无线通信技术中的分集技术研究

1、*大学20122013学年*学期研究生课程考试课程名称： 无线通信系统 课程编号： 题目: 无线通信技术中的分集技术研究 研究生姓名:评语:成 绩: 任课教师: 评阅日期: 无线通信技术中的分集技术研究2013-06-13摘要：在无线通信系统中，衰落效应是影响无线通信质量的主要因素之一，分集技术是现代移动通信中抗衰落技术的重要手段。本文介绍了分集技术的研究背景以及分类，分析了分集技术的演进过程和趋势，比如在3G中的应用，多天线分集技术以及在3GPP LTE中的应用。分集技术不仅为无线通信解决了难题，并且促进了无线通信系统的快速发展。关键字：分集技术；3G；多天线技术；协同分集；3GPP LTE

2、Abstract：In the wireless communication system, the fading effect is one of the main factors affecting the quality of wireless communications; the diversity is an important means of the anti-fading technology in modern mobile communication technology. In this paper Diversity technology, the research

3、background and the classification are introduced. The paper analyzes evolution and trends of the diversity, such as the application in 3G, multiple antenna diversity technique and its application in the 3 GPP LTE. To wireless communication system，diversity technology not only solved the problem and

4、promoted the rapid development .Keywords: diversity technique; 3G; MIMO; cooperative diversity; 3GPP LTE1. 引言在无线通信中，发射信号可能经过直射、反射、散射等多条路径到达接收端，这些多径信号相互叠加会形成衰落，其中快衰落的衰落深度可达40dB，偶尔可达80dB。衰落会严重影响通信质量（如会导致数字信号的高误码率等）。为了减小衰落对通信质量的影响， 可采用加大发射功率的方法，但这种方法的代价太大，且会造成对其他电台的干扰，因此加大发射功率的方法实际上是不可行的。目前使用的抗衰落方法主要有信

5、道编码、均衡、扩频和分集。在众多的抗衰落方法中，分集的效果最好。分集就是在独立的衰落路径上发送相同的数据，由于独立路径在同一时刻经历深衰落的概率很小，因此经过适当的合并后，接收信号的衰落程度就会被减小，提高了接收信号的可靠性。分集技术的应运而生使得无线通信技术的发展更为迅速。研究表明, 分集技术能够有效抵抗无线通信中多径衰落带来的影响，由此人们引入了多输入多输出(M IMO)技术，它能够利用无线通信中的多径提供分集增益，从而提高通信速率和质量。目前M IMO技术已经成为无线通信中的研究热点。虽然M IMO技术能够使系统的性能得到提升。但是移动终端由于受到体积和成本的限制，安装多个天线变得非常困

6、难，这就限制了M IMO技术的应用。因此人们提出了协作分集技术，即在多用户环境下，每个单天线用户在发送自己信息的同时也为自己的协作伙伴发送信息,这样就形成了虚拟多天线系统。协同分集同样可以达到完全分集的效果， 从而可以在不改变用户天线数目的情况下, 提高系统的传输可靠性。本报告分为六个部分，第一部分介绍分集技术的研究意义与背景，这部分由左子凤完成。第二部分简单介绍了分集技术的分类及原理，并详细描述了RAKE接收机在DSCDMA系统中的性能，这部分是由左子凤完成的；第二部分介绍了发射分集在3G中的运用，详细介绍了开环发射分集和闭环发射分集的原理和应用，这部分是由王洁同学完成的；第三部分简单介绍了

7、多天线技术的原理及其模型，这部分是由樊登峰同学完成的；第四部分介绍了协同技术，本部分是由张英同学完成的；第五部分介绍了3GPP的应用，本部分是由周景超同学完成的。此外，中英文摘要是由周景超同学负责的，中文结论是由张英和王洁两位同学合作给出的，樊登峰同学负责本文格式的修改和任务的分配，由左子凤完成文章最终的校队和修改。2. 分集技术2.1 分集原理2.1.1 分集方式分集方式包括时间分集、频率分集、极化分集和空间分集1。(1) 时间分集时间分集是将同一信号在不同时间区间多次重发，只要各次发送时间间隔足够大，则各次发送出现的衰落将是相互独立统计的。时间分集正是利用这些衰落在统计上互不相关的特点，即

8、时间上衰落统计特性上的差异来实现抗时间选择性衰落的功能。时间分集与空间分集相比较，优点是减少了接收天线及相应设备的数目，缺点是占用时隙资源增大了开销，降低了传输效率，同时对于静止状态的移动台是无效果的。(2) 频率分集频率分集是采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一信息，然后进行合成或选择，利用位于不同频段的信号经衰落信道后在统计上的不相关特性，即不同频段衰落统计特性上的差异，来实现抗频率选择性衰落的功能。实现时可以将待发送的信息分别调制在频率不相关的载波上发射。 频率分集与空间分集相比较，其优点是在接收端可以减少接受天线及相应设备的数量，缺点是要占用更多的频带资源，所

9、以，一般又称它为带内(频带内)分集，并且在发送端可能需要采用多个发射机。 (3) 空间分集如果天线安装的间隔足够大，那么不同天线接收到的信号幅度和相位的衰减是不相关的，即不同天线对之间的衰落路径是独立的。使用多个发送天线或接收天线，即天线阵列，其阵元之间有一定的距离。这种分集方式叫做空间分集。空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统。其中空间分集接收是在空间不同的垂直高度上设置几副天线，同时接收一个发射天线的微波信号，然后合成或选择其中一个强信号，这种方式称为空间分集接收。这样就降低了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。 空间分集接收的优点是分集增益高，缺点是还需另外单独的接收天线。2.

