（通信与信息系统专业论文）分布式mimo系统的检测技术.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 当前无线通信的发展正处于最为关键的时期，人们持续增长的需求与有限 频谱资源之间的矛盾成为研究高频谱利用率技术的动力和挑战。众多新技术中， 基于多天线的多入多出( m 讧o ) 无线通信结构已显示出无尽的潜力，成为充分 利用空间资源的必然途径。 本论文首先介绍了多入多出无线通信的研究背景和基本概念，并指出其研 究的必要性和必然性。然后，详细阐述了在多入多出无线通信领域正受到关注 的分布式m i m o 系统并阐述了需待解决的基本问题，指出了本文的研究方向。 本文第二章首先简单介绍了无线通信信道三种不同类型衰落，平均路径损 耗、大尺度衰落和小尺度衰落。而无线电信号通过无线信道后的总的衰减为上 述三种衰减效应的总和。结合无线信道的特点，本章接着分析了传统集中式 m i m o 面临一些问题，这些问题的出现使得分布式m i m o 的重要性显得不言而 喻。接下来本章讨论了分布式m i m o 的一些优点和由于“分布”而引起的一些 新的问题。最后，给出了分布式m i m o 系统模型的数学描述。 本文第三章介绍了一些预备知识，包括检测与估计理论和泛函分析理论。 虽然限于篇幅，很多概念只是粗略的提及，很多结论并未详细给出其证明，但 这一章所介绍的知识背景为下一章检测算法的推导建立了一个良好的理论上的 基础。 本文第四章着重讨论了分布式m i m o 的检测问题。首先指出了分布式 m i m o 检测不同于传统集中式m i m o 检测的一个基本原则。然后推导出了它的 最大似然检测算法，并证明了可以用v i t e r b i 算法优化地求解该问题。鉴于最大 似然检测的复杂度比较高，接着本章便又介绍了两种线性检测方法，迫零( z f ) 检测以及线性最小均方误差( m m s e ) 检测。 本文第五章针对平坦瑞利衰落信道下的检测的性能进行了分析。其中详细 讨论迫零检测和最大似然检测的性能问题，并给出了检测性能的上下界。 关键词：多入多出，分布式，最大似然检测，迫零检测，最小均方检测 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si s u n d e r g o i n gak e yp e r i o d t h em a j o rc h a l l e n g ei n t o d a y s w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni sh o wt os e r v et h ee x p l o s i v e l y i n c r e a s i n gd e m a n d o f m u l t i m e d i as e r v i c ew i t h i nt h el i m i t e d b a n d w i d t h a m o n g t h o s e e m e r g i n g t e c h n o l o g i e 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 e t r o ) c o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e h a ss h o w e di t si n f i n i t e p o t e n t i a l t o i m p r o v es p e c t r a le f f i c i e n c yd r a m a t i c a l l y b y d e p l o y i n gt h ee l e m e n to fm u r i p l ea n t e n n a sa tb o t ht r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r , m i m o h a sb e e nr e g a r d e da sa l li n e v i t a b l ep r o m i s i n ga p p r o a c ht o e x p l o i tm a x i m u ms p a t i a l r e s o u r c e sa m o n g m a n ye m e r g i n gt e c h n o l o g i e s i nt h i sp a p e r ，w ef i r s ti n t r o d u c et h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n db a s i cc o n c e p to f m i m ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s a n dt h e ni n d u c et h ed i s t r i b u t e dm i m os y s t e m