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

摘要 m i m o 系统在发射端和接收端均采用多天线单元，多个并行的数据流信号经 空时处理后，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能够分开并解码这些数据子流信号。并行的数 据流运用先进的无线传输技术与信号处理技术，能够利用无线通信系统的多径效 应，不仅能使系统容量成倍的提高，而且可以在不增加系统带宽和发射功率地情 况下，使频谱利用率成倍的提高，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，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。前人的研究表 明，通过天线选择技术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。 前人的很多算法研究都是针对固定天线选择算法的研究，但是在实际的无线 通信系统中，不同的天线之间的空间相关性是不同的。所以对于可变天线数目的 天线选择算法研究尤为重要。 本文针对天线选择算法进行了研究，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，以这些已有的天线选择算法为基础，提出了新 的联合天线选择算法，并将该算法同已有的算法进行了比较。 仿真结果表明这种改进的联合天线选择算法不仅能够提供与最优联合算法 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接收天线的数目，在 接收天线相关性较低的情况下，新算法使用较多的天线来实现较高的信道容量； 在接收天线相关性较高的情况下，新算法能够减少天线使用的个数并且满足系统 容量的要求。除此之外，该算法具有较低的计算复杂度能够满足系统实时传输的 要求。 关键词：m i m o 系统联合天线选择信道容量可变的天线数目 a b s t r a c t t h em i m os y s t e me q u i p p e dt h em u l t i a n t e n n ae l e m e n t si nt h et r a n s m i te n da n d t h er e c e i v ee n d , a n da f t e rt h es p a c et i m eb l o c kc o d i n g ，m a n yp a r a l l e ld a t as t r e a m s i g n a l sa r es i m u l t a n e o u st r a n s m i t t e dt h r o u g hm a n ya n t e n n a s a f t e rt h ef a d i n gs p a c e c h a n n e lt r a n s m i s s i o n ，t h ep a r a l l e ld a t as t r e a ms i g n a l sr e c e i v e db ym a n ya n t e n n a s ，c a n b es e p a r a t e da n dd e c o d e du s i n gt h es p a c et i m eb l o c kt e c h n o l o g y t h ep a r a l l e ld a t a s t r e a ms i g n a l su s e sa d v a n c e dw i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya n ds i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , w h i c hc a nn 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 e s p e c t r u me f f i c i e n c yw 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 g m u l t i p a t he f f e c t s ot h eq 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 t a tt h es a m et i m e ，t h ec 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 , a n d w i t ht h ea n t e n n a si n c r e a s i n gi nm i m os y s t e m ，t h ec o d i n ga n dd e c o d i n ga l g o r i t h m s a r ec o m p l e x , w h i c hm a k e st h es y s t e mr e a lt i m ep e r f o r m a n c ed e c l i n e p r e v i o u s r e s