（通信与信息系统专业论文）垂直分层空时码系统及其检测算法研究.pdf

摘要 摘要 垂直分层空时码 v b l a s t 是由贝尔实验室提出的一种多天线 m i m o 结构无线通信系统 近年来 v b l a s t 系统由于其较高传输容量和频谱利用率 受到了广泛关注 实验证明 在传输环境散射丰富且信道准平稳的条件下 v b l a s t 结构表现出的信道容量将远远高于传统的单发单收通信系统 同时 v b l a s t 结构的实现复杂度也比原有的d b l a s t 和t b l a s t 低很多 本文首先详细描述了v b l a s t 的系统模型 并在此基础上重点讨论了各种 多天线系统的信道容量 我们对多天线系统在不同信噪比 不同天线数和不同溢 出概率等各种情况下的容量进行了仿真 同时 本文还重点介绍了几种主要的 v b l a s t 检测算法 其中包括经典的迫零算法 g o l d e n 串行译码算法 m m s e 算法 为优化发送天线数与接收天线数相同情况的检测性能而提出的平行算法以 及降低检测算法复杂度平方根算法 对于这些检测算法 我们详细分析了它们的 检测原理 并对其性能和优缺点做了全面的仿真比较 传统的v b l a s t 检测算法需要完全利用训练序列进行信道估计 当训练序列 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 本 文提出了一种相干半盲检测算法 首先运用发送信号的独立性完成信号和信道矩 阵的盲分离 再使用很少量训练序列进行信道矩阵列矢量的匹配和复常数校正 最后 利用获得的较为准确的信道矩阵结合传统的g 0 1 d e n 算法对接收信号进行 相干检测 该算法对训练序列长度的要求较低 同时可以达到较好的检测性能 仿真结果表明 当训练序列较短h 寸 该算法在平坦衰落信道下的性能明显优于传 统的g 0 1 d e n 算法 关键词 垂直分层空时码v b l a s tm i m o 信道容量g o l d e n 算法盲源 分离高阶累积量独立分量分析 a b s t r a c t a bs t r a c t t h ev 色r t i c a lb e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e 一1 血n e c o d i n g v b l a s t i s p r o p o s e d b y n l eb e l ll a ba s aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r ew i t h m u l t m e m e ma n t e n n aa a yi nr e c e n ty e a r s v b l a s th a sg a i n e de x t e n s i v ec o n c e m a si t sh i 曲c 印a c i t ya n dl a r g es p e c t r a le m c i e n c yl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sh a v ep r o v e d t h a tt h ee n o n o u sc 印a c 时o fv b l a s ti s u n p r e c e d e m e da 工l d i sf 恤e rm o r e l 1 1 a t t a i n a b l eu s i n gt r a d i t i o n a ls i n 9 1 e i n p m s i n g l e o u 钿u ta r c h i t e c t u r e p r o v i d e dt h a tt h e m t i p a t hs c a t t e r i n g i s s u 筋c i e n t l y r i c ha n d 吐1 ec h a 工1 n e li s q u a s i s t a t i o n a r y f u r t h e r n l o r e m ei m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t yo fv b l a s ti sr e d u c e dm u c hc o m p a r e d w j t bt h et r a d i t j o n a d b i a s ta 扣dt b i a st t i nt h i sd i s s e r t a t i o n w ed e s c r i b et h es y s t e mm o d e lo fv b l a s t 打r s t l y b a s e do n w h i c hw ec a s ti n t e n s i v ef o c u so nt h ec 印a c i t yo fm u l t i e l e m e n ta r r a y m e a w e a n a l y s i sa n ds i m u l a t et h ec a p a c i t yo fm 匣as y s t e ma td i 路r e n ts n r n u m b e ro f a i t e 皿 a n do u t a g ep r o b a b i l i 哆 w ba l s oi m r o d u c es e v e r a lc o n n o nd e t e c t i o n a l g o r i 岫 i n c l u d i n gc l a s s i c a lz e r of o r c i n ga l g o r i t h m s e r i a ld e t e c t i o na l g o r i m m m m s ea l g o r i t p a r a l l e la l g o r i m mf o ro p t i m i z i n gt h ed e t e c t i o np e r f o r n l a l l c ew h e n t h en u m b