10、1.2 分集接收技术分集技术是研究如何充分利用传输中的多径信号能量，以改善传输的可靠性，它也是一项研究利用信号的基本参量在时域、频域与空域中，如何分散开又如何收集起来的技术。“分”与“集”是一对矛盾，在接收端获得若干条相互独立的支路信号以后，可以通过合并技术来得到分集增益。合并时采用的准则与方式主要分为四种：最大比值合并（MRC: Maximal Ratio Combining）、等增益合并(EGC: Equal Gain Combining)、选择式合并(SC: Selection Combining)2。假设个输入信号电压为，则合并器输出电压为： （2-1）（1）等增益合并等增益合并（EG

11、C）也称为相位均衡，仅仅对信道的相位偏移进行校正而幅度不做校正。等增益合并是各支路的信号等增益相加，即式中加权系数。等增益合并不是任何意义上的最佳合并方式，只有假设每一路信号的信噪比相同的情况下，在信噪比最大化的意义上，它才是最佳的。它输出的结果是各路信号幅值的叠加。对CDMA系统，它维持了接收信号中各用户信号间的正交性状态，即认可衰落在各个通道间造成的差异，也不影响系统的信噪比。当在某些系统中对接收信号的幅度测量不便时选用EGC。（2）最大比值合并（MRC）在接收端由多个分集支路，经过相位调整后，按照适当的增益系数，同相相加，再送入检测器进行检测。在接受端各个不相关的分集支路经过相位校正，并

12、按适当的可变增益加权再相加后送入检测器进行相干检测。最大比合并是在接收端有个分集支路，信号强的支路相应的加权较大，信号弱的支路加权小。 由于各路信号在叠加时要求保证是同相位的（不同于选择式合并），因而每个天线通常都要有各自的接收机和调相电路。最大比合并的输出SNR等于各路SNR之和。所以，即使当各路信号都很差，使得没有一路信号可以被单独解出时，最大比合并算法仍有可能合成出一个达到SNR要求的可以被解调的信号。在所有已知的线性分集合并方法中，这种方法的抗衰落统计特性是最佳的。现在的DSP技术和数字接收技术，正在逐步采用这种最优的合并方式。（3）选择式合并采用选择式合并技术时，个接收机的输出信号先

13、送入选择逻辑，选择逻辑再从个接收信号中选择具有最高基带信噪比的基带信号作为输出。每增加一条分集支路，对选择式分集输出信噪比的贡献仅为总分集支路数的倒数倍。但是在实际应用中，由于难以测量信噪比，因而实际上是用作为参考的。分集接收技术早已在模拟无线通信系统中得到成功应用，近年来在数字无线通信领域得到了更加广泛的应用。目前，在GSM 系统中，基站广泛采用二重空间分集接收，提高系统性能；在CDMA 系统中，手机和基站都采用RAKE（多径）接收机进行分集接收，来减小衰落的影响。2.2. RAKE接收机2.2.1 RAKE接收机的原理在CDMA移动通信系统中，由于采用扩频技术后会使信号带宽变得很宽，若信号

14、带宽W大于通道的相干带宽时，信号在经过无线通道时会遭受频率选择性衰落产生多径时延，由于多径信号中含有可以利用的信号。如果采用一般的接收方法可能使有用信号丢失信噪比下降。为了提高接受信号的信噪比就引入复杂的接收机(RAKE receiver)来收集每个路径的信号这样就能克服多重路径的影响，提高接受性能，通信受到多径衰落的影响。RAKE接收技术实际上是一种多径分集接收技术，可以在时间上分辨出细微的多径信号，对这些分辨出来的多径信号分别进行加权调整、使之复合成加强的信号。RAKE接收机的基本原理就是将那些幅度明显大于噪声的多径分量取出，对它进行延时和相位校正，使之在某一时刻对齐，并按一定的规则进行合

15、并（如最大比值合并），变矢量合并为代数求和，从而增加了信号抗干扰能力、减少干扰、减轻衰落3。2.2.2 RAKE接收机在DS-CDMA中的性能RAKE接收机在多径衰落信道上合成信号能量。根据最大比值合并原理，输出端的SNR是各分支的SNR之和，并且假设信道中只存在高斯白噪声且编码是正交的4-5。我们参考文献5，对DSCDMA系统的RAKE接收机的性能进行仿真。实验步骤如下：A、为每个用户随机产生15位的比特数；B、为每个用户形成一个PN序列；C、信道添加AWGN噪声，通过时间延时产生不同衰减的多径信道；D、比较有RAKE接收机和没有RAKE接收机信号的情况。图2.1 RAKE接收机的实现框图图

