（通信与信息系统专业论文）基于mimo系统的机会波束成形技术的研究.pdf

南京邮电人学硕上研究生学位论文摘要 摘要 无线通信是当今通信领域中最为活跃的研究热点之一。从2 0 世纪4 0 年代提出无线通 信的概念后，直到8 0 年代无线移动通信才开始在全球范围内得到前所未有的发展。近年 来，无线通信己经成为人们日常生活中不可缺少的部分。人们对通信的要求也越来越高， 希望在任何地点任何时间都能实现高质量通信，而大量的用户需求反过来促进了无线通信 的发展，使得通信系统向更高的目标发展。因此m i m o 、智能天线等下一代无线通信中 的关键技术，也逐渐成为人们研究的热点。 信息论研究表明：信道衰落是可以利用的，但是在在l o s ( 视距传播) 和非散射信 道环境中，信道的变化范围太小；另外如果信道衰落变化太慢，则不能满足对时延要求严 格的应用。为此p r a m o dv i s w a n a t h 等提出了机会波束成形技术来解决上述问题。 本文主要研究m i m o 系统中的机会波束成形。此篇所研究的方案只需反馈部分c s i 至基 站，同时又可保证系统的总吞吐量和公平性。不同接收机下，所研究方案的吞吐量可快速 收敛于相干波束发射成形时的吞吐量。同时考虑了几种不同方案的接收机，并且采用统计 注水( s w f ) 功率分配方案和比例公平调度准则来进一步提高系统吞吐量。 南京邮电人学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t c o m m u n i c a t i o ni so n eo ft h em o s ta c t i v ea r e a si nt h eh o t s p o tr e s e a r c hi nt o d a y sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s f r o m19 4 0 sa d v a n c et h ec o n c e p to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，u n t i lt h e 19 8 0 sw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sb e g a nt ob ea l lu n p r e c e d e n t e dd e v e l o p m e n ta tg l o b a l s c a l e t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a v eb e c o m eo n ei n d i s p e n s a b l ep a r to fo u rd a i l yl i f e p e o p l eh o p et h e yc a nc o m m u n i c a t ew i t hh i 曲q u a l i t ye v e r y w h e r ea ta n yt i m e ，a n d t h e i r r e q u i r e m e n t sc a l lh e r e b yp u s ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s s m a r ta n t e n n aa n d 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 ) ，w h i c ha r ek e yt e c h n i q u e si nt h en e x tg e n e r a t i o no f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，h a v eb e e nt h ef o c u s e so fr e s e a r c hr e c e n t l y b a s e do ni n f o r m a t i o nt h e o r y , f a d i n gc a nb ee x p l o i t e d b u ti nl i n e - o f - s i g h tp a t ha n dt h e e n v i r o n m e n tw i t hl i t t l es c a t t e r i n g ，a n ds l o wc h a n g eo fc h a n n e l ，c h a n g e si nt h es c o p ec h a n n e li s t o os m a l l o t h e ri ft h ec h a n n e lc h a n g e st o os l o w l y , t h er e q u i r e m e n t sa b o u tt i m ed e l a yc a n tb e m e t p r a m o dv i s w a n a t ha n dt s ep u tf o r w a r dt