（通信与信息系统专业论文）空时编码及其在自适应mimo系统中的应用研究.pdf

摘要 摘要 空时编码( s t c ) 技术是一种用于多发射天线的编码方法。该编码在多根发射天线和多个时间 周期的发射信号之间产生空域和时域相关，这种空时相关性可以起到发射分集的作用，在不牺牲带 宽和功率的情况下使接收机克服信道衰落，提高系统可靠性。 首先，本论文分别研究了空时分组码( s t b c ) 和线性疏散码( l d c ) 这两种空时编码。由于编 码矩阵的正交性，s t b c 可以实现完全发射分集，并且每个发射符号在接收端可以独立的进行最大似 然检测。大大地降低了计算复杂度。论文中比较了不同码率的s t b c 在瑞利平衰落不相关准静态信道 下的误码率性能，随着发射天线的个数增加，分集增益提高，空时编码系统的误码性能变好，但是 s t b c 的最大互信息量越来越低于信道容量，因此不适合用于高频谱效率的通信系统中。而基于信道 容量准则，同时考虑分集度准则设计出的l d c 适合用于高频谱效率和高可靠性通信系统中，论文中 分别比较了l d c 和v - b l a s t 、l d c 和s t b c 的误码率和频谱利用率性能，验证了l d c 的优点，但其检 测复杂度变大。 接着，论文分别讨论了空间相关信道和频率选择性信道下的空时编码。在实际信道中，多天线 之间存在空间相关，论文中推导了在准静态平衰落相关信道中成对错误概率( p e p ) 的精确表达式 和契尔诺夫上界，分别在渐进高和渐进低信噪比( s n r ) 分析空间相关对空时编码p e p 的影响，得出 接收端相关总是降低系统的p e p 性能。在低s n r 发射端相关有可能改善系统p e p 性能的结论。在频率 选择性信道中，通信系统通常采用带有循环前缀的单载波分块传输( c p s c b t ) 以抵抗多径干扰。 本论文将平衰落信道中的s t b c 推广应用在c p - s c b t 中，可同样获得满空间分集度，相对于单天线系 统，额外的计算复杂度仅为d ( 吖l o g ，石) 或者“2 m 1 0 9 ，k ) ，但其频谱利用率不高。 在实际的传播环境中，m i m o 无线通信系统的信道极为复杂多变，寻求适于各种信道环境的自 适应传输方法显得尤为重要。本论文研究了一种基于特征模式闭环传输( e c l t ) 的自适应m i m o 技 术，该技术通过反向链路将信道状态信息由接收端反馈到发送端，收、发两端计算得到相同的自适 应参数，控制发送和接收方案。论文提出了基于最小均方误差( m m s e ) 准则设计出线性疏散码， 并将其应用到瑞利平衰落自适应m i m o 系统中，在误比特率为1 0 。时，系统提高了1 - 4 d b 的性能。最 后，论文推导了线性疏散码应用在瑞利频率选择性自适应m i m o 系统的算法，并傲了详细仿真，得 出本论文中给出的线性疏散码更适合用于相关性不断变化的信道中的结论。 关键词：m i m o ，空时编码，空时分组码，线性疏散码，发送相关，接收相关，c p - s c b t ，e c l t 自适应m i m o 系统。 a b s t r a c t a b s t r a c t s p a c et i m ec o d i n g ( s t c ) i su s e di nt h em u l t i p l er a u s m i t t i n ga n t e n n a ss y s t e m , w h i c ha d d st l m c o r r e l a t i o ni nt h e 印a c ea n dt i m ed o m a i na m o n gm a n yt r a n s m i t t i n ga n t e n n a sa n ds y m b o li n t e r v a l s n i i 。 s p a c e - t i m ec o r r e l a t i o nc a nf u n c t i o n t r a n s m i td i v e r s i t y ，o v e r c o m e 也cc h a n n e lf a d i n ga n di m p r o v et h e s y s t e m se r r o rp c d b i m 柚c ew i t h o u tt h eb a n d w i d t ha n dp o w e rl o s s f i r s t l y , s p a c et i m eb l o c kc o d i n g ( s 1 b c ) a n dl i n e a rd i s p e r s i o nc o d i n g ( l d c ) a r er e s p e c t i v e l yr e s e a r c h e d i nt h ep a p e r b e c a u s eo f i 乜e n c o d i n gm a t r i x so r t h