（通信与信息系统专业论文）一种mimo链路方案及关键技术研究.pdf

摘要 本文介绍了一种基于极化天线阵列与v b l a s t 算法结构的多输入一多输出 ( m i m o ) 无线链路的方案设计。根据其数学模型，分析了m i m o 系统的信道容 量，并与一些典型系统进行了对比。针对使用环境的限制与多径环境中电磁极化 的特殊情况，提出了利用极化天线阵列构建m i m o 系统的设计方案。给出了相应 的天线阵列结构，通过计算机仿真与信道传输特性测试验证了使用极化天线阵列 的可行性。论述了相应的信号处理算法。对涉及到的关键技术如天线阵列合并、 符号抵消与检测顺序优化技术进行了理论分析。最后对系统的整体性能进行了分 析讨论。 关键词：多输入一多输出( m r m o ) 信道容量极化信号处理 a b s t r a c t a d e s i g nm e t h o do f aw i r e l e s sm i m ol i n kb a s e do n p o l a r i z a t i o na n t e n n aa r r a y v - b l a s t a l g o r i t h mi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r c o m p a r e dw i t hs o m et y p i c a ls y s t e m s ， t h er e s u l t so fc h a n n e lc a p a c i t ya n a l y s i so fm i m oc h a n n e la r eg i v e n + a i m e da tt h e c o n f i n e dc o n d i t i o ni nt h i ss y s t e ma n dt h es p e c i a lp o l a r i z a t i o nm o d eo f e l e c t r o m a g n e t i c f i e l di n m u l t i p a t he n v i r o n m e n t ，t h ea r c h i t e c t u r ew i t hp o l a r i z a t i o n a n t e n n aa r r a yi s p r o p o s e d t h es t r u c t u r e o ft h ea n t e n n aa r r a yi s g i v e n ，a l s o ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h i s s t i t d c t u r ei s p r o v e dt h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i o na n dc h a n n e lt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c m e a s u r e m e n t ，t h er e l e v a n t s i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m i s d i s c u s s e d ，w i t h e m p h a s i so nt h ea r r a yc o m b i n i n g ，s y m b o lc a n c e l l a t i o n ，o p t i m a ld e t e c t i o no r d e r i n g f i n a l l y t h eo v e r a l lp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e da n dd i s c u s s e d k e y w o r d ：m i m o c h a n n e l c a p a c i t y p o l a r i z a t i o n s i g n a lp r o c e s s i n g 剖薪性声锈 本入声嘲所呈交的论文楚我个人程导耀攒嚣下遴芎亍戆搿究工佟及敬簿躲溪究 残暴。尽我所翔，狳了文中特翻女g 以檬注巍致瀑中掰罗列浆内窖以外，论文中不 包含其他入融经发表戏撰写过的研究溅聚：跑不包含为获褥西安电j 二科技大学或 其它教育罄i 褥瓣学饿或证书丽健臻避鹃誊毒辩。与我辩工俸昀困志露本磷究所敲 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并淡示了谢意。 漆谤学位论文与资糕蔷育不实之处，本人承挺一切接关资任。 本人签名：蔓：堑鏊期翌! ：堑：曼 关于论文使霜授权麓说明 本人完全了解西安电子科技大学肖关傈翳和使用学位论文豹翅定，即：研究生 在较竣读学蹙麓闽论文王俘数知识产权蕈穗溪嚣安魄予秘摭大学。本人保诞肇业 褰姣嚣，发袭论文或搜用论文( 与学骧论文橱关) 王 乍成粱隧署褰单位仍然为嚣 安电子辩技大学。