w h i c hi sa t t r a c t i n gm u c ha t t e n t i o ni nt h ef i e l do f m i m ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n d s t a t ed e t a i l e d l yt h ef u n d a m e n t a l p r o b l e m st ob es o l v e d ，t h u sp o i n t i n go u tt h er e s e a r c h i n t e r e s to f t h i s p a p e r i nc h a p t e r2o ft h i sp a p e r , t h r e et y p e so fa t t e n u a t i o ni nw i r e l e s sc h a n n e l s ，i e a v e r a g ep a t hl o s s ，m a e m s c o p i cf a d i n ga n dm i c r o s c o p i cf a d i n g ，a r ef i r s t l yi n t r o d u c e d ， a n dt h et o t a la t t e n u a t i o ni st h es u m m a t i o no f t h et h r e ee f f e c t sm e n t i o n e da b o v e t h e n ， s o m e p r o b l e m se m e r g i n gi nt h et r a d i t i o n a lc e n t r a l i z e dm i m o a r ea n a l y z e d ，w h i c h m a k et h ei m p o r t a n c eo ft h ed i s t r i b u t e dm i m oa p p a r e n t n e x t ，s o m ea d v a n t a g e so f t h ed i s t r i b u t e dm i m oa n ds o m e p r o b l e m s d u et o d i s t r i b u t i o n a r ed i s c u s s e d f i n a l l y , t h em a t h e m a t i c a ld e s c r i p t i o no f t h ed i s t r i b u t e dm i m o s y s t e m m o d e li sp r e s e n t e d i nc h a p t e r3 ，s o m ep r i m a r yk n o w l e d g ei si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h et h e o r yo f d e t e c t i o na n de s t i m a t i o na n dt h et h e o r yo ff u n c t i o n a la n a l y s i s ，w h i c hs e tu pa t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ed e d u c t i o no ft h ed e t e c t i o na l g o r i t h mt ob es t u d i e di nt h e n e x tc h a p t e n i nc h a p t e r4 ，t h ed e t e c t i o ni s s u eo ft h ed i s t r i b u t e dm i m o i sd i s c u s s e d f i r s t l y , a nb a s i c p r i n c i p l e i nw h i c ht h ed i s t r i b u t e dm i m od e t e c t i o nd i f f e r sf r o mt h e t r a d i t i o n a lc e n t r a l i z e dm 蹦od e t e c t i o ni sp o i n t e do u t t h e nt h em a x i m u ml i k e l i h o o d i i 电子科技大学硕士学位论文 ( m l ) d e t e c t i o na l g o r i t h mi sd e r i v e d ，a n dk ss o l u t i o ni s a b t a i n e du s i n gt h ev i t e r b i a l g o r i t h m b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo ft h em a x i m u ml i k e l i h o o dd e t e c t i o n ，t w o l i n e a rd e t e c t i o nm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d 。