（通信与信息系统专业论文）tdd+mimo信道非互易性补偿算法研究.pdf

摘要 为实现高速无线数据传输，m i m o 技术作为一种有效的手段得到了广泛的研 究，并被新一代无线通信系统所采用。基于时分双工( t d d ) 技术的m i m o 系统 可以利用上下行信道的互易性，使得基站能够直接基于检测到的上行信道状态信 息制定下行发射预处理策略，而不需要额外的反馈开销。但是信道估计不准确及 射频器件的非理想特性将导致信道互易性的丧失，使t d d 系统的优势无法发挥。 本文分析了由信道估计不准确及v q 不平衡对t d d m i m o 信道互易性的影 响，在此基础上提出了一种基于时域截短的信道估计算法及对i q 不平衡的补偿算 法，并在两发两收的t d d m i m o 系统中进行了仿真分析。本文主要内容如下： 1 研究了d d m i m o 系统中的多种信道估计方法，分析了由于信道估计误 差造成的t d d m i m o 系统容量损失，并提出一种基于时域截短的信道估 计方法，仿真结果表明，该方法具有复杂度低及显著性改善性能的优点： 2 建立了仅接收端存在i q 不平衡时m i m o 系统等效信道模型，通过容量分 析和仿真研究了v q 不平衡带来的t d d m i m o 信道互易性损失，并通过 信道估计对仅接收端存在i q 不平衡的情况进行补偿，能够有效地补偿i q 不平衡造成的信道互易性损失； 3 推导了收、发端都存在旧不平衡时m i m o 系统等效信道模型，通过容量 分析和仿真，表明i q 不平衡会带来明显的t d d m i m o 信道互易性损失， 分别对已知i q 不平衡参数及未知参数两种情况下造成的t d d m i m o 信 道互易性损失出补偿方法，仿真结果表明，这些算法能够有效地补偿信道 互易性损失，显著地改善了系统误码率和容量性能。 关键词：信道估计时域截短插值i q 不平衡信道互易性补偿算法 a b s t r a c t a sa ne f f e c t i v ew a yt oa c h i e v eh i g hd a t ar a t e s ，m i m ot e c h n i q u eh a sb e e nw i d e l y s t u d i e da n de m p l o y e di nn e w - g e n e r a t i o no fw 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 s b yu s i n g c h a n n e lr e c i p r o c i t yi nt i m ed i v i s i o nd u p l e x ( r o d ) m i m os y s t e m s ，b a s es t a t i o n ( b s ) c a l l m a k et r a n s m i ts t r a t e g i e sa c c o r d i n gt ot h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) t h r o u g h r e v e r s el i n kc h a n n e le s t i m a t i o n b u tc h a n n e le s t i m a t i o ne r r o r sa n dr a d i of r e q u e n c y ( r f ) f r o n t - e n di m p e r f e c t i o n sw i l ld e s t r o yc h a n n e lr e c i p r o c i t y t h i st h e s i sa 1 1 a l y z c st h ei m p a c to fc h a n n e le s t i m a t i o ne r r o r sa n di qi m b a l a n c eo n c h a n n e lr e c i p r o c i t yi nt d d m i m os y s t e m s i nt h et h e s i s ，c h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d b a s e do nt i m ed o m a i nt r u n c a t i o na n dv qi m b a l a n c ec o m p e n s a t i o na l g o r i t h m sa r e p r o p o s e d ，a n dh a v es i m u l a t e di na 2 x 2t d d m i m o s y s t e m t h em a i n c o n t r i b u t i o n sa r e a sf o l l o w s ： 1 s e v e r a lc o n v e n t i o n a lc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d