（通信与信息系统专业论文）多天线系统中基于有限反馈的波束成形研究.pdf

摘要 摘要 在无线通信中，多天线传输( 又名多入多出，m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ，m i m o ) 技术能有效提升系统容量和改善误码率性能，已日益受到关注。实际系统的下行 链路往往具有发射天线数较多、接收天线数较少( 甚至为一) 的非对称特点。若假设 发射机完全未知信道信息，则传统的空间复用和空时编码等技术不能充分利用空 间资源以进一步提升通信质量；反之，若假设发射机能获取理想信道信息，则可 采用超强的预编码或波束成形等预处理技术以实现完全的分集和阵列增益，但这 不符合无线通信的实际环境。因此，假设发射机能获取部分信道信息是合理且有 意义的。另一方面，实际系统的整体等效信道在上下行链路并不满足互易性，故 发射机获取信道信息的一种较为可行的方式是：接收机先估计信道信息，再将其 反馈给发射机；同时，由于反馈链路的带宽受限和数字化实现需要，一般用若干 比特映射而成的码本对信道信息量化之后再进行反馈。相比理想情形，此时预编 码或波束成形的性能会有所损失，而且某些设计思路也有所不同。本文主要针对 多天线系统中基于有限反馈的波束成形展开研究。 对平坦衰落信道下的单用户系统，已有研究大多包含块衰落信道、准确信道 估计或无反馈延迟等理想假设，第二章构建了关于“单用户时变多入单出 ( m u l t i p l e - i n p u ts i n g l e o u t p u t ，m i s o ) 信道中非理想反馈下的波束成形 的理论分析 和系统设计框架。在建立非理想反馈系统模型的基础上，分析了方形或矩形q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 星座图的未编码误码率和遍历容量，并分别给出 了误码率准确值和容量紧致上下界的闭合表达式。进一步推导了具有简洁表达式 的误码率下界和容量更松下界，在给定归一化反馈比特数条件下，根据这两个下 界得到了相同的最优帧长。 对频率选择性信道，正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ， o f d m ) 技术将宽带信道转化为多路具有不同响应的窄带信道。若在每个子载波( 子 信道) 独立反馈信道信息，则反馈量将与子载波数成正比，开销甚大。第三章研究 了单用户有限反馈m i s o o f d m 系统中最优波束成形向量的选取方法。在子载波 分簇条件下，分别直接基于最小化q 舢讧星座图的未编码误码率和最大化容量提出 了簇内的最优波束成形向量选取准则，这两个准则分别在误码率和容量两个评估 指标上优于其他已有方案。进一步基于簇内不同子载波信道频率响应之间的相关 摘要 性提出了相应的简化次优算法，以较小的性能损失极大地降低了计算复杂度。最 后将已有的自适应量化思想与所提簇内的波束成形向量选取准则相结合，给出了 对应一个o f d m 符号的完整反馈方案，它可在不影响性能的前提下进一步减小反 馈量。 第四章分析了多用户m i m o 广播系统在固定反馈比特数条件下采用迫零波束 成形时的和容量，给出了接入用户数等于发射天线数时其下界的闭合表达式，通 过仿真比较了接入用户数小于发射天线数时不同参数条件下的和容量。 关键词：波束成形，误码率，容量，有限反馈，多入多出，多入单出 h a b s t r a c t a b s t r a c t i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s m u l t i p l e a n t e n n a t r a n s m i s s i o n ( v i z m u l t i i n p u t m u l t i o u t p u t ，m i m o ) h a sr e c e i v e di n c r e a s i n ga t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s ，t h a n k st o i t s p o t e n t i a lf o rl l i g hs p e c t r a le f f i c i e n c ya n di m p r o v e dq u a l i t yo fs e r v i c e ap r e d o m i n a n t c h a r a c t e r i s t i ci nap r a c t i c a ld o w n l i n ki su n s y m m e t r i c a ls t r u c t u r eo fm a n yt r a n s m i t a n t e n n a sa n daf e w ( e v e ns i n g l e ) r e c e i v ea n t e n n a s i fn oc h a n n e li n f o r m a t i o ni sk n o w n t ot h et r a n s m i t t e r , c o n v e n t i o n a ls p a t i a lm u l t i p l e x i n go rs p a c e - t i m ec o d i n gc a l ln o t e x p l o r es p a c er e s o u r c ef u l l yt oi m p r o