（系统分析与集成专业论文）相关性矩阵应用于环形mimo天线阵列容量的研究.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明z i 、坚持以。求实、刨新”的科学精神从事研究工作 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是 真实的 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其 它机构已经发表或撰写过的研究成果 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明 并表示了谢意 作糍；搭 日 期；2 q 丑呈至7 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文 的规定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机 构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目 的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位 论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论文的标题 和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后适用本规定 作糍：缮 日 期：翟卑t 羔：兰7 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解南制割豇曛酚焉铕关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 作者签名：耋垒至 日 期：丝里z ! ：兰7 u i 导师签名： 日期： 一h 南京信息工程大学硕士论文相关性矩阵应用于环形i v l o 天线阵列的容量研究 摘要 多输入多输出恤i 啪口天线技术是无线移动通信领域的重大突破。m i m o 系统就 是利用多天线来抑制信道衰落。该技术可以在不增加发射功率和带宽的情况下成倍 地提高通信系统的容量和频谱利用率 空间相关性是目前m i w o 通信系统研究的热点。m m o 系统的容量的增加主要依 靠的就是信道的空间相关性的各种特性。论文就是从m i m o 信道空间相关性入手， 引入一个分析环形x i w o 天线系统的简单相关性模型，并利用这个模型研究了在三 种信号能量分布情况下蚍m o 天线系统的空间相关性对信道容量的影响，三种能量 分布模型分别为：均匀分布、高斯分布和拉普拉斯分布，并使用m a t l a b 对空间相 关性与系统容量的关系进行了分析和仿真。结果表明，引入的相关性模型能够比较 准确的分析m i m o 系统相关性特性对系统容量的影响，分析了包括环形天线半径、 天线数量和角度分布在内的系统参数对系统容量的影响，从而准确的分析- i i m o 系 统信道，而且达到了简化分析的目的。 论文首先介绍了目前移动通信的发展、研究背景以及研究现状，解释了舡肋 系统的概念、主要结构、原理、系统容量并对作为研究目标的环形天线阵列进行了 介绍。文章重点是m i 妁系统空间相关性分析，并详细介绍了引入的环形m i | 1 0 天线 系统相关性模型，并详细推导了研究相关性条件下m i w o 系统的容量公式，分析了 各种参数对系统容量的影响。并对相关性模型的效果进行了仿真和分析。最后，对 相关性模型的作用以及m i m o 的研究发展方向进行了总结和预测。 关键词；m i m o ，环形天线阵列，相关性，信道容量、到达角、拉普拉斯 分布、高斯分布、均匀分布 南京信息工程大学硕士论文 相关性矩阵应用于环形m i m o 天线阵列的容量研究 a b s t r a c t m i m oi st h em o s tp o p u l a rf i e l di nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i tc a nc o n t r o l t h ef a d i n go fr a d i oc h a n n e l sb yu s i n ga n t e n n aa r r a y sa n de n l a r g et h ec a p a c i t yo f c o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i t h o u ti n e r e a s m gt h et r a n s m i tp o w e ra n db a n d w i d t h s d 撕a ic o r r e l a t i o ni so n eo f t h ei m p a i r m e n t sp r a c t i c a lm u l t i p i e - i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ( f f m o ) w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a v et ob ec o p o dw i t h c a p a c i t yi n c r e a s e $ p r o m i s e db vm 肌os y s t e n i sm o s t l yd e p e n do nt h es p a t i a lc o r r e l a t i o np r o p e r t i e so ft h e l 。