（通信与信息系统专业论文）多用户多天线系统上行信号预处理技术研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科 专业 工学 通信与信息系统 研究方向 移动通信与无线技术 作者 2 0 0 7 级硕士研究生金鑫 指导教师 酆广增教授 i i l l l lil l l l l l t li i i l lilli y 17 5 5 1 5 3 题目 多用户多天线系统上行信号预处理技术研究 英文题目 n er e s e a r c ho i lp r e p r o c e s s i n gf o ru p l i n km u l t i u s e rm u l t i p l e a n t e n n a ss y s t e m 关键词 多输入多输出 预编码 多用户 上行链路 k e yw o r d s m i m o p r e c o d e m u l t i u s e r u p l i n k 摘要 多输入多输出 m i m o 技术是指在发射端和接收端分别设置多副发射天线和接收天 线 以改善系统的通信性能 m i m o 的实质是为系统提供空间复用增益和 或空间分集增益 空间复用技术可以提高系统的信道容量 而空间分集则可以提高信道的可靠性 降低信道 的误码率 目前 世界各国学者都在对m i m o 的理论 性能 算法和实现等方面进行者广 泛的研究 预编码可以根据信道状态信息 瞬时状态或长期统计的信息 在发射端自适 应地改变预编码矩阵 可以起到等效改变信号经历的信道的作用 最近几年 对多用户 m i m o 系统中的预编码技术的研究越来越多 大多则集中在下行链路中 因为在多用户 m i m o 系统中 下行预编码是必须的 因为各用户使用同一时频块进行平行子信道传输将 引起各用户信号在接收端的干扰问题 它也是可行的 基站可通过反馈获得各用户c s i 进而得到下行预编码矩阵 同时 这种解决方案将复杂度放在基站侧 降低了用户接收端 的复杂度 其中具有代表性的是d p c d i r t yp a p e rc o d e 算法和t h p 编码方案 其基本思 想是在发射端理想已知所有用户的信道信息的条件下 预消除用户之间的干扰 使得用户 接收的数据不受其他用户数据的的干扰 提高系统的吞吐量 由于在上行预编码方面的研究相对较少 虽然多用户m i m o 系统的上行预编码对传统 蜂窝通信系统而言并不是必须的 因为多用户干扰的问题可在基站解决 但对未来对等结 构的系统而言 上行预编码却是重要课题 因此本文将研究多用户m i m o 系统的上行预 编码 本文首先分析了在系统知道准确的信道状态信息下的多用户m i m o 系统上行链路预 编码方案 在这一部分以最小化系统总的均方误差为目标函数 首先给出了在总功率约束 条件下的预编码方案 又改进了各用户功率约束条件下的预编码方法并给出了关于每根天 线功率条件下的预编码方法 然后分析研究了在系统不知道准确信道状态信息下的预编码 方案 在这一部分仍以最小化系统总均方误差为目标函数 首先将总功率约束的预编码方 案扩展到非准确信道状态信息情况中 然后还提出了一种非迭代的预编码方案 关键词 多输入多输出 预编码 多用户 上行链路 l a b s t r a c t 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 t e c h n i q u em e a n s t h a tb o t ht r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r a r ee q u i p p e dm u l t i p l ea n t e n n a st oa c h i e v eg o o dp e r f o r m a n c eo ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s m i m oc a ne s s e n t i a l l yp r o v i d et h es p a c em u l t i p l e x i n ga n d o rs p a c ed i v e r s i t ya d v a n t a g e s t h e c a p a c i t yo ft h es y s t e mc a nb ei m p r o v e db ys p a c em u l t i p l e x i n g w h i l et h ec h a n n e lr e l i a b i l i t yc a n b ei m p r o v e da n dt h eb i te r r o rr a t ec a nb er e d u c e db ys p a c ed i v e r s i t y n o w t h es c h o l a r sf r o ma l l o v e rt h ew o r l dh a v em a d es o m ee x t e n s i v es t u d yo nm i m os y s t e m u s i n gp r e c o d et e c h n o l o g i e s t h ep r e c o d em a t r i xc a nb