（通信与信息系统专业论文）未来移动通信系统中天线选择技术的研究.pdf

摘要 天线选择技术在获得多天线性能增益的同时又能降低系统的复杂度和成本，从而受到广泛 关注。这也是本论文的研究内容。 本论文研究反馈差错对正交空时编码的发送天线选择系统的影响。提出一种近似计算的方 法推导正交空时编码的发送天线选择系统的符号差错概率表达式，进一步得到了反馈存在差错 下，正交空时编码的发送天线选择系统的符号差错概率表达式。分析表明，高信噪比时该差错 概率表达式所得到的结果与实际非常吻合。 本文研究了多用户分集和接收天线选择联合系统的容量。文中首先利用等效单用户系统分 析法推导了该系统的等效单用户容量界，并分析了等效单用户系统分析法的局限性，即当用户 数较大时，等效单用户容量界和实际容量存在较大的偏差。然后本文推导了m u d r a s 另一个 容量上界多用户最大天线矩容量界的表达式。仿真表明，当用户数较小时，等效单用户容 量界比多用户最大天线矩容量界更接近系统的实际容量。而当用户数较大时，多用户最大天线 矩容量界比等效单用户容量界更接近系统的实际容量。 本文针对空时复用的天线选择系统提出了基于追零判决反馈接收机( z f d f d ) 的自适应链 路算法。该算法可以在接收机简单的情况下实现与基于迫零连续干扰抵消( z f s i c ) 接收机链 路自适应算法相同的性能。并且本文提出了一种基于类m m s e - d f d 链路自适应算法来克服迫零 算法的缺点。分析表明该算法对系统性能有很大提高。本文还研究和比较了等符号功率和等比 特功率的两种简化z f d f d 链路自适应算法。 关键词：天线选择，空时编码，多用户分集，链路自适应 a b s t r a c t 可瓣t h e s i s o e g s e so nt h et e c h n o l o g yo fa n t e n r ms e l e c t i o n , w h i c hd r a w nc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o ni n r e c e n ty e a r sa sam e a u $ f o rg e t t i n gm i m os y s t e mg a i nw i t hl o wc o m p l e x i t ya n dl o wc o s l t h et h e s i ss t u d i e st h ee f f e c to ft h ef e e d b a c ke r r o ro nt h es y s t e mo fc o m b i n e do r t h o g o n a ls p a c e t i m i n gb l o c kc o d ew i t ht r a n s m i ta n t e n n as e l e c t i o n ( o s t b c - t a s ) a na s y m p t o t i cm e t h o di sp r e s e n t e dt o d e d u c et h es y m b o le f f o rp r o b a b i l i t y ( s e p ) o fo s t b c - t a sw i t hf e e d b a c ke r r o r t h i sm e t h o dc a nb e a p p l i c a b l ef o ra r b i t r a r yt a sw i t ho r t h o g o n a ls p a c et i m eb l o c kc o d er o s t b c ) s c h e m e i ti sv e r i f i e db y s i m u l a t i o nt h a tt h ea s y m p t o t i cs e pp r e s e n t e di nt h i sp a p e rm a t c h e st h et h e o r e t i c a ls e pv e r yw e l la th i g h s n r t h ec a p a c i t yo ft h es y s t e mc o m b i n e dm u l t i - u s e rd i v e r s i t ya n dr e c e i v ea n t e n n as e l e c t i o n ( m u d r a s ) i sa n a l y z e d f i r s t l y ，w eo b t a i nt h ee q u i v a l e n t - s i n g l e u s e rc a p a c i t yb o u n do f t h em u d - r a ss y s t e m b ym e a u so ft h ee q u i v a l e n t - s i n g l