（通信与信息系统专业论文）mimo系统中基于容量分析的天线选择及信道状态信息研究.pdf

摘要 多输入多输出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 ) 技术是 无线移动通信领域的重大突破，使用这一技术可以有效的提高系统的 性能，因此受到广泛的关注。天线选择技术是m i m o 系统中的一个关 键问题。它能从m i m o 系统的多个发射天线和接收天线中选择出性能 最好的一个或几个子集，从而节省了硬件成本，极大地提高了m i m o 系统的性价比。为了获得较大的信道容量，需要开发较好的天线选择 算法。 本文在前人研究的基础上，对m i m o 系统的各种不同形式的信道 容量及其理论进行推导，并对几种基于容量最大化的天线选择算法进 行总结。通过计算机仿真对其性能进行比较分析，利用线性代数原理 对已有的快速天线选择算法进行改进，提出一种改进的天线选择算 法。改进的天线选择算法在一定条件下能获得比原快速天线选择算法 更大的信道容量，并且考虑了实际信道的相关特性，因此具有一定的 现实意义。同时考虑到在进行天线选择时要充分考虑信道的状态，论 文对信道状态信息( c si ，c h a n n e ls t a t ei n f o r m a tio n ) 进行研究， 用统计的方式对c s i 进行建模，推导了在考虑部分c s i 条件下，多输 入单输出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 ) 系统的信道容量 公式。 关键词：m i m o 信道容量天线选择信道状态信息 a b s tr a c t m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u tt e c h n i q u ei s a g r e a t b r e a k t h r o u g h i nw i r e l e s sc o m m u n i c a ti o n s y s t e m i tc a n e f f i c i e n t l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m a n t e n n a s e l e c t i o ni st h ek e yt e c h n i q u ei nm i m os y s t e m ，w h i c hs e l e c t s o n eo rs e v e r a lb e s ta n t e n n a sf r o mm u l t i p l et r a n s m i t t i n ga n d r e c e i v i n ga n t e n n a s a n t e n n as e l e c t i o nc a nr e d u c et h ee x p e n s e o fh a r d w a r ea n di n c r e a s et h ep e r f o r m a n c e c o s t 。r a ti oo fm i m o s y s t e m t h ea c h i e v e dc a p a c i t yo f m i m os y s t e mi st y p i c a l l y d e p e n d e n to nt h es e l e c ti o na l g o r i t h ma tt h et r a n s m i t t e ra n d r e c e i v e r i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o rr e f e r ss o m ei d e a s s e v e r a lk i n d so f a n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h m sa n dt h ec h a n n e lc a p a c i t yo f d if f e r e n tf o r m so fm i m os y s t e ma r ei n t r o d u c e df i r s t t h ea u t h o r a l s op r e s e n t st h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dp r o p o s e san e wa n t e n n a s e l e c t i o na l g o r i t h mi nm i m os y s t e mb yu s i n gt h ep r i n c i p l eo f l i n e a ra l g e b r a t h i sa l g o r i t h mi sp r o p o s e df o rt h ec o r r e l a t i v e n a t u r eo ft h ec h a n n e li nm i m os y s t e m l a r g e r c a p a c i t yi s a c h i e v e dc o m p a r e dw i t ht