（信号与信息处理专业论文）mimoofdm通信系统中基于有限反馈的预编码技术研究.pdf

摘要 多天线发送多天线接收( m i m o ) 和正交频分复用( o f d m ) 两种技术的结合被认为是 未来无线宽带通信最有效的传输技术之一，既可以很好的解决未来宽带无线通信系统中信道 的多径衰落和带宽效率这两个最严峻的挑战，又能够提高系统容量和传输可靠性。波束成形 和联合接收，在m i m o 系统中与传统的空时编码相比，可以提供相同的分集增益和更高的 阵列增益( 发射端需要知道信道状态信息) 然而当系统中前向链路和反向链路的信道信息不 对称时( 例如f d d 双工模式) ，为使基站发射端知道信道状态信息( c s l t ) ，就需要用户将下行 信遭信息或者发射波束矢量信息进行量化，并通过有限带宽的反馈信道反馈给基站 为了在实现发射端预编马时减少反馈量，比较有效的方法之一是采用基于预编码矩阵码 本或波束成形码本的方案，称为有限反馈预编码( 或波束成形) ，其思想是先根据信道的统计 特性设计一组优化的预编码矩阵或波束，构成个码本，该码本在发射端和接收端均已知， 接收端根据估计的信道矩阵和一定的性能准则选择码本中的一个码字用作发送端预编码或 波束，将其在码本中的序号反馈给发射端。 本文首先讨论了移动通信中的m i m o 技术和o f d m 技术。第一章介绍了m 1 m o 通信的 基本原理、m i m o 系统的特点、平衰落m i m o 信道的模型，以及o f d m 技术的发展历史、 系统原理和应用现状。 第二章主要介绍了预编码的基础知识和基本方法。首先介绍了c s i t ( c h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o na t t r a n s m i t t e r ) 的概念，讨论了c s i t 对系统性能的改善，并对其信道容量的改善 进行了m a t l a b 仿真。然后介绍了m i m o 系统预编码的几种基本方法，主要包含基于迫零的 线性预编码、基于m m s e 准则的线性预编码、基于信道矩阵奇异值分解( s v d ) 的预编码算 法以及非线性的t h p 预编码方法。 第三章主要讨论了基于有限反馈预编码的码本设计问蘧具体研究了3 种码本设计方 法，分别为：美国高通公司在3 g p p 2a l e 移动通信标准中其最终提案的预编码码本的设计 方法、g r a s s m a n n l a n 直线打包码本设计方法和基于b e r 准则的码本设计方法，论文逐个分 析了它们的基本原理，并完成了系统仿真和性能分析。 第四章深入研究了m m o - o f d m 系统中发射波束成形的码本设计问题，针对各用户有 多个子载波的实际情况，研究了如何通过波束插值来降低反馈量，或提高各子载波上波束成 形的整体性能。重点设计了3 种新的波束插值方法，并对各种插值算法进行性能仿真和比较 关键词：多输入多输出，正交频分复用，预编码，有限反馈 东南大学顼士论文 a b s t r a c t t h ec o m b i n a t i o no fm i m oa n do f d m t e c h n i q u e si sr e g a r d e da so l l eo ft h eb e s tt r a n s m i s s i o n m e t h o di nt h ef u t u r ew i r e l e s sb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o n i tn o to n l ys o l v e st h e p r o b l e m so f m u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e la n db a n d w i d t he f f i c i e n c yw e l l , b u ta l s oe n l a r g e st h es y s t e mc a p a c i t ya n d a c h i e v e sh i g h l yr e l i a b l et r a n s m i s s i o n t r a n s m i tb e a m f o r m i n ga n dr e c e i v ec o m b i n i n gi nam i m o s y s t e m , c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ls p a c e - t i m ec o d i n g , c a np r o v i d et h es a m ed i v i s i o ng a i n sa n dm o l r e m a t r i cg a i n s , w h i c ht h et r a n s m i t t e rn e e dk n o wt