h ei d e ao f “o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n g t os o l v e t h i sp r o b l e m t h ef o c u so ft h i sp a p e ri st h eo p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gi nm i m os y s t e m t h es c h e m ec a n i n c r e a s es y s t e mc a p a c i t yw i t ho n l yp a r t i a lc s if e e d b a c k ，a n df a i r n e s sc a nb eg u a r a n t e e d a n dt h e t h r o u g h p u to fo u rs c h e m ec a nf a s tc o n v e r g et ot h es y s t e mt h r o u g h p u tb yc o h e r e n tt r a n s m i t b e a m f o r m i n gu n d e rd i f f e r e n tr e c e i v e rs t r u c t u r e s s i m u l t a n e o u s l yw ec o n s i d e rs e v e r a lr e c e i v e r s t r u c t u r e sa n da d o p ts t a t i s t i c a lw a t e r f i l l i n g ( s w f ) p o w e ra l l o c a t i o ns c h e m ea n dp r o p o r t i o n a lf a i r s c h e d u l i n gt of u r t h e ri m p r o v et h ea c h i e v a b l es y s t e mt h r o u g h p u t u 南京邮电人学硕士研究生学位论文英文缩略语 英文缩略语 a m c a d a p t i v em o d u l a t i o na n d c o d e自适应调制与编码 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先进移动电话系统 a r q a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t自动重发请求 a w g na d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e加性高斯白噪声 b l a s tb e l ll a bl a y e r e ds p a c e t i m e贝尔实验室分层空时结构 c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s码分多址 c s c g c i r c u l a r l ys y m m e t r i cc o m p l e xg a u s s i a n周期对称复高斯 c s ic h a n n e ls t a t u si n f o r m a t i o n信道状态信息 d a m p s d i g i t a la d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m数字高级移动通信系统 d f ed e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r判决反馈均衡器 d o a d i r e c t i o no f a r r i v a l 到达方向角 d - s d m a d y n a m i cs p a t i a ld i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s动态空分多址 d t d m a d y n a m i ct i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s动态时分多址 f d m a f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s频分多址 f d d f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x频分双工 f p l m t st h ef u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l e 未来陆地移动通信系统 t e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m g m s k g s m g p r s h s d p a i c i i s i