（通信与信息系统专业论文）mimo系统的优化与天线选择算法的研究.pdf

f ， ； t | 一 1 ，一一 气 - i 一 ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fd o c t o ri nc o m m u n i c a t i o na n d i n f o r m a t i o n s y s t e m r e s e a r c ho na n t e n n as e l e c t i o na n d o p t i m a l a l g o r i t h mf o rm i m o s y s t e m 5 b yx i ez h i b i n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gj i n k u a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y n o v e m b e r2 0 0 8 ， 弋 fi，0r， t*r- ，一 、哼 审 ， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。 论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其 他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他 学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：解乏专尤 e l 期：加。占) 2 2 0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、 使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同 意东北大学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、交流。 意网上交流的时间为作者获得学位后： 一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：舷。斌 签字日期： 乙o8 f2 加 导师签名：庙季彩 签字日期：助矽，o 知 。 k、 ， j r ll i一卜卜八个r ，、 k l l卜卜il一 j i _ | tll-一 j-lj，jjl-_lj 善， ， v a 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。 论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其 他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他 学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：解乏专尤 日 期：加。占) 2 2 0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、 使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同 意东北大学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、交流。 意网上交流的时间为作者获得学位后： 一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：嗽试 签字日期： 乙o8 f2 加 导师签名：庙季彩 签字日期：。瑚矽，庙知 - o 一0、爷了 、，l_-i_1 i；、l一 、占 ，f。i i 、 t ? i i q j 章“ 、 东北大学博士学位论文 摘要 m i m o 系统的优化与天线选择算法的研究 摘要 快速发展的无线通信己成为信息产业中最为耀眼的亮点，并成为推动社会经济发展 的强劲动力。但无线通信的迅速发展使有限的频谱资源与不断增加的系统容量需求之间 的矛盾越来越突出。结合空时处理的多输入多输出( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ，m i m o ) 技术 的出现，为解决该矛盾提供了新途径。m i m o 无线通信系统因为在容量和频谱利用率方 面的卓越性能，成为未来无线通信系统的发展方向。 本文分析了影响m i m o 系统实际应用中系统容量、传输速率和传输可靠性的因素， 深入研究了一系列相关理论和关键技术。特别是在空间复用m i m o 系统中的天线选择 技术，闭环m i m o 系统的分集与复用折衷优化问题，多用户m i m o 系统预编码方法和 相关优化设计问题等方面做了详细研究。 基于误码率准则的天线选择技术可以有效的提高空分复用系统的传输性能，降低系 统成本，但由于实时性问题使其实用性变差。本文提出了基于误码率准则的次优天线选 择算法。该算法利用系统误码率、线性接收机输出信噪比与信道矩阵之间的函数关系对 系统误码率上边界进行近似，进而选择较优的天线子集，达到改善系统传输性能的目的。 为了降低计算复杂度，推导出了复域递推h o u s e h o l d e r 变换方法，在此基础上给出了快 速的天线选择算法。与传统算法相比，该算法降低了计算量的同时提高了系统的传输可 靠性，改善了空分复用系统的性能，可以很好的满足系统实时性、快速性的要求，在相 关信道传播环境中也可获得可靠的传输性能和较好的系统容量。 针对空分复用多用户m i m o 系统利用发送选择分集算法系统成本过高，不易于实 现的问题，提出了一种适用于多用户m i m o 系统下行链路的联合天线选择算法。通过 对多用户系统基站发送端和用户接收端传输错误概率的分析，得到以系统误码率最小化 为目标的选择准则。该算法可以获得较好的误码率性能，有效的降低了多用户系统复杂 度，在系统性能和硬件成本间取得了较好的折衷。 提出一种闭环多天线系统的分集复用判决切换算法。该算法以误码率为准则，在发 送端根据反馈信息采用不同工作方式来满足系统的要求，充分利用分集复用增益，使得 可切换m i m o 系统的传输速率和可靠性得到很大程度上的改善。