（通信与信息系统专业论文）基于联合传输的低复杂度mimo检测算法研究与性能分析.pdf

重夹邮电大学硕士论文 摘要 摘要 在传统的传输方案中通常采用面向发送的技术，即优先确定发送端算法， 然后确定适合的接收端算法。与面向发送的技术相对的是面向接收的技术，这 里，接收端算法被优先确定，发送端算法根据信道信息和接收端算法随后确定。 由p w b a i e r 等人提出了一种新的适用于t d s c d m a 下行链路的技术联合 传输技术( j t ) ，当它与m i m o 技术结合时，不仅能带来系统容量和性能上的 提高，还能大大地降低接收端的计算量和复杂度。 本文主要研究基于联合传输技术的低复杂度m i m o 检测算法，以及信道估 计和天线相关性对性能的影响。首先给出了多用户m i m o 下行链路模型，并在 此基础上导出了数据检测算法和调制算法，然后就t d s c d m a 系统应用环境 进行了仿真和分析，结果说明了多用户m i m o 联合传输方案的优越性和良好的 应用前景。由于非理想信道估计和多天线单元间的相关性对m i m o 检测算法有 较大影响，因此，在最后部分针对导出的数据检测和调制算法，从理论上分析* 了信道估计和天线相关性对系统性能产生的影响，并通过仿真对理论分析结果 迸一步的验证说明。 关键词：t d s c d m a ，多用户m i m o ，联合传输，信道估计，天线相关性 重庆邮电大学硕士论文 摘耍 a b s t r a c t c o n v e n t i o n a lt r a n s m i s s i o ns c h e m e sa l et r a n s m i t t e r ( t x ) o r i e n t e d ，i nw h i c ht h e t r a n s m i t t e ra l g o r i t h m sa l eap r i o rg i v e na n dt h ea l g o r i t h m st ob e u s e db yt h e r e c e i v e r sh a v et ob eap o s t e r i o r ia d a p t e d 1 1 1 eo p p o s i t et ot xo r i e n t a t i o nw o d db e r e c e i v e r ( r x ) o r i e n t a t i o n ，i nw h i c ht h er e c e i v e ra l g o r i t h m sa l eap r i o r ig i v e n , a n dt h e t r a n s m i t t e ra l g o r i t h m sh a v et ob eap o s t e f i o f ia d a p t e du n d e rc o n s i d e r a t i o no f c h a n n e l k n o w l e d g e r e c e n t l y , e w b a i e ra n do t h e rr e s e a r c h e r sp r o p o s e dan o v e lm u l t i u s e r t r a n s m i s s i o ns c h e m e w h i c hi sa na l t e r n a t i v er a t i o n a l ef o r t h ed o w n l i n ko f t d s c d m at e r m e dj o i n tt r a n s m i s s i o n ( j t ) t h i sp a p e rr e s e a r c h e sl o wc o m p l e x i t y d e t e c t i o ns c h e m eb a s e do nj ti nm u l t i - u s e rm i m od o w n l i n k ( d e n o t e da sj tm i m o s c h e m ei nt h i sp a p e r ) w ec a l lc o n c l u d et h a tt h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n dc a p a c i t y c a nb es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e db y 丌m i m os c h e m e a n dj tm i m oc a ng r e a t l y r e d u c er e c e i v e r sc a l c u l a t i v ec o s tf o rm u l t i u s e rm i m 0d o w n l i n k t l l i sp a p e rf o c u s e s0 nl o wc o m p l e x i t yd e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nj o i n t t r a n s m i s s i o ns c h e m ei nm i m od o