（通信与信息系统专业论文）lte中预编码算法及天线相关性影响研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 m i m 0 0 v l 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。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。随着移动通信宽带和无线接入技术的融合，m i m o 系统成为人们研究较多 的方向之一。为了更好地利用m i m o 技术，必须深入研究m i m o 信道的特性，尤 其是空间特性。与传统s i s o 信道不同的是，m i m o 信道在大多数情况下具有一定 的空间相关性，而不是相互独立的。这是因为m i m o 阵列天线之间客观存在的电 磁耦合使得阵元之间在距离一定的情况下会导致信道的相关性增加。即在实际的 系统中，天线之间的这种相关性分为强相关和弱相关。而天线之间的相关性不仅 对m i m o 信道容量有着一定的影响：强相关的时候，少数的信道集中了大部分的 能量，因为只有少数子信道可以可靠的通信，这就造成了容量的损失，弱相关的 时候，特征值的分布比较均匀，可以可靠通信的子信道相对较多，容量的损失不 大；而且天线相关性对系统的性能也造成很大的影响。 目前的m i m o 研究中一般假设信道是系数为独立同分布的复高斯变量，以简 化所研究的系统模型，因而没有考虑多天线系统中天线单元之间的相关性。但电 磁理论研究结果表明，当空间距离较小时天线单元之间将由于电磁耦合的客观存 在使得天线单元之间必然存在一定的相关性。因此研究l t e 系统中天线相关性对 系统性能影响以及天线选择对系统性能的改善，这对l t e 系统的研究和应用具有 重要价值。 本文首先介绍了l t e 系统下行链路构造，然后讨论了m i m o 系统中天线相关 性的表述模型，在此基础上研究了天线相关性对其性能的影响，最后给出天线选 择性算法对系统性能的改进。研究结果表明，天线相关性对系统容量和误码率有 十分明显的影响，同时通过天线选择可以改善这种影响：随着天线数目的增加或 天线相关性的增大，天线选择所带来的系统改善效果越明显。 关键词；l t e ，m i m o ，预编码，天线相关性，天线选择 a b s t r a c t i nr a d i o ，m u l t i p l e - i n p u ta n dm u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) i st h eu s eo fm u l t i p l e a n t e n n a sa tb o t ht h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rt oi m p r o v ec o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c e m i m ot e c h n o l o g yh a sa t t r a c t e da t t e n t i o ni nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，s i n c ei to f f e r s s i g n i f i c a n ti n c r e a s e si nd a t at h r o u g h p u ta n dl i n kr a n g ew i t h o u ta d d i t i o n a lb a n d w i d t ho r t r a n s m i tp o w e r i ta c h i e v e st h i sb yh i g h e rs p e c t r a le f f i c i e n c y ( m o r eb i t sp e rs e c o n dp e r h e r t zo fb a n d w i d t h ) a n dl i n kr e l i a b i l i t yo rd i v e r s i t y ( r e d u c e df a d i n g ) b e c a u s eo ft h e s e p r o p e r t i e s m i m 0i sac u r r e n tt h e m eo f i n t e r n a t i o n a lw i r e l e s sr e s e a r c h i na l lp r e v i o u sw o r k si t i sa s s u m et h a tt h ec h a 衄e lc o e f f i c i e n t sa l ei n d e p e n d e n t i d e n t i c a ld i s t r i b u t i o nc o m p l e xg a u s sv a r i a b l e ，w h i c hm e a d st h a tt h ea n t e n n ae l e m e n t si n m i m oc o m m u n i c