（通信与信息系统专业论文）分布式无线信号的波形优化关键技术研究.pdf

摘要 摘要 分布式发射天线具有高容量、低功耗、覆盖广、低电磁损害等优势，被认为 是未来移动通信系统的关键技术之一，正越来越多地受到学术界及产业界的关注。 在分布式发射天线中，由于发射天线分布在不同的地理位置，引入了以下问 题： ( 1 ) 如何布局发射天线才能使系统的误码率最小。 ( 2 ) 传播距离不同使得各发射天线的信号异步到达移动台，导致传统m i m o 基 于同步到达的信号设计方法不再适用，有必要研究分布式信号的波形设计 方法。 本文围绕着上述问题展开了研究。 针对分布式o f d m ，根据信道的异步特性，提出了适用于分布式o f d m 的循 环前缀设计准则。采用该准则后，异步到达的信号被视为循环移位信号，不会造 成干扰。本文推导了基于该准则下的系统误符号率性能上限，并推导了采用集中 式o f d m 循环前缀准则下的系统误符号率性能上限。仿真结果证明了理论分析的 正确性。 针对分布式发射天线单频网的信号设计进行了研究。通过误对概率分析，推 导出信号的设计准则。在该准则下，分析得到了单频网能获得的分集度，设计了 能达到该分集度的信号，并且设计出两种能达到满分集度的信号。在此基础之上， 通过子载波交织分组的方法，设计了低复杂度的信号。仿真结果表明，所设计的 信号较之无信号设计，提供了8 d b 左右的系统增益。 针对分布式发射天线单频网，基于子载波交织分组的信号设计方法，利用异 步时延，提出了一种优化信号的方案，该方案在移动台位置和系统性能之间进行 折中，为远离所有发射天线或处于小区交界处的用户提供更大的性能增益。通过 仿真发现，提出的信号优化设计方法，能获得5 9 d b 的性能增益。同时仿真结果 表明，在欧洲电信标准委员会针对数字广播信号陆地传输标准提出的系统设置下， 本文提出的信号优化设计方法较之无信号设计，提供了大概1 9 2 5 d b 左右的增 益。 摘要 针对线形小区，研究了分布式s t b c o f d m 的最佳天线位置。以最小化区域 平均误比特率( a a b e p ) 为目标，证明了系统获得最小a a b e p 时，发射天线应该关 于线形小区中心对称分布的结论。在此基础上，推导出发射天线最优位置的计算 公式。通过仿真，证实理论分析与仿真结果具有相同的趋势。同时仿真结果表明， 随着信噪比的增加，理论分析曲线与仿真结果曲线之间的间隔越来越小，这与理 论推导过程中的分析一致。 本文在分布发射天线系统方面做出的上述研究成果，可应用于下一代基于分 布天线思想的分布式蜂窝移动通信网、分布式无线局域网、分布式数字无线电栅 广播等无线通信系统的信号处理技术中，具有重要的理论及经济价值。 关键词：分布式发射天线，单频网，正交频分复用，线形小区，最优天线位置 i i a b s t r a c t a b s t r a c t d i s t r i b u t e dt r a n s m i ta n t e n n ai sp r o m i s e da sak e yt e c h n o l o g yi nf u t u r ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sd u et oi t su n i q u em e r i t ss u c ha sl a r g es y s t e mc a p a c i t y ，l o w t r a n s m i tp o w e r , u n i f o r ma n de n h a n c e dc o v e r a g ea n dl o wr a d i a t i o no nt h eh u m a nb o d y d i s t r i b u t e dt r a n s m i ta n t e n n ai s d r a w i n gi n t e n s i v ea t t e n t i o nb o t hf r o ma c a d e m i ca n d i n d u s t r y i nd i s t r i b u t e dt r a n s m i ta n t e n n as y s t e m s ，t h e r ee x i s tt h ef o l l o w i n gp r o b l e m s ： ( 1 ) h o wt op l a c et r a n s m i ta n t e n n a ss o a st oo b t a i nt h em i n i m u mb i te r r o r p r o b a b i l i t y ( 2 ) t h et r a n s m i ta n t e n n a sa r en o tc o 1 0 c a t e d ，b u td i s t r i b u t e di nd i f f e r e n t1 0 c a t i o n s ， m a k i n gt h ed i s t a n c ef r o md i f f e r e n tt r a n s m i ta n t e n n a st o 也em o b i l es t a t i o n d i f f e r e n t h e n c e ，t h et r a n s m i ts i g n a l sf r o md i f f e r e n tt r a n s m i ta n t e n n a s e x p e r i e n c ed i f f e r e n tc h a n n e lp r o p a g a t i o nd e l a y st oa r r i v ei nt h em o b i l es t a t i