传输速率随着天线个数的增加线性增长，其信道容量远远超过 传统s i s o 系统所能提供的容量。h s d p a ( h i 曲s p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) 已 经采用m i m o 提高信道容量 9 】。 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 3 时分双工系统 收信方和发信方可以采用多种方式进行双工通信，最常用的两种双工方式是 频分双工( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ，简称f d d ) 和时分双工( t i m ed i v i s i o n d u p l e x ，简称t d d ) 。在f d d 系统中，双工通信使用不同的频率；在t d d 系统 中，收发双方可以使用相同的频率进行双工通信。 最先使用t d d 模式的蜂窝移动通信系统是日本的p h s 与欧洲的d e c t 。在 第三代( 3 g ) 移动通信系统中，有两个标准采用t d d 方式：t d c d m a 1 0 与 t d s c d m a 【1 l 】a t d d 与f d d 的区别如图1 - 1 所示，对于t d d 模式，收发双方在不同的时 隙相同的频段上进行双工通信；对于f d d 模式，收发双方采用不同的频段进行 双工通信。 频 蛊 时间 ( a ) f d d 频 室 图1 - 1t d d 与f d d 的区别 时间 ( ”t d d 使用t d d 模式的优点是可以简化系统设计。这是由于无论进行上行链路 ( u p l i n k ，简称u l ) 传输还是进行下行链路( d o w n l i n k ，简称d l ) 传输，移动 台( m o b i l es t a t i o n ，简称m s ) 和基站( b a s es t a t i o n ，简称b s ) 只需使用相同的 电路( 如滤波器，振荡器等) 。较f d d 方式，t d d 方式最大的优点是上下行信 道的互易性。 1 4 闭环传输法 在无线通信系统中，让发送信号特性与当前信道状态信息( c h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n ，简称c s d 相适配，能改善链路性能，在发送端利用c s i 的传输技 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 术称为闭环传输法。在发射端利用c s l 对m i m o 系统进行优化能提供更高的链 路容量、改善链路性能并提供简单的方法利用空间分集。即使在传统的s i s o 系 统中，c s i 仍可用来提高系统性能。 在t d d 系统中，由于上下行链路对称( 互易) ，b s 可以通过上行链路中接 收的信号估计信道状态响应。但是由于射频( r a d i of r e q u e n c y ，简称r f ) 电路的 影响以及b s 与m s 干扰的不对称性，仅基于信道互易性进行的信道估计的效果 不够理想，因此本文讨论了信道互易性与反馈技术的结合。 1 5 无线衰落信道的传播特性 本节简单介绍了无线信道的几种基本传播特征。与其它通信信道相比，移动 信道是最为复杂的一种。电波传播的主要方式是空间波，即直射波、折射波、散 射波以及它们的合成波。再加之移动台本身的移动性，使得移动台与基站间的无 线信道多变并且难以控制。信号通过无线信道时，会遭受各种衰落的影响，一般 来说接收信号的功率可以表示为 p ( d ) = l d is ( d ) r ( d ) ( 1 - 1 ) 其中孑表示移动台与基站的距离向量，矧表示移动台与基站之间的距离。根据 f 式( 1 - 1 ) ，无线信道对信号的影响可以分为三种： ( 1 ) 电波在自由空间内的传播损耗矧，也被称作大尺度衰落，其中月一般 为3 4 ； ( 2 ) 阴影衰落s ( d ) ：表示由于传播环境的地形起伏、建筑物和其它障碍物对 地波的阻塞或遮蔽而引发的衰落，被称作中等尺度衰落； ( 3 ) 多径衰落r ( d ) ：由于无线电波在空间传播会存在反射、绕射、衍射等， 因此造成信号可以经过多条路径到达接收端，而每个信号分量的时延、 衰落和相位都不相同，因此在接收端对多个信号分量叠加时，会造成同 相增加，异相减小的现象，这也被称作小尺度衰落。 此外，由于移动台的移动，还会使得无线信道呈现出时变性，其中一种具体 表现就是会出现多普勒频移。