（电磁场与微波技术专业论文）mimo系统中基于容量的接收天线选择算法的研究.pdf

摘要 m i m o 技术能够有效地利用多径效应，不仅能使系统容量成倍地提高，而且 可以在不增加系统带宽和发射功率的的情况下，使频谱利用率成倍地提高，通信 质量得到明显的改善。但是与此同时，系统的射频成本也将大大增加。前人的研 究表明，通过天线选择可以提高系统的性价比，但是性价比的提高程度又受天线 选择算法优劣的影响。 原有的天线选择算法大部分集中于对固定天线数目的算法研究，然而在实际 的无线通信系统中，不同无线环境的空间信道相关性存在很大的差异，所以对结 合链路自适应技术的可变天线选择算法的研究显得尤为重要。 本文从信道容量最大化的角度对m i m o 系统的天线选择算法进行了分析总 结，以这些天线选择算法为基础，提出了新的天线选择算法，并将该算法同原有 的算法进行了比较。 仿真结果表明，新算法不仅能够提供与最优算法接近的信道容量，而且能够 根据信道状态自适应的改变所选天线的数目，在天线相关系数较低的情况下，新 算法通过选择较多的天线来实现较高的信道容量；在天线相关系数较高的情况 下，新算法选择较少的天线就能满足较高信道容量的要求，从而能够减少射频链 路的使用个数，并且简化后续解调和译码的难度。所以，新算法能够适用于相关 性不同的无线环境中，在实际应用中更具灵活性。除此之外，该算法具有较低的 计算复杂度，能够满足信号实时性传输的要求。 关键词：m i m o 系统天线选择信道容量可变天线数目 a b s t r a c t r e c e n t l yp r o p o s e dm u t i p l e - i n p u tm u t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) a n t e n n as y s t e m sc a n n o to n l ym u l t i p l et h ec h a n n e lc a p a c i t y , b u ta l s om u l t i p l et h es p e c t r u me f f i c i e n c y w i t h o u ti n c r e a s i n gt h eb a n d w i d t ha n dt r a n s m i tp o w e rb yu s i n gm u l t i p a t he f f e c t s ot h e q u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o nc a nb ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y 。b u ta tt h es a m et i m e ，t h e c o s to fr f ( r a d i of r e q u e n c y ) c h a i n sw i l lb ei n c r e a s e dg r e a t l y p r e v i o u sr e s e a r c h e s s h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c ep r i c er a t i oo fm i m os y s t e mc a nb ei m p r o v e db ya n t e n n a s e l e c t i o n ，b u tt h ei m p r o v e m e n td e g r e ew i l lb ei n f l u e n c e db yt h ep e r f o r m a n c eo f a n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h m s m o s to ft h ep r e v i o u sa l g o r i t h m sc o n c e n t r a t eo nt h er e s e a r c ho ff i x e dn u m b e ro f a n t e n n a s b u ti nd i f f e r e n tp r a c t i c a lw 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 ，t h es p a t i a l c o r r e l a t i o n sb e t w e e nc h a n n e l sa r eo fg r e a td i f f e r e n c e s oi t i so fg r e a ti m p o r t a n c et o s t u d yo nv a r i a b l en u m b e ra n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h mo fl i n ka d a p t a b i l i t y a n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h