e u s e ra n a l y s i s a n dt h es h o r t c o m i n go ft h ee q u i v a l e n t - s i n # e - i i $ e r a n a l y s i si sa l s os t u d i e d ，t h a tt h ee q u i v a l e n t - s i n g l e - u s e rc a p a c i t yb o u n dw i l lh a v eab i gd e v i a t i o nf r o mt h e c a p a c i t yo f m u d r a s t h en u m b e ro f u s e r si si n c r e a s i n g s e c o n d l y ，as e c o n du p p e rc a p a c i t yb o u n d ， t h em u l t i - u s e rm a x - a n t e n n a - n o r mc a p a c i t yb o u n d ，i sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s a tt h ee n d ，i ti sc o n c l u d e d b ys i m u l a t i o nt h a t ，w h e nt h es y s t e mw i m m o r eu s e l d ，t h em u l t i - u s e rm a x - a n t e n n a - n o r mc a p a c i t yb o u n d i sc l o s e rt ot h ec a p a c i 哆o f m u d - r a st h a nt h ee q u i v a l e n t - s i n g l e u s e ri sa n dv i c ev e r s a al i n ka d a p t i v ea l g o r i t h mb a s e do nt h ez e r o - f o r c i n gd e c i s i o nf e e d b a c kd e t e c t o r ( z f d f d ) i s p r e s e n t e df o rt h es y s t e mo fs p a c em u l t i p l e x t h ea i g o d t h r nc a l lr e a c ht h ep e r f o r m a n c eo ft h el i n k a d a p t i v ea l g o r i t h mb a s e do nz g r o f o r c i n gs u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( z f - s i c ) w i ml o w r e c e i v e rc o m p l e x i t y a ni m p r o v e dm m s e - d f d - l i k ea l g o r i t h mi sa l s op r e s e n t e dt oo v e r c o n l et h e s h o r t c o m i n go fz e r o f o r c i n gs c h e m e i tc a nb es h o w e dt h em m s e d f d - l i k ea l g o r i t h mc a ng r e a t l y i m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e t w os i m p l i f i e dl i n ka d a p t i v ea l g o r i t h mb a s e do nz f - d f d ，w i t h d i f f e r e n tp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m ea r ea l s os t u d i e di nt h et h e s i s t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h et w o s i m p l i f i e da l g o r i t h m si sa l s op r e s e n t e di nt h et h e s i s k e yw o r 出：a n t e n n as e l e c t i o n ，s p a c et i m i n gc o d e ，m u l t i u s e rd i v e r s i t y , l i n ka