16、2.1是设计的RAKE接收机。其中是L个接受终端，相关器通过和发射端相同的PN序列得到不同的合并因子至加法器进行合并输出。每个多径信号都有一个不同的时延，并且有不同衰减因子，衰减因子可以在接收端通过相关器correlator重新获得。在RAKE接收机的接收端，从相应的时延和衰减可以估计出信道路径的数目。在估计完时延和衰减系数后，再用和发送端同样的PN序列估计出第一个用户的数据。最后不同路径的信号根据最大比值合并（MRC）形成一个新的信号序列。 在实验中，我们假设是瑞利信道，并且传播时间间隔是10ms。信道路径的数目等于用户的个数。每个路径的延时等于传播时间间隔的整数倍。每个路径的衰减不相同但是

17、在发射端预先设置好的。采用BPSK的编码方式进行传播。虽然接收机但不知道信道信息，所以信道的传播时延和衰减都可以通过PN序列估计出来。假设最大的时延，路径数目。图2.2是实验结果，可以看出接收端采用RAKE接收机比没有采用RAKE接收机的误比特率明显小了许多，接受信号质量较高。图2.2 有RAKE接收机和无RAKE接收机的BER3. 发射分集技术在3G中的应用3.1 研究背景及意义无线通信技术采用天线分集方法抵抗信道衰落。传统的天线分集是在接收端（移动台）采用多根天线进行接收分集的，并采用合并技术来获得好的信号质量。但是由于移动台尺寸受限，很难获得等强度信号，且设备成本高，所以基站端通常采用发

18、射分集技术。 发射分集是在一副以上的天线上发射信号，并将发射信号设计成在不同的信道中保持独立的衰落，在接收端再对各路径信号进行合并，从而减少衰落的严重性。基站的复杂度较移动台端限制少，且天线有足够空间，因此通常在基站端采用多副天线，在接收端采用一副天线。 发射分集成本代价比接收分集低，而且能够实现同一发射信号使多移动台获得发射增益（支持点对多点发射），传统的接收分集的发射增益只是针对一个移动台6-7。3.2. 发射分集技术分类发射分集有很多种类，根据是否需要反馈，分为前馈分集与反馈分集，通常也被称为开环发射分集、闭环发射分集。开环发射分集又分为空时发射分集、延迟分集、时间转换发射分集、相移发射

19、分集、相位结合发射分集、正交发射分集、极化分集。闭环发射分集为选择发射分集、Pre-Rake分集、发射自适应阵列等。 3.3. 3G中的开环发射分集第三代移动通信中的开环发射分集采用的是预置多天线分集方式8-10。采用这种方式可获得增益，无需额外信令开销，且移动台复杂度仍然保持较低。缺点是信道信息没有得到充分利用。（1）时间转换发射分集该分集方式是发射端以一个每帧固定的转换速率将用户的传输信号在两副天线间切换发射的，即天线的切换是以时隙为单位进行。在不同的时隙使用不同的天线发射，例如奇时隙的数据在天线1上发射，偶时隙的数据在天线2上发射，如下图3.1 所示。图3.1 时间转换发射分集（2）正交

20、发射分集图3.2 正交发射分集和是正交的长度为128 的Walsh 码(每个码元重复两次) ，、是信道复乘性系数。编码比特b n 被分成两路，令xo 和xe分别表示奇、偶码元，则天线发射信号为： 移动台接收到的信号为：再使用同样的Walsh码对两路信号进行解扩并将其合并后就可恢复出原来的码元，如图3.2。（3）空时发射分集空时编码(space time coding) 是基于发射分集克服无线信道信号衰落的重要途径之一11。 空时码通过有效地分配不同的码元到不同的天线，并通过在天线间增加某种类型的时间冗余度以达到前向纠错目的。 空时码可以分为分组空时码和空时格码两种。不管是哪种形式，L根发射天线

21、的发射信号都可以用编码矩阵表示:图3.3 空时编码列表示天线，每行则对应于调制码元出现时刻，为第i 根天线在第n时刻发射的码元。一个编码矩阵从第k个码元开始，结束于( k+l-1) ，共有l个码元周期，这里l是有意义的码元周期数。STTD则是基于空时编码的开环发射分集。由于能够获得最大的分集增益，这种类型的开环发射分集已经被3GPP 采用，如图3.4。图3.4 STTD发射机xo和xe 分别为奇偶码元，则两根天线上，如图3.4。发射信号为： （3-1） (3-2)接收码元： (3-3)发射信号估计为： （3-4）（4）空时扩频( STS) space-time spreading码元采用多个W

