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m i m o 系统中链路自适应技术的研究 摘要 当前，移动通信业务正从单一的低速话音业务逐步转向各种多媒 体数据业务、高速图像传输业务。为了支持这些具有不同q o s 参数要 求( 包括时延、误码率等) 的业务，需要彻底改变原先固定不变的物理 层框架，大幅度提高系统的吞吐量。为达到上述目的，当前业界一大研 究热点就是在物理层采用自适应机制。另一方面，理论和实践证明多 天线系统比单天线系统在容量上具有很大的优势，因此多天线技术也 成为解决无线频谱资源缺乏的重要方式之一。本论文的研究工作是将 链路自适应技术应用于多天线系统中，进一步提高系统频谱效率和链 路可靠性。 论文首先针对应用于m i m o 系统中的几种链路自适应技术进行 了研究。其一是自适应功率分配。在频谱效率和总发送功率的限制下， 根据注水原理给不同的发送天线分配不同的功率，通过理论分析和仿 真得出该自适应技术可充分利用发送功率，改善系统的b e r 性能。其 二是白适应调制。当给定系统目标b e r 且总的发送功率保持恒定时j 根据不同的信道情况采用不同的调制方式，仿真证明该算法实现了在 满足b e r 要求的情况下系统频谱效率的最大化。其三是自适应天线选 择。在收、发射频链路数目保持不变的情况下，适当增加发送和接收 天线数，并根据当时的信道条件为使系统的b e r 性能最优而有选择地 发送和接收，通过理论分析并与非自适应系统进行仿真比较后得出该 自适应技术可改善系统性能，提高系统性价比。 基于对上述三种链路自适应技术的分析总结，论文重点研究了两 个综合的白适应算法。一是在给定发送功率和目标b e r 的情况下，最 大化系统容量。主要采用自适应调制技术，为确保满足系统目标b e r 的要求而加入天线选择，在天线选择的过程中又引入功率再分配以保 证总的发送功率恒定。二是在频谱效率和发送功率的限制下，最小化 系统b e r 。推导出一个以发送天线的信道情况、相应发送天线上采用 的调制阶数和分配给它的功率为自变量的代价函数。为最小化系统 b e r ，须最小化代价函数。系统根据这一目标，选择合适的发送天线 并制定相应的调制和功率分配方案。从仿真中可以看出，应用综合的 自适应算法进一步提高了系统性能。 最后研究了自适应调制技术在频率选择性信道下的应用。介绍了 m i m o o f d m 的系统结构并仿真分析了自适应调制算法的性能以及 自适应调整时间间隔、信道时延和频率分组等因素对系统性能的影 响。 关键字：多输入多输出链路自适应自适应功率分配自适应调制自 适应天线选择正交频分复用 r e s e a r c h e s0 nl i n ka d a p t a t l 0 n i n m 0s y s t e m a bs t r a c t n o w a d a y sm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sh a v eb e e ns w i t c h i n g f r o ms i m p l el o w r a t et e l e p h o n es e r v i c e st oa l lk i n d so fh i g h r a t ed a t aa n d m u l t i m e d i ao n e sw h i c hh a v ed i f f e r e n tq o s a m e t e r s ( i n c l u d i n p a r a m e t e r s ( m c m a m g t i m e d e l a y ，b e r ，e t c ) i no r d e rt os u p p o r tt h e mi t i si nd e m a n dt h a t t h o r o u g h l yc h a n g i n gt h et r a d i t i o n a lp h y s i c a lf r a m e w o r kt od r a m a t i c a l l y i n c r e a s es y s t e mc a p a c i t y a p p l y i n ga d a p t i v et r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e sa t p h y s i c a ll a y e r i sar e s e a r c hh o t s p o t b e s i d e s ，i th a sp r o v e db o t h t h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l yt h a tc o m p a r e dt os i n g l e - i n p u t 。