sf o rm i m o - o f d ms y s t e m s a r es t u d i e da n dd i s c u s s e d , a n dt h el o s eo fc h a n n e lr e c i p r o c i t yc a p a c i t yw i t h i m p r e c i s ec h a n n e le s t i m a t i o ni sa n a l y z e d , an e wc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d b a s e do nt i m ed o m a i nt r u n c a t i o ni sp r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e m e t h o dc a l li m p r o v et h ep e r f o r m a n c ew i t hl o wc o m p l e x i t y 2 t h ee q u i v a l e n tm o d e lo fm i m os y s t e m sw i t hu qi m b a l a n c ei nr e c e i v e ri s d e r i v e d , t h el o s eo fc h a n n e lr e c i p r o c i t yi sa n a l y z e di nt e r m so fs y s t e mc a p a c i t y , c o m p e n s a t i o nm e t h o di sp r o p o s e dt oc o m p e n s a t i n gc h a n n e ln o n - r e c i p r o c i t y d u et oi ，qi m b a l a n c ei nr e c e i v e r , s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e d m e t h o dc a ni m p r o v eb e rp e r f o r m a n c ea n ds y s t e mc a p a c i t y 3 t h ee q u i v a l e n tm o d e lo fm i m os y s t e m sw i t hi qi m b a l a n c ei nt r a n s m i t t e ra n d r e c e i v e ri sd e r i v e d s i m u l a t i o nr e s u l t so fc a p a c i t ys h o wt h a ti qi m b a l a n c ew i l l d e s t r o yt h ec h a n n e lr e c i p r o c i t y c a l i b r a t i o na l g o r i t h m sw i t ha n dw i t h o u t i m b a l a n c ep a r a m e t e r sa r ep r o p o s e dr e s p e c t i v e l yt oc o m p e n s a t et h el o s so f c h a n n e lr e c i p r o c i t y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m s s i g n i f i c a n t l yi m p r o v eb e rp e r f o r m a n c ea n ds y s t e mc a p a c i t y k e y w o r d s ：c h a n n e le s t i m a t i o n t i m ed o m a i nt r u n c a t i o n i q i m b a l a n c e c h a n n e lr e c i p r o c i t y c o m p e n s a t i o na l g o r i t h m 第一章绪论 第一章绪论 1 1i m t - a d v a n c e d 的发展状况 2 0 世纪末3 g 技术完成标准化之后，b 3 g 技术的研究就开始了。2 0 0 5 年1 0 月 1 8 日结束i t u r w p 8 f 第1 7 次会议上，i t u 给b 3 g 技术定义了一个正式的名称 i m t - a d v a n c e d ，其中i m t 表示移动通信，a d v a n c e d 是指未来的空中接口技术【1 】【2 】。 从当前的国际发展形式来看，各国的b 3 g 研究工作均已进入系统设计、评估、 实验的实质阶段。