（通信与信息系统专业论文）多天线系统动态资源分配算法的研究.pdf

摘要 摘要 多天线系统，即多输入多输出系统是近来在无线通信研究中的一个重大突破，它是通过 在发送端和接收端分别安置多根天线来实现的。具体来说在多天线系统中，发送天线阵列和 接收天线阵列被异j 来提供空间分集增益( 在给定传输速率的情况下提高传输可靠性) 和空间 复用增益( 在给定传输可靠性的情况下提高传输速率) ，因此多天线系统能够充分利用空间 资源，在不增加系统带宽和天线总发送功率的情况下，有效地对抗无线信道衰落的影响，大 大提高通信系统的频谱利用率和信道容量。现在对多天线系统的研究还仅仅局限于关键的传 输技术的研究，比如空时编码技术、信道估计技术以及智能天线技术等。从系统的角度，对 多天线系统的研究还处于起步阶段。本文主要从系统的角度研究了多天线系统中的动态资源 分配问题，主要工作如下： 第一章主要介绍了多天线系统的发展简史，多天线系统的特征和多天线系统的当前研究 进展。然后第一章介绍了本论文的主要工作和内容安排。 第二章介绍了多天线系统动态资源分配问题的相关背景知识。这些背景知识包括问 题的概述、信道的模型、系统的资源以及基本的算法。其中系统的资源包括功率、空间 子信道、天线、时隙和频率资源；而基本的算法包括贪婪算法、分治算法、注水算法、 粒子群算法以及比例公平性算法。 第三章研究了在单用户多天线系统中的动态资源分配算法。这一章主要研究了功率 分配与比特加载算法以及天线选择算法。其中功率分配和比特加载问题主要是考虑在系 统目标误码率一定的情况下如何为每个空间子信道分配功率使得系统所使用的总功率 最小并且满足系统目标比特速率的要求，而天线选择算法主要考虑如何求解接收端的天 线选择问题。 第四章研究了在多用户多天线系统中的动态资源分配算法。这一章主要研究了基于 速率和容量的功率分配算法以及用户选择算法。其中功率分配算法采用了迭代注水算法 的思想，并且论文在这一节考虑了如何通过下行链路广播信道和上行链路多接入信道之 间的互易关系来求下行链路广播信道的速率和容量。用户选择算法则是根据不同用户信 道之间的空间相容性来选择合适的服务用户集合以获得多用户分集增益。 第五章探讨了基于l t e 的下行链路网络频谱效率。为了提高第三代移动通信技术在 i 东南大学硕士学位论文 无线接入领域的竞争力，3 g p p 提出了第三代移动通信技术的长期演进计划，即l t e 。 在l t e 中，o f d m a 技术、m i m o 技术以及各种无线资源调度算法将被广泛的使用。本 章研究的目的是为了揭示在l t e 中各种技术对于频谱效率的影响。 第六章对全文进行了总结。 关键词：多天线、多输入多输出、动态资源分配、功率、容量 a b s t r a c t m u l t i a u l e r l l 诅s y s t e m , i e m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) s y s t e mi st h ei m p o r t a n t b r e a k t h r o u g hi nt h es c i e n t i f i cr e s e n r e ho nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nr e c e n t l y m u l t i - a n t e n n a s y s t e mi sr e a l i z e db yp u t t i n gm u l t i p l ea n t e n n a si nt r a n s m i t t e r sa n dr e c e i v e r sr e s p e c t i v e l y c o n c r e t e l ys p e a k i n g ，i nm u l t i - a n t e n n as y s t e m , t h ea r r a y so fa n t e n n a sc a nb eu s e dt op r o v i d e t h es p a t i a ld i v e r s i t yg a i n ( i e i m p r o v i n gt h et r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t y ”ag i v e nd a m 咖) a n d p r o v i d et h es p a t i a lm u l t i p l e x i n gg a i n ( i e i n c r e a s i n gt h ed a t am t ef o rag i v e nt r a n s m i s s i o n r e l i a b i l i t y ) t h u s ，m u l t i - a n t e n n as y s t e mc a nf u l l ye m p l o yt h es p a t i a lr e s o u l - ，c o m b a tt h e n e g a t i v ei n f l u e n c eo ft h ef a d i n go fw i r e l e s sc h a n n e le f f e c t i v e l ya n dg r e a t l yi n c r e a s et h e s p e e t l a ie f f i c i e n c ya n dc h a n n e lc a p a c i t yo f t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h i l et h em u