w h i c hi sz e r o f o r c i n g ( z f ) d e t e c t i o na n d l i n e a rm i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r ( m m s e ) d e t e c t i o n i nc h a p t e r5 ，t h ep e r f o r m a n c eo fd e t e c t i o ni nf l a tr a y l e i 出f a d i n gc h a n n e li s a n a l y z e d t h ep e r f o r m a n c eo fz f d e t e c t i o na n dm ld e t e c t i o ni sm a i n l yd i s c u s s e d ， a n dt h e u p p e r a n dl o w e rb o u n d so f t h ed e t e c t i o n p e r f o r m a n c ea r ep r e s e n t e d k e yw o r d 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 ，d i s t r i b u t e d m i m o ，m a x i m t t m l i k e l i h o o dd e t e c t i o n ，z e r o f o r e i r t g d e t e c t i o n , m i n i m u m m e a n s q u a r e e r r o r d e t e c t i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：裤隼凶孽 日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 签名：导师签名： 日期：训年i 文月机日 电子科技大学硕士学位论文 a w g n b e r b l a s t c a s d a s l o s m a i m a p m r a c m 肼o m l m l d m s e m m s e o f d m p d f p d p p s k q p s k r m s 缩略字表 a d d i f i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e b e l l l a b o r a t o r yl a y e r e ds p a c e t i m e a r c h i t e c t u r e c e n t r a l i z e da n t e n n a s y s t e m s d i s t r i b u t e da n t e n n a s y s t e m l i n eo f s i g h t m u l t i a n t e n n ai n t e r f e r e n e e m a x i m u m a p f i o f ip r o b a b i l i t y m u l t i h o p r a d i oa c c e s sc e l l u l a r m u l t i - i n p u tm u l t i o u t p u t m a x i m u ml i k e l i h o o d m a x i m u ml i k e l i h o o dd e t e c o r m e a n s q u a r e e r r o r m i n i m u mm e a n s q u a r e e 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 p r o b a b i l i t yd e n s i t y f u n c t i o n p o w e r d e l a y p r o f i l e p h a s es h i f tk e y i n g q u a d r a t u r e p h a s es h i r k e y i n g r o o tm e a n s q u a r e 加性白高斯噪声 误比特率 贝尔实验室分层 空时结构 集中式天线系统 分布式天线系统 视距 多天线干扰 最大后验概率 多跳无线接入蜂 窝网络 多入多出 最大似然 最大似然检测器 均方误差 最小均方误差 正交频分复用 概率密度函数 功率延迟分布 相移键控 正交相移键控 根均方 一一皇王型垫盔堂堡圭堂垡笙塞 s a