欧盟在3 g 技术刚刚开始商用的时候，已经开始对b 3 g 系统开展 深入的研究，这就是w i n n e r ( w i r e l e s sw o r l dl n k i a t i v en e wr a d i o ) 项目，并且项 目计划2 0 0 8 年进行演示系统的开发和实验。同时，欧盟大力支持的世界无线研究 论坛( w w s f ) 已经成为国际b 3 g 技术交流的主要平台之一，w w r f 下设6 个工 作组，分别讨论业务、市场、结构、接口、核心技术等问题。目前，全世界已经 有1 4 0 多家企业和大学加入了w w r f 。日本的移动通信发展也在快速进行中， d o c o m o 公司在2 0 0 5 年6 月就宣布完成了1 g b i f f s 传输速率的无线通信技术实验， 并在逐步推广相关的b 3 g 研究成果。我国也很早就意识到了i m t - a d v a n c e d 技术的 重要性。为了在下一代移动通信发展中占据有利位置，我国在“十五计划”期间 在“8 6 3 项目”中设立了f u t u r e 项目( 未来通用无线环境研究计划) ，专门从事 b 3 g 相关技术、标准和实验系统的研究工作。中国通信标准化协会( c c s a ) 还成立 了t c 5 w g 6 工作组，专门研究b 3 g 技术【3 1 。 由于i t u 对b 3 g 技术提出了更高的要求，特别是为静止或者低速移动用户提 供高达1 g b i t s 的峰值速率，故i m t - a d v a n c e d 系统可能需要宽达1 0 0 m h z 的系统 带宽。在3 g h z 以下频段为运营商分配如此宽的频带非常困难，而在3 g h z 以上频 段可以找到这样的连续频谱。虽然3 g h z 以上频段可实现高峰值速率和系统容量， 但是系统很难实现无缝覆盖，高速移动的用户的服务需求也得不到满足。因而文 献【4 】认为i m t - a d v a n c 2 d 系统很可能同时使用两段离散的频谱：3 g h z 以下频段用 于实现无缝连续覆盖和高速移动，3 g h z 以上频段用于实现高峰值速率，支持低速 移动。 未来的移动通信业务将从话音扩展到数据、图像、视频等多媒体业务，因此， 对服务质量和传输速率的要求越来越高。对移动通信系统的性能提出了更高的要 求。按照i t u 对i m t - a d v a n c e d 的定义，i m t - a d v a n c e d 技术需要实现更高的数据速率 和更大的系统容量。当用户处于静止或者低速移动的室内和室外环境中， i m t - a d v a n c e d 将提供高达1 g b i t s 的小区吞吐量；而当用户在中高速移动的广域环 境下，i m t - a d v a n c e d 系统将提供最高l o o m b i t s 的峰值速率。而带宽在移动通信中 2 t d dm i m o 信道非互易性补偿算法研究 是非常稀缺的资源，因此，必须采用先进的技术有效地利用宝贵的频率资源，以 满足高速率、大容量的业务需求；同时克服高速数据在无线信道下的多径衰落， 降低噪声和多径干扰，达到改善系统性能的目的【5 j 【6 j 。 2 0 0 7 年1 1 月世界无线电大会( w r c 0 7 ) 为i m t - a d v a n c e d 分配了频谱，进一步 加快了i m t - a d v a n c e d 技术的研究进程。并且2 0 0 8 年3 月i t u 发出征集i m t - a d v a n c e d 标准的通函，开始征集无线接入技术( p a t ) 标准，截止到2 0 0 9 年1 0 月，共征集到 由3 g p p 、i e e e 、中国、日本和韩国提交的6 个候选r i t 技术提案。2 0 1 0 年l o 月 2 1 日，i t u 声明i e e e 的w i r e l e s sm a na d v a n c e d 和3 g p p 的l t e - a d v a n c e d 被正式认 定为官方的i m t - a d v a n c e d 设计方案，也就是所谓的准g g 标准。前者主要由i e e e 、 a r i b 、1 r a 、w i m a x 论坛及其伙伴成员支持，包括了i n t e l 以及北美、日本、韩国、 以色列等的主要通信运营企业和制造企业；后者主要由3 g p p 、a r i b 、a t i s 、c c s a 、 e t s i 、”r a 、t t c 及其伙伴成员支持，包括了国际主要通信运营企业和制造企业， 但有很多组织和机构同时支持两个阵容。其中t d l t e a d v a n c e d 是继t d s c d m a 之后中国提出的具有自主知识产权的新一代移动通信技术，它吸纳了t d s c d m a 的主要技术元素，体现了我国通信产业界在宽带无线移动通信领域的最新自主创 新成果。目前，t d l t e a d v a n c e d 己成为i m t - a d v a n c e d 的正式后选提案，并获得 3 g p p 和亚太地区通信企业的广泛认可和支持【7 】【8 】【9 j 。 