（通信与信息系统专业论文）自适应多天线ofdma蜂窝系统中反馈压缩研究.pdf

南京邮f 【1 人学坝l ：1 i j f 究生学位论文 摘要 摘要 信息论研究结果表明，如果多用户的信道衰落相互独立，任一时隙只服务于信道最好 的用户，则能获得多用户分集增益，从而使系统的总吞吐量最大化，而且与用户数成j 下比。 对于不同的用户数，衰落信道的容量几乎都能高于a w g n 信道。因此，信道衰落是可以 利用的，但这种多用户分集受到两方面因素的制约：一是在视距传播和非散射信道环境， 信道波动范围太小；二是如果信道衰落变化太慢，则不能满足对时延要求严格的应用。为 了克服以上制约，有学者研究了机会波束成形技术，它通过加剧信道的波动来提高多用户 分集增益。为了实现机会通信系统，必须反馈信道质量信息。然而，在o f d m a 系统中， 由于子载波的划分，反馈量很大，因此研究反馈压缩技术很有必要。 本文研究了机会波束成形0 f d m a 系统中分簇反馈压缩技术以及基于门限信噪比的压 缩技术，结合二者的特点提出了一种改进方案分簇门限信噪比压缩技术。仿真证明， 采用分簇门限信噪比技术与分簇技术、门限信噪比技术相比明显降低了反馈量，而且在用 户较多时系统容量损失很少。 南京| | i ；i u 人学硕i j 研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i n f o r m a t i o nt h e o r yh a ss h o w nt h a ti ft h ec h a n n e l so fm u l t i p l eu s e r sa r ei n d e p e n d e n ta n d s c h e d u l i n gt h et r a n s m i s s i o n st ot h eu s e r sw h e nt h e i ri n s t a n t a n e o u sc h a n n e lq u a l i t yi s n e a rt h e p e a k ，t h em u l t i u s e rd i v e r s i t yg a i nc a nb ea c h i e v e da n dt h et o t a lt h r o u g h p u to fs y s t e mc a n b e m a x i m i z e d ，w h i c hi n c r e a s e sl i n e a r l yw i t ht h en u m b e ro fu s e r s a l m o s ti na n y n u m b e ro fu s e r s ， t h ec a p a c i t i e so ft h ef a d i n gc h a n n e l sa r eb e t t e rt h a nt h ea w g nc h a n n e l s s o ，c h a n n e lf a d i n g c a nb ee x p l o i t e d h o w e v e r , t h em u l t i - u s e rd i v e r s i t yg a i n sa r el i m i t e di nt w ow a y s f i r s t l y , t h e r e m a yb eal i n e o f - s i g h tp a t ha n dl i t t l es c a t t e r i n gi nt h ee n v i r o n m e n t ，a n dh e n c et h ed y n a m i c r a n g eo fc h a n n e lf l u c t u a t i o n s i st o os m a l l s e c o n d l y , t h ec h a n n e lm a yf a d ev e r ys l o w l y c o m p a r e dt ot h ed e l a yc o n s t r a i n to ft h ea p p l i c a t i o n i no r d e rt oc o n q u e rt h e s ed e f e c t s ， o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gi s s t u d i e dw i d e l y , w h i c hc a ni n d u c el a r g e ra n df a s t e rc h a n n e l f l u c t u a t i o n s ，s ot h a tt h em u l t i u s e rd i v e r s i t yc a nb ei n c r e a s e d i no r d e rt oi m p l e m e n tt h e o p p o r t u n i s t i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，c h a n n e lq u a l i t yi n f o r m a t i o