多天线系统通信系统

1绪论1．1引言进入21世纪以来，随着无线移动用户数的急剧增加、用户对各种实时多媒体业务需求的不断增长、以及互联网技术和各种简短无线通信技术的迅猛进步，无线通信已成为当今世界最活跃的科研领域之一[1]。它突破了有线通信的物理限制，使得用户可以自由地在任何无线电波能够到达的地方进行通信，这大大拓展了通信的空间和活力。但同时，随着全球移动通信用户的不断增多，人们对于无线语音系统和高速数据传输的需求也在不断增长，这就需要更高速率的无线链路的支持。然而随着各种通信业务和宽带数据业务的不断发展，无线资源，尤其是频谱资源变得越来越紧张，如何高效地利用这些有限的通信资源，并提供高速率、高性能的数据传输能力成为无线通信新技术发展的焦点所在。在这种背景下，产生了多输入多输出（MIMO，Multiple-InputMultiple-Output）的通信系统。多输入多输出技术作为近年来无线通信领域中一项突破性的技术，在无线通信系统收发两侧同时配置多个天线，通过充分利用信道的空间特性，可以再不增加系统带宽和天线总发送功率的情况下，可有效对抗无线信道衰落的影响，大大提高系统的频谱利用率和信道容量，已经吸引了人们广泛的研究兴趣。在MIMO提出后的短短几年时间内，随着贝尔实验室基于贝尔实验室分层空时（BLAST）[4]技术MIMO系统的演示成功，及其在各种无线通信国际标准中不断崭露头角，人们有足够的理由相信，该项技术将成为下一代无线通信系统中的一项关键技术[2]。MIMO作为一项新技术，应用于无线通信系统中，可从发送端、信道、接收端三个方面对其进行研究，并将其关键核心技术分为三个部分[3]：多天线空时编码、MIMO无线信道建模和接收机设计。本文主要对MIMO无线通信系统中的BLAST系统的接收机设计进行分析和研究，深入比较了几种经典的和最新的信号检测技术，从复杂度和误码率两个角度比较，以提高通信系统的整体性能。1.2多天线系统通信系统简介1.2.1多天线系统的发展历史人类采用通信的历史可一直追溯到遥远的古代。但直到19世纪末，人们还是采用十分直观地方式实现简单的信息传输。1864年，英国物理学家麦克斯韦创造性地总结了人们已有的电磁学知识，预言了电磁波的存在。1887年，德国物理学家赫兹用实验产生出电磁波，证明了麦克斯韦的预言。1897年，意大利科学家马可尼首次使用无线电波进行信息传输并获得成功，并在1901年第一次在跨越大西洋的无线电通信中使用了发射天线。在后来的一个多世纪的时间里，在飞速发展的计算机和半导体技术的推动下，无线移动通信的理论和技术不断取得进步。今天，无线移动通信已经发展到大规模商用并逐渐成为人们日常生活中不可缺少的重要通信方式之一。在对无线通信中天线的研究及其应用主要集中在3个领域[5]。第一个研究领域是天线及其天线阵列的电磁设计，主要包括天线增益、极化方向、波束带宽、旁瓣电平、效率和方向图等的设计。第二个研究领域是到达角的估计。第三个研究领域是利用天线阵列来提高频谱效率、覆盖范围以及链路传输性能等，本文所讨论的多天线MIMO技术即属于这一领域。多副接收天线和接收的分集的使用可追溯到20世纪初的马可尼时代，早在1908年马可尼就提出用它来抗衰落。人们研究发现，多副天线构成的接收阵列可以有效地客服无线蜂窝系统中的共道干扰。二次世界大战后，对雷达系统中天线阵列的研究尤为活跃。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。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，Paulraj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。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。接下来，Bell实验室在20世纪90年代中后期的一系列研究成果，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命。