l t i - e n t e l l u a s y s t e md o e sn o tn e e dm o l ef r e q u e n c yr e s o u r c ea n dt o t a lt r a n s m i t t i n gp o w e r n o w a d a y s , t h e r e s e a r c ho nm u l t i - a n t e n n as y s t e mi so n l yl i m i t e dt ot h ek e yt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g i e s ，s u c ha s s p a c e - t i m ec o d i n g , c h a n n e le s t i m a t i o n , s n l a r ta n t e n n aa n ds oo n t h es t u d yi nm u l t i - a n t e n u a s y s t e mf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fs y s t e ms t i l ll i e si nt h ei n i t i a ls t a g e t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e s t h ed y n a m i cm s o u r c ea l l o c a t i o np r o b l e m sf o rm u l t i - a n l a l l n as y s t e mf r o mt h ep e r s p e c t i v eo f s y s t e ma n dt h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： i nc h a p t e ro n e ，t h ed e v e l o p m e n th i s t o r i e s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec u r r e n tr e s e a r c h s i t u a t i o n so fm u l t i a n t e n n as y s t e ma m a i n l yi n l r o d u e e d t h e nt h i sc h a p t e ri n t r o d u c e st h e m a i n w o r ka n dt h ea r r a n g e m e n to f t h i st h e s i s i nc h a p t e rt w o ，t h eb a c k g r o u n dk n o w l e d g e sc o r r e s p o n d i n gt ot h e p r o b l e m so fd y n a m i c l e s o o r o ea l l o c a t i o nf o rm u l t i - e n t e n n as y s t e ma r ei n l r o d u e e d t h e s ek n o w l e d g e si n c l u d et h e p r o b l e ms u m m a r i z a t i o n ，t h ec h a n n e lm o d e l ，s y s t e mr e s o o r e e sa n db a s i ca l g o r i t h m s h e r e i n t o ， s y s t e ml e 9 0 u r c c si n c l u d ep o w e r , s p a t i a ls u b - c h a n n e l ，a n t e l l n a ，t i m es l o ta n df r e q u e n c y ；t h e b a s i ca l g o r i t h m si n c l u d eg r e e d ya l g o r i t h m ，w a t e r - f i l l i n ga l g o r i t h m ，p a r t i c l e 鄹矾哪a l g o r i t h m a n dp r o p o r t i o n a lf a i m e s sa l g o r i t h m i nc h a p t e rt h r e e ，t h ed y n a m i cr e s o u l ea l l o c a t i o na l g o r i t h m sf o rs i n g l eu s e rm u l t i - a n t e n n a s y s t e ma r es t u d i e d t h i sc h a p t e rf i r s ts t u d i e st h ep o w e ra l l o c a t i o na n db i tl o a d i n ga l g o r i t h r a e i i i 东南大学硕士学位论文 a n dt h e ns t u d i e st h ea n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h m h e r e i n t o ，p o w e ra l l o c a t i o na n db i tl o a d i n g p r o b l e mm a i n l yc o n s i d e r sh o w t oa l l o c a t ep r o p e rp o w e rf o re a c hs p a t i a ls u b 。