e a r c h e ss 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 d b ya n t e n n as e l e c t i o n ,b u t t 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 e p e r f o r m a n c eo fa 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 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 m 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 ti so fg r e a ti m p o r t a n c et o s t u d y0 nv a r i a b l en u m b e ra n t e f i n as e l e c t i o na l g o r i t h mo fh 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 z e d a n ds u m m a r i z e di n t 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 dv a r i a b l e n u m b e ro fa n t e n n a si nt r a n s m i t r e c e i v ee n d ss 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 l em a d eb e t w e e nt h ep 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 s a 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 dj o i nt r a n s m i t r e c e i v ea n t e n n a s e l e c t i o na l g o r i t h mc 锄n o to 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 t s e l e c t i o na l g o r i t h m , b u ta l s oc 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 ea 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 n t h er e c e i v ea n t e n n ac o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ti 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 d t or e d u c et h en u m b e ro fl 强c h a i n sa n dd e c r e a s et h ed i f f i c u l t yo fd e m o d u l a t i o na n d d e c o d i n g ，u n d e rt h ec o n d i t i o no fs 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 。i na d d i t i o n , t h ep r o p o s e da 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 l lm e e tt h e r e q u i r e m e n to ft 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 y w o r d s ：m u t i p l e - i n p u ta n dm u t i p l e - o u t p u t ( m r m o ) s y s t e m ，j o i nt r a n s m i t r e c e i v ea n t e n n a ，c a p a c i t y , v a r i a b l en u m b e ro fa n t e n n a 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，也不包含为获得墨壅蠢茎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访 意。 学位论文作者签名：藤舂艳签字日期：勿d ? 年石月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盎盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞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：藤春艳 导师签名： p 毳坛 d、 签字日期：刎? 