（通信与信息系统专业论文）mimo信道中vblast系统研究.pdf

摘要 多输入多输出( m e mo ) 技术是无线移动通信领域的重大突破。该技术能在不 增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是新一代移动通 信系统必须采用的关键技术。本文首先介绍了 me mo 系统的基本概念和信道模 型，并分析推导了慢衰落平坦瑞利信道下的me mo 系统容量.本文介绍了目 前 主要的 几种空时码- 贝 尔实验室空时分层编码 ( b l a s t ) ，空时分组码( s t b c ) 和空 时栅格编码( s ttc ) 的基本结构、 研究概况以 及在未来移动通信系 统中的应用。 贝尔实验室垂直空时分层编码系统( v b l a s t ) 在室内的实验环境中达到 了 ? a b p s / h z 以 上的频谱利用率， 这一频谱利用率在普通的系统中很难实现，因 此vb l a s t 及其在实际系统中的应用得到了 研究人员极大关注。 本文在详细分 析了原vb l a s t 系统的检测算法的基础上， 提出了一种改进的基于迭代的检测 算法， 极大的 提高了 v - b l a s t 系统的性能， 另 外，由 于 q r 分解方法的 采用， 使 得系统的复杂度大大降低， 有利于硬件实现。 另外，目 前对于vb l a s t 系统的研究大多限于窄带系统，对于在3 g . 4 g 系 统中实际应用还有相当的距离。当信号带宽超过信道的相关带宽时，就会造成 频率选择性衰落。一般的解决方法可以 采用频分正交复用技术( o f d m) 或者信道 均衡技术。 本文将单输入单输出系统中的 判决反 馈均衡器进行了 扩展，介绍了 适用于me m o 信道的判决反馈均衡器( d f e ) ，并提出了自适应最小均方误差一 判 决反馈均衡器( l m s 甲 d f e ) 算法和改进的解相关l m s - d f e 自 适应算法，使均衡器 能够实时的跟踪移动信道的时变特征，并加快了收敛速度。 本文利用ma t l a b 仿真平台，先建立了平坦衰落信道，对改进的 v - b l a s t 系统和原vb l a s t 系统的性能进行了理论分析和仿真比较。接着建 立了 频率选择性信道的模型，在此模型下仿真了 判决反馈均衡器和自 适应l m s - d f e 以 及解相关l ms - d f e 自 适应算法的性能，仿真结果表明本文提出的自 适应 均衡器能自 适应跟踪信道变化，可以有效的克服频率选择性衰落。本文所做的 工作为硬件实现具有实用价值的空时编码提供了 理论基础。 关键词:多 输 入多 输出 系 统空 时 编 码q r 分 解 贝 尔 实 验 室 垂 直 分 层 编 码最 小均方误差一 判决反锁均衡器 解相关最小均方误差一 判决反馈均衡器 abs t ract m u l t i p l e i n p u t m u l t ip l e o u t p u t ( m i m o ) t e c h n i q u e i s a g re a t b r e a k t h r o u g h i n w i re - l e s s c o m m u n i c a t i o n s , w h i c h c a n g r e a t l y i n c re a s e t h e c a p a c i ty a n d s p e c t r u m e f fi c i e n c y o f a w i re l e s s s y s t e m w i t h o u t o c c u p y i n g m o re b a n d w i d t h . t h i s p a p e r fi r s t l y i n tr o d u c e s th e b a s i c c o n c e p t a n d s y s t e m m o d e l o f mi mo , a n d t h e n d e r i v e s t h e f o r m u l a s o f c h a n - n e l c a p a c i ty f o r t h e s l o w fl a t r a y l e i g h f a d i n g c h a n n e l s . w e a l s o e x p l a i n c u r r e n t s p a c e t i m e c o d e s c h e m e s , t h a t i s ， b e l l l a b o r a t o ry s p a c e t i m e ( b l a s t ) , s p a c e t i m e b l o c k c o d e ( s t b c ) a n d s p a c e t i m e t re l l i s c o d e ( s t t c ) . t h e i r a p p l i c a t i o n s t o f u t u r e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s