（电磁场与微波技术专业论文）mimo移动通信系统中的终端多天线设计.pdf

摘要 摘要 尽管第三代移动通信技术正方兴未艾，新一代移动通信技术已初露端倪。其 高质量、高速率的移动多媒体传输目标令人神往。然而，实现这一目标并非易事， 传统单天线收发通信系统显得极其苍白无力。即使采用常规发射分集、接收分集 以及智能天线技术，同样也不足以满足新一代无线通信系统对大容量与高可靠性 的需求。可幸的是，多入多出( m i m o ) 无线通信技术为解决该问题提供了全新的途 径，它在无线链路收发两端均采用多天线，充分开发空间资源，在无需增加频谱 资源和发射功率的情况下，成倍地提升了通信系统的容量与可靠性。当然，机遇 与挑战总是并存的，与常规单天线收发通信系统相比，m i m o 通信系统中多天线 的应用面临着大量亟待研究的问题。 优异的多天线性能是m i m o 系统实现其各种优势的根本保障，本文以8 6 3 项 目“新型天线与分集技术研究”为契机，围绕移动终端多天线设计这一主题展开 了系统的研究。本文在介绍了m i m o 系统移动终端天线基本理论的基础上，详细 阐述了m i m o 系统移动终端天线的设计方法，提出了适合于m i m o 移动终端的三 种可穿戴式天线及三种内置微带贴片天线：并通过天线各参数的测量以及m i m o 系统试验平台的外场测试对所设计天线进行了验证。 首先，本文简要回顾了研究的相关背景，通过对现代移动通信的发展及其所 面临的挑战和急需解决的问题的总结，了解了m i m o 通信技术引入的必然性；在 此基础上，对m i m o 移动通信技术进行了系统的阐述，包括传统的s i s o 系统以 及智能天线系统向m i m o 系统的演进，m i m o 移动通信技术基本原理，m i m o 系 统的主要研究内容和国内外研究动态。 其次，结合m i m o 系统终端多天线设计要求，概括了现有m i m o 系统终端天 线的主要形式及特点，阐述了决定多天线布局的天线分集形式，给出了分集性能 的衡量标准：并在此基础上，提出了适合于本m i m o 试验平台的移动终端多天线 设计思想与技术途径，即通过采用分集技术、改善单元天线方向图、实现天线的 小型化与双极化使所设计多天线满足m i m o 系统的需求，在具体实施方案上，明 确了外置可穿戴式天线与内置微带贴片天线两种方案。 接着，本文介绍了微带天线设计及在移动终端多天线系统中的应用，概述了 微带天线的分类、优缺点、分析方法及馈电方式，给出了m i m o 移动终端微带天 摘要 线小型化、双极化的具体方案。 然后，本文重点介绍针对不同的适用情况，所设计的移动终端外置可穿戴式 天线与内置微带贴片天线。其主要包括腰带式可穿戴天线、腰包式可穿戴天线、 电抗加载的双极化微带贴片天线、采用高介电常数磁性材料作为介质基片的的垂 直、水平极化与+ 4 5 。双极化微带贴片天线。通过对天线各参数测量的结果分析表 明，可穿戴式天线提升了分集单元数目，丰富了分集形式，降低了天线的人体吸 收率( s a r ) ；内置微带贴片天线虽然占据着极小的空间，却利用双极化技术获取 了极化分集增益；各种天线均较好的满足了m i m o 系统对终端天线的要求。 最后，为验证所设计移动终端多天线的性能，我们将其用于m i m o 系统试验 平台，进行了一系列的实验，并对实验数据进行了分析和讨论。从实验结果可以 看出，所设计多天线可以获得良好的分集效果，达到了预期的设计目标。 关键字：多输入多输出，天线分集，可穿戴天线，双极化，小型化 i l a b s 订a c t a b s t r a c t t h et h i r dg e n e r a t i o n ( 3 g ) m o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa r es t i l le x p e c t e d v e r ym u c ht o b e d e v e l o p e d ，h o w e v e r , n e wg 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 t e c h n o l o g i e si se m e r g i n ga n db o o m i n g ，t h eg o a lo fw h i c hi sa t t r a c t i v e ，b e c a u s eo fi t s h i g hq u a l i t ya n dh i g hd a t ar a t ei nm o b i l em u l t i m e d i at r a n s m i s s i o nt h ef u l f i l l m e n to f t h i su n p r e c e d e n t e dg o a li sn o ts oe a s y , a n dt r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m su s i n g s i n g l ea n t e n n at r a n s m i ta n dr e c e