学校有救绦留送交论文瓣爱印臀，允许豢阙和糖满论文；学校 霹敬公布论文翡全部或部分痰容，可强竞诲慕震影霉、缩印或其它蜜镄手蔽保存 论文。( 保密的论文程解密艏遵守此规定) 本攀幢论文属予徐密，程一年解密蜃适糟本授蔽书。 本久签名：二茎! 堑| i ：| 勰趔：垄：篓 鼯雾器签名泛斓曼篁堕：里 第一章绪论 第一章绪论 通信系统是信息社会的重要基础，而无线通信是迈向理想的个人通信( 无论 何时、何地与任何人进行任何方式的通信) 的唯一途径。随着经济的发展、科技 的进步，对信息传输的需求迅速增长，对于无线通信系统的要求不仅仅满足于单 一的传输话音，而是出现了多种多样的新业务类型。包括图象、视频、数据等各 种高速率传输业务。无线传输业务的迅速增长，需要更高速率的无线链路的支持， 然而在频率资源日益紧张的情况下，单纯以增加带宽的方式提高传输速率是不切 实际的。同时，现有的城市中的无线传输系统常常工作于建筑群落或室内这样地 形地物较为复杂的环境中，信号的接收受到反射、绕射、散射以及各种干扰与噪 声的影响，信道特性比较复杂。如何在这样的信道条件下保证通信的有效性与可 靠性是通信与信息理论的研究重点之一。 1 1 无线业务的发展要求 无线业务的种类和数量增长非常迅速，已从单一的话音业务发展到可以提供 话音、数据和传真业务。随着通信技术的进一步发展，无线个人通信系统必须能 够提供现有通信网络中的绝大部分业务，即来自各种信源如语音、传真、低速与 高速数据等，具有不同的特征如数据率、激活因子、突发性和不同质量( 误比特 率) 要求的多媒体业务，其业务最高数据速率要达到2 m b i t s 。同时还应当做到： ( 1 ) 能够接人大型商业数据库； ( 2 ) 能够接人包括娱乐和教育节目的数字影像数据库； ( 3 ) 能够提供具有语音识别和手写体识别功能的简单人机接口； ( 4 ) 能够适应分布式移动计算环境等。 无线个人通信的发展，应当保证每个用户自由的使用自己选择的网络业务， 如话音、e m a i l 、收看视频节目等等，并且还可以自由的构造和生成自己需要的业 务。 总之无线通信网络中的各项传输业务的发展都需要无线链路具有更高的传输 能力与传输质量。 三 = 黧! ! 塑篓譬整查耋基逖蓬篓銮 1 2 移动僚邀的撼本特惩 掺麓滚遘楚一器爨鍪翡髓参稼逶，蔫遴嚣狳特缝薅霹蓠、逮点薅淹狡抉逮麓 变化。嚣邀踺光线臻蟹的影蛹患癸集中在以下几个方黼： ( 1 ) 麓线接号鹃蛊蠹空瓣路径攘失； ( 2 ) 崽传输环蟪中的地形越伏变纯以及逡筑物、障碍妨对偿母黻搂所譬f 起 戆溪影衰落； t 3 ) 多程衰落：嵇遭中盼款瓣薅缀多，窀渡僚摇方式趣播誊薅雩渡、逸疆反 嚣渡述露静静疼褥及教瓣薅警| 越静散射渡。囡瓣实鞣鲢接收德号褥镰多嵇蛰疆貉 径信号盼禽成，称为多径倦撩。直射波、反射波与散瓣波在接收点产生快速赠深 赛懿囊藩，称为多径衰落。 存凌多程传撬熬隧参信逡审，对薄条传播鼹经谣言，冀援栽鸯时越者爨隧撬 变诧翁。滋遘多径萤撬鬟爨这接鼗方魏霞号爨逮戆援耗专对延隧瓿褒纯鹃多拿藩 号煎熬施。雾径衰落偿号( 尤其对予不存在嶷瓣波传输路经的环境中) 的霞络服 从臻剃分罄，抟为琏剿衰落。蔟裂达信号趣像怒拣蹉闽( o 一一2n ) 潮均匀分奄的 隧枧变爨。彩径效应将造成储号在时竣震宽，称诲多径时散。懿皋不深取摭衰落 措蘸，多径对散终造戏严羹鼬褥阍予挽，扶蠢漱制了蕊号静筵辕逮辫。从菝城爨 爱寒漤，多辍游导鼗赣搴黪逡撵鐾譬衰落，蔽裁了蘩号翁筵羧带宽。 惑黼富之，多径辫葶i 怒的寝藩特糕是严羹澎喻茏线信琴建输凌懿与赞输效率 的重要闲索。 米来的个人通信裘统的戈躐覆盖嶷要采熙微小区结构，篡特点熄： ( 1 ) 黪攥距离瓣。个人避傣审的骰枣医( m i c r o c e t l ) 与罄微，l 、送( p i c o c e l t ， 蕊覆盏甏积爨魏鍪戆塞枣嚣( c e l l ) 糯凌簧委戆多。粪小嚣半径努鬟为1 0 0 m 至t g i ) 0 m 茅耩1 0 0 m 鞭- f ，薅宏枣嚣黪热爨擎径努1 0 k m , ( 2 ) 蕊她天线较低盛小磔化； ( 3 ) 发瓣秘率低。 上述特点实际上肖剽予麟低鼹道予拨、掇黯羰谱资源剃餍散拳，羚妊裔载子降 蘸薅藏摸糕、疆褰簧赣爱羹每速率。迭器鼗夺麓缕梅热上鬟杂戆趣澎逮耨稼戏了 个入遗缮掰姆肖的低臻率镣攒特性，蕻主要特点仍然楚多径传播，倍道健输环境 菲鬻瑟辫。 第一章绪论 1 3 无线资源的利用 随着无线通信系统用户的增多，存在更多大业务量的用户需要共同的占用有 限的资源，导致无线频谱资源日益紧张。信道拥挤、相互于扰已经成为阻碍通信 系统扩展的重大障碍。为了解决这样的矛盾，在现有带宽范围内提高数据速率， 可以采用高效的调制解调方式、编码方式、多址方式、以及小区复用方式。同时 可以通过动态的分配发射功率和信道，达到有效的降低系统干扰、提高通信质量、 扩大系统容量的目的。 通信中的物理信道必然要占据一定的频带、时间、空间、功率、码字等。频 分多址( f d m a ) 以频带划分信道，时分多址( t d m a ) 以时隙划分信道，而码分 多址( c d m a ) 以不同的扩频码区分用户。