（通信与信息系统专业论文）无线多输入多输出系统关键技术的研究.pdf

韭塞銮通太堂亟堂建盈塞生塞擅要 中文摘要 摘要：下一代移动无线通信系统的目标是实现无所不至、高质量、高速率的 移动多媒体传输。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，凭 借其在提高系统频谱利用率方面卓越的性能表现，已经成为移动通信技术发展进 程中炙手可热的课题。 m i m o 技术的优势在于提供了复用增益和分集增益。论文基于m i m o 的分集 和复用两个方面的关键技术，研究分析了相关理论和算法，并提供了相应的仿真 结果。首先分析m i m o 的系统容量和空间分集的作用。空间复用使m i m o 系统可 以显著提高通信容量。空间分集是对抗信道衰落的有效途径。其次，讨论分析发 射分集和接收分集实现的方法和不同方法的分集度比较。在发射端给出了空时分 组码和波束成型编码两种方法。在接收端，基于分层空时码的结构，比较了最大 似然检测、线性检测、干扰消除检测和一些改进算法的性能和复杂度。最后，将 m i m o 技术应用在宽带无线通信系统中，包括m i m o 与t u r b o 编码技术、正交频 分复用( o f d m ) 技术和几种自适应技术的结合。并依据特定的标准协议，仿真综 合比较各种方案的可行性。 关键词：多输入多输出( m i m o ) ；空时编码；检测算法 分类号：t n 9 2 9 5 韭立蛮通占堂亟堂位i 垒毫曼i 基! a b s t r a c t a b s t r a c t ：n e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si sr e q u i r e dt op r o v i d e m o b i l em u l t i m e d i as e r v i c e sw i t hc r e d i b l eq u a l i t ya n dh i g ht r a n s m i s s i o ns p e e d b e c a u s e o fi t sp e r f o r m a n c ei nf r e q u e n c ye f f i c i e n c y , m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) h a sb e e nu n d e ri n t e n s i v er e s e a r c hi nr e c e n ty e a r s t h em a i na d v a n t a g eo fm i m oi so f f e r i n gm u l t i p l e x i n gg a i na n dd i v e r s i t yg a i n , b a s e d0 1 1w h i c ht h eb a s i cp r i n c i p l ea n da l g o r i t h m so f m i m ot e c h n o l o g i e sa r es t u d i e di n t h i sd i s s e r t a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l ta l s og a v et op r o v et h ea n a l y s i s ， i th a sb e e np r o v e dt h a ts p a c em u l t i p l e xc a ns i g n i f i c a n t l ye n h a n c ec h a n n e lc a p a c i t y a n ds p a c ed i v e r s i t yc a ni n c r e a s es y s t e mr e l i a b i l i t y c h a n n e lc a p a c i t ya n ds p a c ed i v e r s i t y a r cf i r s t l ys t u d i e d s e c o n d l y , b a s e d0 nt r a n s m i s s i o nd i v e r s i t ya n dr e c e i v e rd i v e r s i t y , d i f f e r e n tm e t h o d sh a v eb e e ns t u d i e d 。s p a c et i m eb l o c kc o d i n ga n db e a m f o r m i n ga t t r a n s m i t t e rh a v eb e e nc o m p a r e d 。