（信号与信息处理专业论文）vlstofdm无线通信系统中检测等问题的研究.pdf

北京邮电大学博士学位论文 摘要 摘要 多入多出( m “o ) 技术和正交频分复用技术( 0 f d m ) 作为提高数据传输速率 的重要手段得到人们越来越多的关注，已经被认为是新一代无线宽带通信系统的革 命技术。本文主要对m i m o 中的v l s t 技术和o f d m 技术做了研究，主要工作如下： 首先介绍了m d 讧o 信道容量和m i m o 空时信号处理技术，分析了移动无线信道 的传播特性，实现了频率选择性多径衰落删o 信道建模。 对垂直分层空时码( v l s t ) 检测方法尤其是v l s t 迭代检测方法作了研究，提 出一种低复杂度的迭代检测算法准最大后验概率( q m a p ) 检测算法。q m a p 算法利用v l s t 系统的q r 分解一干扰删除结构，递推的计算后验概率。在树图搜索 时仅保留对输出贡献大的路径。这使得算法保持较高的性能，又有较低的复杂度。 针对q m a p 算法在高阶q a m 调制的情况下复杂度仍然很高的缺点，提出多级映射 0 m a j p 算法，使复杂度进一步降低。 载波干涉o f d m ( c i o f d m ) 发送符号调制到所有的o f d m 子载波并通过c i 扩展码加以区分，从而在不损失吞吐量的情况下获得频率分集。本文实现了种 c i o f d m 与v l s t 结构相结合的v l s t - c i o f d m 系统，并推导出该系统的m m s e 检测算法。v l s t _ c i ，o f d m 系统既可以获得v l s t 结构的复用增益，也可以获得 c 工，o f d m 特有的频率分集增益，性能优于普通的v l s t _ o f d m 系统。而 v l s t - c i o f d m 系统的p a p r 性能也优于v l s t _ o f d m 系统 对小波包分多址( w p d m a ) 系统的过饱和多址进行研究。给出了两种过饱和 w p d m a 系统：最小尺度过饱和w p d m a 系统和正交过饱和w p d m a 系统。由于小 波包具有非常整齐的树型结构，将针对树型结构的低复杂度的最优检测算法作为两 种过饱和小波包分多址系统的多用户检测方法。根据正交过饱和w p d m a 系统中多 址干扰的特点，给出分组排序串行干扰删除多用户检测方法。过饱和小波包分多址 系统可以提供比正交多址系统更高的容量，而性能损失可以接受。 关键词：多天线分层空时码迭代接收机检测正交频分复用载波干涉 过饱和小波包多址多用户检测 韭室塑皇查兰苎圭兰焦笙室 垒塑墅壁 a b s 仃a c t m u l 廿p l e 螂u tm u l 卸l eo 岫) u t 叫i m 0 ) s y s t e ma n do r c l l o g o n a lf r e q e i l c yd 淅s i o n m u l 却1 e x ( o f d m ) 哪丽d e l yr e c o g n i z e da sar e v o l 诚o n a r yt e c l l l l o l o g y f o rp r o v i d i n g h i g h e rd a t ar a t ei nw i r e l e s sc o m m u l l i c a t i o s y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o nm a i | l l yc o n c e m st h e f o l l o 咖gm i m oa n do f d mt e c l l i l o l o g i e s ： w jf i r s t l yi r 心o d u c e d 也eb a c k 口o u do fc a p a c i 吼a n da n ds p a c e 一廿m es i 髓a 1p r o c e s s i n g t e c h n o j o g yo fm i m os y s t e m 码ep r o p o g a t i o np r o p e n yo ft 1 1 e 诎l e s sc h a n n e l i s 姐a l y z e d ，a t l dm em i m 0c h a n n e lm o d e l m go f 打c q u e n c ys e l e c t i v em l l l t i - p a _ f l lr 丑y l e i g l l f ，i 缸gc h a n n e li sp r e s e n t e d s e c o n d l y ，w ef o c u st h er e s e a 础lo n 舶ed e t e c t i o na l g o r i 恤m ，e s p e c i a l l yt h ei 鼢a t i v e d e t e c t i o na l g o r i 虹no fv l s ts y s t e m t h eq l l a s i m a ) 【i 础u m 口p d 占招一d ，fp r o b a b i l 姆 ( q 地址) d e