h e e x i s t i n ga l g o r i t h mi nc e r t a i n c o n d i t i o n s b e c a u s ei ti sn e c e s s a r yt oc o n s i d e rt h ec h a n n e l s t a t ei n f o r m a t i o nw h e ns e l e c ti n gt h ea n t e n n a s ，s ot h ea u t h o r r e s e a r c h e dt h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na n dp r e s e n t e dc s i m o d e l su s i n gs t a t i s t i c a lm e t h o d t h ec h a n n e lc a p a c i t yf o r m u l a o fm i s os y s t e mi sa l s od e r i v e d k e y w o r d s ：m i m o ，c h a n n e lc a p a c i t y ，a n t e n n as e l e c t i o n ，c h a n n e ls t a t e i n f o r m a ti o n b e rb i te r r o rr a t e 主要符号表 误码率 b l a s tb e l ll a b sl a y e r e ds p a c e t i m ea r c h i t e c t u r e 贝尔实验室分层空时结构 c c i c c i c d m a c m i c s i f d m a i s i c h a n n e lc o v a r i a n c ei n f o r m a t i o n c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e c o d ed i v i d em u l t i p l e c h a n n e lm e a ni n f o r m a ti o n c h a n n e ls t a t ei n f o r m a ti o n f r e q u e n c yd i v i d em u l t i p l ea c c e s s i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e 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 m i s o m u l t i p l e 。i n p u ts i n g l e o u t p u t m l 删s e m s e o f d m p d f r r c s i m o s i n r m a x i m u ml i k e l i h o o d m in i m u mm e a ns q u a r ee r r o r m e a ns q u a r ee r r o r 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 p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n r a d i or e s o u r c ec o n t r o l s i n g l e 。i n p u tm u l t i p l e o u t p u t s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a ti o 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 s n r s t b c s i g n a l t o n o i s er a t i o s p a c et i m eb l o c kc o d i n g t d m at i m ed i v i d em u l t i p l ea c c e s s z fz e r of o r c e 信道协方差信息 同频道干扰 码分多址 信道均值信息 信道状态信息 频分多址 码间干扰 多输入多输出 多输入单输出 极大似然 最小均方误差 均方误差 正交频分复用 概率密度函数 无线资源控制 单输入多输出 信干噪比 单输入单输出 信噪比 空时码 时分多址 迫零 v l 上海师范大学硕士学位论文 论文独创性声明 本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，。论文中除了特5 l , j j n 以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构 已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡 献均己在论文中做了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：砌巷寝日期：吁箩、 。 