（信号与信息处理专业论文）mimo无线通信系统中的空时编码与预编码研究.pdf

摘要 多输入多输出( m i m o ) 系统因为在容量和分集方面的卓越性能，成为未来无线通信系统的发展方 向。近十年来，针对m 1 m o 系统的通信技术，如空时编码、空间复用和空分多址，成为无线通信领 域的研究热点并取得很多进展。本论文研究了m i m o 系统中的差分空时编码技术、单载波频域均衡 技术，多用户下行链路预编码技术以及用户调度技术。论文的主要创新点列举如下： 1 提出了用发射信号矩阵的幅度分量传递多个比特以提高频谱效率的差分空时编码方案，并针对 该方案推导了利用相邻的两个编码周期的接收信号的差分检测算法，以及对发射信号矩阵幅度 分量的序列检测算法。针对采用q a m 信息字符构造差分编码矩阵的差分空时块码，提出了一 种避免信道能量估计的差分检测算法。 2 针对发射天线数为偶数的系统，提出了一种降低接收机计算复杂度的差分酉空时编码方案，该 方案利用a l a m o u t i 空时码的正交特性和循环群的设计构造差分空时编码矩阵。能实现最大的天 线分集。同传统的采用对角信号矩阵的差分酉空时编码相比。所提方案在接收端的差分检测需 要搜索的酉矩阵个数大大减少，且由于所采用的循环群中的酉矩阵的维数和个数都减少了，从j 而也简化了设计并提高了检测性能。 3 针对存在衰落相关性的m i m o 信道，提出了利用衰落相关性信息设计差分空时块码的初始化矩 阵的方法，设计准则是使差分检测的平均成对错误概率的上界达到最小最优的设计同时考虑 发射端和接收端的衰落相关阵，但需要采用数值方法求解。通过忽略接收端的相关性，可以得 到有闭合表达式的次优设计，其性能接近最优设计。 4 针对快时变m i m o 信道，利用时变信道的基扩展模型，提出了一种块差分空时编码方法该方 法利用基扩展模型中各复指数基的系数在一个块内为恒定的特性，将一个块分为多个子块并在 各子块间进行差分编码。通过发射端的块交织和接收端的解块交织，信号检测不需要信道状态 信息，从而避免了对快时变m i m o 信道的估计。通过合理地设计差分编码的子块长度及差分编 码矩阵，所提方案能同时实现最大的天线分集和d o p p l e r 分集。 x 5 考虑针对频率选择性信道频域均衡的单载波传输，证明了线性m m s e 频域均衡与时域均衡的等 效性。当信道的频率响应在离散f o u r i e r 变换( d f d 的频点上有零点时，考察了块长度对单载波 频域均衡性能的影响并与未编码的o f d m 进行了比较。推导了带时域判决反馈的m m s e 频域 均衡器设计，在推导中考虑到了实际使用的反馈抽头数随块内己检测的字符数的变化。针对两 路空间复用的空时块码信号，推导了接收端的频域干扰抑制和m m s e 均衡算法。在此基础上。 提出了根据均衡后的均方误差的大小进行排序的分层检测算法，通过利用接收分集提高了后检 测的一路信号的误码率性能，并进一步提出了迭代检测算法使两路信号的误码率性能都得到了 提高。 e 6 针对采用块对角化预编码的m i m o 多用户下行链路，分析了用户天线数对空间自由度及系统容 量的影响，提出根据系统配置对用户天线进行选择以提高系统容量。直接最大化系统容量的最 优用户天线选择算法需要很高的计算复杂度，为了降低计算复杂度，提出了两种基于等效信道 7 8 能量的次优用户天线选择算法，获得了较好的计算复杂度与容量之间的折中。另外，还给出了 一种简单的备用户独立地选择天线的方法，在某些应用场合能获得大部分的容量增益。 提出r 各路数据信干噪比约束条件f 的m i m o 多用户下行链路的预编码设计方法，其设计准则 是在达纠各路数据信干噪比要求的前提f 使总的发射功率最小。为简化设计，构造了一虚拟上 行链路，并证明了m i m o 多用户f 行链路与此虚拟上行链路之间的对偶性从而可以将复杂的 下行链路发射权向量设计问题转化为简单的虚拟上行链路接收权向量设计问题。所提算法交替 优化各路数据分配的功率、发射权向量和接收权向量直至算法收敛。 考虑利用多用户分集的m i m o 多用户下行链路，发射端从每根天线发送独立的数据流，各用户 的天线数不少于发射天线数，采用线性接收机检测信号，并将检测各路数据的判决变量的信噪 比反馈给发射端。酋先不考虑用户之间的公平性，提出了为各路数据分配用户和功率的算法， 使系统总的频谱效率达到最大。接着考虑用户之间的公平性，基于用户分组轮流服务的方案， 提出了在组内为各路数据分配用户的算法，该算法兼顾组内用户之间的公平性和多用户分集增 益。 关键词：差分空时编码，分集增益，单载波频域均衡，分层检测，天线选择，m i m o 多用户预 编码，用户调度，多用户分集 i i a b s t r a c t b e c a u s eo fi t se x t r a o r d i n a r yc a p a c i t ya n dd i v e r s i t y , 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 h a sb e c o m et h ed i r e c t i o no ff u t u r ed e v e l o p m e n to fw 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 ，i nt h ep a s td e c a d e ， t e c h n i q u e sf o rm i m os y s t e m ，s u c ha ss p a c e - t i m ec o d i n g , s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ，a n ds p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ( s d m a ) ，h