d a p t i v e 图表目录 图1 - 1 天线选择系统的示意图1 4 图2 - 1 多天线系统的示意图2 l 图2 - 2 本文采用的调制方式2 5 图2 3 单用户系统的天线选择系统模型2 7 图2 ，4 联合多用户分集的天线选择系统2 8 图3 - 1o s t b c t a s w i t hf e e d b a c k e r r o r 的系统模型3 1 图3 - 2 发送端可选天线数l t 为3 的t a s 的b p s ks e p 4 1 图3 - 3 发送端可选天线数l t 为4 的t a s 的b p s ks e p 4 1 图3 - 4 发送端可选天线数l t 为5 的t a s 的b p s ks e p 4 2 图3 - 5 发送端可选天线数l t 为6 的t a s 的b p s ks e p 4 2 图3 - 6 发送端可选天线数l t 为3 的t a s 的q p s r zs e p 4 3 图3 7 发送端可选天线数l t 为4 的t a s 的q p s ks e p 4 3 图3 - 8 发送端可选天线数l t 为5 的t a s 的q p s ks e p 4 4 图3 - 9 发送端可选天线数l t 为6 的t a s 的q p s k s e p 4 4 图3 1 0 发送端可选天线数l t 为3 的t a s 的1 6 q a ms e p 4 5 图3 1 1 发送端可选天线数l t 为4 的t a s 的1 6 q a ms e p 4 5 图3 1 2 发送端可选天线数l t 为5 的t a s 的1 6 q a ms e p 4 6 图3 1 3 发送端可选天线数l t 为6 的t a s 的1 6 q a ms e p 4 6 图4 1 多用户分集和天线选择联合( m u d a s ) 系统框图5 0 图4 2m u d r a s 系统容量，m = 2 ，i , - - 3 ，n = 2 ，s n r = 5 d b 一5 6 图4 - 3 m u d r a s 系统容量，m = 2 ，1 , - - 3 ，n = 2 ，s n r = 1 0 d b 5 6 图4 - 4 m u d r a s 系统容量，m - 2 ，l = 3 ，n = 2 ，s n r = 1 5 d b 5 6 图4 - 5 m u d r a s 系统容量，m _ 2 ，l = 3 ，n = 2 ，s n r = 2 0 d b 5 6 图4 - 6 m u d r a s 系统容量，m = 2 ，l - - 4 ，n = 2 ，s n r = 5 d b 5 7 中国科学技术大学博士学位论文 未来移动通信系统中天线选择技术的研究 图4 - 7 m u d r a s 系统容量，m - 2 ，l - 4 ，n = 2 ，s n r = 1 0 d b 5 7 图4 8 m i d r a s 系统容量，m = 2 ，l = 4 ，n = 2 ，s n r = 1 5 d b 5 7 图4 - 9 m u d r a s 系统容量，m = 2 ，l = 4 ，n = 2 ，s n r = 2 0 d b 5 7 图4 - 1 0 m u d r a s 系统容量，m = 2 ，l = 5 ，n = 2 ，s n k = 5 d b 5 8 图4 1 1 m i 肋r a s 系统容量，m = 2 ，l = 5 ，n = 2 ，s n r = 1 0 d b 5 8 图4 1 2 m u d r a s 系统容量，m = 2 ，l = 5 ，n = 2 ，s n r = 1 5 d b 5 8 图4 - 1 3 m u d r a s 系统容量，m - 2 ，l = 5 ，n = 2 ，s n r = 2 0 d b 5 8 图5 1 链路自适应的发送天线选择系统模型6 1 图5 2 基于d f d 链路自适应算法与其他算法b e r 比较，4 * 4 m i m o ，瓦“= 1 2 7 9 图5 - 3 基于d f d 链路自适应算法与其他算法b e r 比较，6 * 6 m i m o ，吃“= 1 2 7 9 图5 - 4 基于d f d 链路自适应算法与其他算法b e r 比较，6 6 m i m o ，瓦= 1 6 8 0 图5 5 简化的d f d 链路自适应算法比较，4 * 4 m i m o ，占二，= 8 8 l 图5 - 6 简化的d f d 链路自适应算法比较，4 * 4 m i m o ，占二，= 1 2 8 1 图5 。