a r e a l s o i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r . v e r t i c a l b e l l l a b o r a t o ry s p a c e t r m e ( v - b l a s t ) c a n a c h ie v e a s p e c t r u m e f f i c i e n c y o f m o re th a n 2 0 b p s / h z , w h i c h h as a tt r a c t e d m a n y r e s e a r c h i n t e r e s t s . b a s e d o n i n - d e p t h a n a l y s i s o f t h e o r i g i a l d e t e c t i o n a l g o r i t h m , t h i s p a p e r p r o p o s e s a n i m p r o v e d i t e r a t i v e d e te c tio n s c h e m e , w h ic h g re a tly im p ro v e s th e s y s te m p e r fo r m a n c e . w h a ts m o re , th e s y s t e m c o m p l e x i t y c a n b e g r e a t l y r e d u c e d d u e t o t h e i n t ro d u c t i o n o f q r d e c o m p o s i t i o n . c u r r e n t l y , m o s t r e s e a r c h i n t e r e s ts i n v - b l a s t a r e re s t r i c t e d t o n a r r o w b a n d s y s - t e m , w h i c h i s n o t s u i t e d f o r f u t u r e 3 g a n d 4 g s y s t e m . i n w i d e b a n d s y s t e m , g e n e r a l l y , o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o n mu l t i p l e x i n g ( o f d m) a n d e q u a l i z e r s c a n b e u t i l i z e d t o m i t i g a t e t h e e ff e c t o f t h e f r e q u e n c y s e l e c t i v e f a d i n g . t h i s p a p e r e x t e n d s t h e c o n c e p t o f d e c i s i o n f e e d b a c k e q u a l i z e r s ( d f e ) f o r s i s o a n d i n tr o d u c e s t h e d f e s u i t e d f o r mi mo s y s t e m . wh a t s m o re , l ms - d f e a n d d e c o r r e l a t i n g l ms - d f e a d a p t i v e a l g o r i t h m a re a l s o p re s e n t e d t o t r a c k t h e c h a n n e l v a r i a t i o n s a n d i n c r e as e t h e r a t e o f c o n v e r g e n c e . w e u s e ma t l a b t o fi r s t b u i l d u p a fl a t f a d i n g c h a n n e l a n d c o m p a r e t h e p e r - f o r m a n c e o f o r i g i a l vb l a s t s y s t e m a n d t h e p r o p o s e d v - b l a s t s y s t e m . t h e n w e m o d e l a f r e q u e n c y s e l e c t i v e c h a n n e l a n d s i m u l a t e t h e p e r f o r m a n c e o f p r o p o s e d d f e , l ms - d f e a d a p t i v e a l g o r i t h m a n d d e c o r r e