22、alsh码扩频，与STTD 方式类似12。 发射码元表示为 (3-5) (3-6)恢复的数据流为 (3-7) (3-8) 将级联输入解调器进行解调。STS 以及STTD 较OTD 的优点在于所有的编码比特均在所有的天线上进行发射，因此在解码过程前还具有重复编码所获得的时间分集。3.4. 3G中的闭环发射分集闭环发射分集在本质上是自适应的，其优点在于BS(基站) 通过MS(移动台) 反馈的信息已知下行链路信道状况，通过在下行链路周期性地发送训练信号，不同MS将其反馈发给BS13-14。该信息被用来计算对每个移动台的最佳发射权重，这样在期望MS上接收功率最大，而对其他MS的干扰最小。 （1）选择发

23、射分集( STD)STD(selective transmit diversity) 是STTD 的推广。 每个码元在任一个给定时刻通过一个天线发射。 MS 使用每个天线发送的公共导频计算平均接收功率，并以此判断希望BS从该根天线发送信息，再将该判断通过反馈信道返回到BS。（2）发射自适应阵列( TxAA)TxAA是一种MS周期性的发射最佳发射权重的量化估计，并通过反馈信道发给BS。发射机依据最佳权重使得发给MS 的功率最大，如下图3.5：图3.5 发射自适应阵列法假设两天线的发射信号到达时间很接近，单径情况，则MS 接收的信号为 ： (3-9) 为使接收功率最大，最佳的发射权重应该为 ；在多

24、径的情况下H 为矩阵而非向量，最佳权重将由信道相关矩阵 给出。 STD 实际上是TxAA 的一种特例，它的权重为0 ,1 或1 ,0 。假设TxAA 的反馈机制能完全获得下行链路的信道信息，在解调和信道估计后信噪比为： (3-10)STTD 可获得的最大信噪比为： (3-11)显然，STTD 的最大SNR 不可能大于TxAA 的最大SNR。（3）闭环发射分集存在的问题15 反馈精确性：在慢平坦衰落环境中，具有精确反馈信息这一理想情况下闭环方案的性能明显要好于没有反馈的方案。实际实现时反馈能力的有限性就使得反馈的精度成了一个很重要的因素 反馈误差：反馈比特没有通过FEC(前向纠错) 进行保护，因

25、而BS 采用的发射权重并不一定是MS 期望的，有必要在MS 进行权重修正，可采用公共导频信号来估计信道，也可利用业务信道内的导频码元来进行估计，实际应用的权重可以采用假设测试估计得到；另一个解决途径是使用直接判断法，在帧出错时，错误的输出比特用来创建帧的副本并与接收帧相比较，以决定帧中各时隙的权重。反馈时延：MS利用信道状态信息来估计反馈信息，但是在它将信息反馈给BS时总会有一定的时延。解决途径是将信道建模为AR (自回归)过程，线性预测法可以用来估计AR 系数，也可预测信道的未来状态。移动台根据预测计算出反馈信息，这样就可减少反馈时延的影响。 4. MIMO技术4.1 MIMO技术的发展现状

26、随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的严重不足已经日益成为无线通信事业发展的瓶颈，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。研究表明：多天线技术能够充分利用空间资源，在不增加系统带宽和天线发送功率的情况下，有效对抗无线信道衰落的影响，大大提高通信系统的频谱利用率和信道容量，是新一代无线通信系统(即所谓的Beyond 3G/4G)可能采用的关键技术之一。多输入多输出(MIMO)系统是近年来无线通信领域的一个重大突破，它通过在发送端和接收端分别安置多幅天线来实现，故称之为“多天线”技术，它可以看做是分集技术的一种衍生16。目前，世界各国学者都在对MIMO的理论

27、、性能、算法和实现等各方面进行着广泛的研究，MIMO技术已成为通信技术发展中最为炙手可热的课题。纵观多天线技术的历史，早在1908年马可尼就提出用它来抗衰落。到20世纪70年代，由于军事上的原因，数字信号处理技术得到了快速发展，这使得更多的关于天线阵列研究的自适应信号处理技术的实现成为可能，从而进一步提高了分集性能降低了干扰。到20世纪90年代初，人们发现使用多天线可以增加无线信道的容量。1994年，Paul由和Kailath提出在发送端和接收端同时使用多天线可增加无线信道的容量17。1996年，Roy和Ottersten提出在基站使用多天线可在同一信道上支持多个用户使用18。随后，Bell实

28、验室在20世纪90年代中后期一系列研究成果的出现，对多天线的研究起了很大的推动作用，开创了无线通信的一场新的技术革。Foshinia给出了一种MIMO处理算法对角-贝尔实验室分层空时(D-BLAST)算法。分层空时编码将信源数据分为若干字数据流，独立的进行编码、调制，频谱利用率可达40bps/Hz以上，但它较适于窄带系统和室内环境，不太适合应用于室外移动环境。1998年，Tarokh等提出空时编码技术。2003年，Airgo Networks推出了世界上第一款集成MIMO技术的芯片AGN100（应用了MIMO技术的WiFi芯片，每信道108Mbps。2006年，第三代True MIMO芯片，2