实际上在某一地区使用了某一频带、 时隙、或码字后，只要能够合理配置其辐射方向与功率，就完全可以在合适距离 的另一地区( 空间) 中重复使用这一资源，称之为频谱再用技术。因此空间资源 也是一种重要的无线资源，而且前对于空间资源的利用还是很不充分的。针对空 间资源的利用技术包括最基本的小区结构、频率复用、信道配置技术、分集接收 技术，还包括相对复杂的发射分集技术以及智能天线与本文讨论的m i m o 技术等 等。 蜂窝小区的分裂是提高无线资源空间利用率的一种有效手段。在用户相对密 集的区域可以使用更多数量的一组较小的蜂窝进行区域覆盖，这样可以有效的提 高同频再用效率，扩大用户数目。自我国g s m 系统开始运营以来，网络扩容主要 是通过小区分裂方式。 分集接收是一种有效的抗衰落技术，这种技术在接收方使用一组查间位置间 隔一定距离( 空间分集) 或者使用不同的极化方式( 极化分集) 的接收天线，获 取一组衰落特性不相关的接收信号( 来自同一发射信号) ，通过特殊的合并处理方 式降低信号电平的起伏范围。合并方式有：选择式、等增益与最大比合并等。如 果使用自适应天线阵列技术在满足某些特定准则的条件下自适应的调整各个接收 天线的复权值，则可以在抗衰落的同时有效地抑制同道干扰，以实现近距离的频 带复用。 智能天线系统对每个天线阵元接收到的信号经过射频处理后，通过适当的权 值产生特定的方向图，有效接收有用信号而抑制干扰信号。智能天线分为三类： 固定波束天线，部分自适应天线与全自适应智能天线。其中全自适应智能天线可 以根据有用信号与干扰信号空间特性的变化而不断调整方向图，从而使接收信号 信干比最大。 然而类似小区分裂、动态功率控制、分集接收以及智能天线等技术都没有从 种m i m o 链路方案及美键技术研究 根本上解决多径衰落、同遥干撬与捷高传输速率之闻酾矛詹，困两不麓十分充分 的利用频谱资源。 1 4m i m o 技术 m i m o 技术实际上由来已久，早在1 9 0 8 年马耐尼就提出用它寒抗御褒落。然 而信息理论的一些近期研究成果却显示出了m i m o 系统程提高无线链路传输能力 上的巨大潜力以及在宽带光线系统中的广阔应用前景。 m i m o 系统程通信接收、发射双方都使用一组天线阵列，在发送端将个用 户的数据僚息分成多路并行信号，并分别融多个必线元同时、同频段发送；接收 方为了分辨出不同的并行子码流，必须使厢数目不少于发送天线数目的天线组进 行接收，并依靠特殊的编码方式与信号处理过程实现子信号流的分离。最后将恢 复出盼子篱号流合并成原裔盼发送率行信号。m b 垤0 系统楚一种将信号的空闻域 与时域处理相结合的技术方案，空间域的处理实际上是利用了多橙环境中的散射 繇产生的不同子信号流的不裙关稳 i i 在接收方对不褥酶僚号流逐行分离。m i m o 将信道视为若干并行的子信道，农不需要额外带宽的情况下实现近距离的频谱资 添羹复稠穗( 多个发射天线近距离强蔟、弱辩传赣) ，理论上可敬极大酌扩震颓带 利用率、提高无线传输速率，同时还增强了通信系统的抗干扰、抗衰落性能。 瑶蘩m i m o 技拳范经戚菇一璞研究煞熹，2 0 0 2 年蓄被美滔 t e l e c o m m u n i c a t i o n s 评为十大热门通俗技术之。m i m o 技术的主要研究内 容凭据： ( 1 ) 倍道模型：精确的构建能够更加准确反映m i m o 信道特性的数学模型。 ( 2 ) 傣道套爨：摄擐嚣实琢戆穆遂攘漤，诗舞壶信患毽论磷定懿莹遂传辕 速率界限。 ( 3 ) 发慰与接l | 芟处理方案：针辩这一阏题主要存在掰秘方寨空阍复 用或分集。前者主要是指备种b l a s t 算法，后者指空时编码。这两种方案的主要 基栋罄是使频繁利援率最大化。 ( 4 ) m i m o 中的编码。 ( 5 ) m i m o 镳路在未来无线网络中的威用。 ( 6 ) 能够适应由于用户移动饿引起的快速时变信道的m i m o 算法。 在宽带无线应媛领域中，采用m i m o 的生要公嚣】是r a z et e c h n o l o g i e s 翻i o s p a n w i r e l e s s 。其中i o s p a nw i r e l e s s 的a i rb u r s t 系统基乎m i m o o f d m 方案，近期在 s a nj o s e 进行了现场试验。r a z e t e c h n o l o g i e s 的s k yf i r e 系统也有m i m o 接口，并 且可以通避波束形成控镪器来升级。龋讯科技的员尔实验室b l a s t ( b e l l 第一章绪论 l a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e ) 是移动通信方面领先的m i m o 应用技术，其中 一种简化的b l a s t 方案( v b l a s 卜v e r t i c a i b l a s t ) 将信源数据分成几个子 数据流，独立进行编码，映射，调制。目前贝尔实验室已经构建了1 9 g h z 载频、3 0 k h z 带宽的v b l a s t 试验系统，并获得了非常高的频带利用率。 为了充分利用m i m o 系统的信道容量，还有多种空时处理方案。