s d s d m a s e r s i s 0 s m s n r s t b c s t c t d l t d m a w - l a n w s s u s s m a r ta n t e n n a s p a t i a ld i v e r s i t y s 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 y m b o le r r o rr a t e s i n g l e i n p u ts i n g l e - o u t p u t s p a t i a lm u l t i p l e x i n g s i g n a l - t o - n o i s er a t i o s p a c e - t i m eb l o c k c o d e s p a c e t i m ec o d e t a pd e l a y l i n e t i m ed i v i s i o n m u l t i p l e a 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 d e s e n s es t a t i o n a r yu n c o r r e l a t e ds c a t t e r i n g 一 智能天线 空间分集 空分多址 误符号率 单入单出 空间复用 信噪比 空时分组码 空时码 抽头延迟线 时分多址 无线局域网 广义平稳非相关 散射 第一章绪论 第一章绪论 本章首先简述了论文工作的研究背景，回顾了无线通信中多入多出( m i m o ) 通信技术的起源、发展和研究现状，然后提出了本文论文工作准备研究的基本 问题和主要目标。最后，介绍了论文结构和内容安排。 1 1 研究背景 过去的三十多年里，伴随着半导体技术、微电子技术和计算机技术的发展， 无线通信技术得到了迅猛的发展和广泛的应用，极大地推动了社会的发展。在 世界其他发达和发展中国家中，无线通信产业已成为各国信息基础建设的一个 不可缺少的部分。在我国，近几年的个人移动用户数目激增，无线通信行业的 大发展带动了整个通信产业，信息与通信产业在我国国民生产总值中所占的比 重也不断提高，逐渐成为经济发展的支柱型产业。 目前，无线和移动通信技术的发展正处于前所未有的关键阶段。在固定无 线接入网方面，以i e e e8 0 2 1 1 系列为代表的无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ，w l a n ) i e 逐渐商业化应用，家庭网络( h o m e n e t w o r k ) 和无线个人区域 网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t o w o r k ，w p a m 的关键技术和标准也在研发和制定 中，一些无线应用的数据速率已经可达到几十兆比特每秒。然而，与以光纤通 信为代表的有线通信所能提供的数据速率和服务质量( q u a l i t y o f s e r v i c e ，q o s ) 相比，无线通信网络和技术的发展显得相当滞后。在个人移动通信方面，个人 用户对数据传输速率和多种无线业务的需求也在不断增加，除了传统的移动语 音业务之外，人们期望能以较低的价格和更高的数据速率获取i n t e m e t 接入服务 和多媒体服务。此外，以g s m ( g l o b a ls y s t e mo fm o b i l e ) 为代表的第二代蜂窝移 动通信系统频谱利用率较低，可利用的无线频谱资源又趋于紧张，移动通信运 营商在系统容量、网络覆盖、运营成本等方面出现了一些新的问题和矛盾，导 致运营商之间的竞争日益加剧。 上述两个方面的需求不断地推动着新型无线通信技术的诞生、发展和应用。 尤其近几年来，无线数据和移动i n t e r a c t 业务需求的持续增长，使得如何实现高 频谱利用率并支持分组业务的高速数据传输成为迫切需要解决的根本问题，这 电子科技大学硕士学位论文 对未来一代无线通信网络和无线传输技术提出了巨大挑战。从技术角度看，解 决这一问题需要研究全新的无线网络结构和新型的无线传输技术。 1 2m i m o 技术概述 m i m o 技术是近年来发展的新技术，由于其具有充分开发空间资源，在不 需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高信道容量的特点， 在下一代移动通信中，得到越来越多的重视”。 1 2 1m i m o 技术的发展历史 回顾无线通信的发展历史，从移动通信系统的蜂窝化和无线通信中天线分 集的应用开始，对空间资源的利用一直是提高无线系统频谱利用率的有效手段。 