a t i o na r eu n c o r r e l a t e d b u tc l a s s i c a le l e c t r o m a g n e t i c ss h o w nt h e e l e m e n t sa r ec o r r e l a t e df o rs m a l ls p a c i n g ，e s p e c i a l l yf o rt h o s eo nm s ( m o b i l es t a t i o n ) r e s e a r c ho nt h ei m p a c to fc o r r e l a t e da n t e n n a so nt h el o n gt e r me v o l u t i o ni se m e r g e n t f o ra p p l i c a t i o no fl o n gt e r me v o l u t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h el t ed o w n l i n km o d e lf i r s t , a n dt h e nd i s c u s s e dt h e a n t e n n ac o r r e l a t i o nm o d e li nt h em i m os y s t e m ，o nw h i c hw er e s e a r c h e dt h ee f f e e t i o n c a u s e db ya n t e n n ac o r r e l a t i o n , a n df i n a l l ya na n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h mc o u l di m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eg r e a t l yw a sp r o p o s e d 珏er e s e a r c h e ss h o w e dt h a t t h ee f f e c t i o n i m p o s e do nt h es y s t e mc a p a c i t ya n db i te r r o rr a t e ( b e r ) b y a n t e n n ac o r r e l a t i o ni sg r e a t ， w h i c hc o u l db ei m p r o v e db ya n t e n n as e l e c t i o nh o w e v e r , a n dt h em o r ea n t e n n a su s e do r h i g h e rc o r r e l a t i o nw eh a v e ，t h eb e t t e ri m p r o v e m e n to ns y s t e mp e r f o r m a n c ec a l lg e t 。 k e yw o r d s ：l t e ，m i m o ，p r e c o d i n g ，a n t e n n ac o r r e l a t i o n , a n t e n n as e l e c t i o n 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信的发展和演进回顾 在过去的2 0 年中，通信技术得到了迅猛的发展和广泛的应用，极大地推动了 社会的发展。通信产业在世界各国国内生产总值中所占的比重不断提高，已成为 各国经济发展的主要支柱产业。尽管全球经济在过去的几年中面临衰退，但通信 产业特别是移动通信产业仍保持较高的年增长率；尽管传统的移动话音业务在世 界范围内仍占有主要地位，但移动数据业务特别是短消息业务已呈现爆炸式的增 长，几乎半年即翻一番。移动通信业务从传统话音业务向以i n t c m e t 接入和多媒 体业务为主的方向发展的趋势清晰可见。据u m t s 论坛预测，手持移动终端将逐 步成为上网的主要设备之一。随着新型移动多媒体业务不断涌现，如何在有限的 无线频率资源上提供满足人们物质文化需求的宽带移动多媒体业务，对未来移动 通信技术的发展提出了巨大的挑战。为了更好满足社会的巨大需求移动通信系统 一直在不断发展和演进【1 】【舶，如图l 所示。 图1 移动通信系统的发展和演进 从80 年代开始，以a m p 和s t a c s 为代表的第一代模拟蜂窝移动通信系统 ( 1 g ) ，给人们开辟了移动通信的崭新天地。第二代数字移动通信系统( 2 g ) 主要包 括欧洲的g s m 系统、美国的i s 9 5 系统和i s 5 4 1 3 6 系统、日本的j d c 系统，从 90 年代开始大规模商用，让普通人享受到移动通信的方便和益处。 