m o r e o v e r , d e t e c t i o na l g o r i t h m si nal a y e r e ds p a c et i m e c o d i n gs y s t e mi n c l u d i n gm a x i m u ml i k e l i h o o dd e t e c t i o n , l i n ed e t e c t i o na n ds u c c e s s i v e i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nh a v eb e e na n a l y z e d f i n a l l y m i m ot e c h n o l o g yf o rn e x t g e n e r a t i o nm o b i l es y s t e mw i t ht h eu s eo fo t h e rt e c h n o l o g i e ss u c ha so r t h o g o n a l f 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 ( o f d m ) ，t u r b oc o d i n ga n d l i n ka d a p t a t i o ni sa a a l y z 缸 a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o n , s o m es u g g e s t i o n sa r cg i v e n k e y w o r d s ：m u l t i p l ei n p u t a n dm u l t i p l eo u t p u t6 ，i n v l o ) ，s p a c et i m ec ( 峨 d e t e c t i o na l g o r i t h m c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 j e 塞銮适太堂亟堂僮论塞国壶 目垂 图表目录 图2 1m i m o 系统框图 图2 - 2m i m o 的等效系统模型 图3 1a l a m o u t i 空时编码器原理框图 图3 - 2a l a m o u t i 方案的接收机1 3 图3 3 波束成型框图1 7 图3 _ 4 量化波束成型框图1 8 图3 5 反馈信息比特分析1 9 图3 - 6 接收端单天线的开环闭环性能比较1 9 图3 7 接收端多根天线的开环闭环性能比较2 0 表3 1 阵列增益和分集度比较2 0 图4 1 ( a ) d - b l a s t 结构图2 l 图4 _ l ( b ) v - b l a s t 结构图2 l 图4 - 2v b l a s t 系统原理框图2 2 图4 3 最大似然译码算法的性能仿真图2 4 图4 - 4z f 和m m s e 算法的仿真性能图2 6 图4 5 几种检测算法的误比特性能仿真结果3 0 表4 _ 1 不同算法的接收分集度3l 图5 1 ( 荀单码字系统发送端3 3 图5 1 ( b ) 单码字系统接收端3 3 图5 2 ( a ) 多码字系统发送端3 4 图5 - 2 ( b ) 多码字系统接收端。3 4 图5 3 系统仿真图3 6 表5 1o f d m 参数3 6 表5 2 自适应技术参数3 7 图5 _ 4 ( a ) q p s k 调制下互信息与吞吐量关系3 8 图5 - 4 ( b ) 1 6 q a m 调制下互信息与吞吐量关系。3 8 图5 4 ( c ) 6 4 q a m 调制下互信息与吞吐量关系3 9 表5 3 信道参数3 9 图5 5 两发两收天线频谱效率的比较4 1 图5 6 四发四收天线频谱效率的比较4 l 图5 7 不同天线配置对闭环波束成形系统的频谱效率的比较4 2 j n 致谢 首先，要感谢我的导师谈振辉教授。谈老师严谨的治学态度和科学的工作方 法给了我极大的帮助和影响。衷心感谢三年来谈老师对我的关心和指导。 金晓军高工悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向金老师表示衷心的谢意。 陈霞老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，并在日常的科 研学术活动中给予了我帮助与指导，在此表示衷心的感谢。 感谢郑洪明博士，在我实习期间给予了极大的指导和帮助。 同时，张雷、高阳等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此匈他 们表达我的感激之情。 最后，深深感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 立奎适盔堂亟堂僮逾塞 绪 论 1 绪论 现代社会己步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输即通信，起着支撑 作用。互联网和内联网应用的普及、移动多媒体业务的驱动、蜂窝话音数据终端 和便携式计算机等移动通信设备技术的成熟，加速了无线宽带通信系统的研究进 程。