年占月乡日签字日期：) 护砂歹年乡月3r 第一章绪论 1 1 移动通信发展概况 第一章绪论 移动通信就是指通信双方至少一方在移动中进行信息交换的通信方式。例 如，移动体与固定点之间的通信、活动的人与固定点、人与人及人与移动体之间 的通信等。 人们更加有效的利用时间是移动通信可以快速发展的重要原因。由于各种新 技术的应用，移动通信成为现代通信网中一种不可或缺的手段，是用户随时随地 快速可靠地进行多种形式信息交换的理想方式。移动通信不仅集中了无线通信和 有线通信的最新技术成就，而且集中了网络接收和计算机技术的许多成果。目前， 移动通信己从模拟通信发展到了数字通信阶段，并且朝着个人通信这一更高阶段 发展。未来移动通信的目标是：能在任何地方、任何地点、向任何人提供快速可 靠的通信服务【h 】。 移动通信从1 8 9 8 年m g 马可尼所完成的无线通信试验就产生了。而现代移 动通信的发展是从2 0 世纪2 0 年代开始的，其大致经历了五个主要的阶段： 第一代移动通信技术( 1 g ) 是从1 9 7 1 年开始的，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 ，第一代移动通信有很多不足之处，比如容量有限、制式太多、 互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务、不能提够自动漫游等。 第二代移动通信技术( 2 g ) 是在2 0 世纪8 0 年代中期开始的，主要采用的是 数字的时分多址( t d m a ) 技术和码分多址( c d m a ) 技术。当前第二代移动通 信系统有4 种技术共存，即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。第二代移动通信主要业务是语 音业务及低速数据业务。它克服了第一代模拟移动通信系统的弱点，话音质量、 保密性能得到很大的提高，并可进行省内、省际自动漫游。第二代移动通信替代 了第一代移动通信系统完成了模拟数字技术向数字技术的转变，但由于第二代采 用不同的制式，移动通信标准不统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫 游，无法进行全球漫游。同时由于第二代数字移动通信系统带宽有限，限制了数 据业务的应用，无法实现高速率业务。 2 5 移动通信技术( 2 5 g ) 是从2 0 0 0 年前开始的，在第二代与三代技术之间 第一章绪论 市场上还推出了2 5 代技术，例如g p r s 技术和c d m a l x 技术。这些技术的传 输速率再理论上可以达到1 0 0 k 以上，实际应用基本可以达到实际拨号上网的速 度。因此可以发送图片，收发电子邮件等。 第三代移动通信技术( 3 g ) 是从2 0 世纪9 0 年代中后期开始的，人们开始对 第三代移动通信的期望是：全球统一的标准、增加分组交换业务、增加非对称性 传输模式、更大的信道容量、加强数据处理能力、更好的传输质量、提高终端电 池的使用寿命、具有多媒体传输能力、更高的频谱效率。而现实中，第三代移动 通信系统是一种能够提供多种类型、高质量的多媒体业务，能实现全球无缝覆盖， 具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何 地点进行任何种类的通信系统。但是它没有全球统一的标准，目前全球有三大标 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 。能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务是第三代通信的主要特点， 但是第三代移动通信仍是基于地面的区域性通信系统。虽然第三代移动通信可以 比现在传输率快上千倍，但是由于受到多用户的干扰，c d m a 难以达到很高的 通信速率，未来仍无法满足多媒体的通信需求。 第四代移动通信技术( 4 g ) 是从1 9 9 9 年底开始的，第四代移动通信技术可 称为广带接入( b r o a d b m d a c c e s s ) 和分布网络，它采用了全数字分组交换方式， 将w l a n 、b l u 咖。也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1 5 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( m 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。4 g 中关键的技术有o f d m 调制技术、软件无线电、m i m o 技术等。 1 2m i m o 技术 1 2 1m i m o 技术的引入 m i m o 技术是4 g 移动通信中的关键技术，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天线系统。但是这 种传统的通信系统在信道容量上具有个通信上不可突破的瓶颈- - s h a n n o n 容量 限制。不管采用哪种调制技术、编码策略或其它的方法，无线信道总是给无线通 2 第一章绪论 信工程作了一个实际的物理限制h 吲。 