nf e e d b a c ki sn e c e s s a r y f o r o f d m a s y s t e mw h i c h h a sm a n ys u b c a r r i e r s ，t h ef e e d b a c kl o a di se n o r m o u s ，a n di t sah o t s p o t t os t u d ye f f i c i e n tc o m p r e s s i o nf e e d b a c kt e c h n i q u e s i nt h i st h e s i s ，w ep r o p o s ea ni m p r o v e ds c h e m eb a s e do nt h ec l u s t e r e da n dt h r e s h o l ds n r c o m p r e s s i o nf e e d b a c ks c h e m e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e ds c h e m e sc a n r e d u c e t h ef e e d b a c ka m o u n tg r e a t l yc o m p a r e dw i t hc l u s t e r e da n dt h r e s h o l ds n rs c h e m e ，w i t hl i t t l e c a p a c i t yl o s si nt h ec a s eo f a na p p r o p r i a t en u m b e ro fu s e r s i i 南京i i l l ；l 也人学烦f j 研究生学位论文英文缩略语 3 g a d s l a w g n b 3 g c d m a c l 3 r dg e n e r a t i o n 英文缩略语 a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e a d d i t i v e 肠i t eg a u s s i a nn o i s e b e y o n d3 r dg e n e r a t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c l u s t e r e d c l t s n rc l u s t e r e da n dt h r e s h o l ds n r c s ic h a n n e ls t a t u si n f o r m a t i o n d - id m a d y n a m i c i d m a d a b d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g d f td i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r i l l d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g f d m f 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 f f t f a s tf o u r i e rt r a n s f o n n f h f r e q u e n c yh o p p i n g g o bg r i do fb e a m s h d t v h i 曲d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n i c ii n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e i d f t i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m i f f t i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i s i i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e l o s l i n e o f - s i g h t l t e l o n gt e r me v o l u t i o n m c m m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n 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 m i s o m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t m lm a x i m u ml i k e l i h o o d m m s em i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r 5 3 第三代移动通信技术 非对称数字用户线路 加性高斯白噪声 超三代移动通信技术 码分多址 分簇技术 分簇门限信噪比技术 信道状态信息 动态时分多址 数字音频广播 离散傅立叶变换 数字信号处理 频分复用 快速傅立叶变换 跳频 波束组 高清晰度电视 载波间干扰 离散傅立叶逆变换 反向快速傅立叶变换 符号间干扰 视距 长期演进 多载波调制 多输入多输出 多输入单输出 最大似然 最小均方误差 南京邮电大学学位论文原创性声明 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，也不包含为获得南京邮电大学或其它 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。 