（电路与系统专业论文）无线mimo系统的传输性能研究.pdf

摘要 摘要 现代无线通信面临着频谱资源有限，时变无线传输环境复杂等困难。随着 对更高的数据传输率、更好的服务质量、更能大的网络容量和覆盖的需求的增 大，出现了许多能够提高频谱效率和传输可靠性的新技术和新方案。在无线通 信系统的发射机和接收机处使用多 元天线阵， 也就是无线m i m o ( m u i t i p l e - i n p u t mu l t i p l e - o u t p u t ，多入多出)系统技术，就是其中之一。随着对m i m o技术的 研究的深入，它所能够提供的性能增益也越来越引人注目。目前，mi mo技术 已经被引入诸如 u n i t s和 c d ma 2 0 0 0标准中。 在固定无线接入和 wl a n应用 中，mi mo技术也被 i e e e 8 0 2 . 1 6 和8 0 2 . 1 1 标准制订者作为一种重要实现方案 进行研究。 概略的来说，mi mo系统可以通过空间复用技术提高数据传输率，或者通 过发射分集方法提高传输可靠性。本文针对这两方面做了以下工作: 1 、在空间复用技术应用方面，最早的是贝尔实验室做出的垂直分层空时 ( v - b l a s t ) 传输系统。 但是他们提出的接收机检测算法一一迫零一判决反馈消 除 ( z f - d f e ) 算法一一并不是最优的， 其性能受到符号分量的检测顺序和差错 传播的影响。本文提出了逐符号最大似然判决 ( s s ml )算法就不存在上述的 缺点，同时也是在误码率最小意义上最优的 v - b l a s t检测算法，仿真结果表 明，s s ml算法的误码性能比 z f - d f e算法有着显著的提高。针对 s s ml算法 计算复杂度较高的特点，我们提出使用径向基神经网络 ( r b f n n)的实现方 法，利用神经网络硬件的并行计算，数据存储等特点使 s s ml算法在实际系统 中的应用成为可能。 2 、在发射分集技术方面，研究表明采用空时分集编码的 mi mo系统的性 能与信道矩阵的特性密切相关。 但是经典的mi mo信道模型都是假设对应于不 同发射一接收天线对的无线传输链路是准静态 ( q u a s i - s t a t i c )独立同分布的瑞 利衰落信道。但是在实际应用中，经常会出现移动台移动速度较快、天线阵的 阵元间距不足等问题，此时再采用准静态独立同分布的瑞利衰落模型就不够准 确了。本文利用矩阵的知识，用向量和矩阵的表示方法给出了一个能够在相关 快衰落信道下进行系统性能分析的通用mi mo信道模型。 进一步， 通过对信道 矢量的协方差矩阵的构架，这个通用信道模型可以综合考虑诸如莱斯衰落、空 间衰落相关、时间衰落相关等情况下的信道特性。 3 、在本文提出的通用 mi mo信道模型下，我们对空时分集编码在相关快 衰落信道下相干最大似然接收机的性能 ( 成对误符号率)进行了分析，并分别 华南理工大学博士学位论文 得到了空时分集编码在快衰落时空相关瑞利衰落和莱斯衰落信道下的契尔诺夫 c c h e r n o f f )上界的准确表达式。进一步，本文分析了信道的空时相关特性对 空时分集编码的性能影响。得出分集增益不受信道相关性的影响，但是编码增 益则有一定的损耗的结论。本文给出了编码增益损耗的定量表示。仿真结果证 明，本文的分析是正确的。 4 、 考虑到快衰落下信道衰减系数的迅速变化将导致信道预测的准确性和实 时性面临巨大的困难，本文对不需要已知信道状态信息的空时分集编码的非相 干接收机进行了研究。在本文建立的通用mi mo信道模型的基础上，本文对差 分空时酉码的最大似然接收机进行分析，得到了这种接收机的成对误符号率的 准确表达式，并用仿真结果给出信道的相关性对接收机性能的影响。 关键词:多入多出;垂直分层空时传输方案;成对误符号率:快衰落;衰落相关 ab s t r a c t ab s t r a c t mo d e r n w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s m u s t c o p e w i t h c r i t i c a l p e r f o r m a n c e - l i m i t i n g c h a l l e n g e s t h a t i n c l u d e l i m i t e d a v a i l a b i l i t y o f r a d i o f r e q u e n c y s p e c t r u m a n d a c o m p l e x t i m e - v a r y i n g w i r e l e s s e n v i r o n m e n t ( f a d i n g a n d m u l t i p a t h ) . me e t i n g t h e i n c r e a s i n g d e ma n d f o r h i g h e r d a t a r a t e s , b e t t e r q u a l i t y o f s e r v