ec h a n g e da c c o r d i n gc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o nt om a k eb e s tr e s u l t s w h e nt h es i g n a lg o e st h r o u g ht h em i m oc h a n n e l i nr e c e n ty e a r st h em u m i m op r e c o d e t e c h n o l o g i e sa r ei n v e s t i g a t e dm o r ea n dm o r e b u tm o s to ft h er e s e a r c h e sa r ec o n c e n t r a t e do nt h e d o w n l i n k b e c a u s ei ti sn e c e s s a r y f o rt h ei n t e r f e r e n c ew i l lb em a d ew h e ne v e r yu s e r st r a n s m i t s i g n a l sw i t ht h es a m eo n et i m e f r e q u e n c yb l o c k i ti sa l s of e a s i b l e a n dt h i ss c h e m ec a nl o w e rt h e c o m p l e x i t yo f t h er e c e i v e r d p ca n dt h pa r et w oo ft h et y p i c a lp r e c o d et e c h n o l o g i e s a n dt h e r e t h eo b j e c t i v ei st oe l i m i n a t et h ei n t e r f e r e n c ef r o mo t h e ru s e r s a n dt om a k et h el a r g e s ts y s t e m c a p a c i t y w h e n a l lt h ec s i sa r ek n o w n b yt r a n s m i ts i d e s t h e r ei sl i t t l er e s e a r c ho nt h ep r e c o d eo fu p l i n k t h er e a s o ni sf o rc o n v e n t i o n a ls t r u c t u r e m o b i l en e t w o r k st h em u l t i u s e ri n t e r f e r e n c e sd u et om i m oc h a n n e lc a nb es o l v e do nb a s es t a t i o n b u tw h e nw ec o n s i d e rp e a rt op e a rs t r u c t u r em o b i l en e t w o r k si nt h ef u t u r e t h em u m i m o p r e c o d eo fu p l i n kb e c o m e sai m p o r t a n tt o p i co fr e s e a r c h s oi nt h i st h e s i s w em a d es o m e r e s e a r c ho nm u m i m op r e c o d eo fu p l i n k w ef i r s ta n a l y z et h em u m i m o p r e c o d es c h e m e s w i t hp e r f e c tc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n w eg e tt h ep r e c o d em a t r i xf o r mt om i n i m i z et h ef u n c t i o n o ft h es u mm s eo fa l lu s e r sw h e nt h er e s t r i c to fs u mp o w e r e v e r yu s e rp o w e ra n de v e r ya n t e n n a p o w e ra r ec o n s i d e r e dr e s p e c t i v e l yi nt h es e c o n dp a r to ft h i st h e s i sw ea n a l y z e dt h em u m i m o p r e c o d es c h e m e sw i t hi m p e r f e c tc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n w ee x t e n tt h em u m i m op r e c o d e r e s u l t sw i t hp e r f