v ep e r f o r m a n c e i nc o n t r a s t ，i fp e r f e c tc h a n n e l i n f o r m a t i o ni sa v a i l a b l ea tt h et r a n s m i t t e r , s o m es u p e rp r e c o d i n go rb e a m f o r m i n g t e c h n i q u e sc a l lb eu t i l i z e dt or e a l i z ef u l ld i v e r s i t y a n da r r a yg a i n s ；h o w e v e r , t h i s a s s u m p t i o n i s p r o b a b l yau t o p i af o rm o s tw i r e l e s se n v i r o n m e n t s c o n s e q u e n t l y , m u l t i p l e a n t e n n ac o m m u n i c a t i o n sw i t hp a r t i a lc h a n n e li n f o r m a t i o np r o m i s et o h a v e g r e a tp r a c t i c a lv a l u e ，b e c a u s et h e ya r ec a p a b l eo f o f f e r i n gt h e j a c ko f b o t ht r a d e s o n t h eo t h e rh a n d ，t h et o t a le q u i v a l e n tc h a n n e li np r a c t i c ei sn o ts t r i c t l yu p l i n k - d o w n l i n k r e c i p r o c a l s oar e a s o n a b l ea p p r o a c hf o r t h et r a n s m i t t e ro b t a i n i n gc h a n n e li n f o r m a t i o n i st of e e d b a c kt h ee s t i m a t e do n ea tt h er e c e i v e r f u r t h e r m o r e ，d u et ot h er a t ec o n s t r a i n t o ft h ef e e d b a c kl i n ka n dr e q u i r e m e n to fd i g l t a lr e a l i z a t i o n ，t h ec h a n n e li n f o r m a t i o n s h o u l db eq u a n t i z e db yu s i n gs o m eb i t sb e f o r ef e e d b a c k n a t u r a l l y , c o m p a r e dt ot h e i d e a lc a s e ，p r e c o d i n go rb e a m f o r m i n gw i t hl i m i t e df e e d b a c kh a ss o m el o s si nt h e p e r f o r m a n c ea n ds o m ed i f f e r e n td e s i g n s t h i st h e s i s f o c u s e s0 1 1b e a m f o r m i n gw i t h l i m i t e df e e d b a c ki nm u l t i p l ea n t e n n aw i r e l e s ss y s t e m s m o s to f p r i o rr e s e a r c h0 1 1b e a m f o r m i n gi nf l a tf a d i n gc h a n n e l si n c l u d e ss e v e r a l i d e a l c o n d i t i o n s ，s u c ha sb l o c k - f a d i n gc h a n n e l s ，p e r f e c tc h a n n e li n f o r m a t i o na tt h er e c e i v e r , o re r r o r - f r e ea n dz e r o d e l a yf e e d b a c kl i n k w ef i r s ts t u d ys i n g l eu s e rm u l t i p l e i n p u t s i n g l e o u t p u t ( m i s o ) s y s t e m so v e rm o r e r e a l i s t i ct i m e v a r y i n gc h a n n e l sw i t h i m p e r f e c tf e e d b a c ki n c l u d i n ge s t i m a t i o n e r r o r sa n df e e