w n l i n k s u b s e q u e n t l y ，t h ei n f l u e n c e so fc h a n n e l e s t i m a t i o na n da n t e n n ac o r r e l a t i o no nj tm i m op e r f o r m a n c ea l ed i s c u s s e d f i r s t l y , 一 am o d e lo fm u l t i - u s e rm i m od o w n l i n ki s i n t r o d u c e d c o n s e q u e n t l y , ad a t a t r a n s m i s s i o na l g o r i t h mi s g o t t h e nt h r o u g hs i m u l a t i o na n da n a l y s i s i nt h e t d s c d m as y s t e m , m u l t i - u s e rj tm i m od e m o n s t r a t e si t s s u p e r i o r i t ya n d a p p l i c a t i o np r o s p e r i t y a tl a s t ，t h ei n f l u e n c e so fc h a n n e le s t i m a t i o na n da n t e n n a c o r r e l a t i o no n i tm i m op e r f o r m a n c ea l ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l ya n dv e r i f i e df u r t h e r b yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：t d - s c d m a , m u l t i - u s e rm i m o ，j o i n tt r a n s m i s s i o n ( j d ，c h a n n e l e s t i m a t i o n , a n t e n n ac o r r e l a t i o n i i 独创性声明 搴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一 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亏外，论文中不包 含其也人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重塞墼皂太兰或 其也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 啦的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：；马媛 签字日期： b 。6 年s 月f ，同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重压鲤电塞堂有关保留、使用学虚论文的 j 迥定，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 吨查间和借阅。本人授权重塞塑曳盘兰可以将学盥论文的全部或部分内 夸# 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 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：冯援 导师签名： 琏字开期： 如。6 年f 月i ，臼 签字日期 tf#；，； t#矗 币睫岷电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 第三代移动通信系统 近2 0 年来，随着通信技术的飞速发展，第二代移动通信系统以其令人瞩目 的优越性逐渐取代模拟系统，在世界范围内得到普及和应用，并已进入向第三 代移动通信系统过渡的阶段。 早在1 9 8 5 年，国际电联( i t u ) 就提出了第三代移动通信的概念，当时称 为未来陆地移动通信系统( f p l m t s ) 。f p l m t s 的研究工作在1 9 9 6 年后取得 了迅速的进展，并被正式命名为国际移动通信2 0 0 0 ( i m t - 2 0 0 0 ) i l l 。 在第三代移动通信系统所要实现的目标( 亦即系统的特点) 中，最核心的 问题是要高效地提供不同环境下的多媒体业务并实现对全球无缝覆盖的立体通 信。第三代移动通信十分重视个人在通信系统中的主导地位，所以又称为未来 个人通信系统。 为了满足未来业务的需求，相对于现有的移动通信系统，3 g 系统应具有下 列特点 2 1 ： 系统的国际性，提供全球无缝覆盖和漫游，世界范围设计的高度一致性； 业务的多样性，提供话音、数据和多媒体业务，车载通信速率为1 4 4 k b p s ， 步行通信速率为3 8 4 k b p s ，室内通信速率为2 m b p s ： 高质量业务，满足通信质量能达到与固定网相比拟的高质量业务要求； 高度的灵活性，按需分配带宽，支持大范围、可变速率的信息传送： 频谱利用率高、通信容量大； 袖珍、多频、多模、通用移动终端； 满足通信个人化的要求； 系统初始配置能充分利用第二代系统设备和设施，随后实现平滑升级； 低的费用，包括设备和服务两方面。 