1995年Telatar和1998年Foschini对白高斯信道下多输入天线多输出天线信道容量的研究表明MIMO技术可大大提高容量[1,6]。在此基础上，1996年Foschini提出分层空时编码（LayeredSpace-TimeCoding）[4,7]技术，1998年Alamouti提出一种发送分集实现方案[8]，获得了与n副天线接收分集相同的性能。随后，Tarokh等人在Alamouti研究工作的基础上，将折衷发送分集技术结合正交编码，提出了空时分组编码技术（STBC,Space-TimeBlockCoding）；将这种发送分集结合格状编码调制（TCM）技术，提出空时网格编码技术（STTC,Space-TimeTrellisCoding）。MIMO系统的研究现状从Winters对无线通信系统空间分集与系统容量的讨论，到Telatar和Foschini关于MIMO信道容量的理论分析，这些奠定了MIMO无线通信的信息论基础。而BLAST的试验结果则从实践的角度证明了MIMO能够在不占用额外频谱带宽的前提下，有效地提高信道容量。上述研究掀起了近十年无线通信领域对MIMO研究的热潮，也标志着MIMO无线通信研究的真正开始。从1998年开始，在Telatar、Foschini以及Tarokh等人研究成果的基础上，国内外著名的无线通信研究机构和学者们对MIMO技术开始了大量的深入研究，发表大量相关论文。总结近几年来关于MIMO技术的研究，可以发现，单用户MIMO技术研究的内容主要包括5个方面[10]：MIMO衰落信道的测量和建模方法；MIMO信道容量分析；基于MIMO的空时编/解码方法、预编码发射技术；挨基于凶MI攀MO板的接守收机斧关键潜技术霉，如衰信道篇估计锻、均冷衡、杯多用荣户检下测等仪；誓MI添MO忍系统镜信道茎信息赖反馈池技术进。绵1．回3颤本留文的叛主要凑工作途和结桃构安术排姻本文坛主要怪研究椒了B症LA兼ST颤系统监的多喊种信绳号检败测方羡法得。鹊通过库MA肯TL割AB陕，搭杠建餐N×拖M的永MI杆MO灵系统梢平台佛，并室在伶瑞利棍信道腔下对令各种凑检测闯方法这仿真劈，比姿较译技码性喂能和驻计算佛复杂梁度，累最终刘得到捎两者俗折衷明的不贱同环偷境下趁的最旁优算贷法。调本文视共分稀四章虏：柔第一奶章呈介绍蓄了论箱文相巾关的止背景握知识肥，介甘绍了卧MI妈MO容系统抗的发亦展历逃史和蓝现状弱。全第二泉章详捧细描裁述了选无线舟通信随信道等与份MI潜MO娇技术马的基辞本原摧理，爹重点痰对信役道部污分进厅行了英定义垂和分尚类。取第三代章介耀绍了应BL父AS赞T系译统的撇基本纤架构污，研认究了织其经点典物的传最统听检测抗方法租，包诞括饶迫零拖算法拢、最惊小均殊方误灶差算步法、弱串行拳干扰析抵消匀算法柏和最晴大似赵然算懂法姨，并艇对脏算法称性能抗进行运比较够和肃分析仿。缠第四旷章主闹要研肚究B穗LA宴ST桌系统丈下，尽从优梳化理转论的孤角度隔逼近免最大族似然个译码俗性能汗的厅半正舍定饱松弛铃检测雄方法走，以饥及其强改进宗检测嫁方法店，并浇对性奥能姿和复建杂度骑进行匙比较各和奴分析丹。午2熄退MI卵MO童基本柱原理典2.喜1吗引言耻MI积MO缝系统径属于降多输鲜入天隙线多再输出蹈天线食的无纷线通玉信系飘统，商因此凉MI邻MO辩系统信具有弓无线惰通信料的晓主要陕特征市。湖值得冠注意胃的是短，词传统您无线谣通信监系统糕的丝不同隆点是狭，佛MI笔MO钥的多泉天线栗将单颠一的绞传输准信道寇等效险切割瘦为多聋个子扁信道筛，因普此对蒜信道谎的建纵模将兔不同松于传执统的旬一发爆一收慕信道驶。此珍外空半间复昼用和光分集玉也是笑MI毁MO玻系统污的重由要特剩征。轧为了完更好愤的对臣MI炊MO种系统程进行辫研究册，有妥必要面对无甘线通冷信系啄统继、立信道概模型岩、复蛇用与片分集爱技术逝进行唤扼要盆的介躺绍与吴探讨斑。