i v es i g n a l sa r ec o n f r o n t e dw i t has t i f fc h a l l e n g e t r a d i t i o n a lt e c h n o l o g i e s ，s u c ha st h et r a d i t i o n a lt r a n s m i td i v e r s i t y , r e c e i v ed i v e r s i t ya n d s m a r ta n t e n n at e c h n o l o g y , a r ed i f f i c u l tt os a r i s f yt h ed e m a n d so f b o t hl a r g ec a p a c i t ya n d h i g hr e l i a b i l i t yi nt h en e wg e n e r a t i o nw 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 f o m m a t e l y , a n o v e lc r e a t i v et e c h n o l o g y , n a m e l ym 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 ) ，h a s p r o v i d e da ni n n o v a t i v es o l u t i o nt ot h i sp r o b l e m m i m ot e c h n o l o g yu t i l i z e sm u l t i p l e a n t e n n a sa tb o t ht r a n s m i ta n dr e c e i v ee n d so ft h er a d i ol i n kt om u l t i p l yt h ec a p a c i t ya n d r e l i a b i l i t yb yf u l l ye x p l o i t i n gt h es p a c er e s o u r c ew i t h i nt h es a n l ef r e q u e n c yb a n da tn o a d d i t i o n a lp o w e re x p e n d i t u r e h o w e v e gm a n yp r o b l e m sa r ee m e r g i n ga n du r g e n t l y n e e d e dt ob es o l v e di nt h em i m oc o m m u n i c a t i o ns y s t e md u et ot h ei n t r o d u c t i o no f m u l t i p l ea n t e n n a s a ne x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo ft h em u l t i a n t e n n as y s t e me n s u r e st h a tt h em i m o s y s t e ma c h i e v ei t sa d v a n t a g e s t h i sd i s s e r t a t i o n ，s p o n s o r e db yt h ep r o j e c to f t h en o v e l t y p e so fa n t e n n a sa n dd i v e r s i t yt e c h n o l o g y w h i c hi so n ep a r to ft h e8 6 3p r o g r a m ， f o c u s e so nt h em u l t i - a n t e n n ad e s i g nf o rw i r e l e s sh a n d s e t si nt h em i m os y s t e m w i t h t h eo v e r v i e wo ft h ep r i n c i p l eo ft h em u l t i a n t e n n au s e di nm o b i l et e r m i n a l s ，t h et h e s i s i n t r o d u c e st h ed e s i g nm e t h o do fm u l t i p l ya n t e n n a s ，b r i n g sf o r w a r dt h r e et y p e so f w e a r a b l ea n t e n n a sa n dt h r e et y p e so fm i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n a sa p p l i e di nh a n d