2 0 0 0 年5 月，i t u 正式批准5 种第三代移动通信系统( i m t - 2 0 0 0 ) 无线接 口技术规范( r s p c ) 建议【l 】： 三种c d m a 标准：m c c d m a ( c d m a 2 0 0 0 ) 、d s c d m a ( w - c d m a ) 和 c d m a t d d ( 包括t d s c d m 摹和u t r a t d d ) ： 两种t d m a 标准：s c t d m a ( 美国的u m c 1 3 6 ) 和f t - t d m a ( 欧洲的 e p d e c t ) 。 第三代移动通信系统要求最大程度的利用频带，在提供大容量传统业务的 _ 。 重庆船电大学硕士论文第一章绪论 同时，支持高质量和多速率的多媒体业务，能运行在多种通信环境和多种通信 网络中，因此它的实现需要各种强有力的技术支持。 1 2t d s c d m a 通信系统概述 t d s c d m a 系统是t d m a 和c d m a 两种基本传输模式的灵活结合，是由 我国无线通信标准化组织( c w t s ) 提出并得到u 通过的3 g 无线通信标准1 1 1 。 它是世界上第一个采用时分双工( n ) d ) 方式和智能天线技术的公众陆地移动 通信系统，也是唯一采用同步c d m a 技术和低码片速率( l c r ) 的第三代移动 通信系统。 t d s c d m a 系统的每个射频信道带宽为1 6 m h z ，系统速率为 1 2 8 m c h i p s 。每个t d d 无线帧长1 0 m s ，t d s c d m a 将每个无线帧分为两个 5 m s 的子帧。如图1 1 所示，每个子帧由7 个常规时隙和3 个特殊时隙：下行 导频时隙( d w p t s ) ，上行导频时隙( u p p t s ) 和保护间隔( g p ) 构成【引。 1 2 8 m c h i p s d w p t s ( 9 6 c h i p s ) 1 j 、i j ， 一 t 转换点 t s o i t s l tt s 2 t t s 3 t t s 4 | rt s 5 lt s 6 1 l 幽1 1t d - s c d m a 子帧结构 t d s c d m a 是t d d 模式的，且同时使用了f d m a ，r d m a c d m a 技术、 q p s k 射频调制技术、正交可变扩频，用软件和帧结构设计来实现严格的上行 周步，联合使用智能天线和联合检测技术，因此，在达到高数据率的同时，还 达到了较高的频谱利用率和较大的系统容量。其发送和接收在同一频率信道( 即 载波) 的不同时隙，用时间来分离接l ：0 句发送信道。该模式在不对称业务中具 有不可比拟的灵活性，时域上下行切换点可灵活变动，所以对于对称业务( 语 音和多媒体等) 和不对称业务( 包交换和因特嘲等) ，都可充分利用无线频谱。 t d s c d m a 还同时采用了联合检测、软件无线电、接力切换等一系列高新 技术【4 1 。接下来，仅介绍与论文有关的联合检测技术。 t d s c d m a 系统是干扰受限系统。系统干扰包括多径干扰、小区内多用户 干扰和小区间的干扰。这些干扰破坏了各个信道的正交性，降低了c d m a 系统 的频谱利用率。传统的r a k e 接收机技术把小区内的多用户干扰当作噪声处理， 而没有利用该干扰不同于噪声干扰的独有特性。t d s c d m a 系统采用的联合检 2 亟夹邮电大学硕七论文 第一章绪论 ；则是一种有效的抗干扰措施，把所有用户的信号都当作有用信号处理，充分利 用多址干扰的各种可知信息对目标用户的信号进行联合检测，从而有较好的抗 多址干扰能力，可以更加有效的利用链路频谱资源，显著提高系统容量，而且 由于联合检测技术具有抗远近效应的能力，可以降低系统对功率控制的要求【”。 从信息论角度来看，c d m a 移动通信系统是多用户系统，采用传统的单用 户检测方式，如匹配滤波器，不能充分利用用户间的信息，而将多址干扰认为 是高斯白噪声，因此大大降低了系统容量。1 9 8 6 年，v e r d u 提出了多用户检测 思想【6 】，认为多址干扰是具有一定结构的有效信息，理论上证明采用最大似然 序列检测( m l s d ) 可以逼近单用户接收性能，并有效地克服了远近效应，大 大地提高了系统容量，从而开始了对多用户检测的广泛研究。 ( 4 a ”) 一a ” 图1 2 联合检测原理图 图1 2 给出了联合检测技术的原理框图【硼。它是一种面向发送的技术，也 就是说，优先确定发送端的算法，然后确定出与发送端算法和信道信息相匹配 嚎。 的接收端算法。这种技术的缺点是，在确定接收端算法时需要知道信道信息， 因此必须在接收端做信道估计和复杂的检测算法，这使得接收端实现起来十分 困难，由原理图我们也可以清楚的看出。对于基站，接收机可以实现这些复杂 的处理，但是对于移动终端，由于受到处理能力等因素的限制，严重的阻碍了 联合检测技术的实施和性能。 