研究生签名：同期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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、缩印或其它复制手段保存论 文。本文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) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：垃导师签名 日期： 南京邮i u 人学顺l j 研究生学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 无线通信作为当前发展最快的通信产业，正在向宽带化发展，为了支持多用户的高速 率数据和多媒体传输业务，必须高效综合利用系统的空间、时间、频率和功率等各种资源， 使系统具有更大的用户容量、更高的传输速率和可靠性。可靠性和有效性要求始终是贯穿 通信技术的一对主要矛盾。为此在无线通信中，人们研究和采取了一系列提高系统容量、 速率和可靠性的技术措施，如多天线技术、多载波技术、新型多址复用技术、信道自适应 技术和各种抗干扰技术等。 在传统“点对点”无线通信系统中，研究目标是使信道尽可能平坦和稳定，采取的技术 措施有空间、时间、频率分集等技术，以及干扰平均技术。信息论研究结果表明，如果发 送端和接收端已知信道的状态信息，利用时间域上的注水定理，可提高衰落信道的容量。 但遗憾的是，只有在低信噪比( s i g n a lt on o i s er a t i o ，s n r ) 条件下，衰落信道容量才高于 加性高斯白噪声( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ，a w g n ) 信道容量。目前无线通信研究 的方向从传统的“点对点”通信转向多用户系统的“点对多点”通信，情况发生很大的变化。 信息论研究结果表明，如果多用户的信道衰落相互独立，而且某一时刻只服务于一个具有 最好信道的用户，则系统吞吐量可以最大化，且系统总容量与用户数成正比。 以上分析说明，信道衰落是可以利用的，可以通过适当的调度算法，并同时考虑到不 同的业务需求，使每个用户在具有较好信道条件下得到公平服务。但这种多用户分集方法 受到两方面因素的制约，一是在视距传播( l i n e o f - s i g h t ，l o s ) 和非散射信道环境，信 道波动范围太小；二是如果信道衰落变化太慢，则不能满足对时延要求严格的应用。为此 p r a m o dv i s w a n a t h 等在2 0 0 2 年首次提出了引入随机衰落的措施【l 】，基站采用多个天线， 终端采用一个天线，多天线采用波束成形模式，但天线加权系数是随机产生的，当某个时 隙的加权复系数正好与某个用户的信道系数相匹配时，该用户具有最高的信噪比，从而系 统服务于该用户。这种方法称为机会波束成形法( o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n g ，o b f ) ，因 为同时只服务于一个用户，它实际上仍属于动态时分多址( d y n a m i ct d m a ，d t d m a ) 范畴。要特别指出的是，机会波束成形技术还具有干扰机会零陷( o p p o r t u n i s t i cn u l l i n g ) 功能，它能抑制相邻小区间的干扰，提高小区边缘用户的数据速率。在一个典型的小区内， 分布着很多用户，有些靠近基站，有些靠近小区边缘，靠近基站的用户信号干扰噪声比( s l 南京邮l u 人学硕t ：o f 究生学位论文第一章绪论 i g n a lt on o i s ep l u si n t e r f e r e n c er a t i o ，s i n r ) 较高，是噪声受限的，相邻小区的干扰较 小，机会波束成形对这些用户的贡献主要是增强有用信号。另一方面，小区边缘的用户是 干扰受限的，在某一时刻，所在小区基站的波束对这些用户能增强有用信号，而如果其他 小区基站的波束正好不在该用户方向，此时即实现了小区间干扰的零陷。因此机会波束成 形对小区边缘用户来说，受益是双重的，这也是我们所希望的，因为小区边缘用户的服务 质量较差，尤其是没有软切换的系统。此外，双天线机会波束成形与著名的a l a m o u t i 空 时编码技术相比，有3 d b 性能增益；机会波束成形与传统的相干波束成形相比，后者需 要估计和反馈多个天线信道各自的幅度和相位，而前者只要反馈一个合成信道的信噪比， 与发端天线数无关，因此反馈量大大减少，当用户数增加时，机会波束成形收敛于传统的 相干波束成形。 