o g o n a l i t y , s t b cc a na c h i e v et h et o 诅lt r a l l s r o j td i v e r s i t y , a n de v e r yt r a n s m i ts y m b o la r ea b l et ob ed e m c t e di n d e p e n d e n t l y ，t h e r e f o r e ，t h ec o m p u t a t i o nc o m p l e x i t y 锄 l a r g e l yr e d u c e d b i te r r o rr a t e ( b e r ) p e r f o r m a n c eo fs t b cw i t l ld i f f e r e n tc o d em t ei nt h er a y l e i 曲f i a t f a d i n gu n c o r r e l a t o ds t a t i cc h a n n e la r ec o m p a r e dt og e tt h ec o n c l u s i o nt h a tb i g g e rd i v e r s i t yg a i n ，b e t t e rb e r p e r f o r m a n c eo ft h es t cs y s t e m b u ta st h en u m b e ro ft r a n s m i ta n t e n n a sa r ei n e r e i n g ，t h em a x i m u m m u t i l a li n f o r m a t i o na r el o w e rt h a nt h ec h a n n e lc a p a c i t ym o r ea n dm o r e s os t b ti sn o ts u i t a b l ef o rt h e l l i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y l d c o nt h eo t h e rt r e n d , d e s i g n e db a s e do nt h ec h a n n e lc a p a c i t yr u l ea n d d i v e r s i t yr u l e ，a d a p tt oh i 曲s p e c t r u me f f i c i e n c ya n dh i g hr e l i a b i l i t yc o m m u n i c a t i o ns y s t e m u ，ca n d v - b l a s t 、l d ca n ds t b ca r ec o m p a r e df r o mt h eb e ra n ds p e e t n n ne f f i c i e n c yp o i n to f v i e w t h e n ，t h ep a p e rr e s p e c t i v e l yd i s c u s s e st h es t cu n d e rs p a t i a l l yc o r r e l a t e dc h a n n e la n df r e q u e n c y s e l e c t i v ec h a n n e l i nt h e 僦c h a n n e l a m o n gm u l t i p l ea n t e m m st h e r ee x i s tt h es p a t i a lc o r r e l a t i o n s t h e p a p e rd e d u c e st h ee x a c te x p r e s s i o na n dt h eu p p e rb o u n do f p a i r w i s ee r r o rp r o b a b i l i t y ( p e p ) ，a n da n a l y z e s t h ee f f e c to np e pf r o ms p a t i a lc o r r e l a t i o n s w ek n o wt h a tt h er e c e i v ec o r r e l a t i o na l w a y sr e d u c et h e s y s t e m sp e pa n da tt h el o w e rs n rt h et r a n s m i tc o r r e l a t i o ns o m e t i m e si m p r o v et h a t c o m m u n i c a t i o n s y s t e mu s u a l l yn l a k e su s eo fs i n g l