无线移动通信在短短的几十年间经历了巨大发展，从第一代模拟通信，第二 代数字通信很快发展到现在的第三代高速数据通信，而未来的后三代( b 3 g ) 、第 四代( 4 g ) 已经成为研究的热点。在技术体制上逐步形成了从单载波发展到多载 波，从单天线发展到多天线，从频分复用、时分复用、码分复用的单独制式发展 到混合制式。下一代移动无线通信系统的目标是实现无所不至、高质量、高速率 的移动多媒体传输。 1 1 论文研究背景 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 ) 技术由来已久，早在 1 9 0 8 年马可尼就提出用它来对抗衰落。在二十世纪7 0 年代，有人提出将m i m o 技术用于通信系统，但是m i m o 技术对无线移动通信系统产生巨大推动的奠基工 作则是9 0 年代由a t & tb e l l 实验室的学者完成的。1 9 9 5 年t e l a t a r 给出了衰落情 况下的m i m o 容量【l 】；1 9 9 6 年f o s h i n i 给出了一种m i m o 处理算法对角- 贝尔 实验室分层空时( d b l a s t ) 算法 2 b1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了用于m i m o 的空时 码【3 】；1 9 9 8 年w o l n i a n s k y 等人采用垂直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【4 】，在室内试验中达到了2 0b i t s h z 以上的频谱利用率， 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关注，并 使得 i 恐t o 的研究工作得到迅速发展。 目前，凭借在提高系统频谱利用率方面卓越的性能表现，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。各国学者正对m i m o 的理论、性能、 算法和实现的各方面进行研究。在m i m o 系统理论及性能研究方面已有一批涉及 内容相当广泛的文献【5 8 】。但是由于无线移动通信信道是时变、非平坦的，m i m o 技术尚有大量问题需要研究。比如说，各文献大多假定信道为准静态平坦衰落信 道。这对于使用宽带信号的下代通信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，即对信道为频率选择性衰落和移动台为快速移动的情况 进行研究。再有，在基本文献中，均假定接收端准确知道多径信道参数，因此必 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，就会使得训练 时阿太短，这样快速信道估计或盲处理就成为重要的研究内容。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 积小、重量轻、耗电小，因而还有大量工作要做。 1 2 m i m o 系统概述 任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端均采用多个天线或天线阵列， 就构成一个无线m i m o 系统。 m i m o 技术充分利用了空间资源，并结合时间、频率等资源，将以前的一个 一维系统变成二维或三维系统。虽然其物理特性和数学模型都变得更为复杂，不 过多维系统也提供了解决问题的更多思想和方法。 m i m o 系统通过多天线发射多路数据流，并由多天线接收实现最佳处理，可实 现很高的容量。这种最佳处理是通过空时编码和解码实现的。空时编码技术是应 用于无线通信中的一种新的编码和信号处理技术，它将信道编码技术和阵列信号 处理技术相结合，采用这种技术以后，可以大幅度提高无线通信系统的信息容量 和传输速率，并且可以有效地抗衰落、抑止噪声和干扰。 m i m o 系统的核心思想是空时信号处理，这样的系统也可以认为是智能天线的 一种扩展应用。将以前被认为是无线通信不利因素的多径传播变为有利因素，正 是m i m o 系统的关键特性。m i m o 系统可以提供发射分集和接收分集联合的更高增 益。有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率。能 大幅度提升无线通信的性能却无需以额外频谱带宽为代价( 仅仅是复杂性的增加) 是其成功之根本。近年来与多天线相关的信道建模、信息论和编码理论、信号处 理算法、天线设计以及固定无线接入和移动蜂窝系统设计等方面都取得了进展a m i m o 技术的好处： 阵列增益：阵列增益是指接收机通过相干合并多个接收信号而获得的平均 信噪比的提高。在发射机不知信道信息的情况下，m i m o 系统可以获得的 阵列增益与接收天线数成正比。 分集增益：分集技术是用来对抗衰落的。在经过设计的空时编码m i m o 系统中，分集度等于发射天线数目与接收天线数目的乘积。 