（通信与信息系统专业论文）无线通信中多天线技术的研究.pdf

摘要 无线通信系统一直在追求传输更高的数据速率，这个目标常常受到系统的功 率、带宽和复杂度等方面的限制而得不到实现。近年来，多天线技术由于具有抑 制干扰，抗衰落和提高系统容量等优点，而受到越来越多的关注。本文主要研究 多天线技术在无线通信中的应用，内容包括智能天线技术、空间分集技术和空间 复用技术。 论文共分七章，第一章给出了论文的研究背景、无线通信中多天线技术的研 究现状以及本论文的主要研究内容。第二章首先介绍了移动通信信道的基本特 性，m i m o 系统的信道模型和信道容量，并在此基础上对多天线技术在无线通信 中的三个主要应用进行了概述。 论文第三章提出了一种适用于d s c d m a 系统上行链路的自适应盲波束形成 算法。利用c d m a 信号解扩后的干扰和噪声近似呈高斯分布的特点，应用四阶 累积量先估计出目标信号的导向矢量，进而完成波束形成。该算法无需求取解扩 前信号的相关矩阵，自适应过程对解扩后信号进行处理，具有运算量小、实时性 强的优点。 论文第四章研究了二维r a k e 接收机中联合利用导频和业务信号进行信道 矢量估计的算法，分别给出了带投影的基于导频信号的信道矢量估计算法、带投 影的基于业务信号的信道矢量估计算法及其自适应实现过程。其中带投影的基于 业务信号的信道矢量估计算法通过投影和迭代过程，能够逐步提高信道矢量估计 和符号检测的精度，在一定程度上解决了传统信道矢量估计算法受导频功率低和 信道变化快困扰的问题。 论文第五章提出了一种适用于v - b l a s t 系统的半盲检测算法，该算法首先 利用各个天线发送信号的独立性对天线阵列接收信号进行盲源分离，再利用少量 训练序列完成半盲检测。由于无需进行信道估计，训练序列仅用于确定分离信号 与源信号之间的匹配关系以及复常数的校正，因此与传统z fv - b l a s t 算法相 比，该算法对训练序列长度的要求大为降低，从而使系统的频带利用率得到了提 高。通过与o f d m 技术的结合，我们还将该算法应用到频率选择性衰落信道下 的v - b l a s t 系统检测中。 论文第六章研究了空时分组码系统的信道半盲估计算法，分别提出了实信号 平衰落模型下的信道半盲估计算法和复信号平衰落模型下的信道半盲估计算法， 东南大学博士学位论文 并且通过子空间跟踪算法导出了半盲信道估计算法的自适应过程。我们对半盲信 道估计算法的估计误差进行了理论分析，结果表明：无论信道是否满足可辨识条 件，半亩信道估计算法的性能均优于传统的训练算法。通过o f d m 技术的应用， 我们进一步将半盲信道估计算法扩展到频率选择性衰落信道中。 论文第七章为全文总结，并对可以进一步研究的问题进行了讨论。 关键词：码分多址二维r a k e 接收机高阶累积量投影迭代信道估计 子空间分解v - b l a s t 盲源分离正交频分复用空时分组码 i i 垒! ! 坐竺一 a b s t r a c t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sc o n t i n u et os t r i v ef o re v e rh i g h e rd a t ar a t e s t h i sg o a li sp a r t i c u l a r l yc h a l l e n g i n gf o rt h o s es y s t e m st h a ta r ep o w e r , b a n d w i d t h ，a n d c o m p l e x i t yl i m i t e d m u l t i p l e - a n t e n n at e c h n o l o g yh a sr e c e , i v e de n o r m o u si n t e r e s t i n r e c e n ty e a r sd u et oi t s s t r o n ga b i l i t i e so fs u p p r e s s i n gt h ei n t e r f e r e n c e ，c o m b a t i n gt h e f a d i n g ，i n c r e a s i n gt h es y s t e mc a p a c i t ya n ds oo n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ef o c u so nt h e r e s e a r c ha b o u tt h e a p p l i c a t i o n s o f m u l t i p l e - a n t e n n at e c h n o l o g y i nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，i n c l u d i n gs m a r ta n t e n n a ，s p a t i a ld u p l e x i n ga n ds p a t i a