伴随着用户数的激增以及对无线i n t e r a c 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 fs e r v i c e ) 保障的要求。为了满足这些要求，人们不断研究发现了提 高容量的一种方法就是使用分集技术。即在采用在各种优化原则下的发射合成 技术来提高发射接收信噪比以增加系统的容量。多年来人们主要是采用接收端 使用多元阵列天线来获得接收分集，其发射天线仍仅采用一个阵元。随着研究的 不断深入，人们将接收分集处理技术平移到发射端。也就是形成了所谓的m i m o 技术。基于多发射多接收天线的m i m o ( m u l 邱l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 技术能 够充任利用空间资源，在不增加系统带宽和天线总发射功率的情况下，可有效地 对抗无线信道衰落的影响，大大提高系统的频谱利用率和信道容量，是高速数据 传输的优选技术之一。 1 2 2m i m 0 技术的发展 在通信领域，m i m o 系统并不是一个全新的概念，而且由来已久，早在1 9 0 8 年马可尼就提出了用多接收天线和接收分集技术来对抗信道衰落。后来人们研究 发现，多天线构成的接收阵列可以有效地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 军事上的需求，数字信号处理技术得到了快速的发展，这使得更多的天线阵列自 适应处理技术的发展成为可能，从而进一步提高了系统分集的性能，降低了干扰。 2 0 世纪9 0 年代初，人们发现使用多天线可以增加无线通信的信道容量。1 9 9 4 年， p a u l r a j 和k a i l a t h 提出在发射端和接收端同时使用多天线可增加无线信道的容 量。接下来b e l l 实验室的研究员t e l a t a r 发表了一篇关于m i m o 信道容量的重 要文章，文章中假定接收端已知信道参数，分析了在高斯平坦衰落信道中接收端 和发射端都使用多天线阵元时的容量，推导出了信道容量、信道分布和中断概率 容量以及错误指数之间的关系公式，给出了m i m o 衰落信道的容量。文章中关 于m i 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，同时 研究员f o s c h i n i 提出了贝尔实验室分层空时结构编码，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d b l a s t ( d i a g o n a lb e l ll a b o r a t o r yl a y e r e d s p a c e t i m e ) 传输结构。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 第一章绪论 在无线链路的发送端和接收端都使用多个天线的通信结构，能够在不额外占用频 谱带宽的前提下通过对信号在时间和空间上的联合编码，可以有效地提高信道容 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。 在m i m o 技术成为无线通信研究热点之前，智能天线及空域自适应信号处理 技术一直是无线通信领域的研究热点之一，并被期望应用于第二代和第三代移动 通信系统中。与智能天线技术相比较，基于m i m o 系统的空时编码和信号处理 技术是对智能天线技术的继承和重大突破。一方面，从通信结构的数学模型来看， 天线信号模型的单输入多输出结构可视为m i m o 无线通信系统的特例；另外一 个方面，从设计通信的深度来看，m i m o 技术不仅包含了智能天线技术的信号处 理，其近来的发展已经涉及编码、调制和网络结构等多个方面。 从1 9 9 8 年开始，跟随着t e l a t a r 和f o s e h i n 等人的脚步，国内外著名的无线 通信研究机构和学者们对m i m o 技术开始了大量的深入研究，很多电子与通信 领域的国际学术刊物在近两年也出版了关于m i m o 无线通信的专辑等。此外近 几年的国际通信与信号处理相关领域的学术会议也都将m i m o 无线通信作为一 个重要的主题。直到今天以m i m o 技术为代表的多天线技术在无线通信中扮演 的角色也越来越重要，多天线技术在无线通信中的应用也越来越广泛。作为未来 一代宽带无线通信系统框架技术的m i m o 系统是实现充分利用空间资源提高频 谱利用率的一个必然途径，基于m i m o 的无线通信理论和传输技术显示了巨大 的潜力和发展前景。 1 2 3m i m o 系统介绍 图1 - 1m i m o 信道的传输模型 4 第一章绪论 m i m o 无线通信技术是天线分集与空时处理技术相结合的产物，它源于天线 分集与智能天线技术，又集中了二者的优越性，属于广义天线技术。m i m o 系统 可以简单定义如下：无线链路的发射端和接收端同时配置多个天线阵元时所构成 的一种通信结构。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和 频谱利用率，是新一代宽带移动通信系统的关键技术。m i m o 无线传输系统框图 如上图1 - 1 所示。 