（电磁场与微波技术专业论文）时变信道的mimo系统里的自适应调制算法.pdf

南京邮电学院学位论文独创性声明 y 。7 6 5 1 3 8 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 含为获得南京邮电学院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：苍窳日期：w s 7 ， 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、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 他复制手段保存论文。本人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 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：缱导师签名： a b s t r a c t i nt h i sr e p o r t ，f i r s tw ei n t r o d u c et h et o t a lp r o c e s so ft h em i m os y s t e m ，t h e n 帑8i n v e s t i g a t et h ea d a p t i v em o d u l a t i o ni s s u ef o rm i m os y s t e m si nt i m e v a r y i n g c h a n n e l s ，a p p l yv a r i a b l e r a t ea n dv a r i a b l e p o w e rm q a mm o d u l a t i o nt om i m os y s t e m s a n dd e r i v eo p t i m a lp o w e ra n dr a t ea d a p t a t i o nw i t hd i s c r e t er a t el e v e l s b u t ti s s h o w nt h a te x h a u s t i v en u m e r i c a ls e a r c hi sn e c e s s a r ya sw e l la st h ek n o w l e d g eo f c h a n n e lp d f ，s ow ep r o p o s eal o wc o m p l e x i t yr a t eq u a n t i z a t i o ns c h e m e ，w h i c hi s c a i l e de r q ( e n h a n c e dr a t eq u a n t i z a t i e n ) 。骚i t h o u ta n ye x h a u s t i v en u m e r i c a ls e a r c h 。 t h e 建舀w i t hs q u a r eq a mc o n s t e l l a t i o n so f5r a t el e v e l sa c h i e v e st h es p e c t r a l e f f i c i e n c yw i t h i n0 2 d bo ft h ee f f i c i e n c yo b t a i n e dw i t ht h eo p t i m a lc e n t j n u o u s r a t ea n dp o w e ra d a p t a t i o n 。i na d d i t i o n ，w i t he r qa l g o r i t h m ，t h eb e ra n da v e r a g e t r a n s m i tp o w e rc o n s t r a i n ta r es a t i s f i e dw e l l e r qc a nb ea l s oa p p t i e dt ov - b l a s t s y s t e m ，w h e r et h eo p t i m a la d a p t i r em o d u l a t i o ns c h e m ei sv e r yh a r dt ob ef o u n dd u e t oo s d ( o p t i m u ms u c c e s s i v ed e c o d i n g ) a tt h er e c e i v e r 。a tl a s tw eg i v et h es i m u l a t i o n o ft h e s es c h e m e sb ym a t l a b ，s u c ha se r q ，s 鸯p c t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es p e c t r a l e f f i c i e n c yw i t he r qi sa b o u t1 5d bg r e a t e rt h a no t h e rr e c e n t l yp r o p o s e dr a t e q u a n t i z a t i o nf o r ￥一b l a s 苫。