a v er e c e i v e de x t e n s i v er e s e a r c ha n dm a d es i g n i f i c a n tp r o g r e s s t h i st h e s i ss t u d i e ss e v e r a l t e c h n i q u e si nt h ef r a m e w o r ko fm i m o ，i n c l u d i n gd i f f e r e n t i a ls p a c e - t i m ec o d i n g , s i n g l e - c a r r i e rf r e q u e n c y d o m a i ne q u a l i z a t i o n m u l t i u s e rd o w n l i n kp r e c o d i n g , a n du s e rs c h e d u l i n g n l em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h e t h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 t oi n c r e a s et h es p e c t r a le f f i c i e n c yo f d i f f e r e n t i a ls p a c e - t i m ec o d i n g , as c h e m et od e l i v e rm u l t i p l eb i t s b yt h ea m p l i t u d ec o m p o n e n to ft r a n s m i ts i g n a lm a t r i x i sp r o p o s e d f o rt h ep r o p o s e ds c h e m e ，a d i f f e r e n t i a ld e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nr e c e i v e ds i g n a l si nt w oa d j a c e n tc o d i n gi n t e r v a l si sd e r i v e d , a sw e l la sas e q u e n c ed e t e c t i o na l g o r i t h mf o rt h ea m p l i t u d ec o m p o n e n to f w a n s m i ts i g r “m a t r i x f o r d i f f e r e n t i a ls p a c e - t i m eb l o c kc o d ew i t hd i f f e r e n t i a le n c o d i n gm a t r i xc o n s t r u c t e df r o mq a ms y m b o l s ， ad i f f e r e n t i a ld e t e c t i o na l g o r i t h mw h i c ha v o i d sc h a n n e lp o w e re s t i m a t i o ni sp r o p o s e d ， 2 f o rt h ec a s ew h e nt h en u m b e ro ft r a n s m i ta n t e n n a si se v e n , ad i f f e r e n t i a lu n i t a r y 研：h a c e - t i m e m o d u l a t i o n ( o u s t m ) s c h e m ei sp r o p o s e dt or e d u c et h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo ft h er e c e i v e r t h ep r o p o s e ds c h e m ee x p l o i t st h eo r t h o g o n a lp r o p e r t yo f t h ea l a m o u t ic o d ea n dt h ed e s i g no f c y c l i c g r o u pt oc o n s t r u c td i f f e r e n t i a le n c o d i n gm a t r i x , a n da c h i e v e sf o i la n t e n n ad i v e r s i t y c o m p a r e dw i t h c o n v e n t i o n a ld u s t mb a s e do nd i a g o n a ls i g n a l s ，t h en u m b e ro f u n i t a r ym a t r i c e st ob es e a r c h e db yt h e d i f f e r e n t i a ld e t e c t o ri ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e d f u r t h e r m o r e ，t h ep r o p o s e ds c h e m er e d u c e st h e d i m e n s i o n a l i t ya n de a r d i u a l i t yo f t h ec y c l i cg r o u p ，t h e r e b