ec a r r i e rb l o c ka a n s i t i o nw i t hc y c l i cp r e f i xt or e l n o v et h em u l t i p l ep a t h i n f e r e n c ei nt h ef r e q u e n ts e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s t b cu s e di n t h ef i a t f a d i n g ，a r eg e n e r a l i z e dt o c p s c b t , w h i c hc a na c h i e v ef u l ls p a t i a ld i v e r s i t y c o m p a r e dt os i n g l ea n t e n n as y s t e m , i t se x t r ac o m p u t e c o m p l e x i t yi s j u s t “ml 0 9 2x ) o r “2 ml 0 9 2 固，b u ti t ss p e c t r u me f f i c i u n c yi sn o th i g h i nt h er e a lp r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n t , t h em i m ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h a n n e li se x t r e m e l y c o m p l i c a t e da n dv a r i a b l e c o n s e q u e n t l y , i ti se s p e c i a l l yi m p o r t a n tt of i n do u tt h ea d a p t i v et r a n s m i s s i o n m e t h o d st of i ta l lk i n d so fc h a n n e l s a na d a p t i v em i m ot e c h n o l o g y , b a s e do ne i g a n - m o d ec l o s e l o o p t r a n s m i s s i o n ( e c i d ，锄e f f e c t i v e l yo b t a i nt h ec h a n n e li n f o r m a t i o nt h a ta r ef e db a c kt ot h er a u s m i t t e r b o t ho ft h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rg e tt h es a l n ea d a p t i v ec o n t r o lp a r a m e t e r st od e t e r m i n et h et r a n s c e i v e r s c h e m e s b a s e do ni n m u mm e l r ls q u a r ee t r o r o d s e ) v a l e ，l d ca 托d e s i g n e da n da p p t i e di nt h e r a y l e i g hf r e q u e n c yf i a tf a d i n ga d a p t i v em i m os y s t e m , a n do b t a i n e dl - 4 d bb e rp e r f o r m a n c eg m a tl a s t , t h ep a p e rd e d u c eh o wl d c a p p l yi nt h er a y l e i g hf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n ga d a p t i v em i m os y s t e m , t h e n e m u l a t ei ta n dg e tt h ec o n c l u s i o nt h a tl d ca r em o r ea p p r o p r i a t et ot h ec h a n g e a b l ec o r r e l a t i o nc h a n n e l s k e yw o r d s ：m i m o ，s t c ，s t b c ，l d c ，w a u s m i tc o r r e l a t i o n ，r e c e i v ec o r r e l a t i o n ，c p s 亡b t , e c l t , a d a p