1 2 研究历史与现状 当前，国际上对机会波束成形的研究主要集中在以下三个方面。1 ) 将单波束成形扩 展到多波束成形。在一些文献【2 】中导频传输采取多波束模式，数据传输采用单波束，在导 频时隙，基站同时随机产生多组加权系数以形成多个波束，每个用户反馈多组波束下的最 大信噪比( 或信道增益) 以及对应的波束序号，这种方法为每个用户提供了多个可供选择 的波束，所以增加了多用户分集增益，尤其当用户数较少时更是如此。这种方法的主要不 足是增加了导频开销，对应于多个波束，导频时隙分成了多个子时隙，而且，与最初的机 会波束成形方法一样，由于数据传输只采用单波束，没有利用多天线可能带来的空分多址 接入( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，s d m a ) 增益。为此，又有文献【3 ，4 j 提出了在导频 和数据传输阶段均采用多波束的方法，在导频阶段生成多个波束，然后选择多个最好的用 户进行数据传输，选择的依据是s i n r 而非信道增益( 因为可能存在波束间干扰) ，这种 方法的主要问题是波束间的干扰问题，空分多址是非完全正交的，所以在高信噪比条件下 ( 此时波束间干扰起决定作用) 性能较差。2 ) 将多输入单输出( m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ，m i s o ) 系统扩展到收发均采用多天线的多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 系统。众所周知，m i m o 技术能大大提高“点对点”通信系统的传输容量， 多年来是国内外的研究热点，如果发射端己知信道状态信息，通过基于奇异值分解( s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ，s v d ) 的收发相干波束成形，m i m o 信道可分解成多个空间子 信道【5 1 ，每个子信道传输独立的数据流，但闭环m i m o 传输的最大问题是信道信息反馈 量很大。将闭环m i m o 传输技术与机会波束成形相结合，由于发送端的预编码矩阵可以 2 塑室! ! ! ! ! ! 兰叁兰竺! 翌堕! 圭兰笪笙竺笙二! 竺堡 随机产生，无须通过反馈信道矩阵进行s v d 获得，从而大大减少了反馈信息量，达到既 增加系统容量又减少反馈丌销的目的。基于m i m o 的机会波束成形的主要问题是：当用 户数较少时，随机产生的预编码矩阵与实际的信道特性不能很好匹配，从而导致空问子信 道问的干扰。信息论最新研究表明，m i m o 广播信道的总容量与发送天线数和所有用户 接收天线总数两者间的较小的值大致成线性增长关系，给定基站发送天线数并且用户数量 很大时，终端增加天线并不能提高系统容量。3 ) 宽带信道的机会波束成形技术。无线系 统的宽带化，必然要求机会波束成形技术适应频率选择性信道，在平坦衰落信道，多用户 分集增益通过时间调度来获得，而在频率选择性信道，利用正交频分复用( 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 ，o f d m ) 技术将其转化为多个平坦衰落子信道，可通过时 间和频率协同调度来获得多用户分集，因此增加了可利用的自由度。其基本做法是：为每 个子信道随机产生各自的波束成形矢量，使波束随机指向某个用户，因此，在某一时刻某 一个子载波只被一个用户所使用，也即属于正交频分复用多址接入( 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 ea c c e s s ，o f d m a ) 范畴，该方法的主要问题是当子载波数比较多时计 算复杂度和反馈开销太大。 1 3 本文的主要工作内容 目前，第三代移动通信技术的长期演进( 3 r dg e n e r a t i o nl o n gt e r me v o l u t i o n ，3 g l t e ) 下行链路已确定采用o f d m a 为多址技术，研究m i m o o f d m 技术与多波束机会 波束成形相结合动态三维资源调度理论与技术进一步提高系统容量具有重要的理论和现 实意义。由于采用o f d m 技术，增加了频域自由度，而采用多波束机会波束成形增加了 空域自由度，使实现动态三维资源调度成为可能。本文在h e r m a n nr o h l i n g 等人的文献【6 ， 7 】中提出的蜂窝系统实用模型的基础上，研究在保持系统容量和性能的前提下进一步降低 反馈开销的技术。 1 4 本文组织结构 本文主要研究自适应多天线o f d m a 蜂窝系统中反馈压缩技术。第一章介绍了机会 波束成形研究的现状以及方向。第二章主要介绍了无线信道的传输特点与常用模型。第三 章介绍了m i m o 系统和o f d m 系统的基本原理和特性，并给出了m i m o 系统和o f d m 系统的结合方案。第四章讨论了多用户分集与机会调度理论。第五章研究了基于给定系统 下的反馈压缩方案，并进行仿真。最后对论文进行总结，并指出下一步研究方向。 3 南京i l s t ! 