e ro f 廿趾s r n j ta m e r u l a ea n dr e c e i v ea n t e n n a ea r ee q u a l a i l ds q u a r e r o o t a l g o r i m mf o rr e d u c i n gt 王1 ec o 1 p l e x i t yo fi m p l e m e n t a t i o n w 毫a 1 1 a l y s i st h ed e t e c t i o n p r i n c i p l eo ft h e s ed e t e c t i o na l g o r i t h i n i n d e t a i l a n dc o m p a r ea j l d s i m u l a t et h e p e r f o 珊a n c eo f t h e s ea l g o r i t 1 i n t h ec h a m e li n f o r m a t i o ni sr e q u i r e di nc o n v e n t i o n a lv b l a s ta l g o r i t h m w h e n t h et r a i n i n gs e q u e n c e sa r es h o r t e s p e c i a l l yw h e nt h el e n g 山o ft h e 订a i 工1 i n gs e q u e n c e s i ss h o r t e rt h a nt h en u m b e ro ft r a n s m a n t e n n a e t h ec h a n n e le s t i m a t i o ne r r o ri sl a r g e w h i c hi n d u c e st h ep e r f b 玎n a n c ed e g r a d a t i o no fv b l a s ta l g o r i t h w ep r o p o s ea c o h e r e n ts e m i b l m dd e t e c t i o n a l g o r i 血mi i lt h i sd i s s e r t a t i o n c h a n n e lm a t r i xi s e s t i m a t e dn r s t l ye m p l o y i n gt h ei n d e p e n d e n c ep r o p e r t yo ft h es i g n a l sb a s e do nb l i n d s o u r c es e p a r a t i o na l g o r i t h m s h o r t 心血1 i n gs e q u e n c e sa r et h e nu t i l i z e dt op e r f o r i nt h e m a t c ho ft h ec o l u m n so ft h ec h 籼e 1m a t r i xa n dt h ec o r r e c t i o no ft h ec o m p l e x c o n s t a n t a n d 也e n t h er e c e i v e ds i g n a l sa r ec o h e r e n td e t e c t e db yt h ec o n v e n t i o n a l g o l d e na l g o r i t h mw i t h 也em o r ea c c u r a t ee s t i m a t i o no f t h ec h 黝e 1m a t r i x s i m u l a t i o n d e m o n s 忱扯e sm a tt h ep e r f o m l a n c eo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h mi so b v i o u s l yb e t t e rm a n 1 东南大学硕士学位论文 t h a to ft 1 1 ec o n v e n t i o n a lv b l a s t a l g o r i 娃 ni nf l a tf a d i l l gc h a 肌e lw h e nt h e 订a i l l i n g s e q u e n c e s a r es h o r t k e y w o r d s v e n i c a lb e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m ec o d i n g v b l a s t m 订o c h a n n e lc a p a c i 吼g 0 1 d e na l g o r i t l l i i l b 1 i n ds o u r c es e p a r a t i o n h i 曲一o r d e r c u m u l 柚t s i 工l d e p e n d e n tc o m p o n e n ta 1 1 a l y s i s 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 啪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 m cd e l t a 函数 复数的实部 复数的虚部 范数 f r o b c l l i u s 范数 矩阵的迹 符号函数 拉直运算 盯 啪 哟姒呱 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己在论文中作了明确的说明并表示 了谢意 研究生签名 i 亡 塾丝日期 丛 2 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 纸质沦文的内容相一致 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 