i t u i m t - 2 0 0 0 l c m v l m d s g a u s s i a nm i n i m u ms h i f tk e y i n g g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s i n t e r - c a r t i e ri n t e r f e r e n c e i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s 2 0 0 0 l i n e a r l yc o n s t r a i n e dm i n i m u mv a r i a n c e l o c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns e r v i c e s 5 7 高斯最小移频键控 全球移动通信系统 通用分组无线业务 高速下行分组接入 载波间干扰 符号间干扰 国际电联 国际移动通信2 0 0 0 线性约束最小方差准则 本地多点分配业务 南京邮电大学硕t 研究生学位论文英文缩略语 l o s m b w a m i m o m i s o m l m m d s m m s e m s i n r m s n r m t c p n c d m a o f d m q o s q p s k 0 - q p s k p s k p f s q a m s d m a s 胍 s n r s v d s 下 1 a c s t d m a t d s c d m a u m t s w c d m a w i m l 议 、阢a n l i n eo fs i g h t m o b i l eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s 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 u l t i p l e i n p u ts i n g l e - - o u t p u t m a x i m u ml i k e l i h o o d m u l t i c h a n n e lm i c r o w a v ed i s t r i b u t i o ns y s t e m m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r m a x i m u ms i n r m a x i m u ms n r m u l t i t a r g e tc o n s t a n t - p o w e r n a r r o w b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 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 q u a l i t yo fs e r v i c e q u a t e r n a r yp h a s es h i f tk e y i n g o f f s e tq u a t e m a r yp h a s es h i f tk e y i n g p h a s es h i f tk e y i n g p r o p o r t i o n a lf a i rs c h e d u l i n g q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n s p a t i a ld i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s s i g n a l t o - i n t e r f e r e n c en o i s er a t i o s i g n a lt on o i s er a t i o 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 t a t i s t i c a lw a t e r - f i l l i n g t 0 t 甜a c c e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m a u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m w i d e b a n dc d m a w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k 视距传播 移动宽带无线接入 多输入多输出 多输入单输出 最大似然准则 多路微波分配系统 最小均方误差 最大信干噪比 最大信噪比 多目标恒定功率 窄带码分多址 正交频分复用 业务质量 四相移相键控 偏置四相移相键控 移相键控 比例公平调度 正交幅度调制 空分多址 信干噪比 信噪比 奇异值分解 统计注水 全地址通信系统 时分多址 时分同步码分多址 通用移动通信系统 宽带c d m a 微波存取全球互通 无线局域网 南京邮电大学学位论文原创性声明 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，论文中不包含其它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。