（电路与系统专业论文）无线mimo系统解码研究.pdf

南京邮电人学硕上研究生学位论文 中文摘要 摘要 随着未来移动通信对数据传输速率的更高要求，多输入多输出( m i m o ) 技术受到越 来越普遍的关注。m i m o 技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破，它能够在不增加 系统带宽的条件下，通过在发射端和接收端分别设置多个天线，利用多径信道的独立性， 大幅度提高频谱利用率和信道容量。在这种新的高速m i m o 通信系统中，接收机解码方法 的好坏直接影响到通信系统的误码性能和算法计算量。 本文针对m i m o 系统的解码算法展开了较为深入地研究。首先，介绍了m i m o 系统 和一些基本概念；其次，讨论了m i m o 系统几种常用的启发式解码算法，给出它们的算法 和性能分析，并对不同的准则分别进行了仿真；再次，介绍了两种经典的球解码算法( v b 算法和c l 算法) ，较传统的解码算法而言，球解码算法可以在合理的复杂度范围内获得最 大似然( m l ) 解的性能；最后，是本文的研究成果。在前面介绍的相关知识的基础上，对现 有球解码算法提出了一种改进算法：利用启发式算法计算量小和球解码算法误码性能好的 优点提出了一种改进算法( b l a s t - s d ) 。仿真结果表明该改进算法在牺牲一定误码性能的 情况下，可以换取计算量的大幅度下降。 关键词：m i m o 系统；启发式算法；球解码算法；改进球解码算法 a bs t r a c t 剜硒t h eh i g h e rr e q u i r e m e n to fd a t at r a n s m i s s i o nr a t e i nf u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s v s t e m ，m i m oh a sb e c o m et h eo n g o i n gf o c u so fr e s e a r c h ，w h i c ha l s ol e a d st ot h ec o n c e r no fi t s d e c o d i n g m i m oi sab i gb r e a c ho fa p t i t u d ea n t e n n ai nt h e f i e l do fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ， w h i c hc a nd r a m a t i c a l l yi n c r e a s et h ef r e q u e n c ye f f i c i e n c ya n d c h a n n e lc a p a c i t yb y s e t t i n gu pm u l t l p i e a n t e n n a sa tb o t hs e n d i n ga n dr e c e i v i n ge n d t h em e t h o do fd e c o d i n ga tr e c e i v e ra f f e c t sd i r e c t l yt h e p e r f o r m a n c ea 1 1 dc o m p l e x i t yo fs y s t e m si nc o m m u n i c a t i o n s i nm i m os y s t e m so fh i g hs p e e d am u c hd e e pi n v e s t i g a t i o no fd e c o d i n gi nm i m os y s t e m sh a sb e e nd e v e l o p e d i nt h i sp a p e r f i r s t l v ，t h eb a s i cc o n c e p t i o n s ，m i m os y s t e m sa r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r s e c o n d l y , s e v e r a l u s u a l l yh e u r i s t i c m e t h o d so fd e c o d i n gi nm i m os y s t e m sh a v eb e e nd i s c u s s e d ，i n c l u d i n g a l g o r i t h m s a n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s s i m u l a t i o n r e s u l t si nd i f f e r e n t c r i t e r i o na r eg l v e n r e s p e c t i v e l y t h i r d l y , t w oc l a s s i cs p h e r ed e c o d i n ga l g o r i t h m s ( v