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印，缩印或其它手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：辊瘁捷导师签 日期：砰芗汐 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 移动通信的发展 第一章绪论 移动通信的发展历程大致可以分为三个阶段：第一代移动通信系统采用频 分复用技术( f d m a ，f r e q u e n c yd i v i d em u l t i p l ea c c e s s ) 的模拟蜂窝系统， 模拟通信的主要缺点是频谱利用率低，保密性能差，提供的业务种类有限，移 动设备成本高、体积大。第二代移动通信系统采用时分多址( t d m a ，t i m ed i v i d e m u l t i p l ea c c e s s ) 或码分多址( c d m a ，c o d ed i v i d em u l t i p l e ) 的数字蜂窝系 统，主要支持电路交换型数据业务，这一系统能够支持较高质量的语音传输并 提供低速的数据业务。第三代移动通信系统( 3 g ) 主要采用宽带c d m a 技术，将 i n t e r n e t 与移动通信系统有机的结合在一起，对多媒体业务提供强大的支持。 第三代移动通信系统标准包括：欧洲的w c d m a 、北美的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的 t i ) - - s c d b t a 等。 随着移动通信高速数据业务以及多媒体的业务的迅速发展，3 g 所能提供的 最高2 m b p s 的数据业务能力已经不能满足要求，如何在有限的频谱上提供更多 的，质量更高的多媒体业务，将成为未来移动通信系统必须解决的问题。移动 通信的下一步必定是走向容量更大、速率更高的第四代( 4 g ) 移动通信系统。 下一代移动通信( b 3 g 4 g ) 系统具备以下的特点n 1 ： ( 1 ) 高速数据传输：第四代移动通信系统的速度可以达到l o - 2 0 m b p s ，最高可 以达到l o o m b p s ； ( 2 ) 网络频谱更宽：4 g 网络在通信带宽上比3 g 网络的带宽高出许多； ( 3 ) 多种业务：手机新闻、手机杂志、互动游戏、位置业务、视频内容、手机 电视、移动商务等等； ( 4 ) 无线q o s 资源控制：4 g 系统支持的应用业务将依据业务的特点进行分类， 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 无线q o s 资源控制方式既要支持实时性应用，也要支持非实时性应用； ( 5 ) 通信费用更加便宜。 1 2m i m o 技术的研究现状及存在问题 近年来，移动通信在我国乃至世界范围内得到了迅猛的发展。随着这种发 展势头，人们对通信的高质量、高速率提出了更高的要求。如何提高通信系统 的带宽，在有限的资源下更高效率的传输信息成为越来越亟待解决的问题。在 此背景下，采用多入多出( 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 ) 技术是 一种必然选择。 在如何在有限的带宽下实现高速率的各项通信业务逐渐成为人们关注的焦 点问题的同时，由于受到无线信道带宽和复杂的多径传播环境影响，在无线环 境下实现高速数据传输有较大的困难。围绕这一问题，人们做了许多研究，从 传输的角度看，包括多址技术、信源编解码技术、信道编码技术、调制解调技 术、分集技术和链路自适应技术等。从信道容量理论角度看，只要信道带宽和 功率给定，所能达到的最大信息速率( 即信道容量) 也随之确定。因此，如何 在不增加功率和不牺牲带宽的条件下，减少多径衰落的影响，充分利用无线通 信系统的信道容量，实现高速、可靠的信息传输就成为一个研究的热点。利用 多发射和多接收天线阵列的m i m o 技术，可将无线信道中散射路径等效为若干个 相互独立的空间子信道，用于传输信息，提高信息传输和通信质量。 1 2 1m i m o 技术已取得的进展 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，它利用多天线来抑制信道 衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的单入单出( s i s o ，s i n g l e - i n p u t s i n g l e - o u t p u t ) 系统，m i m o 还可以包括单入多出( 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，即在发射端设置一根天线，接收端设置多根天线。多 入单出( m i s o ，m u l t i p l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统，即在发射端设置多根天 线而接收端设置一根天线。 2 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 s i m o 系统又称为接收分集，m i s o 系统又称为发射分集。