与我一同工作过的同志对本研究所 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。 研究生签名：日期：塑望：垒! 乎 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、缩印或其它复制手段保存论文。本文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。 研触虢聱导师签名 2 ，聊- 幺， 南京邮电大学硕+ 研究生学位论文第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 无线通信是当今通信领域中最为活跃的研究热点之一。从2 0 世纪4 0 年代提出无线通 信的概念后，直到8 0 年代无线移动通信才开始在全球范围内得到前所未有的发展，这种 发展的势头还在延续，今后甚至会更快。 传统通信以话音为主要业务，随着社会的发展，人们希望通信系统能够提供更丰富的 功能，支持例如i n t e m e t 接入、图像传输、视频点播、数据互传、电话会议等数据和多媒 体应用，这些应用要求通信系统有更高的数据速率和服务质量，由此促使通信网络结构和 接入技术不断发展。 无线通信，相对有线通信具有巨大的便利性和低廉的建设成本，是实现“任何人 ( 肌o e v e r ) 在任何地方( w h e r e v e r ) 任何时间( w h e n e v e r ) 可以同任何对方( w h o m e v e r ) 进行任何形式( w h a t e v e r ) 通信的重要保证【l 】，一直是通信领域的研究热点。无线通信 系统大致分两类：一类为移动通信系统，主要解决大范围的连接，在各种环境下的连接性 是首先考虑的，其次才是数据速率：另一类为无线宽带接入系统，作为有线系统的替代， 用于特定环境下的高速数据传输。 1 1 1 无线移动通信的发展史 从1 8 6 4 年麦克斯韦从理论上证明了电磁波的存在，到1 8 7 6 年被赫兹用电磁波辐射的实 验证实，接着1 9 0 0 年马可尼和波波夫等人利用电磁波做了远距离通信的实验获得了成功， 通信开始进入了无线通信的新时代。无线通信大致经历了以下几个阶段【2 】 5 1 ： 第一代模拟移动通信系统( 1 g ) 主要建立在频分多址接入和蜂窝频率复用的理论基 础上，在商业上取得了巨大的成功。但是，该系统主要问题是所支持的业务( 主要是语音) 单一、频谱效率低、保密性差等，特别是在欧洲，一个国家有一个自己的标准和体制，无 法解决跨国家的漫游问题。模拟移动通信系统经过1 0 余年的发展后，终于在2 0 世纪9 0 年代初逐步被更先进的数字蜂窝移动通信系统所代替。 第二代数字移动通信系统( 2 g ) 主要有g s m 系统、i s 1 3 6t d m a 系统以及i s 9 5c d m a 系统。它实现了话音的数字化，并用时分多址代替了频分多址接入方式，大幅度增加了系 堕室堕皇奎堂堡圭塑壅竺堂垡堡壅 墨二童堑笙 统的用户容量。1 9 9 1 年，g s m 数字蜂窝式移动通信系统在欧洲问世，紧接着以t d m a 标准 为基础的其它第二代移动通信系统，i ：匕女r l d a m p s 、j d c 等相继投入使用。同时以i s 9 5 技 术标准为基础的c d m a 系统也分别在香港、韩国等地区和国家投入使用。典型代表有欧洲 基于时分多址( t d m a ) 的g s m 系统和美国高通公司基于码分多址( c d m a ) 的i s 9 5 系统。 第二代移动通信在发展过程中也没有形成全球统一的标准。在欧洲建立了以t d m a 为 基础的g s m 系统，在日本建立了以t d m a 为基础的j d c 系统，在美国建立了以f d m a 和以 数字t d m a 为基础的i s 1 3 6 混合系统以及以n c d m a 为基础的i s 9 5 系统等，所以这些系统 间无法实现全球漫游，主要业务为话音和短消息，另外，还面临着系统容量严重不足的问 题。显然，第二代移动通信系统还不能满足用户日益增长的对全多媒体业务的需要。 表1 1 给出了以上几种标准的比较。 表1 1 不同通信标准的比较 系统信道带宽 码率调制 多址最少信每信道 ( k h z )( k b s )技术 道数用户数 i s 9 51 2 51 2 2 8 8 反向o - q p s k f d m a 2 0 1 ) 时，莱斯分布 将向高斯分布趋进。莱斯分布的概率密度函数如图2 4 。 0 4 0 3 0 2 0 1 0 k = 0 瑞利：分布： 二l 一i 1 l j l i l 01 0 注意：莱斯分布适应于一条路径明显强于其他多径的情况，但并不意味着这条路径就 是直射径。在非直射系统中，如果源自某一个散射体路径的信号功率特别强，信号的衰落 也服从莱斯分布。 ( 3 ) n a k a g a m i 所分布 n a k a g a m i - m 分布由n a k a g a m i 在2 0 世纪4 0 年代提出，通过基于场测试的试验方法， 用曲线拟合，达到近似分布。研究表明，n a k a g a m i - m 分布对于无线信道的描述具有很好 的适应性。 若信号的包络，服从n a k a g a m i m ，则其概率密度函数为 肿) = 而2 m m r 面2 m - ie x p ( x p ( 一手( ， o ) ( 2 - 1 6 ) p ( ，) 2 丽e 一一【，2 u ) ( 2 - 1 6 ) 南京邮电入学硕士研究生学位论文 第二章无线信道的传播特性与分集技术 其中聊= 里髯妥，是n a k a g 锄i 衰落参数，为不小于1 2 的实数；q ：e ( r 2 ) ；r ( 研) = v a r ( ，。l p m - e - d t g a m i n a 函数。n a k a g a m i - 聊概率密度函数见图2 - 5 。 0 图2 5q = 1 ，n a k a g a m i m 分布莱斯分布的概率分布密度 对于功率j = ，2 2 的概率密度函数，则有 p = c 秒忘e 醑等 式中，s = e ( s ) = f l 2 ，为信号的平均功率。 当m = 1 时，有 p ( ，) = 告e x p ( 一言) ：r ：p - - e x p ( 一至) 2 【一一j ss ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 则n a k a g a m i m 分布成为瑞利分布。 另外，n a k a g a m i m 分布可以用朋( 一般称为形状因子) 和莱斯因子k 之间的关系来 确定近似，即 1 6 南京邮电大学硕 ：研究生学位论文第_ 二章无线信道的传播特性与分集技术 聊：堡监 2 k + l 当m 较大时，n a k a g a m i m 分布接近高斯分布。 2 4 分集技术 ( 2 1 9 ) 在无线移动通信中广泛使用了分集技术来减小多径衰落的影响，并且在不增加发射功 率或牺牲信号带宽的情况下提高系统传输的可靠性。多天线分集技术其基本原理是通过多 个信道( 时间、频率或者空间等) 承载相同信息的多个信号副本，由于各信道的传输特性不 同，信号多个副本的衰落也不尽相同，然后接收机将接收到的多径信号分离成不相关的多 路信号，并将多路信号的能量按照一定的规则合并起来，使接收的有用信号能量最大。 分集的基本思想是：如果要利用信号的两个或多个独立的样本，那么这些样本将以不 相关的模式衰落。例如，一些信号的样本可能严重衰落，而另一些则衰落的较少。这就意 味着所有样本信号同时低于给定门限电平的概率要比单一信号低于给定门限值的概率要 小的多。因此，采用合理方式合并这些值可以大大降低衰落的影响，相应地，也就能提高 传输的可靠性。分集技术包括2 个方面：一是分散传输，使接收机能够获得多个统计独 立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即把接收机收到的多个统计独立的衰落 信号进行合并以降低衰落的影响。因此，要获得分集效果最重要的条件是各个信号之间应 该是“不相关 的。 2 4 1 时间分集 在不同的时隙上发送相同的信息可以实现时间分集，接收机端可以收到不相干的衰落 信号。所需的最小时间间隔要大于或等于信道的相干时间。相干时间是信道衰落过程中相 干时间的周期统计的测量值。在数字通信系统中，通常使用差错控制编码结合交织技术来 实现时间分集。在这种情况下，发射信号的副本通常以差错控制编码带来的时域冗余形式 到达接收端。由于时间交织提供发射信号副本之间的时间间隔，从而在译码器的输入端得 到独立的衰落。因为时间交织会产生译码延时，因此该技术一般在信道相干时间小的快衰 落环境中比较有效。对慢衰落而言，交织可能会产生比较大的延时，在有些对延时比较敏 感的场合是不适合的。该方案的缺点之一是由于在时间域上引入了冗余，使得带宽的利用 1 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线信道的传播特性与分集技术 率受到损失。 2 4 2 频率分集 在频率分集中，使用多个不同的频率发射相同的信息。发射频率的间隔必须足够大， 从而保证每个频率的衰落是独立的。发射频率的间隔是信道相干带宽的几倍以上，这样就 能保证不同频率的衰落统计特性是互不相干的。另外，不同传播环境的相干带宽也不相同。 在移动通信中，发射信号的副本通常按照频域冗余的形式到达接收端，这种频域冗余是由 直接序列扩频、多载波调制和跳频等扩频技术引入的。当信道的相干带宽较小时，扩频技 术是有效的。但是，当信道的相干带宽大于扩展的带宽时，多径时延扩展和符号周期之间 的相关性就不大了。这时就无法用扩频实现频率分集。和时间分集一样，由于频域上引入 了冗余，频率分集也使得带宽的利用率受到损失。 2 4 3 空间分集 空间分集在无线微波通信中是一项比较常用的技术。空间分集也称为天线分集。典型 的空间分集是在发射端和接收端由空间上分开排列的多个天线或天线阵列来实现的。