1 2t d d m i m o 系统的信道互易性 为了满足宽带多媒体业务的传输要求，新一代无线通信系统必须具有更高的 传输速率；另一方面有限的频谱资源又要求未来系统具有更高的频谱利用率。在 功率受限与频谱受限且信道恶劣的无线移动传输环境下，空间维的利用对于提高 系统性能有着非常显著的意义与作用。m i m o 技术便以其高速率、高频谱效率的 优点而受到业界的一致青睐，目前普遍认为：收发两端均配备多天线的无线通信 系统将是大势所趋。 上个世纪9 0 年代，贝尔实验室f o s c h i n i 和t e l a t a r 等人从研究中得出结论：在 独立平坦衰落信道条件下，信道容量随天线数线性增加，而b e l l 的试验系统b l a s t 也证实了这点( 频谱利用率高达2 0 - - 一4 2 b p s h z ) ，多天线系统的巨大潜力引起了人 们极大的研究热情，从此m i m o 技术开始受到广泛研究，而其中很重要的一个部 分就是对m i m o 系统容量的研究。研究多天线环境下的信道容量，理论意义体现 在对信道容量上限的分析与计算上；而工程意义则表现为在信道容量理论的指导 下，通过对系统的合理设计，以及对资源在时间、频率、空间三维的合理分配以 达到或逼近理论上的系统容量。 在实际的m i m o 系统中若要最大程度上实现系统容量需要采取一系列措施， 第一章绪论 其中很多方法都需要利用信道状态信息( c s i ) 。如果m i m o 系统的收发两端都可以 准确地知道信道状态信息，那么发端就可以根据瞬时信道状态自适应调整发射策 略，如选择状态最好的子信道进行传输，调整不同子信道上的功率和数据速率等 等，实现所有信道状态下平均的最大互信息即遍历容量。一般而言，接收端可以 通过信道估计等方法比较容易获得信道状态信息，但是发端在发射信息之前很难 获得用于传输信息的信道状态。除了采用收端向发端反馈的方法外，还可以利用 t d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ，时分双工) 的特点为发端提供信道状态信息。 一般通信是双向的，即双工通信，移动通信的双工通信可以有两种实现方式： 频分双工( f d d ) 、时分双工( t d d ) 。f d d ( 频分双工) 模式中，实现接收和传 送的双向通信是在分离的两个对称频率信道上，用保护频段来分离接收与传送信 道。与f d d 模式不同，在t d d ( 时分双工) 模式中接收和传送的双向通信是在同 一频率信道即载波的不同时间段( 时隙) ，用保护时间来分离接收与传送信道。其 基本原理如图1 1 所示。 图1 1t d d 和f d d 基本原理 与f d d 模式相比，在t d d 系统中，基站( b s ) 到用户设备( u e ) 的上下行链 路信道都用同样的频率，在系统组网进行频率规划和通信过程的无线资源分配时 非常简单。另外上下行信道占用不同的时隙，利用时间转换开关的转换实现上下 行双向通信，通过时间转换开关的灵活设置，因此t d d 具有频率灵活性、更高的 频率利用率、支持不对称数据业务、上下行信道的互易性l l o 】等优点。 在t d d 系统中，基站到用户设备的上下行链路信道都用同样的频率，这样上 下行链路的传播特性基本相同，这样上下行信道的信道参数基本相同，可以将基 站上行接收估计的信道冲击响应直接应用于下行方向的发送处理，反之亦然。这 种上下行信道的参数冲击响应基本相同，可以在上下行接收和发送时根据一方估 计的结果被另一方直接利用的特性，称为上下行信道的互惠性。上下行信道的互 惠性给t d d 系统带来以下好处： 功率控制要求降低。可以用比较简单和占用资源较少的开环功率控制，同时 功率控制周期也可以增大。 利用传输预处理技术降低移动终端的处理复杂性。传输预处理技术需要知道 4t d dm i m o 信道非互易性补偿算法研究 传输信道的传播特性，在t d d 系统中由于上下行信道的互惠性，这是很容易实现 的，因此传输预处理技术可以直接利用。对于f d d 系统，则需要增加反馈信道和 其他复杂的处理才能获得，这样，传输预处理技术不能直接简单的实现，同时性 能也不如t d d 系统中好。 利于采用智能天线、发送分集等新技术改进系统性能，它们和传输预处理技 术相似，下行波束成形和发送分集需要知道传输信道的传播特性，t d d 系统可以 用简单的开环方式实现，而f d d 系统必须要用复杂的闭环方案，同时性能也不如 t d d 中的开环方式好。 因此，在t d d m i m o 系统中，一般假设上下行信道具有互易性，这样发射端 就可以利用上行信道状态信息制定用于下行信道的发射策略，在不增加反馈开销 的条件下达到最优的系统性能。 1 3 研究目的及意义 虽然在t d d - m i m o 系统中能够利用信道互易性直接为发端提供信道状态信 息，而不需要采取反馈措施，节省了额外的系统开销。但是实际情况下，这种互 易性可能会受到损失。比如因为信道估计不准确、信道时变而引起的多普勒扩展、 上下行链路引入的干扰功率或干扰类型不同，器件的非理想特性引起的不对称等 等都会改变信道的互易特性，从而无法发挥t d d 的优势。为了能够重新获得信道 互易性，需要针对不同的影响采取相应的补偿方法，弥补互易性的损失，实现系 统容量的最大化。 