m i m o 系统在发射端和接收端均采用多天线单元，多个并行的数据流信号经 空时处理后，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能够分开并解码这些数据子流信号。并行的数 据流运用先进的无线传输技术与信号处理技术，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传输产生的，c c i 一般是由共道用户或系统中 未知的干扰源产生的。m i m o 系统采用阵列天线技术充分采用多径的各种发射 合成技术，可以减轻多径衰落。m i m o 系统利用阵列天线中的自适应波束技术或 者多用户检测技术有效的抑制或者消除了共道干扰。由于m i m o 系统采用了阵列 天线技术可以降低共道干扰和多径衰落的影响，因而在一定的s 姗l l ( 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。 概略的说m i m o 系统能提高通信质量，主要是因为m i m o 系统可以获得两个 重要的性能增益：空间分集增益和空间复用增益。下面做简单的介绍： 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提高频 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m 。条独立衰弱路径， 第一章绪论 那么接收机可以利用收到的信号获得r 。的分集增益。 在m i m o 系统中，若各个收发天线对自己建的路径衰落是独立的，这种清空 下就可以构建多个并行的空间子信道，在这些子信道间发射不同的信息流，数据 传输率自然就会提高，这个就是空间复用。它在自由度有限系统的高信噪比的区 域特别的重要。 、 在使用空间复用的m i m 0 系统中，多根天线上同时发送的信息彼此是独立不相 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 - ( 坼，。) 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 空间复用增益( m u l 邱l e x i n gg a i n ) 。 总之，m i m o 系统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，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 在不同的应用环境中考虑的因素不同，m i m o 系统具有不同的性能指标。一 般来讲m i m o 系统性能的主要参考指标包括： ( 1 ) 有效性：目标是在单位带宽内提供尽可能高的比特率，也叫频谱利用 率。在高斯信道条件下，定义为在任意低误码率下可以获得的最高误码率。 ( 2 ) 可靠性：又称发射的鲁棒性，用于衡量给定比特率下系统的通信质量。 一般说来比特率越高，可靠性越低。 ( 3 ) 复杂度：由于蜂窝系统无线链路的其中一端一般是靠电池供电的，系 统的复杂度越高，功率消耗越大。因此设计收发两端不对称，在电池供电的一端 具有较低复杂度的方案是更符合实际的。 总之，m i m o 系统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，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 3 天线选择技术 m i m o 技术是在发射机和接收机端都采用多根天线，有效地开发了系统对空 间维的利用，从而在不增加发射功率和带宽的前提下提高了系统的容量，使之成 为频谱利用效率很高的传输技术。但是这种性能的提高得益于收发端都采用的多 天线配置，而这种多天线配置却要求为每个收发天线配备相应的射频链路。这样 6 第一章绪论 当基站用户很多时，系统硬件的成本大幅度增加，会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 肌o 系统中编码和解码算法的复杂性随之显著 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或者两端同时进行天线选择，恰恰可以克 服m i m o 系统的上述缺点3 。 天线选择技术，来源于分集合并技术，简单来说就是从所有的天线中选取最 佳匹配的阵元进行处理，从而最大化系统的容量和降低系统的误码率。例如在 个发射天线的m i m o 系统中，通过天线选择技术选出性能最好的坼个天线来传 输数据。 天线选择技术的好处有很多，最简单的就是它可以降低系统的成本。天线选 择技术是从多个天线中选择出部分天线进行传输信号或者接收信号后，因此所需 要的射频链路大大降低，从而使m i m o 系统的硬件结构得以简化。 天线选择技术可以使发送和接收机的算法复杂度降低。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0 ( n r 6l ， 其中m 为发射天线数目，v - b l a s t 的复杂度为d ( 坼心) 3 ) ，其中为接收天线 数目，这样发送和接收机的算法就会变得很复杂，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， 经天线选择后系统的通信性能得到更好的提高。 m i m o 系统虽然经过了天线选择但是并不影响其分集增益、误码率和系统的 容量。