i c e , f e w e r d r o p p e d c a l l s , h i g h e r n e t w o r k c a p a c i t y , a n d u s e r c o v e r a g e c a l l s f o r i n n o v a t i v e t e c h n i q u e s t h a t i m p r o v e s p e c t r a l e f f i c i e n c y a n d l i n k r e l i a b i l i t y . t h e u s e o f m u l t i p l e a n t e n n a s a t t h e r e c e i v e r a n d t r a n s m i t t e r i n a w i r e l e s s s y s t e m, p o p u l a r l y k n o w n a s mi mo ( mu l t i p l e - i n p u t mu l t i p l e - o u t p u t ) w i r e l e s s i s a n e m e r g i n g c o s t - e f f e c t i v e t e c h n o l o g y t h a t p r o m i s e s s i g n i f i c a n t i m p r o v e m e n t i n t h e s e m e a s u r e s . a g r o w i n g a c k n o w l e d g m e n t o f t h e p e r f o r m a n c e g a i n s f r o m mi mo t e c h n o l o g y h a s s p u r r e d t h e i n s e r t i o n o f t h i s t e c h n o l o g y i n t o w i r e l e s s s t a n d a r d s , n o t a b l y t h e m o b i l e s t a n d a r d s s u c h a s u mt s a n d c d ma 2 0 0 0 . mi mo t e c h n i q u e s a r e a l s o u n d e r s t u d y i n i e e e 8 0 2 . 1 6 a n d 8 0 2 . 1 1 s t a n d a r d s f o r f i x e d a n d wl a n a p p l i c a t i o n s r e s p e c t i v e l y . b r o a d l y , mi mo s y s t e m c a n u s e d s p a t i a l m u l t i p l e x i n g t o i n c r e a s e d a t a r a t e , a n d t r a n s m i t d i v e r s i t y t o i n c r e a s e l i n k r e l i a b i l i t y . t o t h e s e t w o a s p e c t s , t h e m a i n c o n t r i b u t i o n s a n d i n n o v a t i o n s i n t h i s d i s s e r t a t i o n a r e : 1 . t h e f i r s t e x p e r i m e n t m o d e l o f s p a t i a l mu l t i p l e x i n g i s t h e v e r t i c a l b l a s t ( b e l l l a b o r a t o r i e s l a y e r e d s p a c e - t i m e ) o r v - b l a s t . b u t t h e c l a s s i c a l d e t e c t i o n a l g o r i t h m t h e y u s e d , t h e z f - d f e ( z e r o f o r c i n g - d e c i s i o n f e e d b a c k e q u a l i z a t i o n ) a l g o r i t h m , i s n o t t h e o p t i m u m. a n d t h e p e r f o r m a n c e o f z f - d f e s u f f e r e d f r o m t h e s e l e c t i o n o f t h e d e t e c t i o n o r d e r o f t h e s y m b o l c o