在所有影响信道互易性的情况中，信道估计误差和由射频器件的非理想性而 引起的失真成为不可忽略的两个重要因素。在信道估计中，由于信道噪声和导频 数量有限的影响，会使所得到的信道与理想信道有一定的误差。同时为了实现体 积、功耗以及集成度方面的改进，直接转换结构( d i r e c t - c o n v e r s i o na r c h i t e c t u r e ) 的收发信机相比于传统的超外差结构( s u p e r h e t e r o d y n ea r c h i t e c t u r e ) 省略了中频处 理的环节，直接实现基带信号和射频信号的相互转换。但由于发射机的正交上变 频和接收机的正交下变频都在模拟域进行，因此模拟器件的非理想性所引起的射 频失真存在于上下变频过程中，会引起附加直流偏置，改变信号的幅度和相位等 问题。在单天线系统中，由于不涉及预编码、空间分集等技术的使用，模拟器件 不理想对系统性能的影响是有限的，往往可以忽略。然而随着现代无线通信系统 中多天线、发送预编码及o f d m 等新技术的使用，信道估计误差和射频失真对系 统性能会产生很大影响。 m i m o o f d m 系统中c s i 的获取是基于导频信道估计和插值算法而实现的。均 方误差意义下最佳的信道估计器是基于二维维纳滤波的估计插值器，但其复杂度 第一章绪论5 过高，实际中一般通过设置块状导频和梳状导频，将二维估计插值器简化为一维 估计插值器。文献【l l 】对不同导频模式下的一维插值方法进行了研究，并指出梳状 导频模式下基于最小二乘( l s ) 估计和低通插值的效果最好。文献【1 2 】提出了一种基 于变换域的估计方法，但该算法无法明确地确定变换域“截止频率”，且需要对历 史c s i 进行统计，复杂度较高。 在实际系统中，块状导频和梳状导频被结合形成混合导频以估计不同时变特 性的信道。对此混合导频，可使用级联的频域和时域一维估计插值器进行信道估 计。在t d d 模式下，认为信道状态在一帧内保持不变，此时上述级联估计插值简 化为频域一维估计插值，根据文献【1 1 】的结果，此时低通插值的效果最好。但低通 插值仍会引入较大的c s i 估计误差，从而导致信道互易性的丧失。本论文分析了信 道估计误差引起的互易性丧失对t d d m i m o o f d m 系统容量的影响，提出了一种 基于时域截短的低复杂度信道估计方法以抑制估计误差，从而保持系统的信道互 易性，消除由互易性丧失引起的容量损失，使t d d 系统不用专f - c s i 反馈链路的优 点得以保持。 文献 1 3 1 通过导频设计和信道估计对仅收端存在i q 不平衡时，o f d m 系统进行 了补偿，文献【1 4 】给出了o f d m 系统中收端i q 不平衡及c f o ( c a r r i e rf r e q u e n c y o f f s e t ) 时的估计和补偿方法，文献【1 5 】建立了在m i m o o f d m 系统中基于反馈的迭 代消除i q 不平衡的方法。由此可见，i q 不平衡引起了关注，只是以上均基于单链 路的补偿，本论文结合t d d 信道的互易性问题，进行评估和补偿。同时，文献 1 6 】 指出，有关i q 不平衡的补偿方法，可以分为两类：一个是在频域；一个是在时域。 时域补偿方法避免了判决误差，在直接判决方法中不可避免地存在判决误差，因 此时域补偿从根本上优于频域补偿。在本论文中主要讨论瑞利衰落信道下，时域i q 不平衡的影响及补偿方法。 1 4 本文内容安排 本文主要研究信道估计射频器件的非理想特性对t d d m i m o 系统信道互易 性的影响以及相应的补偿方法。详细分析了不同信道估计算法对t d d m i m o 信道 容量的影响。另外，详细分析了因射频失真引起i q 不平衡影响，研究了仅收端存 在i q 不平衡的补偿算法和收发端都存在t q 不平衡的补偿算法，并通过仿真验证 了补偿算法的有效性。 以下是本文的章节安排： 第一章：简要介绍了本文研究工作的背景，分析了在m i m o 系统中应用t d d 技术所带来的信道互易性的优势，以及信道互易性在实际系统中受到的影响。最 后对全文内容作了安排。 t d dm i m o 信道非互易性补偿算法研究 第二章：主要介绍t d d m i m o 系统的原理，对m i m o 信道模型和容量公式 作了详细介绍，分析了t d d 技术的主要特点。最后给出了一个采用预编码技术的 两发两收t d d m i m o 系统模型，这也是后面研究工作的基本仿真模型。 第三章：详细介绍了信道估计的基本知识，块状导频、梳状导频、方形导频、 线性插值、二次插值等，同时将多种方法进行比较，并用时域截短的方法提高了 m i m o o f d m 系统的估计性能。 第四章：详细推导了单端天线i q 不平衡对2 x 2t d d m i m o 系统影响的数学 模型，给出了针对该模型的系统容量公式。基于信道估计的思想，提出了应用于 该模型的校准算法。对单端天线i q 不平衡的影响及校准算法的效果都进行了仿真 分析。 第五章：详细推导了双端天线i q 不平衡对2 x 2t d d m i m o 系统影响的数学 模型，给出了针对该模型的系统容量公式。