（通信与信息系统专业论文）基于lte通信系统的多天线算法研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 为了保证在未来十年甚至更长时间内的竞争力，3 g p p 组织展开了演进的 u t r a u t r a n 项目研究工作，即l t e 项目。l t e 项目的目的是致力于开发满足 “更高数据速率、“更远覆盖范围、“更小时延 及“更少运营费用 的通信 系统。同时，鉴于m i m o 技术可以突破无线系统的容量“瓶颈 和提高通信可 靠性，因此，l t e 项目将m i m o 技术作为其核心技术之一。本文在理解m i m o 通信理论和l t e 协议的基础上，深入地研究l t e 系统下行链路的m i m o 设计算 法及实现流程，包括空间复用和空间分集等，并依托链路仿真和系统仿真平台 对算法的性能进行评估和分析。 本文主要完成的工作有以下几个方面： ( 1 ) 研究l t e 系统空间分集、空间复用的基本原理。结合o f d m 的优点， 建立m i m o o f d m 物理层链路模型，为后文展开m i m o 的研究提供理论基础。 ( 2 ) 基于l t e 物理层中m i m o 技术的众多解决方案，本文将对其性能进行 理论分析和仿真对比，研究适用于l t e 的最佳空间分集和空间复用方案。同时， 对最佳方案进行性能评估，判断其是否满足l t e 项目的需求指标。 ( 3 ) 针对中高速移动场景具有严重的多普勒效应，信道状态信息变化剧烈等 特点，本文提出了以“容量最大化”为准则的开环自适应m i m o 方案。在该方案 中，利用“最小错误概率”为准则预测反馈的信道信息。 ( 4 ) 基于l t e 系统下行链路的基本参数，例如：帧结构、调制编码、o f d m 参数等，依托l t e 系统的链路仿真和系统仿真平台，通过理论分析、仿真等手 段对m i m o 方案进行误码率、吞吐量及覆盖范围等性能的验证与分析。 本文通过仿真表明：( i ) 适用于l t e 的最佳空间分集方案为s f b c ( 2 t x ) 和 s f b c f s t d ( 4 t x ) ，在目标误码率下，通过该方案所需的信噪比更低，能够增强 抗干扰能力和覆盖范围；( i i ) 适用于l t e 的最佳空间复用方案为信道预编码方案 和基于大时延c d d 的预编码方案，该设计方案能够满足l t e 所定义的小区频谱 效率、用户频谱效率及小区边缘频谱效率等需求指标。( i i i ) 本文提出的开环自适 应m i m o 方案可以在中高速移动场景中取得小区吞吐量和覆盖范围的折中；另 外该方案可以基于闭环m i m o 的结构完成，最大程度避免额外的复杂度开销。 关键字：长期演进技术，下行链路，空间分集，空间复用，自适应开环m i m o 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt oe n s u r et h ec o m p e t i t i v e n e s si nt h en e x td e c a d eo re v e nl o n g e r , 3 g p p o r g a n i z a t i o nl a u n c h e da l le v o l u t i o n a lu t r a u t r a np r o j e c t ，n a m e l yl t e ( l o n g t i m ee v o l u t i o n ) t h em a i nt a r g e to fl t ep r o j e c ti st od e v e l o pc o m m u n i c a t i o ns y s t e m w h i c hh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e ，f o re x a m p l e ，h i g h e rb s e rr a t ea n dl o n g e rc o v e r a g ea n d s h o r t e rt i m ed e l a ya n dl e s so p e r a t i n ge x p e n s e a tt h es a m et i m e ，w h e r e a sm i m o t e c h n o l o g yc a nb r e a kt h r o u g ht h ec a p a c i t y b o t t l e n e c k a n di m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f 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 ，m i m oh a sb e e nr e g a r d e da sak e yt e c h n o l o g yo f l t ep r o j e c t i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h eu n d e r s t a n