（通信与信息系统专业论文）天线相关性对面向接收机的发射技术性能影响研究.pdf

重庆邮电人学硕斗= 论文摘要 摘要 面向接收机的发送技术可以降低接收端的复杂性并提高系统吞吐量，是当f i i f 的研究热点之一，较为成熟的技术方案主要有线性的m i m 0j t 、t x m m s e 、t x m f 等以及非线性的t x n z f 、t h p 等两大类。目前这些发送技术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 m i m o 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。特别是移动终端的天线单元受终端体积限制而往往不能达到足够的空删 距离时。研究m i m o 系统中天线相关性对各种发送技术的性能影响，对各种发送 技术的实际应用具有理论参考价值和实践指导意义。 ， 本文首先讨论了m i m o 系统中天线相关性的表述模型；然后在多用户m i m o 下行链路模型的基础上给出几种常见的面向接收机的线性发送技术，以及天线相 关性对其性能的影响：最后给出面向接收机的非线性发送技术，以及天线相关性 对其性能影响。上述性能仿真研究都是在t d s c d m a 系统应用环境下进行的。 研究结果表明，天线相关性对线性和非线性发送技术性能的影响趋势是一致的： 低信噪比时天线相关性的影响较小，几乎可以忽略：高信噪比时天线相关性的影 响较为显著，可导致最多约2 d b 的性能恶化。 关键词：t d s c d m a ，多用户m i m o ，天线相关性，信道估计，面向接收机的发 送技术 重庆邮电人学硕十论文摘要 a b s t r a c t r xo r i e n t e dt r a n s m i s s i o nc a l lr e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft e r m i n a la n di n c r e a s e t h r o u g h p u to fs y s t e m ，w h i c hi s t h eh o to fs t u d yt o d a y t h e s ek n o w nv e r yw e l l i n c l u d el i n e a ra n dn o n l i n e a r , s u c ha sm i m oj t ( m u l t i u s e rj o i n tt r a n s m i s s i o n ) ， t x m m s e ( t r a n s m i tm i t i i t n u i nm e a ns q u a r ee r r o r ) t x m f ( t r a n s m i tm a t c hf i l t e r l a n dt x n z f ( n o n - l i n e rz e r of o r c i n g ) ，t h p ( t o m l i n s o n - h a c a s h i m ap r e c e d i n g ) r e s p e c t i v e l y 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 n n e lc o e f f i c i e n t sa r e i n d e p e n d e n ti 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 n st h a tt h e a n t e n n ae l e m e n t si nm 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 l e l e c t r o m a g n e t i c ss h o w n t h ee 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 r t 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 i lt h ei m p a c to fc o r r e l a t e da n t e n n a so n t h er xo r i e n t e dt r a n s m i ti se m e r g e n tf o ra p p l i c a t i o no f r xo r i e n t e dt r a n s m i s f i o n t h i sp a p e rd i s c u s st h ec h a r a c t e r i z a t i o no fc o r r e l a t e da n t e n n a sf i r s t , t h e np r e s e n t s e v e r a lr xo r i e n t e dl i n e a rt r a n s m i s s i o ns c h e m e sf o rm u l t i 1 a s e rm i m 0d o w n l i n ka n d i m p a c to fc o r r e l a t e da n t e n n a so nt h es c h e m e s ，i np a r t4l i o n l i n e a rt r a n s m i s s i o nw e r e p r e s e n t e da n dd i s c u s st h ei m p a c to fc o r r e l a t e da n t e n n a so ni t a l lr e s e a r c h e sa n d s i m u l a t i o na b o v ea r eb a s e do nt d - s c d m a s y s t e m t h ed i g i t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e p e r f o r m a n c ew i l ld e c r e a s eu pt o2 d ba b o u td u et ot h ec o r r e l a t e da n t e n n a 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 ，c h a n n e le s t i m a t i o n , a n t e n n a c o r r e l a t i o n ，r xo r i e n t e dt r a n s m i s s i o n 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，也不包含为获得重废壑皇盔兰或其他教育机构 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。 