ys i m p l i f y h a gt h ed e s i g na n di m p r o v i n gt h e e r r o rp o r f o r m a n c e 3 f o rm i m oc h a n n e l sw i t hf a d i n gc o r r e l a t i o n , as c h e m ei sp r o p o s e dt od e s i g nt h ei n i t i a l i z a t i o nm a t r i x o fd i f f e r e n t i a ls p a c e - t i m eb l o c kc o d eb yu t i l i z i n gt h ei n f o r m a t i o na b o u tf a d i n gc o r r e l a t i o n t h ed e s i g n i se o n d u e t a c lb ym i n i m i z i n gt h eu p p e rb o u n do nt h ea v e r a g ep e i r w i s ee r r o rp r o b a b i f i t yo ft h e d i f f e r e n t i a ld e t e c t o r t h eo p t i m a ld e s i g nt a k e si n t oa c c o u n tf a d i n gc o r r e l a t i o na tb o t ht r a n s m i t t e ra n d r e c e i v e r , b u tn e e d st ob es o l v e dn u m e r i c a l l y b yi g n o r i n gf a d i n gc o r r e l a t i o na tt h er e c e i v e r , a s u b o p t i m a ls o l u t i o nc mb eo b t a i n e d w h i c hh a sc l o s e d - f o r me x p r e s s i o na n dp e r f o r m sc l o s et ot h e o p t i m a ld e s i g n 4 f o rr a p i d l yt i m e v a r y i n gm i m oc h a n n e l s 。ab l o c kd i f f e r e n t i a ls p a c e - t i m ec o d i n gs c h e m ei sp r o p o s e d b yu t i l i z i n gt h eb a s i se x p a n s i o nm o d e l e i v of o rt i m e - v a r y i n gc h a n n e l s r e l y i n go i lt h ef a c tt h a tt h e c o e 衢c i e n t so fc o m p l e xe x p o n e n t i a lb a s i so fb e ma 把f i x e df o rab l o c k t h ep r o p o s e ds c h e m e s u b d i v i d eab l o c ki n t om u l t i p l es u b b l o c k sa n dp e r f o r m sd i f f e r e n t i a le n c o d i n ga a f o s st h es u b b l o c k s b y b l o c ki n t e r l e a v i n ga tt h et r a n s m i t t e ra n db l o c kd e i n t e r l e a v i n ga tt h er e c e i v e r , s i g n a ld e t e c t i o nd o e sn o t n e e dc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，a n dh e n c ea v o i de s t i m a t i o no ft h er a p i d l yt i m e v a r y i n gm i m o c h a n n e l b yp r o p e r l yd e s i g n i n gs u b b l o e kl e n g t ha n dd i f f e r e n t i a le n c o d i n gm a t r i c e s ，t h ep r o p o s e d s c h e m ec a na c h i e v ef u l la n t e n n ad i v e r s i t ya n dd o p p l e rd i v e r s i t ys i m u l t a n e o u s l y 5 f o rs i n g l e - c a r r i e r ( s c ) t r a n s m i s s i o no v e rf r e q u e n c y s e l e c t i v ec h a n n e l sd e s i g n e df o r 开e q u e n c yd o m a i n e q u a l i z a t i o nf i d e ) ，t h ee q u i v a l e n c eb e t w e e nl i n e a rm m s ef d ea n dt i