7 简化的d f d 链路自适应算法比较，6 * 6 m i m o ，四k ，= 1 2 8 2 图5 8 简化的d f d 链路自适应算法比较，6 * 6 m i m o ，既- - 1 6 8 2 表3 - 1 不同调制方式k 的取值3 9 表5 - i 仿真中v b l a s t 的配置方式7 7 表5 - 24 * 4 m i m o 速率分配表7 8 表5 - 36 * 6 m i m o 速率分配表7 8 第v i i i 页共1 0 3 页 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：盟作者签名：巡、尸阀 2 l ，母1 年5 只j 日 第1 章绪论 要点：本章将简单介绍天线选择技术的发展背景，研究现状厦研究方向，并基于这些介绍提出本文垂研 究的内容和组织蛄构 1 1 移动通信系统的发展历史和演进 自从1 8 9 7 年意大利人马克尼第一次在一个基站与一只拖船之间实现了距离长达1 8 英里的 无线电消息传输以来，不受时间和地域限制、向任何人都能提供高效优质的通信服务一直是移 动通信技术领域所追求的目标。一个多世纪以来，尤其近2 0 多年来，移动通信领域取得了一系 列的重大的进展，深刻改变了人们的生活、工作、思维方式，并进一步推动了社会向前快速发 展。 第二次世界大战中，无线电台的广泛应用使得移动通信迈出了第一步。到2 0 世纪7 0 年 代，美国的贝尔实验室首次提出蜂窝的概念，解决了频率复用的问题。而8 0 年的大规模集成电 路技术及计算机技术的飞速发展，使得移动通信系统的小型化成为可能。7 0 年代末的a m p s 作 为第一个具有现代意义的、能大规模上用的移动通信系统在美国建立起来，并且取得了巨大的 成功。此后，欧洲和日本相继开发出t a c s 、n m t 、n 丌这些自己的蜂窝移动通信系统。这些 通信系统被统称为第一代移动通信系统( i g ) 。其特点为：窄带系统、模拟调制、f d m a ， 随着技术的发展，i g 系统的众多缺点逐渐暴露出来。比如保密性差，频谱利用率低、制式 混乱等。发展了l o 多年的1 g 系统终于在2 0 世纪9 0 年被第二代( 2 g ) 更为先进数字蜂窝移动系 统所取代。其中典型代表就是欧洲提出了g s m 系统，以及美国的i s 一1 3 6 系统和i s - 9 5 系统。第 二代通信系统的特点为：数字调制、t d m a c d m a 、能提供低速的数据业务。第二代通信系统 在全球取得了最大的成功，特别是在中国，手机的用户连续l o 年高速发展。据中国信息产业部 公布数据显示，截至2 0 0 5 年1 2 月底，中国移动电话用户数达到了3 9 3 亿户，预计到2 0 0 6 年底 将达到4 4 亿户。然而随着经济全球的一体化和社会的信息化，2 g 系统对全球漫游和频谱利用 率及数据业务方面的不足日益尖锐起来。为了适应大众对移动通信个人化、智能化、多媒体化 的需求，电信业界开始关注第三代移动通信标准( 3 g ) ，并在各方努力下，3 g 的无线接口技术 标准逐步趋于融合，最终于1 9 9 9 年1 1 月国际电信联盟( 1 t u ) 和其他电信标准实体，确定了一 个全球统一的无线接口标准 m ，r 2 0 0 0 第三代移动通信系统的目标是高效地提供不同环境下的多媒体业务并实现水陆空的全球覆 盖，因而它要求实现多种网络的综合：不同的无线网的综合，移动网和固定网的综合等。与此 同时，第三代移动通信又要适应多种业务环境，并且与第二代移动通信系统兼容，以实现平滑 的升级。 中国科学技术大学博上学位论文 未来移动通信系统中天线选择技术的研究 第三代移动通信系统相对于现在的移动通信系统具有以下特点：更大的通信容量和覆盖范 围：具有可变的高数据速率；同时提供高速电路交换和分组交换业务：更高的频谱利用率。 全球移动设备供应商协会( g s a ，g l o b a lm o b i l es u p p l i e r sa s s o c i a t i o n ) 2 0 0 6 年6 月做出的调 查报告【l 】指出，全球移动语音用户数已经达到2 0 亿，w c d m a 用户已经达到了3 5 0 万个。2 0 0 6 年9 月1 5 日，日本最大的移动运营商n t t d o e o m o 宣布在全日本范围内发布h s d p a 业务。 然而由于c d m a 通信系统形成的特定历史背景，3 g 所涉及的核心专利为少数公司所持 有，在专利持有率( i p r ) 上形成了一家独大的局面，专利授权费用已成为厂家的严重负担。可 以说，3 g 厂商和运营商在专利问题上处处受到制肘，业界迫切需要改变这种不利局面。 面对高速发展的移动通信市场的巨大诱惑，再加上大量低成本、高带宽的无线技术快速普 及，众多非传统移动运营商也纷纷加入了移动通信市场，并引进了新的商业运营模式。例如， g o o g l e 与互联网业务提供商( i s p ) e a r t h l i n k 合作，已在美国旧金山全市提供免费的无线接入服 务，双方共享广告收入，并将广告收入作为其主要盈利途径，g o o g l e 更将这种新的运营模式申 请了专利。另外，大量的酒店、度假村、咖啡厅和饭馆等，由于本身业务竞争激烈，所以为顾 客提供免费的w i f i 无线接入方式，通过因特网可以轻易地查询到这类信息。最近，网络服务提 供商“s k y p e ”更在这些免费的无线宽带接入基础上，新增了几乎免费的语音及视频通信业 务。这些新兴力量给传统移动运营商带来了前所未有的挑战，加速了现有网络的演进。