t i v em i m os y s t e m i i i 插图且录 插图目录 图2 - i 时变多径信道冲激响应”6 图2 - 2 离散时间m i m o 信道模型“ 图2 - 3 分块传输示意图1 4 图3 - 1一发一收、一发两收、一发四收三种不同天线系统在瑞利平衰落信道下误符号率性能2 0 图3 _ 2a l a m o u t i 编码和最大比合并接收分集的误比特率性能 图3 3 不同码率的s t b c 在瑞利平衰落信道下的误符号率性能：r x = 1 r = 3 b i t s h z ”2 5 图3 - 4 不同码率的s t b c 在瑞利平衰落信道下的误符号率性能：r x = 1 r = 2 b i l s i - i z ”2 5 图3 - 5 不同码率的s t b c 在瑞利平衰落信道下的误符号率性能：r x = 1 r = l b i t s h z ”2 6 图3 - 6a l a m o u t i 方案的最大互信息量同信道容量的比较2 6 图3 - 74 x 3 正交分组码的最大互信息量同信道容量的比较2 7 图3 - 8l d c 和v - b l a s t 在瑞利平衰落信道下的误比特率性能：忱r x 2 ，r = 4 b i t s i - - i z 3 1 图3 - 9l d c 和o d 在瑞和平衰落信道下的误比特率性能：t x 2 鼬。r = $ b i f f s h z 图3 1 0l d c 和o d 在瑞利平衰落信道下的误比特率性能：t x 3r x l 。r = 6 b i t s h z 3 3 图3 1 1l d c 和o d 在瑞利平衰落信道下的误比特率性能：t x 3r x l ，r = 2 b i t s h z ”3 4 图4 1 基于c p 的空时分组码 图4 - 2 图4 3 图4 - 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 - 5 一发一收的c p s c b t 同两发一收的c p s c b t s l m c 的误比特率性能：r = 3 b i f f s h z 4 3 三发一收和四发一收的c p s c b t - s t b c 误比特率性能：r = i 5 b i f f s ，i - l z 4 6 不同发射天线个数c p s c b t - s t b c 的误比特率性能：r = 2 b i t s h z 4 6 自适应m i m o 系统框图4 9 自适应m i m o 系统中一个时隙的结构图5 0 n s = 1v s h 发送方案5 2 n s = 2v s h 发送方案 n s = 3v s h 发送方案 图5 - 6n s = 4v s h 发送方案 图5 7 各种空时码在瑞利平衰落自适应m i m o 系统中的误比特率性能：n f l ，r = 4 b i t s i - - i z 5 7 图5 8 各种空时码在瑞利平衰落自适应m i m o 系统中的误比特率性能：n f 2 ，r = s b i t s h z 5 8 图5 - 9 各种空时码在瑞利平衰落自适应m i m o 系统中的误比特率性能：n s = 3 ，r = 1 2 b i t s p r l z 5 8 图5 1 0 各种空时码在瑞利平衰落自适应m i m o 系统中的误比特率性能：n s = 3 ，r = 6 b i t s i - i z 5 9 图5 1 1 各种空时码在瑞利平衰落自适应m i m o 系统中的误比特率性能：n s = 4 ，r = 8 b i t s h z 5 9 图5 1 2v s i l l 和l d c 在瑞利频率选择性自适应m i m o 系统中的误比特率性能：n s = 4 , r = s b i t s h z 6 2 图5 1 3 v s h 和l d c 在瑞利频率选择性自适应m 订o 系统中的误比特率性能：n s = 3 , r = 6 b i t s h z 6 2 图5 一1 4 v s h 和l d c 在瑞利频率选择性自适应m i m o 系统中的误比特率性能：n s = 2 , r = 8 b i t s h z 6 3 图5 1 5 v s h 和l d c 在瑞利频率选择性自适应m i m o 系统中的误比特率性能：n s = 1 , r = 4 b i f f s h z 6 3 表格目录 表3 1 表3 - 2 表3 - 3 表3 4 表3 - 5 表5 - 1 表5 - 2 表5 - 3 表格目录 空时分组码的仿真参数2 3 l d c 和v - b l a s t 的仿真和性能参数“m3 l 高频谱利用率l d c 和a l a m o u t i 编码的仿真和性能参数”3 2 高频谱利用率l d c 和正交设计( o d ) 的仿真和性能参数3 3 低频谱利用率l d c 和正交设计( o d ) 的仿真和性能参数一 均方误差o 订s e ) 的比较 互信息量叫i ) 的比较” 多径自适应m i m o 系统的仿真参数 3 4 - 5 6 5 6 6 1 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：垄，壅一日期：釜遁垒至8 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：童起 导师签名： 日期： z ! ! 