1 3 联合传输技术的提出 与联合检测技术相对，e w b a i e r 等人在文【9 1 提出了一种新的适用于 t d s c d m a 系统下行链路的多用户传输技术，联合传输技术( 仃) 。它是一种 面向接收的技术，在这种技术中，接收端算法是优先确定的，并且为发送端已 知，发送端在考虑了信道信息和接收端算法的情况下，随后确定出与之匹配的 发送端算法 9 - | 3 1 0 它可以充分的利用t d d 上下行信道冲激相应近似相等的特性， 下行不需要利用训练序列估计信道，可以将训练序列的部分传送有用数据，因 此提高了t d - s c d m a 下行链路的有用数据速率，提高了系统容量1 2 1 。联合传输 技术最重要的优点是：优先确定接收端算法，能够实现非常简单的接收机结构。 3 驴庆t 船电大学硕十论文第一章绪论 因此，在t d s c d m a 系统下行链路中，它很自然地将成为最佳选择。 图1 3 说明了基于传输迫零( t x z f ) 准则的联合传输技术的基本原理【9 13 1 。 _ 、，_ 一 口h ( 口矗h ) 一1 1 4 选题意义 图1 3 基于t x z f 准则的联合传输技术基本原理图 随着计算机技术、网络通信技术的飞速发展，宽带高速数据通信服务的需 要正在不断增长。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。根捉信息论结果，在无线信道中使用多入多出( m i m o ) 系 统能在不增加带宽的情况下显著地提高通信系统的容量和频谱利用率。由于 m i m o 系统的巨大容量潜力，成为解决无线高速数据传输的重要技术。m i m o 系统在发射端和接收端均采用多天线，检测复杂度较高，这种检测的复杂度， 在基站端可以忍受，但是移动台由于受到处理能力和价格等因素的限制，严重 影响m i m o 的应用，所以研究m i m o 下行链路的低复杂度检测算法具有十分 重要的理论价值和应用价值。至今设计m i m o 下行的低复杂度接收机仍然是一 个挑战，因此，研究m i m o 的低复杂度译码和检测算法成为当务之急。 联合传输技术( j t ) ，能够利用t d d 模式上下行链路无线信道冲激响应近 似相同的特点，只在上行链路的基站对信道进行估计，下行链路一方面利用估 计得到的信道冲激响应值，另一方面把复杂的检测算法由移动台移到基站实现， 移动台仅需一个简单的线性滤波器就可以得到该用户的有用数据。因此利用联 合传输方法来降低m i m o 下行检测算法的复杂度成为一种新的研究思路，它把 复杂的m i m o 译码和检测算法从移动台移到基站实现，移动台仅需简单的接收 处理。这种方案，在本文中被简称为i tm i m o 技术。 本文主要讨论下面三个问题： ( 1 ) 如何实现基于联合传输方法的下行低复杂度m i m o 检测算法； ( 2 ) t d - s c d m a3 g 系统采用t d d 模式，便于应用基于联合传输方法的 低复杂度m 1 m o 检测算法，同时该系统的容量和性能还有待进一步改进，因此， 将基于联合传输方法的低复杂度m i m o 检测算法应用于t d s c d m a 系统，对 提高系统容量、改善移动终端的性能和复杂性有没有影响； 4 蕾呋1 i i 隹电大学硕士论文第一章绪论 ( 3 ) 非理想信道估计和多天线单元间的相关性对m i m o 检测算法有较大 影响，因此，需要研究非理想的信道信息和多天线单元间的相关性对j tm i m o 方案的性能影响。 1 5 论文结构 本文主要研究了基于联合传输方法的低复杂度m i m o 检测算法，信道估计 和天线相关性对性能的影响，以及在t d s c d m a 系统中的应用，全文共分五 章，各章的内容安排如下： 第一章首先介绍了t d s c d m a 系统，联合传输技术产生的原因以及基于 联合传输方法的低复杂度m i m o 检测算法的研究意义。 第二章一方面介绍了论文分析和仿真中必要的基础知识，主要包括无线信 道、信道建模、信道估计以及m i m o 技术。 第三章首先给出了多用户m i m o 下行链路模型，在此基础上详细推导了降 低多用户m i m o 下行检测复杂性的联合传输技术的矢量模型，讨论了调制矩阵 和解调矩阵的选择。然后就j tm i m o 技术在t d s c d m a 系统环境中的应用进 行了仿真，给出了性能仿真结果，并对结果进行了分析，结果说明了多用户 m i m o 联合传输方案的优越性和良好的应用前景。 第四章针对导出的数据检测和调制算法，首先分析了信道估计对降低多用 户m i m o 下行检测复杂性的联合传输技术性能的影响，然后分析了天线相关性 对系统性能的影响，并给出了仿真结果及分析。 第五章概括性地总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 5 重呋邮电大学硕七论文第二二章无线信道及m i m o 系统 2 1 无线信道 第二章无线信道及m i m o 系统 移动信道是一种时变信道。无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径 的衰减损害。这些损害可以归纳为三类【l ”。接收信号的功率可用公式表示为 j p ( d ) = i d r ”s ( d ) r ( d ) ( 2 1 ) 式中，l d f 表示移动台与基站的距离。当移动台运动时，距离是时间的函数，所 以接收信号功率也是时间的函数。 