m p o n e n t s a n d e r r o r p r o p a g a t i o n . we s u g g e s t a n o p t i m u m d e t e c t i o n a l g o r i t h m一 一 t h e s s ml ( s y m b o l - b y - s y m b o l ma x i m u m a p o s t e r i o r p r o b a b i l i t y ) 一一i n t e r m s o f m i n i m u m b i t - e r r o r - r a t e . t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s h o w s t h a t t h e p e r f o r m a n c e o f s s ml i s m u c h b e t t e r t h a t z f - d f e . f u r t h e r mo r e , w e s h o w t h a t t h e s s ml a l g o r i t h m c a n b e i m p l e m e n t e d t h e r a d i a l b a s i s f u n c t i o n n e u r a l n e t w o r k . t h e r e f o r e , b y u s e d o f t h e a d v a n t a g e o f t h e p a r a l l e l c o m p u t a t i o n a n d d a t a r e s t o r a t i o n o f t h e n e u r a l n e t w o r k , t h e s s ml a l g o r i t h m c a n b e e m p l o y e d i n t h e r e a l wo r l d . 2 . r e s e a r c h s h o w s t h a t t h e p e r f o r m a n c e o f t r a n s mi t d i v e r s i t y d e p e n d s s t r o n g l y o n mi mo c h a n n e l m a t r i x c h a r a c t e r i s t i c s . mo s t e x i s t i n g w o r k s h a v e f o c u s e d o n q u a s i - s t a t i c f l a t r a y l e i g h f a d i n g c h a n n e l . b u t i n t h e r e a l w o r l d , t h e r e e x i s t m a n y t o 华南理工大学博士学位论文 c h a n n e l e f f e c t s s u c h a s r i c i a n f a d i n g , s p a t i a l f a d i n g c o r r e l a t i o n , t e m p o r a l f a d i n g c o r r e l a t i o n a n d f a s t f a d i n g . t h i s d i s s e r t a t i o n g i v e s a g e n e r a l mi mo c h a n n e l m o d e l w h i c h c a n b e u s e d u n d e r f a s t f a d i n g c h a n n e l . f u r t h e r m o r e , w e g i v e a n e w f a d i n g c o r r e l a t i o n s t r u c t u r e c a p a b l e o f c a p t u r i n g a n y c o m b i n a t i o n o f r i c i a n f a d i n g , s p a t i a l f a d i n g c o r r e l a t i o n a n d t e m p o r a l c o r r e l a t i o n . 