如a t & t 的 t a r o k h 等人在发射延迟分集的基础上理出了基于发射分集的空时编码。a l a m o u t i 提出了一种简单的发射分集方案，t a r o k h 等人将其进一步推广，提出了空时分组 编码。空时分组编码具有较低的译码复杂度，已经被正是列入w c d m a 提案。 1 5 论文的主要工作及贡献 本文针对散射环境中利用基于极化天线阵列的m i m o 系统实现高速率传输的 应用技术方案的设计而展开讨论： ( 1 ) 对m i m o 系统的数学模型、信道容量的信息理论基础进行了分析，并对 几种典型系统的信道容量进行了对比。 ( 2 ) 对散射环境中电磁场传播的特殊性进行了讨论，结合具体的应用环境模 型与信道特性分析，提出了利用电场极化提高无线传输速率的m i m o 链路方案。 ( 3 ) 对系统方案中涉及到的信号处理系统的关键技术进行了理论分析和研 究，提出了相应的算法，并讨论了其性能。 本文的内容是这样安排的： 第二章对m i m o 系统的数学模型以及信道容量进行了理论分析。 第三章通过仿真与信道传输特性测试分析了散射环境中的电场极化方式，提 出了基于极化天线阵列的m i m o 系统方案，并讨论了相应的天线阵列结构。 第四章讨论了基于v b l a s t 算法的信号处理结构，对天线阵列合并及其改进 符号抵消、检测顺序优化进行了分析对比，并对系统的整体性能进行了分析。 第五章是对论文内容的总结。 一种m l l v l o 链路方案及性能分析 第二章m i m o 信道容量分析 在实际的移动通信环境中，存在多个散射体、反射体，在无线通信链路的发射 与按睃臻存在不壹条传疆路径，多径传播对通俗的有效幢与可嚣往造畿了严熏 的影响。然而近期的研究却表明，完全可以利用多径引起的接收信号的某些空间 特髓实褒搂牧方跨詹源分离。多舔入一多输出( m i m o ) 技本在通信链路豹收发蓠 端均使用多个天线，发端将信源输出的串行码流转换成多路并行子码流，分别通 过不溺鳕发袈天线元嗣菝、潜薅发送，接敬穷瘸剽爝多经辱| 莛熬多个接l 雯天线上 信号的不相关性从混合信号中分离估计出原来发邀的各路子码流。这样实际相当 予远距离豹频繁资源重复载蠲，嚣蕊可以京潺毒的频带志嶷魂鸯速率酶毽患传输。 本章介绍了m i m o 的系统模型，并对其信道容量进行了分析。 2 1 1 系统概述 2 。l m i m o 系统模型 m i m o 是摆在通售链路魏发邀溃与接l l 叟蠛均篾建多令天线元憋传羧系统，其 基本结构如图2 1 所示。输入的串行码流通过某种方式( 编码、调制、加权、映射) 传按戏几鼹劳行的独立子璐渡，通过不网的发射天线发送爨 去。不疑懿予秘滚同 时丽频带的发送，接收方利用不少平发送灭线数目的天线组进行接收，并利用测 出的信道传羧特性与发送予鹤漉阍定豹缡玛关系对多路接收信号进行空域与对 间域上的处理，从丽分离出几路发送子码流，再转换成串行数据输出。 发射天线维接收天线组 多径散射 信道 。 i 接收信号处理 f ， l 匿2 1m i m o 系统基本结构 帛 据 第二章m i m o 信道容量分析 2 1 2 数学模型 一般习惯于使用复基带向量的形式描述单用户m i m o 链路。设发送天线数目 为m ，接收天线数目为n ，则发送信号和接收信号分别可以由列向量x 与y 表示： x = 伍，托，j 7( 2 一1 ) y = p y 2 ，j 。( 2 2 ) 其中接收天线数目不少于发射天线数目，即m n ，而上标7 表示矩阵的转置。 传输过程不可避免的包含噪声，噪声由n 维列向量v 表示： v = f v ，v 2 ，v n j 7( 2 3 ) v 为加性高斯白噪声向量，其分量v f “= 1 ，2 ，n ) 是独立同分布( i i d ) 的0 均值高斯随机变量，即v 。n ( o ，盯2 ) 。盯2 表示噪声的平均功率。 每个发射天线发射的信号都会经过不同的传输路径被接收天线组中的每一个 天线元接收到，其信道传输特性可以用复矩阵g c “”描述，称之为信道传输矩 阵。 g = g l l9 1 2 9 1 3 9 2 l9 2 29 2 3 9 3 l9 3 29 3 3 g n lg n 2g n 3 ( 2 4 ) g # = r e ( g i f ) + _ ，h n ( g “) = a + j b = f 万e 1 一：g u ( 2 5 ) g 中的任一元素筋表示第，个天线发射的信号到接收方的第i 个天线支路的复传输 系数，其中( f - l 2 n ；卢1 ，2 ，m ) 。在存在许多散射、反射体的多径信道中，尤其 在不存在视线传播( 1 i n e o f _ s i 曲卜一l o s ) 的环境中，可以证明信道增益h 是服 从瑞利分布的随机变量。因此可以设g r ，的实部a 与虚部b 为独立同分布的0 均值 正态随机变量，则l g dj = a 2 + 扫2 服从瑞利分布。同时假设通信带宽足够窄( 如 2 0 3 0 k h z ) ，以至于可以认为在通信使用的频带内，信道传输特性的频率响应是 平缓的，即不考虑频率选择性衰落。 设发射功率为p r ，且p r 与发射天线数目m 无关。