人学顾i j 研究生学位论义第二章无线衰落信道 2 1 无线信道的特点 第二章无线衰落信道 在无线传输过程中，电磁波一般是经过反射、衍射和散射的传播路径到达接收机的。 在接收机端检测到的信号是经过不同传输路径到达的所有信号的叠加，每个电波不仅幅度 衰减和相位偏移不同，而且到达的时间也不同，因此在接收机处接收到的信号呈现出移动 通信所特有的衰落特性。 信号的强度随距离不断变化即产生了衰落，根据强度变化的快慢，可以将衰落分为慢 衰落和快衰落两种【引。 2 1 1 慢衰落 接收信号的强度随距离呈缓慢变化，称为慢衰落。变化的原因主要有两个方面：一是 地区位置的改变；二是气象条件的变化。后一原因引起的变化较小，通常可被忽略。电波 在传播路径上遇到障碍物会产生电磁场的阴影区，手机通过不同的阴影区会引起中值变 化，因此这种衰落也叫阴影衰落。 慢衰落信号变化幅度取决于障碍物状况、工作频率、变化速率、障碍物和移动台移动 速度。慢衰落信号强度近似服从对数正态分布： 烈肋2 去p 叫旷佗， ( 2 - 1 ) 式中a 为信号幅度的均值。当移动用户和基站之间的距离为d 时，传播路径损耗和 慢衰落可以联合表示为： l ( d ，f ) = d 一1 0 1 0 ( 2 2 ) 式中n 表示路径损耗因子，f 表示由于慢衰落产生的对数( d b ) 损耗，服从零均值和标 准偏差仃( 一般为8 d b ) 的对数正态分布。式( 2 2 ) 用d b 表示变为： l ( d b ) = 1 0 l g d + - ( 2 3 ) 4 南京邮i u 人学硕i j 研究生学位论文第二章光线衰落信道 2 1 2 快衰落 接收信号的强度出现快速、大幅度的周期性变化，称为多径快衰落，也称小区间瞬时 值变动。统计表明，在障碍物均匀的城市街道或森林中，信号包络起伏近似于瑞乖l j ( r a y l e i g h ) 分布，故多径快衰落又称为瑞利衰落。快衰落的衰落幅度变化与地形地物有关，可达 1 0 d b 3 0 d b ，衰落速度与移动台速度有关。例如：车速4 0 k m h ，电波频率8 0 0 m h z 时， 衰落速度达每秒3 0 - 4 0 次。在没有直达路径的情况下( 当多径数较多时，各路径信号幅 度差异很小) ，快衰落服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布；在存有直达路径的情况下( 在各路径 信号当中有一径信号强度明显高于其他各径) ，快衰落服从莱斯( r i c e ) 分布。 产生快衰落的原因有两个：多径效应和多普勒频移。 a 多径效应 由移动体周围的局部散射体引起的多径传播效应称为多径效应，表现为快衰落。发射 端的信号到达接收端的路径并非一条，由于经历不同的传播损耗和衰落，各径信号均不相 同。从空间角度来看，沿移动台移动方向，接收信号的幅度随着距离变动而衰落，幅度的 变化反映了地形起伏所引起的衰落以及空间扩散的损耗。从时域角度来看，各个路径的长 度不同，因而信号到达的时间就不同，即如果从基站发送一个脉冲信号，则接收信号中不 仅包含该脉冲，而且还包含它的各个时延信号。这种由于多径效应引起的接收信号中脉冲 宽度扩展的现象，称为时延扩展。扩展的时间可以用第一个码元信号至最后一个多径信号 之间的时间来衡量。时延扩展将引起码间串扰，严重影响数字信号的传输质量。 b 多普勒频移 在多径条件下，由移动体的运动速度和方向引起信号频谱展宽的现象称为多普勒效 应。多普勒效应引起的附加频移称为多普勒频移，可用下式表示： f 1 厶= c o s 口 ( 2 - 4 ) 几 式中口是入射电波与移动台运动方向的夹角，u 是移动台运动速度，五是波长。上式 中，v 2 与入射角无关，是五的最大值，无= v 2 称为最大多普勒频移。 快衰落可分为以下三类：时间选择性衰落、频率选择性衰落和空间选择性衰落。所谓 选择性，是指在不同的时间、不同的频率和不同的空间，其衰落特性是不同的。在实际的 移动通信环境中，三类选择性衰落都存在，它们形成的原因是由于多径传播。选择性衰落 按产生的条件可划分为以下三类： 第一类多径干扰：由于快速移动用户附近物体的发射而形成的干扰信号，其特点 丽京i l | i ；l 毡人学硕i j f i ) f 究生学位论文 第二嚣尢线衰落信道 是在信号频域上产生多普勒频移而引起时间选择性衰落； 第二类多径干扰：由远处山丘或者高大建筑物反射而形成的干扰信号，其特点是 信号在时域和空间角度上产生了弥散，从而引起相对应的频率选择性衰落和空间 选择性衰落； 第三类多径干扰：出基站附近的建筑物和其它物体的反射而形成的干扰信号，其 特点是严重影响到到达天线的信号入射角分布，从而因此空间选择性衰落。 综合以上叙述，快衰落和慢衰落是由相互独立的原因产生的。随着移动台的移动，快 衰落是信号强度瞬时值的快速变动，而慢衰落是信号中值的缓慢变动，这二者构成了移动 通信接收信号不稳定的因素，可能会对信号产生相应的影响。所以，对于无线信道的衰落 对信号的不利影响需要采取相关的措施加以降低或消除，而对于有利影响则要采取措施加 以利用，本文的研究重点是如何利用无线信道的衰落对信号的有利影响，这将在第四、五 章中作详细地介绍。 2 2 信道衰落模型 下面我们将简单介绍一下现今流行的几种信道衰落模型，主要是指多径信道的包络统 计特性。一般而言，接收信号的包络根据不同的无线环境服从瑞禾l j ( r a y l e i g h ) 分布和莱斯 ( r i c e ) 分布。