3 . u n d e r t h e g e n e r a l mi mo c h a n n e l m o d e l , w e a n a l y z e t h e p e r f o r m a n c e o f t h e s p a c e - t i m e t r e l l i s c o d e a n d g e t t h e c l o s e - f o r m s o l u t i o n o f t h e c h e r n o f f b o u n d o f t h e a v e r a g e p a i r w i s e e r r o r p r o b a b i l i t y . f u r t h e r m o r e , w e c o n c l u d e t h a t t h e c h a n n e l f a d i n g c o r r e l a t i o n h a s n o t h i n g t o d o w i t h d i v e r s i t y a d v a n t a g e , b u t t h e c o d e a d v a n t a g e w i l l b e a f f e c t e d . we p r o v i d e t h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n t h e l o s s i n c o d i n g a d v a n t a g e a n d t h e f a d i n g c h a n n e l c o v a r i a n c e m a t r i x . f i n a l l y , t h e s i m u l a t i o n i s s h o w n 4 . c o n s i d e r i n g t h e f a d i n g c o n d i t i o n s m a y c h a n g e s o r a p i d l y t h a t c h a n n e l e s t i m a t i o n i s d i f f i c u l t o r r e q u i r e s t o o m a n y t r a i n i n g s y m b o l s , i t i s u s e f u l t o d e v e l o p m o d u l a t i o n t e c h n i q u e s t h a t d o n o t r e q u i r e c h a n n e l e s t i m a t e s a t t h e t r a n s m i t t e r o r r e c e i v e r . d i f f e r e n t i a l s p a c e - t i m e u n i t a r y c o d e i s o n e o f t h e w e l l - k n o w n d i f f e r e n t i a l s p a c e - t i m e c o d e . we d e r i v e t h e o p t i m a l a n d s u b o p t i m a l n o n - c o h e r e n t r e c e i v e r s o f d i f f e r e n t i a l s p a c e - t i m e u n i t a r y c o d e u n d e r f a s t f a d i n g a n d g e t t h e e x a c t p a i r w i s e e r r o r p r o b a b i l i t y o f t h e m k e y w o r d : m u l t i p l e - i n p u t m u l t i p l e - o u t p u t ; v - b l a s t ; p a i r w i s e e r r o r p r o b a b i l i t y ; f a s t f a d i n g ; f a d i n g c o r r e l a t i o n i v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作 者 签 名 : a 度日 期 : ? k o年 个月 弓日 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， 同意学校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。本人授权华南理工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。 保密口，在_年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打 “j ) 作者签名: 导师签名: a -丈狐 ? / / 日 期: -7 ,j v 4 年千月l 日 日 期 : 尸丫 年牛 月 l j 日 第一章 绪 论 第一章 绪 论 1 . 1 引言 无线通信是当今世界最活跃的科研领域之一。 它突破了有线通信的物理限制， 使得用户可以自由的在任何无线电波能够到达的地方进行通信。这大大拓宽了通 信的空间和活力。截至 2 0 0 4年 2月，仅中国就有超过 2 . 