自由空间的传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 域的覆盖，通过合理的设计可以消除这种不利影响。本节主要针对无线信道的多 径衰落和时变性加以讨论，对大尺度衰落和阴影衰落只作简单介绍。 1 5 1 无线信道的大尺度衰落 无线电波在自由空间内传播，其信号功率会随着传播距离的增加而减小，这 会对数据速率以及系统的性能带来不利影响。最简单的大尺度路径损耗的模型可 以表示为： 己= 吾= 足方 m z ， 尸d 7 、 其中e 表示本地平均发射信号功率，e 表示接收功率，d 是发射机与接收机之间 的距离。对于典型环境来说，路径损耗指数y 一般在2 4 中选择。由此可以得 到平均的信噪比( s i g n a l t o n o i s e r a t i o ，简称s n r ) 为 s n r ：墨：世旦上( 1 - 3 ) 只d 7n 0 8 其中0 是单边噪声功率谱密度，b 是信号带宽，k 是独立于距离、功率和带宽 的常数。如果为保证可靠接收，要求s n r s n r o ，其中s n & 表示信噪比门限， 则路径损耗会为比特速率带来限制： 肛菇氟 m 。， d y n 、s n r n 、。 以及对信号的覆盖范围也会带来限制： d ix e , n o b s n r o r m s ， 。 可见，如果不受其它特殊的技术，则数据的符号速率以及电波的传播范围都 会受到很大的限制。但是在一般的蜂窝系统中，由于小区的规模相对较小，所以 这种大尺度衰落对移动通信系统的影响并不需要单独加以考虑。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 5 2 阴影衰落 当电磁波在空间传播收到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些障碍物后面 会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起衰落。与多径衰落相比， 阴影衰落是一种宏观衰落，是以较大的空间尺度来衡量的，其衰落特性符合对数 正态分布。其中接收信号的局部场强中值变化的幅度取决于信号频率和障碍物状 况。频率较高的信号比低频信号更加容易穿透障碍物，而低频信号比较高频率的 信号具备更强的绕射能力。 1 5 3 无线信道的多径衰落 无线移动信道的主要特征就是多径传播，即接收机所接收到的信号是通过不 同的直射、反射、折射等路径到达接收机。由于电波通过各个路径的距离不同， 因此各条路径中发射波的到达时间、相位都不相同。不同相位的多个信号在接收 端叠加，如果同相叠加则会使信号幅度增强，而反相叠加则会消弱信号幅度。这 样，接收信号的幅度将会发生急剧变化，就会产生衰落。 在传输过程中，由于时延扩展，接收信号中的一个符号的扩展到其它符号当 中，造成符号间干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，简称i s i ) 。为了避免产生i s i ， 应该使符号宽度远远大于无线信道的最大时延扩展，或者符号速率要小于最大时 延扩展的倒数。 在频域内，与时延扩展相关的重要概念是相干带宽，实际应用中通常用最大 时延扩展的倒数来定义相干带宽，即 1 ( 口) ，二一( 1 - 6 ) r 瑚 其中r 一表示最大时延扩展。 从频域角度来看，多径信号的时延扩展可以导致频率选择性衰落，即针对信 号中不同的频率成分，无线传输信道会呈现不同的随机响应。由于信号中的不同 频率分量的衰落是不一致的，所以经过衰落以后，信号波形就会发生畸变。由此 可以看到，当信号的速率较高，信号带宽超过无线信道的相干带宽时，信号通过 无线信道后各频率分量的变化是不一样的，引起信号波形的失真，造成i s l ，此 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 时就认为发生了频率选择性衰落；反之，当信号的传输速率较低，信道带宽小于 相干带宽时，信号通过无线信道后各频率分量都受到相同的衰落，因而衰落波形 不会失真，没有i s i ，则认为信号只是经历了平坦衰落，即频率非选择性衰落。 相干带宽是无线信道的一个重要特性，至于信号通过无线信道时，是出现频率选 择性衰落还是平坦衰落，这要取决于信号本身的带宽。 1 5 4 无线信道的时变性及多普勒频移 当移动台在运动中进行通信时，接收信号的频率会发生变化，称为多普勒效 应，这是任何波动过程都具有的特性。