c h a n n e li no r d e r t om i n i m i z et h et o t a lt r a n s m i t t i n gp o w e ra n ds a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fs y s t e mt a r g e tb i te r r o r r a t ea n ds y s t e mt a r g e tb i tr a t e ；a n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h mm a i n l yc o n s i d e r sh o wt os o l v et h e a n t e n n as e l e c t i o np r o b l e mi nt h er e c e i v e r i nc h a p t e rf o u r , t h ed y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h m sf o rm u l t i - n s e rm u l t i - a n t e n n a s y s t e ma r es t u d i e d t h i sc h a p t e r s t u d i e st h ep o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m ea n dt h eu s e r s e l e c t i o na n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h es u mr a t ec a p a c i t yo ft h es y s t e m h e r e i n t o ， p o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h me m p l o y st h et h o u g h to fi t e r a t i v ew a t e r - f i l l i n ga l g o r i t h ma n dt h i s c h a p t e rc o n s i d e r sh o wt og e tt h es l i mr a t ec a p a c i t yo ft h ed o w n l i n kb r o a d c a s tc h a n n e lb yt h e d u a l 时b e t w e e nt h ed o w n l i n kb r o a d c a s tc h a n n e la n dt h eu p i n 口km u l t i p l ea c c e s sc h a n n e l u s e r s e l e c t i o na l g o r i t h ms e l e c t st h ep r o p e rn s e rs e ta c c o r d i n gt ot h es p a t i a lc o m p a t i b i l i t yo ft h e c h a n n e l so f d i f f e r e n tu s e r si no r d e rt og e tt h em u l t i u s e rd i v e r s i t yg a i n i nc h a p t e rf i v e ，t h es p e c t r a le f f i c i e n c yo fd o w n l i n kn e t w o r kb a s e do nl t ei sd i s c u s s e d i n o r d e rt oe n h a n c et h ec o m p e t i t i o na b i l i t yo ft h et e c h n o l o g yo f3 gf t h et l l i r dg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ) i nt h ef i e l do fr a d i oa c c e s s ，3 g p pp u t sf o r w a r dt h ep r o j e c to fl o n gt e r m e v o l u t i o nf o rt h e3 gt e c h n o l o g y , i e l t e i nl t e ，o f d m a ，m i m oa n dv a r i o u sr a d i o r e s o u r c es c h e d u l i n ga l g o r i t h m sa r ew i d e l yu s e d t h ep u r p o s eo ft h es t u d yi st oi l l u s t r a t et h e i n f l u e n c e so fd i f f e r e n tt e c h n o l o g i e so nt h es p e c t r a le f f i c i e n c y i nc h a p t e rs i r t h ew h o l et h e s i si ss