第三代移动通信系统( 3 g ) 的主流标准有w c d m a 系统、t d s c d m a 系统和 c d m a 2 0 0 0 系统，从2001 年开始商用，已经发布了从r d e a s e 9 9 、r e l e a s e4 ( r e l e a s e2 0 0 0 ) 、r e l e a s e5 和r e l e a s e6 的四个标准版本，并与第二代的g s m 移 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 动通信系统标准结合进行了一个统一的整体1 3 l 。 到2 0 0 5 年9 月底，全世界已有5 6 个国家的1 2 5 个运营商开始3 g 系统的商用 和预商用，c d m a 2 0 0 0e v - d o 用户数约为1 5 0 0 万( c d m a 2 0 0 0i x 用户数已达 1 3 亿) ，w c d m a 用户数为4 0 0 0 多万( e d g e 用户数已近1 亿) 。目前，提供2 g 设备的公司基本都可以提供稳定的3 g 设备，商用3 g 手机数量已超过2 0 0 多款， 还有大量的笔记本电脑使用的数据卡。3 g 手机的性能和售价已与初期g p r s 手机 相当，并且功能更加强大，大部分3 g 手机都具有p d a 、照相机、收音机、m p 3 、 u 盘、蓝牙等功能，3 g 手机就是一个多功能通信器。可以说3 g 技术已相当成熟， 3 g 正在向我们走来。 从r e l e a s e5 开始陆续补充了高速下行分组接入技术( h s d p a ) 、高速上行分组 接入技术( h s a ) 、i p 多媒体子系统( i m s ) 和多媒体广播多播业务( m b m s ) 等一些新功能和有特色的技术，使性能、容量得到极大提升，目前开始的长期演 进计划是第三代移动通信的进一步发展。如果我们把以h s d p a 、h s u p a 、i m s 和 m b m s 等3 g 增强技术称为三代半移动通信系统( 3 5 g 或e 3 g ) ，那么也可以称长期 演进计划发展的移动通信系统为超3 g 系统( b 3 g 或3 7 5 g ) ，超3 g 系统将来还会向 第四代移动通信系统( 4 g ) 发展。 实现任何时间、任何地点以任何方式进行信息交流是移动通信技术发展的目 标。全球范围内移动用户数的迅猛增长和移动业务主体的转变，预示着手持移动 终端将逐步取代p c 成为人机接口的主要设备。尽管为高速业务和多媒体业务设计 的第三代移动通信系统( 3 g ) 在通信的容量与质量上较第二代移动通信有明显提高， 但由于其核心技术未能发生革命性的变革。因此无法解决在有限的无线频率资源 上提供广泛覆盖且速率达到1 0 0 m b i t s 以上的宽带乃至广带移动多媒体业务的突出 矛盾。经历了l o 余年发展演进的蜂窝通信技术已经取得全新突破，采用全新的网 络结构以及全新的无线传输理论与技术解决上述矛盾已成为可能。 目前，世界各国在推动第三代移动通信系统产业化的同时，已把研究重点转 入后三代移动通信技术的先期研究上，力争在概念和技术上寻求创新和突破，从 而使无线通信的频谱效率、容量和速率有十倍甚至百倍的提高。在i t u ，有关 b e y o n di m t - 2 0 0 0 ( 后三代或称4 g ) 的概念与需求的研究已于1 9 9 9 年被首次列入议 事日程，2 0 0 1 年1 0 月在东京进行的i t u rw p s f 会议上，已收到较多有关b e y o n d i m t 2 0 0 0 的研究提案，并初步明确了b e y o n di m t 2 0 0 0 研究的基本框架。b e y o n d i m t - 2 0 0 0 是指广泛用于各种电信环境的无线系统的总和，包括蜂窝、固定无线接 入、游牧接入系统等。b e y o n di m t - 2 0 0 0 的能力将涵盖并远远超过i m t 2 0 0 0 系统 以及与其进行互连的无线系统的能力，包括目前的i m t 2 0 0 0 、无线接入、数字广 播等系统，并将新增两个部分，即支持1 0 0 m b i t s 的蜂窝系统和支持高达几百兆 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 比特级以上速率的游牧本地无线接入系统等，后三代蜂窝通信系统将是未来研 究的核心所在。 与此同时作为后三代蜂窝移动通信系统方案中的第三代移动通信技术的长期 演进( l t e ，l o n gt e r me v o l u t i o n ) 项目也在3 g g p 中开始研究。这项受人瞩目的 技术被称为“演进型3 g ”( e 3 g ，e v o l v e d3 g ) 。演进型3 g ( e 3 g ) 技术是3 g p pl t e ( 长 期演进) 和3 g p p 2a i e ( 空中接口演进) 项目的统称。这项技术名为“演进” ( e v o l u t i o n ) ，实际上是一场技术“革命”( r e v o l u t i o n ) ，l t e 和3 g p p 2 空中接口演进 ( 甜e ) 、w i m a x 以及最新出现的i e e e8 0 2 2 0 m b f d d m b t d d 等技术，由于已 经具有某些 4 g ”特征，甚至可以被看作“准4 g ”技术。 2 0 0 4 年1 1 月在加拿大多伦多3 g p p 召开了的l t e 专题会议，正式拉开了第 三代移动通信向更高的频谱利用率、更大的传输速率吞吐量、更好的性能和更低 的业务成本方向长期演进的序幕。