l a t i n g l ms - d f e a d a p t i v e a l g o r i th m . t h e s i m u l a t i o n re s u l t s d e m o n s tr a t e t h e v a l i d i ty o f t h e p r o p o s e d e q u a l i z e r t o c o m b a t t h e f r e - q u e n c y s e l e c t i v e f a d i n g w i t h g o o d c o n v e r g e n c e p e r f o r m a n c e . t h e w o r k o f t h i s p a p e r la y s a t h e o ry f o u n d a t i o n f o r f u t u r e p r a c t i c a l s p a c e t i m e c o d e h a r d w a r e i m p l e m e n t . k e y wo r d s : m i mo s y s t e m s p a c e t i m e c o d i n g q r d e c o m p o s i t i o n v - b l a s t l ms - d f e d e c o r r e l a t i n g l ms - d f e 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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 天津大学 或其他教育机构的 学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对木研究所做的任何贡献均己 在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名: 签 字 日 期 :; 吟 年g 月 / 8 日 学位论文版权使用授权书 本学 位论 文作者完全了 解 天津大学 有关保留、 使用学位论文的 规定。 特 授 权孟 生主全可 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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国 家有关部门 或机构送交论文的复印 件和磁盘. ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 签 字日 期: 补 川 梦 年 0淮 月! 了 日 导师签名 签 字 日 期 .1.)o d y 年14 月 ， 矛日 缩略语 3 g mi m o s i s o mi s o be r i c mms e z f i . i . d i s i i ci mai p s k q a m s dma s nr s t c s t tc s t b c bl as t v - b l as t d- b l as t h- b l as t s vd df e of dm f f f f b f l ms r ls t h e t h i r d g e n e r a t i o n mu l t i p l e - i n p u t mu l t i p l e - o u t p u t s i n g l e - i n p u t s i n g l e - o u t p u t s i n g l e - i n p u t s i n g l e - o u t p u t b i t e r ror r a t e i n t e r f e ren c e c a n c e l l a t i o n mi n i m u m me a n s q u a re e r r o r z e r o f o r c i n g i n d p e n d e n t a n d i d e n t i c a l l y d i s tr i b u t e d i n t e r s y m b o l s i n t e r f e re n c e i n t e r c h a n n e l s i n t e r f e r e n c e m u l ti p l e a c c e s s i n t e r f e re n c e p h a s e s h i ft k e y i n g q u a d r a t ic a m p li tu d e m o d u l a t i o n s p a c e d i v i s i o n m u lt i p l e a c c e s s s i g n a l t o n o i s e r a t i o s p a c e t i m e c o d e s p a c e t i m e t r e l l i s c o d e s p a c e