聋g 第一章绪论 第一章绪论 2 l 世纪，全球进入了信息时代，信息的产生和传递非常迅速，已影响了杜会的各个方面。随着 经济的增长、社会的发展和人们物质生活及精神生活的提高，人们对通信提出了更新的、更高的要 求由于因特网和多媒体应用在下一代无线通信中的集成，宽带高速数据通信服务的需求在不断增 长，包括向大量移动用户提供高速i n t e m e t 无线接入、无线电视、移动计算等。这些服务需求的快速 增长促使无线技术向高数据速率、高移动性、高频谱利用率和高载波频率发展。研究先进的编码、 调制、信号处理和多址接入方式技术，以支持宽带无线通信可靠性和提高无线链路频谱有效性是非 常有必要的。其中。多输入多输出( m i m o ) 天线系统的空时编码和处理算法的发展更具有特别重 要的意义。 1 1 研究背景 1 1 1 移动通信系统的发展 本论文将要介绍空时编码技术在移动通信系统中的应用。因此，首先介绍无线通信系统的过去、 现在和将来的演变情况，这些促使多天线的发展以满足目前和未来高性能移动多媒体的需求。 无线通信的历史相对来说很短。无线通信首次登场可回溯到1 9 0 1 年，当时第一个电报跨越大西 洋从c o r n w a l l 传递到n e w f o u n d l a n d 。在过去三十年中，手机无线通信经历了前所未有的增长，已经 改变了人类通信和生存的方式。迄今为止，手机无线通信经历了四个阶段。 1 9 7 8 年美国首先推出了全球第一个蜂窝移动系统，即先进移动电话系统( a m p s ) ，标志着第一 代移动通信系统( 1 g ) 的诞生。第一代移动通信技术主要采用的是模拟技术和频分多址( f d m a ) 技术，由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只是一种区域性的移动通信系统。 第一代移动通信有多种制式，我国主要采用的是t a c s 。 第二代移动系统( 2 g ) 开始于2 0 世纪九十年代，大多数国家现在仍在使用。2 g 系统是全数字 化的，多址方式采用时分多址( t d m a ) 或者码分多址( c d m a ) 。相对于1 g 系统，2 g 有更好的频 谱有效性、大的系统容量和可靠的服务质量。欧洲的全球移动通信系统( g s m ) 、北美的个人通信业 务( p c s ) i s - 9 5 系统和日本的个人数字终端( p d c ) 系统都属于2 g 系统。 尽管2 g 系统也支持数据业务，但它主要是窄带低速的。宽带高速无线通信服务的增长需求促 使第三代移动通信系统的诞生和发展。现在世界范围内有三种3 g 标准：w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和 t d - s c d m a 。同2 g 系统相比，3 g 系统能够支持更高的数据传输速率和用户的移动性。当前3 g 系 统仍在发展，以在支持高达几m b i t s s 的数据传输速率，几百千米小时的终端移动速率。同1 g 和 2 g 系统相比。3 g 系统的重点在于支持高质量的宽带多媒体业务。 3 g 系统实际所能提供的高速移动中的最高速率只有3 8 4 k b i t s ，不能完全满足用户的实际需求， 而且难以满足不断增长的多媒体业务的高数据速率需求，难以在不同频段的服务区间漫游等”j 。因 此，研究出能更好地支持非对称业务、宽带多媒体、i n t e r a c t 及其综合业务的高速移动无线通信技术， 提供高速率、高频谱效率、大容量和低成本的无线多媒体通信成为一个热点。在此现状下，适应移 动通信发展趋势的b 3 g ( b e y o n d3 g ) 4 g 技术的研究正在全球范围内开展。b 3 g 系统将支持多种无 线接入技术，能实现目前多种无线网络的任意组合，包括w l a n ，w p a n ，g p r s ，3 g 等；b 3 g 系 东南大学硕士学位论文 统将具有更宽的频带、更高的数据传输速率、更平滑的小区切换、更多样的服务和更低的成本等， 将具有信令和路由功能【2 】b 3 g 和4 g 系统主要是以m i m o 和正交频分复用( o f d m ) 为技术核心。 1 1 2 空时编码技术 由于可用无线频谱资源的有限性，高数据速率只能通过高效的信号处理来实现。信息论领域研 究表明，在无线信道中使用m i m o 系统可以显著提高通信容量p 1 。m i m o 天线系统经过的无线信遭 称为m i m o 信道。由于利用了m i m o 信道的空间自由度，空时编码( s p a c e - t i m e c o d i n g ) 技术是抗 信道衰落和提供系统容量的一种最新编码方法。