学位敝作者签名象纺 签字隰一 年加留日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆塑皇太堂有关保留、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。本人授权重废监电太堂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适用本授权书) 学位论文作者签名： 墨丢 导师签名： 乃磙 签字日期：文旬年j 月害日 签字日期：年 月 日 1 1 重庆邮电人学硕十论文 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 ) 1 1 1 。 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 i ： 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( 1 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 ( e 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 a 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 ) o 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 重庆邮电人学硕+ 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i t u 通过的3 g 无线通信标准1 ”。 它是世界上第一个采用时分双工( t d 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【3 】。 1 2 8 m e h i p s d w p t s ( 9 6 c h i p s ) 一jm 1 - 4 、1 i p j ，一 t 转换点 t s o it s l t t s 2 t t s 3 t t s 4 lt s 5 lt s 6 上 图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 同步，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，用时间来分离接收和发送信道。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( 包交换和因特网等) ，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 。其中联合检测技术就是面向发射机的接收技术之一。 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 重庆邮电人学硕十论文第一章绪论 测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【5 】o 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。 ( 爿a “) 一a ” 幽1 2 联台检测原理图 图1 2 给出了联合检测技术的原理框图【7 羽。它是一种面向发送的技术，即 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并导致复杂的检测算法，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 面向接收机的发送技术的提出 与面向发射机的接收技术相对，一些文献1 9 提出了一种适用于t d c d m a 系统下行链路的面向接收机的发送技术。这种发送技术中，接收端算法是优先 确定的，并且为发送端已知，发送端在已知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1 9 。13 】。根据发送端算法的不同确定方式、面 向接收机的发送技术主要有多用户联合传输技术( m i m oj t ) 、最小均方误差发 送技术( t x m m s e ) 、匹配滤波发送技术( t x m f ) 、非线性迫零发送技术( t x n z f ) 等等。这些技术可以充分的利用t d d 上下行信道互惠特性带来的上下行信道冲 激相应近似相等的特点，在下行链路移动终端不需要利用训练序列估计信道， 3 重庆邮电人学硕十论文 第一章绪论 可以将传送训练序列的部分用来传送有用数据，因此提高了下行链路的有用数 据速率，提高了系统容量| 2 】。这些发送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。因此，在t d s c d m a 第三代移动通 信系统下行链路中，它很自然地将成为最佳选择。 图1 3 说明了面向接收机的发送技术之一基于传输迫零( t x z f ) 准则的 联合传输技术的基本原理1 9 “”。 、- u - - 一 口h ( b 后h ) 一 1 4 选题意义 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 、，- - - - - - - - - - - - _ - 一 b 幽1 3 基于t x z f 准! l ! 