o n b e c a u s eo ft h ea s y n c h r o n o u sa r r i v a lo ft r a n s m i ts i g n a l si nd i s t i l b u t e dt r a n s m i t a n t e n n as y s t e m s t h es i g n a ld e s i g nm e t h o d si nt r a d i t i o n a lm i m 0s y s t e m sc a n n ol o n g e rb ea p p l i e di nd i s t r i b u t e dt r a n s m i ta n t e n n as y s t e m s n o v e lt r a n s m i t s i g n a ld e s i g nm e t h o di sn e e d e dt os o l v et h i sp r o b l e m t h i st h e s i sp r e s e n t ss o m er e s e a r c hw o r ki nt h e s ep r o b l e mm e n t i o n e da b o v e ： f o rd i s t r i b u t e dt r a n s m i ta n t e n n as y s t e m sw i t ho r t h o g o n a l 行e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，ac y c l i cp r e f i xc r i t e r i o ni sp r o p o s e d o nt h eb a s i so ft h ec r i t e r i o n ，t h e m o b i l es t a t i o nc a n n o ts u f f e rf r o mi n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c ec a u s e db ya s y n c h r o n o u s d e l a y s y m b o le r r o rr a t i oi sd e r i v e dt od e m o n s t r a t et h i sr e s u l t s o m es i m u l a t i o nr e s u l t s a r ep r e s e n t e dt oc o n f i r mt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s f o rs i n g l ei j r e q u e n c yn e t w o r k s ( s f n s ) ，e m p l o y i n gm u l t i p l ed i s t i l b u t e dt r a n s m i t a n t e n n a s ，t h i st h e s i sf o c u s e so nh o wd e s i g n i n gt r a n s m i ts i g n a l ss oa st oi m p r o v et h e s y s t e mp e r f o f i n a n c e c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fm u l t i p a t hf a d i n g ，p a i r w i s e e r r o r p r o b a b i l i t yc o n d i t i o n e do ns h a d o w i n gi sa n a l y z e da n ds i g n a ld e s i g nc r i t e r i o ni sd e r i v e d o u ra n a l y s i ss h o wt h a tt h ea c h i e v a b l ed i v e r s i t yo r d e ro fs f n si n c r e a s e sa st h en u m b e r o fr e s o l v a b l ec h a n n e lt a p sb e t w e e nt r a n s m i ta n dr e c e i v ea n t e n n a si n c r e a s e s o n e t r a n s m i ts i g n a li sp r o p o s e dt oo b t a i nt 1 1 ea c h i e v a b l ed i v e r s i t yo r d e r , a n dt w of u l l - r a t e 如1 1 d i v e r s i t yt r a n s m i ts i g n a l sa r ep r o p o s e d m o r e o v e r , b a s e do ni n t e r l e a v e d p a r t i t i o n s u b c a r r i e rg r o u p i n g ，t h es i g n a l sw i t hl o wc o m p u t a t i o nc o m p l e x i t ya r ep r o p o s e d b yt h e c o m p u t e rs i m u l m i o n i ti so b s e r v e dt h a tt l l es f nu s