空时编码的基础理论由t a r o k h 、s e s h a d r i 和 c a l d e r b a n k 于1 9 9 8 年提出。自那以后，空时编码和相关的m i m o 信号处理技术在无线通信领域取得 了广泛应用和飞速的发展。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时 间分集，从而降低信道误码率。使用空时码时，在发端不知道信道状态信息情况下，系统仍能开发 最大分集增益( m n ) ；并且接收天线数为1 ，仍然能够工作( 获得较小的分集增益) 。空时编码已 被列入第三代无线通信系统的标准中，有望在未来宽带无线通信移动系统的成功投入商用发挥着关 键作用本论文将主要在物理层研究空时编码系统的算法和性能分析。 1 1 3 自适应m i m o 技术 与传统的单天线发送和单天线接收系统相比，m i m o 无线通信系统的信道环境更为复杂，影响 信道容量的因素更多，在终端移动过程中，终端与基站之间的信道可能历经不同的类型，其容量随 之有较大幅度的变化。为适应信道环境的变化，可采用不同的传输方法，当信道为不相关的平坦瑞 利衰落信道时可以采用空分复用技术【4 】【5 】或者空时编码技术，在具有强直达径且采用多天线阵列时， 可采用波束成形技术【6 1 7 1 ，当信道在发送端己知时，可利用空间注水传输【8 】【9 】。显然，采用多种技术 构建实用系统，要保证高效可靠，其实现会变得非常复杂，因此寻求适用于各种信道环境的自适应 传输方法是至关重要的。 自适应于信道环境的传输，需要在发端利用信道的先验信息。信道的先验信息可以是完全的信 道状态信息或部分的信道状态信息i lo j i “j 。而部分信道状态信息是信道的统计信息，包括干扰和噪声 的统计量、发送相关、接收相关、以及均值等【1 2 h 1 4 1 。在典型移动通信环境下，特别是高速移动通信 环境下，信道是快速时变的发送端无法确知完全的信道状态信息，而其部分状态信息在相当一段 时间内是近似不变的，研究表明，当发射机利用部分信道状态信息进行传输时，m i m o 系统的信道 容量和传输可靠性可得到较大的提高【7 】。理论研究表明。在发端相关的瑞利衰落信道环境下，当收 端确知信道状态信息且发端已知信道的发送相关矩阵时，信道容量最大化准则下的最优传输即为基 于特征模式的空间预滤波传输【l “。目前已报导的工作主要针对存在发端相关的瑞利平坦衰落信道， 特征模式传输向更一般的信道环境的拓展尚未全面展开。为了使之成为真正意义上适用于各种信道 环境的统一传输方案，进一步的拓展研究是必要的。 1 2 本论文主要研究内容及安排 本文主要分为两部分，前一部分研究了线性分组码和线性疏散码这两种空时编码不同信道中的 编、译码方法，并对其性能仿真和分析。第二部分研究了线性疏散码在自适应m i m o 平衰落和频率 选择性衰落信道中的应用，并分析和仿真了性能，得出结论。 2 第一章绪论 第一章介绍了系统的背景知识，简要概括了移动通信系统的发展历程，介绍了空时编码和自适 应m i m o 技术。并说明了整个论文的研究内容及安排。 第二章描述了移动通信系统的三种选择性信道特性，并建立了不同m i m o 信道的数学模型和推 导了相应的信道容量。 第三章研究了瑞利平衰落不相关准静态信道的空时编码系统，在这种系统中推导了空时分组码、 线性疏散码的编、译码方法，对这两种码的性能进行了仿真、比较和分析。 第四章研究了空间相关信道对空时编码性能的影响和空时分组码在频率选择性信道中的应用 第五章对介绍了基于特征模式闭环传输( e c l t ) 的自适应m i m o 系统。由于线性疏散码的编 码和设计的灵活性，本论文将其应用到自适应m l m o 系统中，在瑞利平衰落和瑞利频率选择性衰落 下，得到较原系统中的虚空跳转( v s h ) 方案优良的误码率性能。r 第六章对本论文进行总结，提出尚待解决的问题。 3 第二章移动通信信道特性 第二章移动通信信道特性 2 1 移动无线信道特性 电波传播特性是所有无线通信系统设计的首要问题。移动通信的信道最为复杂，随机的、时变 的传播条件是移动信道的特征。 无线电波通过移动信道时会遇到各种建筑物、树木、植被以及地形起伏引起能量的吸收和穿透 以及电波的反射、散射和绕射等，遭受来自不同途径的衰减损害，这些损害可以归纳为三类： ( 1 ) 路径传播损耗：它是指接收机与发射机之间完全无阻挡的视距路径的传播，其损耗同接收机 与发射机之间的距离有关。它反映了传播在宏观大范围( 即公里量级) 的空间距离上的接收信号电 平平均值的变化趋势。 ( 2 ) 阴影衰落：它是由在电波传播路径上的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波遮蔽所引起的 衰落。它反映了中等范围内几百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从对数正态分 布，其变化率较慢。 ( 3 ) 多径衰落损耗：它主要是由于移动环境下多径传播而引起的衰落。