过去的5 0 年里，人们对多天线技术提高频谱利用率的认识和应用也在不断深入 和发展，从早期利用多天线空间分集和天线极化分集改善无线链路传输性能， 到基于自适应信号处理方法开辟自适应天线阵列处理理论，及至智能天线( s m a r t a n t e n n a ，s a ) 、空分多址( s p a c e d i v i s i o nm u l 鄙l ea c c e s s ，s d m a ) 被用于蜂窝通 信，再到今天，国内外众多研究学者广泛关注在发送端和接收端同时使用多个 天线阵元的多入多( 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 ，m v i o ) 通信结构，以m i m o 为代表多天线技术在无线通信中扮演的角色越来越重要。 在无线通信系统中，m i m o 定义为无线链路的发送端和接收端同时配置多 个天线阵元时构成的一种通信结构，也可称之为空时通信结构1 2 1 。在通信领域中， m i m o 并不是一个新的概念，s a l z 在1 9 8 5 年就首先讨论了加性噪声m i m o 信道 中存在藕合的优化问题 引，后来被拓展到用户数字环路中消除字符间干扰 ( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 的判决反馈均衡问题【4 】，以及联合收发的优化问 题【5 1 。而在无线通信领域，对m i m o 的研究源于对利用多个天线阵元的空间分 集的性能研究。从8 0 年代开始，研究学者发现与合并技术结合的多天线空间分 集可进一步改善无线链路性能并增加系统容量【5 】，s a l z 和w y n e r 在技术报告【6 】 中针对考虑了单用户m i m o 高斯信道，以两径传播信道模型分析了空间分集对 信道容量和容量分布的影响。w i n t e r s 在文献 7 】中讨论了干扰受限的无线系统中， 利用多天线空间分集和最优合并所能带来容量增益，并明确地指出了增加分集 天线数目可以增加系统容量。直到1 9 9 5 年，b e l l 实验室的研究人员t e l a t a r 在文 2 第一章绪论 献【8 】中，假定接收端已知信道参数，分析了高斯平坦衰落信道中，接收端和发 送端同时使用多天线阵元的容量，推导了信道容量、信道分布，即断线概率容 量( c a p a c i t y v e r s u so u t a g e ) ，以及错误指数三者的公式，其方法是依据文献 9 1 中给 出的随机矩阵无序特征值的分布函数。在1 9 9 6 年，f o s c h i n i 提出了b e l l 实验室 分层空时结构( b e l ll a y e r e ds p a c e - t i m ec o d e s ，b l a s t ) ，这种收发端同时使用多 阵元阵列结构的编码方法可以理论上逼近信道容量的下界。f o s c h i n t 在文献 1 0 1 中进一步分析了无线通信的收发端使用同等阵元数月时，多阵元阵列信道容量的 下界，并指出了信道容量与信噪t 匕( s i g n a i - t o 。n o i s e r a t i o ，s n r ) 、发送和接收天线 数目的关系。这些研究结果显示，在信噪比较大时，s n r 每增加3 d b ，容量增 加，l b i f f s h z 。需要指出，在上述这些的研究中，都假定了信道衰落矩阵各元素 为独立同分布( i n d e p e n d e n t i d e n t i c a ld i s t r i b u t e d ，i i ，d ) 的复高斯随机变量，且信道 为准静态平坦衰落模型。文献 1 1 】对时变多径m i m o 信道的容量研究表明，无线 信道中存在的多径恰恰能保证信道容量获得较大的分集阶数。在f o s c h i n i 的理论 指导下，文献 1 2 1 公布了w o l n i a n s k y 等人采用垂直- 贝尔实验室垂直分层空时 ( v e r t i c a l b e l ll a y e r e ds p a c e t i m e ，v - b l a s t ) 进行的试验结果，利用v - b l a s t 的实验平台达到了2 0 b i t s h z 以上的频谱利用率。 综上所述，无线通信应用需求的持续增长直接推动着无线通信网络的发展 和无线通信新技术的诞生。而在众多新技术中，m i m o 作为未来一代宽带无线 通信系统的框架技术，是实现充分利用空间资源以提高频谱利用率的一个必然 途径，基于m i m o 的无线通信理论和传输技术显示了巨大的潜力和发展前景， 1 2 2m i m o 技术研究现状 从w i n t e r s 对无线通信系统空间分集与系统容量关系的讨论，到t e l a t a r 和 f o s c h i n i 关于m i m o 信道容量的理论分析，这些研究奠定了m i m o 无线通信的 信息论理论基础。而b l a s t 的试验结果郧从实践的角度证明了，m i m q 一这 种在无线链路的发送端和接收端同时使用多个天线的通信结构，能够在不额外 占用频谱带宽的前提下有效地提高信道容量。上述研究掀起了近六年来无线通 信领域对m i m o 研究的热潮，标志着m i m o 无线通信研究的真正开始。 在m i m o 成为无线通信研究热点之前，智能天线及空域自适应信号处理技 术一直是无线通信领域的研究热点之一，并被期望应用予第二代和第三代移动 电子科技大学硕士学位论文 通信系统中，国内外涌现了大量的研究论文。