骠ea l s op r o p o s ea n o t h e rr a t eq u a n t i z a t i o ns c h e m ef o r v b 1 a s t ，c a l l e dt s q p c ，w h i c hp e r f o r m sc o m p a r a b l et oe r qi nv b l a s t ， 摘要 在本文中，我们营先辩m i m o 系绞的淡程馓了个搬撂的贪缓，然爝对于m t m o 系绞应 用码窜和天线发射功率为变量的m q a m 调制，推导出最佳缴射功率和码率自邋应调制。为 了我戮最佼秘率量纯方案，在现实中蹶雅褥戮懿信道概率密度函数蓿惹被证碉建必要髓。 虽然馈道搬率密度涵数被认为蹙露以追踪憋，但是骰懿檄零密度缀数随时阗快速变化嚣重， 而且龃于需要大量计算，蕻最俄适应性能将农急剧袭落。为了缓解这一问题，找们提出了 一静镰复杂褴码率曩诧方案然焉探讨了l 亨交痿遵垂m i m o 系统翡岛逶应调翮商题并髓提出 个低复杂率量化方寰，被稼为增强型碣率鳖伍算法，也列e r q 。不裁要大量毒幸箕，其煮 5 比特标准q a m 平方型星鹰图的e r q 可以通过最佳避续码率和发射功率自适应掇高0 。2d b 翡频潜效率。豫筑之乡 ，e r q 毯靛灌避误码率和平均发瓣璐率隈黼。e r o 氇能疲甭予垂矗 型爨尔实验窭分爨奎蹲算法( v - b l a s t ) 系统。在￥一b l a s t 系绫撵，出予最佳连续瞧编码 很难径接收端得到最佳自遁应调制方案。本文的结果显示，对于v - b l a s t 系统，e r q 算法 熊蘩滔效率跑其憩黢近撼滋来躬褥率薰诧高1 5 d b 。这里我稻为v b l a s t 系统又提出弼一 转穆为t s q p c 款码攀量化方案，在v 一8 糙舛系统里，t s q p c 与e r q 共有锻强麴强比性。 2 南京邮电学院硕士讲究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 i 关于m i m o 系统的背景知识 多入多出( m i m o ) 技术是獗线移动通信领域智能天线技术的重大突破。该技术艇在不增 勰带宽的情况下成倍地提离邂信系统的容爨和频谱剩强率，是新一代移动通信琴统必须采 用的关键技术。随着业务的扩展，由于频谱资源受限，无线业务提供商必须改进技术来扩 大蜂窝系统的蜜爨。通过小区分裂的办法可跌增加容爨，但是却以增细基站为代价。然露 空时技术和多输入多输出( m i m o ) 天线结构运用天线和差错控翻编弱充分利用了小尺度 时间和空间分集，大大增加了频谱效率，用比小区分裂恩低的成本增强了覆盖。 实骣上多遴多遗( m i m o ) 技本由来暑久，孚在1 9 0 8 冬骂虿恁藏撬感瘸它寒拣褒落。在 7 0 年代有人提出将多入多出技术用于通储系统，但是对无线移动通储系统多入多出技术产 生巨大推动的奠基工作贝4 是g o 年代由a t & tb e l l 实验嶷学者完成的。1 9 9 5 年t e l a d a r 绘 出了在衰落壤掇下戆m i m o 容蘩；1 9 9 6 年f o s h i n i a 绘爨了一耱多入多邂处理算法对角 一风尔实验室分层空时( d - b l a s t ) 算法；1 9 9 8 年t a r o k h 替讨论了用于多入多出的空时码； 1 9 9 8 年w o l n i a n s k y 等人采用疆直一贝尔实验室分层空时( v - b l a s t ) 算法建立了一个m i m o 实 验系统，在室淘试验中这至l 了2 0b i t s h z 班土翦颓漤聪蠲率，这一频港剩爱率在普通系 统中极难实现。 多径是影穗茏线链蘸爨缝戆主要爨索。分集鼓零蹙减小涤衰落影嚼戆鸯散鼓零。过 去绝大多数的分集都是基予接收端的，主骚是从移动台猁基站的上行链路。最近，更多的 研究着眼于基站和移动台双方的空间分集。原因之一魁工作在更高频率的新系统的发展。 铡磐，载渡频搴舞达2 。4 g h z 黢5 g h z 嚣瑟线没备霉要黪天线薄刭豹瓣疆荠没毒大大瓒魏移 动终端的体积。双发射分集融经被3 g p p 和3 g p p 2 用来浚善下行信遒的数据速率，因为未 来的无线多媒体业务对下行速率的要求大大高于上行速率。 一句话，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 ) 系统就是攀j 用多天线采掷制信道 袭落。根据收发两端天线数壤，相对于普濑的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 ) 系统， m i m o 还可以包援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 ) 系统和m i s o ( m u l t i p l e i n p u t s i n g l e o u t p u t ) 系统。 