它反映微小范围内几十波 长量级接收电平的均值变化，接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征，其衰落特性一般遵从瑞 利( r a y l e i g h ) 分布或莱斯( r i c i a n ) 分布。 阴影衰落常称为长期衰落，主要来自建筑物和其它障碍物的阻塞效应多径衰落常称短期衰落， 由移动用户附近的多径散射产生。路径损失和阴影衰落为发射机与接收机之间长距离( 几百米或几 千米) 上的场强变化，又称为大尺度衰落；而多径衰落为当移动台在极小范围内移动时，可能引起 瞬时场强的快速波动，称为小尺度衰落。小尺度衰落引起无线信号在经过短时间或短距传播后其幅 度快速衰落，而在此很短的时间或距离内大尺度衰落可以认为不变。路径损失和阴影衰落决定小区 的划分，小区划分后在一个小区内只需考虑多径衰落损耗。因此本论文中只考虑多径衰落对空时编 码性能的影响。 2 2 多径传播的基本特性 移动通信环境中，移动终端被各种物理所包围，如汽车、建筑物、树木等，这些物体都是无线 电波的散射体。障碍物产生与入射波同频的、幅度畸变并且相位依赖与入射波的反射角。对单个发 射波。移动终端将收到一个直达波和许多延时扩展的不同角度到达的反射波。由于不同到达角度和 时问，接收侧的反射波具有不同的相位，它们的和将在移动台接收端导致干扰的增加或减弱。对于 固定用户，反射波的和会构成一个在空间上持续变化的波域，而接收机的移动会使信号的幅度和相 位产生波动，仅在一个波长内相位和幅度的波动就会很剧烈，这样就产生了衰落，即所谓的多径衰 落。一般来说，多径衰落主要表现出三类特性i l6 j ：一是时延扩散特性，又称频率选择性；二是随机 时变特性，即时间选择性，或多普勒扩展特性：三是角度扩展特性，又称为空间选择性。所谓的选 择性就是不同的时间、不同的频率和不同的空间其衰落特性是不一样的。 5 东南大学硕士学位论文 2 2 1 时延扩展和频率选择性衰落信道 多径效应除了引起幅度衰减外，还会因时延扩展而引起畸变。考虑一个传播模型如图2 - i 所示， 发射信号在时刻发射幅度为0 的单脉冲，如图2 - i ( a ) 所示，接收信号由延迟不同的4 个到达路 径构成，如图2 1 ( b ) 所示；在时刻f 2 时刻发射相同的单脉冲，如图2 - i ( c ) 所示，接收端可分离 路径的幅度、相位，延迟和数量都将改变，其中，可分辨到达路径为5 个，如图2 1 ( d ) 所示。 w + 1 3 1 4 f 2 + 屯l 乞+ f 2 2 f 2 + f 2 3 f 2 + f 2 4f 2 + t 2 5 ( d ) 囝2 1 时变多径信道冲激响应 所以，当基站向移动台传送一个脉冲信号s o ( t ) = 口o j ( f ) ，由于多径传输，移动台接收的信号显著 被拉长了。这时移动台接收到的脉冲信号变成： l r ( f ) = a o a , g ( t f f )( 2 1 ) f - o 其中为相对时延，口，为第i 条路径的衰减+ l 为总路径数。随着移动台附近散射体数目的增多， 接收机接收到离散脉冲变成连接在一起的信号脉冲的宽度为，通常称为传播时延扩展。 根据定义，a 表示时延扩展的散布程度；a 越大，时延扩展越严重；越小。时延扩展越小。 另一个常用的描述多径时延的参数是最大时延l ( x d b ) ，其定义为：比直达径信号功率下降x d b 的多 径信号的相对时延。不存在直达径的情况下，可以用最强的多径信号的功率作为基准。 频域中也要考虑这种现象。在信号频谱中每个辐射的单频将有不同的传播路径。两个频率间隔 6 第二章移动通信信道特性 很小的单音的衰落在频率上近乎一致的所以它们在所有频率具有相同的衰落。随着两个单音频间 隔的增加，它们的衰落趋向独立。这意味着两个单音的衰落在特定频率上将会有不同。若频谱带宽 大于某一值其频谱分量就开始独立衰落，这个值就称为相干带宽只。相干带宽通常定义为最大时延 1 的倒数即噩= 。 ，二 若信道中的信号带宽小于相干带宽，则所有频率分量具有相同的衰落，这样的信道称为频率平 坦衰落信道，简称频率平衰落信道；若带宽大于相干带宽。接收信号中不同频率分量之间的关系与 发射信号中的不同，将会出现失真，这种失真称为频率选择性衰落，它是由发射信号在信道内的时 延扩展引起的。存在频率选择性衰落的信道称为频率选择性信道。 2 2 2 多普勒频移和时间选择性衰落信道 移动台在移动中通信，接收信号的频率会发生变化，所导致的频率偏移称为多普勒频移。考虑 发射信号未调载频为正时，移动方接收到个发射信号的情况。设移动方向与第f 个到达的反射信 号入射方向的角度日，则多普勒频率为： 矗= 堕c o s 辞 ( 2 2 ) 其中v 是移动台运动速度，f 是光速第i 个到达信号为： ：c o s ( 2 肛一兰! 丛c o s q 一稿) ( 2 3 ) 其中，置是第i 个反射波的随机幅度，码是均匀分布的随机相位。第i 个反射波的频率可写为： z ( 印= 正一型c o s6 ( 2 4 ) 第i 个接收信号为； o ) = r s ( t ) c o s 2 r t f 。