自2 0 0 4 年1 1 月以来，3 g p p 以频繁的会议全 力推进此项工作，仅半年时间就完成了对需求的制定，2 0 0 6 年已基本完成技术可 行性研究和系统评估的研究项目( s i ) ，2 0 0 7 年9 月已完成l e e 标准的制定。目前， l t e 的网络结构也已确定，正在制定测试规范，预计2 0 1 0 年左右可以商用。 1 2l t e 长期演进计划的需求指标 长期演进计划应该是低费用( 减少每比特的传输费用) 、高速率( 提供更多更 丰富的业务) 、频谱有效性( 灵活高效地利用现在和新增加的频段) 、面向分组优 化( 简化的网络结构和信令协议) 、兼容性( 开放接口并与以前系统共存互通) 、 低功耗( 降低终端的功率消耗) 。总体要求主要包括【3 1 4 1 ： ( 1 ) 峰值速率 下行：在2 0 m h z 带宽上提供峰值速率为1 0 0 m b p s 上行：在2 0 m h z 带宽上提供峰值速率为5 0 m b p s ( 2 ) 用户吞吐量 下行：每m h z 上的用户吞吐量为h s d p a 的4 倍左右 上行：每m h z 上的用户吞吐量为h s u p a 的3 倍左右 每小区在5 m h z 带宽上至少支持2 0 0 个用户 提高小区边缘的吞吐量 ( 3 ) 频谱效率 下行：h s d p a 的4 倍左右 上行：h s 切) a 的3 倍左右 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 ( 4 ) 移动性 在0 到1 5 k m h 低速环境下优化的移动性 在1 5 到1 2 0 k m h 中速环境下较好的移动性支持 在1 2 0 k m h 以上的高速环境支持蜂窝小区的切换 ( 5 ) 覆盖 对于半径为5 k m 的小区，必须满足上面要求的用户吞吐率、频谱效 率、移动性 对于半径为5 - 3 0 k i n 的小区，上面要求的用户吞吐率、频谱效率、移 动性不能有太大下降 ( 6 ) 带宽 。 支持对称和非对称的频谱分配 上下行链路弹性地支持不同的载波带宽，包括1 2 5 m h z 、2 5 m h z 、 5 m h z 、1 0 m h z 、1 5 m h z 和2 0 m h z 等带宽 ( 7 ) 共存 新系统与以前3 g 系统共存互通 支持新系统与以前3 g 系统之间的切换 ( 8 ) 网络结构 面向分组优化的单个无线接入网 支持端到端的q o s 协议后向兼容 ( 9 ) 网络延迟 呼叫建立延迟小于l o o m s ( 在空闲模式) 或者5 0 m s ( 在休眠状态) 无线接入网内延迟小于1 0 m s ( 1 0 ) 其它 降低终端的功率消耗 低的实现复杂性 低的传输费用 1 3l t e 长期演进计划的r t t 后选方案及其关键技术特点 为了能够在第三代移动通信长期演进标准的竞赛中取得领先地位和技术先 机，以及将来巨大的市场前景，各个公司和研究机构，都纷纷基于上述要求提出 了自己的技术方案，按照所采用的双工方式和多址复用技术，可以归纳为下面6 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 个无线传输技术( r at ) 后选方案【3 1 ： 表1第三代移动通信长期演进r t t 后选方案 编号双工方式方案 1f d du lb a s e d0 1 1s c - f d m a ，d lb a s e do i lo f d m a 2f d du l d lb a s e do i lo f d m a 3f d du l d lb a s e do nm c w c d m a 4t d du l d lb a s e do nm c t d s c d m a 5t d d u l d lb a s e do no f d m a 6t d du lb a s e d0 1 3 s c - f d m a ，d lb a s e do l lo f d m a ( 1 ) 正交频分复用多址( o f d m a ) 技术 o f d m a 是基于o f d m 技术 2 】的一种多址方案，每个用户业务占用o f d m 正交子载波中的部分子载波，根据业务的多少可以灵活的分配子载波数。o f d m a 技术的主要优点： 好的无线链路性能( 特别是频率选择性衰落) ； 易于与m i m o 技术结合具有高的频谱效率和吞吐量； 灵活的带宽自适应； 较好的与a m c ( 自适应调制编码技术) 、h a r q ( 混合自动重复请求技术) 等链路自适应技术结合； 接收机复杂度较低； 克h a , j , 区边界容量和性能下降。 但o f d m a 也存在高的峰均比( p a r ) 问题，同时在上行链路用户间需要严 格的频率同步。较低的峰均比意味着对发射端的功率要求较低 ( 2 ) 单载波f d m a ( s c f d m a ) 单载波f d m a ( s c f d m a ) 传输原理如图2 所示。经编码的数据符号首先 通过离散傅立叶变换( d f t ) ，然后进行子频带映射，该映射模块确定用户编码符 号在那些子频带传输，其余子频带用0 插入，其后通过逆快速傅立叶变换( i f f t ) ， 最后插入循环前缀( c p ) 。