t i m e b l o c k c o d e b e l l l a b o r a t o r i e s l a y e re d s p a c e -t i m e v e r ti c a l b l as t d i a g o n a l b l a s t h o r i z o n t a l b l a s t s i n g u l a r v a l u e d e c o m p o s i t i o n d e c i s i o n f e e d b a c k 鞠u a l i z e r o rt h o g o n a l f r e q u e n c y d e v i s i o n m u l t i p l e x i n g f e e d f o r w a r d f i l t e r f e e d b a c k w a r d f i l t e r l e a s t m e a n - s q u a re r e c u r s i v e l e a s t s q u a r e s 第三代移动通信 多输入多输出 单输入单输出 多输入单输出 误码率 千扰消除 最小均方误差 迫零 独立同分布 码间串扰 i司 信道干扰 多址干扰 键控调相 正交幅度调制 空分多址 信噪比 空时编码 空时栅格编码 空时分组码 贝尔实验室分层空时码 垂直贝尔分层空时码 对角贝尔分层空时码 水平贝尔分层空时码 奇异值分解 判决反馈均衡器 正交频分复用 前向滤波器 后向滤波器 最小均方误差 递归最小二乘 第一章 概述 第一章概述 1 . 1引言 在当今的信息社会，移动通信技术的发展得到了越来越多的关注。移动通 信技术发展的最终目 标是个人通信，也就是使用可能的技术实现任何人，任何 地方，任何时间能够与任何人进行任何种类的通信。到目前为止，移动通信系 统己经由第一代的模拟语音移动通信系统演变到第二代数字移动通信系统。由 于通信技术自 身的发展以及用户不断增长的需求，许多新型的业务逐渐引入移 动通信领域，它不仅要求无线通信网络能够提供更好的话音服务，还要能提供 多种高速数据业务和多媒体业务。 在传输过程中，通信信号主要受到码间干扰( i s i ) 和同信道干扰( i c i ) 。这些 干扰主要源于带限发射和接收滤波器、放大器、时延和多径传输、发射机与接 收机之间的相对运动、藕合效应及多 址干扰等作用。 再考虑到有限的带宽资 源 和发射功率的限制，在无线环境下实现高速的数据业务传输非常困难。盲均 衡、多用户检测、阵列信号处理和自 适应阵列都是抑制信道干扰和改善信道性 能的技术。在无线通信中，同信道干扰和码间干扰往往同时存在。均衡可对码 间干扰进行有效补偿，但不能抑制同信道干扰;多用户检测方法可抑制同信道 干扰，却无法补偿码间干扰。为了同时抑制这两种干扰，可选用空时联合处理 方法。 空时 编码( s p a e ti m e c o d i n g ) 技术是 未来移动 通信抗衰落技术的重大突 破， 是无线通信中一种新的编码和信号处理技术。空时编码技术实质上是一种空时 二维处理手段:在空间上，采用多发射多接收天线的空间分集来提高无线通信 系统的通信容量;在时间上，不同信号在不同时隙内使用同 一天线发射，并在 不同天线发射的信号之间引入时域和空域相关，使接收端可进行分集接收。因 此，在不牺牲带宽的情况下，空时编码可获得更高的编码增益，有效提高无线 系统容盆.这对满足第3 代无线通信系统的高语音质量和高达2 mb / s 比特率的数 据服务以 及未来移动通信更高的数据传输速率具有极大的吸引力 1 1 2 1 3 = 第一章 概述 1 . 2 m i m o 简介 实际上多输入多输出( m i m o ) 技术由来已久，早在1 9 0 8 年马可尼就提出 用它来抗衰落。在2 0 世纪7 0 年代有人提出将多入多出技术用于通信系统， 但是对无线移动通信系统多入多出技术产生巨大推动的奠基工作则是上世 纪 9 0 年代由 a t 1 9 %年f o s h in i 给出了一种多入多出处理算法一对 角一 贝尔实验室分层空时( d - b l a s t ) 算法阎;1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了用于多入 多出的空时码 6 ) ; 1 9 9 8 年w o l n i a n s k y 等人采用垂直一 贝尔实验室分层空时( v b l a s t ) 算法建立了一个mi m o 实验系统，在室内试验中达到了 2 0 b i t/ s / h z 以上 的 频谱利用率 7 l ，这一频谱利用率在普通系统中 极难实现。这些工作受到各国 学者的极大注意，并使得mi mo 的研究工作得到了迅速发展。 简单说来，mi mo 系统就是利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天 线数量，相对于普通的 s i s o ( s i n g le - i n p u t s i n g l e - o u t p u t ) 系统， m i m 。 