d d i oc h a n n e l s n i i st h e s i si n v e s t i g a t e st h ec o n n e c t i o nt d e t w e e nt l l e s ep r o p e r t i e sa n dt h e c h a n n e lc a p a c i t y an e ws p a t i a lc o r r e l a t i o nm o d e li si n t r o d u c e df o rac i r c u l a ra r r a y a n d t h i sm o d e lj su s e dt oa n a l y s i st h ec h a n n e lc a p a c i t yi nt h r e ea n g e ls p r e a dm o d e l s t h o s e a r eu n l f o r m , g a u s s i a na n dl a p l a c i a n 1 1 1 ec a p a c i t yi ss i m u l a t e di nm a r l 曲n 地 c o n c l u s i o ni st h a tt h es v a t i a lc o r r e l a t i o nm o d e lf i t st h ea n a i y s i so f c i r c u l a ra r r a ym m o c h a n n e lc a p a c i t y a n dt h em o d e lc m a k et h ec a l c u l a t i o no f c a p a c i t ye a s i e r t h i st h e s i si n n o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n ds u r v e yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n d m i m os y s t e m t h ec i r c u l a ra r r a yi sa l s om e n t i o n e d t h em o s ti m p o r t a n tp a r ti st h e a n a l y s i so fs p a t i a lc o r r e l a t i o na n di t si m p a c to fm i m os y s t e mc a p a c i t y i nt h ee n d , t h e s t u d y p e r s p e c t i v e o f m l m o a n d t h e d e v e | o p m c n t c o r r e l a t i o n m o d e l i s d i s c u s s e d 蠡秒w o r d s ：m i m o , c i r c u l a ra r r a y , c o r r e l a t i o n , c h a n n e lc a p a c i 勃u n i f o r m d i s t r i b u t i o n , g a u s s i a nd i s t r i b u t i o n , l a p l a c i a nd i s t r i b u t i o n 2 南京信息工程大学硕士论文相关性矩阵应用于环形m i m o 天线阵列的容量研究 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着社会的发展，人们期望能随时随地、不受时空限制地进行信息交流与通 信，而只有移动通信才能满足这种需求。在近1 0 年中，移动通信技术已成为当今 发展最迅速，应用最广泛、最引人瞩目的通信技术。近几年来，中国的移动通信以 几乎每年翻一番的速度突飞猛进，已挤身于世界发达国家水平之列。从2 0 0 0 年以 后，移动用户的增长量每年都在6 0 0 0 万以上。移动通信从早期的埘，跚发展到今 天的硎a 、t d 姒直至c 眦a ，每个话音信道的带宽从早期的i o o k h z 、5 0 碰z 发展到 今天的2 5 k i i z 、1 2 5 k l l z ，甚至6 2 5 k f i z ，频谱的利用率提高了1 0 0 倍。当前，无线 电移动通信发展日新月异，新业务、新技术层出不穷。中国已经开始了3 g 的部分 城市试用，在不久的将来，很快会投入商业运营。 随着无线通信技术的快速发展和人们使用通信量的激增，不仅未来的通信系统 容量急速增大，而且还要能支持语音、数据、图像、多媒体等业务。频谱资源的严 重不足已经日益成为遏制无线通信事业的瓶颈。