m e - d o m a i ne q u a l i z a t i o ni s i l l s h o w n f u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c to fb l o c kl e n g t ho np e r f o r m a n c eo fs c - f d ew h e nt h ec h a n n e l s f r e q u e n c yr e s p o n s eh a sz e r oo nt h ef r e q u e n c yp o i n t so fd i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ( d f ni sa n a l y z e d a n dc o m p a r e dw i t hu n c o d e do f d mt h ed e s i g no fm m s ef d ew i t ht e m p o r a ld e c i s i o nf e e d b a c ki s a l s od e r i v e d ，a n dt h ed e r i v a t i o nt a k e si n t oa c c o u n tt h ef a c tt h a tt h en u m b e ro ff e e d b a c kt a p sa c t u a l l y u s e dv a r i e sw i t ht h en u m b e ro fp r e v i o u s l yd e t e c t e ds y m b o l si nab l o c k ，f o rt h es p a t i a lm u l t i p l e x i n g t r a n s m i s s i o no ft w os p a c e - t i m eb l o c kc o d e ds t r e a m s ，f r e q u e n c y d o m a i ni n t e r f e r e n c es u p p r e s s t o na n d e q u a l i z a t i o na tt h er e c e i v e ri sd e r i v e d ，b a s e do nw h i c hal a y e r e dd e t e c t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d t h e l a y e r e dd e t e c t i o na l g o r i t h md e t e r m i n e st h ed e t e c t i o no r d e ra c c o r d i n gt ot h em e a ns q u a r ee l r o r a s s o c i a t e dw i t ht h et w os t r e a m s a n di m p r o v e st h ee r r o rp e r f o r m a n c eo ft h el a s td e t e c t e ds t r e a mb y e x p l o i t i n gr e c e i v e rd i v e r s i t y a ni t e r a t i v ed e t e c t i o na l g o r i t h mi sf u r t h e rp r o p o s e dt oi m p r o v et h ee r r o r p e r f o r m a n c eo f b o t hs t r e a m s 6 f o rt h em i m om u l t i - u s e rd o w n l i n kw i t hb l o c kd i a g o n a l i z a t i o np r e c o d i n g ，t h ei m p a c to f t h en u m b e ro f i k s e ra n t e n n a so ns p a t i a ld e g r e e so ff r e e d o ma n ds y s t e mc a p a c i t yi sa n a l y z e d m o t i v a t e db yt h i s a n a l y s i s ，l i s z ta n t e n n as e l e c t i o na c c o r d i n gt os y s t e mc o n f i g u r a t i o ni sp r o p o s e dt oi n c r e a s es y s t e m c a p a c i t y a l t h o u g ht h eo p t i m a l s e l e c t i o na l g o r i t h mm a x i m i z e ss y s t e mc a p a c i t y , i te n t a i l sh i g h c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y t or e d u c ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , t w os u b o p t i m a ls e l e c t i o na l g o r i t h m s b a s e do ne f f e c t i v ec h a n n e lp o w e ra r ep r o p o s e d ，w