还可以 包括 s i m o ( s i n g l e - i n p u t m 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 le - i n p u t s i n g l e - o u t p u t ) 系 统。 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mi mo 系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。mi mo 系统在发射 端 和接收端均 采用多天线( 或阵列天 线) ， m i m o 的多入多出 是针对多 径无线信道 来说的。图1 - 1 所示为mi mo 系统的原理图。传输信息流经过空时编码形成m个 信息子流。 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，从 而实现最佳的处理。 特别是，这m 个子流同时发送到信道， 各发射信号占用同一频带，因而并 未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造 多个并行空间信道。 通过这些并行空问信道独立地传输信息，数据率必然可以 提高。 m i mo 将多径无线信道与发射、 接收视为一个整体进行优化，从而实现 高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰 对消处理。 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的多入多出 mi mo ) 系统，假宁信道 第一章 概述 钊!卜丫 11! !leses .imo d e 健 les勺ee| m 理 卜.巴川 七 ，泊 曰 加 . nvj c 吐 甘 翔1 份丈币勺 亡 r 图 1 - 1 多入多出系统原理 为独立的瑞利衰落信道，并设m, n 很大，则信道容量c 近似为: c=m i n ( m, n ) b 10 9 2 ( p / 2 ) ( 1 - 1 ) 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 8 。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。 可以看出， 利用m i m o 技术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。利用mi mo 技术可以提高信道的容量，同时也可以提 高通信的可靠性，降低误码率。目前mi mo 技术领域另一个研究热点就是空时 编码。常见的空时码有空时分组码( s t b c ) 9 ) 、空时栅格编码( s ttc ) 6 1 。空时 码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从 而降低信道误码率。 1 .3 mi m o 发展概况 目前，各国学者对于mi mo 的理论、性能、算法和实现的各方面正广泛进 行研究。 在mi m o 系统理论及性能研究方面己有一批文献，这些文献涉及相当广泛 的内容。但是由于无线移动通信mi mo 信道是一个时变、非平稳多入多出系 统，尚有大量问题需要研究。比如说，各文献大多假定信道为分段一 恒定衰落 第一章 概述 钊!卜丫 11! !leses .imo d e 健 les勺ee| m 理 卜.巴川 七 ，泊 曰 加 . nvj c 吐 甘 翔1 份丈币勺 亡 r 图 1 - 1 多入多出系统原理 为独立的瑞利衰落信道，并设m, n 很大，则信道容量c 近似为: c=m i n ( m, n ) b 10 9 2 ( p / 2 ) ( 1 - 1 ) 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 8 。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。 可以看出， 利用m i m o 技术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。利用mi mo 技术可以提高信道的容量，同时也可以提 高通信的可靠性，降低误码率。目前mi mo 技术领域另一个研究热点就是空时 编码。常见的空时码有空时分组码( s t b c ) 9 ) 、空时栅格编码( s ttc ) 6 1 。空时 码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从 而降低信道误码率。 1 .3 mi m o 发展概况 目前，各国学者对于mi mo 的理论、性能、算法和实现的各方面正广泛进 行研究。 在mi m o 系统理论及性能研究方面己有一批文献，这些文献涉及相当广泛 的内容。但是由于无线移动通信mi mo 信道是一个时变、非平稳多入多出系 统，尚有大量问题需要研究。比如说，各文献大多假定信道为分段一 恒定衰落 第一章 概述 信道。这对于宽带信号的4 g 系统及室外快速移动系统来说是不够的，因此必须 采用复杂的模型进行研究。