满足用 户需求，提供新型业务成为他们在激烈竞争中处于不败之地的唯一选择。 与此同时，用户期望运营商提供任何时间任何地点不低于1 m b p s 的无线接入速度，小于 2 0 m s 的系统传输延迟，在高移动速率环境下的全网无缝覆盖。而最重要的一点是能被广大用户 负担得起的廉价终端设备和网络服务。这些要求已远远超出了现有网络的能力，寻找突破性的 空中接口技术和网络结构势在必行。与w i f i 和w i m a x 等无线接入方案相比， w c d m a h s d p a 空中接口和网络结构过于复杂，虽然在支持移动性和q o s 方面有较大优势， 但在每比特成本、无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显落后。根据3 g p p 标准组织原先的 时间表，4 ( 3 最早要在2 0 1 5 年才能正式商用。在这期间传统电信设备商和运营商将面临前所未 有的挑战。用户的需求、市场的挑战和i p r 的制约共同推动了3 g p p 组织在4 ( 3 出现之前加速制 定新的空中接口和无线接入网络标准。2 0 0 4 年1 1 月，3 g p p 加拿大多伦多“u t r a n 演进”会 议收集了无线接入网r 6 版本之后的演进意见，在随后的全体会议上，“u t r a 和u t r a n 演 进”研究项目得到了二十六个组织的支持，并最终获得通过。这也表明了3 g p p 组织运营商和设 备商成员共同研究3 g 技术演进版本的强烈愿望。 3 g p pl t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 项目的主要性能目标包括：在2 0 m h z 频谱带宽能够提 供下行1 0 0 m b p s 、上行5 0 m b p s 的峰值速率；改善小区边缘用户的性能；提高小区容量；降低系 统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5 m s ，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于 5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于l o o m s ：支持1 0 0 k m 半径的小区覆盖；能够为 第1 0 页共1 0 3 页 第1 章绪论 3 5 0 k m h 高速移动用户提供 1 0 0 k b p s 的接入服务；支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1 2 5 m h z 到2 0 m h z 多种带宽。 我国早在2 0 0 1 年便开始了b 3 g 的研究，在8 6 3 项目中设定了f u t u r e 计划，其系统设计为 f d d 或者t d d 方式。其中，f d d 系统技术指标：在大范围多小区覆盖情况下峰值传输速率为 3 0 - 5 0 m b p s ，频谱效率达到1 5 2 5 b p s m z ，能够在e b , q q o 小于o d b 时实现正常的话音与数据传 输。t d d 系统技术指标：在热点覆盖地区峰值速率为4 0 1 0 0 m b p s 、频谱利用率为2 - 8 b p s h z ， 能够在e b n o 小于0 d b 时实现正常的话音与数据传输。m i m o 技术便是该项目的关键技术。 未来移动通信系统的发展必然是向着更高的传输速率、更高的频率利用率发展。m i m o 技 术被认为是未来移动通信实现高速通信的关键性技术【2 】。 1 2m i m o 技术概述 多天线技术( m i m o ) 是指发送或者接收端采用多根天线进行通信。广义而言，还包括 s i m o ( s m # 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 ts i n g l e - o u t p u t ) 系统。m i m o 系统相比较于传统的单天线系统( s i s o ) ，利用了无线信道的空间选择性从而扩展了承载信 号的自由度，在没有增加额外占用频段以及时间的情况下却可以达到极高的通信速率和通信质 量，因此成为了未来实现高速通信的希望。 自从f o s h i n i 在上世纪9 0 年代末提出v b l a s t 系统以及t 越l 提出的空时编码系统开始， 大量的研究表明多天线系统的容量有着巨大潜力。m i m o 系统最具代表性的技术方向包括空时 编码和空时复用。经过多年研究，m i m o 技术已经开始走入实际的通信系统【3 5 】。在第三代移 动通信系统( 3 g ) 中，空时编码已经成为标准的一部分 6 ，7 】。而在3 g 的r e l e a s e6 版本中， v b l a s t 系统也应用到了实际的商业系统中【8 】。此外，多天线技术也成为最近兴起的8 0 2 1 6 e ( w i m a x ) 标准的一部分【9 ，l o 】。 