m sb a s e do nm a x i m i z ec a p a c i t yh a v eb e e na n a l y s e d a n ds u m m a r i z e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h e s ea l g o r i t h m s ，t h ei m p r o v e da n t e n n a s e l e c t i o na l g o r i t h mh a sb e e np r o p o s e d ，a n dc o m p a r i s o n sa r em a d eb e t w e e nt h e p r o p o s e da l g o r i t h ma n dt h ep r e v i o u sa l g o r i t h m s t h es i m u l a t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h mc a nn o t o n l yp r o v i d ec h a n n e lc a p a c i t yw h i c hi sc l o s et ot h eb e s ts e l e c t i o na l g o r i t h m ，b u ta l s o c h a n g et h en u m b e ro fa n t e n n aa d a p t i v e l ya c c o r d i n gt o t h ec h a n n e ls t a t e m o r e a n t e n n a sw i l lb es e l e c t e dt oi m p r o v ec h a n n e lc a p a c i t yw h e nt h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t i sl o w , a n df e w e ra n t e n n a sw i l lb es e l e c t e dt or e d u c et h en u m b e ro fr fc h a i n sa n d d e c r e a s et h e d i f f i c u l t y o fd e m o d u l a t i o na n dd e c o d i n g ，u n d e rt h ec o n d i t i o no f s a t i s f y i n gt h ec a p a c i t yo fm i m os y s t e m t h e r e f o r et h ep r o p o s e da n t e n n as e l e c t i o n a l g o r i t h m c a nb e a p p l i e d t ow i r e l e s se n v i r o n m e n tw i t hd i f f e r e n tc o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t sa n di t sm o r ef l e x i b l ei np r a c t i c a la p p li c a t i o n s i na d d i t i o n ，t h ep r o p o s e d a l g o r i t h mh a sl o wc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y ，w h i c hc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to f t r a n s m i t t i n gs i g n a l so nr e a lt i m e k e yw o r d s - m i m o s y s t e m ，a n t e n n as e l e c t i o n ，c a p a c i t y ，v a r i a b l en u m b e r o fa n t e n n a s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他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。 学位论文作者签名：刮皎 签字日期：2 口d 8年多月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：剥使 签字日期：2 吕年石月r 日 导师签名：李战 导师签名：z 够荡 签字日期：二o 矿年厂月厂日 第一章绪论 1 1 无线通信技术的发展 第一章绪论 随着社会的发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信的要求也日益提高， 人们理想的目标是能在任何时候、任何地方、与任何人都能及时沟通联系、交流 信息。