e c tc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na n dt h e nw ep r o p o s ean o n i t e r a t i v ep r e c o d e s c h e m e k e y w o r d s m i m o p r e c o d e m u l t i u s e r u p l i n k l i k 戳g r b 3 g b e r b l a s t c d m a c s i e d g e f d d f d m a g p r s g s m m m o m m s e m s e m u m i m o o f d m s i n r s i s 0 s m s e s n r t d d w 二c d 队 缩略语词汇 l i s to fa b b r e a t i o n s a d d i t i v e 删t eg a u s s i a nn o i s e b e y o n d3g e n e r a t i o n b i te r r o rr a t i o b e l ll a b sl a y e r e ds p a c e t i m e 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 ls t a t ei n f o r m a t i o n e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n f r e q u e n c y d i v i s i o nd u p l e x f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 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 s 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 n i m u mm e a ns q u a r e de r r o r m e a ns q u a r e de r r o r m u l t iu s e rm u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 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 s i g n a lt oi n t e r f a c ea n dn o i s e r 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 u mm e a ns q u a r e de r r o r s i g n a lt on o i s er a t i o t i m ed i v i s i o nd u p l e x 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 h i 加性高斯白噪声 后3 代 误比特率 贝尔实验室空时分层 码分多址 信道状态信息 增强型数据速率g s m 演进系统 频分双工 频分多址 通用分组无线服务技 术 全球移动通信系统 多输入多输出 最小均方误差 均方误差 多用户多输入多输出 正交频分复用 信干噪比 单输入单输出 和均方误差 信噪比 时分双工 宽带码分多址 m a x r a i n e r e l o g 1 9 s r r d 数学符号表 矩阵的第掰行 第刀列元素 矩阵或向量的复共轭 矩阵或向量的转置 矩阵或向量的共轭转置 矩阵的逆 矩阵的行列式 矩阵的迹 矩阵的秩 由括号内序列构造的对角阵 阶单位矩阵 实数的绝对值或复数的模 向量的2 范数 向量的1 范数 m a x o 求序列中的最大值 求序列中的最小值 数学期望 复数的实部 以2 为底的对数 以1 0 为底的对数 对矩阵进行奇异值分解 i v 棚 r y 塘 笞 y y 北 晴 口 j 吼 州州础抛k h 目录 摘要 i a b s t r a c t i i 缩略语词汇 i i l 数学符号表 目勇乏 v 第一章绪论 l 1 1移动通信的特点与发展 1 1 2 m i m o 简介 3 1 3本论文结构安排 4 第二章无线信道与m i m o 基本理论 5 2 1无线通信信道特性 5 2 1 1 移动无线电波传输 5 2 1 2 反射 绕射和散射 8 2 2多径衰落信道的特征 9 2 3 m i m o 信道模型 1 2 2 3 1单用户m i m o 通信系统 13 2 3 2 多用户m i m o 通信系统 1 4 2 4m i m o 信道容量 16 2 4 1 信道状态信息 1 6 2 4 2单用户m i m o 系统容量 16 2 4 3多用户m i m o 接入信道系统容量 1 9 2 4 4多用户m i m o 广播信道系统容量 2 1 2 5本章小结 2 2 第三章已知准确c s i 下的m u m i m o 上行预编码 2 3 3 1系统模型 2 3 3 2 基于m m s e 标准 总功率约束下的预编码 2 4 3 2 1 优化问题的提出 2 4 3 2 2优化算法 2 6 v 3 2 3仿真结果 2 7 3 3基于m m s e 