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b 与系统信嗓比y 、编码增益4 和分集 增益e 间存在如下关系： 最= ( 砂) ( 1 1 ) 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 】。假设发射端有坼个天线，接收端有。个天线， 如果系统分集阶次为从。，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g 向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，并且好的天线选择算 法对信道的容量影响也很小，这在文章的后面部分会详细介绍。 m i m o 系统中的天线选择技术已经受到了国内外诸多学者的关注，天线选择 技术的方法也是多种多样，分类的依据也有很多：根据所选天线的位置，分为接 7 第一章绪论 收天线选择、发射天线选择和联合发射接收天线选择；根据天线选择的目标， 分为以最小化误码率为目标的天线选择和以最大化系统容量为目标的天线选择： 根据天线选择应用的系统分为空间分集系统中的天线选择和空间复用系统中的 天线选择。 1 4 本文的主要工作及安排 本文的主要研究内容是m i m o 系统中基于容量最大化的联合天线选择算法。 研究过程中，采用理论分析和计算机仿真相结合的方法验证了研究的正确性。该 研究课题为国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 ) 课题：“基带处理与天线协同”的 一部分研究内容，具有重要的意义。 “天线选择技术”在m i m o 系统中并不是一个崭新的概念，但是天线选择技 术中的联合天线选择技术并不成熟，相关理论以及仿真方法仍未具有系统性，而 可变数目的联合天线选择方法更是鲜有报道，更是具有广阔的发展空间。本文将 在这一方面进行初步的探索。 论文的主要工作有： 1 分析无线信道的特性，建立m i m o 系统的信道模型； 2 分析m i m o 系统信道容量特点，得出各种条件下m i m o 系统的容量公式； 3 分析研究仿真现有的几种典型天线选择方法，并对其进行分析比较； 4 提出新的联合天线选择算法，进行程序仿真，并与现有的其它联合天线选 择算法进行比较，分析其优缺点。 论文的内容安排如下： 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，进一步讨论了m i m o 系统的信道模型：然后分析了m i m o 系统的信道容量特性； 第三章研究了多天线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； 第四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，主要是1 0 中断容量、所选天线数目进行比较，并得 出了相应的结论； 第五章总结全文内容，提出了本课题有待于进一步深入研究的问题。 8 第二章天线选择技术理论基础 第二章天线选择技术理论基础 天线选择技术作为天线领域一个研究课题，近年来从理论到实际上都得到了 很大的关注。不过，天线选择技术的理论基础仍然离不开传统的移动通信基础理 论。其中包括无线信道模型和移动系统的容量的理论基础。 2 1 无线通信信道 信道作为通信系统内连接收发两终端的传输通道，是通信系统的重要组成部 分。按传输媒介的不同，信道可以分为有线信道和无线信道，有线信道有架空明 线，电缆以及光纤等；无线信道是指以电波传播方式分为中、长地表面波传播、 短波电离层反射传播、超短波和微波直射传播，以及各种发射传播。按信道特性 参数随外界各种因素的影响而变化的快慢，通常分为恒参信道和变参信道两类。 所谓恒参信道是指其传输特性的变化量极微，且变化速度极慢，或者说，在相当 长的时间内，其参数基本不变；变参信道则与之相反，其传输特性随时间的变化 较快，且变化量较大。 无线通信系统主要是借助无线电波在空中或者水中的媒介传播来实现无线 通信。无线信道是移动通信的传输媒体，移动通信中所有的信息都在无线信道中 传输。信道性能的好坏直接决定着人们的通信质量，因此要想在比较有限的资源 上尽可能地高质量、大容量的传输有用的信息就要求我们必须十分清楚地了解信 道的特性。为了研究m i m o 系统中的天线选择技术，一个与实际传输环境相符 合的无线m i m o 信道模型是必需的。 移动通信系统中信道属于无线信道，且为典型的变参信道。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。 9 第二章天线选择技术理论基础 一般说来，这些损害可归纳为三类，即传播损耗、多径衰落和阴影衰落。若 用公式表示，接收信号的功率可表示为： p ( a ) = idrx s ( d ) x r ( d ) ( 2 1 ) 式中，i d i 移动台与基地台的距离；l d 广”一移动信道的传播损耗，刀一 般等于3 4 ( 自由空间为2 ) ；r ( d ) 一多径衰落，它是由于各种发射物和散射体 产生的直射波、发射波和散射波的相互干涉和串扰等所引起的：s ( d ) 一由地形 起伏、建筑及障碍物的遮蔽等所引起的阴影衰落1 m 1 6 1 。 