显然，如果没有无线通信，这种愿望是无法实现的。众所周知，无线通信 是指通信的双方或至少有一方处在运动中进行信息传输和交换。 人类采用无线通信的历史可以追溯到遥远的古代。但是在1 9 世纪末之前，人 们都只是采用十分直观的方式实现简单的信息传输，古代战争中的烽火台、旌旗 都是直观无线通信的例子。1 8 6 4 年，英国物理学家j c m a x w e l l g j 造性地总结了人 们己有的电磁学知识，预言了电磁波的存在。1 8 8 6 年，德国物理学家h h e r t z 用 实验产生出电磁波，证明了j c m a x w e l l 的预言。1 8 9 7 年，意大利科学家g m a r c o n i 首次使用无线电波进行信息传输并获得成功。在后来的一个多世纪的时间里，在 飞速发展的计算机和半导体技术的推动下，无线移动通信的理论和技术不断取得 进步，今天的移动通信技术已经成为人们日常生活中不可缺少的重要通信方式。 早期的无线通信主要用于船舶、航空、列车、公共安全等专用领域，用户数 量很少。2 0 世纪6 0 年代，b e l l 实验室提出了蜂窝的概念，使无线通信摆脱了传统 的大区制结构，为无线通信的大规模商用奠定了基础。2 0 世纪7 0 年代，具有高可 靠性的固态微型射频硬件的发展使移动通信逐渐成熟起来。从2 0 世纪7 0 年代末到 现在的不到三十年的时间里，无线通信的发展已经经历了三次大的变革，进入了 一个飞速发展的时期。 1 1 1 第一代无线通信系统( 1 g ) 第一代移动通信系统的产生是在1 9 7 1 年2 月。当时f c c 接受b e l l 公司建立蜂窝 移动通信系统( h c m t s ) 的建议，在8 5 0 m h z 频段提供了4 0 m h z 频谱资源。19 8 3 年，h c m t s 开始商业服务。h c m t s 的建立经过逐渐发展，在2 0 世纪8 0 年代逐渐 演变成为美国模拟系统的国家标准。与此同时，基于不同标准的其他模拟蜂窝移 动通信系统也得到了很大的发展。第一代移动通信系统的主要技术是模拟调频、 频分多址，它们以模拟方式工作，使用频段为8 0 0 m h z 9 0 0 m h z 。它采用了与传 统技术完全不同的方式处理覆盖区问题：无线移动传输的传统方法是在覆盖区域 第一章绪论 的最高点安装一个大功率的发射机，而蜂窝技术使用低功率的发射机为一个小的 区域提供服务，由于实现了频率复用，大大提高了系统容量【2 1 。第一代蜂窝移动 通信系统的主要缺点是频谱利用率低、抗干扰能力差、系统保密性差等，在日益 激烈的市场竞争中已被逐步淘汰。 1 1 2 第二代无线通信系统( 2 g ) 自2 0 世纪9 0 年代起，随着数字技术的发展，一些世界性的标准化组织开始选 择将数字系统作为第二代移动通信系统的基准。数字技术的最大优点在于它强大 的抗干扰能力和潜在的大容量，此外，d s p 技术的发展使一些新的无线应用，如 电子邮件、移动商务、金融管理等逐渐成为可能。国际上进入商用的数字蜂窝系 统主要有欧洲的g s m 、美国的d a m p s ( i s 5 4 ，现在的i s 1 3 6 ) 和c d m a ( i s 9 5 ) 、 日本的p d c ( 个人数字蜂窝系统) 。 第二代移动通信系统以数字传输、时分多址和码分多址为主体技术，主要业 务包括电话和数据等窄带综合数字业务，可与窄带综合业务数字网( n i s d n ) 兼容。由于采用了更先进的数字技术，较之模拟通信系统，它具有许多明显优点： 能抑制噪声和多径扩散的影响，使断续发射成为可能( 用户并不是1 0 0 时间都 在双向对话的) ，从而使得通信质量、传输效率和系统容量有了很大的提耐1 | 。 例如，第二代移动通信系统采用了语音压缩编码技术，使全系统实现了数字化， 现在采用的1 3 k b p s 的语音编码技术，其质量已达到相当满意的结果。 当前第二代移动通信系统有4 种技术共存，耳i g s m 、c d m a 、t d m a 和p d c 。 其中，g s m 应用最为广泛，尤其是在中国占据了绝对的市场优势。不过，其它 几项技术也拥有一定的市场空间，并且在网络的演进中起着非常重要的作用。 2 g 移动通信使人们的日常生活发生了重大的变化，自从g s m 商用以来不到 l o 年的时间内，西欧移动电话的普及率达到了7 0 。 1 1 3 第三代无线通信系统( 3 g ) 然而随着移动通信系统技术的成熟和运营实践的成功，以及计算机技术的飞 速发展和迅速普及，人们对移动通信的业务功能又有了更高的要求，逐渐由以语 音传输为主的窄带通信向以多媒体服务为主的宽带通信过渡( 例如，高速i n t e r n e t 接入，高质量视频和图象传输等) 。显然第二代移动通信系统所能提供的几十k b p s 的带宽己不能满足用户日益增长的对全媒体业务的需求。 在2 0 世纪9 0 年代中后期，人们开始了第三代移动通信系统的研究，如图1 1 所利引。对于第三代移动通信系统的期望是：全球统一的标准、增加分组交换业 务、增加非对称传输模式、更大的信道容量、加强数据处理能力、更好的传输质 第一章绪论 量、提高终端电池使用寿命、具有多媒体传输能力、更高的频谱效率。 