h i c ha c h i e v e sd e s i r a b l et r a d e o f f sb e t w e e n c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n ds y s t e mc a p a c i t y i na d d i t i o n ，au s e r - i n d e p e n d e n ts e l e c t i o na l g o r i t h mi s p r o p o s e d ，w h i c hi sv e r ys i m p l et oi m p l e m e n ta n dc a l la c h i e v em o s to ft h es e l e c t i o ng a i ni ns o m e s i t u a t i o n s 7 am e t h o df o rp r e c o d e rd e s i g ni nt h em i m om u l t i - u s e rd o w n l i n ki sp r o p o s e du n d e rt h ei n d i v i d u a l s l n rc o n s t r a i n tf u re a c hd a t as t r e a m ，w i t ht h eo b j e c t i v eo fm i n i m i z i n gt h et o t a lt r a n s m i t t e dp o w e r w h i l es a t i s f y i n gt h es i n rc o n s t r a i n t s t os i m p l i f yt h ed e s i g n ，av i r t u a lu p l i n ki sc r e a t e d ，w h i c ht o m s o u tt 0h a v ed u a l i t yw i t ht h ea c t u a ld o w n l i n k t h e r e f o r e t h ec o m p l i c a t e dd e s i g no ft r a n s m i tw e i g h t v p j c l o r si nt h ed o w n l i n kc a nb ec o n v e r t e dt ot h es i m p l ed e s i g no f r e c e i v ew e i g h tv e c t o r si nt h ev i r t u a l u p l i n k t h ep r o p o s e da l g o r i t h ma l t e r n a t i v e l yo p t i m i z e st h ea l l o c a t e dp o w e r , t r a n s m i tw e i g h tv e c t o r ， a n dr e c e i v ew e i g h tv e c t o rf o re a c hd a t as t r e a mu n t i lc o n v e r g e n c e 8 c o n s i d e ram i m om u l t i - u s e rd o w n l i n ke x p l o i t i n gm u l t i - u s e rd i v e r s i t y , w h e r et h et r a n s m i t t e rs e n d s i n d e p e n d e n td a t as t r e a m so ni t sa n t e n n a s ，a n dt h en u m b e ro f a n t e n n a so f e a c hu s e ri sn ol e s st h a nt h a t o ft h et r a n s m i t t e r e a c hu s e re m p l o y sal i n e a rr e c e i v e rt od e t e c ts i g n a l ，a n df e e d sb a c kt h e p o s t - d e t e c t i o ns n ro f e a c hs t r e a mt ot h et r a n s m i t t e r f i r s t , w i t h o u tc o n s i d e r i n gf a i r n e s sa m o n gu s e r s ， a na l g o r i t h mf o ra s s i g n i n go s e ra n dp o w e rt oe a c hs t r e a mi sp r o p o s e dt om a x i m i z et h et o t a ls p e c t r a l e f f i c i e n c y t h e n ，w i t hf a i r n e s si nm i n d ，f o rar o u n dr o b i ns c h e d u l i n gs c h e m eb a s e do i l 啦e rg r o u p i n g , a na l g o r i t h mf o ra s s i g n i n gt h eu s e r si nag r o u pt ot h ed a t as f f e a l n si sp r o p o s e d ，w h i c ha c h i e v e s9 0 0 d i r a d e o f f b e t w e e