ba n dc l ) a r e i n t r o d u c e d c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a ld e c o d i n ga l g o r i t h m s ，s p h e r ed e c o d i n ga l g o r i t h m c a ny i e l dm l d e c o d i n gw i t hr e a s o n a b l ec o m p l e x i t y f i n a l l y i ti sm ym a i ns t u d yr e s u l t b a s i n go nt h e m e n t i o n e da b o v e ，ip u tf o r w a r da ni m p r o v e dm e t h o do fs p h e r ed e c o d i n ga l g o r i t h m i ta d v a n c e s b l a s t - s du t i l i z i n gl o w e rc o m p l e x i t yo fh e u r i s t i cm e t h o do fd e c o d i n ga n d b e t t e rp e r f o r m a n c e o fs p h e r ed e c o d i n ga l g o r i t h m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e da l g o r i t h mc o u l dg e t s i g n i f i c a n tr e d u c t i o n i nc o m p l e x i t yw i t hm a r g i n a ll o s si np e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：m i m os y s t e m s ，h e u r i s t i cm e t h o d o fd e c o d i n g ，s p h e r ed e c o d i n g ，i m p r o v e dm e t h o d o f s p h e r ed e c o d i n g i i 南京邮电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 含为获得南京邮电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：雌日期：2 业 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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 南京邮电大学研究生部办理。 豁蜱赫名：韭嘲型 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着移动通信技术的广泛应用，移动通信在全球取得了巨大的发展。b e l l 实验型l 】【2 】 在上个世纪九十年代后期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。 多输入多输出( 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 ) 1 3 儿4 j 技术作为近年来无线通信领 域中一项突破性的技术，在无线通信系统收发两侧同时配置多个天线，通过充分利用信道 的空间特性，可以在不增加频谱和发射功率的条件下，显著地提高系统容量及通信质量。 g j f o s c h i n i 2 1 ，i e t e l a t a r 【5 】等人己经证明，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的频带利用率、满足高速率通信 的需求，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。在这种新的高速m i m o 通信系统中，信号检测性能的好坏将直接影 响到整个通信系统性能的好坏，因此对高性能、低复杂度的m i m o 检测技术的研究己经成 为m i m o 通信中的一个重要内容。从m i m o 通信系统结构提出以来，国内外通信界已对 m i m o 信号检测进行了广泛和深入地研究，并且提出了多种信号检测算法。m i m o 最大似 然( m l ) 检测可以使系统获得最佳误码性能，但在实际系统中往往难以实现或不能实现帕】。 寻找接近m l 检测性能的信号检测算法一直是m i m o 系统需要解决的问题。球解码作为 m l 解码的替代方法被应用到m i m o 系统中，该解码方法在具有合理计算量的同时能够达 到m l 解码的性能。如何在保证通信系统误码性能的情况下有效地降低算法计算量或者在 一定算法计算量的情况下进一步提高通信系统的误码性能成为目前研究的热点问题。 1 2 数字通信系统的基本组成部分 通信的基本问题就是在一个点准确或近似地再生另一个点的消息。