29、40Mbps）。近年来，Agrawal 等提出了一种OFDM与空时编码结合的MIMO方案19。4.2 MIMO技术原理MIMO技术为系统提供了空间复用增益和空间分集增益。信号在传送中遇到物体发生反射和散射，产生多条路径，MIMO技术将这些路径变为传送信息子流的“虚拟信道”。在接收端可用单一天线，也可用多个天线进行接收，当然每个接收天线接收到的是所有发送信号与干扰信号的叠加，MIMO的空时解码系统利用数学算法拆开和恢复纠缠在一起的传输信号并将它们正确地识别出来。图4.1 MIMO系统原理图传输信息流经过空时编码等处理，形成M(k)个信息子流，这M(k)个信息子流由M(k)根天线发送出去，经过空间

30、信道后由k根接收天线接收。多天线接收机利用空时信号处理，能够分开并解码这些数据子流，从而实现高容量的最佳接收。每个收发天线之间对应一个MIMO子信道，在收发天线之间形成 信道矩阵H，在某一时刻t,信道矩阵为： (4-1)其中H的元素是任意一对收发天线之间的增益。4.3 MIMO技术的优势MIMO系统发展如此迅速，必然有其优势21利用了多径效应，抵抗瑞利衰落。多径衰落是影响通信质量的主要因素，也是通信中无法避免的问题。MIMO技术不但没有设法消除多径信号，而是充分利用空间传播中的多径矢量，将信道与发射、接收视为一个整体进行优化即当两处信号在被认为完全不相关的情况下实现多径信号的空间分集接收。更优

31、的频带利用率。MIMO技术通过增大天线的数量来传输信息子流，多个数据子流同时发送到信道上，各发射信号占用同一频带，从而在不增加频带宽度的情况下增加频谱利用率。更高的数据吞吐量。MIMO技术在同一个频带上利用多个天线创造多个并行的空间信道，通过多个而且相对独立的数据子信道来发送信息。在发射功率和带宽固定时，系统的容量随最小天线数的增加而线性增加。更广的信号覆盖范围。MIMO技术能将遇到反射体后产生的发射波、折射波或散射波来组合信号，扩大了单一流量的传输距离和天线的接受范围。无线信号扩展到原本单一发射端的直接信号无法覆盖的范围，特别是覆盖到室内容易出现信号盲点的死角，真正让你无“盲区”之忧。抗干扰

32、能力强。4.4 MIMO信道模型及信道容量分析4.4.1 MIMO系统模型MIMO即多发射天线多接收天线技术，NT副发射天线，NR副接收天线，系统模型图如下：图4.2 MIMO系统模型MIMO系统输入输出关系可以写为： (4-2)4.4.2 MIMO信道模型无线通信系统的性能主要受到移动无线通信信道的制约。在无线通信系统中，发射机和接收机之间的传播路径是非常复杂的，并且具有极度的时变随机性，难易分析。不同的文献对MIMO 信道模型的分类不尽相同,总结之后可以分为下面几类20-22：(1) 宽带模型和窄带模型MIMO信道模型可以根据系统带宽直接区分为宽带模型与窄带模型。大多数MIMO信号检测算法

33、都是基于窄带模型进行研究的, 利用OFDM技术可以将宽带系统转化为窄带系统。通常, 宽带MIMO信道模型都是在窄带模型的基础上根据功率时延剖面加入多径参数的影响而建模的。(2) 确定性模型和随机性模型确定性模型是基于精确描述特定传播环境的一种模型。有2种确定性方法可以用于提取信道特性:射线跟踪法和记录信道冲激响应法。随机性模型将信道视为随机过程, 通过随机过程的建模间接反映MIMO信道的统计特性。随机性模型主要包括基于几何的信道模型、参数化信道模型和基于相关的信道模型3种。(3) 场测量模型和散射体模型MIMO信道的特性可以通过对测量数据进行研究而得到, 并进而将信道建模为具有类似特性的信道模

34、型。另外, 还可以根据散射环境假定一个模型尽量满足信道特性。(4) 非物理模型和物理模型非物理模型是基于非物理参数的信道统计特性的。通常, 非物理模型容易仿真, 并可为仿真提供精确的信道特性。但是它们对MIMO信道传播特性的反映有限, 且依赖于测量设备。另一类模型是基于信道物理特性的模型。通常, 这些模型选择一些重要的参数来描述MIMO传播信道。典型参数包括: 到达角度、离开角度和到达时间等。在MIMO技术中, 出于不同应用目的的需要和建模侧重点的不同, 出现了大量的信道模型。这些模型的生成方式和使用场合各异, 使清晰的分类变得非常困难。在这里主要给大家描述一种分类后的模型。按照模型的建立是否