i i 鹾章n 导师签名研究生签名 7 堪1 1 竖章n 导师签名趣曰牝咐 玑 第一章绪论 第一章绪论 随着人类社会的发展和进步 信息的采集 传输和消费成为人类生活的重要 方面 通信技术作为人们在信息获取和交流中不可或缺的手段 已在当今的信息 化时代扮演着越来越重要的角色 人类社会正向着实现任何人在任何时间 任何 地点与任何人进行任何种类的信息交换的宏伟目标大步迈进 其中移动通信技术 的迅猛发展成为实现这一目标的关键因素之一 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川 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r i 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 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 保密陛差 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 美国通信工业协会颁布的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h u 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 东南大学硕士学位论文 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 多业务 宽频带 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j o 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 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 绞审 血手用户数目翰自馘帖频谱鹩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 0 m u l t i i n p u t m u l t i o u 印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 诅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 4 5 1 m a r z e t t a 和h o c h w a l d 在文献 6 1 中研究了发射端和接收端仅知 第一章绪论 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fj 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 8 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 9 研究了相关信道下m i m o 系统的信道容量 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u2 还有许多文献研究了多用户 下m i m o 系统的信道容量 l j 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 l5 j 埘此进行了综述 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 即每对天线之间的信道是相互独立的复高斯信道 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 4 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 0 系统的信道容量与莱斯因子有关 文献 1 6 j 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 8 1 9 但每对 天线之间的信道衰落会存在相关性 文献f 2 l 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 除了理沦上的突破 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 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困 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 册a l i z e dl e a s tm e a ns q u a r e 和i 也s r e c u r s i v el e a s ts q u a r e s 算法 现场 测试表明 圆环和平面天线适于室内通信环境使用 而市区则采用简单的线列阵 较适合1 2 2 j j f d i o 谢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 由一环形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 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1 2 3 1 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 3 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 弘刮 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 东南大学硕士学位论文 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 3 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 2 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f 