通过发送加入循环前缀和采用频域均衡( f d e ) 接收 可以提供较好的链路性能。 c o d e ds y m b o ll a t e = r 皿 - - - v - - - - n r xs y m b o l s s u b - c a r d e r m a p p i n g i f f t s i z e - n r xs i z e - n r + - r 图2 单载波f i ) y 舱( s c - f i ) 姒) 传输 5 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 s c f d m a 技术的优点： 单载波方案传输信号时，用户符号的能量分布在整个传输频带，具有较 低的峰均比( 础瓜) ，这对功放的成本和节省电源比较重要； f d m a 提供了较方便的频域资源分配和小区内的正交性； 克服小区边界容量和性能下降。 但s c f d m a 的问题是频谱效率不如o f d m a 。 ( 3 ) 多载波w c d m a ( m w c d m a ) 该方案通过用多个载波同时传输高速业务，如图3 所示，其中一个为主载波 ( f 1 ) ，其余为副载波( f 2 f 4 ) ，在主载波传主要承载控制信道( h s s c c h 、s c h 、 p c c p c h 、d p c h 等) 和用于系统同步等，高速用户业务( h s p d s c h 、m b m s 等) 可以在多个副载波传输。 i i m e 图3 多载波w c d m a 传输 该方案的特点是与现在的i f c d m a 系统兼容性好和灵活的扩展带宽，但频谱效 率、吞吐量和性能都没有明显改善。 ( 4 ) 多载波t d s c d m a 该方案的思路与多载波w c d m a 相似，即通过用多个载波同时传输高速业务。 一个载波的带宽为1 6 m h z ，在2 0 m h z 的带宽上可以有1 2 个载波( c a r r i e r1 - 1 2 ) ， 如图4 所示，每个载波的子帧和帧结构与单载波t d - s c d m a 相同，但现在允许在统 一子帧中有多个上行与下行时隙( t s ) 之间的交换点( 以前仅为2 个交换点) 。 6 竹 住 口 佴 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 c a r r i e r1 1 c a r r i e r1 2 1 脚f 。囹川广l _ j 1 p p is 盟：l 。p ln h k 。国? o m * n 出 in ： 图4 多载波t d s c d m a 帧结构 该方案的特点是与现在的t d s c d m a 系统兼容性好和灵活的扩展带宽，但从 长期演进角度看，与其它系统比较没有竞争优势。 1 4 选题意义 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。根据信息论结果，无线多入多出( 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。 正是由于m i m o 发送技术的种种优势，因此在l t e 系统中采用了m i m o 发 送技术，但是在实际的应用中还必须考虑一个客观存在的问题：多天线之间的相 关性对系统性能的影响。而该问题在上述技术的研究中为了使所研究的系统模型 得到简化，均假设信道系数是独立同分布的复高斯随机变量，即没有考虑天线单 元之间的相关性。因此研究天线单元之间客观存在的相关性对l t e 系统性能的影 响，为在l t e 系统中使用m i m o 技术提供理论参考具有理论价值和实践指导意 义。 天线选择不但可以降低系统成本同时在解决天线相关性对系统性能影响方面 也有积极作用。将天线选择技术和l t e 系统相结合来，使得这些技术有可能在实 际系统中获得应用。但是当发送端和接收端的天线单元之间客观存在一定相关性 时，这些技术的性能表现会如何，就是一个值得研究的问题。 本文主要讨论下面三个问题： ( 1 ) m i m o 系统中天线单元之间的相关性建模： ( 2 ) 研究l t e 中天线相关性对l u t e 下行预编码链路系统性能的影响，为应 7 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 用天线选择技术提供背景支持； ( 3 ) 针对l t e 中的天线相关性，评估采用天线选择后对系统性能的影响， 包括天线选择对提高系统容量、降低误码率所起的作用。 1 5 论文结构 本文主要研究了在l t e 长期演进计划链路中天线相关性对系统性能的影响， 以及采用天线选择性算法来降低或者改善天线相关性所带来的影响。全文共分五 章，各章的内容安排如下： 第一章首先介绍了后3 g 移动通信系统，l t e 长期演进计划的产生背景，以及 考察天线相关性对其性能影响的研究意义。 第二章讨论了论文分析和仿真中必要的基础知识，主要包括下行传输技术、 天线相关性及其建模以及天线选择性算法。 第三章首先给出了l t e 下行链路模型，并介绍了在l t e 下行链路中所采用的 预编码算法，在此基础上讨论了采用预编码算法后由于天线相关性对系统性能影 响并进行仿真分析。