35、具有物理意义来划分, 可以将它们划分为两大类: 物理性的和非物理性的模型。4.4.3 MIMO信道容量分析随着蜂窝移动通信、因特网和多媒体业务的发展，世界范围内无线通信的容量要求在迅速增长。传统的通信系统是采用单一发射天线和单一接收天线的通信系统，即所谓的单输入单输出(Single Input Single Output，SISO)天线系统。不管采用何种调制技术、编码策略或其他方法，无线信道总是给无线通信作了一个实际的物理限制。这一点在当前无线通信市场中形势尤为严峻因为用户对更高的数据率的需求是非常迫切的。必须进一步提高无线通信系统的容量。信息论研究表明，在无线通信中使用多输入多输出技术可以显

36、著提高通信的容量，并改变无线通信系统的性能。对于实际的无线衰落环境，由于多径效应和时变性等因素的影响，信道的衰落系数不再是确定的，而是一个随机变量，因此，系统容量也将是一个随机变量。Foschini和Gans从信息论的角度导出了MIMO系统在衰落环境中的信道容量： （4-3） 表示接收信号信噪比；IN表示阶单位矩阵，；H为信道矩阵；det(.)表示矩阵行列式。接收与发射天线数目分别为NR 、NT，H为NR×NT阶信道响应矩阵。5. 无线通信中的协同技术5.1 协同分集技术协同其实就是用户之间互为中继的一种通信方式23。 严格意义上讲，协同分集是一种空域分集方式，但又与普通的多天线空域

37、分集有所不同。 图5.1 蜂窝小区两用户协同场景图5.1所示的蜂窝小区两用户协同场景为例，两用户向基站上行传输数据。首先用户间通过某种方式获得对方需要传输的信息，再经过自己至基站的信道传输该信息。这样，同一信息经过相互独立的信道到达基站，从而获得分集。 5.2协同多点传输/接收技术协同传输过程分为两步24。第一步，用户 1 以广播方式发送信号(实线所示)，基站和协同伙伴用户 2 接收信号，且用户 2 对接收到的信号进行相应的处理，此时用户 2 充当用户 1 的中继。第二步，用户 2 向基站发送处理好的信号(虚线所示)，此时用户 1 也可以向基站发送重复或新的信号，最后基站对经过两条独立衰落路径

38、到达的信号进行合并。若用户 2 同时也有信息发送，可以同时通过用户 1 中继。 图5.2 协同传输过程5.2.1协同与中继的区别 协同通信技术源于中继信道，但在很多方面又区别于中继信道。首先，协同通信技术应用于衰落信道中，主要目的是对抗多径衰落，而中继信道分析的则是AWGN信道的容量；其次，中继信道中的中继节点的唯一目的就是帮助源节点发送信息，而在协同通信中，整个系统的资源是固定的，各用户既可充当中继节点帮助源节点发送信息，又可作为源节点发送自己的信息。因此，协同通信技术研究的侧重点有所不同。协同通信技术的基本思想是在多用户通信环境中，使用单副天线的各临近移动用户可按照一定方式共享彼此的天线协

39、同发送，从而产生一种类似多天线发送的虚拟环境，获得空间分集增益，提高系统传输性能。这种传输方式融合了分集技术与中继传输的技术优势，形成了分布式的虚拟MIMO系统，克服了相干距离等的限制，在不增加天线数目的基础上，在传统通信网络中可获得与多天线及多跳传输情况下相近的传输增益。所谓虚拟MIMO指的是：在协同通信系统中，多个中继节点本身可自然形成虚拟的天线阵列，节点间通过相互配合和信息互通，模拟传统MIMO技术的应用环境，从而实现联合空时编码的传输方案。与此同时，目的节点不仅接收来自源节点直接发送的信号，同时还接收来自中继节点转发的信号，并根据无线链路传输状况和信号质量，选取不同的合并方式进行处理，

40、从而最大限度地利用有效信息，获得分集增益并有效地提高数据传输速率。5.2.2协同分集中的信号处理方式协同分集中的信号处理方式有非自适应和自适应两种25-26。(1)非自适应：放大前传(Amplify-and-Forward，AF)，如图5.3，解码前传(Decode-and-Forward，DF) ，如图5.4。(2)自适应：根据信道状态自动调整发送数据 图5.3 放大前传每个用户接收到协同伙伴的信号(含信道噪声)后直接将该信号放大并发射出去，基站在合并从两个用户发射过来的信号后再作判决。 虽然在放大前传时，噪声和信号一起被放大了，但是，基站仍然收到了经过两个相互独立信道衰落的信号版本，这样可

41、以提高接收的性能。 Lanelnan等人首先提出了放大前传这种协同方式，他们计算出了无编码放大前传的比特错误率，并且证明了，尽管噪声和信号一起被协同伙伴放大并传输，与非协同方法相比，放大前传仍然具有较大的性能增益。解码前传是指协同用户试图检测并解码接收到的协同伙伴的数据，然后前传对该符号的估计结果。 图5.4 解码前传DF 模式下，中继先对接收到的信号进行解码处理，然后重新编码进行发送。其缺点是中继解码有可能无法正确得到接收信号，但这个问题可以通过纠错码来解决。解码前传主要有两种类型： 一种是在中继处不进行循环冗余校验(cyclicRedundantcheck，cRC)，而直接前传有可能判决错