h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o nf i r s t l y w h i l et h e f r o w a r da n dr e v e r s el i n k sa r cn o tr e c i p r o c i t y , f o re x a m p l e ，t h ef d dm o d e , t h i sn e e dt oc o a r s e l y q u a n t i f yt h ec h a n n e lo rt h eb e a m f o r m i n g b e c a u s eo fl i m i t e d - r a t ef e e d b a c k w eq u a n t i z e dt h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o no ft h eb e a n t f o r m i n gv e c t o r sa n ds e n t t ot h e t r a n s m i t t e ro v e ral i m i t e d - r a t ef e e d b a c kc h a n n e lc a l l e dl i m i t e df e e d b a c kp r e c e d i n gt ob r i n gd o w n t h ef e e d b a c ki n f o r m a t i o n f i r s tw ed e n o t em a 仃i c e sa n dc o l l e c tt h e ni n t oac o d e b o o k , w h i c bh a s k n o w na tt r a n s m i n a ra n dr e c e i v e r b a s e do nt h ec u r r e n tc h a n n e lr e a l i z a t i o n , t h er e c i v e rw i l ld e c i d e w h i c hc o d e w o r df r o mt h ec o d e b o o ki st h em o s tf a v o r a b l ea n di n f o r mt h et r a n s m i t i e rt os w i t c ht o t h a tp l v , o d d e rb yf e e d i n gb a c kc o d e w o r di n d e x t h i sa r t i c l ef i r s td i s c u s s e st h et e c h n i q u eo fm i m o s y s t e ma n do f d ms y s t e m t h ef i r s tc h a p t e r i n t r o d u c e sm a m os y s t e mp r i n c i p l ea n dc o n s t r u c t i o na sw i l la sc h a n a c t e r i s t t h e nd i s c u s s e s t h e h i s t o r yo fo f d mt e c h n i q u ea n dp r i n c i p l ea sw i l la sr e o e ma p p l i c a t i o ns i t u a d i o n t h es e c o n dc h a p t e rm a i n l yd i s c u s s e s t h eb a s i ck n o w l e d g eo fp r e c o d i n g f i r s t l yi n t r o d u c e s c s l t , t a k ea b o u ts y s t e mp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t sw i t hc s l t , a n dt a k es i m u l a t i o na b o u tc h a n n e l c a p a c i t yc a m p a r e dw i t hn oc s i t s e c o n d l yd i s c u s s e st h eb a s i cp r o c o d i n gk n o w l e d g e ，i n c l u d i n gz f l i n e a rp r e c o d l n g , m m s el i n e a rp r e c o d i n g , s v dp r e c o d i n ga n dt h p p r e c o d i n gt e c h n i q u e s c h