信道的时变性是指信道的传递函数是随时 闯而变化的，即在不同的时刻发送相同的信号，在接收端收到的信号是不相同的。 时变性在移动通信系统中的具体体现就是多普勒频移，即单一频率信号经过时变 衰落信道之后会呈现为具有一定带宽和频率包络的信号，这也可以称为信道的频 率弥散性。 多普勒效应所引起的附加频率偏移可以称为多普勒频移，可以表示为： 厶： c ：o s 0 ：盟c o s 0 = 厶c o s 0 ( 1 - 7 ) ，lc 其中z 表示载波频率，c 表示光速，厶表示多普勒频移，v 表示移动台的移动速 度。可以看到，多普勒频移与载波频率和移动台的移动速度成正比。 由于存在多普勒频移，所以当单一频率信号五到达接收端的时候，其频谱 不再是位于频率轴- + f o 处的单纯占函数，而是分布在( f o 一厶，f o + 厶) 内的、存在 一定宽度的频谱。 从时域来看，与多普勒频移相关的概念就是相干时间，即： 1 ( a t ) 。z ( 1 - 8 ) j m 相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。换句话说，相干时 间就是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。如果 基带信号带宽的倒数，一般指符号宽度大于无线信道的相干时间。那么信号的波 形就可能会发生变化，造成信号的畸变，产生时间选择性衰落，也称为快衰落； 反之，如果符号的宽度小于相干时间，则认为是时间非选择性衰落，即慢衰落。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 6 本文的主要安捧 本文重点研究m i m o 系统中的闭环传输技术。第二章首先给出了m 1 m o 系 统的信道容量，比较了发送端已知和未知信道状态信息时的信道容量，然后介绍 了m i m o 系统的几种不同应用；第三章介绍了发送端获取c s l 的方法，主要介 绍了上行链路重用法和反馈法，重点研究了t d d 系统中发送端获取c s l 的方法。 第四章提出了t d d m i m o 中双层自适应方案。第五章介绍了t u r b o 码及其在 m i m o 系统中的应用，提出了适合m i m o 系统的快速精确的反馈方法。本文最 后给出结论，并指出需要进一步研究的方向。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o 系统的信道容量及其应用 第二章m i m o 系统的信道容量及其应用 信道容量是指发射端可以发送的最大数据速率，它是衡量通信系统性能的重 要指标。本章主要提供了m i m o 系统的信道容量分析，比较了发射端已知c s i 与未知c s i 的情况下的信道容量。本章还介绍了m i m o 系统的主要应用。 2 1m i m o 系统的信道容量的统一分析 本文符号说明：口表示标量，口表示向量，a 表示矩阵，( y 表示矩阵的转 置，( r 表示共轭转置，n ) 表示矩阵的迹， 。( 彳) 表示矩阵一的特征值中的 最大值， m ( 爿) 表示矩阵a 的特征值中的最小值，一和n ，分别为m i m o 系统的 发射天线和接收天线数。 对于给定的信道h ，m 1 m o 系统的信道容量为发送信号向量 x 。) 和接收信 号向量 y 。 之间的最大互信息量。若缸) ( 它的协方差矩阵为p ) 所有元素的均 值为0 ，则缸) 为高斯变量时，互信息量最大。因此总的发射功率为p = n 妒) ， 信道容量为【7 c c 日，= b l o g ：l ，+ 专一” 其中b 为信道带宽，j 为单位矩阵。 发射端未知c s i 时，m i m o 系统的倍道容量 此时p 应该选为，：上j ，因此信道容量为 c 。c 日，圳。g ：l “寺删” 发射端己知c s i 时。m i m o 系统的信道容量【6 】 9 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o 系统的信道容量及其应用 如果发射端已知c s i ，那么可以利用注水原理( w a t e r - f i l l i n g ) 【4 使系统容量 最大。下面先介绍一下注水原理 定义矩阵p ，q 均为m x m 的半正定矩阵，并定义如下函数： f ( p ) = 1 1 + p q l( 2 - 3 ) 假设e 含有珊+ s m 个非零特征值，则q 的哈密特( h e r m i t ) 平方根的特征 分解为 眇= 一“= 阢“矗： 筹 陋。