42、误的数据，简称为无校验DF协同;另一种是中继处进行循环冗余校验，根据校验结果决定是否前传数据，简称为有校验DF协同。 5.3 协同多点传输/接收技术随着移动通信技术不断向 4G 演进，作为解决小区边缘用户小区间干扰（Inter-cell Interference，ICI）的重要技术方向，协同中继技术和协同多点传输/接收（Coordinated Multi-Point transmission/reception）技术27成为近期研究的热点。 CoMP 是多输入多输出（Multi-Input Multi-Output， MIMO）技术在多小区下的应用，其基本思想是利用空间信道差异来进行数据传输，

43、通过多小区之间的干扰处理来实现同频组网和小区间干扰的抑制或消除。CoMP的原理就是通过协同基站之间对干扰信号的协同处理，或者避免干扰，或者将干扰转化为有用信号，从而提高小区边缘用户的吞吐量。因此，CoMP系统可以看成是单小区 MU-MIMO 的一个扩展。图5.5 COMP系统示意图从图5.5中可以看出，每个 eNode B 控制一个或者多个小区，而每个小区拥有一个或多个 RRE（remote radio equipment），每个 RRE 对应小区的一个扇区，RRE上配置用来收发数据的多天线阵列。对于被调度的用户（UE）来说，它们被多个RRE 服务，这些 RRE 有可能受同一个 eNode B

44、 控制，也可能受不同 eNode B 控制；而对于未被调度的 UE 来说，只有所属扇区的 RRE 为其提供服务。 通常，根据协同范围，CoMP 可以分为 Intra-eNode B 和 Inter-eNode B。 Intra-eNode B 是指协同的小区在同一个 eNode B 内部，小区间信息共享可以认为是准确且无延时的，例如图4中的 UE 1。 Inter-eNode B 是指协同的小区受不同的 eNode B 控制，由于不同的 eNode B之间在通过 X2 接口通信，其底层实现通过光纤等方式，因此小区间信息共享会出现不准确并且出现时延的情况，例如图5.5中的 UE 4。 由于 Co

45、MP 技术需要在 RRE 间共享大量的数据信息、UE 信道状态信息以及调度信息等，因此对信息共享有很高的要求，Intra-eNode B 更容易实现。从传输方案角度考虑，CoMP 下行传输方案对应当前 3GPP 关于 CoMP 研究的三大主流技术，分别为：联合发送技术（Joint Transmission， JT）、动态小区选择技术（Dynamic Cell Selection， DCS）和协同波束成型技术（Coordinated Beamforming，CB）。(1)JT技术 在 CoMP 下行传输中，如果某个 UE 被调度，则参与协同的 RRE 为该 UE 发送相同的数据。这就是 JT 技

46、术。通过 JT 技术，将原来的干扰信号变成有用信号，从而能够减少小区间干扰，提高边缘用户的接收信号质量。图5.5中的协同传输方案即为 JT 技术28。(2)DCS技术DCS 技术可以看成是 JT 技术的一个特例，即被调度的 UE 将自身相关信息反馈给 eNode B，eNode B 根据接收信息，选择一个 RRE 给该 UE 发送数据，而其他协同 RRE 不传输给任何数据。通常，JT 技术和 DCS 技术可以合称为联合处理技术（Joint Processing， JP）29。图 5.6 给出了 DCS 技术的示意图。 图5.6 DCS示意图(3)CB技术在 CB 传输方案中，eNode B 根

47、据被调度的用户反馈的相关信息，只选取一个RRE 为该用户传输数据，而剩下的协同 RRE 也同时分别为其他被调度的用户传输数据。在 eNode B 控制下，协同 RRE 各自发送的数据需要根据对其他 RRE 发送数据的干扰进行协调，通过调整发送信号波束的方向，将干扰比较大的波束避开，从而尽可能的减少对其他扇区 UE 的干扰。图5.7 CB技术示意图6. 3GPP LTE标准MIMO技术6.1 引言移动通信技术从二十世纪九十年代开始经历了快速发展时期。通信成为人们生活的重要组成部分，不断增长的移动通信用户对通信技术的发展提出了更高的要求。从第一代的模拟通信系统到目前正在商用的第二代、第三代的数字通

48、信系统，每一代都在技术和实用上有了更高的飞跃。目前，移动通信正朝着宽带化、移动化的方向发展。 面对高速发展的移动通信市场的巨大诱惑和大量低成本高带宽无线技术的快速普及，众多非传统移动运营商也纷纷加入了移动通信市场，并引进了新的商业运营模式，诸如“SKYPE”这种语音和视频通信业务，可以借助免费或者低价无线宽带接入网络，向广大消费者提供近乎免费的服务。这些新兴力量给传统移动运营商带来了前所未有的挑战，加快现有网络演进，满足用户需求，提供新型业务成为在激烈的竞争中处于不败之地的唯一选择。为应对来自 WiMAX，Wi-Fi等传统和新兴无线宽带接入技术的挑战，提高 3G 在宽带无线接入市场的