t + ( t ) s i n 2 ，r l t ( 2 5 ) 其中( f ) ，o ) 分别是同相分量和正交分量： 民( f ) ：e c o s ( 三塑c o s b + 谚) 。， ( 2 6 ) r o ( 0 ：一r 如雄c o s 岛+ 拜) 1 接收端所收到的信号是个独立波的和： r ( o = 芝：rc o s ( 2 ，r ，( 田一破) ( 2 刀 也可用同相和正交分量表示为： r ( o = 碍( f ) c o s 2 z 肛+ ( t ) s i n 2 u f , t ( 2 8 ) 马( 办( f ) 也可用相应的独立分量的和表示为： 曷o ) = ( f ) ： ( 2 9 ) 。 ( ，) = 苫( f ) 上式中，如( r h ( f ) 是独立的随机变量。由中心极限定理，当n 大到一定程度时，马( f ) 、( 0 可 以近似为不相关的、方差为口；的零均值高斯随机过程。 7 东南大学硕士学位论文 接收信号的包络如下给出：月( f ) = 马1 ( r ) + 2 ( f ) ，其概率密度函数服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布： i 乓，砰且0 p ( r ) = o - , 1( 2 1 0 ) 1 0 r o 如果发射载波频率为工并且一1 c o s s t s + l ，则接收信号分量的频谱将扩展到正堕最大多 普勒频率被称为是最大衰落率。 在任一时刻，移动台接收到的信号有来自周围各个方向的反射波多径，假设入射角在口( 一z ，z ) 区间中是均匀分布的，可得接收信号功率谱密度 跗) - 去d 一学2 】 i f - 小五 ( 2 1 1 ) 【0 o t h e r 上式是c l a s s i c 谱，其中。是各向同性天线接收到的平均功率，兀= ! 生是最大多普勒频移。可 见，虽然发射信号为单一频率正，但接收电波的功率谱s ( 力却展宽到到z 五范围，这就是多普勒 频谱扩展。由于信道的频率扩散是随机的，因此也就造就了接收信号电平的随机起伏变化，即时间 选择性衰落。对于时间选择性衰落，起伏变化的接收信号电平不再相关的最小时间间隔称为信道的 相干时间。耐闯选择性衰落信道的相干耐间定义为： 艺= ( 2 1 2 ) j f 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( 最快的符号周期) 远小于信道相干时间， 接收机接收到的信号在一个符号周期内变化不大，可以认为传输不受多普勒频移的影响，称信道为 慢衰落信道：反之，信道就是快衰落的。 2 2 3 空间相关性和空间选择性衰落信道 信道是否存在空间选择性与天线元素的间隔、来波入射角度和无线环境散射物丰富程度有关。 对于天线元素的间距远大于载波波长，或者来波入射角度展宽相当大( 大于3 0 。) 或者无线环境 中散射物很丰富的m i m o 信道是空间非选择性的，可以将其近似为独立的衰落模型。蜂窝无线系统 中的下行链路是此类信道的一个示例。在远高于地面的基站中，由于来波信号角度扩展较小，天线 信号是在空间上相关的，称此信道为空问选择性信道；为了获得相邻天线元素之间的独立信号，就 需要比较大的来波入射角以扩展更大的天线间隔。很多测量和实验结果显示，如果基站接收机使用 两根天线提供分集，那么它们要相隔1 0 个波长才能确保不相关。与此相似，测量显示：手机要得到 相同的分集增益，需要把天线分开3 个波长。 2 3m i m o 信道统计模型 2 3 1 概述 随着蜂窝移动通信、因特网和多媒体业务的发展，世界范围内无线通信的容量需求在迅速增长。 8 第二章移动通信信道特性 另一方面，可利用的无线频谱有限的。如果通信频谱的利用率没有得到显著提高，就不可能满足通 信容量的需求。基于论文删，通过增加发射端和接收端的天线数量，在理想传播条件下即准静态独 立同分布频率平衰落瑞利信道的潜在频谱利用率与天线数量呈线性关系，因此使用多元素天线阵列 的m i m o 系统在未来移动通信系统中极具发展潜力。m i m o 系统经历的信道称为m i m o 信道。由 上一节可知，无线信号在实际信道中传播要受到频率选择性、时间选择性、空间选择性衰落。本节 将讨论在m i m o 信道中这三种选择性衰落的特点，分剔建立仿真模型和信道模型，并且推导相应的 信道容量。假定信号可以被任意长的空时编码，则信道容量可以表示为在任意低的误码率的情况下 所能达到的最大数据速率。 2 3 2m i m o 离散时间信道模型 对于发射天线个数为n ，接收天线个数为m 的m i m o 信道输入输出关系如下式所示0 7 1 ： r ( k ) = h ，( i ) s ( t - 0 + n ( t )( 2 1 3 ) i = 0 其中s ( t ) = 【& ( k ) ，s ：( t ) ，j 。( t ) 】t ，n ( i ) = 【啊( i ) ，n d k ) , 。( t ) 】t ，r ( i ) = n ( ) ，r d k ) ，啊( i ) 】t 分别是在时刻 k 的输入向量、噪声向量、输出向量。h ，(