【j 的联合传输技术基本原理圈 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。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。所以研究出了一系列具有十分重要的理论价值和实用价值、可以降低m i m o 下行链路检测复杂度的面向接收机的发送技术，主要是利用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中对信道进行估计， 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，移动台仅需简单的检测算法就可以得到该用户的有用 数据。 这些基于m i m o 系统的发送技术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 在的相关性对各种发送技术的性能影响，为m i m o 系统在实际应用时对这些发 送技术的选择提供理论参考具有理论价值和实践指导意义。 4 重庆邮电大学硕十论文 第一章绪论 另外，由于t d s c d m a 系统将联合检测技术列为一项关键技术，如果要有 效地消除多址干扰( m a i ) 和符号问干扰( i s i ) 就需要在接收端获得信道冲激 响应信息，接收机要对信道进行估计。训练序列( m i d a m b l e 码) 在t d s c d m a 系统中起着十分重要的作用，其中一个关键作用就是用作信道估计。因此，目 酊的t d s c d m a 系统实际采用的b u r s t 结构如下1 【3 1 ： d a t as y m b o l sm i d a m b l ed a t as y m b o l s g p 3 5 2c h i p s1 4 4c h i p s3 5 2c h i p s 1 6 c p 1 6 7 5 u s b u r s t 中的数据分为两部分，而中间是m i d a m b l e 码。这使得t d s c d m a 下 行链路存在一个缺点：一个用户的特殊训练序列在脉冲格式中是固定的，每个 用户必须使用特殊训练序列来进行信道估计，训练序列占用了每b u r s t 的1 4 4 个 c h i p 来放置m i a m b l e 码，浪费了系统资源，降低了下行链路的有用数据速率。 应用了面向接收机的发送技术后，它可以充分地利用t d d 模式信道互惠的 特性，通过上行链路估计出信道信息，并将之用于下行链路中。这种方式的优 点在于下行不再需要用户的特殊训练序列来做信道估计，m i d a m b t e 码的位置可 全部用来放置数据： d a t as y m b o l s ， 引 8 4 8c h i p s 1 1 面向接收机的发送技术由于不需要训练序列，因而增加了t d s c d m a 下行 链路所提供的有用数据速率，提高了系统容量。面向接收机的发送技术与 t d s c d m a 系统相结合产生的这些优点，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 系统中天线单元之问的相关性建模； ( 2 ) t d s c d m a3 g 系统采用t d d 模式，便于应用面向接收机的发送技 术，同时该系统的容量和性能还有待进一步改进。因此，将各种面向接收机的 发送技术应用于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； ( 3 ) t d s c d m a 应用在即，评估m i m o 系统中的天线单元之间的相关性 对这些技术的性能影响追在眉睫并具有较高的理论价值和实践指导意义。 5 重庆邮电人学硕十论文 第一章绪论 1 5 论文结构 本文主要研究了天线相关性对各种面向接收机的发送技术性能的影响，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，面向接收机的发送技术的产生背景， 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，主要包括无线信道、 m i m o 技术以及天线相关性及其建模。 第三章首先给出了多用户m i m o 下行链路模型，在此基础上讨论了调制矩 阵和解调矩阵的不同选择衍生的各种面向接收机的线性发送技术并就天线相关 性对这些发送技术的性能影响进行仿真分析。结果表明，低信噪比时天线相关 性对线性发送技术的性能影响几乎可以忽略：高信噪比时的影响较为明显，可 导致最大2 3 d b 的性能恶化。 第四章讨论面向接收机的非线性发送技术，并就天线相关性对非线性发送 技术的性能影响进行仿真分析。结果表明天线相关性对非线性发送技术的性能 影响趋势与对线性发送技术的性能影响趋势是一致的，但非线性发送技术性能 更好和而且稳健。 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。 6 重庆邮电人学硕十论文第二章m i m o 无线信道及天线相戈性 第二章m i m o 无线信道及天线相关性 2 1 无线信道 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1 1 “。接收信号的功率可用公式表示为 m ) = l a l 。”s ( d ) r ( d ) ( 2 1 ) 式中，l d l 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i d r 表示，其中月一般为3 - 4 ，它表明的是在以公 罩计的较大范围内接收信号的变化特性。 f 2 ) 阴影衰落，又称慢衰落，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 间内，信号的短区间中值出现缓慢变动，其衰落特性符合对数诈态分布。 ( 3 ) 多径衰落，又称快衰落，用矗( d ) 表示，它是由于无线电波在空间传播会 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 曲衰落，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。 