nf a i m e s sa n dm u l t i n s e rd i v e r s i t y k e yw o r d s ：d i f f e r e n t i a ls p a c e - t i m ec o d i n g ，d i v e r s i t yg a i n ，s i n g l e - c a r r i e rf r e q u e n c yd o m a i n e q u a l i z a t i o n ，l a y e r e dd e t e c t i o n ，a n t e n n as e l e c t i o n ，m 1 m om u l t i t i g e rp r e c o d i n g , u s e rs c h e d u l i n g , m u l t i - u s e r d i v e r s i t y 数学符号表 对矩阵中的每个元素求共轭 矩阵的转置 矩阵的共轭转置 矩阵的m o o r e - p e n r o s e 逆 均值为0 、方差为口2 的循环对称复高斯分布 r t 单位矩阵 由括号内序列构造的对角阵 实数的绝对值或复数的模 矩阵的行列式 矩阵的迹 矩阵的秩 矩阵的拉直运算即利用矩阵的各列组成一个长列向量 数学期望 矩阵的k r o n e c k c r 乘积 向量的范数或矩阵的f r o b e n i t ) s 范数 向量的范数 矩阵a 的第假o 元素 数量级符号 以e 为底的指数函数 自然对数 以2 为底的对数 以1 0 为底的对数 求序列中的最大值 求序列中的最小值 返回使代价函数最大的参数 返回使代价函数最小的参数 从n 个样本中选择t 个样本所包含的选择方法的数目 i x 盯伊科b掣等脯等群豁盏蒜国 东南大学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。 东南大学学位论文使用授权声明 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。 研究生签名：生盏丛群导师签名：强缘i 曩日期：7 。c 1 1 1 牛 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着无线通信技术的发展，无线通信在社会经济和人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。 同时，人们对新的无线业务如i n t e m c t 接入和多媒体传输的需求，也对无线通信的传输速率和质量提 出了更高的要求。但是，有限的发射功率和频谱资源、无线信道的衰落效应和同信道用户之间的干 扰都限制了现有系统的性能，使得可靠的高速率无线数据传输成为一个极具挑战性的课题。 t e l a t a r 1 和f o s c h i n i 2 的研究表明，通过在无线通信系统的发射端和接收端均采用多根天线， 得到的多输入多输出( 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 ) 信道的容量在较高信噪比区域与发射天 线数和接收天线数的较小值成线性关系，揭示了m i m o 系统提升数据传输速率的巨大潜力。另一方 面，m i m o 系统可同时提供发射分集和接收分集，从而明显提高信号在衰落信道中的检测性能【5 1 - 【7 】。 m i m o 系统在信道容量和分集增益方面的卓越性能使其成为近十年无线通信学术界和工业界的一个 研究热点，被认为是未来无线通信系统的发展方向。 同传统的单天线系统和仅在接收端采用多天线的系统相比，m i m o 系统为传输方案的设计提供 了额外的空间自由度。有效地设计传输方案可以通过利用空闻自由度，在不增加带宽和发射功率的 前提下提高系统的传输速率及检测性能。m i m o 系统的一个重要研究方向是根据一定的性能准则设 计发射端的空时编码及预编码，其基本思想是通过利用而不是克服无线信道的衰落效应获得性能增 益【8 5 】。 本章l t 2 节介绍了m i m o 信道的模型及其提供的容量、分集增益和复用增益。1 3 节介绍了m t m o 系统中的空时编码和预编码设计1 4 节介绍了m i m o 多用户下行链路中的传输方案设计1 5 节介 绍了本论文的主要研究工作。 1 2m 1 m o 信道 发射瑞接收端 图1 1r 发m 收m i m o 系统 图1 i 给出了一配置了r 根发射天线和m 根接收天线的m i m o 系统示意图，则对应的m i m o 东南大学博士学位论支 信道包含t m 个收发天线对所对应的单输入单输t b ( 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 ) 子信道，各接收 天线上的接收信号为r 根发射天线所发送的信号经衰落信道后的叠加并受到加性噪声的影响。若各 s i s o 子信道经历平坦衰落，则发射天线f 到接收天线m 间的信道町表示为一复衰落系数。考虑 离散基带等效模型，当t 根天线上的发射字符分别为卸，5 2 ，野，接收天线m 上的接收信号可表示 为 r = k 。黾+ ，m = 1 ，2 ，m ( 1 1 ) t = l 式中q 。代表加性噪声。式( 1 1 ) 可写成更简洁的由向量和矩阵构成的系统方程： y = h s + w( i 2 ) 式中s = s l ，s 2 ，野广、y = y l 眈，y m 7 和w = q ，吡，呦，分别为发射信号向量，接收信号向 量和加性噪声向量：h 为mx t 信道矩阵，其第，0 元素为。式( 1 2 ) 中的系统模型可以推广到频 率选择性和时间选择性衰落信道。 1 2 1m i m o 信道容量 最早的关m i m o 信道容量的研究 1 】 2 】假设信道矩阵h 中的各元素服从独立的 厂( 0 ，”分布并 且在一个数据帧包含的时间间隔内为恒定，即对应各s i s o 子信道为独立的r a y l e i g h 平坦准静态衰 落的情况。