2 1 1 多普勒扩展 当发射机和接收机处于恒定的相对运动中，每个路径波的频率都会发生一定 的偏移、受到频率偏移的影响，其大小与移动速度成正比，且与电波到达的路径 方向有关。当两者作相向运动时，接收信号的频率将高于发射频率；当两者反向 运动的时，接收信号的频率将低于发射频率，这种现象就是多普勒效应。式1 中 l ai 是移动台与基站之间的距离，由于移动台与基站之间的相对运动引起多普勒 频移，从而引起多普勒扩展( 频率扩散) ，造成信道的时变特性，也就是信道出 现了时间选择性衰落。时间选择性衰落会造成信号失真。这是由于发送信号还再 传输的过程中，传输信道的特征就发生了变化。信号的尾端时的信道特性与信号 前端时的信道特性已经发生了变化。如果信号持续的时间比较短，在这个比较短 的时间内，信道的特性还没有比较明线的变化，这个时间选择性衰落并不明显； 当信号的持续时间进一步增加，信道的特性再信号的持续时间内发生了比较明显 的变化时，就会使信号产生失真。信号的失真随着信号的持续时间的增长而增加。 这种由于多普勒效应造成的频谱展宽可以用多普勒扩展来表述。当发射机在移动 信道上发送一个频率为的单频正弦波时，由于前述的多普勒效应，接收信号 的频谱被展宽，将包含频率为工一厶口z + 厶的频率分量，这一频谱称为多普勒 频谱。接收信号的多普勒频谱上不等于0 的频率范围定义为多普勒扩展，用历表 示。如果所传送的基带信号的带宽曰。远大于玩，则在接收机中多普勒扩展的影 响可忽略。 2 1 2 多径衰落 由于移动环境的复杂性，通常从发射端到接收器的信号包含反射、衍射和绕 射等多种信号成分，不同信号成分到达接收器的强度、时间和方向不同，并且在 l o 第二章天线选择技术理论基础 不同环境下差别很明显。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各路径来的发 射波到达时间不同，相位也不用。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时同相 叠加而加强，有时反向叠加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生 衰落。这种由多径引起的衰落叫多径衰落。移动信道的多径衰落可以从空间和时 间两个方面来描述。从空间角度来看，沿移动台移动的方向，接收信号的幅度随 着距离变动而衰减。其中本地发射物所引起的多径效应呈现较快的幅度变化，其 局部均值为随距离增加而起伏的曲线，反映了地形起伏所引起的衰落以及空间扩 散损耗。从时间上来看，各个路径的长度不同，因而信号到达的时间就不同。这 样，如从基站发送一个脉冲信号，则接收信号中不仅包含该脉冲，而且还包含它 的各个时延信号。这种由于多径效应引起的接收信号中脉冲信号的宽度扩展的现 象，称为时延扩展。时延扩展乃定义为多条路径中最大的时延，相干带宽髟定 义为时延扩展的倒数。相干带宽为频率变化的最大范围，在该带宽内，信道响应 可认为是常数，用曰。表示信号带宽。如果召。毋或b 。 局，不同路径信号产生 交叠，引起码间干扰，使信道产生频率选择性衰落。 2 1 3 阴影衰落 接收信号的场强在长时间内的缓慢变化称为慢衰落，慢衰落是接收天线处的 场强中值随移动台的运动时周围的地形、建筑物等的变化而出现的波动，其变化 速率较为缓慢。一种典型的慢衰落就是阴影衰落，阴影衰落是指当电波的传播路 径上遇到地形、建筑物、植被等障碍物的阻挡时，会产生电磁场的阴影。移动台 在运动中通过不同障碍物的阴影时，就构成了接收天线的场强的中值变化，从而 引起衰落，这种衰落又称为阴影衰落。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： 肿，= 古e x p | 掣i 弦2 ， 其中，为信号的分贝值，m 为信号r 的均值( 单位为分贝) ，矿是，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形成的 衰落，它也服从对数正态分布。这种慢衰落在移动台静止时也存在，它是随时间 第二章天线选择技术理论基础 而发生的慢变化。所以，实际上的慢衰落是随地点和时间变化的两种衰落综合而 成的。这两种变化相互独立，它们的联合概率分布的标准方差为： 6 = 而 ( 2 3 ) 其中q 体现了地形地貌对电波传播的影响大小，阴影衰落的速度与地形地 貌、用户移动的速度有关，而与载波频率无关；o - 2 体现了气象状态对电波传播 的影响，它主要和传播路径的性质及距离基站的远近有关。 2 2 无线信道模型的建立 在无线通信中，由于传播通道的的复杂性，发射出去的信号在空间经过若干 次发射，反射，散射和衍射，产生了阴影效应、多径效应和多普勒效应，进而带 来了各种不同的衰落和扩展，再加上一些未知的干扰，因此仔细研究无线信道的 传输特点是提高无线传输效率和质量的前提，一般采用统计的方法分析和建立无 线信道的模型。无线信道的模型多种多样，其中无线信道的模型中最为典型的就 是瑞利衰落信道和莱斯衰落信道模型u 卜2 2 3 。 瑞利衰落信道满足路径的数量很多，且各个路径上的信道是独立同分布的， 那么按照中心极限定理，信道矩阵将是一个复高斯过程，其信道矩阵的模服从 瑞利分布。对于一个服从瑞利衰落信道模型的信道，必须满足：信道中不存在 一个较强的直达径，并且满足各分量具有随机的幅度和相位，且其统计特性相 互独立且各分量具有近似相等的功率。对于一个服从瑞利分布的随机变量，其 平