ld i v e r s i t y t h i sd i s s e r t a t i o ni sd i v i d e di n t os e v e n c h a p t e r s c h a p t e r1 i n t r o d u c e st h er e s e a r c h b a c k g r o u n d a n dt h em a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o n t h er e s e a r c hs t a t u so f m u l t i p l e - a n t e n n at e c h n o l o g yi n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si sa l s or e v i e w e di nt h i s c h a p t e r a tt h eb e g i n n i n go fc h a p t e r2 ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o b i l ec h a n n e l sa r e d i s c u s s e d t h e nt h ec h a n n e lm o d e lm a dc a p a c i t yo fm i m os y s t e ma r ed e s c r i b e d ， b a s e do nt h e s ed i s c u s s i o n s ，w eo u t l i n et h r e em a i na p p l i c a t i o n so f m u l t i p l e a n t e n n a t e c h n o l o g y a na d a p t i v eb l i n db e a m f o r m i n ga l g o r i t h mf o ru p l i n ki nd s c d m a s y s t e m si s p r o p o s e di nc h a p t e r3 b yu t i l i z i n gt h ep r o p e r t yt h a tt h ei n t e r f e r e n c ea n dn o i s ep a r t so f d e s p r e a ds i g n a l sa r ea p p r o x i m a t e l yg a u s s i a nd i s t r i b u t e d ，w ea p p l yt h ef o u r t h o r d e r c u m u l a n t st oe s t i m a t et h es t e e r i n gv e c t o ra n df u r t h e rc o m p l e t et h e b e a n f f o r m i n g t h i s a l g o r i t h mh a st h ea d v a n t a g e so fl o w c o m p l e x i t y a n d s t r o n g r e a l t i m ef e a t u r e s ，b e c a u s e t h ep r e d e s p r e a d i n gc o v a r i a n c em a t r i xo fa n t e n n ao u t l c u t s i sn o tr e q u i r e da n dt h e a d a p t i v ep r o c e d u r ei sp r o c e s s e do nd e s p r e a ds i g n a l s c h a p t e r 4i n v e s t i g a t e st h ec h a n n e lv e c t o re s t i m a t i o na l g o r i t h mi nt h e2 - dr a k e r e c e i v e rb yj o i n t l yu t i l i z i n gt h ep i l o ta n dt r a f f i cc h a n n e l t h ea l g o r i t h mo fc h a n n e l v e c t o re s t i m a t i o nb a s e do np i l o tw i t hp r o j e c t i o na n dt h ea l g o r i t h mo f c h a n n e lv e c t o r e s t i m a t i o nb a s e do nt r a f f i c s i g n a l s w i t h p r o j e c t i o n a r ed e r i v e d r e s p e c