d b a c kd e l a y a na n a l y t i c a l f r a m e w o r ki sd e v e l o p e df o re v a l u a t i n ga v e r a g eb i te r r o rr a t e ( b e r ) o fs q u a r e r e c t a n g l e q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ( q a m ) c o n s t e l l a t i o n sa n de r g o d i cc a p a c i t y n o t i i i a b s t r a ( 了r o n l yt h ec l o s e - f o r me x p r e s s i o n so fb o t he x a c tb e r a n df i g h t e rc a p a c i t yb o u n d sa r e p r e s e n t e d ，b u ta l s ot h ef r a m el e n g t hi so p t i m i z e da c c o r d i n gt ot h ed e r i v e ds i m p l el o o s e r l o w e rb o u n do fb e r c a p a c i t yf r o mt h ev i e w p o i n to fs y s t e md e s i g n w ef u r t h e ri n v e s t i g a t eb e a m f o r m i n gi nf 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 s b y u s i n go r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ，t h eo r i g i n a lb r o a d b a n d c h a n n e l sc a l lb ec o n v e r t e di n t om a n yn a r r o w - b a n ds u b c h a n n e l s ( s u b c a r r e i r s ) w i t h d i f f e r e n tf r e q u e n c yr e s p o n s e s w ea d o p tr a t h e rs u b c a r r i e r - c l u s t e r i n gf e e d b a c kt h a n s u b c a r r i e r - b y - s u b c a r r i e ro n e t or e d u c et h ei m m e n s eo v e r h e a d w i t h i no n ec l u s t e r , t w o o p t i m a lb e a m f o r m i n gv e c t o rs e l e c t i o n c r i t e r i aa r ep r e s e n t e db a s e do nd i r e c t l y m l 。m m l z l n gt h ea v e r a g eb e ra n dm a x i m i z i n gt h ee r g o d i cc a p a c i t y , r e s p e c t i v e l y a s i m p l es u b o p t i m a la l g o r i t h mi st h e np r o p o s e db ye x p l o i t i n gt h ec o r r e l a t i o no fc h a n n e l f r e q u e n c yr e s p o n s e sa td i f f e r e n ts u b c a r r i e r st or e d u c et h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y t h ep r o p o s e ds c h e m e so u t p e r f o r mo t h e rc o m p e t i t o r si nt e r m so fb e ro rc a p a c i t y f u r t h e r m o r e ，b yi n t e g r a t i n gt h e mi n t o t h ee x i s t i n ga d a p t i v eq u a n t i z a t i o n ，af u l l f e e d b a c ks c h e m ec o r r e s p o n d i n gt oo n eo f d m s y m b o li sd e v e l o p e dt or e d u c ef e e d b a c k c o s tf u r t h e rw i t h o u tp e r f o r m a n c el o s s w en e x te x t e n d0 1 1 1 s t u d yt ot h em u l t i u s e rc a s e