为俗此，爱本章呈首先樱介绍察了郊无线柏通信坐系统狂的相预关斯基础软理论的，主难要雹是波单天它线S勇IS渠O（境Si渔ng持le拾-I匆np铸ut云S识in害gl矿e-绝Ou蚀tp福ut寄）督的钟系统鹊模型胖和信侧道模开型等，然讽后荒探讨幼多天神线系稿统模全型及毫信道松理论沃，遭并后主要井研究零了多爆天线浆系统蹈的信贴道模惕型，拦最后僵介绍抚了M浙IM偷O系昏统的壳分集盗与复奖用技永术门的特乒点与其应用狂。谈2.糖2演无线牌通信摆系统搏模型田与信满道理妈论谁2.高2.时1滋SI侵SO欠系统朝模型庆传统唯的单创天线圆系统载实际无上是饼单输救入单住输出抛天线定系统猾（S争IS液O）伶，其搭等效怪系统没模型特如图脚2-盖1所灿示。个信道胖衰落航系数师用h陕(t俭)表纽示，谈发送湿信号割为x龟(t基)，疼接收早信号掉为y胃(t抬)，亦它们骄关系逐式为哲[1撇]蹈：撑(粪2.累1吩)问其中蚊，符毕号“开*”裳表示性卷积虏运算损，融表示范均值泪为0位、方竟差为灿的加装性复钉白高穿斯噪炼声。南假设描信道谢为窄融带平拣坦衰漂落信森道，掩即在膀传输赚频带热内信日道的刺传递葱函数也为恒缸定值让，对即应于构时域丰，信埋道是炒无记擦忆的笔理想泪信道称，也届即挣除t急=0触时不矮为0榴外其书余各片处皆捞为0温，简搏记为忧。基溪于此虹，上仇式的秋卷积傅可以松简化宅为乘径积：y(t)确(2牌.2凯)y(t)h(t)或H(f)x(t)h(t)或H(f)x(t)n(t)n(t)经图社2-峡1宰单焰天线篇SI镇SO或系统区等效聋模型舒2盼.2史.2贵无仅线撤信道阿基本搜特征悠一切膛无线静通信琴都是蒸基于美电磁催波在框空间诸的传闯播来缺实现狮信息新传播栋的。更电磁票波在渣自由跳空间蚂中的壶传播说主要轨有直吩射、喂反射碌、散驾射和样衍射断4种赤方式锤，其乌结果阀是妇信号施利用薄障碍巷物的先反射絮、散俭射、峰衍射企或直箭线传批播，冶经多项条路牢径到畜达接莲收端探，使滚得丙接收挤信号朋与发松送信颜号相萌比产定生了幻一些敌变化咏。无过线信认道对语信号蛾传输耐的月影响喉主要恢有传见输衰嗽减、鸭多径谨传播拆引起碰的频蔽率选饼择性羡衰落袖、时楼变性蚂引起雄的时笛间选景择性续衰落颈以及哀角度捏扩展土引起予的空川间选使择性密衰落寄。沃无线赤信道洗的主封要特具征是取信道容强度柔关于残时间爱和频敏率的翠变化恩这种聪变化匀大致箩可以挡分为佳如下师两种狭类型岂：大纷尺度浴衰落婆（L淘ar抽ge益-s馒ca仔le匀f薄ad类in横g）拼和小傲尺度买衰落惧（S荣ma惭ll励-s放ca社le杀f翅ad岂in燕g叨）。球本节砌将沈要讨广论上旁述两骂种类笔型的城衰落汁，但该重点判在后腿者。头大尺匪度衰双落与塌诸如恋基站抓规划雷之类聚的问勒题关颂系更饼为密坝切药[1之1]息，小扬尺度破衰落怜则与平本文比的焦病点—屈—M抄IM翻O系趣统的掏接收字机设享计关概系更达为密拾切。阵2.箱2.恳3题大尺诸度衰警落智造成山大尺谢度衰碰落的网原因脾有多及种，欣概括乐起来微主要吐有两摊种旗[1炕,1把1,塔12互]浊：桃路径奇损耗怀当发巾射机槽与接恋收机丛之间剃的距绣离在缠较大爪尺度螺上变湿化（修数百宅米或歌数千喂米）移时，身接收容信号的的平幸均功虫率值烫与信岁号传诞播距末离d患的n姑次方赞成反李比。搁n称怖为路缺劲损萄耗指玩数，做n值溉的大榴小由迹具体猎的传品输环盛境决池定。屡对于乓自由专空间毒的电扯波传劲播，膝指数抹n一含般取活2.涉阴影竿衰落妇电磁柏波在侍空间缸传播薪时受惜到地彼形起厅伏、限高大陈建筑碰物的摇阻挡辩，在芦这些地障碍培物后手面会等产生狸电磁超场的室阴影郑，造陷成场递强中垂值的劣变化战，从艰而引笑起信塑号衰君减，拉称作猜阴影孤衰落欺[1那1,扩12蛛]冈。阴戏影衰告落是扒以较汇大的侄空间化尺度忙来衡巾量的啊，其版统计盾特性罪通常辫符合史对数竿正态扣分布默。君路径狠损耗检与阴尿影衰解落合吹并在海一起服反映腐了无脖线惜信道齐在大酱尺度俘上对盒传输唉信号畏的影冈响台。总丛的来闭说，践大尺忆度衰老落是愚由距士离而强变化妈的信贡号路库径损遣耗和朵由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