采用低复杂度的判决 准则，推导得到一种分集复用模式快速切换算法对系统分集复用模式进行选择，达到充 分利用多天线系统分集与复用利益的目的。与现存算法相比，本文给出的算法可以更好 地利用系统的瞬时分集增益，大大降低了计算复杂度，很好地满足了多天线通信系统对 一i i 一 东北大学博士学位论文摘要 实时性和快速性的要求。 以系统可靠性和传输速率为目标，提出了基于自适应码率、功率分配技术的多天线 系统分集复用折衷算法和快速折衷算法。该算法在链路级采用自适应的码率和功率分配 方案，根据信道实时状态信息选择多天线系统工作方式，充分利用系统分集复用增益的 同时具有较好的抗扰动性能和较低的计算复杂度，适于实际的通信环境。 在以基站为中心的下行多用户m i m o 通信系统中，其传输的关键在于如何有效的 消除多用户干扰，使移动台获得良好的传输性能。为满足这一性能要求，在单天线多用 户波束形成的基础上，提出了一种多天线多用户的预编码算法和发送端性能优化预处理 算法。该算法利用下行广播信道多用户信道矩阵分块的方法构造干扰用户零空间，进行 多用户干扰消除，充分利用多用户m i m o 系统性能。与以往线性预编码算法相比，所 提算法可以获得较好的误码率性能，且具有较低的计算量，满足了无线通信系统实时性、 快速性的要求。 考虑到空分复用多用户m i m o 系统用户间缺乏协作以及消除多用户干扰后残存误 差对传统线性接收机检测性能的影响，本文利用每个用户的自身信道对多用户系统用户 端信道进行扩展重构，基于扩展后的信道对多用户系统用户接收机进行优化均衡。减少 了多用户干扰消除后的残差和信道估计误差的影响，有效地改善了多用户m i m o 系统 接收机性能，具有较好的鲁棒性且易于实现。 给出了一种迭代的多用户m i m o 系统用户选择算法，避免了用户信道矩阵直接求 逆，减少了计算量。不仅可以获得较好的系统容量，具有较低的计算复杂度，而且对于 实际的多用户m i m o 通信系统具有较强的适用性。 关键词：m i m o ；天线选择；分集；空间复用；多用户m i m o 系统；预编码；用户选择 一i i i 一 j ，l霰愧。l一； tlj 时善 、 ，“ 1 气 、o h 1 ， r e s e a r c ho na n t e n n ase l e c t i o na n do p t i m a l a l g o r i t h m f o rm i m o s y s t e m a b s t r a c t t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti n s o c i o e c o n o m i ca n dd a i l yl i f e ，a n dt h eu s e r sa l s op u th i g h e rd e m a n d so nq u a l i t yo fs e r v i c eo f c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s b u tl i m i t e ds p e c t r a lh a sb e e no b s t a c l eo ft h ed e v e l o p m e n to f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h em u l t i - i n p u tm u l t i - o u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g yi sa ne f f i c i e n t s c h e m et oo v e r c o m et h ep r o b l e m b e c a u s eo fi t se x c e l l e n tc a p a c i t ya n ds p e c t r a le f f i c i e n c y , 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 m o ) s y s t e m h a sb e c o m et h ed i r e c t i o no ff u t u r e d e v e l o p m e n to f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i nt h i st h e s i s ，w ea n a l y z et h ef a c t o r st h a tm a ya f f e c tt h ec a p a c i t y , r a t ea n dr e l i a b i l i t yo f m i m o s y s t e mi np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，a n di n t r o d u c et h er e l a t e dt h e o r y a n dk e yt e c h n o l o g i e s a tt h es a m et i m e ，w em a k ed e t a i l e ds t u d yo nt h ea n t e n n as e l e c t i o nt e c h n o l o g y , t h e d i v e r s i t y m u l t i p l e x i n g t r a d e o f fa n dt h ep r e c o d i n ga n dc o r r e l a t e d o p t i m a l s c h e m e so f m u l t i - u s e rm i m o ( m u m i m o ) s y s t e m a n t e n n as e l e c t i o nt e c h n o l o g yw h i c hi sb a s e do nb i te r r o rr a t e ( b e r ) c r i t e r i o nc a n i m p r o v et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo fs p a t i