标准 分用户功率约束下的预编码 2 8 3 3 1优化问题的提出 2 8 3 3 2 优化算法 3 0 3 3 3仿真结果 31 3 4本章小结 3 2 第四章未知准确c s i 下的m u m i m o 上行预编码 3 3 4 1 基于m m s e 标准的迭代算法 3 3 4 1 1问题描述 j 3 3 4 1 2 算法步骤 3 5 4 1 3仿真结果 3 6 4 2基于m m s e 标准的非迭代算法 3 6 4 2 1问题描述 3 6 4 2 2 问题求解 3 7 4 2 3仿真结果 3 8 4 3本章小结 4 0 第五章总结与展望 4 1 致谢 4 2 参考文献 4 3 附录i 程序清单 4 6 附录i i 攻读硕士学位期间撰写的论文 4 7 v i 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信的特点与发展 随着社会的发展 通信在现代社会中所扮演的角色越来越重要 通信的进步促进了社 会的发展 但社会的发展使得人们对通信的要求也越来越高 在任何时候 任何地方 与 任何人都能及时沟通与交流是人们对于通信的理想目标 显然这个目标是要靠移动通信来 完成 移动通信具有一些不同于有线通信的主要特点 l 如 1 移动通信的传播要靠无线电波 利用无线电波通信使得通信中的用户可以在一定范围内自由活动 其位置不受束缚 但是无线电波的传播特性一般都很差 电波不仅会随着传播距离的增加而发生弥散损耗 并且会因地形 建筑等环境的遮蔽而发生 阴影效应 而且信号会从多条路径到达接收 点 这些信号的幅度 相位和到达时间都不一样 它们相互叠加会产生电平衰减和时延扩 展 其次 在快速移动中的移动通信还会引起多普勒频移 使得电波的传输特性发生快速 的随机起伏 严重影响通信质量 因此 移动通信系统必须根据移动信道的特征 进行合 理的设计 2 移动通信的工作环境具有许多复杂的干扰 除了一些常见的外部干扰 系统本身以及不同系统之间还会产生各种各样的干扰 因 为在移动通信系统中 常常都是许多用户在同一时间和地区一起工作 基站也会有多个收 发信机 用户和基站会受到各种各样的干扰 如邻道干扰 互调干扰 共道干扰 多址干 扰等 在移动通信系统中 如何对抗和减少这些有害干扰的影响是至关重要的 3 移动通信可以利用的频谱资源非常有限 但其业务量需求却与日剧增 如何提高通信系统的通信容量 一直都是通信领域的重点 为了解决这一矛盾 则必 须一些新技术与新措施的发展 如m i m o 与o f d m 技术等 早在1 8 9 7 年 马克尼在陆地和一只拖船之间 用无线电进行了消息的传输 这便是 移动通信的开始 至今 移动通信的历史已有1 0 0 多年了 在这期间 移动通信的发展极 为迅速 目前为止它经历了如下几个阶段 1 第一代通信系统 1 g 第一代通信系统的接入技术采用的是频分多址 f d m a 以模拟语音技术为核心 主 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 主要以美国的a m p s 系统和英国的t a c s 为代表 其在当时虽然取得了很大的成功 但也 暴露了一些问题 如 频谱利用率太低 移动设备复杂 通话不保密等 最严重的是过低 的容量完全跟不上日益增长的业务需求 2 第二代移动通信 2 g 在8 0 年代后期 欧洲推出了泛欧数字移动通信网 g s m 的体系 不久美国和日本也制 定了自己数字移动通信体系 i s 9 5 j d c 第二代系统采用了数字调制技术 先进的呼叫处 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 此外 第二 代移动通信系统还有可支持i p 业务的增强版 在2 g 与3 g 之间的过渡系统 增强了对数 据业务的支持 相对2 g 系统在数据的传输速率和频谱利用率上有所提高 典型系统包括 g p r s 和e d g e 等 3 第三代移动通信系统 3 g 对高速数据 宽带视频 对媒体传输等业务的需求以及移动用户的高速增长推动了第 三代移动通信的发展 1 9 9 9 年年底i t ut g 8 1 最后一次会议上 通过了i m t 2 0 0 0 的无线 接口技术规范 它分为五种技术 其中主流技术为w c d m a c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 目前三种技术标准都已经在我国商用 值得一提的是其中的t d s c d m a 标准是有我国所 自主研发的标准 第三代移动通信系统以全球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高频谱利用率 高服务质量 低成 本 高保密性等许多优点 该系统能够为移动用户提供全球漫游 无缝覆盖的业务 能为 移动用户提供与固定网络相当的语音 数据以及多媒体等多种速率的业务 其最高传输速 率可达2 m b p s 以上 而且满足上 下行链路业务量不对称的需求 4 下一代移动通信 为了获得更高的数据传输速率和提供种类更多 质量更好的数据业务 人们已经对第 四代移动通信 4 g 的关键技术做了大量的研究 其主要目标是将数据传输速率进一步提高 到1 0 0 m b i t s 1 g b i t s 可以提供高清视频等众多需要高速数据支撑的实时性业务 在第四 代移动通信系统中为了提高容量和频谱利用率 采用了众多的物理层的新技术 