。一一。 t d m a ! ， g s m 鲁! g p r s e d g e 昌；u m t s ： 一一 一jr l p d c ij ! ! 里竺全l ! i s 9 5 - a c d m a ；储c d 9 5 m 。8 a 面蕊萝- 1f 。； 2 g2 5 g3 g 图1 - 1 第三代移动通信的发展 1 9 9 8 年，i t u 综合各国国际标准化组织提出的建议，开始制定和完善第三代 移动通信系统标准( i m t 2 0 0 0 ) ，i m t 2 0 0 0 主要分为u m t s 和c d m a 2 0 0 0 ( c d m a m c ) 两个系统。其中，u m t s 还包括两种模式，即c d m a d s 方式，也称频分复 用( f d d ) 系统；另一种是c d m a t d d 。第三代通信系统的目标就是提供宽范 围的服务，除了一些与移动有关的信息外，大部分是i s d n 业务的无线扩展，服 务质量达到近似有线网的水平。 可是3 g 还是有其局限性：由于受到多用户干扰，c d m a 难以达到很高的通信 速率；由于空中接口标准对核心网的限制，3 g 所能提供服务速率的动态范围不 大，不能满足各种业务类型要求；分配给3 g 的频率资源已经趋于饱和；3 g 缺乏 全球统一标准；3 g 所采用的语音交换架构仍承袭了第2 代( 2 g ) 的电路交换，而 不是纯i p 方式；流媒体( 视频) 的应用不尽如人意；数据传输率也只接近于普通 拨号接入的水平，更赶不上x d s l 等。所以，在第三代移动通信还没有完全铺开， 距离完全实用化还有一段时间的时候，已经有不少国家开始了对下一代移动通信 系统的研究。 1 1 4 第四代无线通信系统( 4 g ) 虽然第三代移动通信系统的目标之一是形成统一的标准，但结果并不十分令 人满意。最终，还是3 g 形成了多种模式并存的局面，随着人们生活、工作空间 的日益扩大，通信业务已不能充分满足人们各方面的需要，于是4 g 产生了。 第四代移动通信技术可称为广带接入( b r o a d b a n da c c e s s ) 和分布网络，它 第一章绪论 采用了全数字分组交换方式，将w l a n 、b l u e t o o t h 等局域网技术融入到广域网中， 提供更高的传输速率和更大的容量。第四代移动通信网络具有非对称超过2 m b p s 的数据传输能力，对全速移动用户能提供15 0 m b p s 的高质量影像服务，将首次实 现三维图像的高质量传输。它包括广带无线固定接入、广带无线局域网、移动广 带系统和互操作的广播网络( 基于地面和卫星系统) 。其广带无线局域网( w l a n ) 能与b i s d n 和a t m 兼容，实现广带多媒体通信，形成综合广带通信网( i b c n ) ， 它还能提供信息之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。未来移动通 信的目标是：在任何时间、任何地点、向任何人都能够提供快速可靠的通信服务， 具有高数据、高频谱利用率、低发射功率、灵活业务支撑能力的未来无线移动通 信系统需将无线通信的传输容量和速率提高几十倍甚至数百倍。 从移动通信系统的发展历程我们可以看出，现代移动通信系统从2 0 世纪2 0 年 代到7 0 年代的半个世纪里，发展比较缓慢，而在近3 0 年，移动通信在技术进步和 业务增值方面的发展都是十分惊人的，这主要归纳为以下两方面的原因： ( 1 ) 突破技术上的限制。在半导体技术、大规模集成电路、程控交换机 及微机处理与控制技术得到发展与广泛应用之前，不可能会有移动蜂窝电话的出 现和商用。 ( 2 ) 社会经济的发展。移动通信技术的发展一方面促进了社会的流动性 和工作场所的流动性，另一方面使更多的人享受了移动通信的便利。 1 2m i m o 系统的引入 伴随着用户数的激增以及对无线i n t e m e t 接入、宽带多媒体业务需求的日益增 长，无线通信所需的速率也越来越高，这一要求对通信系统设计者提出的挑战无 疑是巨大的：一方面无线通信的环境非常恶劣一功率受限、频谱受限、受路径损 耗和阴影衰落影响、受小尺度衰落影响( 包括频率选择性衰落、时间选择性衰落 和空间选择性衰落) ，另外还受到频率复用所带来的共道干扰；而另一方面用户 希望无线通信能提供与有线通信相当的性能，主要表现为对高速率、高q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 保障的要求。 传统的无线通信系统是采用一个发射天线和一个接收天线的通信系统，即所 谓的单输入单输出( s i s o ) 天线系统。 提高无线通信系统容量的方法有很多，其中一个传统方法是设置更多的基站、 拓宽带宽。增设基站意味着采用更多的蜂窝，这是提高容量代价最大的方法。由 于目前实际的无线应用市场仍是在3 g 系统和w l a n 之间，是微波频带( 3 g 系统 大约是2 g h z ，w l a n 技术的i s m 频带为2 - - 5 g h z ) ，加大该频带的带宽，就会导 4 第一章绪论 致与现行系统的不兼容性的问题，其代价也是很昂贵的。而且在频谱资源日趋紧 张的今天，系统带宽无疑是珍贵的资源。