a lm u l t i p l e x i n gs y s t e ma n dr e d u c et h es y s t e m c o s t t h er e a l t i m ea n dr a p i d i t yo fa l g o r i t h mi sv e r yi m p o r t a n t t h e r e f o r e ，w ep r o p o s eas u b o p t ：i m a l a n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nb e r u t i l i z i n gt h ea p p r o x i m a t ee q u i v a l e n tr e l a t i o no f b e r ，p o s t - p r o c e s s i n gs i g n a l t o n o i s er a t i o ( s n r ) a n dc h a n n e lm a t r i x ，w ec a l lg e tt h ea n t e n n a s u b s e tt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m f o rr e d u c i n gt h ec o s to fc o m p u t a t i o n ，w eg i v e o u taf a s ta n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nac o m p l e xr e c u r s i v eh o u s e h o l d e rq r f a c t o r i z a t i o n t h ep r o p o s e da l g o r i t h mh a sl o w e rc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yt h a nt r a d i t i o n a l s u b o p t i m a la l g o r i t h m t h e r e f o r e ，i tm e e t st h er e a l - t i m ea n df a s tr e q u i r e m e n to fs y s t e m m o r e o v e r ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mp r o v i d e sg o o dr e l i a b i l i t y a n d e n j o y ss i g n i f i c a n t p e r f o r m a n c e n om a t t e rc o r r e l a t e dc h a n n e lo ru n c o r r e l a t e d t h em u m i m os p a t i a lm u l t i p l e x i n gs y s t e mc a ng e tg o o dd i v e r s i t yg a i nw i t ht r a n s m i t t i n g s e l e c t i o nd i v e r s i t y b u ti tm a k e st h eh a r d w a r ec o s tt o oh i g h f o rr e d u c i n gt h eh a r d w a r ec o s t ， w eg i v eo u taj o i n ta n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h mb a s e do ne r r o rr a t e t h ep r o p o s e da n t e n n a s e l e c t i o na l g o r i t h mc a na c h i e v es i m i l a re r r o rr a t ep r o b a b i l i t ya st h ep r e p r o c e s s i n go p t i m a l m e t h o d ，a n dg e ts a t i s f a c t o r yt r a d e o f fb e t w e e nt h ep e r f o r m a n c ea n dh a r d w a r ec o s t t h i st h e s i sp r o p o s e sas w i t c h e dd e c i s i o na l g o r i t h mb a s e do nc l o s e dl o o pm i m os y s t e m t h ep r o p o s e da l g o r i t h ma d o p t st h eb e t t e rm o d ea c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o no ff e e d b a c k ，g e t s t v 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t o p t i m a lt r a d e o f fo ft h et w og a i n s ，a n di m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m a tt h es a m et i m e ， af a s td i v e r s i t y m u l t i p l e x i n gs w i t c h i n ga l g o r i t h mi s p r o p o s e di nt h i st h e s i s t h ep r o p o s e d a l g o r i t h mc a ng e tt h ei n s t a n t a n e o u sd i v e r s i t yg a i nb