如果发射端不知道 信道的状态信息，无法在多发射天线中采用波束成型技术和自适应功率分配， 信道容量的提高则不是很多，s i m o 和m i s o 技术的发展自然演化为m i m o 技术。 e t e l a t a r 口1 和j f o s h i n ib 1 分别证明了m i m o 系统与s i m o 和m i s o 系统相比，可 以取得巨大的信道容量，该信道容量突破了传统的单输入单输出信道容量的瓶 颈，是c e s h a n n o n 信道容量h 1 的推广。与目前己实现的信道容量相比，有望 提高几个数量级。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。 利用m i m o 技术不仅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。s i m o 系统是利用m i m o 信道提供的空间复用增益，m i s o 系统是利 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 ( b l a s t ，b e l ll a b sl a y e r e ds p a c e t i m ea r c h i t e c t u r e ) 算法、z f ( z f ， z e r of o r c e ) 算法、m m s e ( 删s e ，m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ) 算法、m l ( m l ，m a x i m u m l i k e li h o o dd e t e c t i o n ) 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。 目前，m i m o 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 块码、空时格码。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。因此无线m i m o 技术已经成为了无线 通信领域的一大研究热点。使用m i m o 技术的好处在于能创建多个并行的正交子 信道、能综合使用发射分集和接收分集技术、能较大的增加天线增益等等。 1 2 2m i m o 技术存在的问题 由于m i m o 系统要在无线通信系统的接收端和发射端设置多付天线进行发 射和接收，由此势必带来一些问慰引，距离m i m o 技术大规模投入商用，还有很 大的差距，目前m i m o 技术还有很多实际的问题需要解决，这些问题主要有： 3 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 ( 1 ) 天线的数量和间距： 天线的数量和各天线之间的距离是m i m o 系统设计的关键参数，目前的研究 为了简化系统的复杂性，一般会假设天线的数量比较少，而天线间距是均匀分 布的。对于实际当中的蜂窝手机用户，设置多根天线有一定的困难，因为目前 手机的设计趋势是把天线嵌入到手机当中，目的是使其外观更加具有吸引力， 这一实际要求使得天线问距要求成为一个非常严重的问题。 ( 2 ) 接收机的复杂性 与单天线接收机相比，m i m o 接收机的复杂性明显增加，具体表现在多用 户、多天线的存在，消除空间干扰的空时合并器和信号检测器的设计变得很复 杂，例如接收端和发射端分别设置4 根天线的系统复杂度比设置单根天线的系 统增加约2 倍。由于受到环境的散射影响，m i m o 系统存在着角度扩散和时延 扩展，在消除这些干扰的时候需要进行一些处理，增加了系统的复杂性。为 了更好地反馈信道状态信息，在接收端要设置信道估计模块对m i m o 信道进行估 计，增加了系统的复杂性。另外，m i m o 系统本身收端和发端的r f 链路也额 外增加了系统的复杂性和运算复杂度。对于常用的蜂窝手机接收机来说，接收 机过于复杂，不利于其电池的使用寿命。 ( 3 ) 成本过高 m i m o 系统的主要缺点就是实现复杂，同时由于多付天线的设置带来的高成 本。高成本的主要原因是m i m o 系统中射频链路产生的。例如，一个4 个发射天 线和2 个接收天线的m i m o 系统，需要完整的6 个射频链路。此外，系统中还必 须要有调制解调设备、功率放大器件等。未来的移动通信系统发展趋势除了更 加高效外，还要有廉价和便捷，而m i m o 系统的高额射频链路成本限制了m i m o 技术的发展和应用，这是目前m i m o 系统最主要的缺点之一。 j ( 4 ) m i m o 系统的信道模型 m i m o 系统的性能很大程度上取决于所处环境的多径信号的性质，特别是 上海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 m i m o 系统中多径信道之间的相关性、信道时延扩展和多径角度扩展的影响。因 此在研究m i m o 的时候，如何选取合适的信道模型，对实现更高的潜在信道容量、 取得预期的性能至关重要。现实的通信环境要求我们不但要建立起m i m o 信道的 静态模型，还要建立特定、具体的动态模型，以便对m i m o 系统更进一步的研究。 传统的无线系统传播模型已成为了标准哺1 ，而到目前为止，i t u 还没有制定出相 应的m i m o 信道模型标准，3 g p p 已制定了相关的m i m o 信道模型标准口1 。 ( 5 ) 信道状态信息( c s i ) 的获取和利用 信道状态信息( c s i ，c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 是衡量信道状态的物 理量，对m i m o 系统的研究应该考虑信道类型及信道的参数特性。如何准确地获 取信道状态信息，如何及时地把获得的信道状态信息反馈给发射机是m i m o 系统 设计中一个值得深入的研究课题。目前为了简化研究复杂度，对m i m o 系统的研 究一般假设接收端或发送端对信道状态信息完全已知，而在实际的无线系统环 境中，由于存在多径衰落、多用户干扰及各种噪声的影响，信道状态信息完全 已知是一种理想状态。因此，考虑系统中部分信道状态信息更接近实际的通信 环境，也更具有实际意义。 ( 6 ) 系统地集成和信号设计 实际的通信当中m i m o 系统需要与现有的非m i m o 通信网络集成、兼容，即 未来的m i m o 接收机应该是双模式的。因此，m i m o 的信号设计可以从特殊的无 线资源管理控制( r r c ，r a d i or e s o u r c ec o n t r 0 1 ) 消息中，获得帮助和支持。 例如：系统可以通过一定的算法知道基站或是终端的通信模式，条件允许的情 况下，通信的模式可以在m i m o 和非m i m o 两者之间转换等等。 除了上述的因素外，还有些因素会影响m i m o 系统的性能，例如：对信道 估计的错误、天线与天线之间距离设置不恰当引起的信道之间的相关性、较高 的多普勒频移带来的问题等等。m i m o 系统的这些缺点极大的限制了m i m o 在移 动通信系统中的大规模使用，尤其是成本高、复杂度大和天线间距造成的信道 相关性等问题。这是m i m o 技术推广的关键性难题，不解决这些问题，就无法使 5 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 m i m o 技术真正走向实用化。 1 3 信道状态信息概述 多输入多输出( m i m o ) 系统在不增加系统带宽和发射功率的情况下，能成倍 地提高通信系统的容量，并且能够利用多天线来抑制信道衰落。理论研究表明， 在接收天线数大于发射天线数的情况下，m i m o 系统容量随发射天线数的增加而线 性增长嘈吲。相对于传统的单输入单输出( s i s o ) 系统，m i m o 系统容量的提高是相 当可观的。但在实际测试中，理论分析结果的实现要受到很多实际状况的影响 n 羽，如发送端、接收端是否了解信道状态信息( c s l ) ，m i m o 系统信道各个支路是 否相关以及采用什么样的编码技术，这些都使理论分析的结果具体兑现起来有所 不同。因此，有必要讨论实际环境的不同，对m i m o 系统信道容量的影响。 信道状态信息( c s l ，c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 是衡量信道状态的物 理量。在m i m o 系统中进行天线选择应该考虑信道类型及信道的参数特性。简单 的对m i m o 系统的天线选择研究一般假设接收端或发送端对信道状态信息完全 已知，而在实际的无线系统环境中，由于存在多径衰落、多用户干扰及各种噪 声的影响，信道状态信息完全已知是一种理想状态。因此考虑系统中部分信道 状态信息更接近实际的通信环境，也更具有实际意义。 1 4 本文的研究内容 随着移动通信的快速发展，m i m o 技术的应用领域越发广泛，其在移动通信 发展中的重要地位与作用无可否认。然而，由于m i m o 技术本身存在的问题和缺 陷，也使对m i m o 系统的研究成为广大学者研究的热点。本文从对m i m o 技术研 究的实际意义出发，以m i m o 系统中采用多天线的天线选择技术研究为重点，同 时考虑用统计的方法对m i m o 系统的信道状态信息的建模及在此信道状态信息 条件下m i m o 系统的信道容量公式推导等研究，以求对m i m o 系统的性能进行完 善，具有十分重要的理论意义与现实意义。文章的研究主要包括以下几个方面： 6 ( 1 ) m i m o 系统的容量推导，包括对s i s o 系统、s i m o 系统、m i s o 系统和m i m o 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 系统的容量公式推导。 ( 2 ) m i m o 系统基于容量最大化的天线选择算法研究。总结了目前使用较多的 范数最大化天线选择算法、互信息量天线选择算法、快速天线选择算法、 g o r o k h o v 提出的天线选择算法。另外，在前人研究的基础上用计算机仿真比较 了改进的最大范数天线选择算法与最大天线选择算法的性能，及其他算法的性 能。考虑到实际信到的相关性，利用线性代数的原理提出了一种考虑信道相关 性的改进快速天线选择算法。计算机仿真表明，在一定条件下，改进算法性能 要优于快速天线选择算法。 ( 3 ) 在前人研究的基础上，总结了表示信道状态信息的方法。利用统计的方法， 给出了两种对信道状态信息的建模方法及在此信道状态信息条件下的信道容量 推导。针对均值反馈模型，对考虑信道状态信息条件下，m i s o 系统的容量变化 进行计算机仿真，仿真表明，随着发送端已知信道状态信息的增多，信道容量 逐渐增大，这与理论分析一致。 