s i n g l e _ o u t p u t ( s i s o ) s y s t e m ，m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) s y s t e ma c h i e v e s s i g n i f i c a n tc a p a c i t yg a i n s i th a sl e dt om i m ob e i n gr e g a r da so n eo f t h e i m p o r t a n tw a y st h a t c a ns o l v et h el a c ko fr a d i or e s o u r c e s i nt h e d i s s e r t a t i o n ，t h e r e s e a r c hw o r kr e v o l v e sa r o u n da p p l y i n ga d a p t i v e t r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e si n t om i m os y s t e mi no r d e rt oi m p r o v es p e c t r a l e f f i c i e n c ya n dl i n kr e l i a b i l i t y f i r s tt h ed i s s e r t a t i o ng i v e sar e s e a r c h o ns e v e r a l a d a p t i v e 仃a n s m i s s i o nt e c h n i q u e sa p p l i e di nm i m o s y s t e m o n ei sa d a p t i v ep o w e r a l l o c a t i o n w h e ns p e c t r a le f f i c i e n c ya n dt o t a lt r a n s m i t p o w e ra r es e t t l e d ， f r o mt h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sw ec o m e t ot 1 1 e c o n c l u s i o nt h a ti ti sa b l et ol o w e rt h es y s t e mb e r t oa l l o c a t ed i 髓r e n t p o w e rt od i f f e r e n tt r a n s m i ta n t e n n a si nt h el i g h to f w a t e r f i l l i n ga l g o 打1 m t h es e c o n di sa d a p t i v em o d u l a t i o n w h e n s y s t e mt a r g e tb e ri sg i v e na n d t o t a lt r a n s m i tp o w e ri sf i x e d ，t h es i m u l a t i o n p r o v e st h a ta d o p t i n gd i f f e r e n t m o d u l a t i o nm o d e sw h i c hs u i t d i f f e r e n tc h a n n e lc o n d i t i o n sm 疵m i z e s s p e c t r a le f f i c i e n c y t h et h i r di s a d a p t i v ea n t e n n as e l e c t i o n w h e nt h e n u m b e ro fa n t e n n a su s e do nt h et w oe n d so ft h ec o m m u n i c a t i o n l i i 墩i s f i x e d ，i n c r e a s i n ga v a i l a b l et r a n s m i ta n t e n n a sa n dr e c e i v eo n e sa n d 吐l e h s e l e c t i n gt h eb e s to ft h e mc a nm a i n t a i nd i v e r s i t y a d v a n t a g eo ft h e c o m p l e xm i m os y s t e m b a s e do na b o v er e s e a r c ho nt h et h r e el i n ka d a p t i v et e c h n i q u e s ，铆o i n t e g r a t e da d a p t i v ea l g o r i t h m sa r ep r e s e n t e d o n ei sm a x i m i z i n gc h a n n e l c a p a c i t yw h e ns y s t e mt a r