已有不少文献在进行这方面的工作 1 0 h1 1 ，即对 信道为频率选择性衰落和移动台快速移动情况进行研究。再有，在大多数文献 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。 但是若移动台移动速度过快，就使得训练时间太短，这样快速信道 估计或盲处理就成为重要的研究内容 1 2 , t u r b o 码结合网格编码调制( t c m) 空时码可以克服帧误差率随帧长增加而增 加的问题，并可大大降低码结构和信道结构的相互作用。空时t u r b o 码的这些优 点引起了学者的广泛注意 1 3 1 4 1 。比如， s a l l a t h u r a i 等针对v - b l a s t 的问题， 提出 采用软对消方 式实 现检测的 1 7 u b o 编 码与贝 尔实验室 分层空时 ( b l a s t ) 算法 结合的 mi mo 处理方案。 另外实验系统是m i m o 技术研究的重要一步。实际系统研究的一个重要问 题是在移动终端实现多天线和多路接收，学者们正大力进行这方面的研究。由 于 移 动 终 端 设 备 要 求 体 称 小 、 重 量 轻 、 耗 电 小 ， 因 而 还 有 大 量 工 作 要 做 。 b e l l 实验室的b l a s t 系统4 是最早研制的m i m o 实验系统。该系统工作 频率为1 .9 g h z ，发射8 天线，接收1 2 天线，采用vb l a s t 算法。频谱利用率 达到了 2 5 .9 b p s / h z .但该系统仅对窄带信号和室内环境进行了研究，对于 在3 0 , 4 g 应用尚有相当大距离。在发送端和接收端各设置多个天线，可以 提 供空间分集效应，克服电波衰落的不良 影响。这是因为安排恰当的多个天线提 供多个空间信道，不会全部同时受到衰落。在上述具体实验系统中，每一基站 各设置2 个发送天线和3 个接收天线，而每一用户终端各设置1 个发送天线和3 个 接收天线，即下行通路设置2 x 3 天线、上行通路设置i x 3 天线。这样与 “ 单输 入2 单输出天线”s i s o 相比，传输上取得了1 0 -2 0 d b 的好处，相应地加大了系统 容量。而且，基站的两个发送天线在必要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。 朗讯科技的贝尔实验室分层的空时 ( b l a s t ) 技术是移动通信方面领先 的mi m o 应用技术，是其智能天线的进一步发展。b l a s t 技术就其原理而言， 是利用每对发送和接收天线上信号特有的 “ 空间标识”，在接收端对其进行 “ 恢复”。利用b l a s t 技术，如同在原有频段上建立了多个互不干扰、并行 的子信道，并利用先进的多用户检测技术，同时准确高效地传送用户数据， 其结果是极大提高前向和反向链路容量。b l a s t 技术证明，在天线发送和接 第一章 概述 收端同时采用多天线阵，更能够充分利用多径传播，达到 “ 变废为宝”的效 果，提高系统容量，b l a s t 技术有着非常大的潜力。鉴于对于无线通信理论 的突出贡献，b l a s t 技术获得了2 0 0 2 年度美国t h o m a s e d i s o n( 爱迪生)发明 奖。 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 d s p a c e t i m e ( b l a s t ) m i m o 技术的芯片， 这一芯片支持最高 4 x 4 的天线布局， 可处 理的最高数据速率达到1 9 .2 m b p s 。该技术用于移动通信， b l a s t 芯 片使终 端能够在3 g 移动网络中接收每秒1 9 . 2 兆比特的数据，现在，朗讯科技已经开始 将此 b l a s t 芯片应用到其 f le x e n t o n e b t s 家族的系列基站中，同时还计划授权 终端制造商使用该b l a s t 芯片，以提高无线3 g 数据终端支持高速数据接入的能 力。 2 0 0 3 年8 月， a i r g o n e t w o r k s 推出了 a g n 1 0 0 wi 一芯片组，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 1 0 0 使用该公司的多 天 线 传 输 和 接 收 技 术， 将 现 在 w i- f i速 率 提 高 到 每 信 道1 0 8 m b p s ， 一 同 时 保 持 与 所 有常用w i - f i 标准的兼容性。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 1 0 o b b ) 和一片 r f 芯片 ( a g n i o o r f ) ， 采用一种可 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 芯片提升性能。 a i r g 。 的 芯片组和目 前的 w i- f i 标准兼容， 支持 8 0 2 . 