8 亿移动电话用户，在世 界范围内，移动电话用户数目己经超过了固定电话用户。无线通信产业的迅速增 长驱动了无线通信技术的发展和创新。正如二十世纪九十年代时有线通信迅速发 展时一样，目前无线通信面临的主要问题是如何提供更高的数据传输率。虽然在 有线通信中仍然有很多技术问题没有解决，但是诸如光纤、路由、交换机等技术 己经足以满足用户对数据传输率的需求。无线通信则面临着更加困难的问题。由 于无线通信借以提高数据传输率的传统资源一一频率带宽和发射功率一一 目前都 己濒临饱和，因此要依靠增加这两种资源的损耗来提高传输率是行不通的。而用 户对对图像传输，电话会议等高传输率数据业务的需求己经越来越迫切。现今世 界上主要使用的第二代 ( 2 g)移动通信网络受到其最初设计目的的限制 ( 2 g 的 设计目的是提供移动语音业务和低速率的数据业务) ， 根本无法满足用户的这类需 求。自然的，人们开始研究全新的移动通信技术。时至今日，第三代 ( 3 g)移动 通信标准己基本定型，多家著名的通信设备商，如爱立信、摩托罗拉和北电都己 拿出了自己的系统解决方案，在韩国、日本等地 3 g网络甚至己经被商用。但是 由于 3 g主要采用的还是传统的无线通信技术，能够提供的数据传输率还是偏低 ( 3 8 4 k b p s 至2 m b p s ) ，运营商无法给出“ 杀手”业务来吸引用户，3 g在全世界 的大规模商用举步维艰。此时，一种新的不需要损失频带和发射功率资源就能提 供前所未有的数据传输率的技术进入了人们的视野，那就是mi mo 多入多出， m u l t i p l e - i n p u t m u l t i p l e - o u t p u t )无线通信技术。目 前， m i m o技术已 经被视作第 四代 ( 4 g)移动通信技术的重要组成部分受到通信界的强烈关注。图 1 - 1 给出了 移动通信技术的发展历程和各代技术提供的主要业务。 1 . 2 无线 mi mo通信系统 未来的宽带无线通信网络将为汽车，住宅和小型娱乐场所中的移动用户提供 接入服务， 需求的数据传输率将达到3 0 m b p s 。 这将大大超过3 g移动通信系统的 华南理工大学博士学位论文 图1 - 1无线通信的技术换代 t 1 f i g . 1 一 1 w i r e l e s s s e r v i c e s e v o l u t i o n t h r o u g h d i f f e r e n t g e n e r a t i o n s f l 能力。对更高的数据传输率、更好的传输质量、更少的掉话，更大的网络容量和 更广阔的覆盖范围的需求呼唤着技术的革新以获取更高的频谱利用率和更可靠的 传输链路。在无线链路的两端一一发射机和接收机一一同时采用多元天线阵，也 就是mi mo无线通信，就是一种能提供前所未有的频谱效率的新技术。 我们先说明一下为什么在无线信道上进行数据传输如此困难。这主要是受到 无线信道本身固有的物理特性影响。无线通信的主要难题在于无线传输环境中的 障碍物对信号产生反射和散射，从而造成的多径效应会令传输的信号发生衰减和 畸变一一我们称之为衰落。 一般来说， 我们使用瑞利衰落 ( r a y l e i g h f a d i n g ) 模型 来表征这种现象。就性能而言，瑞利衰落信道对通信系统的性能影响远大于 a wg n( 加性高斯白噪声，a d d i t i v e wh i t e g a u s s i a n n o i s e )信道。为了说明这个 问题，我们以b p s k( 二进制相位调制， b i n a r y p h a s e s h i f t k e y i n g ) 为例。众所 周知，b p s k调制在a wg n信道下的误比特率为12 1 。 一 q c 2 e o ( 1 一 1 ) 其中e b / n 。 表示每比 特信息的信噪比，q ( ) 为高斯q方程2 1 q (-，一 六f 11f e 2dt ( 1 - 2 ) 在瑞利衰落下，e b / n o 是一随机变量，如令r b = ( e b i n o ) ，它服从瑞利分布有 第一章 绪 论 ， (。 ) 一 生 e x p (一 。 o rb ) r b 式中y 6 表示是 平均信噪比，瓦 = ( e b 1 n o ) e i 了 。 a 是接收信号幅 度的包 络( 瑞利分 布 的) 。这样对于b p s k的p 、 有2 1 。 一 1 1 一 _ t b 1 2 戈 v 1 + 瓦 ) ( 1 - 3 ) 由于在一般的研究讨论中，为了 便于分析，都将均值 e ( a 2 归一化为 1 ，因此 r b = ( e b / n o ) 。当e b / n o 足够大时，也就是说，e b / n o 1 时，上式可简化为 只 一 1 4e,/n ( 1 - 4 ) 这说明在瑞利衰落信道下，误比特率近似与信噪比的倒数成正比，而不是加性高 斯白噪声下的逆指数关系。 b p s k调制在瑞利衰落信道下的性能如图 1 - 2所示。与b p s k调制在 a wg n 信道下的性能比较，容易观察得，要取得同样的传输可靠性，在瑞利衰落下我们 需要更大的信噪比。 