1 5 本文的章节安排 第一章：简要介绍了无线移动通信的发展和下一代移动通信系统的关键技 术，并总结t m i m o 技术的现状及其内在的一些问题。 第二章：首先对m i m o 系统的特点进行简单的介绍，然后分析了无线信道的 特点并给出了无线信道的模型，最后总结了m i m o 信道的模型及特点，为以下的 分析做了理论铺垫。 第三章：首先分析了m i m o 系统的容量，包括s i s o 、s i m o 、m i s o 、m i m o 四 种系统的容量公式。其次，给出了计算机仿真结果，仿真结果表明：m i t o 系统 由于在系统的收发两端设置了多根天线，因此容量性能方面要比s i s o 系统的容 量性能好。最后，总结了m i m o 系统天线选择的分类及基于容量最大化和基于最 小错误概率的天线选择算法思想。 7 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 第四章：首先，总结并分析了几种天线选择算法，包括最大范数算法、改 进的最大范数算法、互信息量算法、快速天线选择算法、考虑信道相关性的快 速天线选择算法；其次，对最大范数算法和改进的最大范数算法进行仿真比较 并分析仿真结果；第三，对各种已有的天线选择算法进行计算机仿真，比较它 们的性能并分析仿真结果；最后，对快速天线选择算法和考虑信道相关性的改 进算法进行计算机仿真，比较其性能并分析仿真结果。仿真结果表明：改进的 快速天线选择算法在某些条件下优于快速天线选择算法，其它条件下则与快速 天线算法的性能非常接近，因此具有一定的实际意义。 第五章：首先对表示信道状态信息( c s i ) 的方法进行总结，其次用统计的 方法分析了两种信道状态信息的建模方式，并给出了在此信道状态信息条件下 m i m o 系统的信道容量公式推导。同时给出了m i s o 系统中不同信道状态信息下信道 容量的仿真图，结论证明信道状态信息对无线通信系统的容量有一定的影响，在 发送端确知信道状态信息时的信道容量要比只知部分信道状态信息时的容量大， 这与理论分析一致。 8 第六章：对下一步的研究工作进行展望和总结。 上海师范大学硕士学位论文第二章m i m o 系统及其信道模型 2 1m i m o 概述 第二章m i m o 系统及其信道模型 2 1 1m i m o 系统的特点 影响无线通信系统的因素主要的有n 驯：信号衰落、码间干扰( 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 ) 和同频道干扰( c c i ，c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 。 无线信道本身所具有的多条路径容易产生信号衰落和码间干扰，而同频道干扰一 般是由使用同一信道的不同用户或系统中存在的未知干扰产生的。为了减小信号 衰落，单用户的m i m o 系统通常采用分集技术来处理，例如空间分集、时间分集、 极化分集和频率分集。为了减小无线通信系统中码间干扰造成的影响，可以采用 信道均衡技术来均衡系统中的多径信道。而为了减小共道干扰的影响，可以采用 自适应波束成形或多用户检测技术。采用阵列天线技术的m i m o 系统具有如下优 点： ( 1 ) 可以利用多径衰落或减小多径衰落的影响：m i m o 技术能够充分利用多径的各 种发射或合成技术，从而提高无线通信系统的性能。 ( 2 ) 消除共道干扰：m i m o 系统可以采用自适应波束成形技术或多用户检测技术消 除共道干扰。 ( 3 ) 提高频谱利用效率、增加发射效率、减小发射功率、减少空间电磁信号的干 扰、增大系统容量：因为采用阵列天线可以减小共道干扰及多径衰落的影响，所 以在系统具有一定的信干噪比( s i n r ，s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn o i s e r a t i o ) 时可以降低误码率。 无线通信中采用m i m o 技术能够减小共道干扰及码间干扰的影响，同时可以利 用分集技术增加接收信号的信干噪比，此时可以减小发射端和接收端的发射功 率。总之在无线通信系统中采用m i m o 技术具有减少空间电磁信号对系统影响、延 9 第二章m i m o 系统及其信道模型上海师范大学硕士学位论文 长通信设备电池的使用时间、降低通信系统对功率控制精度和器件的要求。 2 1 2 衡量m i m o 系统的性能指标 因为在不同实际的应用环境中要考虑的因素不同，所以m i m o 系统具有不同的 性能指标。一般来说衡量m i m o 系统性能的参考指标主要包括： ( 1 ) 有效性：目的是在单位带宽内尽可能提高数据的传输比特率，又称为频谱利 用率。在信道分布为高斯的条件下，频谱利用率定义为：在任意的误码率下能获 得的最高比特率。 ( 2 ) 可靠性：又称为发射的鲁棒性，可以用可靠性来衡量给定比特率下系统的通 信质量。一般来说，系统的数据传输比特率越高，则可靠性越低。 ( 3 ) 复杂度：由于在蜂窝系统中，无线链路的某一端一般是靠电池供电的，且系 统复杂度越高，功率消耗越大。因此，更为实际的设计是：把系统设计为收发两 端不对称，在电池供电的一端具有较低复杂度的方案。 上述三个指标是相互矛盾的，在设计系统时要仔细考虑，根据系统的实际需 要对包括性能、经济性和移动性在内的整体系统优化进行折衷。 