1 2 1 空时编码系统的概述 空时编码 1 1 - 1 9 1 通过利用空间的自由度进行分集，即通过不同空间信道传递信号的不同副 本，极大地提高了系统的可靠性，从而增强了系统性能。经过这些年的发展，空时编码发展出 了以下几大分支： 1 ) 空时格码( s t t c ) 。这一类的空时码以a t & t 的t a r o k h 2 0 ，2 1 1 提出来的空时码为 代表。这类空时码将格型编码调制t c m 和多天线系统相结合起来，是一种将编码和 调制相结合的信号传输方式。由于综合考虑分集增益和编码增益，这种空时格码可 以达到在编译码复杂度、性能以及频带利用率间的最佳折衷。 第页共1 0 3 页 中国科学技术大学博士学位论文未来移动通信系统中天线选择技术的研究 2 ) 空时分组码( s t b c ) 这一类空时码以a l a m o u t i 码 2 2 】和t a r o k h 2 1 ，2 3 提出的正交 空时码为代表。这类空时码相比较于s t t c 缺少了编码增益，因此性能稍差。另一 方面为了保证正交性和最大分集增益，它的传输速率不能达到最大。理论证明当天 线数大于2 时，对于复调制s t b c 无法实现全速率。虽然s t b c 有着上述的各种不 足，但是它有着有构造简单，译码简单的优点。针对o s t b c 在高天线数时不能实现 满速率，人们又提出了准正交空时码 2 4 。 3 ) 差分空时码( d s t c ) 。这一类的空时码和上面三种空时码的最大差别在于，这一类 的空时码不需要信道估计的信息。d s t c 的代表分别是t a r o k h 提出的差分空时码 【2 5 】、h o c h w a l d 提出的酉空时调制( d u s t m ) 2 6 ，以及h u g h e s 提出的基于酉群码 的差分空时调制( d s t m ) 。差分空时码虽然不需要信道估计，但是由于差分调制 的特性，相比于有信道信息的情况有3 d b 的性能损失。 空时编码技术是近些年来多天线技术中发展最为成功的技术，被广泛应用于现存的多种通 信系统中，并且在后3 g 系统中也得到了很好的应用。 1 2 2 空时复用系统 空时复用的思想和空时编码不同，它将独立的空间信道用于传递不同的数据子流，从而达 到提高系统吞吐量，实现高速数据传输的目的。最典型的空时复用系统就是b l a s t 。通过多年 发展，已经发展出以下几类空时复用系统： 1 ) d b l a s t 。由b e l l 实验室的f o s c h i n i 于1 9 9 6 年提出 2 7 】。其思想是将多个数据子流 按照对角线来进行空间编码。d b l a s t 系统也可以获得接近香农限的良好性能。但 由于其编码按照对角线排列，解码复杂度高，且存在一定的传输冗余。 2 ) v b l a s t 。v s l a s t 2 8 系统简化了d - b l a s t 的做法，不进行天线间编码，而将各 数据子流串并转化后发送到个天线上。由于v b l a s t 系统具有收发机结构简单的优 点，因此被广泛应用。 3 ) t u r b o - b l a s t 。s e l l a t h u r a i 在2 0 0 2 年基于t u r b o 码的思想提出了t u r b o - b l a s t 系统 【2 9 。其思想是在发送端对数据子流进行空时交织，接收端采用内外解码器，具有良 好的性能，但是它同时存在着复杂度较高的缺点 3 0 】。 对于多天线技术的v b l a s t 系统检测而言，有着多种检测算法。如，最大似然检测算法 ( m l ) 、球形检测算法 3 l 】、线性检测算法以及非线性的检测算法。其中m l 算法由于其算法 的复杂度随着发送天线数n 的增加而指数增加，因此实用性不好。球形检测算法能够有效降低 m l 检测算法的复杂度，而其接收机依然相对复杂。对于线性检测算法而言，包括迫零( z f ) 算法和m m s e 检测算法。z f 算法是将信道矩阵的伪逆h + 乘上接收信号，从而将信道矩阵转化 为n 个并行的标量信道，从而恢复出原发送信号。z f 算法通过广义逆矩阵来抑制子流间的干 第1 2 页共1 0 3 页 第1 章绪论 扰，具有实现简单的特点，但当信噪比较低时，h + 同时也放大了噪声，因此系统的性能有所下 降。m m s e 算法正是针对z f 算法的缺点来设计的。在m m s e 算法中，使用h “f h h “+ 盯2 1 1 + 、， 来乘上接收信号，在抑制子流间干扰的同时也抑制了噪声的影响。该算法在信噪比较低时接近 匹配滤波器的性能，当信噪比较高时，m m s e 算法收敛于z f 算法。 v b l a s t 系统非线性检测算法主要有连续干扰抵消检测算法( s i c ) 【3 2 1 乘1 判决反馈检测 算法( d f d ) 3 3 - 3 7 。判决反馈检测算法( s i c ) 的思想是采用逐步检测抵消来实现各子流的区 分和检测。该算法首先对信噪比最大的子流进行判决。