t i v e l y t h e a d a p t i v ei m p l e m e n t a t i o no ft h el a t t e ra l g o r i t h mi sa l s o g i v e n t h i sa l g o r i t h mc a n i m p r o v et h ea c c u r a c yo fc h a n n e lv e c t o re s t i m a t i o na n ds y m b o ld e t e c t i o nt h r o u g h p r o j e c t i o na n di t e r a t i o np r o c e d u r e s t h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a ne f f i c i e n t l ys o l v et h e p i l o tp o w e ra n dc h a n n e lv a r i a t i o np r o b l e mt h a tt h ec o n v e n t i o n a lc h a n n e lr e c t o r e s t i m a t i o na l g o r i t h ms u f f e r s i l i 查堕查兰塑主兰焦堡壅 as e m i b l i n dd e t e c t i o na l g o r i t h mf o rv - b l a s ts y s t e mi sp r o p o s e di nc h a p t e r 5 s i g n a l sr e c e i v e db yt h ea r r a yo r ef i r s ts e p a r a t e db l i n d l yb a s e do nt h ei n d e p e n d e n c e b e t w e e nt h es o u r c ed a t at r a n s m i t t e db yd i i r e r e n ta n t e n n a s af e wt r a i n i n gs e q u e n c e s a r et h e n e m p l o y e d t o c o m p l e t e t h es e m i b l i n dd e t e c t i o n b e c a u s et h e p r o p o s e d a l g o r i t h m d o e s n tn e e dc h a n n e le s t i m a t i o n ，t r a i n i n g s e q u e n c e s a r e o n l yu s e d t o e l i m i n a t et h ep e r m u t a t i o na n ds c a l ea m b i g u i t i e s ，t h e r e b yt h er e q u i r e m e n tf o rt h e t r a i n i n gl e n g t ho f t h es e m i b l i n dd e t e c t i o na l g o r i t h mi sr e d u c e dc o m p a r e dw i t ht h a to f t h ec o n v e n t i o n a lz fv - b l a s t a l g o r i t h ma n dt h es p e c t r a le f f i c i e n c yi st h e ni m p r o v e d w ef u r t h e re x t e n dt h i sa l g o r i t h mt ot h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e lt h r o u g ht h e a p p l i c a t i o no f0 f d mt e c h n i q u e s 。 t h es e m i - b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mf o rs p a c e - t i m eb l o c kc o d e ds y s t e m i s i n v e s t i g a t e di nc h a p t e r6 t h ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m si nr e a la n dc o m p l e x s i g n a l m o d e la r ed e s c r i b e d r e s p e c t i v e l y i nf l a t f a d i n g c h a n n e l s t h e a