另外，还有一种具有参数m 的n a k a g a m i m 分布，参数m 取不同的值时对应 的分布也不相同，因此更具有广泛性【9 1 。 2 2 1r a y l e i g h 分布 在移动通信信道中，由于基站和移动台之间的反射体、散射体和折射体的数量是相当 多的，所以信道的冲激响应表示如下： ( f ) = 4 8 ( t - r ，) e 朋 ，= l ( 2 5 ) 其中代表到达的多径数；4 f 代表第2 条路径的信号幅度：q 代表第z 条路径相对第一 条路径( f ：o ) 的时延；谚代表第z 条路径的信号相位。 6 南京邮i 【1 人学顾l ：研究生学位论文第一二章尤线衰落信道 假设发射机和接收机之间没有直射波路径；有大量的反射波存在，且到达接收机天线 的方向角是随机分布的( 0 u27 c 均匀分布) ；各个反射波的幅度和相位都是统计独立的， 则到达接收机的信号包络厂服从瑞利分布： 加) = 考e x p ( 一砉) ( 俐) ( 2 6 ) 其中仃2 为，的方差。 瑞利分布的概率密度函数如图2 1 ： 一- 厂 ， 一f 一 | 、 l f、 i 一 _ i ； i i - i； io t ，i：i：i： jj ti ii ，i、k fi、l oo 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 r i o 2 2 2r i c e 分布 图2 1 瑞利分布的概率分布密度 当接收信号中有l o s 传播的直达波信号时，视距信号成为主接收信号分量，同时还 有不同角度随机到达的多径分量叠加在这个主信号分量上，这时的接收信号幅度，就呈莱 斯分布： 肿) = 砉e x p ( - 等) i o ( ( a o ，r 0 ) ( 2 - 7 ) 其中仃2 为，的方差，a 是主信号的峰值，i o ( ) 是零阶第一类修正贝赛尔函数。贝赛 7 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 南京l i l | j i 也人学顾i j 研先生学位论义第一二章光线衰落信道 尔分布常用参数k 来描述，k _ 刍，定义为主信号的功率与多径分量方差之比，用 2 0 。 d b 表示： k：1019a_2(2-8) k 值是莱斯因子，完全决定了莱斯分布。当a 专o ，k - - 一o o d b 时，接收信号中没 有主导分量，此时混合信号的包络从莱斯分布转变成瑞利分布。显然，强直射波的存在使 得接收信号包络从瑞利分布变成莱斯分布，当直射波进一步增强( k 1 ) 时，莱斯分布将 向高斯分布趋进。莱斯分布的概率密度函数如图2 2 。 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 k = 0 瑞利分布 l ， j ；k = 0 5 、彳 ，” k = 2 k =：8 k = 1 8 ， 、 ，、 ，l1v _ ， ，”厂j 1 0 一 、 ， 一川。a i 一一) ! 、 ， 、 ， 、 ， l一 i 一八、? j ) o ) ) 其中m ：鱼萼妻， n a k a g a m i 衰落参数，为不小于1 2 的实数；q ：e ( r z ) ； v 酬厂。) r ( 肌) = p 州p 。7 功是g a m m a 函数。n a k a g a m i 概率密度函数见图2 - 3 。 0 图2 3q = l ，n a k a g a m i m 分布莱斯分布的概率分布密度 对于功率s = r 2 2 的概率密度函数，则有 p = c 争嵩唧c 一争 式中，s - - e ( s ) = f f 2 2 ，为信号的平均功率。 当m = l 时，有 肿，= 吾e x p c 一毒 一re x d ( 一丝) = = i 一7 l ( 2 一l o ) ( 2 - 1 1 ) 南京邮l u 人学顾l ：研究生学位沦丈 第二币尢线哀落信道 则n a k a g a m i m 分布成为瑞利分布。 另外，n a k a g a m i m 分布可以用m ( 一般称为形状因子) 和莱斯因子k 之间的关系来 确定近似，即 ：蝉 ( 2 - 1 2 ) m = 二j 一 2 k + l 当m 较大时，n a k a g a m i m 分布接近高斯分布。 2 3 本章小结 电波传播的主要方式是空间波，即直射波、折射波、散射波以及它们的合成波，再加 之移动台本身的移动性，使得移动台与基站间的无线信道呈现多种衰落特性。本章简单介 绍了无线信道的特点以及几种衰落模型，包络瑞利分布，莱斯分布和n a k a g a m i m 分布。 i 0 南京i i i i g l l l 人学颀l j 研究生学位论义第三章m i m o o f d m 堆本原理 第三章m i m o o f d m 基本原理 新一代移动通信b 3 g 将可以提供的数据传输速率高达1 0 0 m b i t s ，支持的业务从语音 到多媒体业务，包括实时的流媒体业务。数据传输速率可以根据这些业务所需的速率不同 进行动态地调整。由第二章可知，无线传输信道，尤其是移动环境中的无线传输信道是一 个非常复杂的物理过程。移动通信要在有限的频谱资源上支持高速率数据和多媒体业务的 传输，就必须采取频谱效率高的抗衰落技术来提高系统得性能，m i m o 和o f d m 正是其 中的两种有效措施，而将两者相结合构成的m i m o o f d m 系统，技术上相互补充、使之 成为实现无线信道高速数据传输最有希望的解决方案之一。