因此更高频段的使用在近期内不是提高 无线通信系统容量问题的最佳解决方法【4 】。 提高系统容量的另一个传统的方法是加大系统的发射功率或者信噪比。但是 在点对多点的无线通信网中，提高发射功率对增加系统容量的作用并不太大。这 是因为在增加发射机功率的同时，它对其它接收机( 非目标接收机) 的干扰也随 之增大。所以，提高发射功率对系统性能的提升作用不大。根据香农容量公式， 信噪比每增力【1 3 d b ，信道容量仅增加l b p s h z 。同时，加大系统发射功率不仅会影 响人的健康状况，而且对硬件设计者来说，要设计一个能在很宽的线性范围内和 很高的发射功率上工作的功率放大器也是一件很困难的事情。另外，散热及发射 功率的加大也将引起移动终端的功率消烈3 1 。 而且，s i s o 天线系统在信道容量上具有一个不可突破的瓶颈一s h a n n o n 容量 限制。不管采用哪种调制技术、编码策略或者方法，无线信道总是给无线通信工 程做了一个实际的物理限制，这一点在当前无线通信市场中形式尤为严峻，因此 s i s o 系统无法满足用户对更高的数据传输速率的迫切需求。 还有一种提高系统容量的方法是使用空间分集技术，即通过使用多根发射或 者接收天线来进行信号的传播。多天线的使用可追溯至t 2 0 世纪初的m a r c o n i 时代， 早在1 9 0 8 年m a r c o n i 就提出用分集技术来对抗衰落。人们研究发现，多天线构成 的接收阵列可以有效的克服无线蜂窝系统中的共道干扰。二次世界大战后，对雷 达系统中天线阵列的研究尤为活跃。到2 0 世纪7 0 年代，由于军事上的原因，数字 信号处理技术得到了快速发展，这使得更多的关于天线阵列研究的自适应信号处 理技术的实现成为可能。利用多天线来改善衰落信道下的通信质量也已被通信界 普遍认识和使用。发射分集技术最早应用于通信系统中，即在发射端使用单根天 线，在接收端使用多根天线的单输入多输出( s i n g l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t - s i m o ) 系统，接收端采用天线选择或线性合并技术来获取接收分集增益，从而提高信道 的容量和频谱利用率。9 0 年代随着自适应阵列信号处理的概念被引入无线通信， 发射分集结构被人们应用并被用来获取另外两种增益：通过波束成形( b e a m f o r m i n g ) 处理来获取阵列增益及抵消共道干扰。发射端使用多根天线，接收端 使用单根天线的多输入单输出( m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t m i s o ) 系统，称之 为发射分集。这种分集有利于减小接收端特别是移动终端的处理复杂度和体积。 上述两种多天线技术在无线通信的发展过程中都起过很大的作用，但对于下一代 移动通信系统的要求却并不太胜任，其原因主要在于天线配置方式：由于通信链 路只有一端配有多天线，这两种结构对提高系统容量的作用是有限的。b e l l 实验 室研究出了一系列的成果，对多天线的研究起了很大的推动作用，开创了关于无 第一章绪论 线通信的一场新的技术革命。 1 3m i m o 技术的发展 1 9 9 5 年，b e l l 实验室的研究人员t e l a t a r 发表了一篇对于m i m o 研究至关重 要的文章，该文对m i m o 系统进行了深入的理论分析：假定已知接收端信道参 数，分析了高斯平坦衰落信道中接收端和发送端同时使用多天线阵元的容量，推 导出了信道容量、信道分布、中断概率容量以及错误指数三者的公式。最后的结 果表明：若通信链路的收发两端都配备有多天线，那么在发射端总功率保持不变 的前提下，系统的容量随收发天线数中的较小者线性增长【5 】。而后，f o s c h i n i 从 另外的角度得到了与t e l a t a r 相同的结论，并提出了著名的d b l a s t ( d i a g o n a l b e l ll a b o r a t o r yl a y e r e ds p a c e t i m e ) 传输结构【6 1 。不久又提出了实现更为简单的 v b l a s t ( v e r t i c a lb l a s t ) 结构【7 1 。并给出了在收发端使用同等阵元数n 时， 信道容量与信噪比、发送和接收天线数目的关系一在信噪比较大的时候，s n r 每增加3 d b ，容量增加n b p s h z 。研究结果表明：利用v b l a s t 的实验平台可以 达到2 0b i t s h z 以上的频谱利用率。这一频谱效率在传统无线通信系统中极难实 现。由此，之前采用传统通信架构很难获得实质性提高的频谱效率在m i m o 传 输结构下就立刻有了飞跃式的提高。 t l a t a r 和f o s c h i n i 关于m 1 m o 信道容量的理论分析奠定了m i m o 无线通信的 信息论理论基础，而b l a s t 的试验结果则从实践的角度证明了m i m o 这种在无 线链路的发送端和接收端同时使用多个天线的通信结构，能够在不额外占用频谱 带宽的前提下有效地提高信道容量。