如m i m o o f d m 等 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 2m i m o 简介 无线通信技术的发展始终围绕着如何在恶劣的信道环境和有限的带宽内提高传输速 率和质量 已经证明 在无线信道上提高数据传输率和质量的最有效途径之一是采用多输 入多输出 m m o 技术 m i m o 技术在不增加带宽的情况下 成倍地提高系统的容量和 频谱利用率 是新一代无线通信系统广泛采用的关键技术 其实早在1 9 0 8 年 马可尼就已经提出用多入多出系统来抗衰落 但是对m i m o 系统 产生巨大推动作用的奠基工作则是在9 0 年代中期由a t t b e l l 实验室学者完成的 1 9 9 5 年t e l a d a r 给出了在高斯平坦衰落情况下的m i m o 容量 1 9 9 6 年f o s h i n i a 给出了一种多入 多出处理算法一对角一贝尔实验室分层空时 d b l a s t 算法 1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了用 于多入多出的空时码 1 9 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分层空时 v b l a s t 算法建立了一个m i m o 实验系统 在实验室内达到了2 0 b i t s h z 以上的频谱利用率 这么 高的频谱利用率引起了各国学者的极大关注 并使得m i m o 系统的研究工作得到了迅速的 发展 采用m i m o 系统使得多种手段可以在克服无线信道的影响时 从而提高通信系统的通 信质量 其主要的性能增益还是空间复用增益和空间分集增益 若发射和接收天线之间都 是相互独立的 则在传输时空间会有许多并行的子信道 这些信道独立传送信息则必然使 得传输速率提高了 这就是空间复用 若通过m i m o 系统给接收机同时提高多个衰落副本 则所有信号同时经过深度衰落的概率变小 则可以对抗信道衰落 这就是空间分集 空间 复用和空间分集的本质关系就是数据传输速率和数据错误概率之间的关系 它们是相互矛 盾的 随着m i m o 的引入 也产生了许多提高m i m o 系统性能的新技术 预编码技术便是 其中之一 它是多天线系统中一种特有的自适应技术 即根据信道状态信息 瞬时状态或 长期统计的信息 在发射端自适应地改变预编码矩阵 可以起到等效改变信号经历的信 道的作用 多天线系统相比于原有的单天线系统增加了空间维的资源 因此在调度时增加 了时频之外的空间维自由度 若在同一时频单元上同时允许多个用户分享空间资源 可以 获得更大的多用户分集增益 目前m i m o 系统的研究也从点对点的单用户m i m o 系统扩 展到点对多点的多用户上面 在多用户m i m o 系统中 大多数研究都集中在下行链路 因 为下行预编码是必须的 因为多用户m i m o 系统由于多用户使用同一时频块进行平行子信 道传输将引起各用户信号在接收端相互干扰影响 下行预编码也是可行的 因为基站可通 过反馈拥有各用户的c s i 利用各用户的c s i 可得到m i m o 各子信道估计 进而得到下行 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一苹绪论 预编码矩阵 以消除干扰 同时 这种解决方案将复杂度放到基站侧 降低了用户接收端 的复杂度 相较之下 上行预编码则不是必须的 因此在上行预编码方面的研究也相对较 少 但其在未来对等 p e a rt op e a r 无线多用户网络中可能会得到考虑 因此本文将主要 集中在多用户上行链路的预编码方面 1 3本论文结构安排 第一章为绪论 简单介绍一下移动通信的发展与本文的研究背景 第二章介绍m i m o 系统的一些基本理论 包括m i m o 信道模型 m i m o 系统容量等 第三章是在准确信道状态信息 c s i 下基于m m s e 标准的多用户m i m o 系统上行信号 的预编码方案 根据相关文献进行改进 提出了一种在分用户功率以及分天线功率受限下 的预编码方案 第四章提出了一种在非准确信道状态信息 c s i 下的非迭代的预编码方案 第五章对全文进行总结并对下一步工作进行展望 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道与m i m o 基本理论 第二章无线信道与m i m o 基本理论 无线信道具有一些很复杂的特性 m i m o 的引入产生了多种可以克服无线信道影响的 手段 本章将首先分析无线信道的一些特性 然后给出m i m o 的一些相关基本理论 2 1无线通信信道特性 信道是发射端和接收端之间传播媒介的总称 它是任何一个通信系统不可缺少的组成 部分 按传输媒介的不同 物理信道分为有线信道和无线信道两大类 无线信道则是随机 的 且不易分析 在移动通信系统中 由基站发射机到移动台的无线连接称为前向连接或下行连接 而 由移动台到基站接收机的无线连接则称反向连接或者上行连接 典型地 前向连接和反向 连接被分成不同类型的信道 无线电信号无论是在前向连接 还是在反向连接的传播 都 会以多种方式受到物理信道的影响 由于无线信道的复杂性 一个通过无线信道传播的信号往往会沿着一些不同的路径到 达接收端 这一现象称为信号的多径传输 虽然电磁波传播的形式很复杂 