， 其中与g 都为所州的矩阵，以为l n x r n + 的矩阵，为m x ( m m + ) 的矩 阵，g + 为卅+ x m + 的对角矩阵且 y 。，如下所示 q = 一0 0 y 2 ： 0 0 + ； 0 0 ( 2 5 ) 式( 2 3 ) 中，对于给定的q 矩阵，考虑在乃 q 蔓p 的约束条件下，( 尸) 对 p 的最大值，因此可以得到 似i 1 ( 篝竽 “ 亿s ， 等号在p 满足如下条件时取得 p = u fu ” ( 2 7 ) 式( 2 6 ) 中， 与 g n 0 0 y 2 ： o 0 ： 0 0 y 。 f = d i a g 矾，丸，0 ，0 j o ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o 系统的信道容量及其应用 ：f 掣一了l ，型壁丛 小ji 一圯巍7 底 p 式( 2 1 0 ) 中，m = 1 ，m 。 以上只是给出了注水原理的简单介绍，具体推导可以参考文献【4 【7 】。 将q = 去日”日代入以上相关公式中，就可以得到发射端已知c s i 时的信道容 量( 注：i i + a b l i l ，+ 黝l 对任何矩阵a ，b 都成立) 。 2 2 发送端已知与未知c s i 时信道容量的比较 踹一一- p g ( 日)1 0 9 i “。+ l m _ - l o g = ( 导, ) + l o g = l g + l ( 2 - 1 2 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m 1 m o 系统的信道容量及其应用 器q 型t r h 黔h ( 2 - 1 3 ) c 玉( 日) ”) 生! 丝2j ! 塑! 垫：主堑! 竺：1 2 ( 日) l o g ：l j + 寺船h l 疗f气。( h h ) ( 2 - 1 4 ) t r h h 日) 在s n r 足够大的条件下，g r ( h ) 虽然可以收敛于c 品( 曰) ，但是在实际系 统中s n r 总是受到约束的，不可能无止境地增加。当增加通信系统的工作s n r ， 不仅对发射机功率放大器提出了更高的要求，同时也增加了接收机的功耗，这与 终端系统节电的原则不符合。因此在实际系统中，s n r 不可能满足足够大的条 件。根据以上分析可知，注水原理无疑是信道容量达到最大的最佳选择，在实际 系统中，发射端必须有效利用c s i ，这样可以优化发送信号。 2 3m i m o 系统的应用 m i m o 技术成为现代通信的一个重要技术突破。一方面该技术打破了无线通 信的容量瓶颈，可以为用户提供高达几十b i t s h z 的频带利用率；另一方面，可 将多径传播这一传统的无线传输的不利条件转变为对用户有利的条件。针对不同 的目标，m i m o 系统现有几种不同的应用方式：( 1 ) 空间分集，( 2 ) 空间复用， ( 3 ) 波束成型，这几种应用方式各有侧重。 2 3 1 空时系统原理 信息以二进制数据流的形式送入简化的发送框图如图2 1 所示，包括信道编 码、调制、映射然后形成几路分离的符号流，这些符号流可能是独立的，也可能 是部分相关或完全相关的。然后每一路被映射到多个发射天线其中的一个天线 上。这个映射可能包括天线元素的线性空间加权或线性天线空时预编码。再经过 1 2 塑室塑里查塑主婴塞生兰垡笙塞 墨三兰坚! 竺旦墨堕箜笪壅查曼墨墨窒旦 上变频、滤波、放大信号被送入信道。在接收端，信号被多个天线捕获并解调和 反映射回复信息。对于不同的应用，系统复杂度、智能化水平、用于选择编码的 先验信道知识和天线映射算法都有所不同。这决定了多天线实现方案的类型和性 能。 图2 - 1m i m o 系统框图 现在用户单元逐渐发展成复杂的无线互联网接入设备而不仅仅是收发分组 话音，对于尺寸和复杂度的要求也有所放松，这使得可以在链路的两端实现多天 线。很明显，m i m o 链路中由于多天线信号的最优化在更大的空间上进行，提供 了额外的自由度，所以传统智能天线的优点仍然保持。特别m i m o 系统可在获 得来自天线相干合并的阵列增益的同时提供联合收发分集增益。 2 3 2m 1 m o 系统的几种不同应用 智能天线 传统的智能天线技术，实际上只是在发送端或者接收端安装多个天线。通常 选择在基站端安装多个天线，这是由于基站对额外支出的承受力更强并且在空间 的获取上比小型的手持机更为便利。传统上，多天线系统的智能更多的用于权重 选择算法上而不是编码上。空时编码的发展正在改变这一观点。 