结果表明，低相关性时天线相关性对系统性能的影响不明显； 高相关性时的影响较为明显。 第四章讨论l t e 下行预编码链路中当采用天线选择性算法后系统性能的改 善，并就天线选择性算法对天线相关性性能影响的改善进行仿真分析。结果表明 当采用天线选择性算法后在已采用预编码算法的l t e 下行链路中信道容量和误码 率都有明显的改善，这对l t e 以后的研究和应用有一定参考作用。 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。 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 链路相关技术以及天线相关性建模 第二章l t e 链路相关技术以及天线相关性建模 正交频分复用( o f d m ) 技术与已经普遍应用的频分复用( f d m ，f 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 ) 技术十分相似。与f d m 基本原理相同，o f d m 把高速的数 据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干个频率子信道中进行传输；不同 的是，o f d m 技术更好地利用了控制方法，将各个子信道相互进行重叠，使频谱 利用率极大提高【5 l 【6 】。o f d m 是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种 调制技术，也可以被当作是一种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干子比 特流，这样每个子数据流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低 速率多状态符号再去调制相应的子载波，就构成多个低速率符号并行发送的传输 系统。正交频分复用是对多载波调制( m c m ，m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ) 的一种改 进。它的特点是各子载波相互正交，所以扩频调制后频谱可以相互重叠，不但减 小了子载波之间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率1 5 j 【6 】。本章将首先介绍 o f d m 系统的基本原理，然后介绍了天线相关性及其建模。 2 1o f d m 系统的基本原理 o f d m 的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较 低的若干个频率子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号周期会相对增加， 因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影 响。还可以在o f d m 符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时 延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径而带来的符号间干扰( i s i ) 。而且， 一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免由多径带来的信道间干扰( i c i ) 。 2 1 1o f d m 系统的基本模型 一个o f d m 符号之内包含多个经过相移键控( p s k ) 或者正交幅度调$ 1 j ( q a m ) 的子载波。如果表示子信道的个数，r 表示o f d m 符号的宽度，d i “= o ，1 ，n 一1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，疋是第o 个子载波的载波频率，矩形函数为 r e c t ( t ) = 1 , l t i t 2 ，则从t = f ，开始的o f d m 符号可以表示为： r 一it广： 1 、 s o ) = r e d i r e c t q 一一寺) e x p lj 2 r ( f c + 寺一t ai t ，r ，f f ，+ 丁 l f 却 l 。 一j ( 2 1 ) j ( f ) = 0 ， r ( r + t s ) 通常用等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，见式( 2 2 ) 。其中实部和虚 部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中可以分别与相应子载波的 c o s 分量和s i n 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的o f d m 符号。图2 1 中 9 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 链路相关技术以及天线相关性建模 给出了o f d m 系统基本模型的框图，其中z = z + i t 。 