t e c t i o nm e m o d ，al o wc o m p l e 越t yi t e r a t i v ed e t e c t i o nm e t h o d ，i sp r o p o s e d b y e x p l o i t i n gt h es t m c t u r eo fv l s td e t c ：c t i o nm e t h o db a s e do nq rd e c o m p o s i d o na n d c a n c e j l a t i o n ，t 1 1 e 口，憎，如，fp f o b a b i l i t ) ，o f 也es 珊b o lv e c t o rj sr e c u r s i v d yc a l c u l a t e d i n c o 咖s tt o 也e0 p t 曲m mm a pd e t e c t o r ，w h i c hp e r f b 皿sa ne x h a u s t i v es e a r c h0 v e rt h e c o r n p l e t os e to fp o s s i b l e 打龇蛐i t t e ds y m b 0 1v e c t o r s ，m en e ws c h e m ee v a l u a t e so m y s y m b o lv e c t o r st l l a tc o n _ 晡b u t es i g 出c 舭t l yt 0m eo u t p u to fm ed e t e c t o la sas u b o 灿a l d e t e c t i o nm e 血0 d ，m eq m a ps c h e m eh a sah i g hp e r f o r m a l l c e ，w i 也l o wc o m p l e x j 够f o r h i g h - o r d e rq a m m o d u l a t i o nf o r i i l a t s ，也ec o m p i e x 时o f t l l eq m a pd e t e c t o rc a nb e 丘l n h e r r e d u c e dw i 血t h ea i do fm u l t i l e v e ls e a r c h i n g c 硎e fi n t e r f e r o m e 仃y ( c dm a yb el l s e dt os p r e a d0 f d ms 珊b o i so v c ra 1 1 s u b c a m e r st oe x p l o i t 丘e q 唧c yd i v e r s i t y 谢t h o u tl o s si nt l l r o u g h p u t i nm i sp a p e r ，、v e i m p l 啪e n t 也eo f d ms y s t e mi 1 1 c o r p o r a t e dw i t ht l ec a i e ri n t e r f h o m e t r ) ，a n dv l s tt 0 u n d e r t a k ep e r f 0 皿a n c ec o m p a r i s o ni n 盘e q u e n c ys e i e c t i v ef a d i l l gc h a n n e l ni ss h o w nt 1 1 a t m ev l s t - c i o f d ms y s t e 虬。圩e r sc o n s i d e r a b l eh i 曲t l l r o u 曲p u tp r o v i d e db yv l s t a r c h i t e c m r e t h en o v e ls y s t e ms i m m t a n e o u 虹ya c h i e v e sd r 啪a t i cp e r f o n n a n c eg a i n sb y t a k i n ga d v 舭t a g eo fl a 唱e 丘e q u e n c yd i v e r s n yi 血e f e mi nt 1 1 ec i o f i ) mt e c l l i l i q u e n e 北京邮电大学博士学位论文 a b 3 t r a c t p a p rp e 响r m 眦c eo f 血ev l s t _ c 的f d ms y s t c mi sa l s o s u p e r i o r t ot h a to fm e v l s t - 0 f d ms y s t e m f i r 娜l y ，w em l d y 也eo v e 卜s 籼a t e d 、】i ，a v e l e tp a c k e td i v i s i o nm 1 咄i p l e 、a c c e 8 s ( o w p d m a ) s y s t e m t w oo w p d m as y s t e m sa r ep r e s e n t e d ：t h e1 0 w e s ts c a l