g e tb e ri sg i v e na n dt o t a lt r a n s m i tp o w e ri s f i x e d t h ec h i e f t e c h n i q u ea p p l i e di nt h i ss y s t e mi sa d a p t i v em o d u l a t i o n ； a d d i n ga n t e n n as e l e c t i o ni st om e e tt h ed e m a n do fs y s t e mt a r g e tb e r ； d u r i n ga n t e n n as e l e c t i o n ， a d d i n gp o w e ra l l o c a t i o ni st oa s s u r et o t a l t r a n s m i tp o w e ri sm a i n t a i n e d t h eo t h e ri s m i n i m i z i n gs y s t e mb e rw h e n s p e c t r a le f f i c i e n c ya n dt o t a lt r a n s m i tp o w e ra r es e t t l e d s e l e c t i n gp r o p e r t r a n s m i ta n t e n n a sa n d a d o p t i n ga p p r o p r i a t em o d u l a t i o na n dp o w e r a l l o c a t i o ns c h e m et h a tc a nm i n i m i z et h ec o s tf u n c t i o nm a k et h es y s t e m g e t m i n i m u mb e r c o m p a r e dw i t h n o n a d a p t i v es y s t e m s ，a d a p t i v e a l g o r i t h m sp r o v i d eh i g h e rc a p a c i t ya n dl i n kr e l i a b i l i t y f i n a l l yt h ea p p l i c a t i o no fa d a p t i v em o d u l a t i o ni n 矗e q u e n c ys e l e c t i v e c h a n n e li sp u r s u e d i ti n t r o d u c e sm i m o o f d m s y s t e ma r c h i t e c t u r e ，t h e n s i m u l a t ea n da n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo ft h ea l g o r i t h ma n dt h ee f f e c t so f a d a p t a t i o ni n t e r v a l ，t i m e d e l a ya n de e q u e n c yg r o u p i n g k e yw o r d s m i m ol i n ka d a p t a t i o n a d a p t i v ep o w e ra l l o c a t i o n a d a p t i v em o d u l a t i o na d a p t i v ea n t e n n as e l e c t i o n o f d m 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：2 1 竺皇坠日期：2 翌堡：2 ：丝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学 校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，允许学位论 文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用 影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密 后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：迢垒墼 导师签名：叁塾日期：二超：之：鉴 北京邮电大学硕士学位论文 第1 页 第一章引言 自从美国贝尔实验室提出了蜂窝组网理论之后，移动通信就进入了大发展的 时期，为适应用户的需要，新的移动通信技术不断出现。从f d m a 、t d m a 到第 三代的c d m a 以至b e y o n d3 g 的c d m a o f d m 技术，每一次的进步都是移动通信 发展的一个新的飞跃。