h e l d t e r m i n a l s a l lo f t h o s ea n t e n n a sa r em e a s u r e da n dh a v eg o o dr e s u l t s f i r s t ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n di sr e v i e w e d ，t h ed e v e l o p m e n ta n dd e f e c t so ft h e c u r r e n tm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r es u m m a r i z e da n dt h ei n e v i t a b i l i t yo fu s i n g m i m ot e c h n o l o g i e si sd i s c u s s e d t h e nt h i sd i s s e r t a t i o ns y s t e m a t i c a l l ye x p a t i a t e so n m i m ot e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n gt h ee v o l u t i o no f t h et r a d i t i o n a ls i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t i i i a b s t r a c t ( s i s o ) s y s t e ma n ds m a r ta n t e n n as y s t e mt ot h em i m os y s t e m ，t h ep r i n c i p l eo fm i m o t e c h n o l o g i c s ，a n dt h ec u r r e n ts t a t u so f t h em i m os y s t e m s e c o n d ，c o m b i n e dw i t ht h er e q u i r e m e n to f m u l t i p l ea n t e n n a so f m i m os y s t e m ，t h e d i s s e r t a t i o nd e s c r i b e sf o r m sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea n t e n n a su s e di nm o b i l et e r m i n a l s o ft h em i m os y s t e m ，a n dr e p r e s e n t sv a r i o u sd i v e r s i t ys c h e m e sa n dt h ec r i t e r i af o rt h e d i v e r s i t y b a s e do i lt h ep r e v i o u sd e s c r i p t i o n ，t h ep r i n c i p l eo fm i m ot e r m i n a la n t e n n a d e s i g ni sp r e s e n t e d ，i n c l u d i n gt h ea d o p t i o no ft h ea n t e n n ad i v e r s i t y , t h ei m p r o v e m e n to f t h ea n t e n n ap a t t e r n ，t h em i n i a t u r i z a t i o na n dt h ed u a l p o l a r i z a t i o no ft h ea n t e n n a c o n s e q u e n t l y , w e a r a b l ea n t e n n a sa n dm i e r o s t r i pp a t c ha n t e n n a sa r ec h o s e nf o rm 1 m o h a n d s e t s t h i r d ，t h ed e s i g no fm i c r o s t r i pa n t e n n a sa n di t sa p p l i c a t i o n si nm 1 m ot e r m i n a l s a r ei n t r o d u c e d ，i n v o l v i n gt h ec l a s s i f i c a t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c s ，a n a l y s i sa n df e e do f m i c i o s t r i pa n t e n n a s t h em i n