多个 天线在空间上分开一定的距离，使得各个天线接收的信号互不相关。天线的间隔随天线的 高度、传播环境和频率的不同而有所不同。一般间隔几个信号的波长就能获得不相关的信 号。在空间分集中，发射信号的副本是以空间域冗余的形式到达接收端的。与时间分集和 频率分集不同，空间分集不会带来任何带宽利用率上的任何损失。这一特性对于未来的高 速无线数据通信是很有吸引力的。 2 4 4 分集合并方法 在上一面的讨论中，按照分集的域对分集技术进行了分类。分集技术的关键在于不同 分集子信道同时出现深度衰落的概率要小。使用分集技术的通信系统性能通常取决于接收 端如何合并多个信号副本来提高总的接收s n r 。根据接收端实现的复杂性和合并方法所需 的信道状态信息量，主要分为四种合并技术：选择合并、切换合并、等增益合并和最大比 合并【1 5 】。 ( 1 )选择合并 选择合并是一种较简单的分集合并技术。对于一个m 根接收天线的分集系统，在每 1 8 堕室堕皇奎兰堡圭堕窒生兰垡堡奎至三里歪堡笪堕堕堡塑堑堡皇坌篓垫查 个符号间隔处选择具有最大信噪比( s n r ) 的信号作为输出，因此输出信号的s n r 等于最好 输入信号的s n r 。在实际应用中，由于s n r 很难测量，一般采用信号和噪声功率之和( s + ) 为最大的信号作为输出。 ( 2 )切换合并 对于切换合并的分集系统，接收机扫描所有的接收支路，并选择s n r 在特定的预设门 限之上的特定分支。在该信号的s n r 降低到所设的门限值之下之前，选择该信号作为输出 信号。当s n r 低于设定的门限时，接收机开始重新扫描并切换到另一分支，因此该方案也 称为扫描合并。 由于切换合并并非连续选择最好的瞬时信号，因此它比选择合并性能可能要差一些。 但是，由于切换合并不需要同时连续不断的监视所有分集分支，因此该方法要简单的多。 对于选择合并和切换合并这两种方法而言，两者输出的信号只等于所有分集分支中的 一个信号。它们不需要知道信道的状态信息。 ( 3 )最大比合并 最大比合并是一种线性合并方法。在一般的线性合并过程中，各个输入信号分别按权 重相加在一起得到输出信号。加权因子的选择可以有多种方式。 在最大合并比中设第f 根天线的加权因子为珥，a i 跟其对应接收天线的信号功率和噪 声功率比成正比。设4 和，为接收信号i 的幅度和相位。假设每根天线具有相同的平均噪 声功率，因此可以得到相应的加权因子为： 口= a , e 一q ( 2 2 0 ) m m ， 接收信号厂= q ，：= ，：4 p 一鹏。 此方法能够得到最大的输出s n r ，也称为最优合并。由于此方案需要知道信道衰落幅 度和信号的相位信息，因此只能用于相干检测的场合，而不能用于非相干检测。 ( 4 )等增益合并 等增益合并是一种次优但比较简单的线性合并方法。它不需要估计各个分支的衰落幅 度，而是按照下式将加权因子的幅度设为单位值1 。 皿= e - 旭( 2 2 1 ) m 。m ， 接收信号，= q ，：= ，：口一鹏。 1 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线信道的传播特性与分集技术 采用等增益合并，即所有的接收信号都经过相同的增益后相加。等增益合并的性能只 是在边缘上比最大比合并差，而其复杂性要比最大比合并低许多。 2 5 本章小结 本章首先介绍了移动通信的特点和移动通信中电磁波的传播特性和无线信道的几种 基本传播特征，包括大尺度衰落，阴影衰落，多径衰落和多普勒频移。然后介绍了多径衰 落的几种衰落模型，包络瑞利分布，莱斯分布和n a k a g a m i m 分布。最后介绍了移动通信 中信号的发射和接收所采用的一些分集和合并技术。 南京邮电人学硕上研究生学位论文第三章m i m o 系统 第三章m 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的容量需求在 迅速增长。另一方面，可利用的无线频谱是有限的，如果通信频谱的利用率没有得到显著 提高，就不可能满足通信容量的需求。在多径散射丰富的环境中，m i m o 系统利用在空 间上分开的多天线可以获得空间分集，并利用这种空间分集来对抗衰落获得分集增益，或 者提高系统容量获得系统容量增益。 3 1m i m o 基本原理 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，是第 三代和未来移动通信系统实现高数据速率、高系统容量，提高传输质量的重要途径。在b 3 g 移动通信系统中，下行链路的容量构成了整个系统的瓶颈。由于诸多业务对上下行链路容 量要求的不对称性，尤其对下行容量有很高的要求，如视频多媒体、下载等业务。在传输 带宽一定的条件下，这无疑给b 3 g 移动通信系统提出了难题。但是如果在发送端和接收端 都使用多天线( 即m i m o 系统) ，此时的信道容量将随着天线数量的增加而线性增加l l 刚。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，频谱利用率可以成倍地提高。 m i m o 系统之所以可以获得如此高的带宽效率，是因为考虑在有丰富的散射( 没有 l o s ，l i n eo fs i g h t ) 的环境中，从不同天线发送的信号到达接收端所经历的衰落是不相关 的。 