复用增益：在采用空间复用方案的m i m o 系统中，可以在不增加信号功 率的情况下，使信道容量成倍增加。信道容量与发射端和接收端天线最小 数目成正比。 可以从两个角度来理解这三个优点。复用增益能够更好地满足下代移动通信 对高速数据量的要求，即获得容量成倍的增加。而分集增益和阵列增益可以提高 2 系统的可靠性。可靠性可以用误码率( 乏) 与信噪比( p = e , ) 的函数关系来表 示【9 】： 更* c ，( y 力( 1 - 1 ) 其中，c 是与调制方式有关的一个确定系数。，p 表示接收端解码后的信噪比。 y l 体现了编码增益或是阵列增益，膨是分集度。可见，分集增益体现在使误码 率与信噪比曲线的斜率变化上，而阵列增益体现在使曲线向左移动，即在取得相 同的误码率时，所需信噪比降低。下面的分析对各种编码和译码方式都会从这两 点出发讨论其可靠性。 m i m o 技术的弱点： 空间相关：空间特性是维系m i m o 性能的关键，无论是有效的并行子信 道数量还是分集度都和空间相关性有关；空间相关极大影响着m i m o 的 信道容量和误码性能。 空间干扰：这是对空间复用最直接的影响。在没有足够的空间分集条件下， 恢复各发射天线的等功率的信号必定造成判决性能的下降，因此有必要在 接收端采用干扰消除等较为复杂的算法来保证系统性能。 近年来，对m i m o 系统容量的研究使得采用发射分集和接收分集的空中无线信 道的容量大大增加了，也使研究人员开始热衷于把编码、调制、分集技术有机地 结合起来，以尽量接近m i m o 系统的理论系统容量，空时码应运而生。空时码主要 分为空时格型码( s t t c ) 、空时分组码( s t b c ) 和空时分层码( l a s t c ) 。 空时格型码于1 9 9 8 年由t a r o l ( 1 l 提出【3 】。根据成对错误概率的分析结果，t a r o k h 提出了在准静态瑞利衰落信道下设计空时格型码的两个准则：对应于分集增益的秩 准和对应于编码增益的行列式准则。这种空时格型码能够实现最大分集增益和一 定的编码增益，但其译码复杂度过高。空时分组码对发射端的发送采用正交设计 的码字，在接收端采用最大似然译码算法。空时分组码能保证给定发送和接收天 线时的最大分集增益。空时分层码首先将待传送的信息流经过串并变换分为n 路， 并将n 路信息流分别进行一般的信道编码，再将这n 路数据按照一定规律分层编码 后送至n 个天线上发送。目前的研究方向有：设计分集度高、编码增益大的空时格 型图：把自适应扩展到多天线，即自适应时空调制编码等。另外，多天线情况下 的信道估计对解调译码性能的影响更大，所以需要研究更精确的信道估计方法。 1 3 论文主要内容 本论文基于m i m o 的分集和复用两个方面的关键技术，研究分析了相关理论 和算法，并提供了相应的仿真结果。主要内容包括空时分组码编码技术、波束成 j 塞銮 通 太堂亟堂僮j 金塞鸶 盈 型编码技术、基于v - b l a s t 系统的检测算法，以及运用m i m o 技术结合其他新 技术在下代移动通信中的应用。 第2 章介绍m i m o 系统的基本原理，主要是从系统容量和分集两个方面对 m i m o 系统进行讨论，并且引入本论文要讨论的问题。 第3 章介绍空时分组码编码和波束成形编码技术是基于发射分集的设计准 则设计的。 第4 章基于v - b l a s t 系统检测算法的分析实质是对于接收分集的比较与研 究。首先介绍v - b l a s t 系统的框架，然后分析比较各种检测算法。 第5 章是将m i m o 技术应用在宽带无线通信系统中，包括m i m o 与t u r b o 编 码技术、正交频分复用( 0 f d m ) 技术和几种自适应技术的结合。并依据3 g p p ( 3 “ g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 的标准协议，仿真综合比较各种方案的可行性。 4 2m i m o 技术基本原理 m i m o 技术的优势在于提供了复用增益和分集增益。本章从这两个角度分别 分析m i m o 的系统容量和空间分集的作用。众所周知，无线通信的不可靠性主要 是由无线信道的时变和多径特性引起的衰落造成的，如何抵抗信道衰落是移动通 信中要解决的问题，分集是对抗衰落的有效途径。空闻复用使m i m o 系统可以显 著提高通信容量。本章首先介绍m i m o 系统模型，推导系统容量，然后分析无线 信道的不同衰落类型，讨论空间分集的意义和作用。 2 1m i m o 系统模型 假设m i m o 系统的发送天线数为m ，接收天线数为，不考虑不同发射、 接收天线问的相关性，信道可看作为r f 个传统的单发射天线单接收天线 ( s i s o ) 的组合。系统框图如图2 - 1 所示。 空时编码器空时译码器 图2 - 1 m i m o 系统框图 采用离散时间复基带线性系统模型，用mx l 列矩阵工表示每个符号周期内的 发射信号，x 表示第f 个天线上发送的符号。