2 1 3m i m o 系统的分集与复用 通过在无线通信系统的发射机和接收机上设置多根天线阵，就可以采用多种 手段来克服无线信道的负面影响，从而提高通信的质量。简单地说，m i m o 系统主 要能获得两个方面的性能增益：空间复用增益和空间分集增益。下面对这两个方 面进行概括的介绍。 首先，m i m o 系统中存在的多径衰落使通信系统具有更多可利用的自由度。若 存在于各个收发天线之间路径中的增益是相互独立的，则在这种情况下就可以把 整个空间信道建模成多个并行的空间子信道，信息在这些并行的子信道中传输， 数据传输率就会提高，这个方法叫做空间复用。衡量复用的性能指标就是系统所 1 0 上海师范大学硕士学位论文第二章m i m 0 系统及其信道模型 能提供的最大信道容量，f o s c h i n i 等提出著名的b e l l 实验室分层空时结构阳3 ( b l a s t ，b e l ll a b sl a y e r e ds p a c e t i m ea r c h i t e c t u r e ) 就是一种能够提供系统 最高信道容量的满空间复用系统。 第二，使用m i m o 系统也可以实现空间分集，空间分集是对抗信道衰落的一种 有效方式。系统通过提高分集增益来提高每一条空间子信道的可靠性，基本思想 是接收机可以得到每一路信号的衰落情形，这样可以降低每一路信号同时衰落变 形的概率。在时间上对许多独立信道中的信号作统计平均，这样可以减小信道衰 落随机性。同时，求出的信道的统计平均值可以表现信道的一些统计特性。一般 用分集增益来衡量分集的好坏，空时编码和波束成形是分集最常采用的技术。 同样，分集与复用也是相互矛盾的两种技术，因此，在采用的时候，应该充 分考虑两种技术的适用性及实际情况中更注重哪一种性能上的优势。 2 2 无线信道的信道模型 2 2 1 无线信道的特点 无线信道由发射机天线、接收机天线以及收发机之间的传输路径构成。发射 机和接收机之间的传播路径非常复杂，并且有很强的随机性，会随着时间、环境、 移动台的位置和速度的变化而变化。无线电波传播的主要方式是空间波，从发射 机发出的无线电波在传播路径上受到周围环境的影响，产生绕射、反射和透射。 电波通常在非常规、非单一的环境中传播。信道损耗也要受到多个因素的影响， 主要包括以下三类： ( 1 ) 路径传播损耗： 无线电波在传输时，信号功率随着传输距离d 的增加而减小，这一现象称为 路径损耗。路径损耗与d “成正比，其中n 为路径损耗指数，取值一般介于2 到4 之 间。 第二章m i m o 系统及其信道模型上海师范大学硕士学位论文 ( 2 ) 阴影衰落： 阴影衰落是由于电波在传输路径上受到建筑物或者突出物体等的阻挡所产 生的阴影效应而发生的电波电平损耗，阴影衰落一般服从对数正态分布，变化比 较缓慢。 ( 3 ) 多径衰落： 多径衰落是由多经传播而产生的损耗。一般服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布和莱 斯( r i c i a n ) 分布。由于多径衰落严重影响信号的传输质量，因此必须采用相关 的技术来对抗多径衰落，减小对传输信号的影响。 由于无线信道具有很大的随机性，甚至移动台的移动速度都会对信号的衰减 产生影响，因此无线信道很难分析。但是，准确分析无线信道的传输特点，可以 提高无线传输效率和质量，一般可以采用统计的方法来分析和建模无线信道。以 下我们主要讨论一下无线信道的模型及两种多径衰落的信道模型。 2 2 2 无线信道的数学模型 无线移动通信信道是一个复杂的时变信道，信道参数随时间和空间的变化而 随机变化。通常使用广义非相关散射模型对无线信道进行建模。广义平稳的非 相关散射信道可以认为是一个多径的模型，多条路径互不相关并且互相叠加。从 数学的角度分析，设一个带通信号如下： o ) 一r e s ( t ) e 7 城】 ( 2 1 ) 其中，s ( f ) 为等效低通信号，正为载频。假设信道包含条路径，则接收到的带 通信号和等效低通信号可以表示成 1 2 o ) 一r e x ( t ) e 7 地 ( 2 2 ) 上海师范人学硕+ 学位论文 第二章m i m o 系统及其信道模型 工( f ) 一岛o ) e j o t ( t ) s ( t 一勺( f ) ) + 叩o ) ( 2 3 ) 舒 式中所表示第z 条路径衰减系数；岛o ) 表示第z 条路径的相移；_ p ) 表示第z 条路 径的时延。 o , q ) 一2 见f , t 一2 形( 无+ 万h o ) ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 中，五表示第z 条路径的多普勒频移。第一项是由多普勒频移产生的相 移，而第二项是由时延产生的相移。 对于非频率选择性信道，时延的扩展相对于码元周期很小，因此有： s ( t 一( f ) ) 一5 0 ) 如果信道中有条多径存在，则接收信号可表示为一种叠加形式，即： 2 3m i m o 无线信道 ( 2 - 5 ) z o ) i s ( f ) 善n o 弦j o t ( t ) + r l ( t ) ( 2 - 6 ) 2 3 1m i m o 信道的特点及分类 m i m o 无线信道有如下特点n 4 1 ：( 1 ) 收发端天线距离较近或收发端天线散射不 充分时，导致各个天线单元之间产生相关性，因此m i m o 信道具有一定的相关性； ( 2 ) 室夕f m i m o 信道的数学表达式一般存在直流分量，它对信道的增益产生极大地 影响；( 3 ) m i m o 信道存在由针孔效应等引起的再生特性；( 4 ) 由于是多径传输，m i m o 系统一般都具有较大的时延扩展。 