智能天线技术的基本原理是使用自适应天线阵列系统，优化空中无线接口的 容量，从而扩大基站覆盖范围，提高信号质量，其原理如图2 2 所示。通常自适 应天线阵列系统包含多个天线，利用无线资源管理算法控制射频信号能量，动态 地集中发射给所要寻找的用户，同时避免射频信号干扰网络中的其他用户，大大 提高了接收端的信号干扰比。 智能天线采用数字方法对阵元接收信号加权处理形成天线波束，使主波束对 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o 系统的信道容量及其应用 准用户信号方向，而在干扰信号方向形成较强抑制，达到抑制干扰的目的。自适 应智能天线技术利用了空分多址接入技术，使得即使同一小区内的用户处于相当 邻近的状态时，也能使用相同的频率资源和时间资源，自适应智能天线技术使基 站能够与用户建立独立的虚拟天线连接，生成即时定义的空间信道。使用空间信 道，原来定义的处于特定时域内某频率上的无线信道可以在本小区内多次重复 利用，大大提高了小区的容量。 波束 成形 交换 网络 图2 - 2 智能天线原理图 空间复用 m i m o 系统的另一个应用是空间复用( s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ) ，如图2 3 所示： 一个高速数据流分解为个独立的速率为1 n 的比特序列利用多个天线在同样 的频带上同时发送出去。在接收端通过训练符号区分混合在一起的信道矩阵，然 后将各个比特流加以分离和估计。 串并调制 转换 + 映射 图2 - 3 空间复用原理图 空间分集 空问分集则是出于与空间复用完全不同的考虑角度，空间复用利用多天线形 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o 系统的信道容量及其应用 成的空间并行子信道传输不同的信号信息，以实现尽可能高的传输速率。空间分 集则是希望通过在并行子信道上传输相同的信号信息，利用空间冗余提供尽可能 高的可靠性。通过提高系统信噪比实现高传输速率。在多径传播造成随机衰落的 情况下，信号丢失的概率随使用的不相关的天线数增加呈指数下降。空间分集的 关键就是分集数，它由发送端或接收端的不相关的天线数决定。 复用、分集如何取合 纯粹的空间复用使每个天线单独使用获得较高的数据速率，但不能获得分集 增益，而且在给定比特差错性能时，这往往也不是最佳的发射方案。将符号按分 组进行编码，可以获得分集增益和编码增益这将有助于提高性能，这时数据速率 要有一定的损失，但反之，性能提高了可以采用更多星座点的调制，如采用 1 6 q a m 代替q p s k 。现在出现了将空间复用和空时编码融合的趋势，即考虑到 性能要求又保证一定的数据速率 1 2 1 3 】。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章获取c s i t 的方法 第三章发送端获取c s i 的方法 在发射端利用c s i 对m i m o 系统进行优化能提供更高的链路容量、改善链 路性能，f = 提供简单的方法利用空间分集【1 4 。但是很多m i m o 无线系统并不完全 知道上r 行链路的信道状态信息。一般而言，有两种方法为基站发射机提供c s i ： 反馈法和r 行信道重用法 1 5 】。 3 1 反馈法 反馈法通常用于f d d 系统中，它通过从移动终端向基站反馈下行信道信息 使基站有足够信息来进行闭环传输。反馈法又分为信道量化法( c h a n n e l q u a n t i z a t i o n ) 和信号量化法( q u a m i z e ds i g n a la d a p m t i o n ) 两种。信道量化法就是用 矢量量化法( v e c t o rq u a a t i z a t i o n ，简称v q ) 刘信道响应进行量化，然后将其反 馈至基站；信号量化法就是对发送信号特性进行量化，然后将其反馈至基站。这 两种反馈法具体可参阅文献 1 6 - 1 9 】。 应当指出，3 g p p ( 3 gp a r t n e r s h i pp r o e e t ) 已经考虑其商业应用 2 0 3 g p p 系统的反馈方式设计有两种：相位信息量化法( m o d e1 ) 和信道直接量化法( m o d e 2 ) 。相位信息量化法就是使用一组比特对发送端所需的相位信息进行量化，使发 送端能够进行等增益的波束成型：信道直接量化法就是为每一信道的信道增益和 相位分配一组比特。 3 2 上行信道重用法 上行信道重用法即基站估计上行信道状态信息并利用之 15 ，其隐含了上下 行信道对称的假设。