yal o wc o m p l e x i t yj u d g m e n tc r i t e r i o n c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a la l g o r i t h m ，t h e p r o p o s e da l g o r i t h mh a s m u c hl o w e r c o m p u t a t i o n a lc o s ta n di ss u i t a b l ef o rr e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a i m i n ga tt h er e l i a b i l i t ya n dd a t ar a t eo fs y s t e m ，an o v e lv i e w p o i n to fd i v e r s i t ya n d m u l t i p l e x i n g s w i t c h i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e db a s e do na d a p t i v el i n kt e c h n i q u e ，a n dal o w c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yt r a d e o f fa l g o r i t h mi sg i v eo u t b a s e do nb i te r r o rr a t e ，t h ep r o p o s e d s c h e m ea c h i e v e sa d a p t i v eb i ta n dp o w e ra l l o c a t i o n a c c o r d i n gt o r e a l t i m ec h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n ( c s i ) ，a n dt h es y s t e mm o d ei sd y n a m i c a l l ya d j u s t e db a s e do nl i m i t e df e e d b a c k b i t sf r o mr e c e i v e r t h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a no b t a i nt h ed i v e r s i t ya n dm u l t i p l e x i n gg a i n s s i m u l t a n e o u s l y , h a sl o wc o s ta n dg o o dr o b u s t n e s s t h ep r o c e s s i n gi sm o r ec h a l l e n g i n gd u et ot h el a c ko fc o o r d i n a t i o na m o n gt h eu s e r si na d o w n l i n km u m i m os y s t e mw h e r eab a s es t a t i o n ( b s ) t r a n s m i t st od i f f e r e n t u s e r s s i m u l t a n e o u s l ya n di nt h es a m ef r e q u e n c yb a n d t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h i st h e s i sp r o p o s e sa l l e f f e c t i v ep r e c o d i n ga l g o r i t h ma n dp r e p r o c e s s i n gs c h e m ew h i c hh a sl o wc o m p l e x i t y t h e p r o p o s e da l g o r i t h mc a nc a n c e lt h em u l t i u s e ri n t e r f e r e n c e ( m u i ) a n dm a k ef u l lu s eo ft h e s p e c t r a lo fm u m i m os y s t e m c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp r e c o d i n ga l g o r i t h m ，t h e p r o p o s e da l g o r i t h mc a ng e tt h es i m i l a rb e r ，h a sl o w e rc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , a n dm e e t s t h er e q u i r e m e n to fr e a l - t i m ea n dr a p i d i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw e l l c o n s i d e r i n gt h el a c ko fc o o r d i n a t i o na m o n gt h eu s e r sa n dt h ei n f l u e n c eo fr e s i d u a le r r o r , w ep r o p o s eac o m p u t a t i o n a l l ye f f i c i e n tm a t c hf i l t e ra l g o r i t h m sf o rm u - m i m o s y s t e m t h i s a l g o r i t h me x t e n d st h ec h a n n e lm a t r i xo fz ft