根据研究角度各不相同，m i m o 信道模型可有不同的分类：( 1 ) 从m i m o 信道 1 3 第二章m i m o 系统及其信道模型上海师范大学硕士学位论文 的带宽角度分，可分为窄带模型和宽带模型；( 2 ) 测量模型和散射模型。测量 模型是从实地检测的大量数据中提取某些重要的特征数据进行信道建模，如室内 模型、郊外模型等；散射模型是要建立某种模型来反映信道的一些特征，例如 j a k e s 模型、复指数基扩展模型等。( 3 ) 物理模型和非物理模型。非物理模型主 要是统计相关模型，基于信道的统计特性，用非物理参数对信道建模。物理模型 在描述信道的空间相关特性时，用相关阵来衡量信道的特征，一般假设信道的相 关阵是发射端相关阵或接收端相关阵的k r o n e c k e r 积。这种方式的优点是易于仿 真，而缺点是不能直观体现信道传输特性，信道参数依赖于带宽，天线阵列的排 列、间距，以及测量手段等。 2 3 2 信道模型 如图2 1 所示的是m i m o 系统的原理图。图中分为三个部分：收发两个线性天 线阵列及信道矩阵h 。假定发射段有肼恨天线，接收端有膨根天线。发射端天线上 的信号表示为： x o ) 一【五( f ) ，z ：o ) ，h ，o ) r ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 中，符号 7 表示矢量或矩阵的转置；毛o ) 表示的第濑发射天线上 的信号。接收端天线上的信号为： y ( f ) ；【y 。o ) ，y ：o ) ，y 。o ) 】r ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 中，y j o ) 表示第报接收天线上的信号。 上海师范大学硕士学位论文 第二章m i m o 系统及其信道模型 1 非频率选择性信道模型 图2 - 1m i m o 系统原理图 y 。o ) y ：p ) y n r ) ，( f ) 此信道模型中，信道衰落为平坦衰落，因此信道模型比较简单。由于各收发 天线间的子信道可以等效成一个瑞利衰落的子信道，因此m i m 0 信道模型中的各个 子信道可以建立为： ，p ，f ) = h j , i ( f 声p 一) ( 2 9 ) 式中，j ，坛j 爿，。信道冲击响应的模ij l l ，o ) i 服从瑞利分布，m i m 0 信道矩阵为h - ( h 川) 叱。r ，维数为虬坼，其中n x 为接收端天线的根数，n t 为 发射端天线的根数。6 p 一) 为冲击函数，为时延。则对应的m i m 0 系统模型为： yih x + z ( 2 1 0 ) 式中肋输入信号矩阵，助输出信号矩阵，动加性高斯白噪声，也是一矩阵， 其均值为零。 2 频率选择性信道模型 此时m i m 0 信道的信道矩阵可以表示成为多径相加的形式，即： 1 5 匕匕匕 第二章m i m o 系统及其信道模型上海师范大学硕士学位论文 式中，n ( o e 嘶，且 h p ) 。荟日。6 一) ( 2 - 1 1 ) 日2 耋。! j ；兰，l 。如 c 2 一- 2 ， 式中，为一个复数矩阵，它描述了在时延为巧时的收发天线阵列之间的线性变 换；j l 乞为发射端第j 根天线到接收端第根天线的复传输系数。矢量y ( f ) 和z o ) 的 关系可以表示为： 2 4 本章小结 y o ) = f h ( o x ( t f 矽f ( 2 1 3 ) 本节首先对m i m o 系统的特点进行简单的介绍，然后分析了无线信道的特点 并给出了无线信道的模型，最后总结了m i m o 信道的模型及特点，为以下的分析 做了理论铺垫。 1 6 上海师范大学硕士学位论文第三章m i m o 系统的容量分析及天线选择技术 第三章m i m o 系统的容量分析及天线选择技术 3 1m i m o 信道的容量 假定信道容量的分析模型为复数的基带线性系统，发送端有胁限天线，接收 端有坼恨天线。发射端未知信道的信道状态信息且总的发射功率为只则每根发 射天线的功率为力钟，接收天线接收到的总功率等于总的发射功率，信道中含有 加性高斯白噪声( a w g n ) ，且每根接收天线上的噪声功率为6 2 ，则每根接收天线 上的信噪比( s n r ) 为 y = p a 2 ( 3 1 ) 并且，假定发射信号的带宽足够窄，信道的频率响应可以认为是平坦的，且用 n , x y , 豹复矩阵觫表示信道矩阵，瑚第j 玩素历，表示第j 根发射天线到第根接 收天线的信道衰落系数。以下我们来分析单输入单输出( s i s o ) 、多输入单输出 ( m i s o ) 、单输入多输出( s i m o ) 多输入多输出( m i m o ) 四种情况下的信道容量 n 3 】 0 3 1 1s i s o 信道的容量 发送端和接收端都采用一根天线的通信系统称为s i s o 系统。对于确定性的 s i s o 信道，肛怍1 ，信道矩阵忙忙1 ，信噪比大小为) ，根据仙农公式，该信道 的容量可表示为 c ，l 0 9 2