a n a m a r i z 缸 k e y w o r d s ：m u l t i a n t e n n a , m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，d y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o n , p o w e r , c a p a c i t y 插图目录 插图目录 图2 1 多输入多输出的信道模型l l 图3 1 使用分配功率和加载比特算法时的多天线系统的系统模型1 7 图3 22 x 2 ，r 哪= 1 0 b i t 时系统总发送功率与系统目标误比特率之间的关系2 2 图3 3 4 x 4 ，凡啊- - 1 0 b i t 时系统总发送功率与系统目标误比特率之间的关系2 2 图3 42 x 6 ，l = 2 时系统容量与平均信噪比之间的关系2 9 图3 54 x 6 ，厶= 4 时系统容量与平均信噪比之间的关系3 0 图4 1 多用户多天线系统的系统模型3 3 图4 2 多天线下行链路广播信道的系统模型3 4 图4 3 上行链路多接入信道的系统模型3 4 图4 4 系统速率和容量与迭代次数之间的关系4 5 图4 5 原始算法的收敛情况。 图4 6m - - 4 , ，= 4 系统速率和容量与系统中用户数目之间的关系4 8 图4 7 f = 4 ，- - 2 系统速率和容量与系统中用户数目之间的关系4 9 图4 8 f = 2 ，= 4 系统速率和容量与系统中用户数目之间的关系4 9 图4 9 使用半正交的用户选择算法时多天线系统的系统框图5 l 图4 1 0 系统速率和容量与正交门限口之间的关系 图4 1 1s n r = 2 0 d b 时系统速率和容量与系统中用户数目之间的关系5 9 图4 1 2s n r = l o d b 时系统速率和容量与系统中用户数目之间的关系5 9 图4 1 3s n r = 2 0 d b 时系统速率和容量与系统中用户数目之间的关系2 6 0 图4 1 4s n r = 1 0 d b 时系统速率和容量与系统中用户数日之间的关系2 6 0 图5 1w r a p a r o u n d 结构的网络模型“ 图5 2 基站天线在水平各方向的归一化增益6 8 图5 3 使用轮询调度算法时的网络频谱效率6 9 图5 4 使用不同调度算法时的网络频谱效率7 0 图5 5 网络的系统模型 东南大学硕士学位论文 图5 6i s d = - 5 0 0 m 时覆盖与功率的关系7 4 图5 7i s d = 1 7 3 2 m 时覆盖与功率的关系7 4 图5 8i s d = 5 0 0 0 m 时覆盖与功率的关系7 5 图5 9 覆盖与i s d 的关系7 5 图5 1 0i s d = 5 0 0 m 时网络覆盖与调制编码方式的关系7 6 图5 1 li s d = 1 7 3 2 m 时网络覆盖与调制编码方式的关系7 6 图5 1 2i s d = 5 0 0 m 时网络吞吐量和功率的关系。7 7 图5 1 3i s d = 1 7 3 2 m 时网络吞吐量和功率的关系7 8 图5 1 4i s d = 5 0 0 0 m 时网络吞吐量和功率的关系7 8 图5 1 5 网络吞吐量与i s d 的关系7 9 图5 1 6i s d = 5 0 0 m 时网络吞吐量与调制编码方式的关系。7 9 图5 1 7i s d = 1 7 3 2 m 时网络吞吐量与调制编码方式的关系8 0 表格目录 表格目录 表1 13 种使用m i m o 技术的无线通信系统。 表5 1 仿真参数，7 2 表5 2 调制编码方案 缩略语 3 g 3 g p p a o a k 戳g 嗵 b c c s i d p c f d d h d r h s d p a i s d m m a c m i m o m m s e 0 f d m o f d m a q o s i 刚 s i s o s 己 s 玎q r s m 缩略语 3 t hg e n e r a t i o n 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp m j e c t a n g l e o l a r r i v a l a d d i t i v ew 1 l i t eg a u s s i 觚n o i s e b r o a d c a s tc h a n n e l c h a n n e ls t a t ei n f o r m a i t o n d i r t yp a p e rc o d i n g f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x h i g hd a t er a t 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 - s i t ed i s t a n c e l o n gt e r me v o l u t i o n m u l t i p l ea c c e s sc h a n n e l 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 n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n ga c c e s s q u a l i t yo f s e r v i c e r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t s i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i o