d i n go ft h em i m oc o m m u n i c a t i o n t h e o r ya n dt h en e e d sa n dp r o t o c o lo fl t ep r o j e c t w eh a v ed e e p l yr e s e a r c h e dt h e m i m oa l g o r i t h ma n dr e a l i z a t i o no fl t ed o w n l i n km i m os c h e m e ，i n c l u d i n gs p a t i a l m u l t i p l e x i n g ，s p a t i a ld i v e r s i t y , e t c a tl a s t , l i l l l 【a n ds y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r mh a s b e e nb u i l tt oc o n d u c ta l le v o l u t i o na n da n a l y s i so ft h ed e s i g n e dm i m o a l g o r i t h m t h ef o l l o w i n gw o r kw i l lb ec o m p l e t e d ： ( 1 ) r e s e a r c ht h eb a s i cp r i n c i p l e so fs p a t i a ld i v e r s i t ya n ds p a t i a lm u l t i p l e x i n gi n l t es y s t e m c o m b i n e dw i mt h ea d v a n t a g e so fo f d mt e c h n o l o g y , am i m o - o f d m l i n km o d e lo fp h y s i c a ll a y e r , w h i c hp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rl a t e rs t u d yo f m i m o ，h a sb e e ne s t a b l i s h e d ( 2 ) b a s e do nm a n ym i m os o l u t i o n sf o rl t ep h y s i c a ll a y e r , t h i sp a p e rw i l l c o n d u c tt h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nv e r i f i c a t i o nt og e tt h eb e s ts p a t i a ld i v e r s i t y a n ds p a t i a lm u l t i p l e x i n ga p p l i e df o rl t es y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h eb e s ts c h e m e s w i l lb ee v a l u a t e dt od e t e r m i n ew h e t h e rt h e ym e e tt h ed e f i n e dd e m a n d so fl t e ( 3 ) i nv i e wo ft h ef a s t m o v i n gs c e n e sw h i c hh a v es e r i o u sd o p p l e re f f e c t ，r a p i d c h a n g eo fc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa l l o p e n - l o o pa d a p t i v em i m os c h e m eb a s e do nt h e m a x i m u mc a p a c i t y c r i t e r i a i nt h i s s c h e m e ，w eu s e r n i m m u me r r o rp r o b a b i l i t y a st h ec r i t e r i at op r e d i c tt h ef e e d b a c k c h a n n e li n f o r m a t i o n ( 4 ) b a s e du p o nt h ec o n f i g u r e dd o w n l i n kl t ep a r a m e t e r s ，s u c ha sf r a m e s t r u c t u r e s ，m o d u l a t i o nm o d ea n do f d mp a r a m e t e r s ，w eh a v eb u i l tl i n k s i m