根据上式，无线信道对传输信号的影响可以分为三种： ( 1 ) 自由空间传播损耗，用l d r 表示，其中n 一般为3 - 4 ，它表明的是在以公 里计的较大范围内接收信号的变化特性。 ( 2 ) 阴影衰落，又称漫衰落，用s ( d ) 表示，这是由于传播环境的地形起伏、 建筑物和其它障碍物对电波的阻塞或遮蔽而引起的衰落。它反映在数百波长的区 b j 内，信号的短区间中值出现缓慢变动，其衰落特性符合对数正态分布。 ( 3 ) 多径衰落，又称快衰落，用r ( a ) 表示，它是由于无线电波在空l 日j 传播会 存在反射、绕射、衍射等，因此造成信号可以经过多条路径到达接收端，而每个 信号分量的时延、衰落和相位都不相同，因此在接收端对多个信号分量叠加时， 会造成同相增加，异相减小的现象。在数十波长的范围内，接收信号场强的瞬时 值呈现快速变化的特征，其衰落特性一般符合瑞利分布。 由于路径损耗和衰落的影响，接收信号要比发射的信号弱的多，对快速移动 的用户而言，平均路径损耗变化很慢，信号的变化主要表现为衰落。阴影衰落常 称为慢衰落，也称为长期衰落，主要来自建筑物和其他障碍物的阻塞效应。多径 衰落常称快衰落，又称短期衰落或r a y l e i g i l 衰落，由移动用户附近的多径散射产 生。图2 1 给出了某一衰落信号的路径损耗、慢衰落和快衰落的示意图。 酋 它 v 褥 雷 心 地 距离( 对数) 图2 1 信号在无线信道中的传播特性 6 瑟荔i l 藿庆婚电大学硕士论文第二章无线信道硬m i m o 系统 从移动通信系统工程的角度看，传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区的覆 盖，而多径衰落则严重影响信号传输质量，必须采用抗衰落技术来减少其影响。 下面对多径衰落信道进行进一步讨论。 2 。2 多径衰落信道的物理特性 移动信道是一种多径衰落信道，发射的信号要经过多条传播路径才能到达接 收端，而且随着移动台的移动，各条传播路径上的信号幅度、时延及相位随时随 地发生变化，所以接收到的信号的电平是起伏不定的，这些多径信号相互迭加就 形成了衰落。多径传播对于数字信号传输有特殊的影响，包括角度扩展、时延扩 展和频率扩展i l ”。 一、角度扩展一空间选择性衰落 角度扩展包括接收端的角度扩展和发射端的角度扩展。接收端的角度扩展是 指多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽。同样，发射端的角度扩展指的是由 多径的反射和散射引起的发射角展宽。由于角度扩展，接收信号产生空间选择性 衰落，也就是说，接收信号幅值与天线的空问位置有关。 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响应 保持强相关的最大空间距离。相干距离越短，角度扩展越大；反之，相干距离越 长，则角度扩展越小。 图2 2 角度扩展造成空间选择性衰落 二、时延扩展一频率选择性衰落 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。当发射端发送一个极窄的脉 冲信号8 ( t ) 时，由于不同路径的传播距离不一样，信号沿各个路径到移动台的时 间也就不同，接收信号，( f ) 由不同时延的脉冲组成，可表示为 7 一娑坠 l 姗 度j j i i 山强j儿一 重庆h b 电大学硕士论文第二章无线馒道及m i m o 系统 一 口：一! 一 m 积 图2 4 时延扩展导致频率选择性衰落 多径衰落信道对信号中不同的频率分量所造成的衰落是不同的。根据衰落与 频率的关系，可将衰落分为两种：频率选择性衰落和非频率选择性衰落。对于移 动信道来说，当信号带宽小于相干带宽时，发生非频率选择性衰落，即传输后， 信号中各频率分量所遭受的衰落是一致的，因而衰落信号的波形不失真。当信号 带宽大于相干带宽时，发生频率选择性衰落，即传输信道对信号中不同频率分量 有不同的随机响应，所以衰落信号波形将产生失真。 s 垂呋邮电大学硕十论文 第二章无线信道及m i m o 系统 一般来说，窄带信号通过移动信道会引起平坦衰落，而宽带扩频信号将引起 频率选择性衰落。 三、频率扩展一时间选择性衰落 移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应，所导 致的附加频移称为多普勒频移，表示为 ，一v c o s 口 d o 一了广 ( 2 4 ) 其中口是入射电波与移动台运动方向的夹角，v 是运动速度，旯是波长。 厶= 是厶的最大值，称为最大多普勒频移。 在多径环境中，衰落信号的频率随机变化称为随机调频。对于移动台来说， 由于周围物体的反射，其多径接收信号的入射角都不全相同。假设移动台天线为 全向天线，路径数较大，且不存在直达径，则可认为多径波均匀来自各个方向， 入射角口服从0 - 2 ，r 的均匀分布，口至l j a + d a 之间的到达电波功率为l 妇i ， 这里忍，是所有到达电波的平均功率，来自口与一口之间的电波有相同的多普勒频 移，使信号的频率变为 = c 七f m c o s 当入射角从口到口+ d a 变化时， 功率为 s ( s l a s l = 2 鲁i ( 2 5 ) 信号的频率从厂变化到托矿。其间的射频一静。 0 口 石 ( 2 6 ) 由以上两式可得到接收信号功率谱为 期= 笔 一( 铂2 卜五+ 厶净五一厶 眩， 上式即是经典功率谱【1 4 1 。 