上述研究掀起了无线通信领域对m i m o 技 术研究的热潮，标志着m i m o 无线通信研究的真正开始。多天线传输的巨大潜 力激发了学术界的极大研究热情和业界的广泛关注，越来越多的研究者开始加入 到m i m o 的研究行列中来。 1 4m i m o 系统的介绍 m 1 m o 系统的结构如图1 2 所示，发射机和接收机都有多个天线元。多个并行 的数据流信号经空时处理( 编码、调制等) 后，通过多个天线同时发射输出。经 衰落空间信道传输后，由多个接收天线接收，同样利用空时信号处理分开并解码 这些数据子流信号。 6 第一章绪论 无 线 通 道 。 图1 2m i m o 系统示意图 m i m o 系统的一个核心想法是空时信号处理，这里的“时 就是普通数据通 信中的“时间”维度；而“空”是通过在发送和接收端使用多天线而构成的“空 间”分布维度。这样的系统也可以被看作是传统智能天线的一个自然延伸，后者 是一种用来提高无线系统传输率的流行技术。 m i m o 系统能够克服或者利用无线通信系统的三个最主要的有害因素：信号 衰落、码间干扰( i s i ) 和同频道干扰( c c i ) 。信号衰落和i s i 是由无线信道的多 径产生的，c c i 一般是由共道用户或系统中未知的干扰源产生的。为了对抗信号 衰落，单用户m i m o 系统采用分集技术来处理，如空间分集、时间分集、频率分 集和极化分集。空间分集和极化分集可以通过使用阵列天线来获得，频率分集可 以利用多径物理信道获得，时间分集可以通过具体的编码调制而获得。信道均衡 技术可以用来消除或利用无线通信系统中的i s i ，信道均衡技术包括自适应均衡 或r a k e 接收，可以用来均衡多径信道。为了消除c c i ，可以采用自适应波束形 成技术或者多用户检测技术，自适应波束形成是在干扰信息未知是所采用的技 术；当干扰信息在接收器中是已知时，采用多用户检测技术是最好的选择；自适 应波束形成技术与多用户检测技术的组合可以进一步提高系统的性能，但是它是 以系统的复杂度的增加为条件的。 采用阵列天线技术，m i m o 系统能够充分利用信号的所有空时频域的特性， 具有如下的优点： ( 1 ) 利用或减轻多径衰落：m i m o 技术能够充分采用多径的各种发射合 成技术，提高无线通信系统的性能。 ( 2 ) 消除共道干扰：m i m o 系统能够采用自适应波束形成技术或多用户检测 技术对共道干扰进行有效抑制或者消除。 ( 3 ) 提高频谱利用率、增加发射效率、减小发射功率、减小空间电磁干扰及 增大系统容量：由于阵列天线可以降低共道干扰和多径衰落的影响，因而在 7 第一章绪论 一定的s i n r ( 信干噪比) 条件下可以降低误码率，或者在一定的误码率条件 下降低检测所需要的信干噪比。m i m o 系统能够抑制或消除共道干扰以及码 间干扰，同时利用分集技术提高接收信号的信干噪比，因此基站和移动终端 的发射功率可以得到一定程度的降低，同时减小空间电磁干扰的影响、延长 移动终端电池的使用时间、减小对生态环境的影响、降低系统对功率控制精 度和器件要求。 m i m o 系统之所以能提高系统的容量和性能，在于m i m o 系统可以提供天线 阵列增益、分集增益和复用增益。 1 4 1 天线阵列增益 m i m o 系统在发送端和接收端同时使用多根天线，如果接收端和发送端同时 处理，通过相关叠加系统可以增加相应的接收信号信噪比从而获得天线增益。 1 4 2 分集增益 无线信道的信号能量往往是随机波动( 或衰弱) 的。分集技术是一种有效对 抗无线链路衰弱的技术。分集技术主要依赖于信号在多条独立衰弱路径( 包括时 间，频率和空间) 中的传播，m i m o 系统可以利用分集来抵抗多径衰落。接收端 接收发射信号的多个样本信号，每个接收信号携带相同的信息，但是在衰落统计 特性上具有较小的相关性。分集的基本思想是：如果要利用信号的两个或多个独 立样本，那么这些样本将以不相关的模式衰落，例如，一些信号的样本可能严重 衰落，而另一些则衰减的较少。这就意味着所有样本信号同时低于给定门限电平 的概率要比任一个单个信号低于给定门限值的概率小得多，因此采用合理方式合 并这些样本值可以大大降低衰落的影响，相应地提高传输的可靠性。 m i m o 中的分集可分为空间分集、频率分集和时间分集。其中，时间分集的 代价是时间的延迟，频率分集的代价是频率的扩展，这两种分集都不利于增加频 谱利用率。而空间分集( 或叫天线分集) 技术是比起频率和时间分集技术更为优 越，它在传输时间和带宽上没有带来任何其他的开销。 在使用空间分集的m i m o 系统中，假设m i m o 信道有。条独立衰弱路径， 那么接收机可以利用收到的信号得到相比于s l s o 系统更低的能量衰减并且获得 坼。的分集增益。 1 4 3 复用增益 在使用空间复用的m i m o 系统中，多根天线上同时发送的信息彼此是独立不 第一章绪论 相关的，即发射天线发送的信息各不相同，这时m i m o 信道可分解为m i n ( ，r ) 个独立并行的子信道。研究表明m i m o 信道在不增加额外功率和浪费额外带宽的 情形下，可以提供与m i n ( 坼，n 。) 成线性比例的容量增长。这种增益，一般被称 作复用增益( m u l t i p l e x i n gg a i n ) 。 