i a t u r i z a t i o nm e t h o d sa n dt h ed u a l p o l a r i z a t i o ns c h e m e so f t h em i c r o s t r i pa n t e n n a si nm i m ot e r m i n a l sa r ep r e s e n t e d f o u r t h ，t h ed i s s e r t a t i o ne m p h a s i z e so nw e a r a b l ea n t e n n a sa n dm i c r o s t r i pp a t c h a n t e n n a sd e s i g n e db yt h ea u t h o rf o rd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s t h ea n t e n n a si n c l u d e w e a r a b l ea n t e n n a si n t e g r a t e do nas t r i p ，w e a r a b l ea n t e n n a si n t e g r a t e di naw a i s tp a c k ， d u a l p o l a r i z a t i o nm i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n a s l o a d e dw i t hd i s t r i b u t e dr e a c t a n c ea n d 9 0 + 4 5 。d u a l - p o l a r i z a t i o nm i c r o s t r i pp a t c h a n t e n n a su s i n gh i 出p e r m i t t i v i t ya n d p e r m e a b i l i t yd i e l e c t r i cs u b s t r a t e s t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t so fw e a r a b l ea n t e n n a s i n d i c a t et h a tt h en u m b e ro fd i v e r s i t ye l e m e n t si n c r e a s e d ，av a r i e t yo fd i v e r s i t yg a i n sa r e a c h i e v e da n dt h es p e c i f i ca b s o r p t i o nr a t i o ( s a r ) i sd e c r e a s e db yw e a r a b l ea n t e n n a s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fm i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n a si n d i c a t et h a ti ns p i t eo fas m a l l v o l u m e ，t h ea n t e n n ac a na c h i e v et h ep o l a r i z a t i o nd i v e r s i t yg a i nb ye m p l o y i n gt h e d u a l p o l a r i z a t i o nt e c h n o l o g y a l lo ft h ea n t e n n a sm e n t i o n e di n t h et h e s i sm e e tt h e r e q u i r e m e n t so ft h em i m os y s t e mw e l l ， f i n a l l y , t h ea n t e n n a sh a v eb e e ne m p l o y e di nt h ee x p e r i m e n t a lm i m os y s t e m ，a s e r i e so fe x p e r i m e n t sh a sb e e nd o n et ot e s tt h ea n t e n n a s p e r f o r m a n c e s t h ee x p e r i m e n t d a t aa r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tag o o dd i v e r s i t yp e r f o r m a n c ei s a c h i e v e db yt h em u l t i p l ea n t e n n a sd e s i g n e d t h ed e s i g