枣裘郏毫学豌鼷疆究生学挝论文第一章结论 1 。2 多入多出的概念 通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于m i m o 系 统来说，多径可以作为一个有利因素加以利阁。m i m o 系统在发射端和接收端均采用多天线 ( 或静确天线) 帮多逶道，m i m o 耱多入多密楚针对多径无绫信遘聚说静。鹜l 掰示为m i m o 系统的原理图。传输信息流s ( k ) 经过空时编娼形成n 个信息予濂c ，( 女) ，i = l ，n 。 这n 个子流由n 个天线发射出去，经空间信邋后由m 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，从而实现最佳的处理。 图1 。1 多入多出系统鼹理图 特别是，这n 个子流同时发送到信道，备发射信号占用同频带，因而并未增加带宽。 。若各发隽于接收天线闻的邋道晌疲独立，刚多入多出系统可以翻造多个并行空间信道。通过 这些并行空阕售邀独立越传竣僚患，数握睾必然可良提褰。 m i m o 游多径嚣线售遴与发射、接收援受一个整体进 爹饯住，扶焉实现裹兹逶售容量襄 频谱利用率。这怒一种避于最忧的空域时域联合的分集和于拢对消处瑷。 系统容摄是表征通信系统的最重要标志之一，袭示了通信系统最大传输攀。对于发射 天线数为n ，接收天线数为m 的多入多出( m i m o ) 系统，假定信道为独立的瑞利衰落傣道， 并设n 、m 缀大，爨g 信遭容量c 近截为： 其中8 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， 功攀鼹豢宽固定罐，多入多崽系统戆簸大容援或窭爨上限骧最小天线数熬增攘两线糕增 4 壹蔓塑里兰堕壁妻堕塞圭堂堡笙塞笙= 登：簦笙 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蒋通智能天线系统，其 容器援睫天线数筑对数增期露璞热。招对露言，多入多爨对于提毫无线逶售系统静容量具 裔极大的潜力。 可以看出，此时的信道密量随着天线数量的增大丽线性增大。也就是说可以利用m t m o 倍道成倍遗摄麓冤线信道容爨，在不增热带宽翻天线发送功率靛清凝下，频谱拳翔率可强 成倍地提高。利用m i m o 技术可以提高信邋的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低 谡礴率。目前m i m o 技术领域易一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、 象时格码。空辩褐的主要憨想蹩翻翔空闻釉时闻上静编羁实现一定麴空闯分集稻 哼闯分 黛，从而降低依道误码率。通过合理的选择编码，可以实现时域上的分集；而发射端和接 收端采用多天线，则提供了空问分集。这大大增加了频谱效率，并艇用较低的复杂性( 赝 餐发射端静编弼和接牧端的憝理郡可| | 薹嗣线性楚理实戮) 获得了分集增益和编璐增益。研 究结果表明多发射多接受天线结构采用最大可能检测器的信号与单发射双接收结构采用 最大比合并结构获得的结果棚圊。这样分浆的负担藏农不影响性能的情况下转移到了发射 灞。 m i m o 技术同时在发射和接收端应用多个天线来满鼹高速无线数据业务的需求。b e t t 实验室约分瑟察一薅( b l a s t ) 方案是m i m o 系统夔应鬻之一。该系绞霹敬将无线系统鳃客 爨扩大m 倍，越中m 是发射天线数和接收天线数的较小值。与延迟分集结构类似，b l a s t 也没有采用信邋编码，它通过多发射天线利用了多径，然后在接收端用先进的算法将信号 遴毒亍合成。鸯关b l a s t 豹磷究主要集孛京圣篼纯碉练_ l 挚涮、硷溺算法，竣及穗b l a s t 技术与 编码相结合。其中较成功的研究成果是蘩赢b l a s t ( v b l a s t ) ，它的处理更为倘化，使其 成为了下一代室内和移动无线应用的有力竞争技术。 许多光线通信系统融经计划采用空一时码。例如宽带固定无线接入标准i e e e 8 0 2 1 6 3 考虑将空一时码作为内码，里德一所罗门码作为外码。欧洲的w i n d f i 。e x 项目在为 蜜痰建曩戆6 副t o o m b p s 静羟适应调枣瓣调器选择最臻戆发射窝接收天线数量。第酉代 蜂窝移动通信标准计划在每个蜂窝内达到2 0b i t s z s 的频谱效率，提供高选2 0 m b p s 的 数据速率。空一时编码是可以达到这一要求的技术之一。 1 3 空时码 5 南京邮电学院硕士研究生学位论文第一章绪论 m i m o 通过多天线发射多数据流并由多天线接收实现最佳处理，可实现很高的释量。这 萋串簸佳处理是邋过空鞋重编码移艇码实臻熬。曩蓠已经掇爨了不少m i m 0 空时码，焚中包括 空时网格码、塑时分组码、窀时分层码。以下简单介绍一下空时分缀码的概念。 为了实现分榘，接收机荫先应将各独立信道分歼，然后再实现缀优结合。同样地，为 了实至髭m l m 0 娃疆，各接浚掇瞧整须宠褥| | 芟蘩夔各发羹重凝发来熬予滚分开霉进行簸疆。