p 为每个接收天线支路输出 的平均功率( 平均指空间平均) 。则每个接收天线的平均信噪比p = p o 2 ，且p 独 立于发射天线数。通常习惯对信道传输矩阵进行归一化处理： 辟l 2 g ：p l 2 h( 2 6 ) m m m m引匏趵一 ! 。= 熬! 幽壁堕查燕爨堕! ! 叁翅 ， 韭艺辩酸磁c n 。m 瓣元辩矗f ，的嶷郝与纛部为独室鬻努帮懿0 翦蕊疆态隧缀变蘩，豢富 露l 。= i t 蘸羔述蕊零骰浚，虿激瓣发送藤爨、翁遵髂输麓簿专潆声愆嚣蒋接收蔼号激 复慕繁驰形式袭暴期下： y = g x + v 叠露 2 2 信道容鳖分孝行 2 , 2 。1 嚣线嫠蘧静莹遵容量 在接收端错误概零可以任意小的条件下。端通信链路耐以达到的最大的信息 传输透露称魏苍遂容螫。蘩遭器量鲶赛了羚定蘩遘象洚下：遴售双方之舞壤意簧 输逮率上界， 墩炎 曼忆菇逡蕊a 鸯蘧捉交篷熬瀵壤率爨囊滋鼗渗筘霸，辕窭秀照蟪交篷 y ，蒯僚道容囊c 可黻由式( 2 一g ) 痰永。 c 。m a x f f ( x ；y ) 2 8 ) 蔌肆 其中，叫：y ) 袅承输入x 与瓣出y 之间的互债慰爨。置信息潼魑集合y 中事件 蕊瑷蛰惑戆美子集会蓉警察转礁瑗魏黎惫蘩戆警蟪蘸。蔑2 一s ) 戆禽哭是：偻 道容蹩c 为对所有的输入分布，使每个符够所能禽省的平均置信息量的最大值。 糖鑫懿赣天癸蠢猕舞爨褛努枣。憋y 之瓣熬夏楼惑蠢交波( 2 一譬纛( 2 1 0 ) 戳 熵和条件熵的形溅给出： ；x ；玲一嚣x ) - 拦x y ( 2 - 9 ) ，嚣( y ) 嚣圳x )2 1 0 ) 嚣潆) 液零x 瓣警坶禽塞羹，嚣f x 的涮袭忝察会x 攘慧集合y 酶条襻薅。琏 ( 2 - - 9 ) 裘零囊傣息量z ( x ；y ) 簿予辏人集盼平均不确怒性h ( x ) 减去程戏察到输 穗磊，褰食x 逐傺鹭瓣不稳定穗嚣( y 汉) 。嚣( 蛾x ) 运裳髂为蠢赣度、疑义度淡 谨疑整。在络定爨x 下，各攒瘦越火测攥到的德息爨越少。式( 2 - - i o ) 表示平均 鬣蕊惠薰逐莓雩：灌察霹f 詹获褥戆薅愚蠢蠛集会￥瓣不确褰经群 藏蠢发送露凑 予受到予拽影响两使观察到的y 存在的乎均不确定性日 ，1 x ) 。h t y x ) 通常称为 数誉鼗，予捷毽严纛，散毒褰越大，缮璐斡藩恚燕藤岁。获式 。+ l 。 ( 2 - 2 8 ) 由此得出m i m o 链路的信道容量 矗 l 0 9 2 d e t ( 熹- g g h 卜小z 陋：。， = 层h - 。g ： d e t ( 一。+ 景h h 片 ) b i t s h z c z 。， 设h 的秩为k 即r a n k ( h ) = k ，则由h h 的h e r m i t e 性可以得出下述关系 女2r a n k ( h ) f 2 3 1 ) = r a n k ( ht 珏群) q 。3 2 ) 墨m i n ( m ，n ) f 2 3 3 ) 在大倍噪比凰天线数目较多时，式( 2 - - 3 2 ) 将趋向于 c = e 拦叠l 0 9 2 ( | + 尹) ( 2 3 4 ) 即此时信道容量将随信道传输矩阵的秩k 蕊线性的增长。 丽时可以将王薹h 符分解为 h h 押= q a q 阿( 2 3 5 ) 其中a 是以h h 的特征值为主对角线，而其余元素为0 的对角阵。q 是与这些 姆 芷谴摺对应的黪惩囊量缝成款楚薄。这样式( 2 - - 3 0 ) 弼以改鹭毙 一种m i m o 链路方案及性能分析 c _ e 珂 i o gz h l 。+ 景q 叭矿】j 8 i 洮小z ( 2 - ，a ) 没a 的对角线元素，即h h “的特征值为a i r ，( f _ ，2 k ) 则1 11 i 式( 2 3 6 ) 可以将信道容量公式进一步改写为 fk c = e h l 0 9 2 ( 1 + 竺(2-m 2 i ) b i t s h z 3 7 ) t i = t 。 j 式( 2 - - 3 7 ) 表示，可以将m i m o 信道视作k 个相互之间不存在耦合的并行子 信道。由上述分析可以看出，m i m o 链路的信道容量很大程度上取决于h 的秩k 、 矩阵的秩表明了矩阵中的最大无关向量组中向量的个数，而实际上在系统模 型中假设的存在多个散射体的多经传播环境中，一般只要两个接收天线之间的距 离超过a 2 时就可以认为这两个天线接收到的信号具有独立的衰落特性( 经过独 立的传输路径到达接收方) ，因此由式( 2 3 7 ) 可以认为m i m o 系统正是利用多 径传播引起的接收方不同天线元接收到的信号的不相关性，通过对信道传输特性 的跟踪与辨识以及相应的编码与信号处理来实现并行子信道的分离。 也可以直观的将m i m o 系统模型即式( 2 7 ) 看作一个线性方程组。通信的 过程就是利用观测到的n 个元素构成的接收信号向量y 以及测得的信道传输特性 矩阵g ，在存在噪声v 影响的情况下，在接收端估计( 线性方程组的求解) 出m 个发送信号x 。显然上述方程组有解的条件是：方程数( 即接收天线数目n ) 要大于等于未知数的个数( 发射信号数目m ) ，且方程组中至少存在m 个线性无关 的方程( m 个发射信号到达各个接收天线元的情况是不相关的) ，即g 或h 的秩k = m ，或者称h 满秩。 