总之，m i m o 技术之所以具有如此优异的性能，其关键特征在于，它可以将 传统无线通信中的一个有害的因素一多径传播转变成对系统有益的因素。m i m o 系统有效的利用了随机衰落，利用多径时延扩展来增大传输速率。在不占用任何 额外的频谱资源的情形下( 只增加了硬件和复杂度) 带来无线通信性能上几个数 量级的改善，这种前景使得m i m o 系统作为一个新兴的研究领域取得了巨大的 成功。 1 5 天线选择的意义 在实际应用中，典型的m i m o 系统的发射机和接收机同时使用所有的天线发 射或者接收，这就要求使用与天线一样多的射频链路( 如a d 转换器、调制解 调器等) ，这样就会大大增加系统的硬件成本，并且给系统的配置和维护带来困 难。而且随着天线数目的增加，m i m o 系统中编码和解码算法的复杂性随着显著 增加，这非常不利于信息的实时性传输。因此，如何才能做到既要保持多天线系 统较高的频谱效率和较高的可靠性，又要降低系统的复杂度和成本已逐渐成为人 们的研究热点。而在发送端或者接收端进行天线选择，恰恰可以克服m i m o 系 统的上述缺点。 所谓天线选择技术；就是从所有的天线中选取最佳匹配的阵元进行处理，从 而最大化信号传输的效率和性能。如图1 3 所示： l 输入 9 卜协p 第一章绪论 天线选择的好处在于： 首先，天线选择使得m i m o 系统硬件结构得以简化。m i m o 系统使用多天 线会造成移动台和基站的复杂度增加。研究表明，配有4 付天线的移动台的复杂 度是单天线的2 倍。由于与射频部分相比，天线振子的成本很低，于是用相对较 少的收发射频链路支持较多的天线，便可以使m i m o 系统不再完全受射频成本 的限制，使m i m o 系统的价格大大下斛引。 其次，通过天线选择，发送和接收机的编码和解码算法的复杂度降低。随着 天线数目的增加，m i m o 编码和解码算法的复杂性显著增加，如球形解码的复杂 性为d ( 坼6 ) ，其中坼为发射天线数目，v - b l a s t 的复杂度为o ( ( n 7 虬) 3l ，其中 。为接收天线数目，发送和接收机的算法变得很复杂，这将直接影响到算法的 实时性。而使用天线选择算法后，便可以降低发送和接收机的编解码难度，降低 复杂度。 再次，经天线选择后系统的通信品质可以得到保证。评价一个m i m o 系统主 要从信道容量和服务质量即误码率两个方面来考虑。在系统信噪比较高的情况 下，误码率最与系统信嗓比y 、编码增益a 和分集增益q 间存在如下关系： 最= ( 砂) 也 分集增益越大，在一定信噪比下，误码率就越低；在分集增益一定条件下， 编码增益越大，误码率越低【9 】。假设发射端有r 个天线，接收端有。个天线， 如果系统分集阶次为n t n r ，则称系统为全分集。研究证明只要分集和编码方 式恰当，从全部天线中选择部分性能好的天线进行发送和接收，同样可以实现全 分集。也就是说，天线选择技术并不影响m i m o 系统的分集阶。所以经过天线选 择后也可以得到较大的分集增益，使系统的性能得到保证，并且对信道的容量影 响也很小1 0 - 1 4 。 因此，在设计系统时可以采用较多的天线阵元而采用相对较少的处理链路， 利用天线选择技术能够接近全部天线数达到的性能，从而在增加微小成本的基础 上大幅度提高系统的性能。 1 6 本文的主要工作以及内容安排 本文围绕m i m o 系统中基于容量最大化的天线选择算法展开研究，研究过程 中，采用理论分析和计算机仿真相结合的方法，在理论和实践方面验证研究的正 确性，主要进行了以下三方面的工作： 1 0 第一章绪论 1 分析了无线信道的特点以及各种信道条件下的系统容量； 2 深入研究国内外的天线选择算法，对其中一些算法进行追踪模拟，并对 这些算法进行分析比较； 3 在前人的研究基础上提出了新算法，结合计算机仿真，与原有的算法进 行比较，得出结论。 现有的天线选择算法大部分集中于对固定天线数目的算法研究，然而在实际 的无线通信系统中，无线设备可能位于富含散射的室内或城市环境，也可能位于 具有视距的开阔地，而不同无线环境的空间信道相关性存在很大的差异，所以对 结合链路自适应技术的可变天线选择算法的研究显得尤为重要。 文章首先介绍了基于范数和相关的天线选择算法以及基于容量准则的天线 选择算法，在此基础上，作者提出了改进的天线选择算法。新算法不仅能够提供 与最优算法接近的信道容量，而且能够根据信道状态自适应的改变所选天线的数 目，在天线相关系数较低的情况下，新算法通过选择较多的天线来实现较高的信 道容量；在天线相关系数较高的情况下，新算法通过选择较少的天线就能满足较 高信道容量的要求，从而能够减少射频链路的使用个数，并且简化后续解调和译 码的难度。所以，新算法能够适用于相关性不同的无线环境中，以其较强的链路 自适应性，在满足系统对信道容量要求的同时，减少了所选天线的数目，在实际 应用中更具灵活性。除此之外，该算法具有较低的计算复杂度，能够满足信号实 时性传输的要求。 论文总共分为六章，结构安排如下： 第一章为绪论部分，主要介绍工作背景以及本文的工作安排； 第二章首先讨论了无线信道的主要传输特性及其模型，然后讨论了多天线系 统的传输模型。 