t h es u mt h r o u g h p u ti sa n a l y z e df o r m u l t i u s e rm i m ob r o a d c a s ts y s t e m su s i n gz e r o f o r c i n gb e a m f o r m i n gw i t l ll i m i t e d f e e d b a c k ，a n dt h ec l o s e f o r me x p r e s s i o no fi t sl o w e rb o u n di sg i v e n w ef i n a l l y c o n c l u d et h et h e s i sb yd i s c u s s i n gs o m ep r o m i s i n gr e s e a r c hd i r e c t i o n s k e yw o r d s ：b e a m f o r m i n g ，b i te r r o rr a t e ( b e r ) ，c a p a c i t y , l i m i t e df e e d b a c k ，m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) ，m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ( m i s o ) i v 图表目录 图1 1 图2 1 图2 - 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图2 1 8 图2 1 9 图2 2 0 图2 2 l 图2 - 2 2 图2 - 2 3 图2 - 2 4 图2 - 2 5 图2 - 2 6 图2 - 2 7 图2 2 8 图3 1 图3 - 2 图3 3 图3 _ 4 图3 5 图3 石 图表目录 全文的研究思路和结构1 2 时变m i s o 信道中非理想反馈条件下的波束成形系统框图1 6 不同参数条件下的输出信干噪比损失比例2 2 误码率的准确值与三个下界的比较一2 6 不同反馈比特数条件下误码率的理论值和仿真值比较，m = 2 ，z = o 1 2 8 不同反馈比特数条件下误码率的理论值和仿真值比较，m = 2 ，= 1 ( 1 + 功2 8 不同反馈比特数条件下误码率的理论值和仿真值比较，m 。= 4 ，z = 0 1 2 9 不同反馈比特数条件下误码率的理论值和仿真值比较，m 。= 4 ，= 1 ( 1 + p ) 2 9 信道估计误差对误码率性能的影响，m = 4 3 l 归一化d o p p l e r 扩展对误码率性能的影响，m = 4 ，z = 0 1 一3 2 归一化d o p p l e r 扩展对误码率性能的影响，m 。= 4 ，= 1 ( 1 + 一3 2 误码率与帧长的关系，否= 0 0 2 ，l t , = 5 1 0 _ 4 3 3 误码率与帧长的关系，b 一= 0 0 2 ，磊z = 1 0 。3 3 4 误码率与帧长的关系，b 一= 0 0 4 ，兀z = 5 1 0 _ 4 3 4 误码率与帧长的关系，b 一= 0 0 4 ，兀z = 1 0 弓3 5 容量的紧致下界与三个更松下界比较一4 0 不同反馈比特数条件下容量界的理论值和仿真值比较，m 。= 2 ，= 0 1 4 1 不同反馈比特数条件下容量界的理论值和仿真值比较，m t = 2 ，= 1 ( 1 + 尸) 4 2 不同反馈比特数条件下容量界的理论值和仿真值比较，m = 4 ，一= 0 1 4 2 不同反馈比特数条件下容量界的理论值和仿真值比较， t = 4 ，蠢= 1 ( 1 + 尸) 4 3 本文方法和已有方法所求容量上界的比较， 本文方法和已有方法所求容量上界的比较， 鸠= 4 ，= o 1 4 4 m = 4 ，= 1 ( 1 + p ) 4 5 信道估计误差对容量的影响，m = 4 4 5 归一化d o p p l e r 扩展对容量的影响， 5 r t = 4 ，= 0 1 4 7 归一化d o p p l e r 扩展对容量的影响，m t = 4 ，矿= 1 ( 1 + 固4 7 容量与帧长的关系，否= 0 0 2 ，= z = 5 x 1 0 一4 8 容量与帧长的关系，百= 0 0 2 ，a t , = 1 0 弓4 8 容量与帧长的关系，否= 0 0 4 ，疋z = 5 x 1 0 * 4 9 容量与帧长的关系，否= 0 0 4 ，z = 1 0 - 3 4 9 带发射波束成形的有限反馈m i s o - o f 【) m 系统框图5 4 低信噪比区域容量比较，反馈比特总数为3 2 6 1 中高信噪比区域容量比较，反馈比特总数为3 2 6 2 中高信噪比区域误码率比较，反馈比特总数为3 2 6 3 中高信噪比区域容量比较，反馈比特总数为1 6 6 4 中高信噪比区域误码率比较，反馈比特总数为1 6 6 4 v n 图表目录 图3 7中高信噪比区域误码率比较，反馈比特总数为2 4 6 5 图3 8采用和未采用自适应量化的各种方案的误码率性能比较6 7 图4 1和容量的准确值和下界与信噪比的关系，k = 一= 2 一7 7 图4 - 2和容量的准确值和下界与信噪比的关系，k = m = 3 。7 7 图4 3 和容量的准确值和下界与信噪比的关系，k = m = 4 一7 8 图4 4 一些典型( t ，k ) 参数条件下和容量与信噪比的关系，b = 6 7 9 图4 5 一些典型( m 。