因此设计能够解决 此问题的有效而简单的通信系统便逐渐成为通信和信息论领域的研究中心。一方面，通信 系统应设计为有效，即：能最大限度利用所得资源；另一方面，系统在实际中需简单可行。 在通信系统的设计中，有许多数据传输的重要方面需要考虑，其中最突出的一些方面包括： 在包含信源全部信息的前提下，尽量压缩数据，并在传输后，将数据恢复为信源； 在数据中引入冗余，用来克服信号在信道中传输时所遭受的噪声和干扰； 建立通信信道模型，对噪声进行统计描述，同时研究用于信道估计和跟踪的技术； l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 设计有效恢复传输数据的接收机。 数字通信系统的功能性框图和基本组成部分如图1 1 所示。 图1 1 数字通信系统的基本组成部分 图1 1 中由信源产生的消息变换成二进制数字序列，信源编码器通过压缩去除信源中 的冗余，从信源编码器输出的二进制数字序列被传送到信道编码器。信道编码器的目的是 在二进制序列中以受控的方式引入一些冗余，以便接收机克服信道传输时所遭受的噪声和 干扰。 信道编码器输出的二进制序列被送至数字调制器，数字调制器的主要目的是将二进制 信息序列映射成适合在通信媒质中传输的信号波形。 传统信道编码只在时间域引入冗余来提高系统性能，这将带来频带利用率的下降，空 时编码在时间域和空间域同时进行编码，不但有时间域的冗余而且加入了空间域的冗余， 有效地提高了系统的频带利用率。 通信信道是用来将发送机的信号发送给接收机的物理媒质，通常有有线介质和无线电 波两种形式。无论用什么物理媒质来传输信息，其基本特点是发送信号随机地受到各种可 能机理的恶化。 在数字通信系统的接收端，空时解码器的目的就是采用最优算法对接收信号进行解码 还原。选用解码算法的依据为：( 1 ) 在保证误码性能的前提下，最大限度地降低算法的计 算量( 2 ) 在算法计算量相当的情况下，最大限度地提高系统的误码性能。 数字解调器对受到信道恶化的发送波形进行处理，并将该波形还原成一个数的序列， 该序列表示发送数据符号的估计值( 二进制或m 元) 。这个数的序列被送至信道译码器， 。 2 塑室塑生盔堂堡主堕窒竺兰垡笙塞墨二皇堡垒 它根据信道编码器所用的关于码的知识及接收数据所含的冗余度重构初始的信息序列。 图1 1 所示的系统性能通常用平均比特错误概率( b e r ) 来度量。b e r 是指在接收端错 误恢复的信息比特序列的平均概率。一般地，错误概率是下列各种因素的函数：码特征、 用来在信道上传输信息波形的类型、发送功率、信道特征以及解调和译码的方法 7 1 。本论 文也采用该度量值来衡量算法的性能。 1 3 通信信道及其特征 通信信道在发送机与接收机之间提供了连接。物理信道也许是携带电信号的一对明 线；或是在已调光波束上携带信息的光纤；或是水下海洋信道，其中信息以声波形式传输； 或是自由空间，携带信息的信号通过天线在空间辐射传输。 在信号通过任何信道传输中的一个共同的问题是加性噪声。一般地，加性噪声是由通 信系统内部组成元器件所引起的，例如电阻和固态器件。有时将这种噪声称为热噪声。其 他噪声和干扰源也许是系统外面引起的，例如来自信道上其他用户的干扰。下面描述几种 通信信道的重要特征。 有线信道 电话网络扩大了有线线路的应用，如话音信号传输以及数据和视频传输。双绞线和同 轴电缆是基本的导向电磁信道，它能提供比较适度的带宽。通常用来连接用户和中心机房 的电话线的带宽为几百千赫( k h z ) 。另一方面，同轴电缆的可用带宽是几兆赫( m h z ) 。 光纤信道 。 光纤提供的信道带宽比同轴电缆信道大几个数量级。在光纤通信系统中，发送机或调 制器是一个光源，或者是发光二极管( l e d ) 或者是激光。通过消息信号改变( 调制) 光 源的强度来发送信息。光像光波一样通过光纤传播，并沿着传输路径被周期性地放大以补 偿信号衰减。在接收机中，光的强度由光电二极管检测，它的输出电信号的变化直接与照 射到光电二极管上的光的功率成正比。光纤信道中的噪声源是光电二极管和电子放大器。 无线电磁信道 在无线通信系统中，电磁能是通过作为辐射器的天线耦合到传输媒质的。天线的物理 尺寸和配置主要决定于运行的频率。为了获得有效的电磁能量的辐射，天线必须比波长的 1 1 0 更长。因此，在调幅( a m ) 频段发射的无线电台，譬如说在f = lm h z 时( 相当于 波长a = c 况= 3 0 0 m ) ，要求天线至少为3 0 m 。 水声信道 堕室塑皇奎兰堡主婴壅竺兰垡堡奎釜二至丝丝 除极低频率外，电磁波在水下不能长距离传播。在低频率的信号传输的延伸受到限制， 因为它需要大的且功率强的发送机。电磁波在水下的衰减可以用表面深度来表示，它是信 号衰减1 e 的距离。对于海水，表面深度万= 2 5 0 4 7 ，其中f 以h z 为单位，万以m 为单 位。 水声信道可以表征为多径信道，这是由于海洋表面和底部对信号反射的缘故。因为波 的运动，信号多径分量的传播延迟是时变的，这就导致了信号的衰落。此外，还存在与频 率相关的衰减，它与信号频率的平方近似成正比。 存储信道 信息存储和恢复系统构成了日常数据处理工作的非常重要的部分。