如何充分开发利用有限的频谱资 源，提高频谱利用率，是当前通信界研究的热点课题之一 多输入多输出m i 硼l l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 天线技术是无线 移动通信领域智能天线技术的重大突破。m i 狮系统就是利用多天线来抑制信道衰 落。该技术通过将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，使各发射和 接收天线间的通道响应独立，则多输入多输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。从而能在不增加发射 功率和带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是新一代移动通 信系统必须采用的关键技术。 目前，各国已开始或者计划进行新一代移动通信技术( 后3 g 或者4 g ) 的研究， 争取在未来移动通信领域内占有一席之地。随着技术的发展，未来移动通信宽带和 无线接入融合系统将成为热门的研究课题，而虹m o 系统是人们研究较多的方向之 一 为了更好地利用m i m 0 技术，必须深入研究m i l l 0 信道特性，尤其是空问特性。 与传统信道不同的是，m i m o 信道大多数情况下具有一定的空间相关性，而不是相 互独立的。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 妁信道的建议。3 g p p 和3 g p p 2 推荐的链路级舡信道的建 3 南京信息工程大学硕士论文相关性矩阵应用于环形m i m o 天线阵列的容量研究 模方法有两个：基于相关( c o r r e l 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。尽管3 g p p 和3 g p p 2 对链路级的信道参数进行了定义，但是对于如何实现并没 有达成共识。研究信道的相关性对系统容量的影响成为m i m o 技术的重要研究方向 之一 实际上多输入多输出0 i i m o ) 技术由来已久，早在1 9 0 8 年马可尼就提出用它来 抗衰落。在7 0 年代有人提出将多输入多输出技术用于通信系统，但是对无线移动 通信系统多输入多输出技术产生巨大推动的莫基工作则是9 0 年代由a t & tb 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 给出了一种多输入多输出处理算法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 等讨论了用于多输入多输出的空时码；1 9 9 8 年 舶i 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，在室内试验中达到了2 0b i t s h z 以上的频谱利用率，这一频谱利用率在 普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大注意，并使得多输入多输出的 研究工作得到了迅速发展。 b e l l 实验室的b l a s t 系统“1 是最早研制的m i m o 实验系统。该系统工作频率为 1 9 g l i z ，发射8 天线，接收1 2 天线，采用d - b l a s t 算法。频谱利用率达到了2 5 9 b i t s ( h z s ) 。但该系统仅对窄带信号和室内环境进行了研究，对于在3 g 、4 g 应 用尚有相当大距离。 朗讯科技的贝尔实验室分层的空时( b 】潞t ) 技术是移动通信方面领先的w i m o 应用技术，是其智能天线的进一步发展。b l a s t 技术就其原理而言，是利用每对发 送和接收天线上信号特有的“空问标识”，在接收端对其进行“恢复”。利用b l a s t 技术，如同在原有频段上建立了多个互不干扰、并行的子信道，并利用先进的多用 户检测技术，同时准确高效地传送用户数据，其结果是极大提高前向和反向链路容 量。 2 0 0 3 年8 月，a i r g o n e t w o r k s 推出了a g n l 0 0 w i - f i 芯片组，并称其是世界上 第一款集成了多输入多输出( m i m o ) 技术的批量上市产品。a g n l 0 0 使用该公司的多 天线传输和接收技术，将现在i - f i 速率提高到每信道1 0 8 m b p s ，同时保持与所有 常用w i f i 标准的兼容性。支持8 0 2 1 1 a ，b ，和g 模式，使用三个5 - g h z 和三 个2 4 - g h z 天线，使用a i r g o 芯片组的无线设备可以和以前的8 0 2 1 1 设备通讯， 甚至可以在以5 4 1 m o p s 的速度和8 0 2 1 1 a 设备通讯的同时还可以以1 0 8 m b p s 的速度 4 南京信息工程大学硕士论文相关性矩阵应用于环形m i m o 天线阵列的容量研究 和a i r g o 的设备通讯。 凭借在提高系统频谱利用率方面卓越的性能表现，多输入多输出o i i m o ) 技术已 经成为移动通信技术发展进程中炙手可热的课题。 目前，各国学者对于w i m o 的理论、性能、算法和实现的各方面正广泛进行研 究。在m i m 0 系统理论及性能研究方面已有一批文献，这些文献涉及相当广泛的内 容。但是由于无线移动通信m i m o 信道是一个时变、非平稳多输入多输出系统，尚 有大量问题需要研究。