在室内，电磁环境较为复杂，多径效应、频率选择性衰落和其他干扰源的存在使实现 无线信道的高速数据传输比有线信道困难。通常多径效应会引起衰落，被视为有害因素。 然而研究结果表明，对于m i m o 系统来说，多径效应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) 和多信道，原理如图3 1 所 示。传输信息流s ( 七) 经过空时编码形成m 个信息子流e ( 七) ，i = 1 m ，这m 个信息子流 由m 根天线发射出去，经空间信道后由根接收天线接收，多天线接收机利用先进的空 时解码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。这m 个信息子流同时发 送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并不增加带宽。若各发射接收天线间的通道响 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第三苹m i m o 系统 应独立，贝3 j m i m o 系统可以创造多个并行空间信道，通过这些并行空间信道独立地传输信 息，使得数据传输率得以提高。可见，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。 g ( 七) 天线阵 ( 七) c 2 ( 七) 吃( 七) ( k )( 尼) s ( k ) ：传输信息流c ( 七) ：发送信息子流r ( k ) 接收信息子流 图3 1m i m o 系统原理图 图3 - 2 则是一个基本的m i m o 的信道模型【1 7 1 ，采用m 根发送天线，n 根接收天线， 设为第f 根发送天线到第根接收天线之间的复信道增益( c h a n n e lg a i n ) 。 h m t ， 图3 2m i m o 的信道模型 h 为n m 的信道矩阵，即： h = 曩。啊：啊 。如：吃 。： ( 3 1 ) 系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射 b b bu 心d 南京邮电大学硕上研究生学位论文第三章m i m o 系统 天线数为m ，接收天线数为的多入多出( m i m o ) 系统，假定信道为独立的瑞利衰落 信道，并设、必很大，则信道容量为： c - - m i n ( m ，n ) b l o g ：( p 2 ) ( 3 2 ) 其中召为信号带宽，p 为接收端平均信噪比，m i n ( m ，n ) 为m 、的较小者。上式表明， 功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增 加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其 容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，多入多出对于提高无线通信系统的容量具 有极大的潜力。 利用m i m o 技术既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技术主要有贝尔实验室的b l a s t 算法、z f 算法等。z f 算法简单容易 实现，但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂度最优的就是b l a s t 算法，该算法实际 上是使用z f 算法加上干扰删除技术得出的：而实现空间分集增益的技术主要有空时编码。 3 2m i m o 系统模型 确定一个无线通信系统，首先必须分析该无线通信系统的信道特征。之所以需要对信 道特征进行分析和建模，一方面因为信道特征决定了信道的容量，即单位功率所能达到的 最大传输速率；另一方面，通信系统中的编解码、调制解调和各种接收技术等通信模块都 是针对特定的信道特征来进行设计的。所以，无线信道的特征分析和相应的数学模型的建 立对进一步的研究和仿真非常重要。因此研究m i m o 技术时必须先考虑它的信道模型， 实现m i m o 系统实际增益的关键就在于建立更准确的信道模型。假定一个点对点的m i m 0 系统有，z r 根发射天线、玎牙根接收天线，采用离散时间的复基带线性系统模型描述，系统 框图如图3 - 3 所示。用，l r l 的列向量x 表示每个符号周期内的发射信号，其中第i 个元素 x i 表示第f 根天线上的发射信号。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章m i m o 系统 图3 - 3m i m 0 系统框图 对于高斯信道，按照信息论，发射信号的最佳分布也是高斯分布。发射信号的协方差 矩阵为 r 。= e 殛h ) ( 3 - 3 ) 式中，e 代表均值；a h 表示矩阵a 的厄米特( h e r m i t i a n ) 转置矩阵，即a 的复共轭转 置矩阵。