发射信号x 的元素满足零均值独立同 分布的高斯变量。发射信号的协方差矩阵为： r 。= e ( 舡h ( 2 i ) 式中，e 代表均值，”代表矩阵的厄米特( h e r m e i t i a n ) 矩阵，即复共轭转置矩阵。 不管发射天线数目是多少，总的发射功率限制为p ，可表示为： p = t r ( r 。) ( 2 - 2 ) 式中，f r o 代表矩阵的迹，为矩阵的对角元素之和。如果假定各个天线发射的信号都 有相等的功率p m ，发射信号的协方差矩阵为： ， 一鋈 业塞銮通太堂殛堂焦i 金奎ml 丛q 挂苤基查厘理 r 。= ( p m ) i m ( 2 3 ) 式中，i 。是f f 单位矩阵。 用n ，的复矩阵h 描述信道，其中啊，表示矩阵h 的第扩个元素，代表第， 根发送天线到第i 根接收天线的信道衰落系数。根据归化的要求，假定接收端的 每根天线的接收功率等于总的发射功率，即忽略信号传播过程中信号的衰减和放 大，于是，得到了信道矩阵h 的元素的规范规定： ， e f 2 = m ，f = 1 , 2 ，( 2 - 4 ) = 1 用，1 的列矩阵描述接收端的噪声，表示为n 。它的元素是统计独立的复零 值高斯变量，具有独立的、方差相等的实部和虚部。接收噪声的协方差矩阵为； r 。= 矿2 i n ( 2 5 ) 接收端的接收信号用，l 的列矩阵描述 r = i - i x + n 表示为r ，使用线性模型，有： 前面已经假定每根接收天线的总接收功率都等于总发射功率， 线的平均信噪比( s n r ) 表示为i p = p i e r 2 2 2m i m o 系统的容量 ( 2 6 ) 则每根接收天 ( 2 7 ) 系统容量定义为在保证误码率任意小条件下的最大发射速率。在以上系统模 型下，采用瑞利信道模型，推导m i m o 的系统容量，假设信道矩阵在接收端为已 知。 2 2 1 发送端未知信道信息 由奇异值分解( s v d ) 理论【l o 】，任何一个矩阵h 可以分解为： h = u d v “ ( 2 8 ) 其中u 和v 是酉矩阵，满足下面的关系：u u “= i 。，w “= i ，d 是对角阵，且 对角线上的元素是矩阵髓“的特征值的非负平方根，即奇异值。而且u 的列矢量 是h h “的特征矢量，v 的列矢量是h “h 的特征矢量。将上式( 2 8 ) 代入式( 2 - 6 ) 可得： 6 錾峦窒亟太堂亟堂篮淦室m ! 丝q 越盔基奎厦一璺 r ；u d v ”x + n ( 2 9 ) 在式( 2 9 ) 的两边分剐乘以u 8 ，根据酉矩阵的性质可得： u “r = d v “x + u “n ( 2 1 0 ) 变换为： r=dx+n(2-11) 其中v “x 。u “n 与x , n 的统计特性是一致的，这样前面讨论的信道与式( 2 - 1 1 ) 描 述的信道是等价的。d 是对角矩阵，则式( 2 1 0 ) 的系统可以等效为m 个单天线 系统( s i s o ) ，其中肘是信道矩阵h 的秩，等效的系统模型如图2 - 2 所示： ，疗： l 叫黟啼。一 i l l l 生- 挚- 南l 屹 图2 - 2m i m o 的等效系统模型 其中石是珏的奇异值，# ，疗：，分别对应式( 2 1 1 中列向量的值，由于这些子 信道是相互独立的，这样m i m o 系统的容量等效为这几个子信道容量的叠加，运 用香农容量公式，有： c ：矽兰i 。：6 + 最l o 2 90 )c = 矽i o ：( 1 + 最) 其中形是每个子信道的带宽； 下式给出： p n = , z t p n t ( 2 1 2 ) 只是等效系统中第f 个子信道的接收信号功率，由 ( 2 1 3 ) 把式( 2 1 3 ) 带入到( 2 1 2 ) 中可得： ， c = i 0 9 2 0 + a 。p i a 2 f ) “1 ( 2 - 1 4 ) ， = w l o g ：兀( 1 + 丑p 仃2 1 ) ，- l 然后根据特征矩阵和特征向量的关系，推导【i l 】最后可得出发送端在信道未知情况 下的信道容量： c = w l o g2d e t i m + ( p f 盯2 ) q 】 ( 2 1 5 ) 其中q 是威沙特( w i s h a r t ) 矩阵，定义为： 7 2 2 2 发送端已知信道信息 当发射端已知信道参数对，根据注水原理，通过给各个天线分配不同的发射 功率，即当信道条件较好时，分配较多的功率；当信道状态不好时，分配较少的 功率。可以增加式( 2 1 4 ) 给出的信道容量。得到信道容量的公式为： m c = w l 0 9 2 1 + 1 o 2 ( 2 , a - # 2 ) + 】 ( 2 1 7 ) ，i l 其中，口+ 表示m a x ( a 0 ) ，的确定要满足： 最：红一孚) + ， ( 2 - 1 8 ) 匕= 尸 2 2 3不同天线配置情况下信道容量的比较 对于s i s o 的系统，根据香农公式司得： c = w l 0 9 2 【l + 州2j ( 2 1 9 ) 其中h 是归一化的信道复增益，p 是接收天线上的信噪比( 如式2 - 7 ) 。