eo w p d m a s y 蛔na n dm co m o g o n a lo w p d m as y s t e m n el o wc o m p l e x i t yo p t i n l a lj o i n td e t e c t i o n f o rt r e e s 仃u c t u r e dm u l t i p l ea c c e s ss y s t e mi su s e da sm m t i l l s e rd e t e c t o r ( m u d ) f o rb 砌 s y s t e m s a c c o r d i n gt om ep r o p e r t yo f 叫l t i a c c e s si 1 1 t e r f e r e n c e ( m a d ，t h ep a c k e t s u c c e s s i v e 血e r f 柏l c ec a n c e l i a t i o n s i c ) m e m o di s p r o p o s e da s 根册a 1 9 0 棚1 m 0 w p d m as y 蛐p r a v i d em o r ec a p a c i _ t y 血姐。幽g o n a lc o d es e t ，诵也a c c e p 忸b l e d e 矗b n n a n c e 1 ( e y w o r d s ： m u i t i p l e8 n t e n a s ，o n h o g o n a if e q e c yd i v i s i o nm u l t i p l e x ，n e i 饥t i v e 聆c e i v e bd e t e c 伽n ，c a 州e ri n t e r f e r o m e t r y ，o v e rs a t u r a t e d ，w a v d e tp a c k e t ，m u i t i p i e a c c e s s 。m u l t i _ u s e rd e t e c t i o i i i 独创性说明 本人声明所呈交的论文是我个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，论文中不包括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论文而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：瞄日 | j ：扣冲苦年，月b 日 关于论文使用授权的说明 本论文作者完全了解北京邮电大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构交送论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。本人授权北京邮电大学可以将学位论 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论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名 导师签名：姜牲。吼州年，月功日 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 在过去的几十年，通信技术得到了迅猛的发展和广泛的应用，极大的推动了社 会经济的发展，改变着人们的生活方式。其中在与人们生活联系最紧密的个人通信 方面，需要无线通信技术来实现“任何时间、任何地点以任何方式进行信息交流”。 所以移动通信的迅速发展给人类的生活带来了极大的便利。在过去的2 0 年，移动通 信已经历了从第一代模拟通信到第二代数字通信再到第三代多媒体通信的三个阶 段。在我国，移动通信也是最具发展活力的产业之一。目前，我国移动用户总数已 超过3 4 亿，成为全球规模最大的移动通信市场，普及率接近3 0 。与世界上移动通 信普及率最高的国家相比，我国移动通信的发展潜力巨大。 全球范围内移动用户数的迅猛增长和移动业务主体的快速转变，预示手持移动 终端将逐步取代p c 成为人机接口的主要设备。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等方面将远远不能满足要求。世界各国 在推动第三代移动通信系统商用化的同时，目前已经把研究重点转入下一代移动通 信的先期研究，在概念和技术上寻求创新和突破，从而使无线通信的容量和速率有 十倍甚至百倍的提高。 与3 g 系统相比，新一代移动通信系统具有以下的特点 1 。4 】： ( 1 ) 更快的信息传输速率、更宽的带宽和更大的容量：下一代移动通信( b 3 g ) 系统所要支持的多媒体业务，如多方视频会议，虚拟演播室和移动个人通信网( p a n ) 等，需要高达8 0 m 1 0 0 m b p s 的数据传输速率。 ( 2 ) 智能性和兼容性：b 3 g 系统的智能性应更高，它将能自适应地进行资源分 配，处理变化的业务流和适应不同的信道环境。在b 3 g 网络中的智能处理器，将能 够处理节点故障或基站超载；b 3 g 通信终端设备的设计和操作也将具有智能化。