基于校准矩阵的思想，提出了应用于 该模型的校准算法。同时解决了该模型在使用校准矩阵法时遇到的扰动问题，对 双端天线i q 不平衡的影响及校准算法的效果都进行了仿真分析。 第二章m i m o o f d m 系统原理 7 第二章m i m o o f d m 系统原理 2 1o f d m 技术 传统多载波的子载波如图2 1 ( a ) 所示，将整个频带划分为个不重叠的子带， 在接收端用滤波器组进行分离。其优点是简单直接，而缺点是不仅计算复杂度较 高，而且频带效率较低。这是因为它的实现需要采用较长的f i r 滤波器；同时因子 信道之间要留有保护频带而使频带效率降低。 第二种子载波调制方法是采用偏置q a m 技术，相邻的两个滤波器在过渡带 3 d b 处相互重叠，如图2 1 ( b ) 所示，其复合频率响应是平坦的。各个子带信号之间 的正交性通过将同相分量与或正交分量的波形在时间上相互错开实现，即相邻两 路调制符号相互偏移半个符号周期。 第三种实现方法是正交频分复用( o f d m ) 技术，它是将方波成形的调制符号采 用i d f t 法调制到各子载波上之后，在频域变为虽然相互重叠而又相互正交的s i n e 函数，如图2 1 ( c ) ，因此在接收端可通过相应的d f t 将它们相互分离，分别进行判 决。 _vv_ ，l r ， 厂y( _ r ， (a)(b) ，、n w 。 图2 1 ( a ) 传统的频分复用0 a ) 3 d b 频分复用( c ) o f d m 一 多载波 +增加循环 一是l 串并 调制器 _ 前缀及并 缓冲器 = _ ( 逆d f t ) - 串并变换 输出 一 比特 撇换器目删器圉禚( d f t ) 目燃厦 图2 2o f d m 多载波传输模型 o f d m ( 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 i n g ) 技术实际上是m c m ( m u l i t - c a r r i e rm o d u l a t i o n ，多载波调制) 的一种。其主要思想是：将信道分成若 干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信 道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少 子信道之间的相互干扰o c d , 每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因 此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每 8 t d dm i m o 信道非互易性补偿算法研究 个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。可见， o f d m 技术能够有效地对抗多径干扰与频率选择性衰落，并具有频谱利用率高，成 本偏低等优点1 1 7 1 1 8 j 随着高速无线局域网和第四代移动通信概念的提出，o f d m 技术已成为继 c d m a 后的技术热点，并可能成为4 g 主要的调制标准。不过o f d m 提高频谱利 用率的作用毕竟是有限的，在o f d m 的基础上合理开发空间资源，也就是多天线 o f d m ，可以提供更高的数据传输速率。另外o f d m 由于码率低和加入了时间保 护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不 受码间干扰的困扰，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射 机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。在实际中，许多无线信道是频率选择性 衰落的，空时编码的设计将变得非常复杂，而o f d m 技术可将频选衰落信道分成 许多并行的平衰落信道，这将降低空时编码的复杂度。将空时编码技术和多天线 o f d m 技术两者很好地结合在一起，发挥各自的性能特点，从而提高系统的总体 性能。并且，多天线o f d m 系统加空时编码技术能在不增大发射功率和不扩展频 带的前提下实现高速数据传输，是空间资源利用技术的发展方向，这必将有效地 满足第四代移动通信对高数据率传输的要求。 2 2m i m o 系统 随着无线通信技术的发展，有限的无线资源面临着通信数据不断增加的巨大 压力，如何用较少的频率资源来传输更多的信息以及抑制无线电干扰技术，己成 为无线通信技术发展迫切需要解决的问题。在众多的技术探索中，多输入多输出 ( 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 ) 技术能在不增加带宽的情况下成倍地提 高通信系统的容量和频谱利用率。因此，m i m o 被认为是第四代移动通信系统中可 能采用的关键技术之一【1 9 2 0 1 。 2 1 1m i m o 技术特点 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，它利用多天线来抑制信道衰落。 