a p t e rt h r e ei sd e v o t e dt op r e c e d i n gd e s i g np r o b l e mi nat h el i m i t e d - r a t ef e e d b a c km i m o s y s t e m w ed i s c u s st b x c em a i nt e c h n i q u e sf o rd e s i g n i n gt h ep r e c o d i n gc o b o o k , t h ea p p r o a c h p r e s e n t e db yo u a l c e m mc o r p ，g r a s s m a n n i a nb e a m f o r m i n gc o d e b o o kd e s i g nf o rm i m os y s t e m a n db e rc r i t e r i o na n dc o d e b o o kc o n s t r u c t i o nf o rf i n i t e d - r a t ep r e c o d e dm i m o s y s t e m f i n a l l y , i nt h ec h a p t e rf o u r , w ed i s c u s st h ec o d e b o o kd e s i g np r o b l e mi n t h em i m o - o f d m s y s t e m a n db r i n go u tt h r e en c wb e a m f o r m i n gi n t e r p o l a t i o na p p r o a c h e s i na d d i n g , w es i m u l a t ea u t h eb e a m f o r m i n gi n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m k e y w o r d s ： m i m o ，o f d m ，p r e c o d i n g , l i r a r o d - r a t ef e e d b a c k 目录 图形目录 图1 - 1 平衰落m i m o 信道模型1 1 图1 2o f d m 收发系统框图1 3 图2 - 1 接收端得c i s t 下系统模型1 9 图2 - 2 注水算法2 1 图2 34 根发射天线2 根接收天线r a y l e i g h 衰落信道信道容量曲线图2 1 图2 4 通用预编码框图二2 2 图2 - 5z f 预编码系统结构图2 4 图2 - 6 基于奇异值分解预编码系统结构2 5 图2 7t h p 算法m i m o 系统结构图2 6 图2 8 开环空时编码与波束空时编码结合m i m o 系统误符号率性能比较图2 7 图3 1 基于有限信道反馈预编码m i m o 系统结构图3 0 图3 - 2g r a s s m a n n l a n 直线打包有限反馈预编码m i m o 系统结构图。3 4 图3 - 3 基于b e l l 准则的有限反馈预编码结构图。3 7 图3 4 基于b e r 准则和高通公司码本设计方法性能比较图。4 1 图禾1 系统流程爵，子载波数是，发射天线是f ，接收天线，4 3 图4 - 2 乡村，移动速度y 一3 0 k m h ，波束相关和信道相关4 6 图4 3 乡村，移动速度v 一1 2 0 o n h ，波束相关和信道相关4 6 图禾4 城区，移动速度p 一3 0 o n h ，波束相关和信道相关4 7 图4 - 5 城区，移动速度p 一1 2 0 o n h ，波束相关和信道相关4 7 图禾6 乡村，v = 3 0 k i n h ，无信道编码的量化的波束插值5 0 图禾7 乡村，va6 0 k i n h ，无信道编码的量化的波束插值b e l l 5 1 图4 8 乡村，v 一1 2 0 k i n h ，无信道编码的量化的波束插值b e r 5 1 图禾9 城区，v 一3 0 k m h ，无信道编码的量化的波束插值b e r 5 2 图4 - 1 0 城区，1 ，一6 0 k m i h ，无信道编码的量化的波束插值b e r 5 2 图4 - 1 1 城区，- 1 2 0 k i n h ，无信道编码的量化的波束插值b e r 5 3 图4 - 1 2 乡村，v 一3 0 k i n h ，无信道编码的量化的波束插值互信息量一5 4 图4 - 1 3 乡村，y 一6 0 k m h ，无信道编码的量化的波束插值的互信息量5 4 图4 - 1 4 乡村，y 一1 2 0 k i n h ，无信道编码的量化的波束插值的互信息量5 5 图4 1 5 城市，y 一3 0 k i n h ，无信道编码的量化的波束插值的互信息量。5 5 图4 1 6 城市，v 一6 0 k m h ，无信道编码的量化的波束插值的互信息量5 6 图4 - 1 7 城市，1 ，。