比如说，各文献大多假定信道为分段恒定衰落信道。这对 于宽带信号的4 g 系统及室外快速移动系统来说是不够的，因此必须采用复杂的模 型进行研究。已有不少文献在进行这方面的工作，即对信道为频率选择性衰落和移 动台快速移动情况进行研究。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 w o 技术领域另一个研究热点就是空时编码。 常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编 码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。 同时，m i m o 中的空间相关性是多输入多输出( m i m o ) 无线通信系统研究的一 个非常重要的内容。m i m o 中可利用的频谱效率受许多因素影响，包括信号平均接 收功率、接收信号的分布、热噪声、相干噪声以及其他用户的干扰。由于是多发射 和接收天线，系统的多维静态特性就显的很重要。最近很多论著量化分析了此类 i ( i m o 系统的特性，考虑了不同环境、不同天线放置的情况，见参考文献“。在 这些文献中，使用空间相关性模型的不同信号模型已经在对m i m o 系统的分析中提 到过。指数相关性由于其简单而被用于舡1 1 0 系统的分析中，但这个模型在现实分 析中并不准确。目前仍然缺少一个简单而且准确的相关性模型来分析系统的相关性 的情况。 1 3 论文研究重点及主要内容 m i m o 中的空间相关性是多输入多输出( 舡) 无线通信系统研究的一个非常 重要的内容。为了更好地利用w i m o 技术，必须深入研究m i m o 信道特性。尤其是空 间特性。与传统信遵不同的是，虹倍道大多数情况下具有一定的空间相关性， 而不是相互独立的。 m i m o 中可利用的频谱效率受许多因素影响，包括信号平均接收功率、接收信 号的分布、热噪声、相干噪声以及其他用户的干扰。由于是多发射和接收天线，系 统的多维静态特性就显的很重要。最近很多论著量化分析了此类m i m o 系统的特性， 考虑了不同环境、不同天线放置的情况，见参考文献 4 5 。在这些文献中，使用 南京信息工程大学硕士论文相关性矩阵应用于环形m m o 天线阵列的容量研究 空间相关性模型的不同信号模型已经在对m i m o 系统的分析中提到过。指数相关性 由于其简单而被用于m i m o 系统的分析中，但这个模型在现实分析中并不准确。目 前仍然缺少一个简单而且准确的相关性模型来分析系统的相关性的情况。 针对缺少一个简单而且准确的相关性模型来分析系统的相关性的情况，论文就 是要引进一个分析环形m i m o 天线系统的简单相关性模型。这也正是作者论文的创 新点所在。通过i i i m o 信道相关性模型分析环形天线阵列的信道容量，并通过对三 种信号能量分布模型：均匀分雍、高斯分布和拉普拉斯分布的研究，获得m i m o 空 间相关性对信道容量的影响，并加以仿真。结果表明，引入的相关性模型能够比较 准确的分析相关性特性对系统容量的影响，并且在信号到达天线的入射角度比较小 的情况下，可以通过近似分析来代替准确分析，从而达到简化分析的目的。 论文主要内容结构安排如下 第1 章 绪论 介绍了耳前移动透信的发展、研究背景以及研究现状，分析 了目前对w i m o 系统研究的重点：空间相关性。并要引入一个分析环形m i 湘天线系 统的简单相关性模型。 第2 章m i m o 系统概述简要介绍了w i m o 系统的概念、主要结构、原理、 系统容量并对作为研究目标的环形天线阵列进行了介绍。 第3 章相关性分析针对三种主要的天线到达角度分布情况：均匀分 布、高斯分布和拉普拉斯分布。分析了三种情况下的相关性公式。 第4 章m i m o 系统的表现详细介绍了研究的环形m i m o 天线系统模型， 并详细推导了研究相关性条件下m i m o 系统的容量公式，并对分析和仿真的条件进 行了介绍。 第5 章系统容量分析 对相关性模型下系统容量的表现进行了详细分 析，主要是m i m o 中各种相关性参量对系统容量的影响以及定性分析。 第6 章 总结和展望总结了所提出的相关性模型在系统容量分析中 的表现，分析了各种参量对系统容量的影响，并对未来m i m o 的研究方向和趋势作 了展望。 6 南京信息工程大学硕士论文相关性矩阵应用于环形m i m o 天线阵列的容量研究 2 1 引言 第2 章m e m o 系统概述 随着社会的发展，人们期望能随时随地、不受时空限制地进行信息交流与通 信，而只有移动通信才能满足这种需求在近1 0 年中。移动通信技术已成为当今 发展最迅速、应用最广泛、最引入瞩目的通信技术 随着无线通信技术的快速发展和人们使用通信量的激增，不仅未来的通信系统 容量急速增大，而且还要能支持语音、数据、图像、多媒体等业务。频谱资源的严 重不足已经日益成为遏制无线通信事业的瓶颈。如何充分开发利用有限的频谱资 源，提高频谱利用率，是当前通信界研究的热点课题之一。 多输入多输出( j i i 硼) ) 天线技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。 m i m o 系统就是利用多天线来抑制信道衰落。该技术通过将多径无线信道与发射、 接收视为一个整体进行优化，使各发射和接收天线间的通道响应独立，则多输入多 输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。