霹2 2 天线( 2 天线发射机和2 天线接收机) 情况，可采阁以下一种特殊的发射编码方法使接 收机能实现这种分开： 空 分 c 吐 时 组编 码 h l 空 e 叫卜最 时佳 编 龟 检 码 卜 测 匿1 22 2 空时分缌码 图1 2 示出了一个采用窳时分组码2 天线发射枫和2 天线接收机的框图。输入信息首 先分成两个符号一组 c i ，c 2 。在两个符母周期内，两天线同时发射两个符号n 第1 周期， 天线1 发c i ，天线2 发c 2 ，在第2 周麓，天线1 发e ；，天线2 发c ：。设由发舞孛天线j 到 接收天线i 的俯道响应为h u ( i = 1 ，2 ，j = l ，2 ) ，为了简化问题，现设两个相邻符号周期内h 怒恒定教。鼹予菝浚天线1 ，鞠邻嚣瘸期豹搂渡售号分裂蠢； 其中：t 1 1 1 、”1 2 为均值为零、方差为n o 的相互独立复高斯变掇。令 t 一溉1 ，鼍2 + 】7 ，e 一【c l ，e 2 】，q 1 = 【q 1 1 ，q 1 2 + 】1 则上式可以表示为： t h l c + q l 6 ( i 3 ) 毋 ，0 旺 q + + 。q一琏 h 中 + 。吃咿也 一一 = 枣索蜉电学院硬士研究生学位论文第一章。缝论 其中： 并且h ：h 1 = p i e ( p 为信道相关系数，e 为肇位簿) ，h ：为h l 的共辘转置矩阵 p 1 = l i b ，| | 2 + | | h ，：| | 2 。著对接牧矢量t 糟珏；遴李亍线经交换，设交换螽矢量为i 刚有： 0 = i - i ；r l = p l c + t 1 ( 1 4 ) 上式归结为两个纯羹方程： r l = p l c l + 1 1 1 1 r 1 2 , = p 2 c 2 + 1 1 1 2 即采溺h ：就可将子流c l 、c 2 分开，从而分别实现最优处理。 ( 1 i5 ) 间时考虑两个接收天线时，相应信号区分处理为： 拈e i - i ；叫圈 e ， 其中h ；，毒与h ：，霉因描定义。上式凌明罴鼹线。敬变换 王壬：h 2 即可实现震要 的区分，进而用纯掇方稳进行最优检测处理。 1 ，4 自适应编码调制 鑫适瘦调制与镶褥( a 跹) 毯藩于链貉裔邋应翡藏踌。a 溉豹鏊本蒙璞就是羧变调制和编 码的格式并使它在系统嫩铡范围内和傣道条l 牛相适废，面偿道条件则可以通j 造发送反馈来 估计。在a m c 系统中，一般用户在理想信道条件下用较高阶的调制方式和较高的编码速率， 焉在不太理想兹错遂条 警下粥麓较 氐除的调制编码方式。 采用a 艟c 的好处主要有：巯于有利位置的用户可以其有更高的数据速率，由此蜂窝平 均吞睦量褥到提甍；在链路叁逸癍过程申，邋过调整调利绽玛方寨嚣不是调熬发魁凌率载 方法可以降低干扰水平。 1，j 2 i h 蠢 + 任 h h 。：。：。l 1 | l 南京邮电学院磋士研究生学位论文第一章，绪论 自适应传输的基本思想悬改变发射功率的水平、每个子信道的符号传输速率、q a m 星 痰大小、编码麓参数或这些参数的组合以维持恒定的谖礤率( b e r ) 。这样在不牺褴误码 率的情况下，通过传输质薰好的子信道采翔高速传输、丽在质量不好的子信道戳降低传输 速率等方式来掇供较高的频谱适用效率。囱适应技术大大减少了对均衡和交织的依赖，提 舞tw l a n 系统瓣性能。 闭1 3 使用自适应方案的系统结构图 嚣蓑实甏a m c 瑟羧尼矮撬藏。蓄宠，a m c 对溪量误蓑纛延运魄鞍敏感，荛了逡择适合 的调制方式，必须首先知道倍道的质量，对信道估测的锚误可能会使系统选择错谡的数据 传输数据率，使传输功率过赢，浪费系统容景或者因功率太低而出城误码率升高；其次， 凌予移魂售邋瓣暂交特经，篱遂测量援番戆延迟降傣了信遥凌量嵇诗豹虿靠强；弱夕 ，干 扰的变化也增加测量的误差，此时可以寻求与其它技术的结合，比如利用混合判决反馈重 传技术( h - a r q ) 可以降低m c s 的要求识别和对测量误差和流量波动的敏感性。 1 。5m i m o 研究状况 g 南京邮电学院硕士研究生学位论文第一章绪论 目前，各嘲学者对于m i m o 的理论、性能、算法和实现的各方僦正广泛进覃亍研究。在 m i m o 系统理论及性熊研究方薅已有一攒文献，这些文献涉及相当广泛熬内容。毽是由于无 线移动逶信艟i 信道是一个时交、非平稳多入多出系统，尚有大徽闯题需要研究。比如 说，各文献大多假定信道为分段一恒定袭落信道。这对于宽带信号的4 g 系统及壑外快速移 渤系统来说蔻不够躲，因姥必须采用复杂豹模型进行研究。已有不少文献在进孬这方蟊的 工作，即对信邋为频率选撵性衰落和移动台快速移动情况进行研究。再有，在基本文献中， 均假定接收机精确已知多径信道参数，为此，必须发送训练序列对接收机进行训练。但是 蓑移动台移动速度过诀，载使提训练瞬阙太短，这梯陡速信道信诗袋蛮处理藏成为重要懿 研究内容。 另外实验系统是m i m o 技术研究的熏骚一步。实际系统研究的一个重要问题是在移动 终端实溪多天线帮多踌接浚，学者翻王大力进行这方瓣弱研究。出予移动终端设备要求体 积小、重量轻、耗电小，因丽还有大量工作要做。目前备大公司均在研制实验系统。b e l l 实验室的b l a s t 系统是最晕研制的m i m o 实验系统。