不管发射天线数唧为多少，总的发射功率限制为p ，可以表示为： p = t r ( r 。) ( 3 - 4 ) 式中，乃( a ) 代表矩阵a 的迹，可以通过对a 的对角元素求和得到。如信道状态信息( c s i ) 在发射端未知，则假定从各个天线发射的信号都有相等的功率叫唧。发射信号的协方差 矩阵为 p r n = 二_ i 肿( 3 5 ) m 。 式中，i * 是脚x f t 的单位矩阵a 用x n r 的复矩阵h 描述信道。为矩阵h 的元素，代表从第根发射天线到第f 根 接收天线之间的信道衰落系数。用x l 的列向量描述接收端的噪声，表示为i l l 。它的元 素是统计独立的复高斯变量随机变量，零均值，具有独立的、方差相等的实部和虚部。接 收噪声的协方差矩阵为 r 栅= 盯2 i 蚀 ( 3 - 6 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章m i m o 系统 用n rx l 的列向量描述接收信号，表示为y 。使用线性模型，可将接收矢量表示为 y = h x + n 接收信号的协方差矩阵定义为e y y h ，由式( 3 7 ) 可以得出： r y y = h r 。h h + r 仰 总接收信号功率可表示为乃( r 圩) 。 3 3m i m o 系统的信道容量分析 ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) 对于给定的信道h ，m i 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x ( 它的协方差矩阵表示为p ) 所有元素的均值为0 ，则当x 为高斯 变量时，互信息量最大，总的发射功率为p = t r p ，此时信道容量为 c c h ，= b l 0 9 2 i i + 专h 刚l p 9 ， 其中b 为信道带宽，i 为单位矩阵。 3 3 1 发射端未知c s i 时，m i m o 系统的信道容量 如果发射端未知c s i ，按照公平原则，每根天线上分配的发射功率相同，此时p ：l i ， n r 信道容量为 c u r ( h ) = b l 0 9 2 i i 专叫 p 南京邮电大学硕 ：研究生学位论文第三章m i m o 系统 n 工 d 咖i 樟 测 迎里 s 皿 图3 4 不同发射接收天线配置时，归一化信道容量比较 图3 - 4 描述了发射天线分别为2 、4 、8 ，接收天线分别为2 、4 、8 时，发端未知c s i 时的归一化信道容量。归一化信道容量是指信道容量对信道带宽的归一化，即c b 。从 图中可以看出，随着收发端天线数目的增加，归一化信道容量也随之而增加。 3 3 2 发射端已知c s i 时，m i m o 系统的信道容量 如果发射端己知c s i ，那么可以根据注水原理( w a t e r f i l l i n g ) 【1 6 1 ，通过给各个天线分 配不同的发射功率，增加系统容量。下面介绍一下注水原理。 定义矩阵p ，q 均为m m 的半正定矩阵，并定义如下函数： ( p ) = i + p q i ( 3 1 1 ) 假设q 含有聊+ 坍个非零特征值，则q 的哈密特( h e r m i t ) 平方根的特征分解为 q 啦= u r u = c u + u 。( 0 吕 苫； c 3 - 2 ， 其中u 与r 都为m m 的矩阵，u + 为朋豫的矩阵，u o 为m x 沏一豫) 的矩阵，r + 为 聊+ 肌+ 的对角矩阵且乃，如下所示 南京邮电人学硕上研究生学位论文第三章m i m o 系统 f + = y l 0 0 乃 ： 0 0 ： 0 0 y m ( 3 1 3 ) 式( 3 1 1 ) 中，对于给定的q 矩阵，考虑在t r l ) p 的约束条件下厂( p ) 对p 的最大 值，因此可以得到 胛砷! i ( 鼍爿札 等号在p 满足如下条件时取得 p = u o u h 式( 3 1 4 ) 中， 与 r= 所 o o y 2 ： o o ： 。0 0 y m = d i a g 移l ，丸0 ，0 j 式( 3 1 8 ) 中，m = 1 ，m 一。 ( 3 - 1 4 ) ( 3 - 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 17 ) ，f _ r r r - 2 + e 一士，t r r - 2 + p 士 驴霄巍1 p 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【5 】【1 6 】。 将q = 去h h 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 盯。 ( 注：l i + a b i = i i + b a l 对任何矩阵a ，b 都成立) 。 3 3 3 发送端已知与未知c s i 时信道容量的比较 发送端已知c s i 的情况下的信道容量比发送端未知c s i 的情况下的信道容量要高， 这是由于当发送端已知c s i 时，发送端可以优化发送信号。但是当信道的s n r 足够大时， 发送端已知c s i 的情况下的信道容量( 下面用c 盯( h ) 表示) 与发送端未知c s i 的情况下 南京邮电人学硕