b 3 g 接入系统应该与目前存在的3 g 网络、无线局域网、固定网络及卫星通信之间能进行 无缝漫游，实现真正意义的全球漫游。 ( 3 ) 能实现更高质量的多媒体通信和不同q o s 的业务：b 3 g 通信系统能提供的 无线多媒体通信服务，包括语音、数据、多媒体等业务，大量信息通过无线信道传 j ! 室坚皇查主堕主兰垫整塞 苎= 兰熊鎏 送出去，因此，b 3 g 要实现一种实时和非实时的、宽带的以及无缝覆盖的多媒体无 线通信。b 3 g 通信系统还应该通过动态地分配带宽和速率、动态地调节发射功率来 提供不同质量的业务。 无线通信中的新技术m 订o 和o f d m ，有较高频谱利用率，具有很大的发 展潜力和应用前景。 1 1m 订。研究现状 m 订o 无线通信技术的概念非常简单，任何一个无线通信系统，只要其发射端 和接收端均采用了多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线m n 讧o 系统。m d 江o 无线通信技术采用空时处理技术进行信号处理，在多径环境下，无线瑚m o 系统可 以极大地提高频谱利用率，增加系统的数据传输速率 5 - 6 】。m i m o 技术作为提高 数据传输速率的重要手段得到人们越来越多的关注，已经被认为是新一代无线宽带 通信系统的革命技术。 蛐m 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 m “o 信道所进行的研究也主要围绕这两个方面。空间复用技术可以大大提高信道 容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。 m 讧0 技术的空间复用就是在接收端和发射端使用多副天线，充分利用空间传 播中的多径矢量，在同一频带上使用多个数据通道( m m i o 予信道) 发射信号，从 而使得容量随着天线数量的增加而呈线性增加。这种信道容量的增加不需要占用额 外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率，因此是提高信道和系统容量的一种非常 有效的手段。最好例子是为垂直分层空时码( v l s t ) 。 目前，m n v i o 技术的研究可以分为以下几个方面【7 一1 3 ：m i m o 信道的测量和建 模；m “0 信道容量的研究；空时信号处理；m i m o 信道估计、均衡；m i m o 与0 f d m 的结合；m i m o 中的天线选择等。 这几个方面分别研究了m m i o 无线通信的各个研究方向。虽然研究的角度不 同，但是其核心都是为了解决一个问题，在各种复杂的信道条件下，如何有效地利 北京邮电太学博士学位论文 第一章绪论 用m 皿垤0 技术，提高系统容量、改善系统的可靠性。 1 20 f d m 研究现状 o f d m 系统较一般的单载波通信系统能更充分利用频带，得到更高的数据传输 速率，目前已经在许多通信领域得到了应用。例如，欧洲数字音频广播a b ) 标准 采用了带差分相位调制的o f d m 1 3 ，数字视频广播回v b ) 标准包含了多幅度调制 的o f d m 1 4 ，高速无线接入局域网的标准8 0 2 1 l a 也采用了q a m 的o f d m 【1 5 】。 目前新代移动通信研究中以o f d m 技术最受瞩目，o f d m 技术的主要优势 是 1 】：1 频谱利用率高：这是由于其子载波是重叠的；2 抗多径能力强：o f d m 将要 传输的数据分担在多个并行的子载波上传输，每个子载波上传输的数据率远远小于 相干带宽，符号间干扰( i s i ) 可忽略；3 信道均衡简单：由于是在频域作信道均衡， 一般只需一个抽头的均衡器即可；4 实现简单：由于有f f t 算法以及d s p 和集成电 路技术的飞速发展，其实现比较简单；5 传输的数据率高：由于是并行子载波传输， 每个子载波传输很小的数据率就可以获得很高的传输数据率。 采用o f d m 技术要达到更高数据率，如上百兆b p s ，有一定困难，此时可考虑 将v l s t 技术和0 f d m 技术结合起来构成v l s t o f d m 系统。m i m o o f d m 系统 具有更大的覆盖范围，更好的传输质量，更高的数据速率和频谱效率 1 6 】 o f d m 系统弱点之一是对时间和频率同步的要求较高，特别是对频率同步的要 求，较小的频率偏移就会导致很大的性能损失 1 7 】 1 8 】。另一个弱点是峰值平均功率 比( p e a k t o a v e r a g e p o w e r r a t i o ，p a p r ) 较大 19 】。此外，o f d m 信道估计也是目前 研究热点。 o f d m 系统中的上述优缺点吸引了众多的研究者的广泛研究，一方面针对 0 f d m 系统的弱点提出各种改良方法，同时尽量在系统设计方面避开o f d m 系统 的缺点；另一方面不断挖掘o f d m 系统的优点，进步提高o f d m 系统的性能。 1 3 论文的内容及主要工作 本论文研究的内容主要分为四部分，首先简单介绍了m i m o 信道容量和空时信 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 号处理的基本知识，完成m r m o 信道建模，然后对v l s t 检测方法尤其是v l s t 迭 代检测方法作了研究，之后对v l s t - c i ，o f d m 作了研究，最后研究了过饱和小波包 分多址系统。