d a p t i v e p r o c e d u r ei sa l s od e r i v e db a s e do nt h es u b s p a c et r a c k i n ga l g o r i t h m t h et h e o r e t i c a n a l y s i s d e m o n s t r a t e st h a tt h es e m i b l i n da l g o r i t h mo u t p e r f o r m st h ec o n v e n t i o n a l t r a i n i n g b a s e da l g o r i t h mw h e t h e rt h ec h a n n e li si d e n t i f i a b l eo rn o t c o m b i n e dw i t h o f d mt e c h n i q u e s ，t h es e m i - b l i n d a l g o r i t h m i sa l s oe x t e n d e dt ot h e f r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l c o n c l u s i o n sa r eg i v e ni nc h a p t e r7 a n df u r t h e rr e s e a r c ho nt h em u l t i p l e a n t e n n a t e c h n o l o g y i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si sa l s od i s c u s s e d k e y w o r d s ：c d m a ，2 - dr a k er e c e i v e gh i g h o r d e rc u m u l a n t s ，p r o j e c t i o n ，i t e r a t i v e c h a n n e le s t i m a t i o n ，s u b s p a c e d e c o m p o s i t i o n ，v - b l a s t , b l i n ds o u r c e s e p a r a t i o n ，o f d m ，s p a c e t i m eb l o c kc o d e t v 东南大学学位论文独创- 陛声明 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。与我一周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：三壅旦乱日期：名翌丝z 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：二斟导师签名：乏碰曰期：加酽三 符号说明 符号说明 矩阵或向量的转置 矩阵或向量的共轭转置 复数的共轭 矩阵的行列式 矩阵的m o o r e p e n r o s e 逆 矩阵的逆 随机变量的期望 k r o n e c k e r 积 d i r a cd e l t a 函数 复数的实部 复数的虚部 范数 f r o b e n i u s 范数 矩阵的迹 符号函数 拉直运算 i x j ) ) j ) r h 。 “ + ) 0 i i ) “ 0 蜊 刚。 瓯 眦机 刚眦 第一章绪论 第一章绪论 移动通信技术的迅速发展给人们的生活和工作带来了极大的方便，目前移动 通信技术正朝着能在任何时间，任何地点，向任何人提供快速可靠的通信服务这 一目标努力，为了在有限的频率资源下向人们提供更加优质的服务，各种新的技 术正不断地应用到移动通信系统中来。 1 1 论文研究背景 随着数字信号处理、大规模集成电路和表面装贴工艺等技术的不断进步，从 二十世纪七十年代开始，现代移动通信技术得到了迅猛发展，先后经历了第一代 模拟通信系统、第二代数字通信系统和即将商用的第三代宽带数字通信系统，目 前未来移动通信系统第四代移动通信系统的研究工作也已展开。 第一代移动通信系统开始于二十世纪七十年代末到八十年代初，主要的代表 系统有：美国的先进移动电话业务( a m p s ) ，英国的全接入通信系统( t a c s ) ，北 欧的北欧移动电话( n m t ) 等。第一代移动通信系统基于模拟通信技术，提供的服 务仅为语音服务。尽管第一代移动通信系统在当时发展迅速，但是它存在许多问 题，其中频谱利用率低、系统容量小、不能提供高速数据业务、保密性差、移动 设备成本高、体积大等缺点制约了它的广泛应用。 第二代移动通信系统主要兴起于二十世纪九十年代，主要的代表系统有：欧 洲全球移动系统( g s m ) ，美国通信工业l 办会颁布的i s 一9 5 ，欧洲电信标准协会制 定的数字无绳电话d e c t ，美国贝尔公司提出的个人接入通信系统p a c s ，日本 个人手提电话系统p h s 等。