i n gt h ep r o p o s e d 仃a n s m i ts i g n a l o u t p e r f o r m st h es f nw i t h o u tt h ep r o p o s e dt r a n s m i ts i g n a la b o u t8d b f u r t h e r , b a s e do ni n t e r l e a v e d p a r t i t i o n s u b c a r i l e rg r o u p i n gf o rs i n g l ef r e q u e n c y n e t w o r k s ，w es h o wt h a td i f f e r e n ti n t e r l e a v i n gm e t h o d sr e s u l ti nd i f f e r e n tp e r f o r m a n c e d u et oa s y n c h r o n o u sd e l a y sc a u s e db yu n e q u a ld i s t a n c e sb e t w e e nd i s t r i b u t e dt r a n s m i t a n t e n n a sa n dm o b i l er e c e i v e r s t oo p t i m i z et h e p r o p o s e d t r a n s m i t s i g n a l ，o n e i i i a b s t r a c t i n t e r l e a v i n gs c h e m e ，e s t a b l i s h i n gat r a d e o f fb e t w e e nm o b i l er e c e i v e r s l o c a t i o na n d p e r f o r m a n c e i si n t r o d u c e di nt e r m so ft h ea s y n c h r o n o u sd e l a y s s i m u l a t i o nr e s u l t sa r e p r e s e n t e di nar e p r e s e n t a t i v es c e n a r i ot od e m o n s t r a t et h ep e r f o r m a n c eg a i n sa b o u t 5 - 9 d bo f f e r e db yt h ep r o p o s e do p t i m u r nt r a n s m i ts i g n a l t h ep r o p o s e ds c h e m ed o e sn o t i n t r o d u c ea n yc h a n g e sa tt h em o b i l er e c e i v e r s b a s e do nt h es t a n d a r do fd v b te t s i e n 3 0 07 4 7 s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e do p t i m u mt r a n s m i ts i g n a lo f f e r e d p e r f o r m a n c eg a i n sa b o u t1 9 2 5 d b f o ral i n e a re e l ld o w n l i n kd i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e mw i t hs p a c e t i m eb l o c kc o d e d o r t h o g o n a l 丹e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，t h i st h e s i sf o c u s e so nw h e r et op l a c e t r a n s m i ta n t e l l n a ss oa st oo b t a i nt h eb e s tp e r f o r m a n c e a i m i n gt os o l v et h i sp r o b l e m t h ea a b e pi sd e r i v e d ，c o n s i d e r i n gt h ee f f e c t so fp a t hl o s s ，c o r r e l a t e ds h a d o w i n g m u l t i p a t hf a d i n g b a c k g r o u n dn o i s ea n dm o b i l es t a t i o nl o c a t i o n o u ra n a l y s i ss h o w st h a t t h ea n t e n n a ss h o u l db el o c a t e ds y m m e t r i c a l l ya b o u tt h ee e l lc e n t e ri no r d e rt oa c h i e v e t h em i n i m u ma a b e rb a s e do nt h er e s u l t o p t i m a lt r a n s m i ta n t e n n al o c a t i o ni sd e r i v e d b