s i g r l a lt oi n t e r f e r e n c en o i s er a t i o s p a t i a lm u l t i p l e x i n g 第三代移动通信 第3 代移动通信伙伴计划 到达角 加性白高斯噪声 广播信道 信道状态信息 脏纸编码 频分双工 高速数据速率 高速下行链路分组接入 小区间距离 长期演进 多接入信道 多输入多输出 最小均方误差 正交频分复用 正交频分复用接入 服务质量 无线资源管理 单输入单输出 信号干扰比 信号干扰噪声比 空间复用 东南大学硕士学位论文 s n r s t b c s t t c s 1 t d t d d u m t s u t r a n w c d m a w l a n w s n s i g n a lt on o i s er a t i o s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g s p a c e t i m et r e l l i sc o d i n g s p a c e - t i m et r a n s m i td i v e r s i t y t i m ed i v i s i o nd u p l e x 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 n s y s t e m u m t st b r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e i - w o r k w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u n i p l 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 w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 信号噪声比 空时分组编码 空时网格编码 空时发射分集 时分双工 通用移动通信系统 u m t s 地面无线接入网 宽带码分多址接入 无线局域网 无线传感网络 学位论文独创性声明 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，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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 表示了谢意。 签名 关于学位论文使用授权的声明 东南大学、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) 授权东南大学研 究生院办理。 签名 第1 章绪论 第1 章绪论 2 0 世纪8 0 年代以来，全球范围内移动通信系统得到了前所未有的发展，这种发展 的势头还在延续，今后甚至会更快与此同时，因特网不论是技术还是业务也以空前的 速度向前发展。随着掌上电脑、智能手机以及个人数字助理等的普及，人们对通过无线 方式随时随地接入因特网获取信息，将会有越来越迫切的需求。这种需求从最初简单的 收发电子邮件，到进行网络浏览、获取多媒体信息以及享受其他多种服务等。因此，结 合无线通信、计算机和因特网，能为广大用户提供更丰富的业务种类、更广泛的覆盖范 围以及更快捷方便的接入方式，这是未来通信系统所必须具备的能力，也是未来通信技 术和业务发展的一大趋势。 第一代移动通信只能提供模拟话音业务目前得到广泛应用的第二代移动通信系统 主要有g s m 系统、i s 1 3 6 t d m a 系统以及i s 9 5 c d m a 系统等它实现了话音的数字 化，并用时分多址替代了频分多址的接入方式，大幅度增加了系统的用户容量但即便 如此，g s m 系统也仅能提供2 6 k b p s 甚至1 4 4 k b p s 的电路交换语音业务以及通过 g p r s 和e d g e 分别提供1 4 4 k b p s 和3 8 4 k b p s 的分组交换数据业务；i s 1 3 6 系统能提供 9 6 k b p s 的电路交换语音和传真业务，其最高数据传输速率可达4 0 - 和k b p s 。i s 9 5 系统 能够提供可变速率接入，其峰值速率分别可以达到9 6 k b p s 和1 4 4 k b p s ，还可以通过使 用蜂窝分组数据网络来提供1 9 2 k t , p s 的数据业务。显然，第二代移动通信系统还不能满 足用户日益增长的对各种多媒体业务的需要 目前，第三代移动通信系统主要有欧洲的w c d m a 、北美的c d m a 2 0 0 0 以及中国 的t d s c d m a 方案，它们都可以在无线蜂窝网络中提供更加丰富的因特网业务和多媒 体业务因特网业务的日益普及，促使移动通信系统向全p 方向发展目前3 g p p 和 3 g p p 2 等标准化组织制定了基于全口的第三代移动通信增强型体制标准。比如3 g p p 制定了称为h s d p a 的增强型第三代移动通信标准，其分组业务峰值传输速率达到 8 m b p s 以上，3 g p p 2 也提出了能够支持高速分组业务的c d m a 2 0 0 0 1 x e v 标准 4 2 1 但 是，第三代移动通信系统所能够提供的业务能力与人们的期望仍然相去甚远另外，第 三代移动通信系统还不能实现与现有各种无线网络，例如无线局域网、卫星网络等之间 的无缝漫游 1 东南大学硕士学位论文 因此，考虑到核心网络传输能力强，而现有的无线网络又不能提供足够的无线接入 速率，以满足用户对多媒体业务的需求，人们已经开始研究新一代移动通信系统。