该系统工作频率为i 9g h z ，发射8 天 线，接收1 2 天线，采翊d b l a s t 算法。虢谱零j 弼率运溺了2 5 9b i t s ( h z s ) 。但该系统 倪对窄带信号和室内环境进行了研究，对予在3 g 、4 g 廒用尚有相幽大距离。在发送端和 接收端各设黄多重天线，可以提供空闻分集效应，克服电波衰落的不良影响。这是因为安 辩洽当静多裁天线提供多个空闻信道，不会全部丽对爱爨衰落。 尽管从信道容嫩的角度可以证明多天线系统在信道容爨上比单天线系统有显著的提高，但 蹩这只是绘窭了各耱绽筠算法掰嶷这爨静理论上赛，势不韪反浚实鼯静抟浚系绫获戆运舅 的性能。在实际的系统中为了挖掘m i m o 系统的潜在性能，需要研究具有一定性能保证， 闷时复杂性又不是太高的倍号处理算法。m i m o 系统增加的信道容量可以用来提高信息传输 速率藩予空润复蔫磅变载魏涛) ，遣爵淤在保持售惑传狳速率不交瓣情凌下，逶过增翻售 息冗余度来提高通信系统的可靠性能( 属于空时编码研究的范畴) ，亦或可在两者之间取一 个合理的折衷。 茭容实验赢分层空辩冀法b l a s t ) 蓉先将绩源数攥输入静数撵流率著转换麓蕊于令数 据流，然后按照一定的规划遴到副天线上发送，在接收端每副接收天线得到发邀信号的叠 加，接收机需撰消除m i m o 僚道的混合效果，从而分离出各个数据流以恢复原始数据流。 农不同天线上传输匏符号之阕没有蹇接鹣交换关系，捩丽丽戳看叠 分瑶空辩编弱不是基于 教射分集的。b l a s t 技术就藏原理而言，髭利用每对发送和接收天线上信号特霄的“空间 擘 南系邮电学院硬士研究生学位论文第一章绪论 标识”，在接收端对其i 行“恢复”。利用b l a s t 技术，如同在原有频段上建立了澎个互 不予扰、并行的予信道，并乖j 蠲先进豹多蔫户检测技术，同时礁确高效建传遴用户数据， 其结果是极大提赢翦向秘反岛链路窖爨。b l a s t 技术证暖，在天线发送零鞋接收端网孵采用 多天线阵，更能够充分利用多径传播。达到“变废为宝”的效果，提离系统容量。理论研 究、韭已证明，采溺b l a s r 技术，系统颓谱效率可以随天线个数成线性增长，也就是说，只 要允许增热天线个数，系统容爨就能够褥到不叛提舞。这瞧充分涯明b l a s t 技术有羲菲鬻 大的潜力。2 0 0 2 年1 0 月，世界上第一颗b l a s t 芯片在朗讯公司贝尔实验室问世，贝尔实 验室研究小组设计小组宣布推出了业内第一款结合了贝尔实验室l a y e r e ds p a c et i m e ( b l a s t ) m i m o 技术款芯片，这一芯片支持最裹4 4 戆天线毒震，霹楚理鲍最高数据速率 达到1 9 2 m b p s 。该技术用于移幼通信，b l a s t 芯片使终端能够在3 g 移劝网络中接收每秒 1 9 2 苑沈特的数据，现在，朗诵科技已经开始将j 琏：b l a s t 芯片应用到燕f l e x e n to n e b t s 家族豹系刭墓站中，同辩还 卡划授权终端裁遮亵使霜该b l a s t 蕊片，以提毫燹线3 g 数据 终端支持高速数据接入的能力。 b l a s t 有两种变化形式：d - b l a s t 和v - b l a s t ，前面的字母表示了对接收信号的处理在 空翊髑时阉维上璧瑷不鞠戆方| 菊。对于不慰麴b l a s t 方案，英孛麴发送处理秘接收楚理操 作可隧不一样。发送处理操作燎终将输入的数据序列转换成了h 1 个数据流。在v b i 。a s t 方 案中，串并转换后的每个数据流分别送到每副发送天线上发送：在d - b l a s t 方案中，每个 数撵浚分裂迸嚣缝玛，然后在簿令褥譬翔隔凌循嚣经遮分配到不蠲戆天线上去。因魏每令 数据流在空间和时间上都进行了分配。 接收机的关键在于分离数据流算法的设计，它有很多类型：求出信道矩阵的逆来恢复 琢殆信号瀚遥零( z 黟接救祝、鬣枣均方误差( 巍s e ) 接牧瓿、最大纭然耱0 接牧梳窝v - b l a s t 接收机。 v - b l a s t 算法中信号分离和检测方法是对逐个符号依次进行，可采用连续符号消除的 组合算法。z f 帮m m s e 算法是辩掰有发送信譬联合译筠，褥v b l a s t 算法是先对囊强鹣信 号进幸亍译码，然慝将其从接收信号中分离出来，接麓对剩余信号中最强的信号进行译码， 然后分离出来，直到将所有数据流信号都分离开为止。d - b l a s t 的译码则是对于每个编码 数据流分剐送行。 b l a s t 系统要求接收天线的数晷必须大予或等予发送天线的数屋，接收天线较多时鸯 利于提高检测的性能。另外，梭测过穰需要接收端有精确的m i m o 信道知识，因此在实现 对必须考虑信道德计的阏题。 1 0 辩京邮电学院碛士研究生学位论文 第一章绪论 贝尔实验窒曾经展示实现上述分层空时结构的v - b l a s t 演示系统，结果表明，在室内 环壤下该系统的谱效率可达到2 0 4 0b p s h z 。 在上述其体实验系统中，每一基站释设置2 副发邀天线和3 削接收天线，而每一用户 终端各设置l 副发送天线和3 副接收天线，即下行通路设置2 3 天线、上行通路设置l 3 天线。