从而能在不增加发射功率和带宽的情况下成倍地提高通信系统 的容量和频谱利用率4 ”1 舡m o 无线通信技术是天线分集与空时处理技术相结合的产物，它源于天线分 集与智能天线技术，具有二者的优越性，属于广义的智能天线的范畴。l a l m o 系统 在发端与收端均采用多天线单元，运用先进的无线传输与信号处理技术，利用无线 信道的多径传播，因势利导，开发空间资源，建立空间并行传输通道，在不增加带 宽与发射功率的情况下。成倍提高无线通信的质量与数据速率。首次突破s h a n n o n 容量壁垒，为无线通信勾画出了美好的前景，堪称现代通信领域的重要技术突破”1 实际上，m i m o 无线通信技术己非传统智能天线技术，其优势已非常规智能天 线所及。智能天线采用加权选择算法驱动波束指向，通过将能量聚集到期望方向而 提到平均信噪比，抑制而不是利用多径传播。f o s c h i n i 在1 9 9 6 年的开创性文章里 首次指出：如果用于描述具有n 副发射天线与m 副接收天线的无线链路的m x n 信道 矩阵的元素是完全独立衰落的，则该系统的容量随最小天线数目线性增长，而不是 采用智能天线下的对数增长。 7 南京信息工程大学硕士论文相关性矩阵应用于环形m i m o 天线阵列的容量研究 多输入多输出恤i 啪一哪l l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 技术最早由 w a r c o n i 于1 9 0 8 年提出，它利用多天线抑制信道衰落。m i m o 包括单入多出( s i 啪 s i n g l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ) 系统和多入单出( m i s om u l t i p l e - i n p u t s i n g l e - o u t p u t ) 系统。m i w o 可以简单定义为：在一个任意的无线系统中，链路的 发端和收端都使用多天线。m i m o 的核心思想是：将发送端与接收端天线的信号合 并，使每个m i 用户的传输质量比特误码率( b 职) 或数据速率得到改进，增加 运营商收入，提高网络服务质量( q o s ) 。 多输入多输出( 舡m 0 ) 天线技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突 破。是新一代移动通信系统必须采用的关键技术 m i w o 技术对于传统的单天线系统来说，能够大大提高频谱利用率，使得系统 能在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务。目前，各国已开始或者计划进行 新一代移动通信技术( 后3 g 或者4 g ) 的研究，争取在未来移动通信领域内占有一席 之地。随着技术的发展，未来移动通信宽带和无线接入融合系统将成为热门的研究 课题，而j i i m 0 系统是人们研究较多的方向之一。 多输入多输出( m i m o ) 技术本身也在不断发展，虽然已经取得一些研究成果， 但还有许多问题需要研究和解决。目前，各国学者对于m i m o 的理论、性能、算法 和实现的各方面正广泛进行研究。在m i m o 系统理论及性能研究方面已有一批文献， 这些文献涉及相当广泛的内容。但是由于无线移动通信m i w o 信道是一个时变、非 平稳多输入多输出系统，尚有大量问题需要研究。比如说，各文献大多假定信道为 分段恒定衰落信道。这对于宽带信号的4 g 系统及室外快速移动系统来说是不够 的，因此必须采用复杂的模型进行研究。已有不少文献在进行这方面的工作，即对 信道为频率选择性衰落和移动台快速移动情况进行研究“”“”。再有，w i m o 系统容 量显著依赖于无线信道的相关性特性。最近很多论著量化分析了此类m i m o 系统的 特性，考虑了不同环境、不同天线放置的情况。在这些文献中，使用空间相关性模 型的不同信号模型已经在对m i m o 系统的分析中提到过。环形天线阵列指数相关性 分析由于其简单而被用于m i w o 系统的分析中，但这个模型在现实分析中并不准确 目前仍然缺少一个简单而且准确的相关性模型来分析天线阵列的系统容量等，并且 从近似到完全的情况来分析系统的表现。 8 南京信息工程大学硕士论文相关性矩阵应用于环形加i v l o 天线阵列的容量研究 2 3 多输入多输出的一般结构和原理 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 输入多输出是针对多径无线信道来说的。w i m o 是指在发射端和接收端分别使用多 个发射天线和接收天线传输信息流经过空时编码形成n 个信息子流，经空间信道 后由m 个接收天线接收各发射信号占用同一频带，未增加带宽若各发射接收天 线间的通道响应独立，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”1 q ( i ) 空 信 j 他) 时 号 编 源 码 空 时 壤 解 爿收 码 端 i 圈乞i 多输入多输出系统原理 图i 所示为m i m o 系统的原理图。传输信息流s ( k ) 经过空时编码形成n 个信息 子流c i ( k ) ，i ：i ，n 。