1 2 0 k i n h ，无信道编码的量化的波束插值的互信息量5 6 4 东南大学顽士论文 表格目录 表3 - 1 各种码字选取准则定义3 l 表3 2 针对不同发射天线及数据流数目，码本大小和列矢量索引表3 3 表4 - 1 信道多径的功率分布图4 5 表4 2 波束插值的计算复杂度表1 5 7 表4 - 3 波束矢量插值计算复杂度表2 。5 8 5 符号说明 符号说明 符号英文说明中文说明 t r a n s p o s eo f ( ) h e r m i f i a no f ( ) c o n j u g a t eo f ( ) i n v e r s e o f0 e u c l i d i a nn o r mo f0 m a t r i xo f s i z emx n f t hr o wo f m a t r i x j - t hc o l u m n o f m a t r i x t h e ( f ，j ) t he l e m e n to f ( ) i d e n t i t ym a t r i xo fn d i m e n s i o n e x p e c t a t i o n d i a g o n a lm a t r i xw i t hm a i nd i a g o n a l x t r a c e o f0 d e t e r m i n a n to f ( ) p r o b a b i l i 哆d i s m b u t i o nf u n c t i o n 6 转置 共轭转置 共轭 矩阵求逆 欧氏范数 m n 维矩阵 矩阵的第f 行 矩阵的第j 列 矩阵的第o ，) 个元素 维单位矩阵 期望 由矢量x 构成的对角阵 矩阵的迹 矩阵的行列式 概率分布函数 9 d j 忸 ) 伊妒矾配呲b珊：lf哪蛾砌 东南大学硕士论文 英文缩略语表 英文缩写 英文全称中文含义 0 涮g h b e r b l a s t c s l 凹 c s c s i r d f r ) i t 小m o m l 删s e m s e o f d m o a m s 职 s t s 矾r s n r s v d t d d 珊 v b l 栅 孙 a d d i t i v ew “t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e b e l ll a b sl 丑y e r e ds p a c e - t u n e c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n c y c l i cp 】施 c s ia tt r a n s m i t t e r c s ia tr e c e i v e r d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m i n v e r s ed i s c r e t ef o y e rt r a n s f o r m m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m a x i m u i nl i k e l i h o o d m i r a m u mm e a n s 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 l n g q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n s y m b o le r r o rr a t e s i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i o s i g n a li oi n t e r f e r e n c en o i s er a t i o s i g n a l - t o - n o i s er a t i o s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n t m l ed i v i s i o nd u p l 既 t o m l i n nh a r a s h i m ap r e c o d i n g v e r t i c a lb e l ll l b 3l a y e r e ds p a c e - t i m e z e r of o r c i n g 7 加性白高斯噪声 误比特率 分层空时码 信道状态信息 循环前缀 发射端信道状态信息 接收端信道状态信息 离散傅立叶变换 离散傅立叶反变换 多输入多输出 最大似然 最小均方误差 均方误差 正交频分复用 正交幅度调制 误符号率 信号干扰比 信号干扰噪声比 信噪比 奇异值分解 时分双工 预编码方法 垂直分层空时码 迫零 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：日期： 1 1 研究背景 第1 章绪论 在最近的1 0 到2 0 年内，无线通信成为了通信领域的研究热点，各种新的无线通信技术 成为了学术界和产业界的研究和开发的热点人们不但采用无线通信来扩展自身的通信范 围，同时也大量采用无线通信来替代不方便的有线通信随着无线通信需求的日益增长和实 现技术的日新月异，无线通信技术向更高的传输数率，更大的系统容量，更高频谱利用率和 更适合各种信道条件的方向发展 由于无线传播环境中的散射、反射和衍射带来的多径衰落是造成无线通信系统性能恶化 的一个主要因素，分集作为对抗衰落的一种有效技术长期以来一直受到人们的关注。