与智能天线技术相比较，m i m o 通信结构及基于m i m o 的编码和信号处理技术是对智能天线技术的继承和重大 突破。一方面，从通信结构的数学模型表示来看，智能天线信号模型的单入多 出( s i n g l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ，s v 1 0 ) 结构可视为m i m o 无线通信系统的一个 特例。另一方面，从涉及通信的深度来看，m i m o 不仅包含了智能天线技术的 信号处理，其近来的发展已经涉及编码、调制和网络系统结构等方面。比如， 最具代表的空时编码( s p a c e t i m ec o d e s ，s t c ) 技术和自适应m i m o 调制，以及分 布式m i m o 天线系统和协同空时无线通信结构等，都已经突破了智能天线技术 包含的自适应空时信号处理技术。 从1 9 9 8 年开始，跟随着t e l a t a r 、f o s c h i n i 以及r a y l e i 曲等人的脚步，国内 外著名的无线通信研究结构和学者们掀起了对m i m o 技术的研究热潮。很多电 子与通信领域的国际学术刊物在近两年出版了关于m i m o 无线通信的专辑。此 外，在近几年的国际通信与信号处理相关领域的学术会议也乎都将m i m o 无线 通信列为一个重要的主题，关于m i m o 的书籍也已面世 2 1 。总结近6 年来关于 m i m o 的研究，可以发现，m i m o 研究的内容主要包括四个方面： 1 m i m o 衰落信道的测量和建模方法。 2 m d 讧o 信道容量的分析。 3 基于m i m o 的空时编解码方法。 4 基于m i m o 的接收机关键技术，如信道估计和检测等。 这四个方面的相关研究分别涉及了m i m o 无线通信的各个予课题。虽侧重角度 各有不同，但都面对着一个相同的核心问题，即，针对各种复杂的无线衰落信 道环境，如何更有效地利用m i m o 通信结构抗多径衰落、增加数据速率和提高 系统容量? 上面所述的第四个方面，即研究m i m o 系统的信道估计和检测算法，也是 目前m i m o 无线通信研究的主要内容之一【1 3 。近几年来，国内外公布了大量的 m i m o 信道估计t 1 4 【1 5 l 1 6 】【1 7 j 、m i m o 检测的一系列论文。 1 2 3m i m o 系统的基本原理 m i m o 系统的基本原理就是发端和收端均采用多个天线对信号进行发射和 第一章绪论 接收，这样可以获得空间复用增益或空间分集增益，增大信道容量。按m i m o 系统的结构不同，可以分为采用空间复用( s m ) 方案的m i m o 系统，采用空间 分集( s d ) 方案的m i m o 系统以及两者相结合的系统 空间复用方案提供了随发射天线数线性增长的数据传输速率，而不需要增 加额外的带宽和发射功率。在空间复用中，要发送的数据比特流被分为若干较 低速率的子比特流，在各个发射天线上被同时发送。接收机通过信道信息可以 区分并分别提取来自各个发射天线的信号，然后恢复出各个原始的子比特流， 合并后就可以得到原始比特流。采用空间复用方案的m i m o 系统结构如图1 - 1 所示。 图1 - 1 采用s m 方案的m i m o 系统结构 空间分集方案则为m i m o 系统提供空间分集增益，即在一定的数据传输速率下， 可以获得更好的误码率性能。在m i m o 系统的发端和收端均可以利用空间分集。 在收端，各个接收天线接收到同一个信号的各个独立衰落版本，接收机通过对 这些信号进行合并可以使合并信号的衰落明显减弱。在发端，为了能获得分集， 必须对发射信号的形式进行适当的设计。空时编码( s t c ) 就是依靠在空间上的 编码来获碍分集的一种技术。采用空间分集方案的m i m o 系统结构如1 2 矗所示。 同样也可以把这两种方案结合起来，同时获得复用和分集增益。 图1 2 采用s d 方案的m i m o 系统结构 电予科技大学硕士学位论文 1 2 4m i m o 技术的优势 m i m o 技术之所以受到人们的广泛青睐，是因为在m i m o 系统中，我们可 以获得以下几种增益，而这些增益可以使移动通信系统的容量和性能得到明显 地提高【2 】。 1 阵列增益。阵列增益是指由于接收机通过对接收信号的相干合并而获得 的平均s n r 的提高。在发射机不知道信道信息的情况下，m i m o 系统可以获得 的阵列增益与接收天线数成正比。 2 复用增益。在采用空间复用方案的m i m o 系统中，可以获得复用增益， 即数据传输速率的增加。传输速率的增加与发射一接收天线对的数目成正比。 3 分集增益。在采用空间分集方案的m i m o 系统中，可以获得分集增益， 即系统误码率性能的改善。分集增益用独立衰落支路数来描述，即分集阶数。 在使用了空时编码的m i m o 系统中，分集阶数等于发射天线数与接收天线数的 乘积。 1 3 分布式m i m o 技术概述 下一代移动通信系统b 3 g 要求无线接入网成本低廉、部署灵活、易于支持 多标准，并满足高速率大容量的需求。