yt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n ，i ti so b s e r v e dt h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa g r e ew i t ht h e t h e o r e t i c a la n a l y s i s f u r t h e r m o r e ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eg a pb e t w e e nt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h et h e o r e t i c a lr e s u l t sd e c r e a s e sa ss n ri n c r e a s e s t h er e s e a r c hr e s u l t so fd i s t r i b u t e dt r a n s m i ta n t e n n as y s t e m si nt h i sp a p e rc a nb e a p p l i e di nt h es i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e so ft h en e x tg e n e r a t i o nd i s t r i b u t e da n t e n n a s y s t e m sb a s e dd i s t r i b u t e dc e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，d i s t r i b u t e dw i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k s ，d i s t r i b u t e dd i g i t a lt v r a d i ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ， w h i c ha r eo fg r e a tt h e o r e t i c a li m p o r t a n c ea n de c o n o m i cv a l u e k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e dt r a n s m i ta n t e n n a ，s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k ，o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，l i n e a rc e l l ，o p t i m a la n t e n n al o c a t i o n i v 图目录 图目录 图1 1 集中式m i m o 接收机第，个天线收到的信号r a t ) 7 图1 2分布式m i m o 接收机第，个天线收到的信号_ ( f ) 一7 图3 1频率选择性集中式m i m o 信道下的接收信号2 1 图3 2频率选择性分布式天线信道下的接收信号2 1 图3 3采用传统c p 准则时的接收信号2 3 图3 4采用本文建议c p 准则时的接收信号2 3 图3 54 发l 收、采用不同c p 准则时性能对比3 2 图3 6c p 准则、发射天线数与性能的关系3 2 图4 1分布式发射天线单频网的收发结构3 6 图4 2子载波交织分组4 5 图4 3子载波交织深度等于1 时的相位因子5 2 图4 4选择恰当予载波交织深度时的相位因子5 2 图4 5带有4 根分布式发射天线的单频网仿真场景5 4 图4 6瑞利信道下不同信号设计方案的性能对比5 5 图4 7瑞利信道下发射信号优化的性能对比5 5 图4 8莱斯信道下发射信号优化的性能对比5 6 图4 9基于d v b te t s ie n 3 0 07 4 7 标准下发射信号优化的性能对比5 7 图5 1线形小区模型6 1 图5 2 发射机与移动台的结构6 l 图5 3s t b c 编码示意图6 2 图5 4发射天线间隔固定、不同天线位置的a a b e p 性能对比7 3 图5 5发射天线对称放置、天线间距不同时的a a b e p 性能对比7 3 v i i 表目录 表目录 表3 一lt u 信道参数31 v i i i 缩略词表 a a b e p a w g n b e p b p s k c d m a c p d f t f f t g s m i c i i s i i d f t i f f t l o s m p s k m i m o m m s e o f d m p d f p e p q p s k s e r s f n s i s 0 s n r s t b c v b l a s t z f 缩略词表 a r e aa v e r a g e db i te r r o rp r o b a b i l i t y a d d i t i v e ，l l i t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rp r o b a b i l i t y b i n a r yp h a s es 1 1 i rk e y i n g c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c y c l i cp r e f i x d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m