u l a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 a n ds y s t e m s i m u l a t i o np l a t f o r mt ov e r i 母t h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e s i g n e dm i m o s c h e m es u c ha sb i te l t o rr a t e ，t h r o u g h p u ta n dc o v e r a g e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 ) t h eb e s ts p a t i a ld i v e r s i t yw h i c ha p p l i e st ol t e s y s t e ma r es f b c ( 2 t x ) a n ds f b c + f s t d ( 4 t x ) s c h e m e s u n d e rt h ea i m e db l e r ， t h o s es c h e m e sn e e dl o w e rs n rw h i c hc a ne n h a n c et h ea n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n d c o v e r a g e ；( 2 ) t h eb e s ts p a t i a lm u l t i p l e x i n gw h i c ha p p l i e st o l t es y s t e ma r e c h a n n e l d e p e n d e n tp r e c o d i n g s c h e m ea n dl a r g e d e l a yc d dc o m b i n e d w i t h c h a n n e l d e p e n d e n tp r e c o d i n gs c h e m ew h i c hs a t i s f yt h el t ep r e d e f i n e dt a r g e ts u c ha s a v e r a g ec e l ls p e c t r a le f f i c i e n c y , a v e r a g eu s e rs p e c t r u me f f i c i e n c ya n dc e l le d g eu s e r s p e c t r a le f f i c i e n c y ( 3 ) 1 1 1 ep r o p o s e do p e n - l o o pa d a p t i v em i m os c h e m ea p p l i e dt o t h em i d d l ea n dh i g hm o b i l es c e n a r i ow h o s es p e e di sh i g h e rt h a n3 0 k m hc a na c h i e v e p e r f o r m a n c ec o m p r o m i s eb e t w e e nc e l lt h r o u g h p u ta n dc o v e r a g e 珊l a l sm o r e t h i s s c h e m ec a nb ei m p l e m e n t e db a s e do nt h ec l o s e d - l o o pm i m os t r u c t u r et oa v o i d e x c e s sc o m p l e x i t yo v e r h e a d k e yw o r d s ：l o n gt i m ee v o l u t i o n ，d o w n l i n k ，s p a t i a ld i v e r s i t y , s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ， a d a p t i v eo p e n l o o pm i m o i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导! i i l i 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 武汉理工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。 签名：曼堑型日期：丝竺：兰：呈z 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将 本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理 工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：马帮锄导师( 签名) ：；、百支日期p 匆岁，1 7 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1l t e 性能需求及m i m o 技术研究现状 3 g 移动通信的出现给人们带来了许多方便，但是随着新业务的不断出现， 目前3 g 系统的传输速率已远远不能满足人们日益增长的需求。