，k ) 参数条件下和容量与信噪比的关系，b = 1 0 7 9 图4 6一些典型( m ，k ) 参数条件下和容量与信噪比的关系，b = 1 4 8 0 表2 - 1 不同信噪比下的最优帧长，m t = 4 、百= o 0 2 、d o = 1 0 、= o 1 一2 7 表2 2 不同信噪比下的最优帧长，m 。= 4 、否= o 0 4 、d o = 1 0 、= o 1 2 7 表3 1各种波束成形方案的复法次数乘数6 0 表3 2 r r up e d b 信道的功率延迟特征6 1 表3 3采用和未采用自适应量化的各种方案的仿真参数设置6 7 v i i i 数学符号 数学符号 符号名称 标量 向量 矩阵 标量( 向量、矩阵) 的共轭 向量( 矩阵) 的转置 向量( 矩阵) 的h e r m i t i a n 转置 标量的模 向量( 矩阵) 的f r o b e n i u s 范数 ( 朋) 阶单位矩阵 ( m ) 维元素全为零的向量 m 维复向量空间 随机变量的数学期望 随机变量的方差 从m 个元素中任取n 个元素的组合数 均值为朋、方差为三的复高斯分布 以2 为底的对数 以e 为底的对数( 自然对数) 标量的向上取整函数 实数a 和b 中的较大值 实数a 和b 中的较小值 初值为厶末值为刀、间距为m 为的整数序列 i x 符号表示 口 口 彳 a + ( 口+ ，a )l 口，j 口t ( 彳t ) 口h 似h ) h i i d ( 1 l a i i ) j ( l ) 0 ( 吒) c ” e ( ) 或e x ( ) 矿或t r i y , 旷戥 c 二 d 厂( 肌，三) l o g a i n a c e i l ( a ) m a x ( a ，6 ) m i n ( a ，6 ) l m ：咒 缩略词表 1 g 2 g 3 g 3 g p p 3 g p p 2 a m c a 田s g 杖 b 3 g b c b e r b f v b f s k b m m v b p c u b p s k c d f c d m l a c i c 嗄 嗄、， c p c s i d b l a s t d p c f d d f f r g l g 乙p g s m 研 m m i m o m i s o m e n i m s e o f d m 缩略词表 1s tg e n e r a t i o n 2 n dg e n e r a t i o n 3 r dg e n e r a t i o n 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o g r a m 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o g r a m2 a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m a d d i t i v e 删tg a u s s i a nn o i s e b e y o n d3 r dg e n e r a t i o n b r o a d c a s tc h a n n e l b i te r r o rr a t e b e a m f o r m i n gv e c t o r b i n a r yf r e q u e n c ys h i rk e 螗n g b e r m i n i m i z i n gm e a n v e c t o r b i tp e rc h a n n e lu s e b i n a r yp h a s es h i rk e y i n g c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c h a n n e li n v e r s i o n c a p a c i t y - m a x i m i z i n gm e a nv e c t o r c y c l i cp r e f i x c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d i a g o n a lb e l ll a b sl a y e r e ds p a c e - t i m e d i r t yp a p e rc o d i n g f r e q u e n c y - d i v i s i o nd u p l e x f a s tf o u r i e rt r a n s f o r i l l g e n e r a l i z e dl l o y d g r a s s m a n n i a nl i n ep a c k i n g g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m l o n gt e r me v o l u t i o n m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t m a x i m u ml i k e l i h o o d m i n i m u mm e a ns q u a r e de r r o r o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g x 第一代移动通信系统 第二代移动通信系统 第三代移动通信系统 自适应调制编码 