在后续的各级中首先消除已判决出来的 子流的干扰，然后再对处理后最大的s n r 的剩余予流进行判决。重复判决、消除的过程，直至 所有的子流被判决出来。研究表明，连续干扰抵消的算法具有良好的解码性能。但是由于该算 法过程中要不断进行信道矩阵的求逆运算，因此算法存在数据的稳定性较差和运算开销较大的 缺点。针对这个缺点，人们提出了判决反馈检测算法( d f d ) 。该法通过对信道矩阵q r 分 解，然后再逐级判决各个子流。由于算法中不存在信道矩阵求逆运算，所以算法具有良好的数 值稳定性，同时其运算复杂度也大为降低，运算量从o ( n 4 降到了o ( n 3 i ，但同时由于其检 测顺序固定，d f d 接收机容易受到误码传播的影响，性能上有所损失。 1 3 天线选择技术概述 多天线技术可以达到极高的通信速率和通信质量的同时，有着实现复杂度高和实现成本高 的缺点。当天线数较大时，系统的复杂度变得很高，实现成本也很高。因此，如何以低成本实 现高复杂度系统相同或者相近的性能有着非常大的吸引力。 信号的收发通道是由天线、射频链路单元、数字基带处理模块所构成。随着大规模集成电 路的发展，数字基带处理模块的成本日盏降低。而一个完整的收发射频链路单元包含了功率放 大器( 队) 、低噪声放大器( l n a ) 、双工器( f d d 系统) 或者开关( t d d 系统) 、混频器 ( m i x e r ) ，各类滤波器( 包括各种带通、中频、低通) 、数模转换器或者模数转换器 ( a d c d a c ) 。对于这些模拟，射频器件现有的工艺集成困难度高，通常需要采用分立的元件， 难以降低成本。特别是基站端大功率的功放往往占了设备成本相当大的部分。与此同时作为收 发的最前端，天线是实现空间选择性信道的前提，天线的成本相对便宜。针对上述特点，近些 年来一种结构简化的多天线技术天线选择 3 8 - - 4 h 被人们提了出来。天线选择的思想是收发 端采用多个天线，搭配少量的射频链路，按照一定的性能准则每个时刻激活一组最优的天线子 集来实现通信。天线选择在保持了多天线有效的空间自由度的基础上，降低了系统的复杂度和 成本。研究表明对于某些特殊情况，例如信道为低阶矩阵，天线选择甚至可以获得比全天线系 统更好的性能 4 2 1 。因此，天线选择作为一种性价比l i q l i 好的技术被人们广泛关注。 第1 3 页共1 0 3 页 中圊科学技术大学博士学位论文 来来移动通信系统中天线选择技术的研究 图1 1 天线选择系统的示熏图 天线选择是选择一组最优的天线子集来通信，可以看作是一种简化的多天线技术。因此天 线技术下发展的各类技术比如空时编码、空时复用均可以和天线选择技术相结合。现有天线选 择技术有着以下两大研究方向：一类是空时编码的天线选择系统 4 3 - 4 5 1 ，这一类系统以追求通 信质量最佳为目标。另一类是空时复用系统的天线选择，这一类系统目标是实现系统容量的最 大化 1 3 1 空时编码的天线选择系统 空时编码技术是一种有效的对抗信道衰落和提高系统容量的编码方法。空时编码是一种时 间和空间的二维编码，是空间资源利用技术的发展方向，是多天线系统所独有的分集技术，也 是多天线系统主要研究课题。 近些年来，众多的学者研究了联合空时编码的天线选择系统 4 3 - 4 9 1 。研究表明，联合了空 时编码的天线选择系统可以获得全天线系统的分集增益，仅仅损失部分的编码增益。 对于空时编码的研究，大多是以基于优化s n r 的天线选择通常的目的在于最大化接收端输 出的s n r ，这一类的天线选择的基准通常是码字成对差错概率p e p 4 8 ，5 0 ，5 l 】。【4 6 ，4 9 】【5 2 1 表 明相比于相同分集度的空时编码，使用天线选择可以获得更多的分集。【5 3 】 4 6 - 4 9 ，5 u 分析了采 用s t t c 的天线选择系统性能，分析的结果表明此时系统能获得的分集度由选择天线数决定， 而不是像平坦信道环境中由接收端天线数决定。 4 6 1 为了利用时变信道的时间分集，设计了一 种适用于发送端天线选择的混合空时格码设计准则，根据这个准则得到优化的空时格码不但可 以获得全部的空间分集度而且可以获得时间分集度。 第1 4 页共1 0 3 页 第1 章绪论 1 3 2 空时复用的天线选择系统 对于多天线系统的空间自由度的利用，空时复用和空时编码是不同的思路，其设计的目标 是实现系统容量的最大化。是多天线技术发展的第二大方向。 众多的学者研究了空时复用系统下天线选择的性能 5 4 - 5 9 】。这些研究表明天线选择改善空 时复用系统的分集度，降低了子流的差错概率，从而提高了系统的性能。 【6 0 指出当s n r 较小，分集可以获得比复用更高的系统容量，所以当s n r 较小时，使镊 s n r 最高既是容量最优。当s n r 较高时，复用可以比分集获得更好的性能。 6 1 1 分析最大比发 送的天线选择的性能，由于实际的闭式表达式难以获得，文中给出了容量的上下限。 【6 2 6 5 分析了天线选择下的信道容量，并利用特征函数来计算信道的容量，给出一种简化 的计算容量上界的方法。