为了保证在未 来十年甚至更长时间内的有效竞争力，3 g p p 标准化组织于2 0 0 4 年1 1 月在加拿 大多伦多主办了关于现有无线接入网演进的研讨会。基于该研讨会的讨论结果， 3 g p p 各成员于2 0 0 4 年1 2 月在希腊雅典进一步达成共识 1 】：3 g p p 决定开展演 进的u t r a u t r a n 方面的研究工作，即l t e 项目。l t e 项目的主要目的是致力 于开发满足“更小的时延、“更高的数据速率”、“更大的系统容量和“更远 的覆盖范围”及“更少的运营费用的通信系统【2 】。l t e 项目的展开遏制了 w i m a x 技术的迅猛崛起之势并且能够与3 g p p 2 提出的宽带技术相抗衡，是在 过去几十年技术储备的基础上研发出的“准4 g ”技术。 全球的移动营运商都寄厚望于l t e 项目，希望l t e 系统能够为它们带来新 的利润增长点。因此它们对l t e 项目提出了要求，要求其必须成为一个非常有 竞争力的b 3 g 宽带无线业务系统。因此l t e 项目首先从定义l t e 的系统性能 需求开始，主要系统性能需求如表1 1 所利3 1 。 由表1 1 可以可知：l t e 项目是研发低成本、高数据速率、远覆盖范围、 低延迟、为分组业务优化的无线接入技术。 为了达到l t e 项目所定义的系统性能需求，l t e 项目几乎将近2 0 年来学 术界积累的先进信号处理技术消耗殆尽，例如：多天线技术、多址技术、链路 自适应技术和信道编码技术等。关于l t e 的多址方式，3 g p p 组织经过了激烈 讨论。终于在2 0 0 5 年1 2 月，3 g p p 各成员从众多多址方式中达成了关于l t e 多址方式的最终决议 4 1 ：下行链路采用o f d m a ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 技术和上行链路采用s c f d m a ( s i n g l ec a r r i e rf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术。为了达到满足更高的数据速率和更远的覆盖范围 的需求，l t e 系统同时采用了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。 本课题将研究l t e 协议中的m i m o 技术部分并以此为基础对m i m o 技术 进行优化。 武汉理工大学硕士学位论文 表1 1l t e 系统性能需求 l t e 需求指标值或说明 1 4 、3 、5 、1 0 、1 5 、2 0 m h z ； 带宽配置 支持成对和非成对的频谱配置 峰值速率 下行链路：1 7 3m b s ( 2x2 ) 和3 2 6m b s ( 4 4 ) ( 2 0 m h z ) 上行链路：8 6m b s ( 1 x 2 ) 平均用户吞吐量 下行链路：达到r e l e a s e6h s d p a 相关指标的3 - - - 4 倍 频谱效率 上行链路：达到r e l e a s e6h s u p a 相关指标的2 3 倍 小区边缘吞吐量 下行链路：达到r e l e a s e6h s d p a 相关指标的2 3 倍 频谱效率 上行链路：达到r e l e a s e6h s u p a 相关指标的2 3 倍 在0 - 3 0 k m h 的低速场景实现最佳的性能：以高性能支持中速移动场 移动性支持景( 3 0 - 1 2 0 k m h ) ；在1 2 0 - - 3 5 0 k m f a 的移动场景( 在某些频段应支持 5 0 0k n v h ) 能保持蜂窝网移动性 小区半径5 k m 情况下，系统吞吐量、频谱效率和移动性等指标符合 系统覆盖范围需求定义要求；小区半径3 0 k i n 情况下，所定义的指标略有降低： 系统能够支持1 0 0 k i n 半径的小区 控制面延迟系统由空闲状态到激活状态的切换时间小于1 0 0 m s 用户面延迟在单用户单业务流条件下单向时延小于5 m s 复杂度尽可能减小选项，避免多余的必选特性 m i m o 是指在发射机和( 或) 接收机同时布置多根天线的技术。目前，国际 上对m i m o 技术的研究与应用已经取得了非常瞩目的成就。早在2 0 世纪末， q u a l c o m m 、n o r t c l 、l u c e n t 等公司就已经开始了对m i m o 技术的研究，使得北 美地区在m i m o 技术研发方面始终处于领先的位置。在亚洲地区，日本的都科 摩叫t td o c o m o ) 公司于2 0 0 3 年5 月在外场实验中采用o f d m 技术，在1 0 0 m h z 系统带宽中实现了1 0 0 m b i t s 的无线传输速率。