面对这样的难题， 传统的s i s o( 单入单出， s i n g l e - i n p u t s i n g l e - o u t p u t ) 中，设计时一般预留一定发射功率 ( 也就是所谓的衰落余量)来抵抗衰落。 系统 但是 一 十 a w g n 一 公 日 a y le lg h f a d in g 者一一一q。qoj几jojj山一山 1 0 i 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 e b / n , (d b ) 图1 - 2 b p s k调制在瑞利衰落信道下的性能 f i g . 1 - 2 b p s k p e r f o r m a n c e o v e r r a y l e i g h f a d i n g c h a n n e l s 显然这种方法会降低基站的覆盖范围。无线信道的其它局限还包括延时扩展和 华南理工大学博士学位论文 c o ( 同频千扰， c o - c h a n n e l i n t e r f e r e n c e ) 。延时扩展是由于发射信号是经过许多 不同延时的不同路径到达接收机的，相当于接收机 “ 看到”的接收信号的时间间 隔变长了。这种自干扰效应大大的增加了接收机提取发射信号信息的复杂度。最 后，由于无线频谱是有限的。在蜂窝无线通信系统中，许多不同的用户使用相同 的频率进行通信。这导致对期望信号的千扰 ( c c i ) ，从而令信号质量变差。 1 . 2 . 1 mi mo系统的性能增益 通过在无线通信系统的发射机和接收机上安装多元天线阵，我们可以采用多 种手段来抵抗无线信道的不良影响，从而提高通信的质量。图 1 - 3 就是mi mo无 线通信系统的框图。 输入数据先经过编码和调制， 然后被根据不同的发射天线( 空 间)和不同的发射时间被映射到一个空时二维空间中。从发射天线阵列种发射的 信号通过 mi mo无线通信信道 ( 用矩阵h表示) 并到达接收天线阵列。 接收机根 据发射机的发射方案对接收到的信号进行解调和解码，最后提取信息数据。 概略的说，mi mo系统主要能获得以下两方面的性能增益:空间复用增益和 分集增益。下面我们进行简单的介绍。 1 . 2 . 1 . 1空间复用 ( s m)增益 只有在 m i m o信道下才能提取空间复用增益【 3 - 5 1 。在合适的信道条件下，空 间复用技术在相同的工作频带产生了多个并行的空间数据通道，而且并不需要花 费额外的发射功率。我们可以获得线性 ( 与接收天线数目和发射天线数 目的最小 值)增长的传输速率。具体的分析我们将在第二章详细介绍。 1 . 2 . 1 . 2 分集 ( d i v e r s i t y )增益 分集是无线通信中经常使用来抵抗衰落的一种方法。所谓分集，就是为保障 传输质量，发送端采取某种方法通过相互独立的衰减信道传输同一信号的多个副 本 ( 也称为分集分支) ， 以降低接收端无法辨识信号的概率的一种技术。 分集分支 的个数称为分集级数。一般来说，分集技术分为以下几种2 ,6 . 时间 ( 延时)分集:在不同的时刻发送刻承载相同的信息的信号，要求两个 传输时刻之间的间隔必须大于信道相关时间。结合交织的信道编码就是获取时间 分集的有效方法。在快衰落环境 ( 也就是移动台快速移动时)下这种方法特别有 效。 但是，在慢衰落时 ( 也就是移动台缓慢移动或者固定无线应用时) ，要想获得 较大的时间分集，就需要非常大的交织深度，不利于进行实时性要求高的服务。 频率分集:在频率不同的载波上传输承载相同的信息的信号，要求两个频带 之间的间隔必须大于信道的相关带宽以保证独立性。由于需要使用多个频率，这 第一章 绪 论 种方法的频谱效率比较低。自然的，经常在频率选择性信道上应用这种方法，此 时也常被称为路径分集。当多径延迟扩展与发射符号间隔可比较时，接收信号可 以被认为是多个发射信号的线性叠加，其权重为各独立信道的衰减系数。因此， 通过r a k e接收机 ， 在不同的时刻提取出多径分量，我们就可以获得路径分集。 对于频率选择性信道，这种接收机是最佳的。 h 图 1 - 3 f i g . 1 - 3 t h e mi mo系统原理框图 b l o c k d i a g r a m o f a mi mo s y s t e m 天线 ( 空间)分集:在实际应用中假如两天线间隔超过发送信号波长的 1 / 2 , 那么这两个天线发送或接受到的信号可以认为经过两个不相关的空间信道传输。 在不相关的空间信道传输承载相同信息的信号就称为天线分集。当系统的频谱资 源不充裕时，这种方法特别有吸引力。 时域分集技术和频域分集技术的缺点在于必须使用额外的时间或者频谱资源 来引入发射信号的冗余副本。这将导致频谱效率的损失。空域分集则没有这个缺 点。在s i m o( 单入多出， 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 ) 信道下的接收天线分集 技术己经基本成熟。在合适的信道条件下，接收机将收到同一发射信号的多个独 立衰减副本。接收机将这些副本按照某种准则结合起来，然后进行最终的信号判 决。 