信号谱密度 频率时间 图2 5 频率偏移导致时间选择性衰落 9 曩_ 夫邮电大学硕士论文 第二章无线信道及m i m o 系统 由( 2 7 ) 式可见，虽然发射频率为正，但接收电波的功率谱s ( 力却展宽到 正一厶到五4 - 厶范围，即多普勒频移。时间选择性衰落信号的幅度变化符合 瑞利分布，通常被称为瑞利衰落。 将最大多普勒频移厶的倒数定义为相干时间，即 瓦= 去 。， 相干时间表征的是时变信道对信号的衰落节拍，而这种衰落是由于多普勒效 应引起的。在时间间隔疋之内，信道可以认为是不变的。 2 3 多径衰落信道模型建模 由于信道环境的复杂性，衰落信道的统计模型也有很多种，根据论文实现的 仿真环境，只重点介t a c l a r k e 模型【1 4 】。 c l a r k e 提出了一种用于描述平坦小尺度衰落的统计模型，即瑞利衰落信道。 在移动无线信道中，瑞利分布是常见的用于描述平坦衰落信号或独立多径分量接 收包络统计时变特性的一种分布类型。我们先讨论恒幅单频信号的发射情况。在 典型的陆地移动无线信道中，假设直射波被阻断，并且移动单元只能接收到反射， 波。根据中心极限定理，当反射波的数量比较大时，接收信号的两个正交分量是” 均值为零、方差为一2 的互不相关的高斯随机过程，则任意时刻接收信号的包络 服从瑞利概率分布，相位服从一”z 的均匀分布。 假设系统所要传输的是复信号 x ( ，) = ，( o + j q ( t ) ( 2o ) 将它调制到角频率为她的载波上去 一s i n ( q f ) 发送部分 l o 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线信道及m i m o 系统 s ( r ) = l ( t ) e o s q 卜q ( t ) s i n f 2 r 。? + 旭( 7 ) 】【c 0 5 c o c t + ，s i n t ( 2 1 0 ) = r e 2 + 鲁m ) + j q ( t ) e j “c ) z 其中，双f ) 的包络为 ，( f ) + ，q ( f ) 】，即x ( r ) 。 设移动台相对于基站的运动速度为v ，第 条入射电磁波与移动台运动方向 夹角为d 。，则其d o p p l e r 频移为 = 2 r c l f oc o s a = 2 叽c o s a 。= c o d c o s a 。 ( 2 1 1 ) c 式中c 为真空中光速，以为最大d o p p l e r 频率偏移。信号经过多径信道到达移 动台的接收信号为 r ( t ) = r a t ) 一r q ( t ) 其中 ( 2 1 2 ) r a t ) = g c o s ( q f + r + 九) ) ，( r ) ： 羔gc 。s ( f + 丸) 】c 。s q f - 【妻es 坂f + 晚) 】s i n q f ) ，( ，) ( 2 1 3 ) - 【t c ( t ) e o s c o 一t ，( t ) s i nc o j l ( t ) 同理可得 r q ( t ) = gs i n ( q h 鸭h 唬) ) q ( r ) ： 【ngc 。s ( 鸭r + 纯) 】s i n 婢f “ne s i n ( f + 蛾) 】c 。s q ， q ( ，) 2 1 4 = t s ( t ) c o s c o , t + t c ( t ) s i n c o , t q ( t ) 两式中q 为第行条路径的信道衰落因子，九为第甩条路径的固定相位偏移，t a t ) 和t ( r ) 分别为 t a t ) = ec o s ( ，+ 九) n = l ( f ) = es i n ( f + 死) n i l 将接收信号整理后，可得 r ( t ) = ( r ) 一r q ( t ) = 届百而万c o s 啄+ 砷) 】，( ，) 一届百而i s i n 【畔h 妒( f ) 】q ( f ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 噬夹邮电大学硕士论文第二章无线信道及m i m o 系统 其中 c o s 卜商，s i n 砷卜商 眩s ， g ( f ) + 掣( f )z ( ，) + 譬( f ) “。”7 经过以上分析可知，需要传输的复信号坝f ) ，即发送信号甄d 的包络 = i 【j ( ，) + 倒f ) 】的2 倍，经过多径衰落信道后，接收信号的包络变为 a t ( r ) + 只( f ) 】) + 烈，) 】a 假设两个正交分量t ( r ) 和t s ( t ) 是均值为零、方差为，的互不相关的高斯随 机过程。疋( ，) 和t a t ) 在多普勒衰落影响下的功率谱密度为 驰m ： ，o e 阿 ，组 眩：。， 【0 ， 其它 那么，信道仿真建模过程可由图2 5 描述： s ( f ) 2 4 信道估计 图2 5 仿真信道建立过程 信道估计是实现联合传输或联合检测的基础。在t d s c d m a 系统中，联合 1 2 薯废邮电人学硕七论文第二章无线信道曼m i m o 系鱼 传输技术可以根据t d d 模式信道互惠的特性，只需要在上行链路做信道估计，下 行链路可以利用上行估计出来的信道信息。信道估计通常可以分为：盲信道估计 和非盲信道估计。