随后，n r rd o c o m o 公司 通过结合m i m o 技术与o f d m 技术各自的优点，不断地打破了其创造的峰值 速率纪录，分别于2 0 0 5 年5 月、2 0 0 5 年1 2 月和2 0 0 6 年1 2 月在外场实验中实 现了i g b i t s ( 天线配置4 4 ) 、2 5 g b i t s ( 天线配置6 6 ) 、5 g b i t s ( 天线配置1 2 1 2 ) 的无线传输峰值速率【l 】。1 1 rd o c o m o 公司关于m i m o o f d m 方面的研 2 武汉理工大学硕士学位论文 究成果证明了m i m o o f d m 系统的可实现性，展示了m i m o o f d m 技术在提 供峰值速率方面的惊人能力，为业界对m l m o o f d m 技术的应用树立了良好的 信心。 在中国国内的“十五”( 2 0 0 1 - 2 0 0 5 年) 期间，以高校为主的中国高新技术研 究计划( 简称“8 6 3f u t u r e ”) 对b 3 g 关键技术也进行广泛了研究，取得了可喜 的研究成果。2 0 0 6 年，f u t u i 也演示系统在上海成功进行了测试，验证了m i m o 、 o f d m 技术等的宽带无线传输能力，在移动环境下可以实现l o o m b i t s 的峰值 速率并支持小区间切换p j 。 上述关于m i m o 技术的研究成果引起了人们对m i m o 技术的极大关注， 使得对m i m o 的研究成为了近年学术界的研究热点。鉴于m i m o 技术可以实 现更高的无线传输速率，所以许多标准化委员会已经将多天线技术作为其关键 技术。例如：i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e g r a p hu n i o n ) 标准化组织已经把m i m o 技术 集成到高速下行链路分组接入技术中，这是全球移动通信系统发展的重要里程 碑。在无线局域网中，i e e e 8 0 2 1 1 n 标准已经规范了多天线技术的应用1 6 1 。在移 动宽带无线接入网中，i e e e 8 0 2 1 6 e 标准也采用了多天线技术【j 7 1 。在3 g p p 组织 内部，l t e 及l t e a d v a n c e d 标准也采用了m i m o 技术来突破容量瓶颈，提升 通信系统的吞吐量性能。l t e 的基本天线配置是下行2 2 、上行1 2 ，同时也 考虑采用更多的天线配置( 最多4 x 4 ) 。l t e 系统中采用的下行m i m o 技术f 8 】包 括空间复用( s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ) 、预编码( p r e c o d i n g ) 、自适应( r a n ka d a p t a t i o n ) 以及空间分集等。上行将采用一种特殊的s d m a 技术，即已被w i m a x 采用的 虚拟m i m o 技术。同时，l t e 系统可以采用4 天线甚至8 天线的智能天线技术。 1 2 本文的研究意义 l t em i m o 技术主要分为两类【9 】：空间分集和空间复用。第一类技术旨在 通过空间分集提升系统的传输可靠性，比如抗噪声性能和覆盖范围，这类技术 【l 】【4 】包括循环延迟分集、空时编码、空频编码、天线切换分集等。该技术可以应 用于恶劣信道场景中提高传输的可靠性。第二类技术通过在多个不同发送天线 上同时传输独立的数据流，线性地提高系统容量，即在不增加系统带宽的前提 下，成倍地提高系统传输速率。该技术只能应用于信道状态良好的场景中。 特定的m m o 技术只能适用于特定的应用场景。当用户需求和信道条件发 生变化后，采用另外一种技术可能会取得更好的效果。所以，设计性能“完美 3 武汉理工大学硕士学位论文 的多天线系统是个非常复杂的问题，需要从以下各个方面进行综合考虑【l o 】： ( 1 ) 传播环境 首先要考虑的问题是如何使设计的m i m o 方案适用于不同的传播环境。多 天线设备可能部署在密集城市，也可能部署在市郊，甚至广阔的农村地区。所 以信道相关性肯定会在较大的范围内变化甚至存在视距。不同的传播环境给予 设计者的挑战不一样。因此，首先要保证设计的方案适用于不同的传播环境。 ( 2 ) 天线数目 l t e 的基本天线配置为下行2 x 2 和上行l x 2 。但是为了达到更高的频谱效 率，需要支持更多数目的天线配置。一些实验结果表明基本天线配置在某些场 景中无法到达下行5 b p s h z 和上行2 5 b p s h z 的频谱效率。到底需要多少天线才 能在不同的移动场景中满足目标速率? 此问题需要视具体情况而定。 ( 3 ) 天线间距 一般天线间距设置为0 5 l ，4 九或1 锨，其中九为对应的微波波长。在使用空 间复用时，为了降低空间相关性，我们优先采用较大的天线间距。相应地，天 线阵列的体积也就更大，这对于手持终端设备来说是不合适的。当天线间距较 小时，可以采用波束赋形技术；否则，较高的天线相关性会降低系统容量，不 利于m i m o 技术的使用。因此在设计多天线系统时，天线间距也需要予以考虑。 ( 4 ) 反馈需求 在闭环m i m o 技术中，最佳的方法是实时地把瞬间信道状态信息( c s i ， c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 反馈给发射机，这样会提高传输的可靠性和容量，但 是太多的反馈信息会造成系统吞吐量的下降。另外，在u e 的移动速度大于 3 5 0 k m h 的高速移动场景中，基站不能准确获取c s i ，必须使用开环m i m o 技术。 因此，合适的反馈方法将会成为l t em i m o 方案设计中很重要的一部分。 本课题将综合上述多种因素，从现有的众多m i m o 技术中，通过理论分析 和仿真验证等手段系统地研究适用于l t e 的最佳m i m o 方案，使设计的多天线 方案“放之四海而皆准 ，这是本课题的研究意义之所在。 1 3 论文的主要工作安排 本课题涉及到l t e 系统及l t e 系统中的m i m o 技术，因此课题前几章着 重研究l t e 有关m i m o 技术的协议部分。3 g p p 内各成员对于m i m o 技术的解 决提案有很多种，最后都是经过公司间的商讨决定最终采用的方案。虽然有关 4 武汉理工大学硕士学位论文 l t e 的m i m o 方案早已确定，但是研发者只能看到表面的、浅显的最终m i m o 形式，不识“庐山 真面目。作为前两章的协议研究部分，本课题将从最初的 m i m o 原理开始，系统地研究适用于l t e 的m i m o 方案，探讨每一种m i m o 技术及关键参数确定的缘由，还原m i m o 方案在l t e 系统演进的过程，以便更 深入地了解关于l t em i m o 的具体方案。值得注意的是，本课题对于l t em i m o 协议的研究是在基于3 g p p 组织对l t e 无线通信系统提出的性能要求及会议提 案基础之上完成的，引用了3 g p p 组织的部分研究结论和仿真结果。 在掌握了l t em i m o 技术的基础知识之后，本课题将在第四章重点分析中 高速移动场景存在的问题及相应的m i m o 优化算法。本课题重点针对中高速移 动场景具有严重的多普勒效应，信道状态信息变化剧烈等特点，提出了以“容 量最大化”为准则的开环自适应m i m o 优化算法。该方案同时利用了“最小错 误概率”准则预测u e ( u s e re q u i p m e n t ) 反馈的信道信息。 本论文主要安排如下： 第二章将全面介绍各种空间分集技术和空间复用技术的基本原理，并对各 种技术的优缺点和适用场景进行了分析。然后结合o f d m 的优点，建立基于 m i m o o f d m 物理层链路模型，为后文对多天线技术的研究提供理论基础。 第三章将对l t e 关于m i m o 技术协议在3 g p p 中的演进背景及被最终采用 的缘由进行系统地研究。本章从第二章介绍的众多m i m o 技术提案出发，通过 理论分析、复杂度分析、仿真验证等手段系统地研究适合于l t e 系统的最佳空 间分集和空间复用方案。从中可以对l t e 的m i m o 技术如何选择、如何最终确 立及如何设计有一个深刻的理解。在本章晟后从吞吐量( t h r o u g h p u t ) 、误块率 ( b l e r ，b l o c ke r r o rr a t e ) 方面对最终的m i m o 方案进行仿真分析，验证设计的 多天线方案是否满足l t e 定义的系统性能需求和是否需要通过额外的技术手段 进一步提高所设计的多天线方案。 第四章在对中高速移动场景存在的问题进行深入分析的基础上，结合第三 章的研究结果，提出了一种以“容量最大化为准则的开环自适应m i m o 优化 算法，并对该优化算法进行了仿真验证和实现复杂度分析。 第五章对本文进行总结，并对本课题有待于进一步深入研究的问题予以展 望。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章m i m o 基本原理及模型 研究l t e 中的m i m o 技术必须首先深刻了解m i m o 的基本原理并从数学 角度对无线m i m o 系统进行建模。本章首先研究了包括空间分集和空间复用等 关键技术的基本原理，然后结合o f d m 技术的优点，建立基于m i m o o f d m 技术的无线传输系统模型，这是本课题研究的基础。 2 1 多天线增益 m i m o 技术的应用可以带来许多方面的增益，主要包括 1 1 】：阵列增益( a 玎a y g a i n ) 、分集增益( d i v e r s i t yg a i n ) 和空间复用增益( s p a t i a lm u l t i p l e x i n gg a i n ) 。本 小节简单介绍多天线技术的三种增益及它们对系统性能的影响。 2 1 1 阵列增益 阵列增益即通过对每一根接收天线的信号进行相干合并来增强通信系统的 性能。因为阵列增益的存在，即使是信道高度相关，接收端的信噪l l ( s n r ，s i g n a l t on o i s er a t i o ) 也会随着接收天线的数目线性增长。 假设i n r 通信系统，发射信号为s 且乞= eis1 2 = 1 。