具体内容安排如下： 第二章主要实现频率选择性多径m 蹦o 信道建模，为后续章节的计算机仿真做 准备。在这一章中，首先分析了移动无线信道的传播特性，然后介绍了单发单收无 线信道建模方法，其中改进的c l a r ( e 模型可以产生多路独立的瑞利衰落信道。在此 基础上引入m i m 0 信道建模方法，实现了频率选择性多径m i m o 信道建模。另外， 还简单介绍了m i m o 信道容量和m 订o 空时处理技术。 第三章主要对v l s t 检测方法尤其是v l s t 迭代检测方法作了研究。该章首先 分析常用的v l s t 检测算法，介绍迭代接收机的基本原理。在此基础上，提出一种 低复杂度的次优软检测算法一一准最大后验概率( q u a s j m a x i m u m 口皿枷州d p r o b a b i l i t y ，q m a p ) 检测算法。q m a p 算法递推的计算后验概率，并在树图搜索中 及时地删除冗余的路径。这使得算法保持较高的性能，又有较低的复杂度。针对 q m a p 算法在高阶q a m 调制的情况下复杂度仍然很高的缺点，提出多级映射 q m a p 算法，使复杂度进一步降低。建立了v l s t o f d m 迭代接收机系统进行仿真， 以对所提算法的性能加以验证。 第四章将载波干涉( c 1 ) 技术引入v l s t - o f d m 系统，研究v l s t - c i ，0 f d m 系 统的性能。首先研究了c f d m ，由于c i ，o f d m 将发送符号调制到所有的o f d m 子载波并通过c i 扩展码加以区分，c i ，0 f d m 具有较小的峰均比( p a p r ) ，其频率 分集特性也使得c i o f d m 性能优于o f d m 。本文将v l s t 与c i 0 f d m 结舍得到 v l s t - c i o f d m 系统，该系统除了具有o f d m 的优点外，还可以获得v l s t 的复 用增益和载波干涉的频率分集增益。推导了v l s t - c i o f d m 系统的m m s e 检测方 法，并建立仿真系统以验证算法的性能。比较了v l s t - c i ，o f d m 系统和v l s t _ o f d m 系统的p a p r 性能。 第五章主要研究了过饱和小波包分多址系统。首先，描述了过饱和小波包分多 址通信的基本原理，分析了小波包分多址地址码选择的原则，给出了两种过饱和 w p d m a 系统：最小尺度过饱和w p d m a 系统和正交过饱和w p d m a 系统。最小 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 尺度过饱和w p d m a 地址码集选取最小尺度的小波包基函数作为过饱和地址码，也 就是选取小波包树型结构中尽量靠近根节点的节点对应的地址码作为过饱和地址 码。由于小波包具有非常整齐的树型结构，将针对树型结构的低复杂度的最优检测 算法作为过饱和小波包分多址系统的多用户检测方法。正交过饱和w p d m a 系统中 首先保证过饱和地址之间相互正交，然后尽量选择小尺度的过饱和地址。根据该系 统中多址干扰的特点，采用分组排序串行干扰删除多用户检测方法。过饱和小波包 分多址系统可以提供比正交多址系统更高的容量，而性能损失可以接受。 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 1 4 本章参考文献 1 】z a l l 8 r i 甜i s t ，m e l l d s i n 恤ep a 血t 04 g ，c 砌砌1 1 i c 越l o n s b n g i n e e 2 0 0 3 ，v o i 1 ( 1 xp p 1 2 1 5 2 】c h u a n gj a l l ds o l l e l l b e r g e r n ，“b e y o n d3 g ：w i d e b a n dw i r e l e s sd a 协a c c e s sb a s e d0 no f d m8 i l d d y n 锄i cp a c k e t s 蛐e 咄”e bc o l i l i n u n i c a 土i o i l sm a g a z i n e ，2 0 0 0 ，v 0 1 3 8 ( 7 ) ，p p 7 8 - 8 7 f 3 y u n 铲o ok ，b 舯gj j ，j a e h a 】( c ，e f c ，b e y n n d3 g ：奶s j d n ，r e q u j 馏m 跚魄a n d 蹦a b 】j n g 妣h n o l o g i e s ，”i e e ec o m m u n i c 撕o n sm a 班i n e ，2 0 0 3 ，v 0 1 牢1 ( 3 工p p 1 2 0 1 2 4 【4 】e v a n sb g a n db g u g h a l lk ，v i s i 蚰s o f4 g ”e l e c t r o