同时随着无线通信业务的快速增长，为了能够高效地利用 有限的频谱资源，链路自适应技术在各种移动通信系统中也得到了越来越广泛的 应用。这些不断涌现的新技术使移动通信向着其发展目标任何人在任何地点 任何时间和世界上的任何人进行任何形式的通信而迅速迈进。 本章首先简述了移动通信发展的历史，然后简要介绍了链路自适应技术的发 展及其在各种移动通信系统中的应用，最后给出了论文的结构安排与主要内容。 1 1 移动通信系统的发展与现状 2 0 世纪7 0 年代，微处理机与移动通信技术相结合给移动通信以生机，再利用 频率复用技术，蜂窝移动通信系统出现了。1 9 7 4 年贝尔实验室研制出先进移动电 话业务( 6 山位s ) 技术。1 9 7 9 年瑞典推出第一个实用的蜂窝系统。1 9 8 2 年美国f c c 向两家电信公司发放a m p s 营业执照，于是，北美开始提供蜂窝移动通信业务。 此外，日本也推出大容量移动电话系统h g m t s ( h i g hc a p a c i t ym o b i l et e l e p h o n e s y s t e m ) ，还有前西德、意大利、法国、加拿大等均推出自己的系统。它们均被 称为第一代移动通信系统( 1 g ) ，其特点是该系统为全双工的摸拟电话系统，工作 频率为4 5 0 9 0 0 m h z ，采用了频分多址技术。随着市场的发展，模拟蜂窝系统在 实际使用中逐渐暴露出一些问题：频谱利用率低，业务种类单一，存在同频和互 调干扰，系统保密性差等。 于是，欧洲邮政与电信行政会议( c e p t ) 于19 8 2 年着手研制新一代移动通信 系统g s m ( 原为g r o u ps p e c i a lm o b i l e ，后改为g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n ) 。g s m 的多址方式为t d m a f d m a ，工作频率为9 3 5 9 6 0 8 9 0 9 1 5 m h z ，于1 9 9 2 年开始投人使用。1 9 8 9 年，美国高通( q u a l c o m m ) 公司提出 窄带码分多址( c d m a ) 技术，并于1 9 9 3 年被美国电信工业联合会( t t a ) 接受。这种 新的移动通信技术标准即为i s 9 5 ，这是移动通信发展史上具有重要意义的事件。 从此，码分多址这个新的无线接入技术在移动通信领域中占据了越来越重要的地 位。在亚洲，日本于1 9 9 1 年正式制定数字移动通信标准p d c ( p e r s o n a ld i g i t a l c e l l u l a rs y s t e m ) ，又称为j d c ，也是以时分多址为基础的，于1 9 9 3 年投入使用。 北京邮电大学硕士学位论文第2 页 除此之外，欧洲的d c s 1 9 0 0 、美国的i s 5 4 等，它们均被称为第二代移动通信2 g ) 系统。这一代移动通信系统受干扰少，容量增加，数字化，工作频率高，话音质 量好，保密性强，能实现漫游，提供多种业务( 数字话音、数据、短信、上网、 拍照等) 。 i 第二代移动通信系统优点不少，但也存在问题，诸如，带宽限制了高速数据 的应用，不能实现多媒体业务，多种标准( 女i i g s m ，d a m p s ，g d m a ，p d c ) 并存， 无法全球漫游等等。而社会的发展要求信息交流快速、高效、并与时间、地点无 关。于是，1 9 8 5 年原c c m ( 现i t u r ) 提出一种新的移动通信方案，称为未来公共 陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，并于同年1 1 月成立i 帅13 临时小组开始研究 f p l m t s ，19 9 2 年世界无线电行政大会( w a r c ) 给f p l m t s 分配频率( 18 8 5 2 0 2 5 m - h z 和2 1 0 0 2 2 0 0 m h z ) 。i t u - r 负责无线电接口标准化；i t u t 负责网络标准化。 1 9 8 6 年欧洲电信标准协会( e t s i ) 也提出新的移动通信系统u m t s ( u n i v e r s a l m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，f p l m t s 和u m t s 被称为第三代移动通信系 统医i 3 g 。 从技术层面上看，第三代移动通信系统主要以c d m a 为核心技术，三大主流 标准为w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。第三代移动通信采用了诸多关键 技术，如高效信道编译码( 如t u r b o 编译码) 、智能天线、软件无线电、多翔户 检测等。但是3 g 也存在如下缺点：首先，三大主流标准不易互相兼容，因此不 能实现真正意义上的个人全球通信；其次，尚不能充分利用宝贵的频谱资源，其 支持的业务速率也还不足够高。这些不足之处使得人们将目光投向了三代以后 ( b 3 g ) 的移动通信系统的研究。 