f a s tf o u r i e rt r a n s f o t i n g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r r n i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o i t n l i n e o f - s i g h t m a r yp h a s es h i f tk e y i n g 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 ee r r o r 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 p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n p a i r w i s ee r r o rp r o b a b i l i t y q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g s y m b o le r r o rr a t e s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t s i g n a l t o - n o i s er a t i o s p a c et i m eb l o c kc o d e s v e r t i c a lb e l ll a b o r a t o r i e s l a y e r e d s p a c e - t i m e z e r of o r c i n g i x 区域平均误比特率 加性白高斯噪声 误比特率 二进制相移键控 码分多址 循环前缀 离散傅立叶变换 快速傅立叶变换 全球移动通信系统 载波间干扰 符号间干扰 逆离散傅立叶变换 逆快速傅立叶变换 视距 多进制相移键控 多输入多输出 最小均方误差 正交频分复用 概率密度函数 误对概率 正交相移键控 误符号率 单频网 单输入单输出 信噪比 空时分组码 垂直贝尔实验室分层空 时 迫零 主要数学符号表 符号类别 变量 矢量 矩阵 矢量、矩阵转置 矢量、矩阵转置共轭 变量共轭 变量求模 数学期望 f r o b e n i u s 范数 矩阵的秩 矩阵的行列式 以1 0 为底的对数 自然对数 单位矩阵 k r o n e c k e r 乘积 主要数学符号表 示例 口 a a a t ，a t a h ，a h a h e 口) ，e a ，e a ) f ，l l a l | f r a n k a ) d e t a l o g ( a ) l n ( a ) k 国 x 子体和说明 小写斜体 小写粗体 大写粗体 ( ) t ( ) h ( ) + | i e ) f r a n k d e t l o g ( ) 1 1 1 ( ) m m 的单位矩阵 k r o n e c k e r 乘积 独创性声明 本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工作 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 获得电子科技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已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：红碧 眺烨钿夕日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容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、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：趁坠堇导师签名：山量导师 日期 第一章绪论 第一章绪论帚一早殖t 匕 在世界各国中，无线通信产业已成为各国信息基础建设的一个不可缺少的部 分。在我国，近几年的个人移动用户数目激增，无线通信行业的大发展带动了整 个通信产业，信息与通信产业在我国国民生产总值中所占的比重也不断提高，逐 渐成为经济发展的支柱型产业。 通信作为人们在信息获取和交流中不可缺少的重要工具，已经在当今信息化 时代扮演着越来越重要的角色。因此，世界各国都在致力于现代通信技术的研究。 在信息传输技术中，移动通信作为能够提供快速的、便捷、可靠的通信方式，是 当今通信领域中最为活跃和发展最为迅速的领域之一。移动通信发展的目标是使 人类“不论何时、不论何地都能与任何人交流任何信息”的通信愿望成为现实。 1 1 课题背景 过去的二十多年里，无线通信技术得到了迅猛的发展和广泛的应用。移动通 信特别是蜂窝小区的迅速发展，使用户彻底摆脱终端设备的束缚、实现完整的个 人移动性、可靠的传输手段和接续方式。移动通信是当今通信领域内最为活跃和 发展最为迅速的领域之一，也是在二十一世纪对人类的生活和社会发展有重大影 响的科学技术领域之一。 第一代移动通信系统是模拟移动通信系统，在2 0 世纪初开始了商业运营试验。 它对移动通信的最大贡献是使用蜂窝结构，频带可重复利用，实现大区域覆盖： 支持移动终端的漫游和越区切换，实现移动环境下不间断通信。第一代移动通信 系统的出现和发展，最重要的特点是体现在移动性上，这是其他任何通信方式和 系统不可替代的，从而结束了过去无线通信发展过程中时常被其他通信手段替代 而处于辅助地位的历史。 第二代移动通信系统是目前广泛使用的数字移动通信系统g s m 及窄带 c d m a ，数字信号处理技术是其最基本的技术特征，提供了更高的频谱效率，更 先进的漫游。