【6 2 给出接收天线选择的容量下限t 【6 5 1 则定义了容量增益，并且指出 发送端采用功率灌水，容量的增益可随着发送天线数m 指数级增加。 理论上除了全搜索还没有比较好的实现最佳天线选择的算法。因此入们针对各个问题研究 了众多的次优算法。较为简单的是按照天线的矩来进行选择，然而这种算法不能保证所选天线 之间的独立性。 6 2 ，6 6 ，6 7 】【6 8 ，6 9 】【5 5 】给出了实现容量最大化的实用算法为连续的天线选择算 法，该算法分为两大类，一类是递增的天线选择算法，一类是递减的天线选择算法。递减的算 法的做法：先从全天线系统开始依次抛弃h 的行，每次去掉的行要使得系统的损失最小化。而 递增算法是反过来的，开始从最大范数( n o r m ) 的行( 接收天线) ，然后将剩下来行( 天线) 投 影到已选择出来天线构成信号空间的正交补空间，选择投影最大的行，实际上就是选出于选择 出来的天线集相关性最差的天线。反复这个过程直到选择出m 个天线。 【5 8 ，7 0 - 7 2 研究了空时复用的天线选择系统的各类接收机的性能。【7 3 表明天线选择集的最 小特征值决定系统的性能。 【7 4 研究了信道相关对接收天线选择的影响，信道相关时，只要信道满秩，系统的分集度 相比于全系统而言，分集度并不降低，然而对于信道不满秩时，系统的分集度降低且决定于倍 道相关矩阵的阶数。 对于频率选择性信道，天线选择较为困难，主要是因为由于不同频带的衰落不同，不同的 频带会要求不同的天线选择集。【6 6 给出了频率选择性信道下的天线选择算法。【7 5 定义了选择 增益，给出了频选信道下最小化各个子流上的平均差错概率的天线选择准则，。【7 6 1 研究了 m 1 m o + o f d m 下的天线选择性能。针对空时复用的m i m o o f d m 系统给出基于最小化瞬时差 错概率等四种天线选择的策略 第1 5 页共1 0 3 页 中国科学技术大学博士学位论文未来移动通信系统中天线选择技术的研究 1 4 论文的主要研究内容和组织结构 1 4 1 主要研究内容 基于前面研究的结果，本论文将关注以下三个方面的问题：存在反馈差错下天线选择系统 的性能；联合多用户分集的天线选择系统的性能以及空时复用的天线选择系统中的链路自适应 技术。 以往对空时编码的天线选择系统的研究大多基于理想系统条件。然而在实际应用中，非理 想因素的影响不能不被考虑，这些不理想的系统因素包括，信道信息不理想，反馈链路存在延 时。反馈链路存在差错，天线间彼此相关等。 相关研究已有： 5 1 1 分析了反馈不理想条件下空时编码的性能。【7 7 】【7 8 8 1 1 研究了信道估计 存在误差对多天线系统的影响的空时编码的天线选择系统的性能。 5 8 ，7 4 ，8 2 8 5 1 研究表明对于 全阶空时编码在相关信道条件下依然可以保持全分集度 5 8 ，7 4 ，8 3 8 6 。 本论文关注反馈存在差错下，空时编码的天线选择系统的性能，通过推导空时编码的天线 选择的差错概率表达式，研究反馈差错对空时编码的天线选择系统的性能影晌。 在多用户系统中，多用户分集是一种简单而有效提高多用户系统性能的方法。这种方法充 分利用了多用户系统中用户闯的信道彼此独立的特点，当用户数较多时，至少有一个用户处于 良好信道状态的概率增加。通过选择每个时刻信道条件最好的用户进行通信，使得通信处于良 好信道的概率也增加，从而取得“多用户分集”增益，使得系统性能有显著提高。 由于未来移动通信系统数据传输将基于分组交换协议，而不是传统的电路交换协议，由于 分组交换协议可以忍受一定的时延，使得多用户调度器提供了一定的自由度，为多用户分集的 应用创造了良好的应用环境。 近些年来，很多研究者研究了多天线下的多用户分集的性能f 8 7 8 9 1 。这些研究表明多用户 分集的增益是近似随着用户数的对数增长。文献 4 0 ，7 3 ，9 0 】【9 1 表明联合多用户分集和天线选择 的方法可以进一步提高系统性能。文献 8 5 1 针对相关信道下的多用户系统提出了两种天线选择算 法这些算法利用了信道的相关矩阵，而具有无需即时信道信息的优点。文献 5 9 例用几何方法 研究了空时复用系统下发送天线选择的分集度性能，并给出发送端选择两个天线时系统可以获 得的分集增益。文献 9 2 1 提出了一种适用于多用户系统的改进基站端追零预处理的接收天线选择 的算法。文献 9 3 1 采用等效单用户系统分析法，研究了发送端只有一个r f 模块的联合多用户分 集和发送天线选择( m u d - t a s ) 的系统截止概率，研究表明m u d - t a s 的分集度为发送天线 数、每个用户的接收天线数以及总用户数的乘积。 第1 6 羹共1 0 3 页 第1 章绪论 直至最近的相关文献中还未有详细研究联合多用户分集和天线选择系统的容量。基于这一 点，本论文将研究接收端具有理想信道信息，发送端无信道信息，且接收端r f 模块数多于一个 的联合多用户分集和接收大线选择系统( m u d r a s ) 的容量。 链路自适应技术的原理是根据无线信道的当前状态调整发送的参数，使得