2 4 j s e s h a 嘶和w i c e r s 在1 9 9 4 年首次提出 了空时编码的概念 2 5 j 1 9 9 8 年t a m k 1 1 等提出了空时格码 2 6 文献口6 2 8 1 讨论了空 时格码的性能和设计准则 文献 2 9 给出了更新和更简洁的码设计准则 文献 3 叫 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 灿锄o u t i 等提出了两天线下的空时分组码即a 1 a m o u t i 码 3 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 啪k h 等进一步提出了多天线空时分组码的一般 1 设计准则 3 由于多天线下复数域空时分组码的码率通常只有 许多文献为寻 2 找频带利用率更高的空时分组码作出了努力 33 其中文献 3 4 给出了用代数域作 为数学工具的编码方案 文献日5 j 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 l l i 提出了对角分层空时结构 b l a s t 例 1 9 9 8 年w o l n i a i l s b 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 7 3 8 在室内试验中达到了2 0b s m 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 朗讯科技已经开始将此b l a s t 芯片应用到其f l e x e m 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 酗 论文的硒舞城鹰辩节安排 本论文主要围绕多天线 m i m 0 技术在无线通信中的应用进行研究 事实 证明多输入多输出 m i m o 系统能够有效提高无线频谱利用率 而贝尔实验室 提出的垂直贝尔实验室分层空时码v b l a s t v e r t i c a lb e ul a b o r a t o r i e sl a y e r e d s p a c e t i m e 结构正是一种能实现很高信道容量且实现方便的 m o 结构 v b l a s t 以其众多的优点获得了广泛的关注 本文对v b l a s t 的系统结构 信 道容量以及检测算法进行了详细的研究 v 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 第一章绪论 估计在v 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v b l a s t 系 统都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 v r b l a s t 系统的半盲相干检测问题 论文共分五章 本章为绪论 简单介绍了多天线技术 m i m 0 的发展和应 用背景 以及多天线技术的一些特点和研究现状 第二章我们首先介绍了无线信道的基本特征 重点描述了一些常见的基本概 念 之后我们简单介绍了m 江o 系统的信道模型 最后关于空间分集部分 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 二b l a s t 和t b l a s t 之间的 异同进行了比较 第三章详细描述了v b l a s t 的系统模型 并在此基础上重点讨论了各种多天 线系统的信道容量 内容包括v b l a s t 的实现原理 传输环境 应用范围 以 及接收分集 发送分集 多入多出情况的信道容量理论分析等等 最后 我们对 多天线系统在不同信噪比 不同天线数和不同溢出概率等各种情况下的容量进行 了仿真 结果表明 相对与传统的通信系统 多天线的v b l a s t 系统能够大大 提高系统的传输容量 因此 它将在未来的移动通信中发挥不可估量的关键作用 第四章系统研究v b l a s t 的检测算法 对于v b l a s t 系统而言 接收端的 检测算法是极其关键的 检测算法的性能优劣直接关系到v b l a s t 是否能够达 到设计时的理论容量 我们主要介绍了几种主要的v b l a s t 检测算法 其中包 括经典的迫零算法 g o l d e n 串行译码算法 m m s e 算法以及为优化发送天线数 与接收天线数相同而提出的平行算法 降低检测算法复杂度平方根算法 对于这 些检测算法 我们详细分析了它们的检测原理 并对其优缺点做了一定的比较 本章对各种检测算法进行了相应的仿真和分析 结果表明 g o l d e n 串行译码算 法具有较好的检测性能 但由于检测过程中需要频繁的计算矩阵伪逆 因此计算 复杂度成为其最大的应用瓶颈 另外 当发送天线数与接收天线数相同时 g 0 1 d e n 算法的性能也将大大降低 而平方根算法和平行算法恰好分别解决了以上的两个 主要问题 论文的第五章给出了一种适用于v b l a s t 系统的半盲相干检测算法 传统的 u b l a s tg o l d e n 检测算法需要完全利用训练序列进行信道估计 当训练序列长 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 一般 的简单半盲检测算法仅仅通过旨源分离方法分离接收信号 将匹配并幅度校正后 东南大学硕士学位论文 分离信号直接作为最终的检测信号 而没有充分利用信道矩阵的信息帮助检测 我们提出了一种相干半盲检测算法 首先运用发送信号的独立性完成信号和信道 矩阵的盲分离 再使用训练序列进行信道矩阵列矢量的匹配和复常数校正 最后 利用获得的较为准确的信道矩阵结合传统的g o l d e n 算法对接收信号进行相于检 测 该算法对训练序列长度的要求较低 同时可以达到较好的检测性能 本章对 该算法的性能在不同信噪比 不同接收天线数等情况下进行了仿真 结果表明 当训练序列较短时 该算法的性能明显优于传统的0 0 1 d e n 算法和简单的半盲检 测算法 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 为了有效利用无线通道资 