磁带( 包括数字的 声带和录像带) 、用来存储大量计算机数据的磁盘、用作计算机数据存储器的光盘以及只 读光盘都是数据存储系统的例子，它们可以表征为通信信道。在磁盘或磁带或光盘上存储 数据的过程，等效于在电话或在无线信道上发送数据。回读过程以及在存储系统中恢复所 存储的数据的信号处理，等效于在电话和无线通信系统中恢复发送信号。 由电子元器件产生的加性噪声和来自邻近轨道的干扰一般会呈现在存储系统的回读 信号中，这正如电话或无线通信系统中的情况。 1 4 通信信道的数学模型 在通过物理信道传输信息的通信系统设计中，建立一个能反映传输媒质最重要特征的 数学模型是很方便的，信道的数学模型可用于发送机中的信道编码器和调制器，以及接收 机中的解调器和信道译码器的设计。下面简要地描述用来表征实际物理信道的信道模型， 它们常用来表征实际的物理信道。 1 4 1 加性噪声信道 通信信道最简单的数学模型是加性噪声信道，如图1 2 所示。在这个模型中，发送信 号s ( f ) 被加性随机噪声过程胛( f ) 恶化。在物理上，加性噪声过程由通信系统接收机中的电 子元部件和发大器引起，或者由传输中的干扰引起。因为这个信道模型适用于很广的物理 通信信道，并且因为它在数学上易于处理，所以是在通信系统分析和设计中所用的最主要 的信道模型。信道的衰减很容易加入到该模型。信号通过信道传输而受到衰减时，接收信 号是： 厂( ，) = a s ( t ) + n ( t ) ( 1 1 ) 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 式中，口是衰减因子。 信道 1 4 2 线性滤波器信道 r ( f ) = s ( f ) + 玎( ，) ”( f ) 图1 2 加性噪声信道 在某些物理信道中，例如有线电话信道，采用滤波器来保证传输信号不超过规定的带 宽限制，从而不会引起互相干扰。这样的信道通常在数学上表征为带有加性噪声的线性滤 波器，如图1 3 所示。因此，如果信道输入信号为f ( r ) ，那么信道输出信号是： ，( f ) = s ( ，) 母c ( f ) + 即( f ) 。( 1 2 ) = ic ( r ) s ( t f ) d f + 甩o ) 式中，c ( f ) 是信道的冲激响应，木表示卷积。 玎( f ) 图1 3 带有加性噪声的线性滤波器信道 1 4 3 线性时变滤波器信道 厂( f ) = s ( f ) 木c ( f ) + 胛( f ) 像水声信道和电离层无线电信道这样的物理信道，它们会导致发送信号的时变多径传 播，这类物理信道在数学上可以表征为时变线性滤波器。带有加性噪声的线性时变滤波器 信道如图1 4 所示。对于输入信号s ( f ) ，信道输出信号是： r ( t ) = s ( t ) 牛c ( f ；f ) + 刀( f ) ：f = c ( f ；f ) s ( f - r ) a f + 门( f ) 1 3 堕室塑皇奎堂堡主堕窒竺兰垡堡奎 堡二兰丝丝 式中，c ( f ；f ) 是信道在t r 时刻加入冲激而在f 时刻的响应。 用来表征通过物理信道的多径信号传播的模型是式( 1 3 ) 的一个特例，这样的物理信道 如电离层和蜂窝无线电信道，该特例中的时变冲激响应为： c ( f ；f ) = a k ( t ) 6 ( r - r k ) ( 1 4 ) k = l 式中， a k ) 表示三条多径传播路径上可能的时变因子， “ 是相应的延迟，将上式代入式 ( 1 3 ) ，那么接收信号是： l ，( f ) = a k ( t ) s ( t - r k ) + n ( t ) ( 1 5 ) k = l 因此接收信号是由三个路径分量组成，其中每一个分量的衰减为 c t k ) ，且延迟为 气) 7 1 。 胛( f ) 图1 4 带有加性噪声的线性时变滤波器信道 ，( ，) 本篇论文主要研究无线衰落信道。在无线通信系统中，由于信号与环境的相互作用( 散 射、反射及折射等) ，传输信号会沿着多条路径传播。由于传播损耗和衰落，信号在传输 过程中被衰减。其效果通常以带干扰信号和加性高斯白噪声的多径信道为模型，如图1 5 。 刀o ) 1 5 球解码的引入 图1 5 一般信道模型 收信号 m i m o 技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，该技术能在不增加带宽的 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是下一代移动通信系统必须采用的关键 技术之一。 + 从理论上讲，m i m o 最大似然检测( 简称m l ) 可以通过遍历式搜索来实现，即对发 射信号星座图中的每个点计算其在接收信号空间中的映射点与接收信号点的e u c l i d 距离， 距离最近的那个星座点即为最大似然解。但由于发射信号星座点数随发射天线数的增加呈 指数式增加，当发射天线数较大时，这种遍历式的搜索通常具有很大的运算量，有时甚至 是不可实现的。如对于采用1 6 q a m 调制的8 8 系统，其发射信号的星座点个数即高达 1 6 8 = 4 3 0 x 1 0 ，个，在实际系统中对这样大的星座图进行遍历式搜索是不可想象的。鉴于此， 球解码作为m l 解码的替代方法被用于m i m o 系统中。