第三章首先介绍了一些本文中将要用到的基本概念，然后对多天线系统的容 量进行研究，并说明天线数目以及天线间的相关性对信道容量的影响，为天线选 择算法的开展奠定基础。 第四章重点研究了多天线m i m o 系统中的天线选择算法。首先介绍了m i m o 系统中的分集和复用，然后追踪国内外的一些天线选择算法，主要针对m i m o 复用系统中的基于容量最大化的接收端天线选择算法进行了研究与分析，利用计 算机进行仿真，总结各种算法的优缺点，对算法的改进有着重要的参考价值； 第五章提出了一种改进的天线选择算法，利用计算机仿真，将新算法同以前 的算法进行了详尽的分析，主要从遍历容量、所选天线数目和计算复杂度三个方 面进行比较，并得出了相应的结论； 第六章总结全文内容，提出了本课题有待于进一步深入研究的问题。 第二章无线通信环境传输模型和m i m o 传输模型 第二章无线通信环境传输模型和多天线系统传输模型 信道是发射端和接收端之间传输媒介的总称，它是任何一个通信系统不可或 缺的组成部分。按照传输媒介的不同，物理信道分为有线信道和无线信道两大类。 有线信道是平稳的、可预测的，而无线信道则具有很大的随机性，不易分析。本 章首先讨论无线信道的主要传输特性及其模型，然后讨论了多天线系统 一s l s o s i m o l i s o ，i l m o 的传输模型。 2 1 无线通信环境的传输模型 在移动通信系统中，无线通信系统主要借助无线电波来实现无线通信，其性 能主要受到无线信道的制约和影响。与有线通信不同，无线通信系统的发射机与 接收机之间的传输路径非常复杂，从简单的室内传输到几公里或几十公里的视距 ( l o s - l i n eo f s i g h t ) 传输，到遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山脉和树叶等 的非视距( n l o s ) 传输。所以发射信号在传播过程中往往会受到环境中的各种 物体所引起的遮挡、吸收、折射和衍射的影响，形成多条路径信号分量到达接收 机。不同路径的信号分量具有不同的传播时延、相位和振幅，并附加有信道噪声， 他们的叠加会使复合信号相互抵消或增强，导致严重的衰落。这种衰落会降低可 获得的有用功率并增加干扰的影响，使得接收机的接收信号产生失真、波形展宽、 波形重叠和畸变，甚至造成通信系统解调器输出大量差错，以至完全不能通信。 此外，如果发射机或接收机处于移动状态，或者信道环境发生变化，会引起信道 特性随时间随机变化，接收到的信号由于多普勒效应会产生更为严重的失真。由 于无线信道不像有线信道那样固定可预见，而是具有极度的随机性，甚至移动台 的速度都会对信号电平的衰落产生影响，所以特别难以分析。仔细分析无线信道 的传输特点，是提高无线传输效率和质量的前提，一般利用统计方法来分析、建 模。 在移动通信环境中，任意时间t 接收的瞬时复信号可以表达为l l 5 j ，( f ) = 口( f ) p 7 州。) ( 2 1 ) 式中，a ( t ) 代表接收信号，( f ) 的包络，缈( f ) 代表接收信号，( f ) 的相位。下面 分别研究接收信号的包络特性和相位特性。 1 2 第二章无线通信环境传输模型和m i m o 传输模型 瞬时衰落信号的包络口( f ) 由两个乘性分量g ( ，) 和口，( f ) 表征为 a ( t ) = q ( t ) x a i ( t ) ( 2 2 ) q ( f ) 代表慢衰落，a f ( f ) 代表快衰落。 瞬时衰落信号的相位伊( ，) 由衰落过程的频域特性、时域特性和空域特性来描 述，这些特性分别与多径信号的多普勒扩展、时延扩展和角度扩展有关。 下面我们从信道衰落和信道扩展两个方面来具体分析无线信道的上述特性。 2 1 1 信道衰落 信道的衰落是指无线信号所经受的传播损耗，表现为接收信号的电平在时 间、空间或者频率的某个区域内围绕平均值起伏变化。根据不同的信道特性可以 从两个角度描述衰落信道：慢衰落( s l o wf a d i n g ) 或称大尺度衰落( l a r g e s c a l e f a d i n g ) 信道和快衰落( f a s tf a d i n g ) 或称小尺度衰落( s m a l l s c a l ef a d i n g ) 信 道f 1 6 1 。 2 1 1 1 慢衰落 接收信号的场强在长时间内的缓慢变化称为慢衰落，一种典型的慢衰落就是 阴影衰落，这是由于电波在传播路径上遇到障碍物就会产生电磁场的阴影区，当 移动台通过不同的阴影区，就会引起中值变化。在相同的收发距离情况下，不同 位置的周围环境差别非常大，由于阴影效应，导致路径损耗为随机的对数正态分 布。可见，阴影衰落是随位置的较大变化( 数十个或数百个波长以上的变化，而 非几个波长以内的位置变化) 而造成的缓慢衰落，亦称地形衰落或位置衰落。服 从对数正态分布的阴影衰落在当信号用分贝表示时就成为正态分布，其概率密度 函数： 加，= 古唧- ( r - m y ( 2 3 ) 其中r 为信号的分贝值，脚为信号，的均值( 单位为分贝) ，盯是r 的标准差 ( 单位为分贝) ，随概率、天线高度和环境而变化，在市区最大，在开阔地区最 小，其值通常在5 1 2 d b 。 除了阴影衰落，还有一种由于大气参数的变化引起折射率缓慢变化而