源 人们丌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 0 环境下无线信道的信道模型 在此基础上讨论了多天线 在移动通信中的常见应用 这些应用主要包括 空间分集和空间复用 2 2 无线信道的基本特性 无线电波通过移动通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 9 路径传播损耗 它是指电波在空问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 般遵从对数正态分布 其变化率较慢 多径衰落 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 曲 分布或莱斯 r i c i 如 分布 当接收信号散射分量数目很大且没有 东南大学领土学位论文 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l 隔度将急剧变化 即产生了衰落 这就是所谓的多径衰落 一般来说 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间存在相对运动 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 它反映了通道变化的快慢 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通道相干时间 接 收机接收到的信号在一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 i 醐e 选撰健衰菝焦遒 一哭熬为平褰藻獯遘 如暴信号带宽大王倩遒相干带宽 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n 向应保持 强相关的最大空间距离 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 第二章无线通信中多天线技术的基本理论和应用 2 3 m 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 发身寸端 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 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 1m 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向量为 h 胁 月 f 2 1 其中 n k 聍 2 白 n r 为接收信号向量 5 胛 p n s n 嘞 n r 为发送信号向量 n n k n n n 挖 r 为加性噪声向量 通常情况下 我们假定加性噪声为高斯噪声 日为 m 的通道矩阵 其第 j 力个元为 表 示第j 个发送天线到f 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 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向量为 h 日 s n 押 n 2 2 月f l 其中 东南大学硕士学位论文 h 二 矗二 纛 册 k o 1 矗删 三 j 厅 s 一1 珊 l 2 m f l 2 m i m o 系统的信道模型是研究多天线技术在无线通信中应用的基础 不同的 应用对m i m o 通道的要求不一样 在智能天线中 信道h 的每个列向量为信号的 导向向量 其各个元素之间仅相差一个相位 该相位与信号入射角度有关 而在 b l a s t 系统中 则要求h 的各个元素之间相互独立 2 4 无线通信中的空间分集技术 无线通道中的衰落是影响通信质量的重要因素 如何有效地对抗衰落效应 是移动通信设计中的重要问题 目前较为有效的抗衰落技术主要有 分集技术 纠错编码加交织技术 功率控制技术等 其中分集包括时间分集 频率分集 空 间分集 极化分集等技术 空间分集是利用信号到达天线阵各阵元的通道之间的 独立性 用多个天线接收信号来克服空间深衰落 增加分集增益 因为如果单个 天线阵元接收信号强度低于某个预定电平的概率为芦 则相互独立的m 个天线 阵元接收到的信号强度同时低于这个预定电平的概率为p 通常p l o g 1 p 咒 砬 b p 州 3 1 1 七 l 其中 舷代表具有2 k 个自由度的卡方分布变量 此时 随着天线数的增加 此系统的信道容量低界将线性增长 3 4 仿真结果 由于在不同的数据突发之间信道是随机变化的 因此信道容量也是随机变化 的 因此某个单一时刻的信道容量基本没有意义 我们关心的是在绝大多数情况 下信道能达到的信道容量 所以 我们研究的目标并不是某个单 时刻的信道容 量 而是必须寻找系统的容量补足累积分布函数组 如m p l e m e n f a r y 鲫m u l a t i v e 东南大学硕士学位论文 亟i s t 曲u t i o n 氢m c t i o 迪c c d f s 这个函数组表明了信道容量的随机分布情况 使我们确切的知道 在绝大多数情况下 信道容量能达到多大 为此 我们设置了容量的溢出概率 0 u t a g ep r o b a b i l 时 其本质就是把信道 容量看成一个随机变量之后 统计在一定概率下信道所能达到的容量 例如 当 溢出概率为1 时 表示此时我们统计的是信道在9 9 的概率下所能达到的容量 即信道在9 9 的情况里都能达到的信道容量 文献中称为0 u t a g ec 印a c 畸 而容 量补足累积分布函数组 c a p a c 时c c d f s 正是直观的体现了每个信噪比下系统 相对于不同o u t a g e 概率时的信道容量 例如 如果某一m i m o 信道的o u t a g ec a p a c i t y 为e 其中x 表示o u t a g e p r o b a b i l 毋 那么 p r c c 1 一x 3 1 2 为了直观地说明m i m o 结构的容量特性 我们在不同信噪比 不同发送天线 数 不同接收天线数以及不同o u t a g e 概率等情况下 对本章所讨论的m