但一般可归结 为反射 绕射和散射三种基本传播方式 2 1 1 移动无线电波传输 移动通信中的信道是一种时变信道 无线电信号通过这种时变信道时会受到各个方面 的衰减损失 接收信号功率可表示y g t 2 1 尸 d i d rs d r d 2 1 式 2 1 中用d 示距离向量 其绝对值表示移动用户与基站的距离 s d 表示阴影衰 落 尺 d 表示多径衰落 这里假定发射功率为1 由上式可以看出 无线信道对通信信号 的影响可归纳为以下三类 1 自由空间的路径损失 也称传输损失 i d r 该损耗是移动用户与基站之间距离 l d i 的函数 描述的是大尺寸区间内 数百或数千米 接收信号强度随l d l 变化的特性 l 是 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道与m i m o 基本理论 路径损耗指数 它表征随着传播距离的增加相应的路径损耗程度 它取决于射频频率 天 线高度与周围环境等因素 根据文献 3 接收端的信号强度与信号传输距离的次数成反比 即有 鲁 南 2q q 阿 像2 其中力为波长 n 和易分别为接收功率和发射功率 g r 和g f 为接收天线功率增益和发射 天线功率增益 e 为接收天线的电场强度 e 后是距发射机为d 处的自由空间的电场强度 且有 2 防嚣 匝d v m协3 2 阴影衰落s d 由于传输环境中的地形起伏 建筑物和其它障碍物对电波的阻挡 或遮蔽而引起的衰落 他用于描述中等尺寸区间 数百波长 内信号电平的慢变化特性 这时接收机所收到的信号主要是通过所谓衍射现象传播的 此时所接收信号的包络幅度可 以表示成具有对数概率密度函数的随机变量 其传输损耗可近似为 彳 v 6 0 2 9 1 l v 一1 2 7 1 2 1 2 4 2 4 1 2 9 5 3 2 0 l o g l 0 1 1 2 4 其札 筹 t a n a t a n f l 卅厮朋燧拗被川撇加憾缃睛一舴 输信号的波长 口 分别为发射机到遮挡物于接收机到遮挡物的仰角 3 多径衰落r d 无线信道的复杂性使得通信信号往往会沿不同的路径到达接收端 这一现象称为信号的多径传播 多径传播引起多径衰落 多径衰落描述的是接收信号 电平瞬时值在小尺寸区间内 数个到数十个波长 快速变化特性 多径衰落是移动信道特 性中最有特色的部分 由于路径损失和衰落的影响 使得接收信号电平远低于发射的信号电平 对于快速移 动的用户而言 平均的路径损耗变化非常慢 信号的变化主要表现在衰落 阴影衰落也称 长期衰落 主要来自建筑物和其他障碍物的阻塞效应 多径衰落又名短期衰落或瑞利衰落 是由移动用户附近的多径散射产生的 多径衰落导致信号在不同维 时间 频率 空间 的扩展 它们对通信质量产生明显的影响 下图画出了衰落信号 4 1 的路径损失 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线信道与m i m o 基本理论 电 坍 1 霉 口妒 担 距离 对数 图2 1 衰落信号的路径损失 传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆盖 通过合理的设计可消除这种不利影 响 而多径衰落严重影响信号传输质量 并且是不可避免的 只能采用抗衰落技术来减少 其影响 由上可知 衰落决定了移动通信无线信道的特征 无线传播信道中的许多物理因素都 会影响衰落 主要有 1 多径传播 信道中反射和散射物体的存在会产生一个不断变化的环境 使得信号能量在幅值 相 位和时间延迟方面产生弥散 这些效应会使得发射信号经过不同路径到达接收天线时的形 式各异 显示出不同的时间和空间方位 不同的多径分量的随机幅值和相位引起信号强度 的扰动 从而产生小尺度衰落 信号畸变或二者兼有 多径传播通常会使信号到达接收端 所需要的时间加长 它可能引起码间干扰 从而导致信号污损 2 移动台的移动速度 基站与移动台之间的相对运动会使每个多径分量产生不同的多普勒频移 从而引起接 收信号的随机频率调制 多普勒频移有可能为正 也可能为负 取决于移动接收机与基站 之间的传播路径是缩短还是加长 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线信道与m i m o 基本理论 3 周围物体的移动速度 如果信道中的物体处于运动中 它们就会对多径分量产生随时间变化的多普勒频移 若周围物体以明显快于移动台的速度运动 这种效应就会压倒小尺度衰落 否则 周围物 体的运动就可以忽略 只需要考虑移动台的速度 4 信号的发射带宽 如果发射的无线电信号带宽大于多径信道的 带宽 即信号的自相关时间小于多径 信号的延时差 则接收信号会发生畸变 而小尺度衰落则不明显 信道的带宽可以用刻画 信道特殊的多径结构的相干带宽进行量化 相干带宽是信号在幅值上仍然保持强相关时的 最大频率差的测度 若发射信号相对于信道有一个窄的带宽 则信号的幅值将快速变化 但信号在时间上将没有畸变 因此小尺度信号强度的统计特征和小尺度距离范围内信号畸 变的可能性在很大程度上与多径信道的幅值特性 时延以及发射信号的带宽有关 因为多 径传播导致信号在不同维 时间 频率 空间 的扩展 它们对通信信号有明显的影响 因此是重点关注的对象 重要的多径衰落效应有 1 信号强度在一段很小的传播距离或时间间隔内快速变化 2 不同路径信号的多普勒频移的变化引起的随机频率调制 3 多径传播时延引起的扩展 