若在接收端 放置多个天线( s i m o ) ，设接收端的天线数，信道增益变为一个矢量 h = 【h ，h 2 ，h 。，j h ，则信道容量应为： 厂m2 、 c = w 1 0 9 2 ll + 尸i ( 2 - 2 0 ) l 扣1 其中 。是发送天线到接收天线i 的信道增益。同理可以得出在发送端有多个天线时 的信道容量( m i s o ) ： c = 眦g ：( t + 瓦p 割n2 c 2 彩， 其中m 是发送端的天线数。 从上面得到信道容量的公式中可以看出，s i s o 、$ i m o 以及m i s o 的容量与天 线数成对数关系，也就是说增加天线数对信道容量的提高不是很快，而m i m o 系 统的容量与信道矩阵的秩有关，一般情况下矩阵的秩等于m i n ( n , ，n ，) ，且信道容 s 盐基銮亟占兰亟主堂垃淦奎丛! 丛q 挂荃茎奎厘显 蟹：n m i n ( m , ，m ，) 成正比关系，由此可见m i m o 在容量方面有着很大的提高，这也 是其成为热门研究技术重要原因。 2 3m i m o 系统的空间分集 无线信道由于遭受多径衰落和时变性的影响而使其传输性能交得很差。要把 误码率从l o - 2 降到1 0 4 ，在a w g n 信道中信噪比仅需增加l 到2 个d b 就可以了， 但在无线衰落信道中则要付出大约1 0d b 的代价【1 2 】，同时这种信噪比的提高不能 通过提高发射功率或额外增加信号带宽来获得，而分集技术就是为了克服各种衰 落，提高无线传输系统性能而发展起来的一项重要技术。 在前面已经提到过，m i m o 系统的优点之一在于提供空间分集增益。首先介 绍无线信道的时间频率特性，说明抵抗无线信道的衰落是移动通信中要解决的问 题。其次介绍各种分集技术，尤其重点介绍空间分集 2 3 1 信道的时间频率特- 眭 无线信道中，衰落是影响通信可靠性和有效性的最根本的因素。无线信道呈 现出很强的随机时变性，这种随机性和时变性大致可以分为四类：自由空间传播 损耗与弥散、阴影衰落、多径衰落和多普勒影响。在无线系统工程的角度，前两 种属于大尺度效应，主要影响无线通信的距离或者无线电波的覆盖范围，通过合 理的天线布局等设计可以消除其不利影响；而后两者属于小尺度效应，在数十个 波长范围或极短时间内呈现快速剧烈的随机起伏，从而严重影响信号的传输质量， 并且不能通过简单地提高发射功率加以消除。在这里我们主要讨论小尺度衰落。 本论文研究的内容也是主要针对小尺度衰落的，通常情况下遭受小尺度衰落的信 号幅度会呈现瑞利分布或莱斯分布。本论文中经过信道传输的信号幅度假设都是 瑞利分布，不考虑莱斯分布。 多径传播，即接收机所接收到的信号是通过不同的直射、反射、折射等路径 到达接收机。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各条路径中发射波的到达 时间，相位都不相同。不同相位的多个信号在接收端叠加，如果同相叠加则会使 信号幅度增强。而反相叠加则会削弱信号幅度。这样，接收信号的幅度将会发生 氢剧变化，就会产生衰落。多径传播导致了信道的时间色散，根据最大时延扩展r 。 和符号l 日j 隔【的关系可以将信道分为平坦衰落和频率选择性信道( 也可以根据信 道相关带宽置与信号带宽曰。的关系来分) 。其中： 9 韭塞銮盈本兰亟主堂篷淦奎丛! 丛q 拄垄基奎匮堡 最= i ，f 一 ( 2 2 2 ) 无线信道的时变性是由于发射机和接收机的相对运动或者信道中其它物体的 运动引起的，当信号的发送机和接收机在做相对运动时，接收信号的频率会发生 变化，当它们做相向运动时，接收信号的频率将会变大，做反向运动时，接收信 号的频率将减小，这种现象就是多普勒效应。可以用下式来表示这个关系： 兀= f o v c o s o c ( 2 - 2 3 ) 其中厂。是接收信号的频率，五是发送信号的频率，v 是发送机和接收机之间的相 对速度，c 是光速，p 是移动方向与电波入射方向的夹角。多普勒扩展描述了无线 信道的时变性引起接收信号频谱展宽程度，若发射机发送一个频率为五的单频信 号，由于多普勒效应，接收信号将包括五一兀到工+ 五的频谱分量，其中以是最 大多普勒频移，扩展的频谱称为多普勒频谱。把接收信号多普勒频谱中不等于0 的频率范围定义为多普勒扩展，用表示，若基带信号的带宽e 远大于曰d ， 多 普勒的扩展的影响可以忽略。从时域来看，与多普勒扩展相对应的另一个概念就 是相干时间t c ( c o h e r e n c et u n e ) ，根据相干时间t c 和符号间隔t 之间的关系可以将 信道分为快衰落和慢衰落信道，其中 瓦= 0 4 2 3 厶 ( 2 - 2 4 ) 其中厶是最大多普勒频移 矗=fovc(2-25) 无线信道的多径和时变特性对信号会造成衰落，降低系统的性能。 2 3 2 分集的意义和种类 由于存在多径效应与时变性，无线衰落信道中的信号可能会受到严重的衰减。 这种衰减使得接收端不可能正确地判断发送信号，除非有其它的衰减程度比较小 的信号副本提供给接收机，这种方法就被称为分集。