该解码方法在具有合理复杂度的同 时能够达到m l 解码的性能。球解码算法的思想最早于1 9 8 1 年作为在给定格( 1 a t t i c e ) d ? 寻 求最短向量的一种方法被提出【8 】，而且其复杂度是格维数的多项式9 1 。1 9 9 3 年e v i t e r b o 和 j b o u t r o s 在二篇关于格码解码的论文中最早将该算法用于通信问题【l 们。自此，球解码被认 为是多用户检测c d m a 系统【1 1 1 ， 空时编码以及未编码多天线系统1 6 1 的近最优解码算法。 1 6 本文的主要工作及安排 本文主要针对m i m o 系统的解码方案作了一定的研究，首先对现有的几种解码算法进 行了简单的描述和归纳并进行了仿真比较，然后在保证误码性能的基础上对现有的算法作 了一些改进以降低算法的计算量，并给出了相应的仿真曲线进行验证。本论文共分为六章， 其结构安排如下：第一章绪论部分主要介绍了数字通信系统的基本组成部分和通信系统模 型，同时引入球解码；第二章简单介绍了无线移动信道的信道特征、m i m o 系统的概念、 m i m 0 系统的信道模型、信道容量以及m i m o 系统的解码；第三章提出整数最小平方问题， 并介绍了常用的整数最小平方问题的解决方法一启发式算法，并分别对这些算法的性能进 行了仿真比较；第四章介绍了两种经典的球解码算法( v b 算法和c l 算法) ，详细描述了算 法的基本思想，并对复杂度和优缺点做了一定的分析；第五章是本篇论文的重点，在启发 式算法和c l 球解码算法的基础上提出了一种改进的球解码算法，然后通过m a t l a b 仿真 来说明此改进算法的可行性和有效性；第六章得出结论，总结全文，并指出今后的研究方 向。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线m i m o 系统概述 第二章无线m i m o 系统概述 在无线通信的发展史中，系统容量需求的不断增长与有限的无线频谱资源之间的矛盾 一直是推动无线通信技术不断革新的重要力量之一。下一代无线通信系统对于数据传输速 率提出了更高的要求，如何在有限的频谱上实现高速率、高性能的数据传输，是下一代无 线通信必须面临的一个巨大挑战。在这样的背景下，一项通信新技术“m i m o 技术 进入了人们的视野。 m i m o 通信系统是目前研究比较活跃的领域。m i m o 被视为是进一步增大系统容量和 提高频谱效率与功率效率的革新技术。因此有关m i m o 系统的相关研究，如m i m o 系统 空时解码的研究、m i m o 空时信道的研究、m i m o 发送分集和接收分集技术的研究等等是 当前国际上的研究热点。目前3 g 增强性技术中已经引入了m i m o 技术，相信在未来无线 通信中m i m o 技术将发挥重要作用。 m i m o 系统的信道是无线信道，其信道环境十分恶劣，因而研究其信道特征对于研究 m i m o 系统有至关重要的意义。本章首先介绍无线移动信道的衰落信道模型【7 , 1 2 - 1 4 】以及探 讨信道的衰落特性和抗衰落的分集和合并技术【7 , 1 2 - 1 5 】，然后介绍m i m o 系统的研究背景、 概念及信道容量，最后探讨了m i m o 系统的解码。 2 1 无线移动信道的信道特征 无线通信信号的传播模型【1 4 1 从统计特性上可分为大尺度( l a r g e s c a l e ) 传播模型和小 尺度( s m a l l s c a l e ) 传播模型。大尺度传播模型描述的是发射一接收距离很大( 数百或数 千米) 时的信号强度变化，常用来估计某个发射机的无线覆盖范围。小尺度传播模型主要 描述非常短的距离( 几个波长) 或非常短的时间问隔( 秒级) 内接收信号强度的迅速变化。 大尺度传播模型常简称路径损失模型，小尺度传播模型简称衰落模型。当接收机处于空间 某一位置时，它在该位置附近收到的信号功率的平均值将受到大尺度效应的影响，包括视 距( l i g h t o f - s i g h t ) 路径损耗、绕射( d i f f r a c t i o n ) 、阴影( s h a d o w i n g ) 及雨或植被造成的 衰减效应，大尺度传播模型主要预测无线覆盖范围。而小尺度传播模型主要描述由于无线 信号的多径传播或者通信双方相对移动，接收机收到的信号幅度将有剧烈起伏的现象。本 文中仅研究无线移动信道的小尺度传播模型。 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线m 1 m o 系统概述 2 1 1 信号发射的衰落特性 在实际的移动通信系统中，电波除了直射波和地面反射波之外，还存在着传播路径中 各种障碍物引起的辐射能量的散射、折射和绕射等【m 1 。这样在接收点就形成干涉场，使得 接收信号电平是变化的，这种扰动称为衰落。由于信号电平的变化，电场强度的变化可以 表示成发射和接收之间距离的函数，所以接收信号电平也随时间变化，这种现象称为信号 衰落，它是多径效应产生的结果。它具有两个特点： ( 1 ) 接收信号在时间域的慢速扰动即是慢衰落，其衰落的深度大( 在移动通信的情 况下，信号电平的变化范围约3 0 4 0 d b ) ； ( 2 ) 接收信号在空间域的快速扰动即快衰落，其速度快。 