2 1 2 反射 绕射和散射 反射 绕射与散射是无线通信系统中的三种最基本的传播方式 1 当传播的电磁波入射到一个其尺寸比波长大的多的物体时 电磁波会发生反射 反射主要来自地表面 建筑物和墙壁 2 若发射端和接收端之间的无线电波被一个具有明显不规则 边缘 地表面阻塞 则会发生绕射 有阻塞表面引起的二次波存在与整个空间 甚至障碍物后面也有存在 使 得电磁波能够绕过障碍物传播 3 当电磁波在传播中遇到一些尺寸小于波长的目标物或者每单位体积的障碍物数目 很多时 电磁波便会产生散射 散射的波形由粗糙表面 小目标物或信道中的其他不规则 物产生 在实际中 树叶 街道路标和路灯杆等都会引起散射 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道与m i m o 基本理论 2 2多径衰落信道的特征 如果在时变多径信道上传输极短的脉冲 理想情况下为一个冲激 接收信号将表现为 一串脉冲 如图2 2 所示 因此 多径媒质的一个特征是在该信道上传输的信号引入了时 间扩展 多径媒质的第二个特征是由媒质的结构的时变引起的 时变导致多径特性随时间而 变 也可以说 如果一次以一次地重复脉冲探测试验 将会看到接收脉冲串的变化 包括 各个脉冲大小和脉冲间相对延时的变化 还包括脉冲数量的变化 如图2 2 所示 由于时 间变化对于信道上的用户而言是不可预测的 因此 统计表征时变多径信道是合理的 发送信号接收信号 厂 a t t o 广 广 广 f2 f i t t 1 t 1 1t 2 t t o 口 f2 乞t 乞 吒lf 乞 吃t 乞 吃3 nnn t t o t 岛t t 3 吃l 为此 考察信道对发送信号的影响 发送信号一般可表示为 s f r e e 伽肛 2 5 假设存在多条传播路径 且与每条路径有关的是传播延时的衰减因子 传播延时和衰 减因子两者都因媒质的变化而随时间变化 于是 接收的带通信号为 工 f f s f 一 f 2 6 式中口 f 是第以条传播路径上的接收信号衰减因子 0 f 为第 l 条传播路径的传播 9 n 几 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线信道与m i m o 基本理论 延时 将式 2 5 代入式 2 5 得 x r e 莓 o e j 2 f c f n t s l o 一 2 唾 2 7 从式 2 7 可以明显看出 等效低通接收信号为 乃 f f p 一 2 石正h 墨 卜乙 f 2 8 因为巧 f 是等效低通信道对等效低通信号习 f 的响应 因此 将低通信道可用如下时 变脉冲响应描述 c f f f p 一 2 砸白 万 f 一毛 f 2 9 对于某些信道 例如对流层散射信道 把接收信号看做由多径分量组成的更合适 在 这种情况下 接收信号表示为积分形式 工 f i a r t s t r d r 2 1 0 式中a r t 表示在延时f 和在t 时刻信号分量的衰减 把式式 2 5 的s 力代入式 2 1 0 得 x r e 口c f f e j 2 1 r f c r s l 一f d f e 口万肛 2 1 1 因为式 2 1 1 的积分表示习 f 与行将低通时变冲激响应a r t 的卷积 故有 c r t a r t e 一 2 石肛 2 1 2 式中c f f 表示t f 时刻施加的冲激在t 时刻的信道响应 于是 式 2 1 2 是等效低 通冲激响应的合适定义 该定义适用于连续多多径信道的结果 而式 2 9 适用于含有离 散多径分量的信道 下面研究在频率五处的未调载波的传输问题 对于所有的t 0 f 1 由式 2 l o 给 出的离散多径情况下的接收信号简化为 乃 f f e 一 2 石工们 f e 一夕 2 1 3 式中或 f 2 万z l f 因此 接收信号由若干具有幅度 f 和相位包 f 的时变向量 相位复向量 之和组成 注意 媒质大的动态变化将使口 f 变化足够大 多面引起接收 信号大的变化 另一方面 每当乙变化1 z 时 幺 t 划62 n 弧度 但1 z 很小 因此幺 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道与m i m o 基本理论 发生比较小的媒质运动时幺 f 变化2 石弧度 与不同信号路径相关联的延时乙 f 以不同的 速率 而且以不可预测的 随机 方式变化 这意味着 式 2 1 3 中的接收信号乃 f 可以 看作随机过程 当存在大量路径时 可应用中心极限定理 也就是说 r t t 可以建模为 复高斯随机过程 这表明时变冲激响应c 7 f 是一个以t 为变量的复高斯随机过程 当信道中不存在一个较强的直达径时 冲激响应c r t 建模为零均值复高斯过程时 任何时刻t 的包络i c f f i 是瑞利 r a y l e i 曲 分布的 在这种情况下 该信道称为瑞利衰落信 道 当存在视距传播时 c r f 不再建模为具有零均值的 包络i c r f i 具有莱斯 融c e 分布 该信道称为莱斯衰落信道 假设c r t 是广义平稳的 则c r t 的自相关函数 允 乞 f 去e c f c 乞 f f 2 1 4 在大多数无线传输媒质中 同路径延时1 相关联的信道衰减和相移与路径延时 2 相关 联的信道问卷和相移是不相关的 这通常叫做非相关散射 假设两个不同延时的散射是不 相关的 把它并入式 2 1 4 得 寺e c 一 f c z 1 