49、竞争力，保证 3GPP 未来十年的竞争力。2004 年12月3GPP组织正式成立了LTE 研究项目，开展 UTRA 长期演进（Long Term Evolution，LTE）技术的研究，以实现3G技术向B3G和4G的平滑过渡。LTE采用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)和MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)作为两项最主要的关键技术。其中，OFDM技术能够抵抗由无线信道多径时延扩展产生的符号间干扰，同时可以使信道均衡从复杂的时域处理转换到简单的频域处理。MIMO技术主要的

50、作用有分集和复用。分集是指通过时域、频域、空域提供数据信号的某种副本。接收端利用接收到的信号及其副本进行解码，可以提高通信的可靠性。复用是指在不增加发射功率和带宽的前提下，将多路信号同时从多个发射天线发射，这样可以成倍的提高频谱利用率。3GPP LTE的改进目标是实现更高的数据速率、更短的时延、更低的成本、更高的系统容量以及改进的覆盖范围，其主要性能目标有30-32：(1)在 20MHz 频谱带宽能够提供下行 100Mbit/s和上行 50Mbit/s 的峰值速率;(2)改善小区边缘用户的性能;(3)提高小区容量;(4)降低系统延迟:用户平面内部单向传输时延<5ms,控制平面从睡眠状态到

51、激活状态迁移时间<50ms 从驻留状态到激活状态的迁移时间<100ms;(5)支持 100km半径的小区覆盖;(6)能够为 350km/h 高速移动用户提供>100kbit/s的接入服务;(7)支持成对或非成对频谱 并可灵活配置 1.2520MHz 多种带宽。6.2 LTE MIMO分集与空间复用无线通信系统可以利用的资源包括：空间、时间、频率和功率。在B3G/4G系统中，空间资源和频率资源被重新开发使用，从而大大提高了系统的性能。MIMO技术在发送端和接收端同时使用多根天线，扩展了空间域，充分利用了空间扩展所提供的特征，从而带来了系统容量的提高，成为了LTE系统的关键技术之

52、一。6.2.1 LTE MIMO分集在3GPP LTE中,涉及到了多天线分集方法,发射分集和接受分集。发射分集中在这里介绍几种常用的分集方法，循环时延分集（CDD）、空时分集发射（STTD，Space Time Transmit Diversity)、空频发射分集（SFTD，Space Frequency Transmit Diversity）。（1）循环时延分集一种简单的发送天线技术，延时分集(DD)最早由Wittneben在1933年提出33. 在10中，DD技术被修正为适合在OFDM系统的时域进行操作。因为这项技术使用循环的搬移而不是简单的信号延时，所以被称为循环延时分集（CDD），原理

53、如图3。图6.1 循环延时分集CDD在一开始时就被运用在MIMO-OFDM系统中。CDD技术通过各个发送天线以不同的循环时延发送相同的数据来获得分集增益。CDD实际将一个（MISO）信道转变成一个等效的单入单出（SISO）信道。这种变换能够增加信道的传播路径数和频率选择性，把空间分集转化为频率分集，从而改善在多径瑞利衰落环境下的系统性能。CDD独特的优势在于：首先，通过合适的信道编码，CDD可以获得MIMO系统所有的空间分集及多径信道中的多径分集；其次，发送端天线数目不受限制，并且编码方式具有统一的格式。（2）空时分集发射图6.2 空时发射分集如图6.2所示，一段数据流经过空时分组码（STBC

54、）编码，数据流变成两段，天线1上与原数据流一样，天线2的数据流是将原数据流取共轭或者相反，顺序并改变。编码矩阵的每一列符号同时在不同天线上发送出去，在一个天线上发送出去的星座点符号与另外任意天线上发送出去的符号是正交的。空时分集发射将调制符号映射到时域(不同的时刻)和空域(不同的发射天线)能够获得分集增益，因而备受青睐34。空时分集发射利用空间分集和时间分集，能够有效地对抗信道衰落，从而提高系统的传输性能和容量35。（3）空频发射分集图6.3 空频发射分集原理如图6.3所示，空频发射分集与空时发射分集类似，不同的是SFTD是对发送的符号进行OFDM编码，将符号在不同的频域和空域编码，将同一组数据承载在不同的子载波上面获得频率分集增益。空频发射分集是目前LTE系统中正在使用的发射分集技术。情况中，因此在任一给定的时刻至少可以保证有一个强度足够大的信号副本提供给接收机使用，从而提高了接收信号的信噪比。 6.2.2 空间复用图6.4空间复用原理图如图6.4所示，发射的高速数据被分成几个并行的低速数据流，在同一频带从多个天线同时发射出去。由于多径传播，每个发射天线对于接收机产生不同的空间签名，接收机利用这些不同的签名分离出独立的数据流，最后再复用成原始数据流。因此空间复用可以成倍提高数据传输速率。 在LTE系统中36-38，当UE高速移动时，无法获得信道质量信息，利用发射分集技