n sr e a c ht h ee x p e c t e dg o a l k e yw o r d s ：m i m o ，a n t e n n ad i v e r s i t y , w e a r a b l ea n t e n n a ，d u a l - p o l a r i z a t i o n ， c o m p a c ta n t e n n a v 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：缁日期：伽缉牛月柏 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) 繇监生砖燧 e t 期： 第一章引言 第一章引言 近十年来，无线局域网和移动通信飞速发展，需要传输的数据量与日俱增。 如何在有限的频谱内满足不断增长的用户数、更高的传输速率和保证更高的通信 质量是一个重要而紧迫的课题。上世纪9 0 年代中后期，贝尔实验室t e l a d a r 、f o s c h i n i 等学者率先将多入多出【2 】，即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 ) 概念应用 到移动通信系统中，并从理论和实验上证明了m i m o 能够大大提高移动通信系统 的容量和质量，引起了各国学者的极大关注，使m i m o 技术在短暂的几年内得到 了迅速的发展，现已被公认为是新一代移动传输系统的关键技术之一。 为了能够从根本上了解m i m o 移动通信技术，本章首先简要回顾移动通信的 发展历程，了解当今移动通信所急需解决的几个问题。然后阐述m i m o 移动通信 技术的原理，并通过与单天线系统以及智能天线技术的比较分析，得出m i m o 移 动通信技术的各种优势。最后简单介绍国内外研究现状及本文的主要工作与组织 结构。 1 1 现代移动通信发展概述 1 1 1 现代移动通信技术的发展 移动通信【3 】是被广泛应用的一种通信手段，它可以使人们不受时间、地点、环 境的限制而进行相互通信。虽然移动通信在2 0 世纪2 0 年代就己经出现，但自7 0 年代贝尔实验室提出蜂窝系统的概念和理论以来才得以飞速发展。经过3 0 多年的 发展，其已经成为多种网络、多种制式、覆盖范围广、用户众多的通信系统。纵 观移动通信发展历程，第一代系统已成为过去，第二代系统正如日中天，第三代 系统方兴未艾，第四代系统初露端倪。 第一代模拟蜂窝移动通信系统【4 】( 1 g ) 从上世纪8 0 年代开始发展，主要采用 频分多址( f d m a ) 、模拟调频技术，主要业务为电话，典型代表如美国的a m p s ， 欧洲的e t a c s ，北欧的n m t - 9 0 0 以及日本的h c n t s 等。模拟移动通信系统存在 着一些致命的弱点，比如：各系统间没有公共接口；数据承载业务很难开展；频 谱利用率低，无法适应大容量的需求；安全保密性差，易被窃听，易做假机以及 移动终端要进一步实现小型化、低功耗、低价格的难度较大等。另外，随着用户 电子科技大学硕士学位论文 数量的急剧增加，蜂窝网络容量的需求不断扩大。虽然增加蜂窝网络容量可以通 过增加基站和减小基站小区的覆盖面积而得到；但是，在城市密集区，再增设基 站往往已经变得非常困难且费用昂贵。因此，为克服第一代系统的局限性，世界 上一些发达国家自8 0 年代中期就开始了第二代移动通信系统的研究开发工作。 第二代移动通信系统( 2 g ) 即目前广泛使用的g s m 、d c s l 8 0 0 、i s 一9 5 等系 统，是从上世纪9 0 年代发展起来的，为数字蜂窝系统，主要采用时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 技术。与第一代模拟蜂窝系统相比，第二代移动通信系统 在几个主要方面如：多址方式、调制技术、话音编码、信道编码和分集接收技术 等采用了数字技术。因此，其具有如下优点： 1 采用数字技术，增加了设备的集成度，降低了终端尺寸 2 采用了高效的数字调制技术，大大增加了系统的有效容量 3 采用低功耗系统，增加了终端待机时间 4 采用了信源和信道编码技术，具有了抗干扰能力 5 采用了灵活的带宽配置 6 提供了新的服务能力 由于具有上述优点，第二代系统在过去几年内取得了前所未有的巨大成功。 然而，随着其不断的发展，高速增长的用户数l f l 与有限的系统容量、有限的业务 之间的矛盾渐趋明显。这一矛盾突出表现在系统通信容量不足，业务单一，无法 实现某些高速率数据( 如多媒体数据) 业务的应用：另外，因为各国通信标准不 统一，系统不兼容，无法实现全球漫游。这就从根本上促进了第三代移动通信的 发展。 第三代移动通信系统 4 ( 3 g ) 最早在1 9 8 5 年由国际电信联盟( i t u t ) 提出， 当时称为未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，1 9 9 6 年更名为i m t - 2 0 0 0 ( 国际 移动通信一2 0 0 0 ) ，该系统工作在2 0 0 0 m h z 频段，最高业务速率可达2 m b p s 。