本文是以t d s c d m a 系统为背景的，所以在研究基于联合传 输方法的低复杂度m i m o 检测算法中，采用的信道估计方法是利用训练序列估计 信道f 1 ，即非盲信道估计。 训练序列，也称为m i a m b l e 码，因为它被放在突发的中间，也被称为中间码。 在t d s c d m a 系统中，对于同一个小区的同一个时隙，给定一个基本的中i 日j 码， 不同的用户采用这个相同的基本码经过不同的循环移位作为它的信道估计码。 假设第k 个用户的训练序列用矢量朋律表示，有： 胁忙= 【m p ，脚1 ，朋；“，朋r 系统参数p 的取值与同一时隙的系统设计可容纳用户数以及信道冲激响应 的最大样值数有关，若系统设计每时隙最大用户数为k ，且信道冲激响应的最 大样值数为，要实现所有的冲激响应样值的估计，易知户应满足： p k w ， 假设每一用户的训练序列长度为p ，相应的信道冲激响应样值长度为， 则易知，若令该训练序列经过信道后的响应长度为厶， t p + 矿一l 须将所有m p 的i j i i 练序列矢量补零扩展至厶并构筑矩阵4 。，使： 0i m j 趵0 研，所i t l ) m ，搠p m m m o ) m 聊2 0 朋? 0 0 00 0 0 00 0o 0i 0； 在a w g n 的假设下，用户发送的训练序列“砷经过相应的信道冲激响应矗 后，接收到的信号为 1 3 。；。妒妒妒；矽；妒 ”f o o；o；梯；碟； 对 4 母 卦 4 o o；o妒矽妒；妒；矽 o o；o卵矽彬；秽；矽 o o；：；o o o。妒矽；峭；硝妒。 ：；m；晰州：；： 脚 所 。妒矽；嵋；硝矽o o o 坤 “ ；：硝；彬；：；： 对 习 叩咛咛；咛；咛o o o o o -二坩三： = d a 重夹邮电大学硕士论文 第二章无线信道及m i m o 系统 x 盟= a 2 厅似+ 厅舄( 2 2 1 ) 其中，矗i 。k 。) 为零均值的高斯白噪声，其协方差矩阵为： r 。= 仃2 i ( 2 2 2 ) 此时的hc k ) 求取实际上转化为高斯白噪声下的估值问题，若采用最大似然估 计，则该估值为： 五。= 口2 “巧1 彳舄) 一爿挽”1 圯( 2 2 3 ) 根据该信道冲激响应的矢量估值，可以针对相应的信道模型进行多用户信 号的联合传输。 2 5m i m o 系统概述 m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 系统，最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年 提出，它利用多天线来抑制多径衰落。 根据s h a n n o n 的信息论【l6 j 结果，m i m o 信道的容量随着天线数量的增大而 线性增大【1 7 】。也就是说可以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道容量，在不增 加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。 这部分内容主要介绍m i m o 技术的基本概念，m i m o 系统的信道模型，从 理论上分析m i m o 技术能提高信道容量的实质。 通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于 m i m o 系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。m i m o 系统在发射端 和接收端均采用多天线( 或阵列天线) 和多通道，m i m o 的多入多出是针对多 径无线信道来说的。图2 6 所示为m i m 0 系统的原理图。 发 送 端 接 收 端 图2 6m i m o 系统信道模型 1 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线信道及m i m o 系统 传输信息流d 经过空时编码形成个信息子流t ，i = l ，。这个子 流由硒个天线发送出去，经空间信道后由 个接收天线接收。多天线接收机 利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。 特别是，这个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并 未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造 多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以 提高。 m i m o 将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高 的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对 消处理。 系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。 对于发射天线数为岛，接收天线数为k u 的多入多i 兜( m i m o ) 系统，假定信道为 独立的瑞利衰落信道，并设k s 、砌很大，则信道容量c 近似为： c = m i n ( k u , k b ) b l 0 9 2 ( r z ) ( 2 2 4 ) 其中b 为信号带宽，y 为接收端平均信噪比，m i n ( k u , k b ) 为k m , k b 的较小者。 