因此，接收信号的电平口( f ) 由两个乘性分量哎( f ) 和晖( t ) 表征为 口( f ) = 吼( f ) 口，( f ) ( 2 1 ) 式中，口。( f ) 表示慢衰落，口，( ，) 表示快衰落。 无线移动信道环境中任意时间，接收的瞬时衰落信号，( f ) 可以表示成 ，( f ) = g ( t ) e 妒( ) ( 2 2 ) 式中，仅( f ) 表示接收信号厂( ，) 的包络，妙( ，) 表示，( f ) 的相位。在这里主要研究接收信号的 包络特性即式( 2 1 ) 中的慢衰落哎( t ) 和快衰落口，( t ) 的特性，其相位特性在后面讨论。 慢衰落 慢衰落又称长期衰落( l o n g t e r mf a d i n g ) 表示接收信号的长期变化。慢衰落是由建 筑物或自然界特征的阻塞效应引起的，它实际上是信号电平的包络，表征的是快衰落信号 的局部中值随时间的变化情况。对于室外无线通信而言，由于移动用户处于不断的运动中， 因而电波传播路径上的地形和地物是不断变化的，这使局部中值随时间、地点以及移动台 移动的速度而变化。统计表明，信号局部中值的变化比较缓慢，其衰落周期以秒计。慢衰 落近似服从对数正态分布，即它是一种以分贝( d b ) 数表示的信号电平分布。大量的统计 表明，在r a y l e i g h 衰落范围内，平均的接收功率也服从对数正态分布，其概率密度函数描 述为： p ( x ) =去e 坤 - 珥删 隰3 ， 0 ， x 0 式中，x 为一随机变量，表示信号电平的慢扰动，和仃分别是的均值和标准偏差。用d b 9 南京邮电人学硕士研究生学位论文第二章无线m i m o 系统概述 表示，盯的标准值为8 d b ，对于典型的蜂窝和微波环境，o r 的变化范围是5 1 2 d b 。 快衰落 快衰影14 】又称短期衰落( s h o r t t e r mf a d i n g ) 对应于接收信号在空间的迅速扰动，它是 由正在运动中的移动用户附近的障碍物对信号的散射引起的。快衰落统计特性分为移动台 远离基站和靠近基站两种情况。 在移动台远离基站时，快衰落信号统计特性在无直射波的个路径发射，即有大量的 路径引起的散射时，接收信号的包络统计特性。若每条路径的接收信号的振幅服从高斯分 布，相位服从 o ，2 万】的均匀分布，根据中心极限定理，合成的接收信号的包络服从r a y l e i g h 分布，其概率密度函数为 rr 2 p ( 厂) ： 考p 一，俐 ( 2 4 ) 1 0 ， ， 0 , r 0 6 ) 【0 ， ， o 式中，参数a 为直射波的最高幅值，山( ) 为修正的零阶第一类b e s s e l 函数。当a 很大时， 即直射波很强时，则式( 2 6 ) 近似为高斯分布，当a = 0 即不存在直射路径时，则r i c i a n 分布退化为r a y l e i g h 分布。 2 1 2 选择性衰落 前面分析了瞬时衰落的接收信号的包络特性，这里再分析其相位特性。接收信号的相 位特性由衰落过程的频域特性、时域特性和空域特性描述，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，它们都是描述无线移动信道的参数，根据信号参数 ( 如带宽、码元间隔等) 和信道参数之间的关系，不同的发射信号会发生不同类型的选择 性衰落【7 , 1 4 】，分别具有时间选择性、频率选择性和空间选择性衰落，简称扩展。 l o 堕塞堕皇奎兰堡主塑垄竺堂垡笙；! 兰蔓三皇歪垡坚! 坚旦丕篓塑堕 多普勒扩展 由于移动台和基站之间的相对运动，每条路径接收信号都有一个频率的偏移，称为多 普勒频移，它和移动台的速度成正比。多普勒扩展( d o p p l e rs p r e a d ) 就是一种由多普勒频 移引起的衰落过程的频率扩散( f r e q u e n c yd i s p e r s i o n ) ，又称时间选择性衰落( t i m es e l e c t i v e f a d i n g ) 。假设发射频率为z ，对于到达接收端的某条路径，若其径向与移动台运动方向的 夹角为口，则多普勒频移矗= ；c o s 口，v 是运动速度，旯是信号波长。此时的接收信号的 频率不再是z ，而是厂= 工+ 厶。其中兀。= 盖。 多普勒频移使接收信号的功率谱展宽，用表示移动信道多普勒扩展，可以得到相干 时间的表达式 z 1 ( 2 7 ) 。 相干时间与多普勒扩展成反比，它反映了信道随时间变化的快慢，相干时间越大，信道变 化越慢；反之，相干时间越小，信道变化越快。从衰落的角度看，多普勒扩展引起的衰落 与时间有关，故称时间选择性衰落。根据时间变化的快慢，可分为快衰落信道和慢衰落信 道。若基带信号带宽比多普勒扩展大得多，则多普勒扩展就可以忽略，这时信道就是慢衰 落信道，否则就应该考虑多普勒扩展的作用，这时就是快衰落信道。下面的表2 1 是由多 普勒扩展引起的快衰落信道和慢衰落信道的比较。 表2 1快衰落信道和慢衰落信道的比较 快衰落信道慢衰落信道 1 高多普勒扩展1 低多普勒扩展 2 相干时间 符号周期 3 信道变化比基带信号变化快3 信道变化比基带信号变化慢 时延扩展 假设基站发射的是时间宽度极窄的脉冲信号，经过多径信道后由于各径信道的时延不 同，移动台接收到的信号是一串脉冲，即接收信号的波形比发射信号脉冲展宽了，由于信 道的时延会造成信号波形的展宽，称为时延扩展( d e l a ys p r e a d ) 。