其首 选技术为宽带c d m a ( w c d m a ) ，主要备选方案有欧洲及日本提出的w c d m a ， 美国提出的c d m a 2 0 0 0 ，以及我国提出的t d s c d m a 。相较l g 与2 g ，3 g 具有以 下几个方面的特性： 1 全球化。i m t - - 2 0 0 0 是一个全球性的系统，它包括多种系统，在设计上具 有高度的通用性，该系统中的业务以及它与固定网之间的业务可以兼容， 实现全球漫游。 2 多媒体化。具有多媒体传输能力，系统能在低速移动的情况下，实现综合 慢速视频数据的传输。 第一章引言 3 综合化。能把现存的各类移动通信系统综合在统一的系统中，以提供多种 服务。 4 智能化。主要表现在智能网的引入，移动终端和基站采用软件无线电技术。 在3 g 积极推进的同时，第四代移动通信【5 】( 4 g ) 也初显端倪。4 g 可以在不 同的固定、移动平台和跨越不同的频带的网络中提供移动服务，可以在任何地方 快速接入互联网( 包括卫星通信) ，能够提供信息通信之外的定位定时、数据采集、 远程控制等综合功能。同时，4 g 还是多功能集成的宽带移动通信系统、多媒体移 动通信系统和宽带接入i p 系统。总之，4 g 正在向着移动通信发展的最终目标一一 5 w 个人通信( 实现任何人( w h o e v e r ) 可以在任何地点( w h e r e v e r ) 任何时间 ( w h e n e v e r ) 与其他任何人( w h o m e v e r ) 进行任何方式( w h a t e v e r ) 的通信) 积 极迈进。 1 1 2 现代移动通信所面临的挑战和急需解决的问题 经过2 0 多年的发展，移动通信系统无论在商业上还是在技术上都取得了巨大 的成功，然而以下几个问题却制约着它的进一步发展，成为移动通信所急需解决 的问题，也是业界主要研究的方向。 首先是信道容量的问题。众所周知，电磁频谱作为一种自然资源，各个区域、 各种系统所能使用的频段都受到严格的限制，而移动通信系统所能使用的频率更 是相当有限。然而，随着移动通信的迅猛发展，通信用户急剧增加，使得移动通 信系统本来就不宽裕的频谱资源越来越紧张。如何有效的提高频谱利用率，在有 限的频段内容纳更多的用户，提供更多的服务成为一个急需解决的问题。为此， 2 g 和3 g 采用了诸多编码、调制等技术来应对这一问题：然而无论采用何种技术， 传统的单天线系统在通信上存在一个不可突破的极限一一由s h a n n o n 信道容量公 式所计算出来的信道容量；与此同时，移动通信仍在飞速的发展，通信用户仍在 进一步的增多。因此，寻求新的技术方案以进一步提高信道容量仍是一个急需解 决的问题。 其次是通信质量的问题，这主要是由移动通信的自身特征引起的。一、移动 通信中信号的传输媒质即为我们所在的这个自由空间，因此，各种地势、建筑以 及人的各种活动势必导致信号传输过程中的反射、折射、绕射、散射以及损耗等， 即导致信号的衰落。二、由于各个用户、各种信号均采用自由空间这一相同的传 输环境，使得各信号之间的相互干扰变得难以避免。正是由于信号的衰落和干扰 电子科技大学硕士学位论文 使得在通信过程中，接收机信号接收电平具有极强的不确定性，这在由多径所引 起的小尺度衰落中特别明显，这种衰落可能使得在极短的时间内，信号接收电平 相差几十个分贝。因此，如何在通信过程中保证通信质量成为移动通信所急需解 决的又一个问题。 最后是数据传输率的问题。随着多媒体业务的快速发展，越来越多的用户希 望能够实时地传输图片、视频、音乐等多媒体资料以及浏览i n t e m e t 等。这些对系 统数据传输率提出了极高的要求，2 g 所提供的9 6 k b i t s 显然离这一理想相距甚远； 尽管为了提高数据传输速率，在2 g 基础上的一些改进技术( 称作2 5 g 或2 g + ) ，如 通用分组移动业务( g p r s ) 技术与g s m 数据率增强型全域演进( e d g e ) 技术等相较 2 g 大大的提高了传输速率，然而其数十至数百k b i t s 的传输速率也同样无法满足 这一高速率需求；就连3 g 的2 m b i t s 的传输速率也极可能在短的时间内达到饱和。 因此，如何进一步提升数据传输速率成为了移动通信所急需解决的又一问题。 为了解决上述三个问题，上世纪9 0 年代中后期，贝尔实验室t e l a d a r 、f o s c h i n i 等学者率先将m i m o 概念应用到移动通信系统中，并从理论和实验上证明了，结 合m i m o 通信技术与先进的信号处理技术，可以在不增加额外的频段和功率的情 况下，成倍提高移动通信系统的容量、质量以及传输速率。这一理论的提出引起 了各国学者的极大关注，使m i m o 技术在短暂的几年内得到了迅速的发展，现已 被公认为新一代移动传输系统的关键技术之一。 1 2 m i m o 移动通信技术 所谓多入多出( m i m o ) ，即在无线链路两端均采用多天线，分别同时接收与 发射，充分利用信号空域信息，建立空间并行传输通道，在不增加带宽与发射功 率的情况下，成倍提高移动通信的质量与数据速率。