它对移动通信发展的重大贡献是使用s i m 卡、轻小手机和大量用户 的网络支撑能力。使用s i m 卡作为移动通信用户个人身份和通信记录的载体，为 电子科技大学博士学位论文 移动通信管理、运营和服务带来极大便利。 第三代移动通信系统是正在全力投入开发的系统，其最基本的特征是智能信 号处理技术，实现基于话音业务为主的多媒体数据通信，更高的频谱效率、更高 的服务质量及低成本。其目标是：实现全球无线覆盖，真正实现“任何人，在任 何地点、任何时间与任何人”都能便利地通信。 随着第三代移动通信系统技术与设备的成熟，未来移动通信系统的发展方向 受到了越来越多人的关注。 未来的移动通信系统必须能够支持高速传输业务( 数据速率为几十兆比特每秒 到几百兆比特每秒) 、支持高的终端移动性( 移动速度高达每小时几百公里) 、支持 高的传输质量( 数据业务的误码率低于1 0 - 6 ) 、提供高的频谱利用率和功率效率、并 能够有效地支持在用户数据速率、用户容量、服务质量和移动速度等方面大动态 范围的变化。 未来无线通信发展的主要问题是，更高传输速率的需求与频谱资源的矛盾。 这就好似越来越多的车俩拥挤在狭窄的公路上。虽然现在比较成熟的蜂窝系统通 过频率复用技术、多址接入技术等提高了系统容量，但是，基于现有技术的蜂窝 系统，当其蜂窝范围小到一定程度时，由于其大尺度衰落大的假设不成立，干扰 的影响致使现有蜂窝系统的容量无法提高。如何提高频谱利用率、提高系统性能， 是未来无线通信面临的一个巨大挑战。 为了满足未来无线通信的需求，新一代移动通信系统第四代移动通信系 统( 4 t hg e n e r a t i o n , 4 g ) 的研究正越来越多的受到学术界及产业界的关注【2 j 。第四代 移动通信系统中一项引人注目的新技术是，发射端与接收端都有多根天线的多输 入多输出( m i m o ) 技术。m i m o 技术在不增加带宽的前提下，能提高系统容量。 m i m o 技术又分为集中式m i m o 技术和分布式m i m o 技术。无线通信系统中 的集中式m i m o ( c a m i m o ：c e n t r a l i z e da n t e n n am i m o ) ，是指发射天线集中于一 处、接收天线集中于另一处地理位置的m i m o 无线通信系统【3 】【4 】。无线通信系统中 的分布式m i m o ( d a m i m o ：d i s t r i b u t e da n t e n n am i m o ) 是指：发射天线分布于不 同的地理位置且接收天线集中于一处地理位置，或发射天线和接收天线均分布于 不同地理位置的m i m o 无线通信系统【4 】【5 】【6 】【7 1 。 2 第一章绪论 1 1 1 集中式m i m 0 技术概况 无线通信系统中的集中式m i m o ，是指发射天线集中于一处、接收天线集中 于另一处地理位置的m i m o 无线通信系统。集中式m i m o 又称点到点 ( p o i n t t o p o i m ) m i m o ，目前的集中式m i m o 都是同步m i m o ( 每个发射天线的信号 同步到达接收端的m i m o 系统) 。 集中式m i m o 与发射端和接收端均为单天线的s i s o 系统相比【8 】，具有频谱效 率更高等优点。1 9 9 8 年，贝尔实验室的v - b l a s t 实验系统在室内环境下达到了 2 0 - 4 0b i t s h z 的频谱利用率 9 1 。 m i m o 技术在通信系统中的应用可以追溯到2 0 世纪7 0 年代，但是对无线移动 通信系统中m i m o 技术产生巨大推动的奠基工作则是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l lo j ；1 9 9 6 年f o s h i n i a 给出了一种m i m o 空时信号处理算法一对角贝尔实验室分层空时( d i a g o n a l b e l l l a b sl a y e r e ds p a c e t i m e ，d b l a s t ) 算法【1 1 j ；1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了用于m i m o 的空时码【1 2 】；1 9 9 8 年w o l n i a n s k y 等人采用垂直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 0 b i t s h z 以上的频谱利 用率【9 】，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关注， 并使得m i m o 的研究工作得到了迅速发展i l0 1 。 m i m o 技术在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，信号通过 发射端的和接收端的多个天线传送和接收，其技术优势在于可以通过多天线发射 和多天线接收获得复用增益、分集增益和阵列增益，从而使移动通信系统的容量 和性能得到明显地提耐1 0 】。对上述三种增益的描述详细如下： ( 1 ) 复用增益：在采用空间复用方案的m i m o 系统中，可以获得复用增益，即 数据传输速率的增加。传输速率的增加与发射接收天线对的数目成正比。 ( 2 ) 分集增益：在采用空间分集方案的m i m o 系统中，可以获得分集增益，即 系统误码率性能的改善。分集增益用独立衰落的支路数来描述，即分集阶 数。在使用了空时编码的m i m o 系统中，分集阶数等于发射天线数与接收 天线数的乘积。 ( 3 ) 阵列增益：阵列增益是指由于接收机通过对接收信号的信噪比( s i g n a l t o - n o i s er a t i o ，s n r ) 相干合并而获得的平均s n r 的提高。