时延扩展会引起频率选 择性衰落( f r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n g ) ，可以用相干带宽( c o h e r e n e eb a n d w i d t h ) 来描述， 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线m i m o 系统概述 相干带宽表示信道在两个频移处的频率响应保持强相关的最大频率差。 为了表征时延扩展的程度，通常用最大多径时延瓦来表示，为了减小时延扩展的影响， 信息码元的宽度应大于最大多径时延。相干带宽可以定义为 反i 1 ( 2 8 ) 相干带宽是信道频率选择性的测度，相干带宽与信号带宽之比越小，信道的选择性越强， 相干带宽与信号带宽之比越大，信道的选择性越弱。若移动无线信道在比发射信号的带宽 大得很多的带宽内具有不变的增益和线性相位响应，则接收信号将发生平坦衰落。如果信 道在比发射信号带宽小的信道带宽内具有不变的增益和线性相位响应，则信道产生频率选 择性衰落。频率选择性衰落是由发射信号在信道内的时间扩散引起的，因此，信道会引起 码间串扰，接收信号会发生畸变。根据时延扩展划分频率非选择性衰落信道( 平坦衰落信 道) 和频率选择性衰落信道见表2 2 。 表2 2 平坦衰落信道和频率选择性衰落信道比较 平坦衰落信道频率选择性衰落信道 1 信号带宽 信道带宽 2 时延扩展 符号周期 角度扩展 接收端的角度扩展( a n g l es p r e a d ) 指的是多径信号到达天线阵列角度的展宽，发射端 的角度扩展指的是由多径的反射和散射引起的发射角展宽。在某些条件下，路径的到达角 ( 或发射角) 与路径时延是相关的。角度扩展给出接收信号主要能量的角度范围，产生空 间选择性衰落( s p a c e s e l e c t i v ef a d i n g ) ，即信号幅值与天线的空间位置有关。空间选择性 衰落用相干距离( c o h e r e n c ed i s t a n c e ) 描述，相干距离定义为两根天线上的信道响应保持 强相关时的最大空间距离，相干距离越短，角度扩展越大，相干距离越长，角度扩展越小。 典型的角度扩展值为：室内环境3 6 0 。，城市环境2 0 。，平坦的农村环境r 。 2 1 3 分集技术 对于多径衰落信道，发射机发射同一信息，到达接收机的各径分量的统计特性如果相 互独立，则接收到的各径分量的合成信号就能大大减少衰落的影响。这就是分集技术的基 本思想【1 2 , 1 4 , 1 5 】。移动通信系统中有两种分集方式：即宏分集和微分集。前面已述，衰落分 1 2 塑室! ! 皇奎兰堡主堕窒竺堂垡堡- 文 笙兰童垄垡坚! 塑旦奎竺壁堕 为小尺度衰落和大尺度衰落。大尺度衰落信号的幅度变化平缓，经历时间长，服从对数正 态分布，相应的减小大尺度衰落的分集称为宏分集( m a c r o s c o p i cd i v e r s i t y ) 。宏分集主要 用于蜂窝移动通信系统中，也称为多基站分集，这是一种减小慢衰落影响的分集技术，做 法是把多个基站设置在不同的地理位置和不同方向上，同时和小区内的一个移动台进行通 信，只要在各个方向上的信号传播不是同时受到阴影效应或地形的影响而出现严重的慢衰 落，就可以保持通信畅通。当移动台移动的距离仅有几个波长时，信号幅度的扰动变化深 而且快，其信号强度在一段小的时间内服从r e y l e i g h 分布，相应的用来防止深度衰落的分 集称为微分集( m i c r o s c o p i cd i v e r s i t y ) 。微分集是一种减小快衰落影响的分集技术，在空间、 频率、时间、极化、角度和场分量等方面分离的无线信号都呈现相互独立的衰落特性。 快衰落是移动通信中的最大问题，因而是研究的重点，通常说的分集技术指的就是微 分集技术，一般分为以下几种分集方式【1 2 , 1 5 】，分别给予介绍。 时间分集 同一信号在不同时隙上多次重发，只要发射的最小时间间隔凹大于等于信道的相干 时间，这时各次发射信号出现的衰落将是彼此独立的，接收机将重复收到的信号进行合 并，就能减小衰落的影响。时间分集( t i m ed i v e r s i t y ) 主要用于在衰落信道中发射数字信 号，有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象。在移动通信系统中，一般 使用差错控制编码结合交织技术实现时间分集，该技术一般在信道相干时间小的快衰落环 境比较有效，对于慢衰落信道，交织大可能引起太大的延迟，使得时间分集在某些无线移 动系统中无法应用。例如，对于移动台静止时，发射时间间隔为无穷大，此时时间分集无 法减小这种衰落。该方案的缺点就是在时域上引入了冗余，使得带宽效率受到损失。 频率分集 频率分集( f r e q u e n c yd i v e r s i t y ) 使用不同的频率发射相同的信息，发射频率的间隔应 该大于信道相干带宽，保证不同频率的衰落统计特性是不相关的。