在平坦相关衰落信道 中，接收天线i ，其中天线索引f ( 1 ，n r ) ，接收侧无线信号i 可以表示为 i = 曩sq - h ji = 1 ，2 ，虮( 2 - 1 ) 其中，矗表示发射天线到第f 根接收天线的无线信道增益，绣表示加载到第f 根接收天线得噪声，其服从高斯分布且功率为仃2 。 当信道相关性接近于l 时，所有的信道增益均相等，即庇= h 。因此每根接 收天线的s n r 为 乃：蝉( 2 - 2 ) 在接收端将所有的接收天线上的信号叠加起来，则接收信号，为 6 武汉理工大学硕士学位论文 n r nr ，2 = 凰+ ，l ， 对应地，接收端的总信噪比，为 厂= 学= 以等 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 因此，从公式( 2 4 ) n - 以看出，由于阵列增益的存在，接收端的信噪比随着 接收端的天线数目呈线性地增长。 2 1 2 分集增益 分集增益由发射机和接收机之间多个独立的无线子信道链路获得，主要目 的是通过分集增益的抗信道衰落性而提高传输的可靠性。 假设通信系统的天线配置为从n r 且天线之间的间距足够大，则它的分集 增益为n 。= n r n 。，即发射端和接收端之间存在m 条独立的无线子信道。因 为j 条子信道在接收端的信噪比都比较小的概率非常小，所以分集增益可以提 高传输的可靠性。在大信噪比情况下，m i m o 通信系统的平均b l e r 大约为【l 2 】 只= c y 。d ( 2 - 5 ) 其中c 为常数，与星座调制的类型有关，7 为接收端的信噪比。 从公式( 2 5 ) 可以看出，由于分集增益的存在，通信的b l e r 可以随着虬而 指数衰减。因此，从上述分析可以得出如下结论：随着分集增益d 的增加，可 以显著地降低通信系统的b l e r 。 2 1 3 空间复用增益 为了在高信噪比时获得更高的数据速率，多天线系统可以同时发送多个独 立的数据流，即所谓的空间复用。文献 1 3 】详细地推导了空间复用的信道容量， 经过简化的空间复用信道容量可以表示为 c = 缈扣：( 1 + 嘉五) ( 2 - 6 ) 7 武汉理工大学硕士学位论文 其中为发射功率，名，为每个独立等效子信道的信道增益且独立等效子信道数 目为m i n ( n 7 1 ，虬) 。 由式( 2 6 ) 得知：当信道条件较好时，信道容量可以随着y 而线性地增加， 这种由空间复用发带来的容量增益称为空间复用增益。获得空间复用增益的一 个最重要的条件是发射机和接收机之间不同的子信道能够经历丰富的散射路 径。只有这样才能保证空间信号之间的线性和独立性，从而使空问信道具有更 高的秩。在空间复用方案里，信道的秩为等效子信道数目，等于可以单独传输 的数据流。所以秩越高，能够传输的数据流就越多，系统容量就越高。 2 2 空间分集基本原理 空间分集的基本原理是利用空间信道的弱相关性，结合时间、频率上的选 择性，为信号的传递提供更多副本，改善接收端的s n r ，从而提高传输的可靠 性。l t e 中可以采用的分集方案有空时( 频) 编码、天线选择、循环时延分集等。 本小节将介绍各种空间分集的基本原理，为第三章研究空间分集方案奠定基础。 2 2 1 空时( 频) 编码 针对发射天线为2 的空时编码，最著名的编码方案是a l a m o u t i 编码【1 4 】，又 称s t b c 。s t b c 方案的编码矩阵为 s ：卜 卜2 ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 表示在t 时刻，天线1 发送符号墨，天线2 发送符号s ，；在f + 丁时刻，天线 1 发送符号一s ；，天线2 发送符号i ，其中丁表示每一个符号的持续时间。 上述s t b c 方案的空时编码速率( 即空间复用增益) 为1 ，没有牺牲频谱效 率。另外，由于两根天线上的发送信号具有正交性，因此该编码方案达到了满 发送分集2 ，同时在接收端采用线性解码比较简单【1 5 】，可以降低接收机的复杂 度。 由于a l a r n o u t i 编码方案具有上述优点，所以得到了广泛应用，但是该方案 无法扩展到更多的天线上。文献 1 6 】已证明，当发送端的天线数目大于2 时， 空时编码不能同时满足满发送分集和发送信号正交性。当发射天线大于2 时， 学术界关于空时编码的研究主要集中在以下两个领域： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 保持发送信号编码的正交性，牺牲空间复用增益； ( 2 ) 保持空间复用增益为l ，牺牲编码的正交性； 基于以上两个原则，文献 1 7 研究了四发射天线的空时编码方案。假设发 送符号为s 、s ，、j ，、s 。，两种空时编码方案分别如表3 1 和表3 2 所示。 表3 1 所示的空时编码方案保持了发送符号之间的正交性，不管信道矩阵 的条件如何，都不会遭受由于信号处理导致的s n r 损失。但是该方案的空时编 码速率只有3 4 ，损失了空间复用增益。 表3 2 所示的空时编码保持了空时编码速率为1 ，所以没有损失空间复用增 益，可以获得较高的系统吞吐量。但是由于各天线发送符号不再正交，所以在 接收端引入符号之间的干扰，造成接收机的解码性能下降。当信道条件很差时， 甚至都有可能无法解码。 