未来 移动通信的目标是，能在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务。具 有高数据率，高频谱利用率、低发射功率，灵活业务支撑能力的未来移动通信系统应将 现有移动通信系统的传输容量和所支持的速率提高十倍甚至数百倍。同时，考虑到无线 局域网、无线城域网系列标准等各种无线接入技术在固定或者便携模式下的高速率数据 传输特点，构建分层的无缝隙全覆盖整合系统，并实现各系统之间的互通，将是通往未 来移动通信系统的必然途径。 随着各种移动通信业务和宽带数据业务的不断发展，无线资源，尤其是频谱资源交得越 来越紧张，如何更高效地利用这些有限的通信资源成为通信新技术发展的焦点所在。同时， 与固定有线通信不同的是，移动通信中的信号要通过自由空间来传输，无线信道的随机时变 性和衰落特性决定了移动通信系统的特殊性和复杂性。为了解决移动通信的可靠性和有效性 问题，新的理论和技术不断涌现。其中，使用m i m o 技术的多天线系统就是近年来在移动 通信研究中的一个重大突破，它是通过在发送端和接收端分别安置多根天线来实现的。具体 来说在多天线系统中，发送天线阵列和接收天线阵列被用来提供空间分集增益( 在给定传输 速率的情况下提高传输可靠性) 和空间复用增益( 在给定传输可靠性的情况下提高传输速 率) ，因此多天线系统能够充分利用空间资源，在不增加系统带宽和天线总发送功率的情况 下，有效地对抗无线信道衰落的影响，大大提高通信系统的频谱利用率和信道容量。据b e l l 实验室公布的结果，采用8 天线收发的d b l a s t 系统可获得4 2b p s h z 的频谱利用率， 是单天线收发系统的4 0 多倍【2 1 。现在m i m o 技术已经在许多通信系统中得到了广泛的 应用。如b e l l 实验室的b l a s t 实验系统、3 g p pw c d m a 系统、3 g p p 2c d m a 2 0 0 0 系 统、无线城域网、新的无线局域网方案以及正在制定的移动宽带无线接入方案等均已经 采用或者计划采用m i m o 技术。表1 1 列出了三种使用m i m o 技术的无线通信系统。 2 第1 章绪论 表1 13 种使用m i m o 技术的无线通信系统 3 g p p ( r e l e a s e6 ) 珏e es 0 2 1 6 ee e8 0 2 1 l n 复用方式w c d m a o f 】) m ao f r ，m 双工方式f d df d d 佃d t d d m i m o 方式s m 删 s 下n ) t h r e a d e d ,v e c t o r , s t b c - v e c t o r l a y e r e d , v e c t o 脚 h y b r i d 0 2 1 基站最大天线数目 24拍 用户最小天线数目122 1 1多天线系统简介 1 1 1多天线系统的发展简史 天线是一种用来发射或接收电磁波的器件，它是任何无线电系统都不可缺少的基本 组成部分发射天线将传输线中的导行电磁波转换为“自由空间”波，接收天线则与此 相反因此可以说，正是由于使用了天线，才使得信息可以在不同地点之间通过电磁波 传输，实现真正的无线通信，而无需任何连接设备。因此可以说，没有天线就无法实现 无线通信，天线在无线电通信中的重要性显而易见 在无线通信中对天线的研究及其应用主要集中在3 个领域1 2 9 1 ： 第一个研究领域是天线及其天线阵列的电磁设计，主要包括天线增益、极化方向、 波速带宽，旁瓣电平、效率和方向图等的设计。 第二个研究领域是到达角a o a 估计，顾名思义，主要集中在对到达天线的波阵面 的到达角进行估计，尽量做到误差最小和分辨力最高。 第三个研究领域是利用天线阵列来提高频谱效率、覆盖范围以及链路传输性能等， 本论文所讨论的多天线系统中的动态资源分配问题即属于这一领域。 多根接收天线和接收分集的使用可追溯到2 0 世纪初的m a r c o n i 时代，早在1 9 0 8 年 m a r c o n i 就提出使用多根接收天线来对抗无线信道的衰落。人们研究发现，多根天线构 成的接收阵列可以有效地克服无线蜂窝系统中的共道干扰 到2 0 世纪7 0 年代，由于数字信号处理技术得到了快速发展，这使得更多的关于天 3 东南大学硕士学位论文 线阵列的自适应信号处理技术的实现成为可能，从而进一步提高了分集性能，降低了干 扰。1 9 9 4 年，p a u l r a j 和k a i l a t h 提出在发送端和接收端同时使用多根天线可增加无线信 道的容量。1 9 9 6 年，r o y 和o t c e r s t e n 提出在基站使用多根天线可在同一信道上支持多 个用户使用。 接下来，b d l 实验室在2 0 世纪9 0 年代中后期一系列研究成果的出台，对多天线系 统的研究起了很大的推动作用，开创了无线通信的一场新的技术革命。 这些成果主要包括：1 9 9 5 年t e l a t e r 和1 9 9 8 年f o s c h i n i 对白高斯信道下多天线系统 信道容量的研究表明，m i m o 技术可大大提高容量。在此基础上，f o s c h i n i 于1 9 9 6 年首 先提出了分层空时编码技术。分层空时编码将信源数据分为若干子数据流，独立地进行 编码、调制，频谱效率可达4 0b p s h z 以上，但它较适于窄带系统和室内环境，不太适 合应用于室外移动环境。 基于此，a l a m o u t i 于1 9 9 8 年在文献【3 0 】。提出了一种发送分集实现方案，即在发送 端，信号经过简单的编码映射，然后经过n 根天线同时发送；接收端准确已知信道状态 信息的情况下，采用一些简单的信号处理技术，即可获得与甩根天线接收分集相同的性 能。 