常用的 分集技术有时间分集、频率分集和空间分解等f 1 】。其中，空问分集技术由于不需要占用额 外的传输时间或带宽两受到人们的青睐上个世纪九十年代后期，b e l l 实验室提出了一种新 的无线通信技术，即m i m o 多天线无线通信技术。m 1 m o 是多输入多输出( m u l t i p l e - i n p u t m u l t i p l e - o u t p u 0 的简称，该通信系统在其发射端和接收端采用多天线，从而实现了多个数据 流在相同时间和相同频带内的传输和接收。f o s c h i n i 和t e l a t a f 等已经证明f 4 】【5 】：m i m o 系 统的信道容量随着发射天线数的增加呈近似线性的增长。由于m i m o 通信能够极大地提高 系统地频带利用率、满足高速率通信地需求，因此得到了广泛的关注和研究，m i m o 技术 已经成为下一代移动通信中非常具有发展前景的技术之一 与此同时，正交频分复用( o f d m ：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 ) 技术也在 学术界和工业界都得到了广泛的关注，o f d m 是一种高效的多载波传输技术，它将高速串 行数据流通过串并变换，转化为传输速率相对比较低的数据流，在一组子信道中传输。由于 o f d m 中各子载波相互正交，在频域上各子信道相互重叠，因而它能够提供比一般频分复 用系统高很多的频谱利用率。因此，同时采用m i m o 和o f d m 技术的通信系统已经成为未 来通信系统最热门的候选方案之一【2 】。 本文主要针对有限反馈的闭环m 1 m o 系统预编码问题进行详细设计和仿真，同时对有 限反馈m i m o - o f d m 系统中预编码的码本设计与实现也进行了详细研究。 8 东南大学硕士论文 1 2m i m o 移动通信技术 1 2 1m i m o 概述 下一代地宽带无线通信系统需要为用户提供高速无线i n t e m e t 按入、无线视频以及移 动计算等无线多媒体业务。然而无线信道中的衰落、多径干扰、噪声等成为影响无线通信质 量的主要因素从信息论的角度已经证明，多天线技术可以大大增加无线通信系统的容量， 改善无线通信系统的性能，非常适合新一代移动通信系统中高速率业务的要求。m i m o 技 术通过在发射端和接收端分别配置多根天线，发送天线阵列和接收天线阵列被用来提供空间 分集增益( 在给定传输速率情况下可以提高可靠性) 和空间复用增益( 在给定传输可靠性的情 况下提高传输速率) ，因此m i m o 技术可以充分利用空间资源，在不增加系统带宽和天线总 发送功率的情况下，有效地对抗无线信道衰落的影响，大大提高通信系统的频谱利用率和信 道容量。从b e l l 实验室公布的数据中，采用8 天线收发的d - b l a s t 系统可以获得4 2 b p s a z 的频谱利用率，是单天线收发系统的4 0 多倍【3 】现在m i m o 技术已经在通信系统中得到广 泛应用，如b e l l 实验室的b l a s t 试验系统、3 g p pl t e 的w c d m a 系统、3 g p p 2a i e 的 c d m a 2 0 0 0 系统、无线城域网、无线局域网以及正在制定的移动宽带无线接入方案等均已 经采用或者计划采用m 1 m o 技术 1 2 2 m m o 特点 多天线系统在无线通信系统的发射端和接收端都配置多根天线。 在发射端，二进制数据输入到发送处理模块中。在这里。输入信息进行编码，星座映射、 加权、然后送到各根发送天线上，经过上变频、滤波和放大后发送出去。 在接收端，接收机将多根接收天线接收的信号进行解调、匹配滤波，接收处理和译码、 以恢复原始数据可见，多天线系统的出发点是将发送天线和接收天线相结合以改善每个用 户的通信质量和通信效率。m i m o 系统的核心思想是空时信号处理，即在原来时间维的基 础上，通过使用多根天线来增加空问维，从而实现多维信号处理，获得空间复用增益或空间 分集增益。 