n i c s c o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g j o 啪a l ，2 0 0 0 ，v 0 1 1 2 ( 6 ) ，p p 2 9 3 - 3 0 3 5 】f o s c t l i i l ig j a n dg a i l sm j ，“0 nt h e m i 乜o f w h l e s sc o m m u n i c a t i o n si naf a d i n g 如v i r o 劬e n t w h e nu s i n gm u l t i p l ea n t e 士l n a s ，”w 酏l e s sp e r s o n a lc o m m 帆i c a t i o n s ，v 0 1 6 ，n o 3 ，p p 3l l - 3 3 5 ， 1 9 9 8 6 】t e l 她i e ，“c a p 神n yo f m u k i 一基g 妊1 1 1 1 ag 乳s s i 8 1 1c h a n n e j s ，b e i | l a b st 如卜m i c a lm e m o r a n d 呱 1 9 9 5 7 】 f 0 s c l l i i l igj ，l a y e r e ds p a c e - t m ea r c h i 怡c t u r ef o rw i r e l e s sc o h u n u n i c 8 廿o ni naf a 曲培 e n v i r o 唧e n tw h e nt l s i n gm u l t i _ e 1 锄e n t 蚰t n 雏，”b e l ll a b st e c h n i c a lj o u r n 扎v 0 1 1 ，n o 2 ，p p 4 1 59 - a u n l m n1 9 9 6 8 】j u n t t i ，m ；v e h k 印e 馆，m ；l e i n o n e l l ，j 二z e x i a l l ，v ；n o k o v i c ，d ；t s u m u r a ，s ；h 盯a ，s ；仉m 0 m c c d m ac o f n m u n i c 撕。工l sf o r 觚u r ec e l l u l a rs y s t e r n s ”，c o m m u n i c a f i o n sm a g a z i n e ，e e v 0 l u m e4 3 ，i s s u c2 ，f e b 2 0 0 5 ，p p ：1 1 8 一1 2 4 9 】d e b b a h ，m ；m u i i 町，r r ；碍d f m oc h a n n e im d d e i i n ga n dt i l ep r i n c i p l eo fm a 】c i m 咖e f l 打o p y i i l f o r n l a t i o n t h e o 啊i 髓e t 伽s a c t i o n s o n v o l 啪e5 l ，f s s u e5 ，m a y2 0 0 5 ，p p ：1 6 6 7 1 6 9 0 1 0 】w i l i i n k ，tj ；“m i m o0 f d mf o rb r o a d b a n df i x e dw i r e i e s sa c c e s s ”c o m m 删c a t i o l l s 删： p r o c e e d i n 蓼一v 0 i u m e l 5 2 ，i s s u e l ，f e b 2 0 0 5 ，p p ：7 5 8 1 1 1 t s o u l o s ， g ； a d a 砸v e a 1 1 t e i l n a sa n dm i m o s y s t c m sf o r w i r e l e s sc o m m u n i c 8 畦o n s ”。 c o m m u i l i c a n o n s m a g a 商n e ，i e e e ，v o l 啪e 4 2 ，i s s u e 【2 ，d e c 2 0 0 4 ，p p ：6 l 一6 1 1 2 j e n s e n ，m a ；w 甜l a ce ，j w ；ar e v i e wo fa m e n n a sa n dp r o p a g a t i o n 矗) rm i m o 州l e s s c o m m u n i c 撕o n s ”，a n t e n n a sa n dp r o p a g a 廿o n ，m e et r a l l s a c t i o n so nv o l u m e5 2 ，i s s u e1 1 ，n o 2 0 0 4 ，p p ：2 8 1 0 2 8 2 4 1 3 】t u 砌e b ，w h w | ，c o n s u r n e rd i g i t a lr a d i o ：舶mc o n c 印tt or e a i i t y ，e l e c t r o n i c sa i l d 6 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 