这n 个子流由n 个天线发射出去，经空间信道后由m 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n 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，则多输入多输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 中可利用的频谱效率受许多因素影响，包括信号平均接收功率、接收信 号的分布，热噪声、相干噪声以及其他用户的干扰。由于是多发射和接收天线，系 统的多维静态特性就显的很重要。因此，对m i m o 系统设计者来说，需要通过一个 空同相关性模型来近似表示实际的传播特性“”“”“” m i m o 中有两种主要技术空间复用和空间分集。 通过一个以上的天线发送多组数据流称为空间复用。有两种类型必须考虑。第 一种类型为v - b l a s t ( v e r t i c a lb e l l 实验室分层空间一时问) ，它发送空间未编码 9 南京信息工程大学硕士论文 相关性矩阵应用于环形m i m o 天线阵列的容量研究 的数据流，不需要考虑在接收器上对信号进行均衡处理。第二种类型是通过空间一 时间编码实现的与v - b l a s t 相比，空间时间编码提供正交编码方式，因此是独立 的数据流。v - ：b i a s t 方法不能分离数据流，因此会出现多个数据流的干扰( m s i ) 这会使传输变锝不稳定，而前向错误编码并不总是能解决这个问题。空间一时间编 码信号的检测基于一种简单的线性处理，并获得合理的结果空间复用的优势 是，容量的增加与发送天线的数量线性相关。 空间复用可以提供更高的容量，但是信号质量并无改善。空间复用不仅没有提 高信号质量，反而使信号质量降低了空间分集能改善信号质量，并在接收端达到 更高的信噪比。特别是在广大的网络区域，空间复用技术达到了自身的极限。网络 环境越大，信号强度就必须越高。 2 4 系统容量分析 2 4 1 系统容量的定义 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。 香农倍道容量定义为：信道输入和输出之间的最大平均交互信息量( 最大互信息) ， 即能够被此信道所支持的最大渐进( 在编码长度意义h ) 无差错传输速率。信道容量 表征的是在给定信道中，输入的小同概率分布下互信息的最大值，是信道传输信息 速率的最大极限，是信道的一个十分重要的特性参数，与具体的信源特性无关“”。 通常在无线通信系统中，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 0 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 的多输入多输出是针 对多径无线信道来说的。m i m o 系统就是利用多天线来抑制信道衰落。该技术通过 将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，使各发射和接收天线间的通 道响应独立，则多输入多输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。从而能在不增加发射功率和带宽的情 况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率 1 0 南京信息工程大学硕士论文相关性矩阵应用于环形m i m o 天线阵列的容量研究 2 4 2 系统容量初步分析 舡她系统利用来自一个信道的多个输入和多个输出。这些系统是用空间分集 和空间复用定义的。空间分集分为l l 】【和t x 分集。信号的副本从另外一个天线发送 或在多个天线处接收。采用空间复用，系统能在一个频率上同时传输一个以上的空 问数据流。m i 是在8 0 2 1 1 n ，8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 和8 0 2 1 6 e 以及3 g p p 中制定的。包 含m i 啪的更新的标准是i e e e s 0 2 2 0 和8 0 2 2 2 非m i m o 系统用几个频率通过多个倍道链接而舡m o 信道具有多个链路，工作在 相同的频率该技术的挑战是所有信号路径的分离和均衡。信道模型包括具有直接 和间接信道分量的h 矩阵。直接分量( 例如h 1 1 ) 描述信道平坦度，而间接分量( 例 如h 2 1 ) 代表信道隔离。发送信号用s 代表，接收信号用r 代表。时间不变的窄带 信遭定义为： 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 大多数信道容量的改善都是基于带宽扩展或者其他调制。这些因素并不能很大地提 高频谱效率。m i m o 系统的香农容量又决定于天线的数量。m 是最小的埘( 发送天线 的数量) 或衄( 接收天线的数量) ，表示空间信息流的数量。于发射天线数为n 。接 收天线数为m 的多输入多输出( m i m o ) 系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设 n 、m 很大。则信道容量c 近似为： c - s i n m ，n ) b 1 0 9 2 ( p 2 ) “”。 其中b 为信号带宽，p 为接收端平均信噪比，r a i n ( m ，n ) 为m ，n 的较小者。