m m o 技术可以简单定义为：在无线通信系统中，链路的发端和收端都使用 多副天线。m i m o 系统的特点是将多径传播变为有利因素，它有效地使用随机衰 落及多径时延扩展，在不增加频谱资源和天线发送功率的情况下，不仅可以利用 m i m 0 信道提供的空间复用增益来提高信道的容量，还可以利用m i m o 信道提供 的空间分集增益提高信道的可靠性，降低误码率。如果我们有效地利用了多天线 所提供的空间维数，在天线数趋于无穷多时，可使信道容量随信噪比的增加呈线 第二章m i m o o f d m 系统原理9 性增长。m i m o 技术的核心是空时信号处理，即利用在空间分布的多个天线将时 间域和空间域结合起来进行信号处理，它有效地利用了随机衰落和可能存在的多 径传播来成倍地提高业务传输速率。m i m o 技术成功之处主要是它能够在不额外 增加所占用的信号带宽的前提下，带来无线通信的性能上的几个数量级的改善。 因此了解在多天线系统下信道容量的特性和影响它的因素、研究信道容量的 优化技术对设计和评估下一代高速无线通信系统起着关键性的作用。 2 1 2m i m o 信道模型及容量分析 ( 1 ) m i m o 信道模型及容量 m i m o 通信系统中，多径分量之间的相关性对信道容量有至关重要的影响。 假设m i m o 系统中发射机有m 根发射天线，接收机有，根接收天线。x ( x 舭) 为输入符号向量，日( 日吼r 川) 为信道矩阵，n ( n 孵以) 为收端的加性高斯白噪 声向量( a w g n ) ，接收到的符号向量可以表示为 j，=hx+疆(2-1) 假设疗为零均值，实部虚部等方差的复高斯噪声，且每根接收天线上噪声独立， 有 e ( n n h ) = 厶( 刀h 为刀的共轭转置) ( 2 2 ) 用红。，表示发射天线j ( ，= 1 , 2 ，m ) 到接收天线砸= 1 , 2 ，) 的信道增益，则接 收机所接收的信号矢量可以表示为： 羔 = 三王： 三 + 三 q 哪 c = l o g z ( d e t ( ，哆脚日) ) 姊s 他 伽睁+ 煮j 卜 任5 ， r 7d + ，量，岛阱l 1 0 t d dm i m o 信道非互易性补偿算法研究 其中p t i 是第i 个天线的发射功率，是第j 个天线到第i 个天线的子信道值。 ( 2 ) 基于s v d 分解的容量 对任意信道矩阵日吼，毗( ， 0 ) 进行奇异值分解( s i n g u l a r v a l u e d e c o m p o s i t i o n ，s v d ) 得到： 日= u d v h ( 2 6 ) 其中，d = d i a g ( t r l ，o 2 ，o r r ，o ，o ) 是对角阵，对角元素q ( f = 1 , 2 ，) 为 矩阵日的全部非零奇异值，也是矩阵日h 日特征值 如乃 4 + ，= = k = 0 的非负平方根。u 和v 分别为，和m 阶酉矩阵，u 的列向量是h h h 的 特征向量，y 的列向量是日h 日的特征向量【2 2 】f 2 3 】。 令歹= u h y ，盂= v h x ，面= u h 刀，则根据酉矩阵的性质4 h a = ，可得 歹= d 受+ 元( 2 - 7 ) 这里噪声j i i 与月同分布，j le ( a a h ) = 研( u h n x u h 以) h 】- k ；蚓1 2 = l l x l l 2 即信号 功率不变，于是可以将信道等效为，= r a n k ( h ) d 时，很容易产生所谓,dtm2, 的孔径效应，其中以、z 分别为收发天线阵阵元的间距，n 表示信号波长，m 为 接收天线的数目。第四，角度扩展或角度谱直接影响天线阵的相关性。角度扩展 越大，角度谱分布越均匀，则信号相关性就越低，信道容量也就越大。特别地， 定义天线阵列又波束宽度：最矿= 2 d c o s 孕) ，其中d 为天线间距，矽为入射或发射 角分布的均值j 五表示信号波长。则当波束宽度小于角度扩展时，信道相关性对信 道容量没有影响。 m i m o 技术是现代通信技术的一个重要突破，一方面该技术可以极大地提高 系统容量和频谱利用率，并且不以时频资源为代价；另一方面它把对无线传输不 利的多径传播转变成有利因素，通过有效地利用多径满足不同的通信指标。m i m o 系统的两个主要应用是空间复用和空间分集。 空间复用是指在不同的天线上发射不同的数据流，充分利用空间特性，在一 定的误码率下致力于提高信道中传输的数据速率。空间分集是通过在空间并行信 道上传输包含相同信息的数据流，利用空间冗余提高通信的可靠性。空间复用虽 然独立利用了每根天线，实现数据高速率传输，但是不能提供分集增益，在给定 误码率指标下，它并不是一种最佳的发射策略【2 4 1 ；空间分集虽然能通过分集增益 提高系统误码率性能，但是却没有利用空间信道提供并行数据传输的能力，数据 速率受到损失。如何有效地融合复用和分集，在高数据速率和高可靠性、系统性 能和复杂度之间找到折衷是m i m o 空时码研究中需要考虑的问题。a t & t 公司研究 院的t a r o k h 提出的空时格码( s 1 v r c ) 可以同时获得分集增益和编码增益，但是译 码复杂度随天线个数和数据速率成指数增长。