1 2 链路自适应技术的发展与应用 链路自适应技术即在给定数据传输质量和数据传输速率等要求的前提下，根 据无线信道的实际情况来决定所采用的传输参数。它是在6 0 年代后期被首次提 出的，但是对这种技术的研究热情并未持续很久。其原因主要是当时的信道估计 技术比较落后，硬件条件也不足以支持传输参数的实时改变， 而且当时的系统 大都为点到点的单工连接，无法向发射机进行信息反馈。随着这些问题的一一解 决，以及未来移动多媒体传输对高效频谱利用通信方式的需求不断增加，链路自 适应技术再度成为研究的热点，并在各种实际的移动通信系统中得到广泛应用。 ( 1 ) 链路自适应技术在g p r s 中的应用 g s m 作为第二代数字蜂窝移动通信系统，在全世界范围内已得到了广泛的 北京邮电大学硕士学位论文第3 页 应用。但是它主要以话音业务为主，数据速率仅为9 6 k b i t s s ，远远不能满足移 动多媒体数据通信的需求。为了解决这个问题，g s m 系统在其p h a s e 2 和 p h a s e 2 + 规范中提出了两种高速数据业务的模型，即基于高速数据比特率和电 路交换的h s c s d ( 高速电路交换数据) 和基于分组交换数据的o p r s ( 通用分组无 线业务) 。g p r s 在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势，最突出的特点 是可以灵活地占用无线信道。通过给一个用户分配多个时隙或多个用户共用一个 时隙来有效地利用无线资源，特别适合突发性的、频繁的小流量数据传输。它支 持的数据传输速率的理论峰值可以达到1 7 1 2 k b i t s s 。g p r s 标准定义了4 种不同 的编码方案：c s 1 c s 4 ，数据速率分别为9 0 5k b i t s s ，1 3 4k b i t s s ，1 5 6k b i t s s 和2 1 4 k b i t s s ，对应的码率分别为1 2 ，2 3 ，3 4 和1 。g p r s 可根据数据速率要 求和无线链路的质量来动态选择编码类型，以达到最大的无线吞吐量。c s l 拥有 最高的纠错能力和最低的速率，而c s 4 没有纠错能力，但可提供最高的速率。 不同时隙可选择不同的信道编码，当网络传输质量较好时，可采用较高速的编码 方式，反之采用较低速的编码方式。 ( 2 ) 链路自适应技术在e d g e 中的应用 虽然g p r s 采用了多时隙的操作模式和简单的链路自适应技术，但它仍然采 用了固定的调制方式，耳i g m s k ( 高斯最小移频键控) 的调制方式，因此每个时隙 能够得到的速率提高是有限的。在这种情况下，由e r i c s s o n 公司率先提出并且已 经被e t s i ( 欧洲电信标准协会) 采纳的e d g e ( e n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg s m e v o l u t i o n ) 技术应运而生。e d g e 技术的核心就是链路自适应，而且与g p r s 不同 的是，不仅编码方案可以选择，调制方式也不再是固定的一种g m s k 方式，而是 引入了另种调制方式，即八进制移相键控( 8 p s k ) 。这种调制方式能提供更高的 比特率和频谱效率，且实现复杂度属于中等。e d g e 中另外一种对付链路质量变 化的方式是逐步增加冗余度。在这种方式中，信息刚开始传输时，采用纠错能力 较低的编码方式，如果接收端解码正确，则能得到比较高的信息码率。反之，如 果解码失败，则需要增加编码冗余量，直到解码正确为止。 ( 3 ) 链路自适应技术在h s d p a 中的应用 h s d p a ( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) 是w c d m a 的增强型技术，增加 了高速下行共享信道m s d s c h ) ，将使下行数据传输峰速率达至l jl o 8 m b i t s s 。与 w c d m a 的d s c h 相比，h s d s c h 采用的关键技术是a m c 和h a r q ( 混合a g q ) 。 严格地讲，h a r q 是链路自适应的一项隐含技术，因为它保证了a m c 的实现。 信道状态是系统选择传输模式的依据，所以a m c 对于信道状态的测量差错和报 告延迟非常敏感。而采用h h r q 技术后，引入了重发机制，因此可以适当降低系 统要求的m c s ( m o d u l a t i o na n dc o d i n gs c h e m e ) 级数，并降低对测量差错和流量波 北京邮电大学硕士学位论文第4 页 动的敏感程度。根据3 g p pr e l e a s e 4 关于h s d p a 的可行性研究报告得出，编码方 式和调制方式都是在a m c 控制下动态选择的。信道编码的基本码型采用r 9 9 中 1 3 码率t u r b o 码，其它码率的( 包括3 4 ，1 2 ，1 4 ) t u r b o 码将通过速率匹配的打孔 或者重复功能实现。