i m o 信 道容量与传统的单输入单输出系统进行了比较 图3 t 2 给出了单发多收即接收分集情况时的系统信道容量 从图中可以看出 接收分集系统的信道容量明显高于传统的单发单收系统的信道容量 随着接收天 线数的不断增加 系统的信道容量也不断提高 同时 当接收天线数较多时 信 道容量近似的随着信噪比的提高线性增长 图3 3 给出了多发单收即发送分集情 况时的系统信道容量 从图中也可以看出 发送分集系统的信道容量明显高于传 统的单发单收系统的信道容量 图3 4 和图3 5 给出了不同信噪比下对于普通的 m i m o 系统 当接收天线数等于发送天线数时的系统信道容量 从这两个图中我 们可以很容易的看出 等天线结构的m i m o 系统的信道容量与接收天线或发送 天线叛成线性关系 积3 和图3 j 审给出钧炭送和接收天线数相伺情况时系 统信道容量与发送天线数的比值恰恰证明了这一点 图3 8 至图3 1 1 分别给出了 m n 1 m n 2 m n 4 m n 8 m 8 n 1 2 这五种情况的容量补足累积分 布函数组 c a p a c 毋c c d f s 从这四个图可以非常直观的看出 多发多收的 m i m o 系统的容量将显著高于传统的单发单收通信系统 最后 我们针对具体的 v b l a s t 系统的信道容量做了数值仿真 并且把它与传统系统做比较 得到了 图3 1 2 的最终比较结果 可以看出 v b l a s t 系统的容量将远远大于传统通信 系统 因此其频谱利用率将大大提高 这正是v b l a s t 等m i m o 系统得到广泛 关注的根本原因 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0 第三章v b l a s t 的系统模型及容量分析 0481 2 s n r 1 6 d b 图3 2 接收分集情况的信道容量比较 m 2 4 6 8 1 0 1 2 n 1 0 481 21 6 s n r d b 2 42 8 m 1 n 1 图3 3 发送分集情况的信道容量比较 2 7 i m 1 n 2 4 6 8 1 0 1 2 卜啊 l 乡 7 1 衫彩 澎缎彤丫 膨多代纱 多豸雩雾 7 7 钐 t 沙 而 盟小 第四章v b l a s t 系统检测算法 f j 幸 4 1 3 而在g o l d e n 符号抵消算法中 第t 个子信号的迫零向量仅仅需要与信道矩阵的 m i 个列向量正交即可 即满足 t 0 j i k l w 一圹 0 斌 另外 文献口7 手旨出 由c a u c h ys c h w a n z 不等式可得 对于一个子信号的迫零 向量来说 如果它与信道矩阵h 中越多的列向量正交 那么这个迫零向量的范数 将会越大 这个子信号的检测后信噪比也将越小 g o l d e n 算法中 当检测第危个子信号时 确定置的值也必须以子信号的检测 后信噪比最大为标准 也就是说 当我们在检测完第砖一 个子信号后 必须在剩 下的m f 1 个子信号中选择一个做为接下来即将被检测的第盘个子信号 也就 是选择第七 个子信号的迫零向量w 女 此时 我们必须在m f 1 个迫零向量中 选择范数最小的作为w 这样 一方面我们可以获得信噪比最好的子信号 另 一方面 在接下来的符号抵消中 我们把这个信噪比最好的子信号从混叠信号中 消除 可以最大限度的降低剩余子信号所受的干扰 不会对以后的检测构成较大 的不利影响 这就是g o l d e n 算法采用特殊的顺序检测每个子信号的关键原因 归纳起来 g o l d e n 算法是一种串行干扰抵消算法 首先用迫零算法完成信噪 比最大的信号的检测 然后从接收信号中减去该信号 再完成信噪比次最大信号 的检测 如此循环 直至完成所有信号的检测 其主要过程总结如下口8 初始化 1 g 日 东南大学硕士学位论文 递归 j 1 m t 2 鬻 嘿悔 川2j 忙l j i l g 为q 的第 行 1 k2 g k y i 玎 w 也 以 气 q 帆 0 1 一气 日 口 为口的第t 列 g m2 日 日i 为将矩阵日第毛 女z t 列置零后所得的矩阵 f f 返回 由以上算法可以看出g o l d e n 算法具有以下三个主要特点 对信道矩阵h 或更新后的信道矩阵口i 求m 0 0 r e p e i l r o s e 伪逆 共m 次 对所求得的伪逆矩阵中的行向量按其范数大小进行m 次排序 串行译码 图4 1 示意了g o l d e n 算法的流程 58 第四章v b l a s t 系统检测算法 h l 弘 矗丢 m 当发送天线数等于接收 天线数时 g o l d e n 等传统算法将表现出很不理想的性能 但是 在一些使用 v b l a s t 系统实现对等互连的无线局域网系统中 两个移动台 如两个笔记本 电脑 通常具有相同的天线数 因此 此时发送天线数和接收天线数相等 即 m 为此 y u a l ll i 5 l 提出了一种v b l a s t 平行检测 p a r a l l e ld e t e c t i o n 算 法 它可以有效的提高 v m 情况下的传输性能 该平行算法为了提高检测精度 同时也不能使算法过于复杂 于是在最大似 然算法和传统低复杂度检测算法之间取了一个折衷 在传统算法中如果发送天线 数和接收天线数相等 则检测时的信道矩阵h 为一个方阵 在平行算法中 接收 端检测时并不直接使用这个方阵 而是首先对发送信号矢量中的某一个子信号做 出假设 假设其己经准确无误的被检测出来了 该子信号有多少种符号可能 就 做多少种假设 对于每一种假设 平行算法把该子信号从接收信号中消除 并将 这个子信号对应的信道矩阵中的一列消去 此时 信道矩阵变成一个 m 一1 的新矩阵 由于已经有一个予信号被假设完全无误的解出了 因此这是问题变成 了根据这个新的信道矩阵来检测剩下的 m 一1 个子信号 而这是 m 一1 信道矩阵不再是方阵 故而可以使用传统的v b l a s t 检测方法 具体算法解释 如下 信道矩阵h 为 m 的方阵 即 m 发送信号矢量为s s l j 2 在使带平行算法橙测时 我们假设子信号s 已经被准确无误竹检测出了 且为了 简便 我们假设发送符号均为b p s k 符号 即s 仅可能为 1 或一1 我们分别假 设最为 1 和一1 且将s 从