表3 1 编码速率为3 4 的正交空时编码 天线1天线2天线3天线4 t j l屯屯 o ，+ 丁 一墨 0 s 3 f + 2 丁 一s 3 0 两 s 2 f + 3 r o s 3一s 2岛 表3 2 编码速率1 的非正交空时编码 天线1天线2天线3天线4 ， 而 岛以 f + r 一屯s 1 一s a ，+ 2 丁 岛 s 4 & r + 3 丁 一s 岛 一s 2 岛 如果将空时编码的时间改为频率，则上述编码方式称为空频编码【1 ( s f b c ， s p a c ef r e q u e n c yb l o c kc o d i n g ) 。s f b c 和s t b c 方案相似，这里不再赘述。 l t e 最终选用了s f b c 方案【8 】，第三章会对这两种编码方案进行性能分析。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 天线切换分集 天线切换技术即从根传输天线中按照一定的原则从中选择三根天线进行 信号传输的技术，其中l 肌该技术只需要三个射频链路( 包括功率放大器) ， 可以降低射频开销和节省成本，同时可以达到与根天线同样的分集度，提高 传输质量和扩大覆盖范围。按照时问或频率的切换，天线切换分集技术可以分 为时间切换传输分集( t s t d ，t i m es w i t c h i n gt r a n s m i td i v e r s i t y ) 和频率切换传输 分集( f s t d ，f r e q u e n c ys w i t c h i n gt r a n s m i td i v e r s i t y ) 。下面对这几种切换分集技 术的原理予以介绍。 图2 1 为2 发射天线的f s t d 原理框图，数据符号在同一时间内从所有天线 上发送，但在频域上切换发射。2 发射天线的f s t d 用数学表达式可以表示为【1 8 1 ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 表示在频率+ 九宰鲈上，在天线胛发送符号s 。，其中n = 1 , 2 。 f s t d 方案具有较高的频率分集增益，但是使用f s t d 时，为了获得o f d m 符号的准确定时，通常需要2 个相关器【1 9 】。 t s t d 的原理和f s t d 一样【1 8 】，它表示数据符号在同一时刻只从其中一根 天线上发送出去，即数据符号在时域上切换发射，如图2 2 所示。编码矩阵与 式( 2 8 ) 类似，只是将f s t d 中的频域变换成时域。 天线切换分集技术的优点总结如下【1 8 】： ( 1 ) 满发送分集增益：天线切换技术能够达到满发送分集增益。与三根 天线系统相比，增加的分集增益可以提高传输可靠性。 ( 2 ) 降低硬件成本：多根发射天线共用个射频链路，因此不需要额外射 频链路，可以降低硬件成本，特别适用于u e 端。 ( 3 ) 灵活性：天线切换可以与其它m i m o 方案灵活地结合部署。比如： 不需要增加射频模块，2 x ls t b c 方案可以灵活地扩展到2 4 1 s t b c - f s t d 方 案。 ( 4 ) 反馈信息小：天线选择可以采用闭环技术，将c s i 最佳的天线索引反 馈给发射端。与其它方案相比，该方案只需要反馈1 2 位比特给发射端即可。 l t e 系统支持上、下行链路的天线切换技术【8 1 ，第三章会对其性能进行分 析。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 i i 0 0 0 。0 0 0 o i i o o o o 。o o o o o - - i 【b 0 0 0 0 。0 0 i 一了堕 0 0 0 0 0 0 0 。0 0 , - - j 巴2 7 。o o 。 b o o o o o o o o o b 。o 。o o 。 怪竺竺! ! ! 三三 i 而五反西鬲示= i 蔚云丽赢赢万= = 0 0 0 0 0 0 0 0 i 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o 口0 00 0 0 0 0 一 o o 0 0 0 0 0 0 0 0 一 o o o o o0 0 0 口o + 簟曩 0 符粤0 空符号o 嘲号0 空符号 图2 - 1 频率切换传输分集( 2 天线)图2 - 2 时间切换传输分集( 2 天线) 2 2 3 循环时延分集 循环时延分集( c d d ，c y c l i cd e l a yd i v e r s i t y ) 主要是结合o f d m 而被使用。 在o f d m 符号插入循环前缀( c p ，c y c l i cp i l o t ) 之前，将同一个o f d m 符号分别 循环移位d m 个采样点，其中d o = o ，然后每根天线根据各自对应的循环移位序 列，加入c p 1 1 。c d d 时域实现方式的原理框图如图2 - 3 ( a ) 所示。 假设s ( n ，6 ) 表示时域符号b 的第刀个采样点，其中为o f d m 系统的采样 点数。那么对于第m 根天线，被循环时延之后的信号可以表示为 以咖，= 嚣：艇n 吣- o 冀 p 9 ， 式( 2 9 ) 为