上 式表明，功率和带宽固定时，多输入多输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“”而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线 阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，多输 入多输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 0 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。 2 5 环形天线阵列 阵列天线( a n t e n n a sa r r a x ) 是依特定几何形状排列形式的一组天线。即在空间 分开的一系列阵元阵列形状的不同，将直接影响天线阵列的形状和处理方式与 南京信息工程大学硕士论文相关性矩阵应用于环形m i m o 天线阵列的容量研究 固定波束天线相比，天线阵列的优点是除了提供高的天线增益外。还能提供相应倍 数的分集增益。但是它们要求每个天线有一个接收机。还能提供相应倍数的分集增 益。与固定波束天线相比，天线阵列的优点是除了提供高的天线增益外，还能提供 相应倍数的分集增益。但是它们要求每个天线有一个接收机，还能提供相应倍数的 分集增益。 一般情况下，天线阵列可以是均匀分布的，就是构成天线阵列的各个单独的天 线之间的距离是相等的，也可以是非均匀分布的。一般研究中，为了简化分析，都 选择均匀分布的天线阵列作为研究对象。可以从均匀天线阵列分布中的情况再对非 均匀的加以分析。阵元分布方式有直线型，圆环型和平面型目前比较常见的文献 研究的天线阵列模型主要有两种：等距线性阵列( u n i f o r ml i n e a ra r r a y ) 和均匀 圆周阵列( u n i f o r mc i r c u l a ra r r a y ) 。 m i m o 技术可显著提高未来无线通信系统的性能。f o s c h i n i 与g a n s 首先提出 m i m o 系统并引发了广泛研究。先前对m i m o 系统的研究通常基于独立瑞利衰落信道， 很少考虑接收信号的空域相关性。实际中，在天线单元间距以及达波角度扩展较小 时，空域相关性影响不能忽略。与时域及频域相关性相比，空域相关性对达波角谱 分布具有更大的依赖性。我们忽略了天线单元的方向性与互藕的影响，并假定达波 等功率入射，以简化分析计算。实际上，随着多天线系统日趋复杂以及小型化，这 些因素已不能忽略。衰落信号的相关性直接导致分集增益减小与信道效率下降，为 准确分析和构建m i m o 系统，合理设计m n 帕系统的多天线结构，系统地分析和评估 舡如信道中接收信号的空域相关性是十分必要的。 环形阵列天线具有良好的平面全向扫描特性，国际上一些机构也把环形阵列作 为阵列天线研究的重点选型。因此本文选择了环形天线阵列作为研究对象。我们 用8 个完全相同的天线元素放置在一个半径为r 的圆形上。这种阵列对于消除干扰 特别有效。天线都是全方向性的，对波形的角度和频率有非均匀感知。天线在空间 的分布可以是均匀的。其他情况可以在此模型的基础上重新加以分析，研究方法相 同。 南京信息工程大学硕士论文相关性矩阵应用于环形m m 0 天线阵列的容量研究 3 1 引言 第3 章相关性分析研究 多输入多输出( m i m o ) 技术是一个新兴的研究领域，被认为是大幅提高带宽效 率的理想方法频谱效率的提高是在同样的频率信道下，通过不同的天线同时传送 不同的信号来实现的，同时使用了多接收天线和适当的接收算法。 m i m o 中可利用的频谱效率受许多因素影响，包括信号平均接收功率、接收信号 的分布、热噪声、相干噪声以及其他用户的干扰。由于是多发射和接收天线，系统 的多维静态特性就显的很重要。因此，对m i m o 系统设计者来说，需要通过一个空 间相关性模型来近似表示实际的传播特性。 m i m o 技术不同于智能天线，数据在发射端和接收端都要经过相应的联合空时 处理，而智能天线在接收端或者发射端进行空域和时域处理。而且w i m o 技术的天线 阵元之间的距离要尽可能的大。通常取数个波长的间距，使得到达各个天线阵元的 信号能够相互的独立，以便形成空间分集的效果。 m i w o 技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，目前针对mi w o 信道所进行的研究也主要围绕这两个方面。舡哟通信中，空时编码将数据分成多个 数据子流在多个天线上同时发射，建立空间分离信号和时间分离信号之间的关系， 通过在发射天线间的时域引入编码冗余得到分集增益：空间复用则是将输入数据分 成多个子流，每个子流从不同的天线发送出去，在同一频带上使用多个数据通道 眦i m o 子信道) ，从而使得容量随着天线数量的增加而线性增加“”。 最近很多论著量化分析了此类m i m o 系统的特性，考虑了不同环境、不同天线 放置的情况，见参考文献。1 。在这些文献中，使用空间相关性模型的不同信号模 型已经在对舡m 0 系统的分析中提到过。指数相关性由于其简单而被用于m i m o 系统 的分析中，但这个模型在现实分析中并不准确。目前仍然缺少一个简单而且准确的 相关性模型来分析从近似到完全的情况。本文就是要引进一个分析环形m i 如天线 系统的简单相关性模型。通过利用相关性模型分析环形天线阵列的w i w o 信道容量。 