相较于传统的移动通信技术， m i m o 通信技术最大的优势在于其出发点为利用传播环境中的多径信息而不是抑 制多径信息。 1 2 1 传统单天线( s i s 0 ) 系统向m i m o 系统演进 传统移动通信系统采用一副发射天线和一副接收天线，称作单入单出( s s 0 1 系统。s i s o 系统在信道容量上具有一个不可突破的瓶颈- - s h a n n o n 容量限制 6 。 c = l 0 9 2 ( 1 + p l h l ) b s h z ( 1 1 ) 第一章引言 式中，c 是s h a n n o n 容量，p 是接收天线的信噪比，h 是归一化信道复增益， 可见其信道容量没有利用空间维度。不管采用何种调制技术、编码策略或其他方 法，无线信道总是给无线通信工程作了这个实际的物理限制。为了提高单天线系 统的容量，人们采用了设置更多的基站、拓宽带宽、加大系统发射功率等方法。 然而，增设基站意味着采用更多的蜂窝，而在城市密集区，要增设基站已经 变得非常困难且费用昂贵。拓宽频带，必将导致与现行系统不兼容的问题，其代 价也是相当昂贵的。加大系统发射功率姑且不论可能引起人的健康状况的变化， 对硬件设计来说这也是非常困难的，因为功放器件在大功率区域下的线性工作特 性是很难设计的。另外，散热及发射功率的加大所引起的功率消耗也是移动终端 要考虑的问题。 为了进一步寻求提高系统容量的方法，人们提出了天线分集技术，即在无线 链路的一端采用多天线捕获与合并信号的处理技术。根据在无线链路中分集技术 所使用的位置不同，我们可以将分集技术分为两类，一为发射分集，一为接收分 集。所谓发射分集，即在发射端采用多天线进行分集发射( m i s o ) ；所谓接收分 集，即在接收端采用多天线进行分集接收( s i m o ) 。 对于n l 的m i s o 系统，发端包含n 副天线，在发送端无信道状态信息下， 各发射天线支路平均分配发射功率，其信道平均容量【7 】【8 1 为 c = l 0 9 2 ( 1 + 等e l h i 。) b i t s h z ( 1 - 2 ) 式中，h i 是第i 副发射天线到接收天线的子信道复增益，p 是接收天线的信噪 比。对于1 m 的s i m o 系统，其信道平均容量【7 】 引为 c ：1 0 9 ：( 1 + p m 卅) b i t s h z ( 1 3 ) 式中，1 1 i 是发射天线到第i 副接收天线的子信道复增益。式( 1 2 ) 与式( 1 3 ) 表明， 信道容量随发射或接收天线数目呈对数增长，分集系统利用空间维度提高了信道 容量。 s i m o 和m i s o 技术的进一步发展就自然产生了收发两端同时采用多天线的系 统m o 系统。这部分的前驱工作有1 9 9 5 年t e l a t a r 推导出多天线高斯信道容 量嘲、1 9 9 6 年f o s c h i n i 提出b l a s t 算法与1 9 9 8 年t a r o k h 等提出空时编科川， 它们从理论和实验上给出了令人振奋的结果，使m i m o 移动通信技术的研究如雨 电子科技大学硕士学位论文 后春笋般涌现。目前，国内外很多科研院校与商业机构都争相对m i m o 通信技术 进行深入研究，m i m o 技术正以前所未有的速度向前发展。 1 2 2 智能天线系统向m i m o 系统演进 在常规术语中，智能天线是指在无线链路的一端采用阵列天线捕获与合并信 号的处理技术，它能够在不利的传播条件( 如存在多径衰落与干扰) 下提供更可靠的 通信链路 8 。智能天线技术的核心思想在于联合空间维度( 自然扩展到时间维度) 与 天线分集。如果估计出各接收天线单元对期望发射信号的响应，就可以根据各响 应选择加权最优合并它们，从而最大化平均合并信号电平而最小化噪声与干扰。 进一步，在多径衰落中，信号完全丢失的概率随独立衰落的天线单元数目呈指数 减小。 智能天线可以分为两类：开关波束阵y l j ( s w i t c h e db e a ma r r a y ) 和自适应阵列 r a d a p t i v ea r r a y ) 。开关波束阵列是一种易于工程实现的智能天线，它是将一个扇区 分为多个微扇区口”，根据信号的空间方位，每隔数秒将主波束切换到最佳指向的 微扇区，而抑制其他微扇区的干扰。自适应阵列天线的阵元间距约半波长，阵元 方向图相似，各阵元接收的信号经加权合并后，接收信噪比( s n r ) 可达最大。 理论上，k 元自适应阵列最多抑制一1 ) 路干扰。 开关波束阵列仅适于信号角度扩展较小的传播环境，自适应阵列虽可以用于 信号角度扩展较大的多径传播环境，但在高强度的多径分量比较丰富的环境下， 自适应天线系统抗衰落的能力是相当有限的 ” 【”】，这是因为智能天线将移动信道 的多径传播视为消极因素，从而加以抑制而不是利用【1 ”。然而，我们所处的城市 环境大多属于多径丰富的传播环境，为了迸一步有效的提升移动通信系统抗衰落 的能力，贝尔实验室等提出了m i m o 移动通信技术，即采用增大阵元间距与角度 扩展的方式，结合空时处理技术捕获与分离多径，充分利用而不是抑制多径传播， 进一步开发空域资源，提高移动传输性能。 