图2 1 信号在无线信道中的传播特性 7 重庆邮电人学硕十论文第二章m i m o 无线信道及天线相戈性 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1 1 ”。 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间位置有关。 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 冲信号占( f ) 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r ( ，) 由不同时延的脉冲组成，可表示为 8 重庆邮电人学硕十论文 第二章m i m o 无线信道及天线相戈性 ，( ) = ( f ) 艿卜 这罩峨f f ) 是第疗条路径的反射系数，厶( f ) 是第胛条路径的时延。 幽2 3 多径接收信号 ( 2 2 ) 最后一个可分辨的延时信号与第一个延时信号到达时| 日j 之差为最大时延扩 展，汜作f t 。由于时延的扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到其他码元 周期中，引起码间串扰。 与时延扩展有关的一个重要概念就是相干带宽。通常用最大时延的倒数柬定 义相干带宽，即 b ：l m a x ( 2 3 ) 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。 9 重庆邮电人学硕十论文第 二章m i m o 无线信道及天线相关性 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 ，v c o s 口 j d 2 t ( 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，五是波长。 f m = 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。一2 万的均匀分布，口到口+ 如之自】的到达电波功率为忍，l d a i ， 这罩圪，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 m c o s al 2 5 、 当入射角从口到a + d o c 变化时，信号的频率从变化到+ 彤。其间的射频功 率为 s ( 州i = 2 岳， o a 万 ( 2 6 ) 由以上两式可得到接收信号功率谱为 跗) = 笔卜警个，工+ 厶班正一厶 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、 1 0 重庆邮电人学硕十论文第二章m 1 m o 无线信道及天线相关性 由( 2 7 ) 式可见，虽然发射频率为五，但接收电波的功率谱s ( f ) 却展宽到 六一厶到五+ 厶范围，即多普勒频移。时问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正，即 瓦= 去 眩s ， 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z 之内信道可以认为是不变的。 2 3 多径衰落信道模型建模 出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，只重点介绍c l a r k e 模型【1 4 1 。 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。根掘中心极限定理，当反射波的数量比较大时，接收信号的两个证交分量是 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，相位服从一疗z 的均匀分布。 假设系统所要传输的是复信号 x ( f ) = ) + j q ( t ) f ，o 、 将它调制到角频率为妙的载波上去 一s i n ( c o d ) 发送部分 重庆邮电大学硕+ 论文第二章m i m o 无线信道及天线相戈性 s i t ) = h t ) c o s 0 3 ，f q ( t ) s i n 吐r = r e ，( ，) + j q ( t ) c o s c o j + j s i n 。f 】 = r e 2 + 【，( f ) + j q o ) e j w d 其中，联f ) 的包络为，( f ) + 倒f ) 】，即要x ( f ) 。 设移动台相对于基站的运动速度为v ，第疗条入射电磁波与移动台运动方向 兴角为，则其d o p p l e r 频移为 c o = 2 n 考五c o s 吐# = 2 晚c o s 0 。= 哟c o s a n ( 2 1 1 ) 式中c 为真空中光速，力为最大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 ( f ) 2 _ ( f ) 一r c 2 ( t ) ( 2 1 2 ) 其中 r a t ) = e c o s ( q f + f + 纯) ，( f ) n = l = z c o c o s ( 鸭f + 丸) 】c o s q f _ 【c s i n ( w t + 4 ) s i n t i ( t ) 2 1 3 n = l n = l = t c ( t ) e o s w , t t s ( t ) s i n w d l ( t ) 同理可得 白( r ) = f gs i n ( 吐f + 鸭f + 丸) q ( r ) n = l = 【g c o s ( r + 统) 】s i n 婢，“gs i n ( w t + 4 ) c o s o , t q ( t ) 2 “ n = ln = l = t s ( t ) c o sc o , t + t 。