分集技术的基本原理如下： 接收来自多个信道( 时间、频率或者空间) 的承载同一信息的多个独立的信号副 本( 其强度也具有可比性) ，由于各个信号不可能同时处于深衰落情况中，因此在 任意绘定的时刻至少可以保证有一个强度足够大的信号副本提供给接收机使用， 从而提高了接收信号的信噪比。 根据信号的传输方式分集可分为两类：第一类是显分集技术，其可以利用直 接提供的多个信号副本，如时间分集、频率分集、空间分集等：另一类是隐分集 技术，信号只被发送一次，但可通过其它途径获得多个副本，如交织编码、码分 l o 多址( c d m a ) 通信中的r a k e 接收机技术。 根据获得独立路径信号的方法，分集技术可分为时间分集、频率分集和空间 分集等。时间分集通过采用时间交织与信道编码，在时间域内提供信号的副本： 频率分集通过在不同的载波频率上发送符号，在频率域内提供信号的副本：空间 分集是利用多副天线来实现的。由上可见时间分集和频率分集是在时间和频率上 加入了信息冗余来获得好的分集效果，而空问分集是在同一时间和频率上的不同 天线上加入冗余，空间分集技术是在不牺牲信号频率带宽和保证数据传输速率的 同时获得分集增益，因而得到了广泛的应用，m i m o 系统的分集其实就是空问分 集。 上面提到了分集要求不同路径上的信号衰落的独立性，若不同路径上的信号 相关性较强，就可能出现同时衰落的情形，达不到分集的作用。在采用分集技术 时，为了获得好的分集效果，要求分集接收到的各个信号副本之间的相关性越小 越好。实际上，分集支路中的信号副本之间不可能呈现为完全独立。文献【1 3 】中已 经指出，只要两个信号包络的互相关系数不大于o 7 ，就可以保证能够获得足够的 分集增益。根据所采用的不同分集方式，用于传输信号副本的信道必须要在分集 方向上相互分开一定的“距离”。为了保证使信号包络的互相关系数不大于0 7 ， 对于空间分集，一般要求各个天线的分隔距离大于相干距离( c o h e r e n c ed i s t a n c e ) ； 对于频率分集，一般要求信号副本的频率间隔要大于信道的相关带宽( c o h e r e n c e b a n d w i d t h ) ，对于时间分集，一般要求信号副本之间的时间间隔要大于相干时间 ( c o h e r e n c et i m e ) 。反过来，这些相干系数一般又都取决于无线信道自身的特征。 相干距离、相干带宽以及相干时间分别反比于角度扩展( a n g l es p r e a d ) 、时延扩展 ( d e l a ys p r e a d ) 和多普勒扩展( d o p p l e rs p r e a d ) 。 接收端的分集需要对接收到的不同路径上的信号进行合并，达到提高接收信 噪比的目的，常用的合并方法有：选择性合并、最大比合并和等增益合并，具体 的合并方法可以参考【1 4 】。 2 3 3 空间分集 m i m o 技术其实就是在无线通信系统的发送端和接收端分别安置了多个天 线。我们可以把发射分集和接收分集分开来讨论。 在发射端，如果有多个天线，每个发送天线上发送的符号可以相同或不同， 在发送相同符号的情况下，并不会带来分集的增益。这就需要特殊的处理。在第3 章，根据发射机是否知道信道信息设计了两种编码的方式。 通常在接收端放置多个天线，只要这些天线之间的距离足够远，就可以达到 空间分集的效果，然后对各个天线上接收的信号按照一定的合并原则进行合并来 改善接收信噪比。第4 章，我们在统一的v b l a s t 系统中，发射端不做特殊处理， 讨论接收端各种算法提供的接收分集度。 1 2 3 空时编码技术 空时编码技术是在发射端采用特殊的编码方式提供发射分集的技术。在本章 中，分别对发射机未知信道信息的开环情况和发射机确知信道信息的闭环情况介 绍两种空时编码技术。 开环情况下的空时分组码( s t a c ) 是一种用于多发射天线的编码技术。该编码 在多根发射天线和各个时间周期的发射信号之间能够产生空域和时域的相关性。 这种空时相关性可以使接收机克服m i m o 信道衰落和减少发射误码。对于闭环情 况下的波束成型编码方法，在发射端已知信道矩阵的时，对信道矩阵进行奇异值 分解产生波束成型向量，利用波束成型向量对符号进行编码。 3 1 空时分组码 3 1 1a l a m o u t i 空时分组码 从编码发展的历史上说，a l a m o u t i 方案是第一种为发射天线数为2 的系统提供 完全的发射分集增益的空时分组码，是一种完全正交的空时分组码。 编码嚣 信息源调制器 划一隆- - 翻x 2 - - - 一 图3 - 1a l a m o u t i 空时编码器原理框图 t x l 【而一如+ 】 t z 2 【，2x i 】 蓬 最 大 似 然 解 码 霉 图3 - 2a l a m o u t i 方案的接收机 假定采用m 进制调制方案。在a l a m o u t i 空时编码中，首先调制每一组m ( i f = i o g y ) 个信息比特。