c o m 姗m i c 撕o ne n g i n e e r i n gj o u r n a l ，v o l ，l o ，n o 6 ，d e c 1 9 9 8 ，p p 2 6 3 2 7 6 【1 4 r e i r n e r s u ，d v b t ：吐幢c o f d m - b 丑s e ds y s 幢mf o rt e m s t r i a lt e l e v i s i o n ，e l e c t r o n 主c sa n d c o m m u n i c 砒i o ne i l g m e e r i n gj o u m i ，f e b 1 9 9 7 p p 2 8 3 2 15 】r 0 l i n h r g f u l l l l e i d ，p 嚣f o 硼a r 啪c o m p 撕s o no fd i 瓶。e n tl n u l t i p l ea c c e s ss c h e m e sf o rt l l e d o w n l i n ko fa no f d mc o i n m u n i c 撕o ns ”t e m ，p r o c m e eu t c 9 7 ，p h o e n i x ，a z ，m a y1 9 9 7 ， p p 1 3 6 5 - 1 3 6 9 16 】 ls a m p a t h ，s t a l w 虬j t e l l a d o ，ve r c e g ，a p a u l 咧af o u n h g e n e r a t i o nm i m o - o h ) m b r o a d b a n dw i r e l e s ss y s t e m ：d e s i g n ，p e r f b r n l a l l c e ，蚰dn e l d 埘a 1r e s u h i 既ec o 咖1 1 r i i c “o 邶 m a g a z i n e ，2 0 0 2 ，4 0 ( 9 ) ：1 4 3 - 1 4 9 【1 7 a v a nz e l s 乞t c w s c h e n k i m p l e m e n 州o no fam i m oo f d m _ b a s e dw i r e l e s sl a ns y s t e m i e e et r 柚s a c t i o n so ns 咖“p r o c e s s i i l g 2 0 0 4 ，5 2 ( 2 ) ：4 8 3 - 4 9 4 1 8 】p h m o o s e at e c h l l i q u ef o fo r 血0 9 0 n a l 舶q u e n c yd i v i s i o nmu l t i p l e x 吨丘朝u e n c yo 蕊e t c o r r e c t i o n ，i e e e 胁a c t i o l l s0 玎c o m m u n i c 州o m ，1 9 9 4 ，4 2 ( 10 ) ：2 9 0 8 - 2 9 1 4 19 】j a d a “sa 1 1 dj j e d w a b ，“p kt o m e a l lp o w e rc o n 们ii no f d m ，g o l a yc o m p i e i n e n t s e q u e n c e s ，a n dr e e d _ m u l l e rc o d e s ，”i e e et r 柚s o ni n f o r n l a t j o nt h e o v 0 1 4 5n o 7 p p 2 3 9 7 2 4 1 7 n o 1 9 9 9 7 北京邮电大学博士学位论文 第二章m i m o 信道建模与m i m o 技术概述 第二章m i m o 信道建模与m i m o 技术概述 2 1 移动无线信道的传播特性 移动通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。有线信道的传播特性是平 稳的和可预测的，而移动无线信道的传播特性是十分复杂的，当发射机发射信号时， 电磁波与传播环境中的各种物体( 如建筑物、山脉、街道、树木和运动的车辆等) 进 行相互作用，无线信道不象有线信道那样固定并可预见，而是具有极度的随机性。 无线信道的传播一般涉及三种基本传播方式：波的散射( s c a t t e r i n g ) 、反射 ( r c n e c t i o n ) 和绕射p i 缶a c t i o n ) ，这些方式将会导致信号出现路径损耗( p a t l ll o s s ) ，它 是指电波在空间传播时所产生的损耗。它反映了信号传播在宏观大范围( 几百米或几 千米) 的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势，所以被称为大尺度衰落，又 叫路径损失。除此之外，般无线移动通信的信号还要经历慢衰落和快衰落如图2 1 所示。 其中慢衰落又称长期衰落、阴影衰落，是由于障碍物的遮挡引起的，一般服从 对数正态分布，是由于传输环境中的地形起伏及建筑物及山丘阻挡所产生的阴影而 产生的衰落损耗。