第二代移动通信系统采用了数字调制技术、先进的 呼叫处理技术和新的网络结构，具有更高的频谱利用率和更大的系统容量，除话 音业务以外，还可以开展一些简单的数据业务，话音质量和安全性好于第一代移 动通信系统。 移动用户的高速增长及更高速率数据业务的需求推动了第三代移动通信系 统的发展，目前第三代移动通信有三个主流的标准，分别是欧洲提出的w c d m a 、 美国提出的c d m a 2 0 0 0 和我国提出的t d s c d m a 。第三代移动通信系统以全世 界范围的个人通信和多媒体通信为目标，它是一个支持多速率、n , _ t k 务、宽频带 东南大学博士学位论文 的系统，能够满足移动性，高比特率、可变业务等需求。与第二代移动通信系统 相比，第三代移动通信系统具有许多优点，如高频谱效率、高服务质量、低成本、 高保密性等。该系统能够为移动用户提供全球漫游、无缝覆盖的服务；能为移动 用户提供与固定网络相当的话音、非话音以及多媒体等多种速率的业务，最高传 输速率可达2 m b p s ，并且满足上行、下行链路业务量不对称需求。 为了追求更高的数据传输速率和更优质的通信质量，近年来一些学者提出了 未来移动通信系统即第四代移动通信系统的概念 1 2 】。第四代移动通信系统具有 以下一些特点：以移动数据为主；最高传输速率比现在高一个数量级以上；发射 功率比现在更低，能解决电磁干扰问题；支持更丰富的移动业务，包括高清晰度 图像业务、会议电视、虚拟现实业务等，使用户在任何地方都可以获得任何所需 的信息服务。另外过去的移动通信技术全球不统一，不同标准对用户的使用造成 一定不便，第四代移动通信系统要求实现全球统一的标准，真正实现一部手机在 全球的任何地点都能实现通信。 在移动通信的迅猛发展过程中，许多新的技术不断被研究和应用，其中主要 有：新的编解码技术、r a k e 分集接收技术、功率控制技术、自适应调制技术、 多用户检测技术和多天线技术等。其中多天线技术由于具有抑制干扰、抗衰落、 增大覆盖范围和提高系统容量等优点，正受到越来越多的关注。 1 2 无线通信中多天线技术的研究现状 多天线技术原先应用于雷达和声纳信号处理中，近年来在蜂窝式无线通信系 统中，由于用户数目的增加，频谱的拥塞和同信道干扰变得越来越严重，多天线 技术开始应用于移动通信中，通常文献中将发射端和接收端采用多天线的系统称 为m i m o ( m u l t i i n p u t - m u l t i - o u t p u t ) 系统，各国学者从不同的角度对m i m o 系统的 理论、性能、算法和实现进行了广泛的研究，无论在理论还是应用方面都取得了 很大进展。 在m i m o 系统的信道容量方面，f o s c h i n i 和t e l a t a r 分别给出了发射端和接收 端都知道信道状态信息时，平衰落零均值空间白化信道( z m s w ) 下单用户的信道 容量计算方法 3 4 】；m a r z e t t a 和h o c h w a l d 在文献【5 中研究了发射端和接收端仅 知道信道分布信息时z m s w 信道的信道容量；z h e n g 和t s e 进一步给出了该模 型高信噪比时信道容量更紧的界 6 】，以上文献研究的都是块衰落信道模型的信 道容量，即信道在一个数据块内保持不变，在不同的数据块内相互独立：m a r z e t t a 和h o c h w a l d 在文献【7 中研究了连续衰落模型下的信道容量。当信道相关时，信 道容量会有所损失，文献 8 - l o 研究了相关信道下m i m o 系统的信道容量： 第一章绪论 b o l c s k e i 等研究了基于o f d m 的m i m o 系统的信道容量【1 1 ：还有许多文献研 究了多用户下m i m o 系统的信道容量 1 2 1 3 】。关于单用户和多用户m i m o 系统 的信道容量，尚有许多未能解决的问题，文献 1 4 】对此进行了综述。 在m i m o 系统的信道模型方面，最初文献假设的信道模型都是理想信道模 型，即每对天线之闯的信道是相互独立的复高蒴信道，在散射非常丰富的环境下， 这个信道模型与实际信道比较接近 3 。但也有许多环境下的信道模型与理想信 道模型之间存在较大差异，如当有直达径( l o s ) 存在时，信道衰落服从莱斯分布， 此时m i m o 系统的信道容量与莱斯因子有关，文献 1 5 1 6 】给出了实测的莱斯因 子分布，虽然在室内环境中，许多模拟和测量已经证明，直达径很弱 1 7 1 8 】，但 每对天线之间的信道衰落会存在相关性，文献【1 9 】给出了两种衰落相关的信道模 型孔眼( k e y h o l e ) 信道模型和双散射( d o u b l es c a t t e r i n g ) 信道模型。 除了理论上的突破，多天线技术在无线通信中的应用研究也取得了丰硕的成 果，多天线技术在无线通信中的应用主要包括三个方面即智能天线、空间分集和 空间复用 2 0 。大量的文献对智能天线的理论和算法进行了研究，并在实验平台 上对算法的性能进行了测试。