这将比接收机只使用一根天线时性能好得多。 分集级数等于接收天线的数目。 最常见的接收分集技术包括选择合并，最大比合并和等增益合并。在概念上，选 择合并是最简单的:每次接收都在n条分集分支中选出信噪比最大的那一路。由 于这种技术只需要测量各分支的功率并使用一个选择器来选出最大者，因此实现 比较简单。但是，由于它仅仅使用了一个分支的信息而不是将所有分支携带的信 息一起考虑，因此它不是最优的。与之相反，最大比合并使用一个线性组合器把 n条分支的输出结合起来，线性组合器的系数是按照最大信噪比原则来选择的。 当线性组合器各支路的系数与影响该支路的衰减系数相等时，取得最大值。虽然 最大比合并技术在最大化信噪比的意义上来说是最优的，但是它需要预测衰减系 华南理工大学博十学位论文 数。最大比合并的一个比较简单的版本是等增益合并，也就是说线性组合器的系 数都相等，且都等于 t o 为了更清楚的说明分集技术对信道衰减的抑制作用，我们考虑已知准确 c s i ( 信道状态信息， c h a n n e l s t a t e i n f o r m a t i o n ) 的最大比合并的情况。 假设使用b p s k 调制，这种情况下的 误比 特率为2 1 , 。 - ( 1 一 y ) n r ( 了 卜= 1 i / i l 2 夕属 n 一1 十n 丫 1 + y 丫 人 2 ) ( 1 - 5 ) 其中n为分集级数，如果采用的是空间分集的话就是接收端天线的个数。v 定义 为 y二 e 6 1 n o 1 + e b i n o ( 1 - 6 ) 当信噪比 e b l n o 足够大时，公式 ( 1 - 5 )可近似等于 n 、ijj 2 n 一1 1 4 瓦 i n , ( 1 - 7 ) zrleseses、 凡 显然，差错概率与信噪比的指数成反比。当n增长时，衰落信道与分集综合来看 就与高斯情况差不多了 ( 如图 1 - 4 所示) 。因此，选择恰当的 n，就可以在衰减信 道上获得令人满意的误码性能。 接收空间分集技术己经广泛的应用在现有的无线通信系统中的上行信道 也 就是从移动台到基站)中。但是想在一 f 行链路上采用接收分集却非常困难。原因 是受到手机的大小和成本的限制，在手机上安装多根天性和多个下变频设备基本 是不可能的。因此，通信工程师开始考虑在基站上安装多根发射天线以在下行信 道获得空间分集。这种方法比在手机上安装天线要便宜和方便得多。 虽然发射分集有这么显而易见的优点，可是在以前它被认为是不可能被应用 的。一部分原因是一般认为发射机要获得信道信息要比接收机难得多。令一个难 题是信号设计问题也非常复杂。直到最近，发射分集才被广泛的研究并被当作抑 制无线信道衰落的一种可行的解决方案。 发射分集技术适用于m i s o信道情况下， 它己经成为近几年的研究热点 1 2 - 2 2 1 。 不 管发射机是否己知信道状态信息都可以获取分集优势。当然，这需要对发射信号 进行适当的设计。 空时分集编码( 2 3 . 3 4 1 就是一种在发射机不知道信道信息的情况下 也能够提取空间分集优势的发射分集技术。如果对应于不同发射天线和接收天线 的传输信道是相互独立的，那么信道的分集级数等于传输天线的数目。我们将在 第四章中详细介绍。 m i mo信道下的分集技术将发射分集和接收分集结合起来。假设对应于不同 的发射一接收天线对的传输信道相互独立，此时分集级数等于发射天线的数 目乘 第一章 绪 论 以接收天线的数 目。 注意到，这两种增益各有各的实现条件，有时甚至是相互抵触的，不一定能 够将两者同时采用。但是对应不同的应用环境和需求，通过选择正确传输方案， 使用正确的编码设计和接收机设计，mi mo在提升系统性能方面是很有优势的。 ma x ima l r 川i o c o mb in i n g w it h n r e c e h e r a nte n n a s n=1 n=2 n= 3 n= 4 升巨+降 二三 于 于三一罗 性 尸 了 勺花 三三二三 : 二 二 二 二 二 二 二 二 二 : : : 二 二 二 二 二 二 二 口 二 二 二 : 二 二 三 三 三 压 忿 一.一1一 二 牛 圣卫 路 弱 兹一 1 0 云 三，、三 兰 三 二 - 三 三 三 三 口 百 那喊 三 5 兰 兰 三 三 三 : 二 己 竺 三 三 ;鬓 弓 三 三 三 三 二 二 三 军 书 3 3 、 _ _ _ _ 甭 - iic c-n i 二 弓 兰 非 三 三 三 三 者一1一q。qojo-吕山一9 一 一 一 一， 二一二nww 一: 犷 三 三 三 三 三 三 三 片 粤 鑫 2 1; % _ 重 重 里 蚕 班 z 吞 于 手 全 至 至 至 至 全 丢 一 一 一 一 一 一 一 j _ _ _ _ _ _ j_ _ _ _ _ 一止15 051 02 02 53 0 e b m o (d b ) 图 1 - 4 采用最大比合并的 b p s k 调制在衰落信道下的性能 f i g . 1 - 4 b p s k p e r f o r m a n c e o v e r f a d i n g c h a n n e l s w i t h ma x i m u m - r a t i o - c o m b i n i n g 1 . 