然后，编码器在每一次编码操作中取两个调制符号毛和 x 的一个分组，并根据下式给出的编码矩阵将它们映射到发射天线： x ：i 而q 2l ( 3 1 ) l _ x 2 z ij 编码器的输出在两个连续发射周期里从两根发射天线发射出去。在第一个发 m 酵 丝塞窑通盔堂亟堂僮j 盆塞空鲢编西越苤 射周期中信号置和工，同时从天线1 和2 中分别发射。在第二个发射周期中，信号 一z 从天线1 发射，而i 从天线2 发射，其中耳是葺的复共轭。 很显然，这种方法既在空间域又在时间域进行编码，编码矩阵具有性质： x x “= l i x “。：i x 2 。i 工。j z ：l 工：l ：l = o 墨1 2 + l 工：1 2 ) - z ( 3 - 2 ) 其中l ，是一个2 x 2 的单位矩阵。 假设接收端采用一根接收天线。a l a m o u t i 方案接收机的原理框图3 2 所示。在 t 时刻从第一和第二根发射天线到接收天线的衰落信道系统分别用栩( f ) 和j j l 2 9 ) 表 示。假定衰落系数在两个连续符号发射周期之间不变，则可以表示为： 啊( ，) = h l ( t + t ) = j j l i = 啊k 一 魄( ，) = 如( f + d = h 2 = 性k 旭 ( 3 - 3 ) 式中，慨l 和谚( i = 1 ，2 ) 分别是发射天线i 到接收天线的幅度增益和相移，r 为持续 时日j 。 在接收天线端，两个连续符号周期中的接收信号( f 时刻t + t 时刻的接收信号 分别为，! 和，2 ) 可以表示为 ，l = 一+ ，z 2 屯+ 啊 ，2 = 呐毛+ + h 2 x l + + 1 2 ( 3 - 4 ) 其中啊和n 2 是均值为0 且功率谱密度为o 2 的独自同分布复变量，分别表示 t 时刻和r + r 时刻上加性高斯白噪声的取样。 如果能够在接收端完全恢复复信道衰落系数啊和| 1 1 2 ，那么译码器将采用它们 作为信道状态信息( c s i ) 。假定调制星座图中的所有信号都是等概率的，最大似 然译码器对所有可能的毫和圣：值，从信号调制星座图中选择一对信号( 毫，是) 使下面的距离度量最小： d 2 l ，f ，h t l 。+ h 2 x 2 ) + d 2 ( r 2 ，呐叠。+ 坞童2 ) ；h 一 毫一h z l ：1 2 + k + i ：一如毛l ( 3 - 5 ) 将式( 3 - 4 ) 代入( 3 5 ) ，最大似然译码可以表示为： c 拍枷。忠帆i 2 + 阮1 2 - 1 ) 啦阵卜2 ( i ，i ) i ，乏) 6 ， l 0 2 ) “ il 式中c 为调制符号对( 毫，x 2 ) 的所有可能的集合，毫和膏：是通过合并接收信号 和信道状态信息构造产生的两个判决统计。统计结果可以表示为： x l = 啊。+ 如，2 x 2 = h 2 * f i + 啊，2 ( 3 7 ) 将式( 3 - 4 ) 分别代入式( 3 7 ) ，统计结果可以表示为： 1 4 x 。= q 啊1 2 + l 如1 2 ) 一+ i l l 。啊+ | 1 1 2 一： 妄= ( 阮f 2 + f 岛f 2 ) x 2 一鱼吗+ 岛一 ( 3 8 ) 对于给定信道系数啊和如而言，统计结果x 。o = l ，2 ) ，仅仅是x ( f = l ，2 ) 的函数。 因此可以将最大似然译码准则式( 3 - 6 ) 分为对于而和x ：的两个独立译码算法： i = 雄曾州+ 蚓2 一t 俐 2 搿( i ，旬 = 獬寰i 啊1 2w 一料( 乏， c 。聊 电l e s fi 对于m - p s k 信号星座图而言，在给定信号衰落系数的前提下， ( h 1 2 + 忆1 2 1 ) l 毫1 2 ( f - 1 ，2 ) 对于所有信号都是恒定的。因此，可以将式( 3 9 ) 的判 决准则进一步简化为： 而= a r g m i n d 2 而，毛 t s 工2 = a r g m i n a 2 ix 2 ，工2i ( 3 1 0 ) 以上介绍的是当接收端只有一根接收天线的情况。a l a m o u t i 可以应用于接收 天线为m 的系统。该配置的编码和发射与单接收天线的情况是一样的。将第_ ，根 接收天线在t 和t + t 时刻接收到的信号分别描述为，和如， ，l = h j ，i x i + h j 2 x 2 + 愧 ，2 。= 一一i ，2 + 以2 而+ b 2 ( 3 - i i ) 式中h j ，( - ，= 1 , 2 ，n ，) 是发射天线f 到接收天线_ ，的衰落系数，啊。和一：分别为 接收天线_ ，在r 和t + t 时刻的噪声信号。 接收机基于接收信号的线性合并构造了两个判决统计结果( 表示为i 和乏) ， 由下式给出： i = 兰一1 ，l ，+ _ 。：( ，2 7 ：壹艺h ，1 2 而+ 艺l ，i ，l i ，+ h i ，：( n 2 7而= 艺一。，l 。+ _ 。：( ，2 7 ) = 艺i _ ，而+ 芝l ，。，l i ，： 。) i “ ，一勺。(rz-)；童釜k，2x+=芝harl兰 - 一h j 。( 丹：7 x ： 。一勺。) = 芝i _ ，芝_ 。 。