信道容量 信道容量是表征通信系统的最重要标志之一，信道容量表示通信系统的最大信息传输数 率首先对m i m o 系统的信道容量进行较深入分析的是b e l l 实验室的t e l a t e f 和f o s c h i n i 他们对高斯噪声下多天线系统信道容量的研究表明，在假设各天线互相独立的条件下，多天 线系统的容量比单天线系统有显著的提高考虑具有m 根发送天线和，根接收天线的 9 绪论 m i m o 系统，在接收端准确已知信道状态信息的情况下，m - ，时得到与m 成线性增加 的信道容量这些增加的信道容量可以用来提高信息传输数率，也可以通过增加信息冗余度 来提高通信系统的传输可靠性，或是在两者中进行折中【4 f f l 。 空间复用提高系统的频谱利用率 空间复用就是在接收端和发射端使用多根天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同 一频带上使用多个数据通道( m i m o 子信道) 发射信号，从而使得容量随着天线数量的增加而 线性的增加。这种信道容量的增加不需要占用额外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率， 因此是提高信道和系统容量一种非常有效的手段在对信道容量研究的基础上，f o s c m n i 等 人提出了分层空时结构，建立了b i a 趼多天线试验系统。在试验中获得了2 0 捌阻，隅册z 的 频谱利用率。由于这种b l a s t 系统是将高速信源数据按照发送天线数目串并变换为若干子 数据流，独立进行编码、调制，然后分别从各根天线上发送出去，因此严格说它不是基于发 射分集，而被称为空间复用技术由于这些数据流占据相同的频带，因此经过无线信道后， 信号发生混合。在接收端，利用估计的信道特性，接收机按照一定的译码算法分离独立的数 据流并给出其估计值。 空阅分集提高系统传输可靠性 空间分集的目的就是提高信道的可靠性，降低信道误码率。空间分集可以分为接收分集 和发射分集两类无线信号在复杂的无线信道中传播产生瑞利衰落，在不同的空问位置上其 衰落特性不同。如果两个位置间隔大于天线之间的相关距离( 通常相隔十个信号波长以上x 可以认为两处的信号完全不相关。这样可以实现信号空间分集接收。空间分集一般用两副或 者多副大于相关距离的天线同时接收信号，然后在基带处理中将多路信号合并。在s i m o 系 统中接收分集技术可以分为最大比合并( m r c , m a x i m a lr a t i oc o m b i n i n g ) 、等增益合并f e g c ， e q u a ig a i nc o m b i n i n g ) 和选择分集合并( s d c , s e l e c t i v ed i v e r s i t yc o m b i n i n g ) - 一种类型。在最大 比合并的接收中，每一副天线的输出用一个复数加权，然后相加；等增益合并接收使各副天 线的输出信号保持相同，然后相加；选择分集合并接收中，简单地选择众多信号中的一个质 量最好的天线的信号，并使用该信号作为接收到的信号。由于最大比合并之后信号的信噪比 等于合并之前各支路的信噪比之和，因此是最佳的合并方式。 发射分集就是将分集的负担从用户终端转移到基站端，然而采用发射分集的主要问题是 在发射端不知道衰落信道的信道状态信息c s l 。因此必须采用信道编码来保证各信道具有良 好的性能，具体是采用空时编码。空时码( s 1 e s p a m m ec o d e ) 是信道编码设计和多发射天 线的结合，由a t & t 实验室的t a r o k h 等人提出空时码在将数据分成n 个数据子流在副 天线上同时发射时，建立了空问分离信号( 空域) 和时间分离信号( 时域) 之间的关系，而且在 采用最大比合并( m r r c , m a x i m a lr a t i or e c e i v ec o m b i n i n g ) 技术接收时，这些空时码方案可以 获得相同的分集增益和一定的编码增益f 6 1 。 基于分集发射的空时码可以分为空时格码( 翻广r c ，s p a m m ct r e l l i sc o d e ) 和空时块码 1 0 东南大学硕士论文 ( s t b c , s p a c e - t i m eb l o c kc o d e ) 【刀空时格码有较好的性能，但其译码复杂度与传输数率成 指数关系，实现难度较大。s m a l a m o u t i 在文献中论证了通过一定的信道编码可以将1 x 2 的 接收分集增益转换成2 x l 的发射分集增益而不会损失分集增益，这可以认为是空时块码的 原始模型在这个基础上t a r o k h 系统提出了空时块码，满足正交设计理论的空时块码性能 稍逊于空时格码，但其译码复杂度低，还能得到更大的发射分集增益。经过空时编码的信号 经过多条相关性较小的无线信道到达接收端，接收端通常需要知道各无线信道参数，印信道 估计，可以使用基于导频训练序列进行信道估计，也可以使用盲信道估计方法。 1 , 2 3 平衰落m i m o 信道模型 图1 - 1 给出了一个平衰落m i m o 信道模型。对于一个r 根发射天线，根接收天线 的m i m o 系统，平衰落m i m o 信道可以表示为如下 ，；x 坼维的矩阵： h “) 一 啊。( 一) ：( 一) 。( n ) 1 1 2 。