m i m o 技术可以充分开发空 间资源，利用多个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下， 可以提高信道容量【1 0 14 1 。而o f d m 技术是多载波传输的一种，其多个载波之间相互正交， 可以高效地利用频谱资源，另外，o f d m 将总带宽分割为若干个窄带子载波可以有效地 抵抗频率选择性衰落。因此充分开发这两种技术的潜力，将二者结合起来可以成为新一代 移动通信核心技术的解决方案。 3 1m i m o 技术 3 1 1m i m o 基本原理 m i m o 技术最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的，是第三代和未来移动通信系统实现 高数据速率、高系统容量，提高传输质量的重要途径 1 5 】。在当前第三代移动通信系统中， 下行链路的容量构成了整个系统的瓶颈。由于诸多业务对上下行链路容量要求的不对称 性，尤其对下行容量有很高的要求，如视频多媒体、下载等业务。在传输带宽一定的条件 下，这无疑给第三代移动通信系统提出了难题。但是如果在发送端或接收端使用多天线( 即 m i m o 系统) ，此时的信道容量将随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用 m i m o 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利 用率可以成倍地提高。 根据收发两端天线数量，相对于普通的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 ，单输入多 输出) 系统，m i m o 还可以包括s i m o ( s i n g l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，单输入多输出) 系 统和m i s o 系统。 无线m i m o 信道与s i s o 信道相比，有着惊人的容量。这表明下行链路容量的瓶颈问 1 l 南京邮l u 人学硕l ：研究生学位论文第三章m i m o o f d m 恭奉原理 题可以通过在基站和移动台都使用多元天线阵列，即利用空i 、日j 分集或空间相关的方式来解 决。采用这种传输方案，可以获得线性增加的信道容量，而通常采用接收分集或者没有分 集的s i s o 系统的信道容量是l o g 的方式增加的。m i m o 系统之所以可以获得如此高的带 宽效率，是因为考虑在有丰富的散射( 没有l o s ) 环境中，从不同天线发送的信号到达 接收端所经历的衰落是不相关的。 在室内，电磁环境较为复杂，多径效应、频率选择性衰落和其他干扰源的存在使实现 无线信道的高速数据传输比有线信道困难。通常多径效应会引起衰落，被视为有害因素。 然而研究结果表明，对于m i m o 系统来说，多径效应可以作为一个有利因素加以利用。 m i m o 系统在发射端和接收端均采用多天线( 或阵列天线) 和多信道。m i m o 的多输入多 输出是针对多径无线信道来说的。图3 1 示为m i m o 系统的原理图【1 6 】。传输信息流s ( k ) 经过空时编码形成m 个信息子流c i ( k ) ，i = l m ，这m 个子流由m 个天线发射出去，经 空间信道后由n 个接收天线接收，多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解 码这些数据子流。这m 个信息子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并 不增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则m i m o 系统可以产生多个并行空 间信道，通过这些并行空间信道独立地传输信息，使得数据传输率得以提高。 图3 2 则是一个基本的m i m o 的信道模型，采用m 个发送天线，n 个接收天线， 设h i j 为第j 个发送天线到第i 个接收天线之间的复信道增益( c h a n n e lg a i n ) 。h 为m x n 的信道矩阵。 s ：信尉辚i 8 流0 ( k ) ：笏黼莹臣航哟：燃臣f 流 图3 1m i m o 系统的原理图 1 2 南京i 啪1 1 人学硕l ：研究生学位论文第二三章m i m o o f d m 艇奉原理 h = 图3 - 2m i m o 的信道模型 啊。扛： 。 缟： 。： 啊 j 1 2 2 ： h u n ( 3 - 1 ) 系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射天线 数为m ，接收天线数为n 的m i m o 系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设n 、 m 很大，则信道容量c 近似为】： c 2 m i n ( m ，n ) b l 0 9 2 ( 9 2 ) ( 3 - 2 ) 其中b 为信号带宽，p 为接收端平均信噪比，m i n ( m , n ) 为m ，n 的较小者。