在发射机不知道信 3 电子科技大学博士学位论文 道信息的情况下，m i m o 系统可以获得的阵列增益与接收天线数成正比。 m i m o 技术的核心思想是空时信号处理，也就是利用在空间中分布的多个天 线将时间域和空间域结合起来进行信号处理，它有效地利用了随机衰落和可能存 在的多径传播。m i m o 技术成功之处主要是它能够在不额外增加所占用的信号带 宽的前提下提高频谱利用率，改善通信质量。空时码主要有两大类：一类是基于 发射分集的空时格码( s p a c et i m et r e l l i sc o d e s ，s t t c ) 和空时分组码( s t b c ) 列；另 一类是基于非发射分集的分层空时码( l a y e r e ds p a c et i m ec o d e s ，l s t c ) 例【l 。 空时格码是由朗讯实验室的t a r o k h 等提出的空时编码技术，适用于多种无线 信道环圳1 2 】。s t t c 综合考虑了信道编码、调制、发射分集和接收分集的设计，能 够提供较大的编码增益、频谱利用率和分集增益。s t t c 吸收了延时分集技术和多 路格形编码调制技术的优点，通过传输分集与信道编码相结合来提高系统的抗衰 落性能。s t t c 的设计准则是为了得到最大的分集增益，需要遵循秩准则；在满秩 的前提下，为了使误码率最小，要遵循行列式原则l l 引。s t t c 方案可以获得与最大 比合并接受相同的分集增益，而且还可以获得编码增益。s t t c 建立了空域中的信 号( 发射天线) 和时域中的信号( 连续时域信号) 的内在联系。s t t c 接收机采用给予 信道衰落系统估计和最大似然的v i t e r b i 译码或者最大后验概率译码，可以获得较 好的性能，但其解码的复杂度比较高。具体而言，当发射天线数固定时，空时格 码的解码复杂度( 由解码器的网格状态数度量) 随传输速率成指数级增长。 空时分组码是由a t & t 的t a r o k h 等人在a l a m o u t i 的研究基础上提出的。 a l a m o u t i 提出了采用两个发射天线和一个接收天线的系统可以得到采用一个发射 天线两个接收天线系统同样的分集增益。t a r o k h 等人从中受到启发，应用正交理 论，将该方案推广到具有任意发射天线数的发射分集系统，由此提出了空时分组 码【1 2 】。空时分组码正是利用正交设计的原理分配各发射天线上的发射信号格式， 实际上是一种空间域和时间域结合的正交分组编码方式。空时分组码可以使接收 机解码后获得满分集增益，且保证译码运算仅仅是简单的线性合并，使译码复杂 度大大降低。 分层空时码是将信源数据分为几个并行的子数据流，对它们独立地进行编码 和调制的技术，故它不是基于发射分集的。贝尔实验室的f o s c h i n i 等人首先提出 了一种对角分层空时码【1 1 】，发射信息按照对角线进行空时编码，在独立的瑞利衰 落环境下，这种结构获得了巨大的理论容量，它的容量随发射天线的数目线性增 4 第一章绪论 长，可以达到9 0 的香农信道容量。虽然d b l a s t 具有较好的空时特性和层次结 构，但是它的一个缺陷就是复杂度比较高。随后提出了水平分层空时码( h o r i z o n t a l b e l ll a b sl a y e r e ds p a c e t i m e ，h b l a s n 和垂直分层空时码纠。 对于h b l a s t ，输入比特流经过串并转换后先在时域内进行编码调制，然后 第f 路编码和调制模块输出的符号恒定地由第f 根天线发射出去。d b l a s t 与 h b l a s t 的区别在于，d b l a s t 将编码后的数据重新排序，将m 路编码与调制 模块输出的符号循环地通过m 根天线发射出去，形成了有规律的对角线。 v - b l a s t 与h b l a s t 不同的则是通过串并转换后，编码和调制模块并不对比特 流进行编码。d b l a s t 的性能较好，但编译码过程都比较复杂；虽然h b l a s t 的译码简单，但其空时特性比较差；而v - b l a s t 的性能较好，译码复杂度不大， 因此得到广泛应用。基于v - b l a s t 结构的系统已经在实验室进行了实验验证，在 室内慢衰落的环境下，该系统的频谱效率高达4 0 b i t s h z 。 1 1 2 分布式m i m o 技术概况 无线通信系统中的分布式m i m o 是指：发射天线分布于不同的地理位置且接 收天线集中于一处地理位置，或发射天线和接收天线均分布于不同地理位置的多 天线无线通信系统。 分布式m i m o 系统的概念最早于1 9 8 7 年由s a l e h 等人提出，用于解决室内无 线通信的覆盖问题【4 1 。近年来分布式m i m o 系统以其在提高系统容量和减少发射 功率方面的优势受到了学术界和工业界的广泛关注。 在分布式m i m o 系统中，基站天线不再集中在一处，而是分布在小区中不同 的地理位置，分布在不同地点的基站天线由光纤或者同轴电缆与一个中心信号处 理器相连。这样，每个基站天线将接收到的移动台信号统一传送到中心信号处理 器进行处理，而中心处理器也可以将信号通过光纤或者同轴电缆送到多个基站天 线发送给移动台。分布式m i m o 系统与传统的集中天线系统( c e n t r a l i z e da n t e n n a s y s t e m s ，c a s ) 的主要区别在于天线是否集中在一处地理位置。 分布式m i m o 系统将传统基站集中的天线改为分布式结构，基站的信号处理 功能由一中心处理器实现，基站天线与中心处理器之间使用光纤连接，因此天线 可以随意延伸到较远的地方以减少盲区。同时，由于处理控制功能都在中心处理 器实现，光