它反映了中等范围内几百波长量级接收电平的均值变化而产生的 损耗，一般遵从对数正态分布，其变化率较慢。快衰落又称为小尺度衰落，会引起 信号幅度急剧变化，是影响信号衰落的主要因素。 2 1 1 移动无线信道的大尺度衰落 无线电波在自由空间内传输，其信号功率会随着传播距离的增加而减小，这会 对数据速率以及系统的性能带来不利影响。最简单的大尺度路径损耗的模型可以表 示为： 三：生：五上 pd ( 2 - 1 ) j ! 塞些皇查兰苎主堂竺监塞篁三兰坚! 坚2 堕耋堕燮皇! ! 型2 垫垄竖些 图2 1 某一衰落信号的路径损失、慢衰落与快衰落 其中p 表示本地平均接收信号功率，n 表示发射功率，d 是发射机与接收机之 间的距离。对于典型环境来说，路径损耗指数r 一般在2 到4 中选择。由此可以得 到平均的信噪比( s n r ) 为： 册寺瑙争嘉 陋z ， 只 d n o b ?。 其中“是单边噪声功率谱密度，b 是信号带宽，k 是独立于距离、功率和带宽 的常数。 2 1 2 移动无线信道的小尺度衰落 小尺度衰落是指无线信号在较短时间和较小距离范围内经历的信号幅度的快速 变化，以至于大尺度衰落的影响可以忽略不计。影响小尺度衰落的主要因素包括： 多径传播、移动台的运动速度、环境物体的运动速度、信号的传输带宽。信号经过 移动无线信道时，其衰落类型取决于发送信号参数( 如带宽、符号间隔等) 和信道 参数( 如多径时延和多普勒扩展) 1 2 】。图2 2 表示了不同类型衰落与信号和信道 特性的关系。由图中可以看出，多径时延扩展引起时间色散和频率选择性衰落，而 北京邮电大学博士学位论文第二章 m o 信道建模与蝉幽技术拇燮 多普勒扩展则引起频率色散和时间选择性衰落。 小尺度衰落f ( 基于多径时延扩展) 广l 平坦衰落 频率选择性衰落 信号带宽 信道相干带宽 时延扩展 符号周期 。生# 黼黪落低多普勒黪落 嘉耋煮黧5 览星田棚藉军爵涮孳号周期 塑重墨震耋耋! 基! 警警卷。 翟磊萎茬孚；i 鬻茗善变化 信道变化快于基带信号变化 8 4 1 2 。21 ”2 “ 图2 2 小尺度衰落类型 2 1 3 移动无线信道的扩展特性及其参数 无线信道是典型的随机时变信道，一般说来，随机时变信道存在三种扩展 1 ) 时间扩展：它是由信道的多径传播引起时间域上的扩展( 时延扩展) ，从而引 起接收信号的频率选择性衰落。信道的时间扩散将造成接收信号的频率选择性衰落。 2 ) 频率扩展：它是由移动用户的运动则引起频率域上的展宽，从而引起时间选 择性衰落。由于传输介质的运动产生了多普勒效应，这样当在频率域内信道的输入 是一6 函数时，信道的输出在频率域内将不再是一占函数而是一展宽了的函数，从 而在对应的时间域内不再是一平坦函数，这就引起了时间选择性衰落。 3 ) 角度扩展：即空间域上的扩展，从而引起空间选择性衰落。 所谓选择性是指在不同的时间、不同的频率和不同的空间其衰落特性是不一样 的。对于移动通信来说，恶劣的信道特性是不可回避的问题。要在这样的传播条件 下保持可以接受的传输质量，就必须采用各种技术措施来抵消衰落的不利影响。这 i ! 塞塑皇查堂堂主兰笙鲨塞 兰三兰翌型2 堕垄壅塑兰! ! 坠2 垫查竖鎏 就是各种抗衰落技术，包括扩频跳频、均衡、分集、交织和纠错编码等a 无线信道的参数主要包括： 1 ) 多普勒扩展和相干时间 移动台在移动中通信时，接收信号频率会发生变化，所导致的附加频移称为多 普勒频移，表示为 五2 姜c o s ( 们 ( 2 - 3 ) 其中v 是运动参数， 是载波波长。厶= v ， 是无的最大值，称为最大多普勒 频移。臼是入射电波与移动台运动方向的夹角。 在任一时刻，移动台接收到的信号含有来自各个方向的反射波多径，假设入射 功率在护卜而，r 】区间均匀分布的，可得接收信号功率谱密度 跗，= 讣( 等玎川。郫批p 。， 其中，乓是各向同性天线接收到的平均功率，上式即是c l a s s c 谱。可见，虽然发 射信号为单一频率正，但接收电波的功率谱s ( o 却扩展到【工一l ，工+ l 】，这就 是多酱勒扩展。 相干时间瓦= 1 厶是信道冲击响应维持不变的时间间隔统计平均，在相干时间 间隔内，多径到达信号具有很强的幅度、相位相关性。假如基带信号的带宽远大于 最大多普勒频移，对应在时域中，最快符号周期远小于信道的相关时间，接收机接 收到的信号在一个符号周期内变化不大，称信道为慢衰落信道，反之，信道就是快 衰落的。 2 ) 时延扩展和相干带宽 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。在发射发送一个极窄的脉冲信 号占( f ) ，由于不同路径的传播距离不一样，信号沿各自的路径到达移动台的时间就 不同，接收信号r ( t ) 由不同时延脉冲组成，可表示为： j ! 塞塑皇查兰苎圭堂垒监塞兰三兰坚望竺堡望垄垡兰! ! 生竺垫塑鋈 川) 5 莩彬【f _ 删 厶) 这里口砧) 是第l 条路径的反射系数，它是f 的函数，代表信道的时变特性。0 ( t ) 是第，条路径的时延，最后一个可分辨的时延信号与第一个时延信号的到达时间之 差定义为时延扩散，记作l 。相干带宽常定义为最大时延的倒数，即b = l ，乙。 多径衰落信道中对不同频率分量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