随后，t a r o k h 等人在a l a m o u f i 关于发送分集研究工作的基础上，将这种发送分集 技术结合正交编码，提出空时分组编码s t b c 技术p 1 ；将这种发送分集结合格状编码调 制技术，提出空时网格编码s t t c 技术【4 】。 1 1 2多天线系统的特点 多天线系统在无线通信系统的发送端和接收端都安置多个天线。 在发送端，二迸制数据输入到发送处理模块中，在这里，输入信息进行编码、 星座映射，可能还要进行一定的加权，然后送到各根发送天线上，经过上变频、 滤波和放大后发送出去。 在接收端，接收机将多根接收天线接收的信号进行解调、匹配滤波、接收处理 和译码，以恢复原始数据。可见，多天线系统的出发点是将发送天线与接收天 线相结合以改善每个用户的通信质量( 如差错率) 或者通信效率( 如数据速率) 。 多天线系统的核心思想是空时信号处理，即在原来时间维的基础上，通过使用多根 天线来增加空间维，从而实现多维信号处理，获得空间复用增益或空间分集增益。总之， 4 第1 章绪论 多天线系统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。 信道容量 信道容量是表征通信系统的最重要标志之一。信道容量表示通信系统的最大信息传 输速率。首先对多天线系统的信道容量进行较深入分析的是b e l l 实验室的学者 r e l a t e r 和f o s c h i n i 。他们分别对高斯噪声下多天线系统信道容量的研究表明，在假设各天线互 相独立的条件下，多天线系统的容量比单天线系统有显著的提高。考虑具有t 根发送天 线和，根接收天线的无线通信系统，在接收端准确已知信道状态信息的情况下，m - - n , 时得到与m 成线性增加的信道容量【2 5 】。这些增加的信道容量可以用来提高信息传输速 率，也可以不提高信息率而通过增加信息冗余度来提高通信系统的传输可靠性，或者在 两者之间取得一个合理的折衷。 空间复用提高系统的频谱利用率 在关于信道容量研究的基础上，f o s c h i n i 等人提出了分层空时结构，建立了b l a s t 多天线实验系统，在实验室中获得了2 0 - - 4 0 b p s h z 的频谱利用率，这在普通系统中极难 实现。由于这种b l a s t 系统是将高速信源数据流按照发送天线数目串并变换为若干子 数据流，独立地进行编码、调制，然后分别从各根发送天线上发送出去，因而严格说它 不是基于发射分集的，而被称为空问复用技术。由于这些数据流占据相同的频带，因此 经过无线信道后，信号发生了混合。在接收端，利用估计的信道特性，接收机按照一定 的译码算法分离独立的数据流并给出其估值。根据发送端对输入串行数据流进行分路方 式的不同，主要有垂直( v - b l a s t ) 、对角( d b l a s t ) 和平行( h b l a s t ) 3 种空间 复用方案。这种纯粹的空间复用系统实际上是自由度受限的，较适用于高信噪比的情况， 它追求的是速率的极大化，因此对于一定的差错率目标来说，空间复用系统并非最佳的 传输方案。一般来说，这里的自由度指的是发送天线和接收天线数目的最小值。 发送分集提高系统的传输可靠性 多天线系统的一个主要特征是，它可以将多径作为一个有利因素加以利用。通常， 在传统的无线通信系统中多径要引起衰落，这是造成误码的主要原因之一，因而被视为 有害因素。然而研究结果表明，多天线系统能利用多根天线所带来的多条传输路径来获 得空间分集增益，从而提高系统传输可靠性。 另一方面，如前所述，多天线系统能够提供高的频谱效率，但要真正实现这一点却 很困难。比如，在信道变化很快的环境下，信道等效的独立数据流的数目也发生较大的 5 东南大学硕士学位论文 变化。这时，要从多天线无线信道获得最大频谱效率的空时分层结构，其差错性能可能 会相当差。其实，从工程角度看，链路的效率是由发送数据流的数目和每个数据流的差 错率水平共同决定的，而不仅仅取决于数据流的数目，因此能影响通信系统差错性能的 措施，比如对于多天线信号的编码，在多天线系统的设计中也显得非常重要。 基于分集目的的空时编码技术追求的是分集效果的极大化，这可能会导致速率的损 失。空时编码技术有效地结合了编码、调制以及分集技术，在获得分集增益的同时，在 一定条件下也可获得编码增益。这样，并行信道数目的减少只会导致分集效果的减少， 而不会引起系统性能的迅速恶化。这种基于发送分集的空时编码技术主要包括空时分组 编码和空时网格编码两大类。空时网格码可以同时获得分集增益和编码增益，但其译码 复杂度却很高；虽说空时分组码只能获得分集增益，但却由于编译码简单、易于实现而 受到广泛关注，并已经被3 g p p w c d m a 等标准采纳。 1 1 3多天线系统的研究现状 由于多天线系统具有很多诱人的优点，因此它一经提出，就得到了广泛的关注。目 前对它的研究可谓方兴未艾，对其基本理论、关键技术的研究正在全面展开，主要集中 在多天线系统中的发送分集和空间复用、波束成形、空时编码、空时弥散码、定时同步 以及信道估计等方面。 目前对于多天线系统的另一研究热点是宽带多天线系统，即m i m o - o f d m 系统。 o f d m 技术利用串并变换和正交性将信道分成若干正交的窄带子信道，从时域看是展宽 了o f d m 符号的持续时间，交高速数据信号为并行的低速子数据流；从频域看是将频 率选择性信道变为平衰落信道【3 9 】。而m i m o 技术在平衰落信道上可显著提高信道容量， 且实现复杂度不高。因此，将m i m o 技术和o f d m 技术相结合构成的m i m o o f d m 系 统可以充分发挥m i m o 技术和o f d m 技术各自的优势，即通过o f d m 调制把频率选择 性多天线衰落信道转换成一组并行的平坦衰落信道，再利用m i m o 技术来提高系统信 道容量。也正是基于此原因，m i m o o f d m 系统被视为下一代移动通信系