频率分集同样也引入了 频率域上的冗余，使得带宽效率受到损失。在t d m a 系统中，当多径时延可与码元间隔相 比时，频率分集可由均衡器获得，全球通( g s m ) 移动系统使用调频得到频率分集，在直 接序列c d m a 系统中，使用r a k e 接收机获得频率分集。 空间分集 空间分集( s p a c ed i v e r s i t y ) 也称天线分集，其依据是快衰落的空间独立性，在发射端 或接收端由空间上排列的多根天线来实现的，多根天线在空间上保证一定的距离，使得各 个天线的接收的信号互不相关，而且距离越大，相关性越弱。在发射分集中，不同发射天 线的发射信号是以空间域冗余的形式到达接收端的。与时间分集和频率分集不同，空间分 1 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一二章无线m i m o 系统概述 集没有引入频域的冗余，不会使带宽效率下降。这一特性对于未来的高速无线数据通信很 有利用价值。 极化分集和角度分集是空间分集的两个应用。在极化分集中，通过两根不同极化的天 线发射水平极化信号和垂直极化信号，同时用两根不同极化的天线接收。由于极化方式不 同，两根天线不用相隔很远就可以使这两个信号不相关，极化分集可以看作空间分集的一 种特殊情况。角度分集是使电波经过几个不同的路径，并以不同的角度到达接收端，接收 端利用多个方向接收天线分离出不同方向来的信号分量，这些分量出现的衰落是彼此不相 关的，因而可以实现角度分集，角度分集在较高频率时容易实现。 根据是发射端还是接收端使用多根天线，空间分集可以分为发射分集和接收分集。接 收分集是在接收端使用多根天线接收信号，合并各径的信号可以降低多径衰落的影响，并 且提高总的接收信噪比( s n r ) 。发射分集则是在发射端使用多根天线。 实际的通信系统中，为了满足系统性能的要求，经常使用多个分集方案，实现多维分 集。例如，在g s m 蜂窝系统中，基站使用多根接收天线，并且同时使用交织与差错控制 编码技术来实现空间分集和时间分集。 2 1 4 合并方式 接收端收到m 个分集信号后，一般使用线性合并器，把输入的肘个独立衰落信号相 加后合并输出。假设m 个输入信号电压为1 ( f ) ，r 2 ( f ) ，r m ( f ) ，则合并器输出电压为 m r ( t ) = a 。r j ( ，) + 口：r 2 ( f ) + + ( ，) = a k r k ( ，) ( 2 9 ) k = l 式中，a k 为第k 个信号的加权系数。根据选择不同的加权系数就有不同的合并方式2 ，1 4 ，1 5 1 。 选择合并 对于每根接收天线接收的信号，选择信噪比( s n r ) 最高的信号作为合并器的输出。 在该合并方式中，加权系数只有一项为1 ，其余均为0 。选择式合并是一种较简单的分集 合并方式，但由于未被选择的支路信号弃之不用，因此抗衰落性能不佳。而且如果在中频 或高频实现合并，就必须保证各个支路信号同相，这就使电路复杂度增加。 切换合并 接收机扫描所有的分集支路，并选择s n r 在特定的预设门限之上的特定支路，在该信 号降到所设门限下之前，选择该信号作为输出信号。当该信号的s n r 低于设定的门限时， 接收机开始重新扫描并切换到另一个支路。该方案也称扫描合并。这种分集方法的性能差 一些，但是只需要一台接收机，实现方法简单。 堕室塑皇盔兰堡主型壅生兰垡笙塞 笙三里垄垡坚! 坚旦墨竺堡堕 对于选择式合并和切换合并，两者的输出信号都是所有支路的一个支路信号，也不需 要信道状态信息，这两种方案既可用于相干解调也可用于非相干解调。 最大比合并 每一支路信号包络用吃表示，每一支路的加权系数吼与信号包络珞成正比，与噪声功 率m 成反比，即有 嘶2 瓦r k 2 1 0 可得出最大比合并器的输出信号包络为 = 兰a k r k k = l = 兰k = l 吾k 汜 = = 吾 ( 2 11 ) v 最大比合并是一种最佳合并方式，但是各路信号在合并之前必须同相化，这种方案需要知 道信道衰落和信号相位信息，因此只能用于相干检测，而不能用于非相干检测。 等增益合并 等增益合并各支路的加权系数均被设定为1 ，即有 名= ( 2 1 2 ) 但每个支路的信号要同相化。等增益合并是一种次优但比较简单的合并方法。 2 2 无线m i m o 系统的研究背景 m i m o 技术由来己久，早在1 9 0 8 年马可尼就提出用m i m o 技术来抗衰落。在7 0 年代 有人提出将多输入多输出技术用于通信系统，但是对无线移动通信系统多输入多输出技术 产生巨大推动的奠基工作是9 0 年代由a t & tb e l l 实验室学者完成的。1 9 9 5 年i e t e l a t a r 给出了在瑞利衰落情况下的m i m o 容量【5 】：1 9 9 6 年g j f o s c h i n i 给出了一种多输入多输出 算法对角一贝尔实验室分层空时( d - - b l a s t ) 算法i lj ；1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了用于 多输入多输出的空时码；1 9 9 8 年w o l n i a n s k y 等人采用垂直一贝尔实验室分层空时( v b l