调制方式的选择种类在r e l e a s e 4 和r e l e a s e 5 中有较大区别， 在r e l e a s e 4 中除了r 9 9 中的q p s k 方案外，还建议使用8 p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m 等 高阶调制方式。而在r e l e a s e 5 中基于性能和复杂度方面的考虑，只推荐使用q p s k 和1 6 q a m 。6 4 q a m 有可能在更高版本中被纳入规范。h s d p a 将不同的编码和调 制方式组合成若干种m c s ，供系统根据信道情况进行选择。靠近基站的用户， 拥有高质量的信道条件，将被分配级别较高的调制编码方案( 例女1 11 6 q a m ，3 4 码率的t u r b o 码) ，这种调制编码方案的抗干扰性能和纠错能力较差，对信道质量 的要求较高，但是能够赢得较高的数据速率，提高链路的平均数据吞吐量。相反， 处于小区边界的用户，信道衰落严重或存在严重干扰和噪声，将被分配级别较低、 具有较强纠错能力、抗噪声干扰性能较好的调制编码方案( 例如q p s k ，1 2 码率 的t u r b o 码) ，以保证数据的可靠传输。 ( 4 ) 链路自适应技术在c d m a 2 0 0 0l x e v 中的应用 3 g p p 2 中c d m a 2 0 0 0 1 x 标准的演进，主要分为两个阶段：l x e v d o ( d a t a 湖y ) 阶段，数据业务和话音业务采用不同的信道进行传输，高通、朗讯、爱立信等公 司提出的i q d r ( 高速数据速率) 技术，已成为该阶段的唯一技术标准，可以支持峰 值速率为2 4 m b i t s s 的高速数据业务。h d r 最突出的特点就是将数据和话音相分 离，采用专用信道传输数据。h d r 将全部的系统资源( 包括带宽和码资源) 进行动 态分配以提高系统能力；动态控制数据速率，使处于有利位置的用户得到尽可能 高的速率。下行业务信道采用多种编码方案，包括q p s k 、8 p s k 和1 6 q a m ，得 到不同数据速率；信道编码方案采用t u r b o 码，码率为1 5 或1 3 。在通信中，移动 台不断测量导频强度，并在h d r 特有的数据速率控带i j ( d r c ) 信道的每一个时隙内 要求一个与当前信道条件相符合的数据速率。网络按当时移动台所能支持的最大 速率进行编码。当用户需求改变或者信道条件改变时，动态地调整数据速率。第 二阶段为i x e v d v ( d a t aa n dv o i c e ) 阶段，数据信道与话音信道合一。候选方案主 要包括l u c e n t ，q u a l c o m m 等公司的联合提案，m o t o r l a 等的l x t r e m e 和l i n k a i r 的l a s c d m a 。l x t r e m e 的自适应技术包括如下几个方面：自适应业务调度， 自适应编码，自适应调制，自适应多码分配，自适应小区位置选择，自适应混合 a r q 以及自适应天线。使用的调制方式有：b p s k 、q p s k 、8 p s k 、1 6 q a m 、 6 4 q a m ；信道编码采用t u r b o 码，码率包括1 2 、3 4 和1 4 三种。 北京邮电大学硕士学位论文 第5 页 1 3 论文的结构与主要内容 本论文主要针对m i m o 系统中的链路自适应技术，包括自适应功率分配、 自适应调制和自适应天线选择，以及与o f d m 技术的结合等做了一些研究工作。 第二章首先简要介绍了无线衰落信道的特性，重点研究了m i m o 系统建模 与信道容量。对发送端不知道信道信息的非自适应m i m o 系统和发送端已知信 道信息并采用注水原理进行功率分配的自适应m i m o 系统的信道容量进行了仿 真和分析比较。此外，还介绍了m i m o 系统中所用到的两种基本的空时码( 空 时分组码s t b c 和分层空时码v b l a s t ) 的编译码方案。 第三章首先对链路自适应系统的组成、影响自适应系统性能的因素和应用于 m i m o 系统的自适应功率分配、自适应调制和自适应天线选择技术进行了概述。 接着依次对上述三种链路自适应技术的典型算法进行了理论分析，并与非自适应 系统性能进行了仿真比较。在此基础上本章最后一节详述了两个综合的自适应算 法，对相关信道下的系统性能进行了仿真，并与非自适应系统进行了比较。 第四章重点研究了自适应调制技术在频率选择性信道下的应用。对m i m o - - o f d m 系统中应用自适应调制技术的性能，以及自适应调整时间间隔、信道 延时、频率分组等因素的影响进行了仿真与分析。 第五章是本论文的总结。概括了论文所述的主要研究工作，并提出了下一步 的研究计划。 北京邮电大学硕士学位论文第6 页 第二章m i m o 技术基础 无线衰落信道由于遭受多径衰落、时变性等的影响，信道的传输性能很差。 对抗这种衰落的一个基本措施是采用分集技术。常用的分集技术有时间分集、频 率分集和空间分集，但是前两种分集都以牺牲时间和频率为代价，而空间分集通 过使用多根发送和接收天线，不额外占用时间和频率资源，即可获得分集增益。 