这梯与“蕈输入挚输蠢天线”s i s o 耱院，健输上取褥了l o 2 0 d b 豹好处，稳 应地加大了系统容量。而且，基站的两副发送天线于必骚时可以用来传输不同的数据信号， 用户传送的数据速率可以加倍。 2 0 0 3 年8 用，a i r g on e t w o r k s 推出了a g n l 0 0w i f i 芯片组，并称其是世界上第一款 集成了多入多出( m i m o ) 技术的批量上市产品。a g n l 0 0 使用该公司的多天线传输和接收技 术，将现在疆i f i 速率提裹戮每售道1 0 8 m b p s ，同惑缣跨与瑟骞零麓释i f i 蠢壤豹兼褰瞧。 该产品集成两片芯片，包括一片b a s e b a n d m a c 芯片( a g n i o o b b ) 和一片r f 芯片( a g n i o o r f ) ， 聚用一种可伸缩结构，使制造商可以只使用一片r f 芯片实现单天线系统，或增加其他r f 蕊片挺舞性能。该芯冀支撩掰毒夔8 0 2 + 1 18 、b 秘g 模式，包含i e e e8 0 2 。1 l 工穆缀箍出 最新标准( 包括t g i 安全和t g e 质量的服务功能) 。a i r g o 的芯片组和目前的w i - f i 标准兼 容，支持8 0 2 1 l a ，”b ，”和”g ”模式，使用三个5 - g h z 和三个2 4 - g h z 天线，使用a j r g o 芯 片缀懿无线浚餐霹 鬟彝羧翦戆8 0 2 。l l 浚螽逶壤，甚至弼鞋在鞋5 4 m b p s 爨速瘦耱8 0 2 ，i l a 设备通讯的同时还可以以1 0 8 m b p s 的速度和a i r g o 的设备通讯。 1 。6 论文翡醋究内容灏结构 多径输入和输出( m i m o ) 技术变得十分流行是因为它能显著的摁高信道容量( 参考文 献5 ) 。对时 炎m i m o 信道来说，其最佳性能的获褥是搬据总体发射功率限制对信邋特征值 邋行灌隶式功率匹配实嚣的 参考文献6 ) ，丽显英功率鏊配疆在时域氇在空域避行。结 果证明相对只在空域分析灌水式功率匹配，既在时域也在空域分析的灌水式能量匹配几乎 没霄容量增益( 参考文献7 ) 。另外，对予在时域分析静灌水式功率匹配方案需疆信道矩 簿豹概率密爱涵数，嚣实豁上这一点缀滚做到。 在一个实际系统里，遍历容量可以通过使用自适_ i 嗷调制技术获得，即根据倍道条件调 熬发射功率和蕊率( 参考文献8 ) 。本文我髓探讨了瓣变信道m i m o 系统鼹皂适应调铡。首 先我们对于m i m o 系统应用礴率和发射功率为变量的m q a m 调制，并嘏锻离散的跑率标准稚导 出最佳发射功率和码率调整。为了找到最佳码率量化方案，实际上很难得到的倍道概率密 南塞邮电学骥壤士硬襄生学位论文第一章鳍论 度函数信息被证明是必癸的。擞然信道概率密度函数被认为是可以追踪的，假是假如概率 密度蕊数随耩于闽快速变纯时，由于需装大量计算，其最佳适应毪能将会急莉裘落。为了缓 解这一问题，我们提出了一萋孛低复杂性码率爨化方寨，称为e r q ( e n h a n c e dr a t eq u a n t i z a t i o n ) ，也叫相邻时隙平均功率控制算法。e r q 工作于平均发射功率限制之下，并使用一 种单一的算法对每个传送天线的数据速率和发射功率进行连续撩制。不需要任何信道的概 率密废逶数绩怠裁大量懿计算，e r q 可获彳霉魄最佳连续玛搴和发越珐搴叁适应提毫0 ，2 d b 的频谱利用率。而且e r q 很好的满足了标准误码率( b e r ) 和平均发射功率限制。 对于在接收端应用最佳连续性解码方案o s d ( o p t i m u ms u c c e s s i v ed e c o d i n g ) 来增强 误碣率牲麓靛v b l a s t 系统 0 1 。 2 2 1 3 训练序列 为了满足系统信道参数评估的要求，需要在有效负载的基础上添加一些收发端预设的 冗余数据。本文假设了两种：同步序列和导频序列。 1 8 南京都电学院撷士研究斑学证论文第二章，m i m o 系统仿冀模型韵构建 同步序列可设置为1 2 8 符母的训练序列。同步序列在收端与本地序列作互相关。同步 序列要求很好的自相关特性特性。既是要求为白噪声特性：e 【t ( n ) t ( n + k ) 】= 6 ( k ) 。这 样在抽样时刻可以得到峰值。为了同步接收到的两个信号，两个不同的白噪声序列在两个 时亥t ，、t ，由两个发骞手天线分翱发遴。这两个自噪声洚列藕互正交，即甄相关为零： 基【t l ( 狂) - t 2 ( n + 荻) 】= o 。 同步露列按照表3 2 映封为q a m 穗号，并盈以最大葫率发射凄去。 褒3 。2 霹步露刭毂q a m 浚瓣 2 2 1 4 帧结构 1 6 q a m6 4 q a m 天线i 发送 一1 - - 3 3 j一7 7 j + i 手3 + 3 j+ 7 + 7 j 天线2 发遴1 6 q a m6 4 q a m l 一3 + 3 j 一7 + 7 j + 1+ 3 3 i + 7 7 j 在信号进入q a m 映射之前，要将数据、同步序列打包形成桉。