其中1 9 9 5 年欧洲通信委员会由德国、英国、丹麦 和西班牙合作在d e c t 基础上构造了智能天线实验平台，系统评估了估计信号到 达方向( d o a ) 的m u s i c 算法，该平台采用的自适应波束形成算法有： n l m s ( n o r m a l i z e dl e a s tm e a n s q u a r e ) 芹or l s ( r e c u r s i v el e a s ts q u a r e s ) 算法，现场 钡0 试表明：霭环和平面天线适于室内通信环境使用，而市区则采用简单豹线列阵 较适合 2 1 ；j f ，d i o u r i s 和b f e u v r i e 等在法国进行了一项智能天线实验，天线阵 由环形5 阵元阵列构成，工作于l 波段，它从解调器中产生参考信号，并用矩 阵求逆法进行阵元权值更新，试验结果表明：在传输速率达2 0 0 k b l s 的多径环境 下，算法仍能较好地更新权值，若要进一步提高接收性能，必须增加阵元数目 2 2 ；日本a t r 光电通信研究所研究了基于波束空间处理方式的多波束智能天 线，并提出了软件天线概念，即利用软件方法使用户在不同的环境中工作于不同 的算法，比如当噪声为主要因素时，则使用多波束最大比合并算法，而当同信道 干扰是主要因素时，则使用多波束恒模算法 2 2 ；a r r a y c o m m 公司和中国邮电电 信科学技术研究所信威公司研制出了用于无线本地环路( w l l 】的简化智能天线 系统 2 2 】；德州大学奥斯汀分校的空分多址( s d m a ) 小组建立了一个智能天线测 试环境，对s d m a 的实现方法和无线信道特性进行了深入研究 2 2 ；斯坦福大学 信息系统实验室建立了用于验证t d m a 系统空时二维处理算法的实验系统f 2 2 1 。 多天线技术在无线通信中应用的另一个研究热点是发射分集。发射分集的概 念最初由w i t t n e b e n 于1 9 9 1 年提出 2 3 ，s e s h a d r i 和w i n t e r s 在1 9 9 4 年首次提出 了空时编码的概念 2 4 。1 9 9 8 年t a r o k h 等提出了空时格码【2 5 ，j c n 2 5 2 7 j 讨论 3 东南大学博士学位论文 了空时格码的性能和设计准则，文献 2 8 给出了更新和更简洁的码设计准则，文 献f 2 9 1 专门研究了p s k 调制系统的空时格码理论。空时格码能够达到最大编码增 益和分集度，但是它的译码较复杂，为了获得译码复杂度较低的空时码，a l a m o u t i 等提出了两天线下的空时分组码即a l a m o u t i 码 3 0 ，该方案已被纳入到第三代移 动通信系统的标准中。1 9 9 9 年t a r o k h 等进一步提出了多天线空时分组码的一般 设计准n 3 1 ，由于多天线下复数域空时分组码的码率通常只有去，许多文献为 z 寻找频带利用率更高的空时分组码作出了努力3 2 3 4 ，其中文献 3 3 】给出了用代 数域作为数学工具的编码方案，文献【3 4 给出了复数域空时分组码码率的上界。 在空间复用的研究方面，1 9 9 6 年f o s c h i n i 提出了对角分层空时结构 ( d b l a s t ) 3 5 1 ，1 9 9 8 年w o l n i a n s k y 提出了垂直分层空时结构( v b l a s t ) 并建立 了一个实验系统 3 6 3 7 ，在室内试验中达到了2 0b s h z 以上的频谱利用率，这 一频谱利用率在单天线系统中极难实现。b l a s t 技术获得了2 0 0 2 年度美国爱迪 生发明奖。2 0 0 2 年1 0 月，世界上第一颗b l a s t 芯片在朗讯公司贝尔实验室问 世，这一芯片支持最高4 4 的天线布局，可处理的最高数据速率达到1 9 2 m b p s 。 该技术可用于移动通信，b l a s t 芯片将使移动台能够在3 g 移动网络中接收每 秒1 9 2 m b 的数据，现在，朗讯科技己经开始将此b l a s t 芯片应用到其f l e x e n t o n e b t s 家族的系列基站中，同时还计划授权终端制造商使用该b l a s t 芯片， 以提高无线数据终端支持高速数据接入的能力。 1 3论文的研究内容和章节安排 本论文主要围绕多天线技术在无线通信中的应用进行研究。智能天线最核心 的内容是波束形成，j s ，t h o m p s o n 在文献 8 9 中对d s c d m a 系统中各种波束形 成算法进行了总结，这些算法具有不同的性能和复杂度，如何寻求低复杂度而性 能较好的波束形成算法一直是个研究的课题，本文对d s c d m a 系统中的盲波束 形成算法进行了研究。 第三代移动通信系统为了在接收端实现相干接收，采用了辅助导频信道，导 频可以用于信道矢量的估计，信道矢量估计的精度直接影响二维r a k e 接收机 的性能。许多文献研究了二维r a k e 接收机中信道矢量的估计算法，如何根据 移动信道的特点，联合使用导频和业务信号，进一步提高信道矢量的估计精度具 有一定的实用价值，本文对这问题进行了研究。 