上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天 线数的增加而线性增加。因此，多入多出对于提高无线透信系统的容量具有极 大的潜力。 可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可 以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的 情况下，频谱利用率可以成倍地提高。利用m i m o 技术可以提高信道的容量， 同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。 目前，m i m o 已经被列为第四代移动通信的关键技术 2 1 。 1 5 重灰邯电大学硕十论文第二章降低m i m of 行检测复杂性钧联合传输技术 第三章降低m i m o 下行检测复杂性的联合传输技术 3 1 引言 t d s c d m a 系统是我国提出的具有自主知识产权的国际第三代移动通信 标准【l - 3 】，为了提高下行链路质量，t d s c d m a 系统一般在基站应用智能天线 和移动台需要应用联合检测技术相结合方案，由于移动台受到处理能力和价格 等限制，该方案的复杂性太高。 文献【1 8 1 9 1 研究了降低t d s c d m a 下行链路检测复杂性的联合传输( j t ) 技术，该方法具有在移动台不需要复杂的信道估计和联合检测算法，而没有牺 牲接收性能的优点。文献【9 。3 】 1 8 - 2 0 研究了j t 技术在单入单出的下行链路中的情 况，本章将该方法推广应用到多用户m i m o 下行链路情况，这种方案不仅可以 实现m i m o 系统容量和性能上的优势， 测的复杂性。由于用户也采用多天线， 而且通过j t 技术降低了m i m o 系统检 带来一定的接收分集增益。因此，多用 户m i m o 下行联合传输( 简称j t m i m o ) 技术比传统的j 1 r 技术性能得到了较 大的提高。 本章首先给出了多用户m i m o 下行链路模型，并在此基础上导出了数据检 ：j 一 测算法，每个移动台只需一个线性滤波器来完成数据检测，大大地降低了接收 机的计算量。最后就t d s c d m a 系统的应用环境，对多用户j tm i m 0 方案进 行了的性能仿真及分析。 本文中，t 表示矩阵转置，h 表示共轭转置。由于篇幅，关于联合传输技 术和采用的其它符号可以参考文献f l s - 2 0 j 。 3 2 多用户m i m o 下行链路联合传输模型 h r k , k s , k g f， 图3 1 多用户m i m o 下行链路联合传输模型 1 6 ” n 叫d；刈d i d 币呋邮电大学硕十论文第二章降低m i m o 下行检测复杂性的联合传输技术 图3 1 给出了多用户m i m o 下行链路联合传输模型，假定一个基站服务k 个移动终端。基站采用肠根发送天线阵，每个移动终端采用 新根接收天线阵。 因此，基站和每个移动终端间的链路都建立了一个m i m o 结构，总的系统是一 个多用户的m i m o 结构。 基站为每个移动终端发送个数据符号： = ( 研d 妒) 7 ， j i = l ，k ( 3 i ) 将发送给足个移动终端的数据表示成总的数据矢量： d = ( 一1 d ( k ) 1 ) t = ( a l l d 删) 7 ( 3 2 ) 令m = 船叽长度为，的数据矢量d 通过调制矩阵膨完成线性调制，被映射为 一个k b s x1 的空间扩频信号( s - - - - n s o ，s o 为扩频因子) ： f = ( t t k d r ) r = ( ”k ) 7 = 膨d ( 3 3 ) t ( k n ) 是由第b ( = b ，巧) 根发射天线发送的s 1 维的空间信号。m 是一 个k b s x k n 的调制矩阵，调制矩阵的设计在第3 4 节给出。 基站第b 根发射天线和第k 个移动终端m 的第根接收天线间的信道冲 激响应为 h ( k , i b ，) = ( 铲b h ( w k , k s , k u ) ) t( 3 ) 可构成( s + w - 1 ) x s 信道卷积矩阵 日忙 b ，k m = ( 日嚣k b , k m ) ，i = 1 ，s + w l ；j = l ，s ( 3 5 ) 融。7 u m ) ：i h ( k , k 8 p ，l - i j + l s w 。 l0 ，其他 ( 3 6 ) k = 1 ，x ；k b = l ，k b ；k i = 1 ，k m 即 日( 女，k b ，k m ) _ p 山 娃，8 ，1 妒山 o o 0 p 知 h ( h i , k s ，) 妒。 0 _ 一 驴，刊( s + _ 1 ) 。s 1 7 壅室塑鱼盔堂亟堡塞笙三童竖低m i m of 行检测复杂性的联合传输技术 用户m 的第根接收天线接收到的信号为 足。 ，( ) ：守口( t b - f ( b ) 畚 ：( 日( t ，i 】h ( k ，b ，k m ) ) t ( 3 7 ) = h ( k k m ) t ， k = l ，尬= l ，k m 用户肌的硒f 根接收天线接收到的信号组成用户舭的接收信号，( t ) ： ，( t