( 一) k ( 一) ；( n ) ；! 三 ，( 一) k ：n ) 聃( 一) 其中扣) 表示第月时刻从第，根发射天线到第i 根接收天线之间的信道响应。如果信道是 准静止的，则在一个数据块内可以省略参数n 。于是，图1 - 1 所示的平衰落m i m o 信道的传 输关系为： yhx+u(22-2) 其中y 是虬1 维的接收信号向量，x 是r x l 维的发射信号向量，n 是加性白高斯噪声， 其自相关阵为i k - e n n 8 卜 r o l r 。在本章下面的讨论中，我们假设各天线上发射的信号 相互独立，且各信号均值为o ，方差均为1 ，故x 满足e x l - o ，r 。一e x x | ! r ) 一i 脚 x v - - - - - - - - - - - - j i丫 - - - - - - - - - - - - - j v；r v： i： 丫! i - - - - - - 一 田1 - 1 平衰落m i m o 信道模型 1 1 _ui 绪论 1 3o f d m 技术概述 1 3 1o f d m 发展历史 o f d m 技术最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期，但是c h a n g 等人【8 】在1 9 6 6 年首次阐明 了我们现在称之为o f d m 的技术，他提出一种在线性带限信道上同时传输多路信号的方法， 可以同时避免信道间干扰( i c i ：i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 和符号间干扰( i s i ：i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ) 。由c h a n g 提出的多信道传输系统与传统多载波传输技术的区另在于子载波的 频谱可以相互叠加，其条件是它们是相互正交的 1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 9 1 将离散傅里叶交换( d f t - d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ) p 直用 于o f d m 系统调制和解调，而d f t 可由快速傅里叶变换( f i mf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 高效 地实现。这样系统就无需用一组振荡器来产生多个子载波，而是通过基带处理实现频分复用， 从而大大地降低了调制解调的复杂度。为了消除线性时不变信道的i c i 和i s l , 他们提出通过 插入一段空白区作为保护间隔来消除o f d m 块问干扰，但是这并不能保证信号经过弥散信 道后备子载波仍保持正交性 在o f d m 的发展过程中，另一个重要贡献应归功于p e l e d 和r u i z 1 0 1 。他们在1 9 8 0 年 提出了循环前缀( c p ：c y c l i cp r e f i x ) 的概念，用于保持子载波的正交性。与通常在符号问插 入空的保护问隔的做法不同，他们提出在发射端做i f f t 之后将o f d m 符号的n j = d - - - 段样点值 复制到该符号的前面作为循环前缀，从而使得信道与传送符号之间的线性卷积等效为循环卷 积，在接收端做f f t 之前先舍弃循环前缀中的各样点。于是，当c p 长度大于信道的最大时 延扩展时，可以消除前一个o f d m 块的延迟分量对后一个o f d m 块造成的干扰。当然 o f d m 系统中加入循环前缀，会带来发射功率和传输速率的损失，因此在实际系统中可以 根据信道特性选择c i 的长度 1 3 2o f d m 系统基本结构 o f d m 收发系统框图如图1 2 所示。 在发送端，首先对发送数据流进行编码、交织、映射、串并变换，将一路信号分成并行 的路，做点i f f t 变换把数据调制到正交的子载波上并行发送，把i f f t 变换后得到的 个样点称作一个o f d m 符号，再把符号最后的个样点复制到最前面。作为c p ，通过 d a 变换从发送机发送出去。接收端对射频信号下变频后进行抽样，得到离散的样点，然后 通过定时估计找到o f d m 符号的起始位置，去除c p 部分，并对c p 后面的个样点作点 f f t 变换，利用差分解调或基于信道估计参数辅助的相干解调，再对解调后数据进行解交织， 解码得到初始的数据 东南大学硕士论文 发送致 i 图1 - 20 f d m 收发系统框图 从框图中可以看出，o f d m 系统较单载波系统有一些特殊的模块。第一个特殊性是 o f d m 系统子载波相互正交，发送端用i f f f 实现调制，接收端用f f t 实现解调，将每一路 信号分离出来。第二个特殊性是循环前缀的引入，发送端将符号的最后个样点复制到最前 面，作为c p 。