2 3 信道容量对比 这里将利用2 中的结论通过计算机仿真对a g w n ( 加性高斯白噪声) 、s i s o ( 1 1 ) 、s i m o ( 1 x8 ) 以及m i m o ( 3 3 ) 与( 6 6 ) 链路的信道容量进行对 比分析。 图2 2 分别显示了各种链路的信道容量随信噪比的变化情况。其中除a w g n 信道外，其它信道的信道容量都是随机变量，这里计算的是其均值即平均信道容 量。从中可以看出，在信噪比比较高时( 3 3 ) 的m i m o 信道容量基本上是s i s o 信道容量的3 倍，而( 6 6 ) 的m i m o 链路的信道容量基本上是( 3 3 ) m i m o 链路信道容量的2 倍。 第二章m i m o 信道容量分析 。寸 壬 芒 g 删 忡 j 霉l 业 信道容量对比 s n r ( d b ) 图2 2 信道容量随信噪比的变化情况 同时，由于信道传输特性是时变的，信道容量是一个随信道传输特性变化而 变化的随机变量，因此需要考虑信道容量的概率分布。这里使用信道容量的互补 积累分布函数( c c d f - - - c o m p l e m e n t a r y c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ) 来表征不 同信噪比条件下，各种链路的信道容量的统计分布特征。c c d f 的横坐标表示信道 容量的取值，而纵坐标则表示对于横坐标的某个取值，实际的信道容量大于等于 横坐标的概率。图2 3 、图2 4 与图2 5 则分别为1 0 d b 、2 0 d b 与3 0 d b 信噪比条件 下不同链路信道容量的c c d f 。 由仿真结果可以看出，m i m o 相对于传统的单天线系统，分集接收系统以及 智能天线系统有相当大的优势，将可以实现频谱与空间资源的充分利用。 一种m i m o 链路方案及性髓分析 s n 冀= 1 0 d 露 c a p a c i t y 澄i s i h z 图2 3 倍遗容爨c c d f ( s n r = 1 0 d b ) s n r = 2 0 d b 隧2 , 4 绩道褰量c c d f ( s n r = 2 0 d b 一瓣酬誉暑舀g菠 第二章m i m o 信道容量分析5 s n r = 3 0 d b c a p a c i t y ( b i t s h z ) 图2 5 信道容量c c d f ( s n r = 3 0 d b ) 一雌制蜂i卜onu)j 6一种m i m o 链路方案及关键技术研究 第三章基于极化天线阵的m i m o 方案 根据传统的电磁理论，自由空间中的电磁场只有两种独立的极化状态或称自由 度( 就线投化藕言) ，邸联滔的水平极化与垂直极他。然嚣在多径环境中，信号熟 反射、散射都会引起极化的偏转，信号由四面八方到达接收方，而不是自由空间 中那样只绍在一条传播路径，因丽这秘情况下应豢存在三个独立的电场分量的极 化状态( 相互正交) 。本章通过仿真说明了多径环境中的确存在三个独立的电场分 量极化状态，并且通过实地测量验证了剥用极化天线阵列构架m i m o 链鼹的可熊 性。同时根据实测数据与信息理论关于m i m o 信道容量的结论计算了使用这种极 化天线阵列的m i m o 系统信道容爨。结果晟示了利用散射环境中的电场极化提高 无线传输遗率的巨大潜力。 3 1 应用环境对天线阵结构的限制 m i m o 技零霹潋带来嚣豢裹熬菝谱穰建率，怒够实瑗数据懿麓这黄辕，毽是 这魑性能上的优越之处是以系统的复杂性为代价的。最重骚的一点就是m i m o 系 统发溃嚣娶多部发射扭，接收端露要多郝接收枧，在收发掰溃郝褥要多个天线。 而臆为了使不同的天线上的信号具有独立性，一般采用的是类似予空间分集的天 线| 蜂形式，即天线元之闽麴耀距大子2 1 2 。尽管对子王嚣频率较麓的情撼，这样 的距离并不算很大，但是溺需要数目较多的天线元时，这种天线阵的应用会造成 不便。尤其对于类似室内光线局域网这榉的应用环境，波当考虑天线黪结槐对 m i m o 系统应用的带来的影响，采用结构照加紧凑的天线阵。 移动通信上行链路进行分集接收对，为了节省天线安漩空间徒往使用双天线 分支的极化分集方式。由予移动台向基站传送的无线信号要经过多次的反射、散 射，每次反射、散射都会造成电磁波极化状态的变化、极化方向的偏转。楣网的 发送信号经避不同路径到达接收方时，可以认为在两个相麓垂直的极化方向上接 收到的信号是独立的。极化分集就是利用多径导致的不同极化方向上信号衰落特 性的稚l 立琏。使用位置稽丽而角度不同的两个天线分支采实现分象接收。 本方案中我们使用了两组( 各三根) 相直垂直的半波振子极化天线组测试了3 3 静m 醚o 链鼹鹪信遭佟输特往，并计髯了其倍道容量。下面将对在m h m o 德 第三章萋予搬讫天线阵静m i m o 方案 路中采用这秘天线结构的理论依据进行分析。 3 2 电磁极化的概念 无界媒质中的均匀平斌电磁波是t e m 波。t e m 波的磁场强度和电场强度矢 量均在垂直予传播方向的平面内。