加性白高斯噪声 超三代移动通信系统 广播信道 误码率或误比特率 波束成形向量 二进制频移键控 最小误码率均值向量 比特每信道实现 二进制相移键控 累积分布函数 码分多址 信道求逆 最大容量均值向量 循环前缀 信道状态信息 对角贝尔实验室空时分层 污纸编码 频分双工 快速傅立叶变换 全球移动通信系统 逆快速傅立叶变换 多入多出 多入单出 最大似然 最小均方误差 正交频分复用 缩略词表 o s t b c p d f q a m r b r i r v q s d m a s i n r s i s o s n r s t c s t t c t a c s t d d t d s c d m a v 二b l a s t v p v q w c d m a z f z f s i c o r t h o g o n a ls p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n r e s o u r c eb l o c k r e g u l a r i z e di n v e r s i o n r a n d o mv e c t o rq u a n t i z a t i o n s p t i c a ld i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t s i g n a lt on o i s er a t i o s p a c e - t 吼ec o d i n g s p a c e - t i m en c l l i sc o d i n g t o t a la c c 骼sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h n e - d i v i s i o nd u p l e x t 嘧ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc d m a v e r t i c a lb e l ll a b sl a y e r e ds p a c e - t i m e v e c t o rp e r t u r b a t i o n v e c t o rq u a n t i z a t i o n w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s z e r of o r c i n g z e r of o r c i n g s u c c e s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n x i 正交空时分组码 概率密度函数 正交幅度调制 资源块 调整求逆 随机向量量化 空分多址 信干噪比 单入单出 信噪比 空时编码 空时格码 时分双工 时分一同步码分多址 垂直贝尔实验室空时分层 向量扰动 向量量化 宽带码分多址 迫零 迫零一串行干扰对消 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 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：年 月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：型叁宣导师签 日期： 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1 无线和移动通信的发展历史、现状及趋势 在过去的三十多年里，伴随着半导体技术、微电子技术和计算机技术的发展， 无线通信技术得到了迅猛的发展和广泛的应用。在世界其他许多国家中，无线通 信产业已成为信息基础建设的一个不可缺少的部分。在我国，无线通信也蓬勃发 展，并进一步带动了整个通信产业向前迈进，使之在我国国内生产总值中所占比 重不断提高，逐渐成为经济发展的支柱产业 1 】。据统计，截至2 0 0 8 年7 月，我国 移动电话用户数目已达6 0 8 3 7 8 万，远远超出固定电话用户数的3 5 5 0 5 6 万【2 】。 迄今为止，蜂窝移动通信系统可以说是发展得最为成功的无线通信网络。从 以a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 和t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 为代表的第一代移动通信系统( 1 s tg e n e r a t i o n ，1 g ) 到以g s m ( g l o b a ls y s t e m f o rm o b i l e ) 和i s 9 5 等为代表的第二代移动通信系统但n dg e n e r a t i o n , 2 g ) ，再到以 w c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 、c c l m a 2 0 0 0 和t d s c d m a ( t i m e d i v i s i o n s y n c h r o n o u sc d m a ) 为代表的第三代移动通信系统( 3 r dg e n e r a t i o n ，3 g ) 的 整个发展历史，就是人们不断追求“任何人在任何时间和地点，可以用任何方式 方便地通信 这一目标的前进历程【3 h 6 】。 