( t ) s i n q f 】q ( ，) 两式中g 为第n 条路径的信道衰落因子，以为第 条路径的固定相位偏移，t a t ) 和t a t ) 分别为 瓦( ，) = c c o s ( o j t + 4 ) j l l t a t ) = ( 7 s i n ( c o t + 4 ) n s l 将接收信号整理后，可得 r ( f ) = r t ( t ) 一r c 2 ( t ) = 牢( f ) + 圩( f ) c o s w , + e p ( t ) l ( t ) 一# ( f ) + 巧( f ) s i n 【q f + 纵f ) 】q ( f ) 1 2 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 重庆邮电人学硕十论文 第二章m i m o 无线信道及天线相关性 冥中 c o s a ( t ) = 赢“州归赢 经过以上分析可知，需要传输的复信号坝d ，即发送信号s ( t ) 的包络 【，( f ) + 倒f ) 的2 倍，经过多径衰落信道后，接收信号的包络变为 【( f ) + 死( f ) 】 川) + j q ( t ) 】。 假设两个正交分量t a t ) 和t ( f ) 是均值为零、方差为仃2 的互不相关的高斯随 机过程。t a t ) 和t a t ) 在多普勒衰落影响下的功率谱密度为 驰m ：t 3 o 廊 ，组 ：。， l 0 ， 其它 那么，信道仿真建模过程可由图2 5 描述： s ( o 2 4m i m o 系统概述 图2 5 仿真信道建立过程 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 1 3 重庆邮电人学硕十论文 第_ 二章m i m o 无线信道及天线相荧性 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 16 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7 j 。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 幽2 6m i m 0 系统信道模犁 传输信息流d 经过空时编码形成个信息子流6 ，= 1 ，。这个子 流由晒个天线发送出去，经空间信道后由k u 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 的多入多出( m i m o ) 系统，假定信道为 独立的瑞利衰落信道，并设硒、硒，很大，则信道容量c 近似为： 1 4 重庆邮电人学硕+ 论文 第二章m i m o 无线信道及天线相芙性 c = m i n ( k m , k s ) b l 0 9 2 ( r 2 ) ( 2 2 4 ) 其中曰为信号带宽，y 为接收端平均信噪比，m i n ( k m , k s ) 为妫的较小者。 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 j 。 2 5m i 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 0 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【埽4 9 1 。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。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，研究天线单元问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。 1 5 重庆邮电人学硕+ 论文第- 二章m i m o 无线信道及天线相戈性 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 r l 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 p t r 2 5 9 9 6 2 0 给出了空阃信道模型( s c m ，s p a t c i a l c h a n n e lm o d e l ) 的参数及其性能实现，最新版本是v 6 1 0 ( 2 0 0 3 0 9 ) t e c h n i c a l r e p o r t a 文| 2 1 - 2 4 1 对不同信道单元之间的相关性建模是基于这样的假设条件下的：接 收天线单元之间的相关性独立于发射天线单元之间的相关性，反之亦然。这种 假设的基本依据是天线阵元周围有适当( 中等) 散射体，使得这些阵元之间的 相关性不会影响到链路另一端的天线阵元之间的相关性，这种情况在室内环境 是完全合情合理的1 2 5 】。将天线信号的相关性包含到r a y l e i 曲平衰落m i m o 信道 中的方法之一是： h = r 品x g r h l 2 c( 2 2 5 ) 其中g 是一个n ，n ，随机矩阵，其元素是具有单位方差的零均值独立同分 布( i i d ) 复高斯变量。r 。和r 。，分别表示发射端和接收端天线阵列上所观 察到的相关矩阵，其维数分别为m m 和，。如果用h ”和吃分别表示矩 阵h 的第，l 行和第m 列，则自口述相关矩阵可以分别表示为r 。= e l ( 矿) ”h ”i ， 疗= 1 ，r 以及r 。，目= e 【( ) ”j 聊= 1 ，m 在进行仿真时，一种处理方法是利用大量与信道模型仿真中覆盖目标环境 相关的r 。和r 。测试数据。这种方法的主要缺点是信道的基本特性隐藏在 大量的参数之中，即相关矩阵中的各种变量之中。因此还需要对给定的数据实 现进行更为详细的分析。所以我们感兴趣的是一种更加“透明”的建模方法。 这种“透明”模型应该具有下述特点：( 1 ) 根据目标无线环境和系统参数可 以反映真实m i m o 信道体积情况：( 2 ) 能够适应从最好信道情况到最差信道情 况的广泛范围；( 3 ) 易于使用并能够传递不同研究群体之间的信道模型参数。 为了满足这些要求，这里使用两个相邻天线单元之间的衰落相关的近似值，他 们是给定频段上两个天线单元在所有可能方向上的平均值j 2 3 j ： r ( d ) e x p ( - 2 3 a 2 d 2 ) ( 2 2 6 ) 等式中的d 是以波长五为单位的两个天线单元之间的距离，a 表示角度扩展 1 2 3 1 。这罩的a 定义是一般性的，即定义了功率在方位角平面中的分布情况，接 近0 的值表示功率沿单一方向分布，而值为1 时表示能量几乎是分布在整个空 间中。基于这种近似，并假设发射机和接收机都配置了相同天线间隔分别为 和d 。的线性阵列，提出了一种相关模型，