假设电磁播潦+ z 辅的方向传播，员| j 电场强度矢 量瓤磁场强度矢量均在搭常数鹚乎藤悫。如果农盏焦坐标系孛讨论均匀电磁波的 传播特性时，电场强度矢量只有e k 分量，在垂直于传播的方向的等位面上，电场 强度矢羹随时间变化的矢端轨迹是一条直线，这种波称为线极化波。在一般情况 下，对予澄电方囊传播戆垮匀擎嚣毫磁渡，毫场强凄矢量嚣毒羰率孝羹传援方囊均 相同的两个分量n 和d ，电场强度矢量表达式为 e = e x + e y( 3 一1 ) 魏霹两个分量鹃合戒场矢蹩e 在等褪往羲上邃融闻交纯翡矢漆软述肖霉能不器是 一条直线。为了说明合成矢量e 在空间的任何一点上随时间的变化规律，引入电 磁波的极化概念。 霞梵毫场强度、磁场强度纛传播方离三者之鬻豹关系愚确定瓣，繇以一觳雳毫 场强度矢量e 的矢端在空阅固定点上随时间的变化所描绘的轨迹寒表示电磁波的 极化。因此，所谓极化是指空间任何一固定点上电磁波的电场强度矢量空间取向随 辩游交诧戆方式，戳e 懿矢端鞔迹来播述。如栗e 煞矢端辘迹燕一条燕线，便稼 为线极化波；如果e 的矢端轨迹是凰，便称为尉极化波；如果e 的矢端轨迹是椭 圆，便称为椭圆极化波。 毫磁渡翡搬纯裔着重瑟懿z 程意义。镯翔极纯分集技术。分集接收就是摇接狡 端对它收到的多个衰落特性相互独立( 携带同一信息) 的信号进彳亍特定的处理，以 减低信号电平起伏的办法。分集有两种含义：一是分散传输，使接收端能获得多个 统计独立黪、携带弱一僖患的衰落信譬；二是集孛处理，鄄接浚橇把牧捌懿多个独 立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。在移动通信系统中可能用到两类分集方 式：一类称为“宏分集”另一类称为“微分集”。宏分集主要用于蜂窝通信系统中， 氇称为多基靖分集。微分繁是一释渡，j 、快衰落影响鼢分集技术，在各种笼线遴信系 统中都经常使月。微分集又可分为下列六张；空阅分集、频率分集、极化分集、场 分麓分集、角度分集、时阎分集。 根掇分集接收翡定义，掰清投纯分集就是穰南不弱投 ：貔毫磁渡爨有猿立懿 衰落特性的特点，采进行信号的传输和接收。其发送端积接收端可以鹧几个位置 很接近假为不同极化的天线分别发送和接收信号，以获得分集的效果。极化分集 8一种m i m o 链路方案及关键技术研究 可以看或惫空耀分粲豹一释特臻潺提，它瞧要臻到死裂天线，錾楚裂疆鹣是不强 极化的电磁波所具肖的不相关衰落特性，因而缩短了天线之间的距离。 3 3 极化天线阵m i m o 链路的信道传输特性 根据麦克思维电磁理论，崮由空间中电磁渡的嚷场分避、磁场分量与传播方 向三者相互正交。对于电场分量而言存在两个自由度，即所谓的水平极化方式与 垂露极亿方式。显然在容氐空闻的徭设条 辱下不可能出巍一个潘传播方商的电沥 分擞，电就是说没有沿传播方向上的第三个自由度。 当出褒一个反射平面露，情掘魏不同了。如图3 1 所示，在鸯蠢空闯中，电流 元i o ( 矢鬣方向与传播路径在同一直线上) 不可能在接收点产生呶场，而由于反 翦平蟊的存在，反骞雩渡在羧收点产基静电场矢量嚣2 在发辩点、接救点翡漆线方离 上有非零的投影。可以想象在多径环境下，接收到的信号是发射信号经过各个不 两路径鑫鹫藤，k 方戮达接浚点豹，滋琵应该在空阕乏存在三令独立翡极往获态。 _ _ 一- - - - 发射点程射波终播路经接收点 豳3 。l 存在反射平嚣睡鳇电磁波传辕壤撬 程球坐标下，半渡振予静电绣逡场辐袈哭骞孝分羹擗 鬈叫嚣譬百c o s ( ；c o s a ) ( 3 2 ) 卢 第藏章基鼍：极化天线阵的m i m o 方案 1 9 半渡掇子属予偶极子天线。偶扳子天线是辐射方向圈j 葭钕予蒸本电偶彼子的 任一种双极天线，办称对称振子天线。常用的基本天线有半波振予天线、半波折 合攮子天线以及w 形、s 形、珏形、扇形稻锥形等异形折合振子天线。它们的频 带宽度与输入阻抗有所差异，而增菔和方向图都大体相似。如在e 面方向图中， 溢强子缴辅的蹭益为零，弼与振子缀辘垂盎方蠢的游形灸o o 形；蕊在珏露孛，方 向图为一个圆。随着天线长度的变化，方向图也随之变化。例如：当l 一2 时， 嚣舔方向蚕申与振子缴轴蚕盏方离豹嚣形交隽4 瓣梅花形，舔置h 嚣痰秃疆袈。 一个始终不变的规律是：e 丽方向图中，沿掇子纵轴方向的增益总为零：当l ：2 n 丑 ( n 为歪整数) 霹，珏嚣辍疼季也兔零。 假定辐射源为组( 三个) 正嶷的中心馈电半波振予天线，其中心都位于坐 标缀点。三个毫凌元分剩为b 、1 2 与b ，其方良别与壹危嫩掭熬三拿坐搽矢量x 、 y 、z 相一致。使用i 表示由这三个电流元构成的发射信号矢量。 l = ( 1 1 ，1 2 ，1 3 ) 1 ( 3 3 ) 接收点相对于辅射源点冉勺位置矢量为r ，接收点处的电场为一三维矢j te ( r ) ： e ( r ) = ( e z ，e v ，e z ) 1 ( 3 - 4 ) l 与嚣( r ) 翡关系疆盘令3 3 矩蓐g 表示： e ( r ) = gi( 3 - 5 ) f g t l 9 1 2 9 1 3 1 g = i 9 2 19 2 29 2 3i = ( g l ，9 2 ，9 3 )( 3 - 6 ) l 9 3 l 9 3 2 9 3 3 j 其中g f 为g 的第i 个列向量。 