并通过对种信号能量分布模型：均匀分布、高斯分布和拉普拉斯分布的研究，获得 相关性对信道容量的影响，并加以仿真。 南京信息工程大学硕士论文 相关性矩阵应用于环形m i m o 天线阵列的容量研究 3 2i i d i m o 信道建模 m i 啪系统利用无线信道的多径传播，开发空间资源。建立空间并行矩阵传输 通道，利用空时联合处理提高无线通信系统的容量与可靠性。然而，决定空时处理 性能的关键因素在于无线传播信道的空时特性。研究表明只有在无线信道散射传播 的多径分量足够丰富。各对发一收天线单元问的多径衰落才趋于独立，从而信道矩 阵才趋于满秩：如果散射不够丰富或天线单元间距较小等，多径衰落将不完全独立。 信道矩阵也非满秩，舡啪信道的空间优势得不到充分发挥，舡m 0 系统传输方案的 性能将下降，即信道传播条件决定了m i m o 系统的信道容量。”。一方面，需开发更 加稳健的空时处理算法，比如空时编解码、空时均衡与m i m o 收发信机算法，另一 方面。需开发m i m o 无线信道模型以模拟各种实际信道条件、评估各种空时处理算 法的相对性能、仿真与优化设计高性能的通信系统 3 2 1 系统基本结构模型 m i m o 系统的定义很简单，就是指在通信链路的发射端与接收端均使用多个天 线元素( 即天线阵列) 的传输系统，其基本结构如图3 1 所示。输入的串行码流通过 某种方式( 编码、调制，加权、映射) 转换成几路并行的独立子码流，通过不同的发 射天线发送出去。不同的子码流同时同频带的发送，接收方利用不少于发送天线数 目的天线阵列进行接收，并利用估计出的信道传输特性( 信道状态信息) 及发送子码 流问一定的编码关系对多路接收信号进行空域与时域的联合处理，从而分离出几路 接收子码流，再转换成串行数据输出。 u 也虬x kb k ， l j 一k ， 誓十裁射矗媸r 十箍毂碰 图3 1 虮岫系统基本结构 1 4 南京信息工程大学硕士论文相关性矩阵应用于环形m i m o 天线阵列的容量研究 3 2 2 信道模型 考虑一个单用户点对点m i m o 系统，发射机有m 个天线，接收机有x 个天线， 则发送信号和接收信号分别可以由列向量x 和y 表示： 善= ，x 2 ，r y = 【y l , y 2 ，y s , r 令表示第j 个发射天线与第i 个接收天线间的信道衰落系数，吩表示第i 个接收天线处的a w g n 。采用平坦衰落离散基带等效模型扩展) ，则系统的输入输出 关系可以表示为： 阴 卜时 jj | i l 。 j t 赶j 屯：， h x ? h y 2 h ? 氓卧 = h x + 曩 很显然。m i 信道的输入输出为向量形式，其信道为矩阵形式，而不再是s i s o 系统的尺度因子形式。且上式可以看作是一个由n r 个线性方程组成的方程组，若 各天线发送信号统计独立，则该方程组含有n t 个未知数，当且仅当n r ) n t 时。该 方程组才可解。这也是采用空分复用技术时必须满足的条件，即接收天线数 目不少于发射天线数目。 3 2 3 信道衰落特性 针对木文后面的分析，这里对信道的衰落特性做出几点假设”： 1 信道衰落在一个符号( s y m b 0 1 ) 或者分组( b l o c k ) 内保持恒定： 2 相邻符号分组间的信道衰落状态相互独立，考虑实际情况，对此独立 3 假设进行一定的弱化，有：长时统计来看，符号分组间信道衰落状态为一平 稳各态历经随机过程； 南京信息工程大学硕士论文相关性矩阵应用于环形m d 天线阵列的容量研究 3 3 环形天线阵列的相关性公式 3 3 1 概论 m i m o 技术可显著提高未来无线通信系统的性能。f o s c h i n i 与g a n s 首先提出 m i m o 系统并引发了广泛研究。先前对m i 妁系统的研究通常基于独立瑞利衰落信道， 很少考虑接收信号的空域相关性。实际中，在天线单元间距以及达波角度扩展 较小时，空域相关性影响不能忽略。与时域及频域相关性相比，空域相关性对达波 角谱分布具有更大的依赖性。对相关性的研究通常忽略天线单元的方向性与互耦的 影响，并假定达波等功率入射，以简化分析计算。 a _ 岫s h nt 姆kd h 口玉u l b “ 3 2 由8 根天线的环形天线阵列分布情况圈 实际上，随着多天线系统日趋复杂以及小型化，这些因素已不能忽略。衰落信 号的相关性直接导致分集增益减小与信道效率下降，为准确分析和构建m i 舯系统， 合理设计町如系统的多天线结构，系统地分析和评估m i 信道中接收信号的空域 相关性是十分必要的 图3 2 表示我们研究的天线阵列的结构矗e 们用8 个完全相同的天线元素均匀 地放置在一个半径为r 的圆形上，组成我们所需的环形天线阵列，m 是半径r 上的 不同位置。天线都是全方向性的，对波形的角度和频率有非均匀感知。天线在空间 的分布可以是均匀的，也可以是非均匀的。在此我们应用空间相关性模型分析精确 和近似的情况考虑了三种信号能量分布：均匀分布、高斯分布和拉普拉斯分布。 早期的文献一般都假设信道模型为i i d 瑞利衰落，这只有在天线元素间距 或者入射波角度扩展足够大时才满足。然而，实际传播环境中，要么因具体实现而 1 6 南京信息工程大学硕士论文 相关性矩阵应用于环形m i m o 天线阵列的容量研究 使大线间距受限，要么因为空间散射不丰富而使得入射角扩展范围较小，从而造成 各天线元素上信号问的相互关联性，即信道各衰落系数之间不再统计独立