3 mi mo系统的传输方案 为了充分发挥 mi mo系统的特点，提取 mi mo信道的空间增益，研究学者 们提出了许多传输方案。大致来说可以分为两大类:( 1 ) 空间复用 ( s p a t i a l m u l t i p l e x i n g ) , ( 2 ) 发射分集 ( t r a n s m i t d i v e r s i t y ) 。 空间复用技术主要侧重于最大 化传输信道的频谱效率，发射分集技术则侧重于提高传输的质量和可靠性。下面 我们简单的介绍这两种发射方案。在下面的描述中，我们假设接收机己知信道状 态信息 ( c h a n n e l s t a t e i n f o r m a t i o n , c s i ) ，但是发射机则不知道信道状态信息。 1 . 3 . 1空间复用 空间复用的基本原理如图 1 - 5所示。这是一个发射机和接收机都使用二元天 线阵的系统。需要被发射的原始符号流先是经过串一并转换器分为两个子符号流 7 华南理工大学博士学位论文 一一一个由排在偶数位的符号组成，一个由排在奇数位的符号组成。两个子符号 流同时由两根发射天线发射并在接收天线处相互干扰 ( 被称为多子符号流干扰 ( m u l t i - s t r e a m i n t e r f e r n e c e , m s i ) ) 。 但是， 在合适的 信道条 件下， 两根发 射天线 发射的符号经过完全独立的空间信道，可能呈现完全不同的符号特性。根据这些 不同的特性，接收机可以将每个子符号流都检测出来并且复用到一个符号流中， 从而重建原始符号流。由于一个发射机安有 n 。 元天线阵，接收机安装了n r 元天 线阵的mi mo系统经历的无线信道是由n t n r 个 s i s o无线子信道组成的， 我们用 n , x n ， 的 矩阵h来表示。 研究文献表明3 , 4 1 ， 我们在某个给定的信道样本h上可 能建立的并行符号符号流的的数 目等于 h 的秩。当 h 满秩时，也就是 r a n k ( h ) = m i n ( n t , n r ) 时，空间复用可以提供的信息传输率将正比于r a n k ( h ) 线性增 长。从而实现mi mo系统的容量增益。当n r n t 时， mi mo系统在一个符号间隔 内的有效传输符号数为n , a 图 1 - 5空间复用技术原理框图 f i g . 1 - 5 t h e b l o c k d i a g r a m o f s p a t i a l m u l t i p l e x i n g 空间复用技术己经被b e l l 实验室变成了现实9 , 1 0 。 根据空间复用的基本原理， a t . a * , x . 分别表示复矩阵a和复变量x 的复数共骊; . i m 表示mx m的单位矩阵; . d e t ( a ) 表示求矩阵a的行列式; . t r ( a ) 表示求矩阵a的迹; . r a n k ( a ) 表示求矩阵a的秩; . e ( 力表示求随机变量y 的数学期望; . y - c n ( ,u , r ) 表示随机矢量y - 满足数学期望为p ， 协方差矩阵为r的循环对 称的复高斯分布; . a .b 表示矩阵a和b的k r o n e c k e r 乘积: . v e c ( a ) 表示将矩阵a的所有列堆叠而成的矢量，详见4 . 3 . 1 .2 节: . iix i表示矢量x 的欧几里得范数 ( e u c l i d e a n n o r m ) : . ija ii 表示 矩阵a的f r o b e n i u s 范 数。 . c o v ( x ) 表示求随机矢量x 的协方差矩阵。 . a l u 表示矩阵a的第i 行，第1 列的元素。 第二章 m i m o无线信道及其容量 第二章 mi mo无线信道及其容量 本章我们将对 m i mo无线信道的物理模型4 5 和输入一输出离散信号模型进 行简单的介绍。 2 . 1 mi mo无线信道 首先， 我们来看看 s i s o信道的信道冲激响应。 记时变 s i s o信道冲激响应为 h ( r , t ) 。它表示在时刻t - t 时发射机发出冲激，使得时刻t 时接收机发生的响应。 假设信道冲激响应是因果的，如果信号 : ( 0 被发射，接收信号如下所示 ( 忽略接 收机的噪声) y ( t ) =s ( t ) eh ( ,r , t ) ( 2 - 1 ) 一 f m- h ( t ,t ) s ( 一 z ) ( 2 - 2 ) 其中田表示卷积，t . . ; 表示信道的最大延时扩展。 一个装有n : 根发射天线和n r 根接收天线的mi mo信道由n , n ， 个s i s o子信 道组成。我们将对应第j ( 1 = 1 , 2 , ， n , )根发射天线和第i ( i = 1 , 2 , ， n r ) 根接 收天线的子信道的时变冲激响应记为h i , ( r , t ) . mi mo信道可以用矩阵h ( r , t ) 表示 t