根据上述假设，鑫由空闻中这样一蕴天线在远渤一点( 蔗，y ，z ) 辐射产生的电 场矢量可以表示为： 洳芸 旦x2+cos售争y2 8 譬7 z + v 2 y _ c o s 钓 _ c o s 娶三) zr 卫x 2 + z 2c o s 售 s 譬。 甭y z c o s 铮 s 考亭 南咖铮 南c o s 铮 f 8 与+ 了 网 时3 7 r 。| r | = 乒而 ( 3 8 ) r 表示发方至g 接牧方豹鼷离。 如第二牵所述，g 反映了信道的传输特性。g 的列向量g l 表示发送信号的第i 翌二型丝坐q 壁堕查塞墨羞壁垫查堕壅 个分量经过多径信道到达接收方的传输特性，若任取g ，与g j ( f ，) 都不相关则【；乇 明发送信号的第i 分量与第分量经过信道传输的情况是独立的，因而可以利用这 种独立性，在接收方估计分离出这两个信号分量。也就是说，g 的列向量组的最 大无关组所包含的向量个数，即g 的秩表示了信道所能提供的独立极化状态数目。 xl 2 f7 + 0 。j 舅j l i 一。，j 。 图3 2自由空间中极化天线阵的远场辐射 显然，自由空间中g 的秩最多为2 。这是由于在上述假设下尽管3 个天线可 以发送3 个独立的信号，但是在远场空间中的3 个电场分量均位于与位置矢量r 垂直的平面内，而共面的三个矢量最多只能有两个是独立的。 图3 2 描述了自由空间中3 个相互垂直的电流元组成的天线组在远场的辐射情 况。电流元i ，、1 2 与i j 在位置i t 产生的电场分别为e l 、e 2 、e 3 。尽管电流元i 、 i o 与i ，可以发射独立的信号，但是它们辐射产生的三个电场分量e i 、e 2 、e 3 都在 与位置矢量r 垂直的平面内，因而这三个电场分量最多只有两个是线性无关的。 可以看出自由空间中的电场只有两种自由度，即所谓的水平极化与垂直极化方式。 下面我们通过仿真说明在多径环境下可以使g 的秩为3 ，即电场分量的自由 度为3 。在平面直角坐标系中，设存在两个无限大理想导体反射平面，分别位于平 面x = - 0 与平面z = 0 ，发射点使用三根正交的半波振子天线( 工作于9 0 0 m h z ) ，其 中心均位于t 点，坐标：( 知，y o ，z o ) = ( 1 5 ，1 2 ，1 4 ) ，三个发送电流元分别为 i ，、1 2 与b ，方向分别与直角坐标的三个坐标矢量x 、y 、z 相一致。这样假设的存 在两个反射平面的多径传播环境由图3 3 所示。 第兰章基子极化必线阵的m i m o 方絮 蚕3 3 存在嚣个反射嚣的多经环境 缀据毫磁凌毽论，无蔽六瑾鏊簿落平甏主秘毫淀元与蒸镶豫毫浚元麓关系如 图3 4 表示。 图3 4 电流元镜像关系 圈3 4 中，平面上方为冀实电流元，下方为镜像电流元，当电流元与瑗想导体 面垂直时，其镜像电漉元饿于其镜像位置，两方向保持不变；当电流元与理想导 体谣平行时，其镜像电流霓也位予冀镜像靛置，雨其方向尚真实电流元楣反。存 在凭限大理想导体平面时，电流元的远场辍射等效为其真实电流元直射波辐射场 与镜像电流元直射波辐射扬的叠鄱( 郎直射波与镜蕊反射波辐射场的叠加) 。 因此在熙3 3 的多径仿真环境中，电流元i l 在r 点产嫩的电场是直射传播以 及l ，在两个镜像( 平蟊x = 0 与平霹z o ) 及射传摇静合成，1 2 与1 3 在r 赢静辐射 情况与之类似。 仿真中接敢橇鹃位置r 遣始予( 1 5 。4 2 8 1x ，2 1 8 4 6 3x ，1 3 。8 5 7 3x ) ，距离 发射天线约l o 倍波长处( 可近似认为是远场辐射) 。发射点位置保持不变，接收 熹歉潘渡、发煮连线确定豹盔线岗逶离发射穷豹方囱移魂，逐点诗算信遭终输矩 阵g 并计算出g g “的特征值。 这里g 是一个笈矩薄，嚣塞g g “耱h e r m i t i a n 健霹黧 r a n k ( g ) = r a n k ( g g 材) ( 3 9 ) 2 2 一种m i m o 链路方案及关键技术研究 且g g “的特征值均为实数。 按照上述环境设定求得的信道传输矩阵的特征值随距离变化的曲线如图3 5 所示。其中对特征值做了归一化处理。仿真结果显示所有3 个特征值均不为0 ，说 明g 满秩，即接收方可以根据信道传输特性g 与接收到的电场分量分离估计出3 个独立的发射子数据流，构成一个3 3 的m i m o 链路。同时还可以看出，随着距 离的增加，有的特征值有逐渐变小的趋势，这是由于在图3 3 没定的多径传播环境 中距离越远反射波辐射电场在接收点处e 。方向上的投影的作用将越小。 图3 5g g h 特征值( 归一化) 随空间位置的变化 3 4 1 极化天线阵结构 3 4 系统方案 在实际信道传输特性测试中，我们构造了由三根相互正交的中心馈电半波振 第黧章基乎极化天线阵的m i m o 方棠 2 3 子天线( 9 0 0 m h z ) 构成的极化天线阵。三个天线的中心馈电点基本上紧靠在丽一 位置，且由于它们的放置方位相互薅直，因瓤天线之闻的耦会很小( 小于一2 3 d b ) 。 测试方案中我们使用的极化天线阵结构如图3