ot h em m s es o l u t i o nt om i n i m i z et h em e a n s q u a r ee r r o r ( m s e ) t h e r e b ya c h i e v e sg o o dp e r f o r m a n c ew i t hr e d u c e dc o m p l e x i t y i np r e v i o u sw o r k s ，t h em u l t i - u s e rs p a t i a lm u l t i p l e x i n gs y s t e mh a sn o s p e c i a ls t r a t e g i e sf o r t h ec o m p u t a t i o n a lc o s ta n dw o r s tc h a n n e l - c a s eu s e r i no r d e rt oo v e r c o m et h es h o r t a g e s ，w e p r o p o s eas u b o p t i m a li t e r a t i v eu s e rs e l e c t i o nm e t h o df o rt h em u m i m os y s t e m t h e p r o p o s e da l g o r i t h ma c h i e v e sg o o ds l i mc a p a c i t yp e r f o r m a n c e ，h a sl o w e rc o m p l e x i t yb e c a u s e o fa v o i d i n gt o c a l c u l a t i n g t h ei n v e r s eo fu s e r s c h a n n e l s ，a n di ss u i t a b l ef o r p r a c t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：m i m o ；a n t e n n as e l e c t i o n ；d i v e r s i t y ；s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ；m u m i m os y s t e m ； p r e c o d i n g ；u s e rs e l e c t i o n v 一 童 、零 ，j 叶多 东北大学博士学位论文 目录 。 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i v 第1 章绪论1 1 1 移动通信系统的发展1 1 2m i m o 系统的发展及研究现状2 1 3m i m o 系统主要研究热点4 1 4 本文的主要工作和内容安排5 第2 章m i m o 系统理论基础。8 2 1m i m o 系统信道模型及容量8 2 1 1 无线信道基本物理特性8 2 1 2m i m o 系统信道模型9 2 1 3m i m o 系统信道容量1 5 2 2m i m o 系统的分集与复用1 9 2 2 1 空间复用技术2 0 2 2 2 分集技术2 0 2 2 3 分集复用折衷2 1 2 3 天线选择技术2 5 2 3 1 容量最大化天线子集选择2 5 2 3 2 误码率最小化天线子集选择2 7 2 4 多用户m i m o 系统主要技术2 9 2 4 1 多用户m i m o 系统容量2 9 2 4 2 多用户m i m o 系统预编码3 1 2 4 3 多用户m i m o 系统调度3 5 2 5 本章小结3 5 第3 章适用于空间复用m i m o 系统的天线选择算法。3 6 3 1 基于系统最小误码率的h q r 天线选择算法3 6 3 1 1 系统模型3 6 3 1 2 天线子集选择准则3 7 3 1 3 基于误码率的h q r 天线选择算法3 8 3 1 4 性能分析4 1 一v i 一 p 4 。0r，一，。i 、吖l v 东北大学博士学位论文目录 3 1 5 仿真实验及结果分析4 1 3 2m i m o 系统r h o r 快速天线选择算法4 4 3 2 1 递推h o u s e h o l d e r 变换4 5 3 2 2m i m o 系统r h q r 快速天线选择算法4 5 3 2 3 性能分析4 7 3 2 4 仿真实验及结果分析4 9 3 3 多用户m i m o 系统联合天线选择算法5 3 3 3 1 多用户m i m o 系统发送选择分集5 3 3 3 2 多用户m i m o 系统联合天线选择算法5 4 3 3 3 性能分析5 7 3 3 4 仿真实验及结果分析_ 5 8 3 4 本章小结6 1 第4 章闭环m i m o 系统下的分集复用折衷算法6 2 4 1 基于反馈的m i m o 系统分集复用折衷判决算法6 2 4 i 1 信号模型6 2 墨4 1 2 传统m i m o 系统分集复用切换算法6 3 4 1 3 基于反馈的m i m o 系统分集复用折衷判决算法。6 5 4 1 4 性能分析6 7 毫4 1 5 仿真实验及结果分析6 9 4 2 低复杂度m i m o 系统分集复用折衷判决算法7 3 4 2 1 判决准则近似等价关系7 3 4 2 2 低复杂度m i m o 系统分集复用折衷判决算法7 4 4 2 3 仿真实验及结果分析7 5 4 3 基于自适应链路技术的分集复用折衷判决算法7 8 4 3 1m i m o 系统分集复用多模式选择7 8 4 3 2 基于链路自适应技术的分集复用折衷判决算法7 9 4 3 3 复杂度分析8 2 4 3 4 仿真实验及结果分析8 3 4 4 本章小结8 6 第5 章多用户m i m o 系统预编码及优化算法8 7 5 1 多用户m i m o 系统预编码算法8 7 5 1 1 多用户m i m o 系统模型8 7 5 1 2 线性块对角化预编码方法8 8 5 1 3 多用户m i m o 系统预编码及预处理优化算法8 9 5 1 4 性能分析9 1 一v i i l j 1kp毒 0、罡o i i 1 东北大学博士学位论文目录 5 1 5 仿真实验及结果分析，9 2 5 2 基于m m s e 的多用户m i m o 系统检测算法9 5 5 2 1 传统算法描述9 6 5 2 2 基于m m s e 的多用户m i m o 系统检测算法：9 7 5 2 3 信道估计误差影响分析9 9 5 2 4 仿真实验及结果分析1 0 0 5 3 多用户m i m o 系统用户选择算法1 0 3 5 3 1 多用户m i m o 系统用户选择算法1 0 4 5 3 2 复杂度分析1 0 8 5 3 3 仿真实验及结果分析1 0 8 5 4 本章小结。