2 f f 吃 1 f j 1 一乇 2 1 5 如果令缸 0 那么产生的自相关函数统 r 0 统 r 就是信号平均功率输出 它是延 时f 的函数 由于这个原因 通常把豌 f 叫做信道的多径强度分布或延时功率谱 九 f 基 本为非零值的f 的范围称为信道的多径扩展 记做l 通过取c f f 的傅立叶变换得到时变转移函数c f 其中 是频率变量 c 厅 c 掣户讲加d f 2 1 6 如果c f f 是零均值的复高斯过程 那么c 厂 f 也具有相同的统计特性 在假设信道 为广义平稳的条件下 定义自相关函数 丸 z 正 告e c 石 f c 五 f f 2 1 7 因为c 厂 f 是c f f 的傅立叶变换 所以通过傅立叶变换找出龙 石 a a t 龙 r a t 的关系的 将式 2 1 6 代入式 2 1 7 进行化简有 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二蕈无线信道与m i m o 基本理论 龙 z 五 垃 2 j 1e c 石 f c z f 2 1 8 唬 垃户印码一d 三九 缈 f 式中矽 正一彳 由式 2 1 8 可以看出 龙 矽 f 是多径强度分布的傅立叶变换 非相关散射的假设意味着c f t 的频域自相关函数仅仅是频率差v 五一z 的函数 因 此 把龙 v 垃 叫做信道的频率间隔 时间间隔相关函数是恰当的 在实际中 通过发 送一对间隔为鲈的正弦波 并使两个相对延时出的接收信号互相关 即可测量该函数 令 f 0 利用丸 鲈 o 龙 和唬 v 0 唬 f 式 2 1 8 变为 龙 矽 唬 1 户印妒d r 2 1 9 如下图2 3 所示 唬 z矿 1 统l 望绣 f z iz 变换对 织 丁 o z 一 图2 3 丸 可 与纯 r 之间的关系 作为龙 v 与纯 f 之间傅立叶变换关系的一个结果 多径扩展的倒数是信道相干带 宽的度量 即 矽 f 1 式中 鲈 表示相干带宽 因此 频率间隔大于 v 的n i g 上肘 弦波受到的信道的影响不同 当携带信道的信号通过信道传输时 如果 v 比发送信号 带宽小 那么该信道称为频率选择性信道 在这种情况下 信道使信号严重失真 另一方 面 如果 矽 比发送信号带宽大 那么 a t 该信道称为频率非选择性 平坦 信道 2 3m i m o 信道模型 m i m o 系统一般分为单用户m i m o 通信系统 点对点 和多用户m i m o 通信系统 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线信道与m i m o 基本理论 根据链路上下行又将多用户m i m o 通信系统分成多址接入系统 多点对点 和广播系统 点 对多点 2 3 1 单用户m i m o 通信系统 图2 4 是一个有m 根发射天线和n 根接收天线的点对点m i m o 系统框图 发射机的 发射信号为s j 2 1 发射信号s 由m 根发射天线发射出去 经过无线信道并 由n 根接收天线接收 并对接收信号进行处理以恢复其原始信号 h 为发射天线和接收天 线之间的信道矩阵 是h 的第i 行 列元素 表示第 根发射天线到第i 根接收天线之间 的信道衰落系数 这里假设忽 是均值为0 方差为l 的复高斯随机变量 每根接收天线上 都受到噪声的影响 假设噪声矢量n z l i t 2 p h m r 确 孢2 行m 为独立同分布的复高斯 随机变量 噪声协方差矩阵为 r e n n 吒2 i m 2 2 0 发射信号的协方差矩阵为 则总的发射功率弓可表示为 接收机接收到得信号为 1 2 m 图2 4 单用户m i m o 通信系统 r e s s h 弓 t r r r h s n 1 3 2 2 1 2 2 2 2 2 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线信道与m i m o 基本理论 2 3 2 多用户m i m o 通信系统 多用户m i m o 系统分为点对多点的广播通信系统 6 1 和多点对点的多址接入系统 刀 m s l 2 o n 图2 5 广播通信系统 图2 5 为点对多点的m i m o 广播通信系统 发射端有m 根天线 接收端为地理分散的k 个用户 第k 个用户的接收天线数为n k h 七为第发射端和第k 个用户之间的信道矩阵 若发射端发射给第k 个用户的信号为s 七 则第k b 用p 的接收信号为 xk k h i s f n 七 h 七s j h 七 s f n 七 l li i f 庀 2 2 4 从上式我们可以看到 接收到的信号分为三部分 第一部分h 血s 是所需要的有用的信号 第二部分h j s f 是发送给其它用户的信号所造成的干扰 第三部分n j 是传播过程中的 i l i k 加性白噪声 是一个m 维的列向量 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道与m i m o 基本理论 h t l 2 r x h 2 上 一 l h l 图2 6 多址接入系统 图2 6 为多点对点的m i m o 多址接入通信系统 有k 个移动台 第k 个移动台配有m 根发射天线 h 七为第k 个发射台到接收端之间的信道矩阵 接收端配有n 根接收天线 第k 个发射台发射的信号为s 七 则接收端接收到的信号为 k r h f s f n 一 i 1 2 2 5 由上式可以看出 接收到