m i m o 系统就是发送端和接收端分别采用多天线的系统，它对空间分集加以利 用，提高了系统性能。因此普遍认为，m i m o 技术将是新一代移动通信系统必须 采用的关键技术。 2 1 无线信道的特性 发送信号在无线信道传输的过程中会遭受大尺度衰落和小尺度衰落，这两种 衰落会降低系统的可靠性。大尺度衰落是由于电磁场受到地形或高大建筑物的阻 挡或者气象条件的变化而形成的，遭受大尺度衰落的信号电平起伏相对较缓。而 遭受小尺度衰落的信号强度在经过短距或短时传播后会发生急剧变化。本论文研 究的内容主要针对小尺度衰落，小尺度衰落主要是由于信道的多径传播和时变特 性造成的。下面简要地介绍一下无线移动衰落信道的这两个基本特征。 一是多径传播，即对应发送端发送的一个窄脉冲信号，接收机接收到的信号 是由通过直射、反射、折射等不同的路径到达接收机的信号组成的脉冲序列。一 方面由于电波通过的各个路径的距离不同，因而各条路径中发射波的到达时间、 相位都互不相同。不同相位的多个信号在接收端叠加，如果同相叠加则会使信号 幅度增强，而反相叠加则会使信号幅度削弱。这样，接收信号的幅度将会发生急 剧变化，产生衰落。另一方面一个窄的发射脉冲达到接收端变成了一个脉冲序列， 即多径传播引起了信道的时间弥散。 n 在频域，与时延扩展相对应的另一个概念是信道的相干带宽u c ( c o h e r e n c e b a n d w i d t h ) ，它与最大多径时延扩展一成反比： 忍1(2-1) f m “ 根据信道的相关带宽b 。与信号带宽皿的关系可将信道分为平坦衰落信道和频率 北京邮电大学硕士学位论文 第7 页 选择性衰落信道。信号经历平坦衰落的条件是： 曩统或瓦o r ( 2 - 2 ) 其中e 是信号带宽的倒数，q 是均方根时延扩展。反之，信号经历的是频 率选择性衰落。因此，从频域的角度看，多径传播引起的信道时间弥散导致了频 率选择性衰落，即针对信号中不同的频率成分，衰落是不一致的，所以信号波形 发生了畸变。 二是无线信道的时变性，即衰落信道的传递函数随时间变化而变化。它是由 发射机和接收机的相对运动或者信道中其它物体的运动而引起的。当信号的发送 机和接收机做相对运动时，接收信号的频率就会发生变化，当它们做相向运动时， 接收信号的频率变大；做反向运动时，接收信号的频率减小，这种现象就是多普 勒效应。可以用下式来表示这个关系： 厶： c o s 8 ：堕c o s 9 ：厶c o s o c ( 2 3 ) 其中- ，d 表示多普勒频移，v 表示移动台的运动速度，五表示载波波长，口表 示移动方向与电波入射方向的夹角，正表示载波频率，c 表示光速，厶表示最 大多普勒频移。如果发射机发送一个频率为五的单频信号，那么由于多普勒效 应，接收信号将包括兀一厶到矗+ 厶的频谱分量。扩展的频谱称为多普勒频谱， 多普勒扩展即为最大多普勒频移。 在时域，与多普勒扩展相对应的另一个概念是相干时间瓦( c o h e r e n c et i m e ) ， 其定义式为： 疋二1 6 万f m ( 2 - 4 ) 根据相干时间瓦和符号间隔c 之间的关系可以将信道分为快衰落信道和慢 衰落信道。信号经历慢衰落的条件是： e 乏或反 ( 2 - 5 ) 反之信号经历的是快衰落。因此，从时域的角度看，时变性引起信道的频率弥散 导致了快衰落。 北京邮电大学硕士学位论文第8 页 2 2m i m o 系统的容量及注水原理 无线通信技术在不断发展，有限的无线资源面临着通信数据大爆炸的困境， 如何用较少的频率资源来传输更多的信息成为无线通信技术发展的一大挑战。多 输入多输出( m i m o ) 技术是指在发送端和接收端分别使用多根发送天线和接收 天线，信号通过发送端的和接收端的多根天线发送和接收，在不增加带宽的情况 下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。 首先对m i m o 系统的信道容量进行较深入分析的是b e l ll a b s 的t e l a t a r 2 1 和 f o s c h i n i 3 j ，他们分别对高斯噪声下m i m o 系统信道容量的研究表明：假设各天 线互相独立，则多天线系统比单天线系统的信道容量有显著的提高。考虑m 根 发送天线、n 根接收天线的无线传输系统，在接收端已准确知道信道传输特性的 情况下，f o s c h i n i 的研究表明：m = n 时得到与n 成比例增加的信道容量。在相 同发射功率和传输带宽下，该系统比单发单收系统( s i s o ) 的信道容量提高了 约4 0 多倍。下面将对m i m o 系统的容量进行具体的分析，这里主要讨论单用户 情况下的信道容量，对于单用户情况下的结果也可以适当的应用在多用户的 m i m o 系统容量分析中。 2 2 1m i m o 系统模型 考虑一个单独的点到点的m i m o 系统，天线配置为发送端有唧根发送天线， 接收端有根接收天线。系统框图如图2 - 1 所示： 图2 - 1 【i m o 系统框图 其中表示来自第j 根发送天线的信号，表示从第j 根发送天线到第i 根 北京邮电大学硕士学位论文 第9 页 接收天线的信道衰落系数，m 表示第i 根接收天线的信号。 