11 0 第6 章结论11 2 参考文献11 4 j l 炙谢1 2 3 攻读博士期间发表的论文1 2 4 个人简历、科研项目和学术活动1 2 7 一v i i i ： l ； ? k，1、s ；毒 l。l 、 ， l 0 东北大学博士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 移动通信系统的发展 移动通信【l 】无疑是当今通信系统中研究最为活跃、发展最为迅速的领域之一，也是 2 1 世纪对人类的生活和社会发展有重大影响的科学技术领域之一。移动通信不但集中了 无线通信和有线通信的最新技术成就，而且集中了网络和计算机技术的许多成果。自2 0 世纪8 0 年代以来，全球范围内无线移动通信得到了前所未有的发展，全球移动通信用 户迅速增加，他们对移动通信的质量及内容也有了越来越高的要求。这种需求从最初简 单的收发电子邮件，到进行网络浏览、获取多媒体信息以及其他多种服务。因此，结合 无线通信、计算机和因特网，能为广大用户提供更丰富的业务种类、更广泛的覆盖范围 以及更加快捷的接入方式，这是未来通信系统所必须具备的能力，也是未来通信技术和 业务发展的一大趋势。 按照移动通信系统所能提供的业务量可以将其分成若干发展阶段。以频分多址 ( f d m a ) 技术为基础的第一代( 1 g ) 移动通信系统形成于2 0 世纪8 0 年代，系统采用模拟 制式为信号传输手段，只支持话音业务。这一阶段的主要特点是蜂窝移动通信网成为实 用系统，并在世界各地迅速发展起来。在短短的几年时间内，模拟蜂窝系统就面临着阻 塞率增高、呼叫中断率增高、蜂窝系统的干扰增大、蜂窝系统迫切需要增容的压力。但 由于模拟蜂窝系统本身的缺陷，系统的设计容量远远不能满足需求。 以时分多址( t d m a ) 技术为基础的第二代( 2 g ) 移动通信系统形成于2 0 世纪9 0 年代 初期，第二代移动通信系统完成了从模拟系统到数字系统的转变，其中包括g s m 系统， d - a m p s 系统，和i s 9 5 c d m a 系统等。这一阶段的系统除了提供话音业务外，还能提 供电传和低速数据传输等多项数字通信业务。但随着人们对通信业务范围和业务速率要 求的不断提高，现有的第二代移动通信网将难以满足新的业务需求，因此人们正在发展 第三代( 3 g ) 移动通信系统。 第三代移动通信系统【2 i 需要有更大的系统容量和更灵活的高速率、多速率数据传输 能力，除了话音和数据传输外，还能传送高达2 m b p s 的高质量的活动图像。第三代移动 通信系统i m t - 2 0 0 0 包括了地面移动通信系统和卫星移动通信系统两个部分，将要达到 的理想目标是：提供全球陆海空三维的无缝覆盖，支持全球漫游业务；提供多种话音与 各种多媒体数据业务；足够的系统容量，强大的多种用户管理能力，高保密性和服务质 量。 但由于3 g 系统的核心网还没有完全脱离第二代通信系统的核心网结构，所以普遍 认为3 g 系统仅仅是一个从窄带向未来移动通信系统过渡的阶段。于是超三代第四代 一1 一 东北大学博士学位论文第1 章绪论 ( b e y o n d3 g 4 t hg e n e r a t i o n ， b 3 g 4 g ) 的构想引起了研究者的关注【3 】- 【6 1 。 超三代第四代移动通信系统应能满足以下要求：支持全i p 高速分组数据传输，数 据速率为数十兆b p s 甚至百兆b p s 支持高的终端移动性，移动速度可高达每小时几百 公里；支持高的传输质量，数据业务的误码率低于1 0 - 6 ；提供高的频谱利用率，每赫兹 数比特以上：提高的功率效率，发射功率可降低1 0 d b 以上；有效的支持在用户数据速 率、用户容量、服务质量和移动速度等方面大动态范围的变化。 国际电信联盟( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，i t u ) 目前已开始研究制定第 四代系统标准，把移动通信系统同其他系统( 如无限局域网) 结合起来，产生第四代技术， 2 0 1 0 年前使数据传输速率达到1 0 0 m b i t s ，提供更有效的多种业务，实现商业无线网络、 局域网、蓝牙、广播、电视卫星通信等的无缝衔接并相互兼容。目前许多经济发达国家 都在积极进行第四代移动通信技术规格的研究制定，以期在将来的全球第四代移动通信 的标准制定中发挥主导作用。我国也将超三代第四代的研究作为战略研究重点领域之 一，称为f u t u r e ( f u t u r et e c h n o l o g i e sf o ru n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t ) 计划【7 】o 1 2m i m o 系统的发展及研究现状 在上世纪九十年代，由b e l l 实验室的t e l a t a r 与f o s c h i n i 等分别独立提出的m i m o ( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ) 概念，通过构造一个本身容量很大的信道来提高数据传输效率 8 1 1 9 。这样，即使采用较简便的方法，也能获得可靠有效的传输。m i m o 技术是无线移 动通信领域的重大突破，它利用空间中增加的传输信道，在发送端和接收端采用多天线 ( 或天线阵列) 同时发送信号。由于各发射天线同时发送的信号占用同一个频带，所以 并未增加带宽，因此能够成倍的提高系统的容量和频谱利用率【l o 】。【。m i m o 技术对提 高无线通信系统的容量和可靠性具有至关重要的作用，其发送端和接收端之间的无线信 道由传统的单输入单输出( s i n g l e i n u ts i n g l e - o u t p u t ，s l s o ) 转变成多输入多输出( m i m o ) ，