本文构造的帧结构由图 3 4 示意。 2 2 1 5 上采样 图2 4 帧结构 上采样的好处是提高了同步和信邋估计的准确性，缺点是降低了信息速率。本章采用 静耋复因予为i = 4 ，都程每个符号螽插入3 个符号0 。系统没寄采蠲低遥滤波器去涂由予 插入符号o 所带来的频落扩展，n n 在t - - 步的脉冲形成滤波器可以越垂4 低邋滤波嚣的侔 1 9 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章m i m o 系统仿真模型的构建 用。 2 2 1 6 脉冲形成 盟( 丑盟攀。 图2 5 符号重复 脉冲形成部分实际上是一个截短的平方根滚降余弦滤波器( 长度取6 4 ) ，它使信号有很 好的形状，脉冲形状不好会产生符号间干扰( i s i ) 。滚降余弦和平方根滚降余弦的表达式 如下： ，( f ) ：p 2 ( f ) ：i s i n z u t # 氅 ( 2 1 6 ) 7 ( 0 2 p ( ) 2 百f 丽 ( 2 _ 1 6 ) 胁4 螋地等器舞产 c z 忉 t 为符号周期( r = 1 a ) ，强为滚降系数。 图2 6 ( a ) 脉冲波形( b ) 脉冲频谱 如果脉冲形成滤波器直接处理符号重复后的信号，则会做很多与0 的乘法，浪费资源。 为了避免这种情况，可以采用一种多相位的处理方法。 2 0 _r d _，llj 一 、。、i。 一。一 一 l_。，。l 南京揶电学院硕士研究生学位论文 第二章m 1 m o 系统仿真模型的构建 图2 7 采用多相位方法处理符号羹复和脉冲形成 如图2 7 所示，脉冲形成滤波器系数定义为； p o ( n ) = ，h ( o ) h ( 4 ) ， l ( 8 ) ，0 p 。( n ) ； 1 1 ，h ( 1 ) ，h ( s ) ，h ( 9 h 。 p ：( n ) = ，h ( 2 ) h ( 6 ) ，h ( 1 0 ) ，j p ：( n ) = h ( 3 ) ，h ( 7 x h ( 11 ) ，0 这样既避免了不必要的与0 的乘法又可以达到符号藏复的效粜。 2 ，2 。1 。7 交蹙方法 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 脉冲形成滤波器要一帧帧地处理数据，而采用交叠方法的好处在于可以把滤波器处 理前一帧的末熙信息作为当前帧的初始信息。 定义滤波器的长度为l 黼，信息赖的长度为l 妇。，变叠方法的处理过程为：1 ) 在第一 帧的尾部添加l 蛐一l 长度的o ；2 ) 然后执行滤波运算；3 ) 将执行滤波运算后的数据的尾 部l d 。一1 长魔豹数据存翻寄存器中，剩余豹疑是这一数据羧滤波后静数瓣；4 ) 添热 l d 。一1 长度的0 到第二帧的尾部；5 ) 第二帧执行滤波运算；6 ) 将上一帧的寄存数据与本 犊滤波运算鬣豹数摇翁头部糖热，然惹敬懑尾蘩l d 。- 1 长度嚣数擦存蜀毒存器中，剩余 的既是这一数搬帧滤波后的数据；7 ) 第三帧重复第二帧的操作，如此循环。 ，l 齑束郾奄学院磉士辑究生攀筏论文 第二章m i m o 系统仿真接型麴掏建 兰堂! x ( n ) i ! i i i 1 = 二习z e 一! ；i ! 臣二= 二翻z e r o s i； k 。臣= 二j j zerosi ! y ( n ) iti,t i * 弋 图2 8 交盛方法 本文选择滚降系数搜= g 。4 ，滤渡器翁长度为1 6 符号( 符号重复霞予为4 辩为6 4 个莱 样点) ，滤波器的带宽即为： 雷：半： f ：7 i ：熹 。1 5 。4 k h z ( 2 + 2 2 ) 于 、 f4 4 1 0 0 一 2 2 1 8 上变频 复数信号要转换成实数信号才能发射出去，船圈2 1 所示把信号分成i 、q 两路分别 调制，然后合并送到发射天线模块。 2 2 。l ，9 频率缡移继诗 由于收发系统时钟频率不完念理想，因此收端的基带信号频率不可熊和发端的信号频 搴一致，艨玖要想麟调窭| 莠霉的傣号，必嚣要蠢菝率镰移馁诗。在发射数撰漉之蔻，毙发 送一个载波( 1 0 k h z ) ，收端确定收到的载波频率，然后根据i 塞个信息解调信号。 南衷郏宅学瓣矮士研究生学绽论文第二肇，m i m o 系缝傍粪横型翦掏建 2 2 。2 接收视部分 图2 9 上变频后带通信号的频谱 接收机首先估计接收的载波频率，并根据此信息解调出i 、q 路信号，然后信号经过 一令滚淹余弦篷配嚣波爨滤波。鼗滤波嚣囊当予一个抵i 墓滤波嚣，可以滤撵毫颓杂波。经 过滤波的信号就被还原为复数基带信号，信号帧也已划分出涞。然后，幽同步信号判断最 佳抽样时间。同步后，经过插补解除符号重复。信道估计用予一a l a m o u t i 译码，译码厨的 绩号经邈m a p ( m a x i m u ma p o s t e r i o r i ) 检测器还辍窭晓特滚。 2 2 。2 1 频率偏移德计 图2 1 0 接收机模型 南京辩彀举箍硕士研究生学键论文篱= 章m 1 m o 系统仿真模型熬擒建 接收载波的频率偏移估计采用过零点检测算法 果每周期有两个过零点，则频率为： ：塑竺逻 “ 2 t i m e 2 。2 。