接收端去除循环前缀，这样的操作使得发送信号与信道的线性卷积转换为循 环卷积，有效地对抗了频率选择性信道的符号问干扰o s d 1 , 3 , 3o f d m 优缺点 o f d m 技术的优点包括： 1 o f d m 将频率选择性信道划分为一组平衰落的子信道并行传输数据，从而有效地减小 了信道时延扩展的影响，而且当循环前缀的长度大于信道最大时延扩展时，接收机中可 以不采用均衡器。 2 o f d m 的各子载波信道的频谱相互重叠，且每个子信道频域响应的峰值点恰为其它予 信道频域响应的零点，因而既保证了子载波的正交性，也充分利用了频谱资源 3 可利用f f r i f f r 快速高效的实现调制解调。 4 可以根据信道特性自适应地进行各子载波上的功率分配以及选择不同的调制方式，充分 利用条件好的子信道以提高系统性能 然而，o f d m 技术也存在一些缺点： 1 与单载波系统相比，o f d m 对频率偏差更加敏感。无线信道的时变性造成的多普勒频 移，或者发射机和接收机本地振荡器的频率偏差都会破坏子载波的正交性，从而导致 i c i z o f d m 存在较高的峰值平均功率比，这是由于o f d m 的输出信号由多个子信道上的信 号叠加而成，当这些信号的相位一致时，输出信号的瞬时功率会远远大于平均功率高 峰均比对发射机内的线性放大器提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信 1 3 号幅度的变化，就会造成信号波形和频谱的畸变，因而破坏子载波的正交性 1 3 4o f d m 应用现状 目前，o f d m 技术已被众多无线传输标准采纳，比如数字音频广播( d a b ：d i g i t a l a u d i o b r o a d c a s t i n g ) ，数字视频广播( d v b ：d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) ，无线局域网( w l a n ： w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) i e e e8 0 2 1 1 a g n 和h i p e r l a n , r 2 ，无线城域网( w m a n ： w i r e l e s sm e t r o p o l i t a n a r e an e r o ) i e e e8 0 2 1 6 d e 标准。此外，o f d m 也是未来移动通信 系统的关键技术。 1 4 本文工作概述 本文主要探讨了m i m o 系统中基于有限反馈的预编码问题。包含预编码参数和码本的 设计问题，以及码字的选择选择问题，同时结合o f d m 系统，在加m o 旬f d m 系统中利用 插值原理，使得不需要反馈所有子载波上的波束成形矢量信息，从而大大减少了反馈的信息 量；而相比于用户所有子载波都采用一个波束成形矢量的方案，它可实现更精确的波束成形， 提高系统整体性能。各章内容如下： 第一章介绍了m i m o 通信的基本原理、m i m o 系统的特点、平衰落m i m o 信道的模型， 以及o f d m 技术的发展历史、系统原理和应用现状。 第二章主要介绍了预编码的基础知识和基本方法。首先介绍了c s i t ( c h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o na t t r a n s m i t t e r ) 的概念，讨论了c s r f 对系统性能的改善，并对其信道容量的改善 进行了m a f l a b 仿真。然后介绍了m i m o 系统预编码的几种基本方法，主要包含基于迫零的 线性预编码、基于m m s e 准则的线性预编码、基于信道矩阵奇异值分解( s v d ) 的预编码算 法以及非线性的t h p 预编码方法。 第三章主要讨论了基于有限反馈预编码的码本设计问题。具体研究了3 种码本设计方 法，分别为：美国高通公司在3 g p p 2a l e 移动通信标准中其最终提案的预编码码本的设计 方法，g r a s s m a n n i a n 直线打包码本设计方法和基于b e r 准则的码本设计方法，论文逐个分 析了它们的基本原理，并完成了系统仿真和性能分析。 第四章深入研究了m i m o - o f d m 系统中发射波束成形的码本设计问题，针对各用户有 多个子载波的实际情况，研究了如何通过波束插值来降低反馈量，或提高各子载波上波束成 形的整体性能。重点设计了3 种新的波束插值方法，并对各种插值算法进行性能仿真和比较。 本文的具体工作可总结为如下的4 个方面： ( 1 ) 研究了c i s t 对m i m o 系统容量的改善，并进行了计算机仿真通过仿真发现：有c s l t 1 4 东南大学硬士论文 与无c s i t 相比，在s n r 较高时，m i m o 系统平均容量增加显著，例如在跚限= 1 5 m 时，其容量增加抽p s f h 蔓在s n r 较低时，c s r r 也能在一定程度上增加系统平均容量 因此发射端可根据c s r r 来调整m i m o 系统发射能量到信道增益较强的子信道上；然而， 在没有c