s ( f ) ：n - l 吐心c f ( r l 一要) e x p 【歹2 万吾( ，一f i ) 】，l ，s ，+ r f z o l 上 ( 2 2 ) j o ) = 0 ，r ( r + r ，) 磊一二 r 。1 失医习幺 入 一 - 7y y 一 一叼竺! l 7 面占肿 一 i p 一点际习毒 7 y 7 7 k矿圜一 p s s pp | s i 一 “一l 二 e j - _ o l e h - ， 入 一 - 一毛- r 磊夏 o 。- l y y 一 一拶匕一- 图2 1o f d m 系统基本模型 o f d m 符号在一个周期内包含了多个非零的子载波，且每个子载波是相互正交 的，由( 2 1 ) 可以证明， ；re x p ( j w 。f ) e x p ( m d t = 三：二： 包3 ， 经过调制后，各个子载波的频谱相互重叠，在每个子载波频率最大值处正好对 应其他子信道的频谱值的零点。这不仅可以避免子载波间的相互干扰i c i ( i n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) ，还大大节省了频谱资源。由图2 2 可以看出，当所有的子载 波组合在一起的时候，总的频谱形状非常接近矩形频谱，频谱利用率理论上可以 达到s h a n n o n 信息论极限。而在实际应用中，由于理想的n y q u i s t 滤波器很难实现， 单载波系统的频谱利用率很难超过8 0 。 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 链路相关技术以及天线相关性建模 o f d m - 子载波频谱 图2 2o f d m 系统子信道符号的频谱 2 1 20 f d m 的d f t 实现 对于较大的系统，( 2 2 ) 中的o f d m 复等效信号可以采用离散傅立叶逆变 换( m f t ) 方法实现。i d f t 是常用的比较好的处理方法，信号在时域和频域上均 被抽样。为了简便叙述，令( 2 2 ) 中的t i = 0 ，并忽略矩形函数，对信号s ( f ) 以r s 的速率进行抽样，即t = , r n ( 后= o ，l ，n 一1 ) ，可以得n - 叫叫忉：艺珥e x p f _ ，譬1 ，七= o ，1 ，一l ( 2 4 ) ， i - - 0 “ 可以看到& 等效为对z 进行i d f t 运算。同样在接收端，为了恢复出原始的数 据符号z ，可以对& 进行逆变换，即d f t 得n t n 艺i - o d 一，警1 ， 叫一，等l ， t f = 0 , 1 ，n 一1 ( 2 5 ) 根据上诉分析可以看到，o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t d f t 来代 替。通过点i d f t 运算，把频域数据符号z 变换为时域数据符号，经过射频 载波调制之后，发送到无线信道中。其中每一个i d f t 输出的数据符号& 都是由所 有子载波信号经过叠加而生成的，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号 进行抽样得到的。 在o f d m 系统的实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换 ( i f f l 忭f t ) 。点的i d f t 运算需要实施2 次的复数乘法，而i f f t 可以显著地 降低运算的复杂程度和运算次数。 重庆邮电大学硕士论文第二章k t f i 链路相关技术以及天线相关性建模 2 1 3 保护间隔和循环前缀 应用o f d m 的一个重要原因在于它可以有效地对抗多径时延。通过把输入的 数据流串并变换到个并行的子信道中，使得每个用于去调制子载波的数据符号 周期扩大为原始数据符号周期的倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降 低倍。为了最大限度地消除符号间干扰( i s i ，i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ，还可 以在每个o f d m 符号之间插入保护间隔( g u a r di m e r v a l ) ，而且该保护间隔的长度 一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个 符号造成干扰。在保护间隔内可以不插入任何信号，但是由于多径传播的影响， 破坏了子载波之间的正交性，会有i c i 产生。为了消除多径造成的i c i ，o f d m 符 号需要在保护间隔内填入循环前缀( c p ) ，即将每个o f d m 符号的后瓦时间中的 样点复制到o f d m 符号的前面，如图2 3 所示。 豳 ii ii k 疋0 一 图2 3 循环前缀的引入 符号的总长度为瓦= t + ，其中乏为抽样的保护间隔长度，骗为f f t 变 换产生的无保护间隔的o f d m 符号长度。在接收端抽样开始的时刻正应该满足下 式： t m 戤 瓦 名 ( 2 6 ) 其中百m 醒是信道的最大多径时延扩展。