b l a s t 系统在接收端进行数据检测时通常都需要知道信道信息，因此信道 估计在b l a s t 系统的检测中具有非常重要的地位，一般情况下b l a s t 系统都 第一章绪论 通过发送端发送训练序列来进行信道估计，训练序列的长度直接关系到信道估计 的性能，因而决定着符号检测的精度，论文中研究了在训练序列较少情况下 b l a s t 系统的检测问题。 空时分组码由于解码算法比较简单，因而在实际中具有更大的应用价值，空 时分组码在解码时需要进行信道估计，现有的信道估计算法主要针对a l a m o u t i 码，对一般空时分组码的信道估计问题研究较少，我们在论文中对一般空时分组 码系统的信道估计和信道跟踪问题进行了研究。论文的主要章节安排如下： 第二章我们介绍了m i m o 系统的信道模型、系统容量以及多天线技术在无线 通信中的三个主要应用。关于智能天线部分，我们介绍了智能天线中的两个主要 内容常用的波束形成算法和d o a ( d i r e c t i o n o f a r r i v a l ) 估计算法；关于空间分集 部分，我们介绍了接收分集、开环发射分集和闭环发射分集的基本原理；关于空 间复用部分，我们对空间复用的三种主要结构：d b l a s t 、v - b l a s t 和t _ b l a s t 之间的异同进行了比较。 论文的第三章提出了一种适用于d s c d m a 上行链路的自适应盲波束形成 算法，该算法利用大扩频比下c d m a 信号解扩后干扰和噪声近似呈高斯分布的 特性，通过四阶累积量的应用，首先对目标信号的导向矢量进行盲估计，并利用 估计出的导向矢量，在最大信噪比准则下完成波束形成。我们给出了该算法的自 适应实现过程。由于该算法无需求取解扩前信号的相关矩阵，自适应过程对解扩 后信号进行，所以具有运算量小、实时性强的特点。为了进一步提高系统抗衰落 性能，我们还将自适应盲波束形成算法应用到二维r a k e 接收机中，并对算法 的性能进行了仿真。 第四章研究了二维r a k e 接收机中联合利用导频和业务信号进行信道矢量 估计的算法。我们给出了带投影的基于导频信号的信道矢量估计算法，该算法利 用实际环境中信号方位变化比衰落变化慢的特性，首先用子空间分解法估计出目 标信号的导向矢量，然后将用传统导频估计法得出的信道矢量向导向矢量作投 影，得到新的信道矢量估计值，理论分析表明：投影过程能有效地消除信道矢量 估计的误差。在此基础上，我们进一步推导出了带投影的基于业务信号的信道矢 量估计算法，通过投影和迭代过程，可以逐步提高信道矢量估计和符号检测的精 度，在一定程度上解决了传统信道矢量估计算法受导频功率低和信道变化快困扰 的问题。在第四章中我们还给出了带投影的基于业务信号的信道矢量估计算法的 自适应过程，该过程的本质是将导频信道的估计结果与业务信道判决导引的估计 结果进行分集合并，再将合并结果向导向矢量作投影，导向矢量的自适应更新通 过幂迭代法实现。 东南大学博士学位论文 第五章给出了- - o o 适用于v - b l a s t 系统的半盲检测算法。传统的z f v - b l a s t 检测算法需要利用训i 练序列进行信道估计，当训i 练序列长度较短，特 别是小于发送天线数时，信道估计误差较大，算法的性能下降。我们提出的半盲 检测算法避开了信道估计，首先运用发送信号的独立性进行信号的盲分离，再使 用训练序列完成信号的匹配和复常数校正，由于无需进行信道估计，半盲检测算 法对训i 练序列长度的要求得到了降低，如果采用特殊设计的导频，训练序列为2 个符号时，即可完成系统的检测，通过与o f d m 技术的结合，我们还将半盲检 测算法扩展到频率选择性衰落信道中。 在第六章中，我们先提出了一种实信号平衰落模型下适用于空时分组码系统 的信道半盲估计算法。该算法先用基于子空间的方法对信道进行盲估计，然后用 少量的训l 练序列消除复常数的模糊性。我们分析了半盲信道估计算法的估计误 差，结果表明：半盲信道估计算法的性能优于仅用训练序列进行信道估计的算法。 通过应用基于最速下降法的子空问跟踪算法，我们进一步导出了盲估计算法的自 适应实现过程。采用与实信号模型下相似的方法，论文还给出了复信号平衰落模 型下的半盲信道估计算法。通过将空时分组码与o f d m 技术相结合，我们进一 步推导出了频率选择性衰落信道下的半盲信道估计算法。我们在多种环境下对算 法的性能进行了仿真，结果表明：用一个空时块作训练序列进行复常数校正的半 盲信道估计算法的性能优于用两个空时块作训练序列进行信道估计的训练算法， 另外自适应算法在不同的车速下均能很好地跟踪信道的变化。 第七章总结了论文已取得的研究成果，并对可以迸一步研究的问题进行了探 讨。 ，6 第二章无线通信中多天线技术的基本理论和应用 第二章无线通信中多天线技术的 基本理论和应用 2 1 引言 随着现代社会信息的激增，人们交流的方式发生了很大的变化，以个人移动 通信为代表的新一代通信方式，正显现出强劲的发展势头，有限的无线频谱资源 与不断增长的个人无线通信需求的矛盾将更加激化。为了有效利用无线信道资 源，人们开始了提高频谱利用率的新技术研究，多天线技术因为具有抑制干扰、 抗衰落、增大覆盖范围、提高系统容量和数据速率等优点而受到越来越多的重视。 