1 2 3 m i m o 移动通信技术原理 由1 21 节与1 2 2 节，我们可以看出，m i m o 移动通信技术源于天线分集与 智能天线技术，它是天线分集与空时处理技术相结合的产物，其技术本质是空间 分集与空间复用的结合：空间分集用以保证传输的可靠性，空间复用则用以提高 传输速率。 第一章引言 在传统的移动通信理论中，多径效应会引起移动信号的衰落，因而被视为一 种不利因素，但如果在发送端与接收端同时采用多天线系统，只要各天线单元间 距足够大，移动信道的多径分量足够丰富，那么天线接收到的多径信号的衰落就 趋于独立，m i m o 技术就利用了这一特性1 6 1 7 。对于一个具有n 副发射天线和m 副接收天线的m i m o 系统，其系统框图如图1 1 所示： 、 多径信道 夕 图l 一1m i m o 移动通信系统框图 发射信号经过空时编码后形成n 路信息子流，以相同的频率经不同的天线同 时发射出去，经过多径信道的传播，这些并行子流以不同的路径到达接收机，并 由不同的天线接收，接收机利用空时解码对各接收信号进行处理，并恢复出原始 数据流。由于这些子流同时发送，占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射 接收天线间的通道响应相互独立，则可以创造多个并行空间信道。 f o s c h i n i 在1 9 9 6 年的开创性文章里首次指出：如果用于描述具有n 副发射天 线与m 副接收天线的无线链路的m x n 信道矩阵的元素是完全独立衰落的，则该 系统的容量随最小天线数目线性增长，而不是m i s o 、s i m o 情况下的对数增长， 即 c = 1 。g ：卜【i ”+ 昙删” i b i t s h z ( 1 - 4 ) 当天线数目较多时，平均容量为 c m i n ( m ，n ) - l 0 9 2 ( 1 + p ) b i t s h z ( 1 - 5 ) 式中，c 是s h a n n o n 容量，p 是各接收天线的信噪比，上标h 表示复共轭转 置，h 是m n 信道矩阵。式( 1 5 ) 表明，理论上，对于理想的随机信道，如果天 线的空间和成本与射频通道( r f ) 不受限制，m i m o 系统就能提供无限大的容量。 相较于式( 1 2 ) 、式( 1 3 ) ，我们可以看出m i m o 系统的容量提升几乎难以置信，它 是信息空间维度充分结合时间维度的结果，即采用空时编码的数据流利用矩阵信 道而不是智能天线系统中的向量信道传输数据。 电子科技大学硕士学位论文 1 _ 2 4 m i m o 系统主要研究内容与国内外研究现状 虽然m i m o 移动通信技术源于天线分集技术与智能天线技术，但是m i m o 系 统在无需增加频谱与发射功率下就可以获得极大幅度的容量与可靠性提升，因此， 其一经面世即引发了大量的理论研究与外场实验。自从1 9 9 5 年t e l a t a r 推导出多天 线高斯信道容量、1 9 9 6 年f o s c h i n i 提出b l a s t 算法与1 9 9 8 年t a r o k h 等提出空时 编码以来，m i m o 移动通信技术的研究如雨后春笋般涌现。时至今日，i e e e 数据 库收录该领域的研究论文已达六千余篇，它们包含了m i m o 移动通信技术的理论 研究到实验验证以及商用化的各个方面，大致可以分为以下三个方面的内容： 1 m i m o 移动传播信道的测量与建模 2 空时编码( s p a c e t i m ec o d i n g ) 方案的研究 3 分集技术与多天线设计 分集技术与多天线设计作为本文的主要研究内容，将在后边的章节中进行详 尽的阐述，本小节主要介绍m i m o 信道和空时编码的相关研究。 移动信道的空间特征是决定m i m o 多天线系统性能的重要因素，而m i m o 信 道建模的任务就是用一系列的参量将多径传播的空间信息描述出来，比如多径散 射分布、角度扩展、接收端的平均达波角与发射端的平均去波角、收发多天线的 配置布局等。为描述m i m o 信道，人们提出了一系列的信道模型，归纳起来主要 有三种，一种是非物理的统计模型1 8 l 【1 9 ，它主要是基于对m i m o 信道进行大量 测量得出的统计特征，其优点是简单易行，缺点是易受测试环境及测试条件的限 制，并难以分离测试的方法及设备对结果的影响。这类信道模型的典型代表有 g j f o s c h i n i 等提出独立同分布( 1 i d ) 复高斯信道模型、j e k e r m o a l 等提出的i s t m e t r a 随机信道模型等。另一种为物理确定模型【2 2 】，比如单环及双环模型、 d g e s b e r t 等提出的室外分布散射模型、t s v a n t e s s o n 提出的电磁散射信道模型等， 它借助一些物理参数去描述m i m o 信道的多径特征，其典型参数包括达波角 f a o a ) 、去波角( a o d ) 等。由于实际中很多传播环境是较为复杂的，仅用少数几个 参数无法准确地描述m i m o 移动信道，因此，第三类建模方法是将前两者结合起 来的混合模型，同时具有前两类模型的一些特点。 空时编码 2 3 1 26 是一种基于多天线发送技术的编码方案，它的主要思想是将多 天线技术和信