1 1 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 ir g o 芯片组的无线设备可以 和以前的8 0 2 . 1 1 设备通讯， 甚至 可以 在以 5 4 m b p s 的 速度和 8 0 2 . 1 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. 凭借在提高系统频谱利用率方面卓越的性能表现 ，多输入多输出 ( m i m o ) 技术已 经成为移动通信技术发展进程中炙手可热的课题。 . 4本论文研究内容 本论文的主要内容如下: 第二章 介绍了 mi mo 信道模型和系统模型，分析推导了平坦慢衰落瑞利信 道下的 mi m o 系统容量。 第三章 介绍了目前主要的几种空时编码:贝尔实验室空时分层编 码 ( b l a s t ) ，空时分组码( s t s q和空时栅格编码( s t t c ) 的基本结构、研究概 况以 及在未来移动通信系统中的应用。 第一章 概述 收端同时采用多天线阵，更能够充分利用多径传播，达到 “ 变废为宝”的效 果，提高系统容量，b l a s t 技术有着非常大的潜力。鉴于对于无线通信理论 的突出贡献，b l a s t 技术获得了2 0 0 2 年度美国t h o m a s e d i s o n( 爱迪生)发明 奖。 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 d s p a c e t i m e ( b l a s t ) m i m o 技术的芯片， 这一芯片支持最高 4 x 4 的天线布局， 可处 理的最高数据速率达到1 9 .2 m b p s 。该技术用于移动通信， b l a s t 芯 片使终 端能够在3 g 移动网络中接收每秒1 9 . 2 兆比特的数据，现在，朗讯科技已经开始 将此 b l a s t 芯片应用到其 f le x e n t o n e b t s 家族的系列基站中，同时还计划授权 终端制造商使用该b l a s t 芯片，以提高无线3 g 数据终端支持高速数据接入的能 力。 2 0 0 3 年8 月， a i r g o n e t w o r k s 推出了 a g n 1 0 0 wi 一芯片组，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 1 0 0 使用该公司的多 天 线 传 输 和 接 收 技 术， 将 现 在 w i- f i速 率 提 高 到 每 信 道1 0 8 m b p s ， 一 同 时 保 持 与 所 有常用w i - f i 标准的兼容性。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 1 0 o b b ) 和一片 r f 芯片 ( a g n i o o r f ) ， 采用一种可 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 芯片提升性能。 a i r g 。 的 芯片组和目 前的 w i- f i 标准兼容， 支持 8 0 2 . 1 1 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 ir g o 芯片组的无线设备可以 和以前的8 0 2 . 1 1 设备通讯， 甚至 可以 在以 5 4 m b p s 的 速度和 8 0 2 . 1 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. 凭借在提高系统频谱利用率方面卓越的性能表现 ，多输入多输出 ( m i m o ) 技术已 经成为移动通信技术发展进程中炙手可热的课题。 . 4本论文研究内容 本论文的主要内容如下: 第二章 介绍了 mi mo 信道模型和系统模型，分析推导了平坦慢衰落瑞利信 道下的 mi m o 系统容量。 第三章 介绍了目前主要的几种空时编码:贝尔实验室空时分层编 码 ( b l a s t ) ，空时分组码( s t s q和空时栅格编码( s t t c ) 的基本结构、研究概 况以 及在未来移动通信系统中的应用。 第一章 概述 第四章 详细介绍了原v - b l a s t 系统的检测算法，提出了一种改进的基于迭 代的低复杂度的检测算法，并对系统误码率性能进行了理论上的近似分析。采 用 m a t l a b 仿真 1 5 的结果表明 本文提出的算 法不仅能够提高系统的性能， 而 且还可以明显的降低实现复杂度，为今后在实际应用系统中的硬件实现提供了 理论基础。 第五章 针对v - b l a s t 在宽带系统中的应用，提出了 mi mo 信道中抵抗频率 选择性衰落的判决反馈均衡器( m i s o - d f e ) 方案。并进一步提出了 l ms - d f e 和 解相关l m s - d f e 自 适应算法，仿真结果表明所提出的自 适应均衡器能够实时的 跟踪移动信道的时变特征，有效地克服频率选择性衰落，并具有较快的收敛速 度。仿真结果也表明与r l s 均衡器比 较，在复杂度和性能方面获得了较好的折 衷。 由于本人水平有限，论文中难免会存在着错误和不足，望各位老师批评指 正 。 