传统蜂窝系统干扰受限的特性和集中、 树形的层次结构很难满足这些要求【2 4 】【28 1 。因此，目前各国都在研究b 3 g 无线接 入网的结构方案。采用分布式处理控制和多跳技术的无线接入网比传统蜂窝接 入网更符合b 3 g 系统的要求。虽然目前仍有许多难题有待解决，但是可以预计， 随着软件无线电、m i m o 和正交频分复用等b 3 g 关键技术的发展，采用分布式 结构和多跳技术将是b 3 g 无线接入网的发展趋势。而将m i m o 技术和这些接入 技术相结合，也是今后移动通信系统中值得研究的一个重点。 1 3 1 分布式天线系统 未来无线通信系统中，分布式天线也是一个重要的关键技术，它在提高系 统容量、减少发射功率方面有着先天的优势。分布式天线系统就是在较大的空 间范围内安装多个基站天线，每个基站天线将接收到的移动台信号统一传送到 一个中心基站进行处理，而中心基站也可以将信号同时通过多个基站天线进行 6 第一章绪论 发送给移动台，这种利用多个天线的方式被称为分布式天线系统( d i s t r i b u t e d a n t e i l l l as y s t e m ，d a s ) ，以区别于天线阵集中式放置系统( c a s ，c e n t r a l i z e d a n t e n n as y s t e m s ) 【2 ”。分布式天线实质是一种宏分集方式，它能够有效对抗阴 影衰落。众所周知，传播电波受到路径损耗、阴影衰落和多径干扰等各种损耗。 宏分集是克服阴影衰落的有效方法之一，它采用大范围内的空间分集，在收端 对信号采用各种合并方式，提取有用信号，可以显著提高系统性能。分布式天 线系统的特殊结构决定了利用宏分集技术是顺理成章的事情。 分布式天线系统将传统基站集成的天线改为分布式结构，天线与基站间使 用光纤连接，因此天线可以随意延伸到较远的地方以减少盲区。由于处理控制 功能都在基站端实现，远程天线单元僻a u ) 只负责射频信号的收发和光电转换。 远程天线单元o c m d 包括天线、双工器、放大器和光电转换收发器。光纤链路 直接传送模拟射频信号以降低p , a u 的复杂度。这种技术具有如下优点：由于光 纤是低损耗( 15 5 0 啪时光损耗为0 2d b k m ) 、高带宽的传输媒介，基站、天线 间使用光纤链路可提供高信号传输质量，并在一根光纤上实现多个服务，从而 加强天线布置的延伸性和灵活性【2 0 】。天线结构从集中模式改为分布式，可有效 均匀化下行发送功率并缩短移动台到天线问的距离，从而减小上行发送功率。 这样系统可以采用大量成本低、体积小、射频功率低的远程天线单元提供大范 围的视线内通信，加大覆盖范围，提高频谱效率和系统容量。系统部署由此变 得简单而且容易进行集中升级，使网络规划周期缩短。如果天线单元采用多输 入多输出删0 ) 技术，可进一步加大系统容量和传输速率。 1 _ 3 2 多跳无线接入蜂窝系统 第三代移动通信系统3 g 通过功率控制减轻瞬时衰落的影响，然而导致远近 问题的传播损耗不受接入技术的影响，而且基站和移动台发送功率的限制导致 小区边缘功率控制不够理想，从而引起很多传输差错。为此，文献【2 5 提出了多 跳无线接入蜂窝( r c m a c ) 概念。 在多跳无线接入蜂窝概念中，用户与相应基站问增加了作为无线中继器和 无线分组路由器的跳站( h s ) ，从而构成了移动台一跳站基站“双跳”路径a 跳 站分为专用跳站和临时跳站。专用跳站位于基站视线内，专门用于中继信号。 临时跳站可由任何处于优良传播条件下的移动台充当。移动台有“单跳”和“双 电子科技大学硕士学位论文 跳”路径模型：当传播条件足以满足通信需求( 如速率、差错率等) 时移动台直接 访问基站，称为“单跳”路径；当传播损耗较高，移动台选择一个可用的跳站 以低于“单跳”路径的发送功率与跳站建立连接，跳站将信号中继到基站，称 为“双跳”路径。在“双跳”路径模型中，通过选择通往基站的最佳路径，移 动台能在特定传输速率下减小发送功率，或能以特定发送功率实现更高传输速 率。利用“双跳”路径模型可减小移动台带来的干扰，并通过中继传输加大小 区半径或区域覆盖能力。在“双跳”模型中，跳站需要一些额外无线资源进行 中继传输，这会产生一定干扰。当专用中继器被部署在基站的视线内，且专用 跳站与基站使用定向天线时，跳站中继引起的干扰很小，而如果用户终端被用 作跳站，跳站中继引起的干扰将大于使用专用跳站时的干扰。然而，在人口密 度很高的城区，可找到很多用户终端充当跳站，只要从中选择传播条件最佳的 一个，就可以将干扰减为最小。基站一专用跳站路径的传播损耗非常低，因此 专用跳站能放置在任何地方。然而，因为小区边缘“单跳”路径传输损耗非常 大而且需要较高发送功率，所以当专用跳站放置在小区边缘时采用“双跳”路 径传输具有明显优越性，因此，m r a c 结构中将中继区域( “双跳”区域) 放在 小区边界处。为使用“双跳”路径减小移动台的发送功率，临时跳站( 由另一个 移动台充当) 应当处于比该移动台更优良的通信位置。 m r a c 小区布局与蜂窝单元很相似。每个小区的中央部分是“单跳”占优 区域，小区边缘部分是“双跳”占优区域，此区域内存在很多跳站作为中继站。 “双跳”区范围( 或“单跳”区半径) 的选择根据“单跳”路径和“双跳”路 径的传播损耗比值来确定。当移动台位于小区边缘时，m r a c 结构可有效降低 发送功率。由此，m r a c 减小了蜂窝系统的干扰并增强了区域覆盖性。这种结 构可扩大小区半径，部署较为灵活，相同系统容量下成本低于传统蜂窝结构。 在文献 2 1 1 和文献 2 2 0 0 还提出了将m i m o 技术应用于多跳蜂窝系统。 1 3 3 分布式m i m o 系统的概念 目前对于m i m o 研枣丰霉集中在点对点m i m o 系统上，而且信道模型也局 限于小尺度衰落，而很少关注阴影衰落、信道l o s 分量、天线拓扑结构等因素 对m i m o 系统的影响。一般把这种普遍考虑的点对点m i m o 系统称之为集中式 m i m o 系统( c e n t r a l i z e dm i m o ) ，见图1 - 3 。 第一章绪论 图1 - 3 集中式m i m o 系统示意图 针对于此，本文考察两种更加广义的m i m o 系统，一种由移动台和多个天 线端组成，移动台和每个天线端都有多个天线，这种m i m o 信道结合了点对点 m i m o 系统和分布式天线系统的特点，因此将它称之为分布式天线m i m o 系统 ( m i m od i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m s ，m i m o d a s ) ，见图1 4 ；另一种就是多 跳无线接入蜂窝系统中的分布式m i m o 多跳系统( d i s t r i b u t e dm i m om u l t i h o p s y s t e m s ) ，见图i 5 。分布式m i m o 多跳系统与分布式天线m i n i o 系统具有很 多的不同点。除了蜂窝结构不同，有一点需要提及的是，在分布式天线m i m o 系统中移动台的天线还是集中设置的，所以收发天线只能有一个是分布的。而 在分布式m i m o 多跳系统中，和同一用户通信的所有中继站的每一个有可能都 知道其它中继站的存在，这样可以允许它们对数据进行空时编码或空间复用， 所以这里有可能形成一个等效的收发天线都分布的m i m o 系统【2 1 1 【22 1 。尽管这样， 这两种系统的特点都是发射、接收天线单元全部或部分地分布于小区中，所以 把这两种系统都统称为分布式m i m o 系统( d i s t r i b u t e dm i m o ) 。 9 电子科技大学硕士学位论文 图1 - 4 分布式天线m i m o 系统示意图 图1 - 5 分布式m i m o 多跳系统示意图 1 0 第一章绪论 1 3 4 当前研究的热点 目前对于分布式m i m o 系统的多数研究集中于如下两个方面 1 新型无线接入网络体系结构及相关理论和技术，以成倍提高无线通信系 统的容量和性能，解决无线频率资源紧张、空中传输速率有限的问题； 2 研究采用分布式m i m o 的系统容量和性能的提高极限。 对于分布式天线m i m o 系统，国内清华大学的课题组进行了一系歹t j + i + i 关的研究 t 2 8 。【”1 。他们的研究表明：随机布置天线的单用户m i m o d a s 的闭环容量界 和频谱效率均大于天线集中布置的m i m o 系统；对m i m o - - d a s 的断线容量的 数值仿真也证明了这一点；采用注水原理的v - b l a s t 方案能逼近m i m o - d a s 的容量。 1 3 5 待研究的一些问题 从前面可以看出目前的研究主要集中于系统的网络层，而对其物理层几乎 没有涉及。所以今后待研究的问题包括 1 研究分布式m i m o 系统网络拓扑结构对于信号物理传输的影响。 2 研究分布式m i m o 系统的空时编译码方法和自适应空时信号处理结构 与算法。 3 研究分布式m i m o 系统中信号的设计、发射技术和检测技术。研究分布 式m i m o 系统中信号的同步问题。 4 研究分布式天线系统对分组数据传输的可行性、适应性及效率。 而本文主要讨论分布式m i m o 系统的检测技术。 1 4 论文的结构及内容安排 本文的余下部分安排如下： 第二章主要介绍分布式m i m o 系统。首先简单介绍了移动无线信道的主要 特性，然后介绍了分布式m i m o 系统的优点并分柝了“分布”对于信号传输的 影响，最后从数学上对分布式m i m o 系统进行了建模。 电子科技大学硕士学位论文 第三章是关于检测的一些预备知识。包括检测与估计的基本理论以及关于 从连续空间到离散空间变换所需要的泛函分析理论。 第四章详细地推导了分布式m i m o 的三种检测算法：最大似然检测、迫零 检测以及最小均方检测。并指出可以使用v i t c r b i 算法来优化执行最大似然检测。 第五章则详细分析了分布式m i m o 最大似然检测和最佳迫零检测在平坦瑞 利衰落信道下的性能，并给出了它们性能的上下界。 1 2 第二章分布式m i m o 系统 第二章分布式m i m o 系统 分布式m i m o 系统相对于集中式m i m o 系统具有很多的优点，但是由于天 线分布，