上式表明， 功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增 加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其 容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，多入多出对于提高无线通信系统的容量具 有极大的潜力。 利用m i m o 技术既可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码 率。前者是利用m i m o 信道提供的空间复用增益，后者是利用m i m o 信道提供的空间分 集增益。实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的b l a s t 算法、z f ( z e r of o r c i n g ， 迫零) 算法、m m s e ( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ，最小均方误差) 算法、m l ( m a x i m u ml i k e l i h o o d ，最大似然) 算法。m l 算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大， 对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。z f 算法简单容易实现，但是对信道的信 噪比要求较高。性能和复杂度最优的就是b l a s t 算法。该算法实际上是使用z f 算法加 上干扰删除技术得出的。 k k k 南京t l l l g i l 人学顺i ：研究生学位论文第三章m i m o o f d m 皋奉原理 3 1 2m i m o 系统模型 假定一个点对点的m i m o 系统有嘞，根发射天线、根接收天线，采用离散时间的复 基带线性系统模型描述，系统框图如图3 - 3 所示。用伤x l 的列向量x 表示每个符号周期 内的发射信号，其中第i 个元素一表示第i 根天线上的发射信号。 图3 - 3m i m o 系统框图 对于高斯信道，按照信息论，发射信号的最佳分布也是高斯分布。因此，x 的元素是 零均值独立同分布的高斯变量。发射信号的协方差矩阵为 氏= e 默h ( 3 3 ) 式中，e ) 代表均值；a h 表示矩阵4 的厄米特( h e r m i t i a n ) 转置矩阵，即a 的复共轭 转置矩阵。不管发射天线数n r 为多少，总的发射功率限制为p ，可以表示为 尸= 护( 如) ( 3 - 4 ) 式中，驴( 4 ) 代表矩阵4 的迹，可以通过对4 的对角元素求和得到。如信道状态信息( c s i ) 在发射端未知，则假定从各个天线发射的信号都有相等的功率叫脚。发射信号的协方差 矩阵为 式中，kf f e n r x n r 的单位矩阵。 r 罐：旦l 。 脚 。 ( 3 5 ) 用n r - 的复矩阵日描述信道。为矩阵日的第l ，个元素，代表从第_ ，根发射天线 1 4 南京邮i b 人学硕i ：研究生学位论文 第三章m i m o o f d m 堆奉原理 到第f 根接收天线之1 1 自j 的信道衰落系数。用x l 的列向量描述接收端的噪声，表示为刀。 它的元素是统计独立的复高斯变量随机变量，零均值，具有独立的、方差相等的实部和虚 部。接收噪声的协方差矩阵为 如= 仃? l 。 ( 3 6 ) 用n rx l 的列向量描述接收信号，表示为y 。使用线性模型，可将接收矢量表示为 y 2 纸+ 厅 ( 3 7 ) 接收信号的协方差矩阵定义为e y y h ，由式( 2 1 4 ) ，可以得出 如= 姗肛日h + 也。( 3 8 ) 而总接收信号功率可表示为驴( ) 。 3 1 3m i m o 系统信道容量 对于给定的信道h ，m i m o 系统的信道容量为发送信号向量 x 。 和接收信号向量 j ，。) 之间的最大互信息量。若缸 ( 它的协方差矩阵为p ) 所有元素的均值为0 ，则取) 为高斯 变量时，互信息量最大。因此总的发射功率为p = t r p ，信道容量为【1 2 1 c c 日，= b l 0 9 2 i “吉一叫 p 9 ， 其中b 为信道带宽，j 为单位矩阵。 发射端未知c s i 时，m i m o 系统的信道容量 此时p 应该选为p ：上，因此信道容量为 怫 c 耻j ，+ 砉叫 ( 3 一l o ) 发射端已知c s i 时，m i m o 系统的信道容量 如果发射端己知c s i ( c h a n n e ls t a t u si n f o r m a t i o n ，信道状态信息) ，那么可以利用注水原 理( w a t e r - f i l l i n g ) 【17 j 使系统容量最大。下面先介绍一下注水原理 1 5 南京邮l 【1 人学颁l ：研究生学位论文 第三章m i m o o f d m 接奉原理 定义矩阵p ，q 均为m xm 的半正定矩阵，并定义如下函数： ( p ) = l ，+ p q i ( 3 一1 1 ) 假设q 含有肌埘个非零特征值，则q 的哈密特( h e r m i t ) 平方根的特征