第二章n ii mo 信道模型和信道容量 第二章m i m o 信道模型和信道容量 移动通信信道是研究任何移动通信系统首先要遇到的问题，也是无线信道 中最为复杂的信道。 研究移动信道就是要搞清楚无线电信号在移动信道中可能 发生的变化和发生这些变化的原因，这与载波频段、传播环境、移动速度、传 播的信号形式以及信道的上、下行方向等都有密切的关系。具体移动通信系统 的设计、开发、网络规划需要全面的考虑上述方面。因此本章先对移动信道 模型做一个简单的介绍，然后在此基础上推导和分析平坦慢衰落瑞利信道下 的mi mo 系统容量。 2 . 1无线衰落信道 在无线移动通信系统中，多径效应广泛存在，无线电波可从不r-7的方式以 不同的时延到达接收机。在接收机的天线上，它们通过矢量相加合成一个信 号。由于不同方向来的信号的合成结果是变化的，合成信号会增强或相互抵 消。这样，即使同一信源发出的信号， 距离很近的接收机接收的信号电平也可 相差几十分贝。在移动情况下，来自 不i- j 方向的信号的相位也不断变化，因此 存在相位和幅度的起伏，我们称这个信号受到衰落。另外，由于接收机相对于 发射机是运动的，它们之间的多径电磁波的频率也发生偏移，这种由于相对运 动而产生的频率偏移称为多普勒效应。 2 . 1 . ，多径时延扩展产生的衰落效应 i时间色散参数 多径传播效应主要表现在频率选择性衰落和时延扩展等方面。多径信道的 时间色散特性通常用平均附加时延帅和i r i s 时延扩展( ) 来定量描述。 平均附加时延是功率延迟分布的一阶矩 1 6 ，定义为: ea k t k 一k_ 下 一 厄a sk k ( 2 - i ) 其中，a k 和t k 分别表示第k 个多径分量的时间幅度和第k 个多径分量与第一 个到达的分量相比而言的相对时延。 第二章n ii mo 信道模型和信道容量 第二章m i m o 信道模型和信道容量 移动通信信道是研究任何移动通信系统首先要遇到的问题，也是无线信道 中最为复杂的信道。 研究移动信道就是要搞清楚无线电信号在移动信道中可能 发生的变化和发生这些变化的原因，这与载波频段、传播环境、移动速度、传 播的信号形式以及信道的上、下行方向等都有密切的关系。具体移动通信系统 的设计、开发、网络规划需要全面的考虑上述方面。因此本章先对移动信道 模型做一个简单的介绍，然后在此基础上推导和分析平坦慢衰落瑞利信道下 的mi mo 系统容量。 2 . 1无线衰落信道 在无线移动通信系统中，多径效应广泛存在，无线电波可从不r-7的方式以 不同的时延到达接收机。在接收机的天线上，它们通过矢量相加合成一个信 号。由于不同方向来的信号的合成结果是变化的，合成信号会增强或相互抵 消。这样，即使同一信源发出的信号， 距离很近的接收机接收的信号电平也可 相差几十分贝。在移动情况下，来自 不i- j 方向的信号的相位也不断变化，因此 存在相位和幅度的起伏，我们称这个信号受到衰落。另外，由于接收机相对于 发射机是运动的，它们之间的多径电磁波的频率也发生偏移，这种由于相对运 动而产生的频率偏移称为多普勒效应。 2 . 1 . ，多径时延扩展产生的衰落效应 i时间色散参数 多径传播效应主要表现在频率选择性衰落和时延扩展等方面。多径信道的 时间色散特性通常用平均附加时延帅和i r i s 时延扩展( ) 来定量描述。 平均附加时延是功率延迟分布的一阶矩 1 6 ，定义为: ea k t k 一k_ 下 一 厄a sk k ( 2 - i ) 其中，a k 和t k 分别表示第k 个多径分量的时间幅度和第k 个多径分量与第一 个到达的分量相比而言的相对时延。 第二章me mo 信道模型和信道容量 n 刀 5 时延扩展是功率延迟分布的二阶矩的平方根，定义为 o r =、 / t 2 一 t ) 2( 2 - 2 ) 其中 艺 a k t k 17 2 =k l w k k ( 2 - 3 ) 相千带宽 凡是从 c m s 时 延扩展得出的 一个确定的 关系值。 相干带宽是一定范 围内的频率的统计测量值，是建立在信道是平坦的基础上的。换句话说，相干 带宽是指一个特定的频率范围，在该范围内，两个频率分量有很强的幅度相关 性。 相关带宽表征的是信号中两个频率分量基本相关的频率间隔，衰落信号中 的两个频率分量，在其频率间隔小于相关带宽时，它们是相关的，衰落特性具 有一致性:在其频率间隔大于相关带宽时，它们是不相关的，衰落特性不具有 一致性。频率间隔大于b c 的两个正弦信号受信号影响大不相同。如果相关带宽 定义为频率相关函数大于0 . 9 的特定带宽，则相干带宽近似为: b 二 5 a , 2 . 多径时延扩展产生的衰落效应 ( 1 ) 平坦衰落 如果无线信道带宽大于发送信号的带宽，且在带宽范围内有恒定的增益及 线性相位，则信号就会经历平坦衰落过程。在平坦衰落情况下，信道的多径结 构使发送信号的频谱特性在接收机端仍保持不变。然而由于多径导致信道增益 的 起伏，接收信号的强度会随着时间变化。在平坦衰落信道中，信号带宽的倒 数远大于信道的多径时延，信号带宽比信道带宽窄得多，可以看成窄带信道。 信号经历平坦衰落的条件是: b e b ( 2 - 5 ) 或者 兀( 2 - 6 ) 其中，b , 是信号带宽，t ,