当抽样满足该式时，由于前一个符号的干 扰只会存在于【o ，t 懈】，当子载波个数比较大时，o f d m 的符号周期瓦相对于信 道的脉冲相应长度t 懈很大，则i s i 的影响很小，甚至会没有i s i ；而如果相邻 o f d m 符号之间的保护间隔满足瓦t m 戤的要求，则可以完全克服i s i 的影响。同 时，由于o f d m 延时副本内所包含的子载波的周期个数也为整数，时延信号就不 会在解调过程中产生i c i 。 o f d m 系统加入保护间隔之后，会带来功率和信息速率的损失，功率损失可以 定义为： ，7 、 v 印= 1 0 1 0 9 l o gi 芒“i ( 2 7 ) 肝，7 从上式可以看到，当保护间隔占到2 0 的时候，功率损失也不到l d b ，但是带来 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 链路相关技术以及天线相关性建模 的信息损失达到2 0 。但是加入循环前缀可以消除i s i 和多径造成的i c i 的影响， 这个代价还是值得的。加入保护间隔之后基于i f f t f f t 的o f d m 系统框图可以 表示为图2 4 。 图2 4 加入循环前缀，利用i f f t f f t 实现的o f d m 系统 2 2m im o 系统概述 噪声 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19 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【1 6 】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。 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 5 所示为m i m o 系统的原理图。 发 送 端 接 收 端 图2 5m i m o 系统信道模型 传输信息流d 经过空时编码形成个信息子流t j ，i = 1 ，o 这个子流由 1 3 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 链路相关技术以及天线相关性建模 硒个天线发送出去，经空间信道后由砌个接收天线接收。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 m 的多入多出( m i m o ) 系统，假定信道为独立 的瑞利衰落信道，并设岛、砌很大，则信道容量c 近似为t c = m i n ( k u , k b ) a l 0 9 2 ( y 2 ) ( 2 8 ) 其中b 为信号带宽，) ，为接收端平均信噪比，m i n ( k u , k s ) 为杨的较小者。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通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 。 2 3m l m o 系统中的天线相关性及其建模 前文指出m i m o 信道可以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。随着移动通信宽带和无线接 入技术的融合，m i m o 系统成为人们研究较多的方向之一。为了更好地利用m i m o 技术，必须深入研究m i m o 信道的特性，尤其是空间特性。 与传统s i s o 信道不同的是，m i m o 信道在大多数情况下具有一定的空间相关 性，而不是相互独立的。这是因为m i m o 阵列天线之间客观存在的电磁耦合使得 阵元之间在距离一定的情况下会导致信道的相关性增加【7 吲。即在实际的系统中， 天线之间的这种相关性分为强相关和弱相关。而天线之间的相关性不仅对m i m o 信道容量有着一定的影响：强相关的时候，少数的信道集中了大部分的能量，因 为只有少数子信道可以可靠的通信，这就造成了容量的损失，弱相关的时候，特 1 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 链路相关技术以及天线相关性建模 征值的分布比较均匀，可以可靠通信的子信道相对较多，容量的损失不大；而且 天线相关性对系统的性能也造成很大的影响。而通常在研究m i m o 系统的时候， 一个通用的假设是收发天线对之间的衰落系数是独立同分布( i i d ) 的。这就导致 了理论上研究出来的m i m o 技术在实际使用中的表现可能不会如同理论研究的结 果一样理想，从而限制了一系列先进的m i m o 技术的应用。另一方面，由于便携 终端的体积限制，难以在其上安装多幅天线，一般为了实现m i m o 技术在终端安 装两幅天线较为时宜，即使这样天线间的相关性也是难以避免的。因此，研究天 线单元间的相关性对系统性能的影响具有十分重要的理论和实践意义。 在2 0 0 1 年1 1 月的3 g p p 会议中，朗讯、诺基亚、西门子和爱立信公司联合提 出了标准化m i m o 信道的建议。3 g p p 和3 g p p 2 推荐的链路级m i m o 信道的建模 方法有两个：基于相关( c o r d r a t i o n - - b a s e d ) 的方法和基于子径( e a g c a 1 4 h ) 的方法。并在3 g p pt r