假设每根接收天线的接收功率都等于总的发送功率，即忽略信号传输过程中 的阴影衰落、天线增益等因素的影响，则接收信号矢量可表示为： y = h x + n ( 2 6 ) 其中发送信号x 为嘶1 维的列矩阵，信道为n r 唧维复矩阵，接收信号y 为n rx l 维的列矩阵，加性白噪声，z 为n r 1 维的列矩阵，其元素服从独立复高斯 分布，均值为0 ，方差为盯2 。 通过奇异值分解( s v d ) ，任意一个x n r 维的信道矩阵日均可以表示为 h = u a v 日 ( 2 7 ) 其中u 和y 分别是n r 矛- f ln r 侮维的酉矩阵，即w = k 和阿h = ， 这里k 和n t 分别是和件唧维的单位阵；人是一个件维的非负对角 矩阵，人= 讲昭( 石，压，压，o ，o ) ，其中( a ，如，丸) 是矩阵矿= 删日的 非零特征值，也称为信道矩阵日的非零奇异值，并且珑= r a n k ( h ) 。当无论是发 送天线还是接收天线之间都相互独立时，m = m i n ( n r ，) 。 将( 2 7 ) 代入( 2 6 ) 得： y = u a v h x + n ( 2 8 ) 上式左右两边分别乘以u ，并根据酉矩阵的性质得： u 开y = a v x + u 何n ( 2 9 ) 若令歹= u y ，舅= v x ，h = u 片门，代入( 2 9 ) 式得： 夕= 瓜+ 历 ( 2 - 1 0 ) 据此，m i m o 信道可等效为m 个独立的并行子信道，各子信道的信道增益 为信道矩阵日的非零奇异值。如图2 2 所示。 北京邮电大学硕士学位论文 第1 0 页 x i ： ： ： 而 f ln 1 r 。一、 图2 - 2m i m o 信道等效模型 由于这些子信道是完全相互独立的，故m i m o 系统的容量等效为这几个并 行子信道容量的叠加，由仙农容量公式得： c = 善- 。g ：( + 予lp 、 b i t s s 厶巴f = l 其中只是等效系统中分配给第i 个子信道的发送功率。 2 2 2 发送端未知信道时m i m o 系统的容量 ( 2 1 1 ) 假设发送端不知道信道矩阵，而接收端知道完整的信道信息。由于发送端对 信道未知，所以通常情况下是等功率发送，即在每个子信道上分配的发送功率是 卫 相等的，若总的发送功率为弓，则每个子信道上的发送功率为。此时系统 容量为： c = 舡z 2 , ：f ：p m r 尸州“胁 。 当任意发送和接收天线对之间都相互独立时，即聊= m i n ( n r ，) ，经推导【l 】 m i m o 系统的信道容量为： 讣 c 扎刚e t ( l + 去n rq 卜俐勉 3 ， l 仃。 枷= 篇鬟。 北京邮电大学硕士学位论文 第l l 页 2 2 3 发送端已知信道时m i m o 系统的容量 若发送端已知信道，则发送端会根据信道特征值按注水原理对各子信道进行 最优功率分配，分配给子信道i 的功率为： ，r 2 鼻= ( 一) + ，f _ 1 ，2 ，m ( 2 1 4 ) 其中口+ 表示m a x ( a ，o ) r 只= b 。由上式可知根据注水原理进行功率分配 的原则为：当信道条件好时，分配较多的功率；当信道状态变差即衰减较厉害时， 减少分配给它的功率，甚至不给它分配功率，从而在整体上充分利用了发送功率。 这样，对给定的信道传输矩阵日，可得系统最大的信道容量为： c = 和：( + 等) = 和： + 7 1 ( & u - o - 2 小姚，h z 倍坳 由于信道系数为随机变量，所以式( 2 1 3 ) 、( 2 1 5 ) 给出的是m i m o 系统的 瞬时信道容量，平均信道容量可通过对各种可能的信道系数下的信道容量求平均 而得到。图2 3 与图2 4 即为不同天线配置下自适应系统和非自适应系统的平均 信道容量仿真结果比较。 仿真条件：信道为平坦瑞利衰落信道，任意发送和接收天线对之间的信道相 互独立，s n r = 2 5 d b ，发送天线数从1 到2 0 逐渐增大，接收天线数分别为1 、2 、 4 、8 。在非自适应系统中，所有天线的发送功率平均分配；在自适应系统中，发 送功率根据注水原理进行分配。 _ ： i ：j 未； 8 0 7 0 j ： ： ? 。 6 0 霄 。：。工 ：i 运5 口 价 。丑 + = = ：ji 专聋j ： 蔓濡筘! z ： ：= = 迥：j i j ， 一： ：3 0 2 0 图2 4 s n r - 2 5 d b ，n r = 4 和n r = 8 时，自适应和非自适应系统容量比较 一nh，s暑一鲁ueds 北京邮电大学硕士学位论文 第1 3 页 从仿真图2 - 3 和2 - 4 中可以看出：当n t 玎r 时，自适应功率分配几乎不会带 来信道容量的增加；而当i i t n 尺时，根据注水原理进行功率分配会带来大的信 道容量增益。并且随着发送天线数的增加，注水功率分配对信道容量的提高增大。 如四发两收时，容量增益大约为2b i t s s h z ；十六发两收时，容量增益大约为6 b i t s s h z 。接收天线数的增加也会提高信道容量。 图2 - 5n r = 4 、n 一时，自适应和非自适应系统容量比较 图2 5 为