随着语音通信、数据通信和i n t e m e t 的飞速发展和日益融合，无线通信用户不 仅对多种业务的需求不断增加，同时对通信速率的要求也不断提高。数十到数百 m b p s 的高速率高质量的实时多媒体( 如多路高清晰数字电视) 和非实时的高速数据 传输、多网合一和多业务融合等需求促使人们去对未来无线通信技术进行探讨和 研究。目前，3 g p p ( 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o g r a m ) 的l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 及l t e a d v a n c e d 与3 g p p 2 ( 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o g r a m2 ) 的u l t r am o b i l e b r o a d b a n d ( u m b ) 分别是w c d m a 和e d m a 2 0 0 0 向前演化的两大标准【_ 7 1 ，其中又以 前者尤为引人关注；此外，i e e e8 0 2 1 6 m 【8 在制定过程中也逐渐定位于未来的移动 宽带无线接入：这些都被看作是超三代( b e y o n d3 g , b 3 g ) 移动通信系统的代表。它 们具有比3 g 更高的传输带宽和频谱效率。而诸多b 3 g 通信系统都将多天线传输 ( 又名多入多出，m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 9 】【l o j 作为框架技术之一。 电子科技大学博士学位论文 1 2 多天线系统的主要传输方案及信号处理技术 1 2 1 多天线传输技术发展历史 无线通信链路在基站和终端的一端或两端使用多个天线，就引入了一个新的 维度空间。目前，无线通信中多天线技术研究主要包括三个领域【l l 】：第一个 是天线和阵列天线的电磁特性设计，其目的是使得天线设计与增益、极化、波束 宽度、旁瓣水平、发射效果和模式等各项指标的要求相符；第二个是波达角度( a n g l e o f a r r i v a l ，a o a ) 的估计，其目的是通过阵列天线采用具有最小误差和较小复杂度的 算法估计出来波的到达角度；第三个是链路性能的提升，其目的是增加系统容量、 提高频谱效率、改善通信质量，这也是本文的研究所在。 在无线通信中研究如何使用多天线技术以提升链路性能可谓历史悠久【1 1 1 。 m a r c o n i 和其他一些早期的无线电技术先驱就曾研究过使用多个接收天线来获得 分集增益，并且，当时的研究者还发现使用定向接收阵列天线能减小同信道干扰。 第二次世界大战以后，雷达系统中阵列天线的研究和应用日趋活跃。2 0 世纪7 0 年 代，随着数字信号处理器件的出现，更为复杂的阵列天线系统和自适应数字信号 处理技术开始应用于军事领域的无线接收机，从而获得分集增益并减小干扰。这 些都对无线通信的相关研究起着极大的促进作用。2 0 世纪9 0 年代早期，一些研究 者建议在无线通信链路中使用多天线来增加信道容量。其中，文献 1 2 1 提出在基站 使用多天线来支持多个同信道用户，文献 1 3 提出在发射机和接收机同时使用多个 天线以增加无线通信链路的容量。这些思想为2 0 世纪9 0 年代中期美国a t & t 的 b e l l 实验室针对多天线无线系统中信息和通信等相关领域的研究【1 4 h 1 8 】奠定了基 础。其内容包括探索如何逼近性能极限、寻求有效的编码调制方式等诸多方面。 其中，文献 1 5 】于1 9 9 6 年首次明确提出了m i m o 这一概念，由于其具有系统容量 大、频谱效率高和通信质量好等诸多优点，所以引起了研究者的广泛关注。迄今 为止，尽管关于m i m o 的研究已有十余年，并且在许多方面已取得了累累硕果， 但也还有不少问题有待解决，可谓方兴未艾。 1 2 2 发射机未知信道信息 当仅接收机能获取信道信息而发射机未知信道信息时，系统构成了一个开环 链路，此时设计的主要问题是根据业务需求寻求空间复用和空间分集的折衷。 美国a t & t 的b e l l 实验室在点对点的m i m o 技术研究方面做出了奠基性的工 2 第一章绪论 作。文献 1 4 1 5 分析了衰落信道下的m i m o 容量，其经典结论是：对于独立同分 步的r a y l e i g h 衰落信道，若接收机能准确获知信道状态信息( c h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n ，c s i ) ，则发射天线数和接收天线数分别为m 。和m ，的m i m o 系统可获 得的遍历容量( e r g o d i cc a p a c i t y ) 与曲( m ，丝) 呈线性增长关系。文献 1 6 则给出了 一种m i m o 的实现形式一一对角一贝尔实验室空时分层( d i a g o n a lb e l ll a b s l a y e r e ds p a c e t i m e ，d b l a s t ) 。随后，19 9 8 年w o l n i a n s k y 等人采用垂直一贝尔实 验室空时分层( v e r t i c a lb e l ll a b sl a y e r e ds p a c e t i m e ，v - b l a s t ) 建立了一个m i m o 实验系统，在室内实验中达到了2 0 b i f f s h z 以上的频谱效率【l7 | 。 以上关于m i