另外一种空时分组码( s t b c ) 由于采 用了正交编码，只需要通过简单的线性处理就能实现译码，复杂度较低。c a d e n c e 公司的a l a m o u t i 首先提出一种用于两根发射天线的空时分组码，后来在正交设计理 论的基础上被推广到用于多于两根天线的正交空时分组码。 2 3m i m o o f d m 系统模型 m i m o 技术基本局限于无线窄带通信系统，这主要是因为空间分集的宽带 1 2 t d dm i m o 信道非互易性补偿算法研究 m i m o 信道在提供更高通信容量的同时，由于时延扩展的原因也引入了频率分集。 如果多径信道是频率选择性信道( 较大信道带宽情况下) ，o f d m 传输技术可以通 过消除符号间干扰来减少频率选择性的影响。使用k 个载波的情况下，o f d m 可以 把频率选择性信道转换成为k 个并行的互补干扰的独立信道。同时，o f d m 技术可 以大大降低无线宽带通信系统中接收机的复杂度【2 5 1 。因此，m i m o o f d m 技术可 以在不需要增加传输功率和扩大带宽的前提下提高数据的传输效率，同时还可以 消除时延扩展的负面效应，它利用时间，频率与空间三种分集技术，使无线系统 对噪声、干扰、多径的容限大大增加。m i m o o f d m 系统原理图如图2 4 所示。 从图2 5 可以看出，m i m o o f d m 系统在发送端和接收端各设置多副天线， 输入的比特流经串并变换为多个分支。每个分支都进行o f d m 处理，即经过编码、 交织、q a m 映射、插入导频信号、i f f t 变换、加循环前缀等过程，再经过天线发 送到无线信道中；接收端进行与发射端相反的信号处理过程，即去除循环前缀、 f f t 变换、提取导频信息、解调、解交织、解码等，最后完全恢复原来的比特流。 本文采用3 g p pr 8 版本中t s 3 6 2 1 l 【9 】应用于物理层调制的标准对发送端的信 号进行处理。下面给出点到点m i m o o f d m 系统发射和接收框图( 以天线配置为 m 发m 收为例) ，分别如图2 4 、图2 5 所示。 假设一个m i m o o f d m 系统有m 个发送天线m ( m m ) 个接收天线， 在时刻刀，序列s f 以，k 1 ( k = 1 ，札) 通过v - b l a s t 被复用到m 路，其中第f 路 在第疗个o f d m 符号中的第七个子载波上的信号记为薯f r l ) k 1 。则，第，个接收天 线接收的合信号为： m t 乃【刀，七】= 【七】薯【栉，七】+ 乃【k 】j = l ，鸠 ( 2 - 1 0 ) i = l 其中，1 ，k 1 表示第，个接收天线上的加性白高斯噪声，假设它是零均值， 方差为一，并且假设对于不同的刀，k 或者，它们之间互不相关。【殇七】表示 第i - t 发射天线和第，个接收天线之间在第刀个o f d m 符号中的第七个子载波上信 道衰落的频率响应。 将m i m o o f d m 系统的输入输出用矩阵表示为： y n ，七】- 日【刀，七】耐撑，七】+ 刀【疗，k 】 ( 2 - l1 ) 其中： y n ，k l = ( y 。 7 ，k 】 可刀，七】_ ( 毛【刀，k 】 露【刀，k j - - ( 。【”，k 】 阶】) r 吣】) r r，1 、， h 纠j ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) 第二章m i m o o f d m 系统原理 日【聆，k - - 日l ，。 r l ，k 】日l ，： 1 ，七】耳m 【玎，k 】 凰。 r ，k 】日2 ，： i ，k 】日2 m 【以，k 】 ： 巩，1 【栉，k 1 ，：【以，k 】一巩，m 【刀，k 】 m ，x m 信道 o f d m 调制器| lo f d m 调制器| lo f d m 调制器 ( 2 - 1 5 ) 接收机中的信号处理hm i m o 解码器h 信道解码h 数据接收端 图2 4m i m o - o f d m 系统框图 ( a ) 发送端 图2 5 ( b ) 接收端 在接收端，接收信号首先解帧、提取导频并估计信道，去循环前缀，然后数 据再经过f f t 处理后进入子载波解映射，将相应子载波中的数据提取出来后，对 数据进行解预编码和解调，再经过并串变换，得到原始数据流。 m i m o o f d m 系统的提出是无线通信领域的重大突破，其频谱利用率高、信 号传输稳定、高传输速率等基本特性能够满足下一代无线传输网发展要求。 m i m o o f d m 系统内组合了多输入多输出天线和正交频分复用调制两大关键技 术。这种系统通过空间复用技术可以提供更高的数据传输速率，又可以通过空时 1 4 t d dm i m o 信道非互易性补偿算法研究 分集和正交频分复用达到很强的可靠性和频谱利用率。 2 4 采用预编码的t d d m i m o 系统模型 前面介绍的m i m o 和t d d 技术成为t d d m i m o 系统的重要组成部分，下面 给出系统的一种具体实现。本文主要在两发两收t d d m i m o 系