当各子信道的衰落系数在接收端精确已知但在发射端未知时，m i m o 信道容量c 为 g = l 。g d e t ( i _ ! l f + - h h 日1b 8 h z ：妒i o 。怫b s h z o 。3 = g ll + 睾川 式中p 为接收天线上的信噪比， 为h l t 。的第i 个特征值即第f 个特征子信道的能量。式( 1 3 ) 表明 m i m o 信道容量可表示为m i n ( t ，个特征子信道的容量之和。当信噪比户较大时，文献 2 】证明了 平均信道容量口可表示为 c = m i n ( t ，蚴l o g p + o ( 1 ) b s h z( 1 4 ) 即与发射天线数和接收天线数的较小值成线性关系。当发射端也知道信道矩阵h ，则通过发射端和 接收端的联合处理可以将m i m o 信道分解为多个独立的特征子信道，对这些特征子信道进行基于注 水算法的功率分配【1 1 可以最大化信道容量。当各子信道的衰落系数存在相关性时，则衰落相关性会 通过改变特征子信道能量的统计分布改变m i m o 信道的平均容量，文献 6 2 1 3 1 1 中的研究表明平均 容量会随着相关性的增强而降低。同信道在发射端未知的情况相比，当发射功率较小或信道矩阵各 奇异值差距较大时，在发射端利用信道信息的预处理可以获得更明显的容量增益。当发射端仅拥有 部分信道信息，如仅知道信道矩阵的部分奇异值及对应的右奇异向量 1 3 3 1 ，或仅知道相关m i m o 信 道的衰落相关性信息 6 5 】，则仍可以利用该信息对发射信号进行预编码以提高容量。 上面提到的关于m i m o 信道的容量分析都假定信道在接收端完全己知，这在信道变化很慢时如 对于固定无线接入系统是合理的假设。但是当信道变化很快时，由于接收端难以获得较精确的信道 估计，因此通常不进行信道估计并采用不需要信道信息的非相干检测，而发射端也相应地需要采用 2 第一章绪论 合适的传输方案，如酉空时编码【2 8 】和差分空时编码【2 9 】一 3 5 1 。文献 1 3 4 考虑块衰落m t m o 信道， 即信道衰落系数在包含工个字符周期的块内是恒定的但在不同的块之间独立地变化，针对接收端没 有信道信息的情况，证明了发射天线数等于工时再增加发射天线并不能获得更高的信道容量，文献 f 1 3 5 进一步证明了在该环境下，高信噪比区域的信道容量为 e ：耳f 1 一目l o g p + o ( 1 ) s b h z ( 1 5 ) 厶 式中k = m i n ( t ，m ，l 2 ) 。对于连续时变的m i m o 信道，计算其信道容量仍是未解决的问题。 1 2 2 分集增益和复用增益 m i m o 信道所提供的性能增益除了从容量的角度反映外。还可以通过分集增益和复用增益来体 现。文献 1 3 6 1 指出r 发m 收的m i m o 信道能够提供的最大空间分集增益为t m , 最大的空间复用增 益为m i n 口，奶。m i m o 信道可以同时提供这两神增盏，但两者之间存在折中，实际实现的折中取 决于具体的传输和检测方案。将信噪比为p 时的频谱效率和误码率分别记为五) 和只( 力，则若一 种方案能同时满足 擎鑫l i m 掣：r ( 1 6 ) p 呻1 9 p 和 l i r a 半盟：- - d( 1 7 ) p ”i g p 则称诱防案能同时获得分集增益d 和复用增益r ，而其能实现的两者之间的折中可用分集增益随复用 增益变化的函数关系描述，r 为0 时对应的分集增益域o ) 即为该方案所能实现的最大分集增益， 这也是文献【6 】中不考虑复用增益时所定义的分集增益。文献【1 3 6 】还给出了r 发肘收m i m o 信道所 能提供的最优折中，对于给定的复用增益r 1 1 ，m i n ( t ，柳】，可能的最大分集增益为口一r ) ( 材一r ) 。 对于2 发l 收系统，a l a m o u f i 空时码【5 】就获得了最优的折中，但当接收天线数大于l 时并不能获得 最优的折中，例如对于2 发2 收系统，a l a m o u t i 空时码获得的最大分集增益为4 ，这等于可能的最 大分集增益，但是获得的最大复用增益仅为l ，而可能的最大复用增益为2 对于一般的m i m o 信 道，文献1 1 3 s 提出的格形编码和解码方法能获得最优的折中，但编码和解码的复杂度很高。 1 3m i m o 系统的传输方案 1 3 1 开环传输方案 开环传输方案的设计不需要利用任何信道信息，因此不需要从接收端反馈信息给发射端。给定 一m i m o 系统不同的开环传输方案所能实现的信道容量可能不同8 】，同一传输方案若采用不同的 检测算法则实现的容量也可能不同f 1 2 】，并以式( 1 3 ) 为上界。相似地，不同的传输方案所实现的分集 增益与复用增益之间的折中可能也不同，例如当发射天线数为4 ，则采用文献【3 2 】中的码率为3 ，4 的 东南大学礴t 学位论文 正交空时块码可获得的最大分集增益和最大复用增益分别为4 和3 ，4 ，而采用文献 1 1 忡的码率为1 的准正交空时块码则分别为2 和1 。改进传输方案可以获得更好的折中，例如通过对构造准正交空 时块码的信息字符进行相位旋转 1 4 1 f 15 1 可以在保持最大复用增益为1 的同时将最大分集增益提高为 4 。另外，改进接收端的信号检测算法也可以获得更好的折中，例如与m t ，发射端通过空间复 用同时发送r 路独立的数据流，若接收端采用迫零检测则每路数据可实现的最大分集增益为 m t + 1 ，而通过对丁路数据采用最大似然联合检测，则每路数据可实现的最大分集增益提高为 m 1 3 9 】。由于获得最优的折中通常需要很高的实现复杂度，因此大多传输方案的设计是在保证一种 增益的同时尽可能提高另一种增益。 一类传输方案的设计目标是最大化实现的分集增益，对于单用户系统，可用的分集形式