由于在t d d 模式f ，上下行链路使用同样的频段不同的时 隙上下行链路互易，因此上行信道重用法通常用于t d d 系统中 2 门 2 2 。 t d d 系统中在发送端获取c s i 的方法一般均假设上下行信道对称性( 互易 性) ，因此在t d d 系统中发送端获取c s i 一般不需要反馈。但是基站仍可以使 用传统的m i m o 系统的信道估计方法估计下行信道信息，如：文献 2 2 3 提出了 在w - l a n 系统中使用基于导频信道和迫零估计联合的最小方差估计上行信道状 在w - l a n 系统中使用基于导频信道和迫零估计联合的最小方差估计上行信道状 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第i 章获取c s i t 的方法 态信息的方法；i e e e8 0 2 1 6 a 系统新提出一种基站获取c s i 的方法【1 5 】。在目前 的i e e e 8 0 2 1 6o f d m a 系统，只有移动台进行上行链路数据传输时，才能进行 估计c s i 1 5 ，当上行数据业务量远小于下行数据业务量时，这种方法难以实 现，此时，终端可通过发送己知训练序列来完成这一功能。 3 3t d d 系统中发送端获取c s i 的方法 如本章前两节所述，在t d d 系统中，已有的在发送端获取c s i 的方案均假 设信道互易性。基站首先估计上行链路的信道状态信息，然后假设下行链路的信 道状态信息是上行链路的信道状态信息的共轭转置，因此在t d d 系统中发送端 更易于获取c s i 。但是所有现有的方案均未考虑r f 电路的影响和发送端与接收 端干扰的不对称性，本节将具体讨论收发端r f 电路的不对称性和发送端与接收 端干扰的不对称性的影响。 3 3 1r f 电路的影响 如果收发r f 电路不对称，则大多数文献关于总信道的互易性假设不再成立， 为了解释这一点，我们用r f 电路响应的形式重写信道模型，下行信道模型可以 写为 j ，埘= p 尸h o 尸s x 砧+ w 脚 ( 3 1 ) 其中y m s 为终端的接收信号：h ) bn u s ”的矩阵，它表示下行m i m o 信道 n m s ，j v “分别为终端和基站的天线数；x b s 为基站的发送信号；w 4 嚣为加性 商斯噪声( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn 。i s e ，简称a w g n ) ；口笋为_ v “口n ”的对 角矩阵，它表示终端的发送r f 电路响应：旷为舾嬲的对角矩阵，它表 示基站的接收r f 电路响应：o y ，o y 之所以都为对角阵是由于每一天线的 r f 电路相互独立。 同样地，对于上行链路，基站的接收信号为 ( 3 2 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章获取c s t t 的方法 式( 3 2 ) 所有的符号都与式( 3 1 ) 类似。虽然日在上下行链路互易，但是r f 电路并不互易。般而言，总的信道矩阵为 h = o ? s h o s ( 3 - 3 ) 当口尸酽“或旷垆“时，总的信道矩阵并不互易，则大多数文献关于总信 道的互易性假设不再成立并且不能直接使用总信道的互易性。本文在第四章提出 了一种可以使用互易性的方法。 3 3 2 发送端与接收端干扰的不对称性 一般来说，上行链路和下行链路的干扰在功率甚至在特性上是不同的，对于 上行链路，基站接收到的干扰包含来自其他小区移动终端的信号，另一方面，对 于下行链路，终端受到其他小区基站的干扰，因此，收发端的干扰是不对称的。 许多自适应方法不仅取决于总的信道矩阵，而且还与噪声和干扰功率电平有 关，由于干扰的不对称性，发射机不能获得接收端干扰的信息，因此也就不能对 传输模式最优化。因此，为了解决这一问题，对于t d d 闭环传输系统，我们提 出采用反馈法与上行信道重用相结合的新方法。第四章将具体介绍新提出的方 法。 1 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章双层自适虎的新方法 第四章双层自适应的新方法 如第三章所述，r f 电路的不对称性以及基站和移动终端干扰的不对称性是 影响无反馈系统性能的两大主要因素。如果按每一帧来反馈s n r 域的信息，尽 管能解决前述问题，但反馈占用的开销太大，此外，s n r 域的信息( 如c s i 和 干扰) 与最终的性能