本章我们先介绍m i m o 环境下无线信道的信道模型，在此基础上讨论了m i m o 的系统容量，以及多天线在移动通信中的常见应用，这些应用主要包括：智能天 线，空间分集和空间复用。 2 2 无线信道的基本特性 无线电波通过移动信道时会遇到各种建筑物、树木、植被和山丘等的阻挡， 引起能量的吸收和电波的反射、散射、绕射，从而导致不同路径的衰减损耗，这 些损耗可以归纳为三类 3 8 ： 路径传播损耗 它是指电波在空间传播时所产生的损耗，它反映了宏观大范围( 即公里量级) 内接收信号电平平均值的变化趋势，接收信号的功率随着距离的增加而呈指数律 衰减，在实际的无线环境中，衰减指数通常为2 5 5 。 阴影衰落 它是由于电波在传播过程中遇到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应 而引起的损耗。该衰落反映了中等范围内( 几百波长量级) 接收电平的均值变化， 一“般遵从对数正态分布，其变化率较慢。 多径衰落 东南大学博士学位论文 它主要是由于多径传播而产生的损耗，反映微观小范围内( 几十波长量级) 接收电平的均值变化，与阴影衰落相比，该衰落变化比较快，一般遵从瑞利 ( r a y l e i g h ) 分布或莱斯( r i c i a n ) 分布。当接收信号散射分量数目很大且没有 主直达分量时，衰落服从瑞利分布；当接收信号中存在一个主要的静态( 非衰落) 分量时，衰落服从莱斯分布。 从移动通信系统工程的角度看，路径传播损耗和阴影衰落主要影响无线区的 覆盖，而多径衰落则严重影响信号的传输质量，必须采用抗衰落技术来减少其影 响。我们先简要介绍多径衰落的产生原因及其主要特性。 移动通信的接收信号往往不是单一路径的信号，而是由许多路径来的反射波 组合而成。由于不同路径的信号有不同的传播时延，从而导致信号相位不同，这 样，接收信号的幅度有时因同相迭加而增强；有时却因反相迭加而减弱。因此信 号的幅度将急剧变化，即产生了衰落，这就是所谓的多径衰落。般来说，多径 衰落主要表现出三类特性：一是随机时变特性，又称时间选择性，或多普勒扩展 特性；二是时延扩展特性，又称频率选择性；三是角度扩展特性，又称空间选择 性。 相干时间 由于移动台与基站之问存在相对运动，信号在传输过程中会产生多普勒扩 展，相干时间是多普勒扩展的倒数，它反映了信道变化的快慢。在相干时间间隔 内，多径到达信号具有很强的幅度、相位相关性。假如基带信号带宽远大于最大 多普勒频移，对应在时域中，就是基带信号带宽的倒数远小于信道相干时间，接 收机接收到的信号在个脉冲周期内变化不大，此时信道为慢衰落信道，反之， 信道则为快衰落信道。 相干带宽 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展，最后一个可分辨的延时信号 与第一个延时信号的到达时间之差定义为时延扩展，相干带宽通常定义为最大时 延扩展的倒数。如果信号带宽远小于信道相干带宽，此时多径不可分，信道为频 率非选择性衰落信道，又称为平衰落信道。如果信号带宽大于信道相干带宽，此 时多径可分，信道为频率选择性衰落信道。 相干距离 相干距离与角度扩展有关，通常，多径信号到达天线阵会发生角度扩展，角 度扩展将引起空间选择性衰落，也就是说，接收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来描述。相干距离定义为两根天线上的信道响应保持 8 。 第二章无线通信中多天线技术的基本理论和应用 强相关的最大空i n i t 巨离。角度扩展越大，相干距离越短；反之角度扩展越小，则 相干距离越大。 2 3m i m o 系统的信道模型 发射端和接收端同时有多个天线的多入多出系统简称为m i m o 系统；同样， 发射端为多个天线、接收端是单个天线的多入单出系统称为m i s o 系统；发射端 为单个天线、接收端是多个天线的单入多出系统称为s i m o 系统 2 0 。这里我们 将m i s o 和s i m o 系统看着m i m o 系统的特殊形式，统称为m i m o 系统，图2 1 为一 个典型的m i m o 系统模型。 发射天线阵 接收天线阵 图2 1 m i m o 无线传输系统模型 当信道为平坦衰落信道时，接收端接收到的信号矢量为： ，( ”) 2h s ( n ) + h ( h ) ( 2 1 ) 其中：，( n ) = k ) ，屯( n ) ，( 开) r 为接收信号矢量，s ( n ) = l ，【”) ，5 ：( ) ，( n ) 7 为发送信号矢量，n ( n ) = k ，( ) ，n ：( n ) ，n 。( 开) 】为加性噪声矢量，通常情况下， 我们假定加性噪声为高斯噪声。h 为n m 的信道矩阵，其第( f ) 个元为h ，表 示第个发送天线到i 个接收天线的信道参数。 当信道为频率选择性衰落信道时，从任一个发送天线j 到接收天线f 的信道 均为卷积信道，假设信道最大长度为l ，则接收端接收到的信号矢量为： ，( h ) = h 。5 。，( ”) + 厅( n )( 2 2 ) m = l 其中： 9 壅堕查堂竖主堂垡丝塞一一一 口。= h a h 。=