2 ，2 下变额 天线接收到的信号可以写成： ，24 e o s ( 2 暖摊) + a qs i n ( 2 n f 。n ) 即计算已知时间的过零点数量。如 4 ，和如分别是i 、q 两路信号。解调后的信号为： 4 = 2 c o s ( 2 n f 。n ) r = 2 4e o s 2 嗔辩) e o s ( 2 酸拜) + 2 如s i n ( 2 蜕栉) c o s ( 2 蜕玎) = 4 c o s ( 2 x ( f 。一六) h ) + c o s ( 2 7 t ( f 。+ z ) 珂) 】 + 如【s i 2 嚣( 五一五) 摊) + s i n ( 2 拦( 五+ 五扭) 】 = ( l p f ) = a tc o s ( 2 z ( f 。一z ) 门) + 如s i n ( 2 ( z 一五) 船) ：广一蕊一 a i a q = 2 s i 2 硗n ) r ；2 a xe o s ( 2 旺n ) s i n ( 2 n f 。n ) + 2 a os i n ( 2 7 e ，：玎) s i n ( 2 卫，：即) = 4 s i n ( 2 n ( f 。一z ) 般) + s i n ( 2 瓢( f , + z ) 弹) 】 + a q 【c o s ( 2 霄( 五一五) ”) 一c o s ( e n ( l + 五) 行) 】 = l p f ) = a 1s i n ( 2 代( f , 一正) ，1 ) + 南c o s ( 2 x ( f 。一工) 九) 磊一i 一 a t 复数基带信号被构造成； r = 4 + 琏r 可见，信号可以被解调出来。 2 2 2 ，3 匹配滤波器 f 2 2 3 ) ( 2 2 5 ) 2 。2 6 ) f 2 。2 7 ) 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章m i m o 系统仿真模型的构建 匹配滤波器也采用平方根滚降余弦，但是在接收机由于没有零点采样，所以不能采用 发射机的多相位处理方法。为了减少计算次数，匹配滤波器的长度( 长度3 2 ) 设计得比发 射机( 长度6 4 ) 的长度短。 2 2 2 4 帧解包 午三i o 忑气# 气。 图3 1 1 ( a ) 脉冲波形( b ) 脉冲频谱 匹配滤波器的输出被分解为同步、数据序列。 2 2 2 5 符号同步 系统采用了4 倍的符号重复，即每个符号包含四个采样点。为了取得正确的样本值， 符号同步是不可缺少的。接收机接收的训练序列和时间( t 。+ t 2 ) 是相关的，它们的互相关 为： 5 l i 一， c o ) = ，；( 七+ f ) + ( ( 七) + 乞( j ) ) 七= 0 ( 2 2 8 ) 为接收的训练序列。f l 和岛是本地预先保存的训练序列。那么，最佳的抽样时刻在 互相关达到峰值的时候，即： 2 鬻，m a x i e o5 1 1 。( ) ，】 ( 2 2 9 ) 2 2 2 6 插补 由于发端和收端的时钟不可能完全同步，因此可能出现一个符号的4 个抽样点( 符号 蠢豪稚毫学蒎硕士簿 究童学位论文 第二二羲m 1 m o 系统仿真摸壅斡梅邈 重复) 都不在正确的抽样时刻上。为了解决这个问题，采用一种抛物线符号插补技术，以 生成在雁确采样点的信号。 为了得到正确的采样对刻，可爨眈较气。麓后时刻的秘关性耀个巅，并计算出一个系 数u ： u = 三f1 + c ( t , o + - 1 ) - c ( t = o 邺) 1 2 【c ( t 。，+ 1 ) 一c ( 名忡) j 墨 l 一兰! 鱼三! ! 二! ! 叠翻 2 ic ( t 唧一1 ) - c ( t 。a 唧) ，c ( 气州一1 ) c ( t o 惮+ 1 ) ，。( 一1 ) 。( + 1 ) ( 2 3 0 ) 如果一1 ) e ( + 1 ) ，剐抽样对剡改由1 计算，其它情况则保馨 0 。这样，正确的抽样时刻就一直在区间【t 。a r a p ，+ 1 】中a 系数转处于区阍 o ，1 内，如果拉为0 或1 剐意味藿不髓要插耠操 擎，麴粟 l 为0 。5 则抽榉时刻位于原始抽样点的磁中。 搔补处理采用种f a r r o w 结构，这种结构的好处在予它使用固定的滤波系数，而且 辕入仅哭系数p 莘鞋鞠个采样点，逮四个采样杰是匹配滤波器豹在时刻t s a m p 一1 ，屯。， 十1 ，乞忡+ 2 的输出。f a r r o w 结构见图2 1 2 。 图2 。1 2f a r r o w 结构 在这种糖物线插补豹f a r r o w 结构中，滤波系数为： 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章m i m o 系统仿真模型的构建 0 0 一p 14 - b dp 10 p 一1 - p pp 式中p 是一个可调参数，通过p 可以改变抛物线插补的形状。 2 2 2 7 信道估计 利用文献 2 提出的均衡器模型作信道估计和均衡。 2 2 2 8 解码 解码按照2 2 1 2 节，结合上面的信道估计得出。 2 2 2 9q a m 检测 ( 2 3 1 ) 经过译码后，信号经过q a m 检测还原为星座上的点