論文題目：基于m i m o 技術的信道估計研究 專業(yè)：通信與信息系統 、 碩士生：姜志成 ( 簽名) 襲鑫笪受 指導教師：王安義 ( 簽名) 0 z 壟k 王衍文 ( 簽名) 參葺這至 摘要 未來移動通信系統的發(fā)展趨勢之一便是數據傳輸速率得到極大提高同時無線頻譜 資源會得到更充分地利用。由于多輸入多輸h b ( m i m o ) 技術能夠提高系統容量即增加頻 譜利用率，因而得到越來越多國內外學者的關注。業(yè)界普遍認為，它將很有可能成為下 一代移動通信系統中的關鍵技術之一。 本文主要研究基于多輸入多輸出技術的信道估計。首先，介紹了 m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技術和多徑環(huán)境中的信道分解，分析了實際的 m i m o 信號傳輸。其次，闡述了基于m i m o 技術的信道模型，在論述了寬帶 s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 時變衰落信道的基于特征的基礎上討論了寬帶m i m o 信道的空間、頻率和時間特性，詳細分析了典型的信道特性函數和參數，重點討論了 m i m o 信道的空間相關性以及兩種典型的時變頻率選擇性m i m o 信道的建模和計算機 仿真方法，給出了部分相應的仿真結果。再次，針對平坦衰落，重點研究了基于訓練序 列和導頻符號輔助分別適用于慢衰落和快衰落的情形下的m i m o 系統的信道估計技術， 并給出了仿真結果，分析、比較這些算法的性能。最后，針對頻率選擇性衰落，重點研 究了基于訓練序列和導頻符號輔助分別適用于慢衰落和快衰落的情形下的m i m o 系統 的信道估計技術，并給出了仿真結果，分析、比較這些算法的性能。 關鍵詞：m i m o 技術；信道模型：信道估計；計算機仿真 研究類型：應用研究 s u b j e c t ：t h er e s e a r c ho fc h a n n e le s t i m a t i o nb a s e do nm i m o s p e c i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：j i a n gz h i c h e n g i n s t r u c t o r ：w a n ga n y i w a n gy a n w e n ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t t h et r e n do ft h ef u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o ni sd i g i t a lt r a n s f o r m a t i o ns p e e dr a i s e da n d r a d i of r e q u e n c ys p e c t r u mr e s o u r c eu s e ds u f f i c i e n t l y f o rt h er a t eo f 行e q u e n c ys p e c t r u mu s a g e r a i s e d ，m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) t e c h n o l o g y i sf o c u s e do nt h em o b i l e c o m m u n i c a t i o n t h ef u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o nw i l lb eo n eo f t h ek e yt e c h n o l o g i e so f n e x t g e n e r a t i o n t h ee s t i m a t e dc h a n n e lt e c h n o l o g yo fm i m oi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h es t u d ya b o u t c h a n n e ls e p a r a t e do nm u l t i c h a n n e la n dt h ea n a l y s i so fa c t u a ls i g n a lt r a n s f o r m a t i o no fm i m o i sp r e s e n t e d t h ec h a n n e lm o d eb a s e do nm i m o ，s i s o ( s i n g l e - i n p u ts i n g l e - o u t p u t ) t i m e v a r y i n gf a d i n gc h a n n e la n dt h et i m es p e c i f i c a t i o no fm i m o ，c h a n n e ls p a c e ，f r e q u e n c y a r ed i s c u s s e d t h ef u n c t i o no f t h et y p i c a lc h a n n e la n dp a r a m e t e ra r ed e t a i l e d e m p h a s i si so ne m u l a t i o n m e t h o d ，m a k i n gm o d eo ft y p i c a lt i m e f r e q u e n c ys e l e c t e dm i m oc h a n n e l ，s p a t i a lc o r r e l a t i o n o f m i m o a p a r t o f c o r r e s p o n d i n ge m u l a t i o nr e s u l t s i s p r e s e n t e d a c c o r d i n g t o f i a t f a d i n g a n d f r e q u e n c ys e l e c t i v i t ya t t e n u a t i o n ，t h ec h a n n e la n a l y s i sm e t h o db a s e do nt r a i n i n gs e q u e n c ea n d p i l o ts y m b o ls u i t e ds l o wf a d i n ga n df a s tf a d i n ga r ed i s c u s s e d t h ee m u l a t i o nr e s u h sa r e p r e s e n t e d ，a n a l y z e da n dc o m p a r e d k e y w o r d s ：m i m o t e c h n o l o g y c h a n n e lm o d e lc h a n n e le s t i m a t i o n c o m p u t e rs i m u l a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 姿柳技丈學 學位論文獨創(chuàng)性說明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及 其取得研究成果。盡我所知，除了文中加以標注和致謝的地方外，論文中不包含 其他人或集體已經公開發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得西安科技大學 或其他教育機構的學位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所 做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 l 上 、 學位論文作者簽名霉芯啼期：知f ) 、t 6 、勿 學位論文知識產權聲明書 本人完全了解學校有關保護知識產權的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學位期間 論文工作的知識產權單位屬于西安科技大學。學校有權保留并向國家有關部門或 機構送交論文的復印件和電子版。本人允許論文被查閱和借閱。學校可以將本學 位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描 等復制手段保存和匯編本學位論文。同時本人保證，畢業(yè)后結臺學位論文研究課 題再撰寫的文章一律注明作者單位為西安科技大學。 保密論文待解密后適用本聲明。 學位論文儲齠善恕嘲指導教師妊煅新污女 6 年6 月2 弓日 緒論 1 1 本課題研究的背景 l 緒論 2 0 世紀9 0 年代初，美國q u a l e o m m 公司推出了窄帶碼分多址( c d m a ) ，蜂窩移動 通信系統。從此，碼分多址這種新的無線接入技術在移動通信領域占據了越來越重要的 地位。第二代通信系統主要是為支持語音和低速率的數據業(yè)務而設計的，但隨著人們對 通信業(yè)務范圍和業(yè)務速率要求的不斷提高，已有的第二代移動通信網很難滿足要求【”。 第三代移動通信( 3 g ) 標準比現有無線技術更強大，但也將面臨競爭和標準不兼容等 問題。人們丌始呼吁移動通信標準的統一，以期待通過第四代移動通信標準的制定來解 決兼容問題。國際電信聯盟( 1 t u ) 目前已經開始研究制訂第四代移動通信標準，并已達 成共識：把移動通信系統同其他系統( 例如無限局域網，w l a n ，等1 結合起來，產生b 3 g 技術，2 0 1 0 年之前使數據傳輸數率達到1 0 0 m ，以提供更有效的多種業(yè)務。b 3 g 移動通 信與第三代移動通信相比，將在技術和應用上有質的飛躍。b 3 g 將適合所有的移動通信 用戶，最終實現商業(yè)無線網絡、局域網、藍牙、廣播、電視衛(wèi)星通信的無縫銜接并相互 兼容。b 3 g 移動通信系統可稱為寬帶( b r o a d b a n d ) 接入和分布網絡，具有非對稱的超過 2 m b s 的數據傳輸能力，數據率超過u m t s ，是支持高速數據率連接的理想模式，上網 速度從2 m b s 提高到1 0 0 m b s ，具有不同速率問的自動切換能力。b 3 g 移動通信系統是 多功能集成的寬帶移動通信系統，在業(yè)務上、功能上、頻帶上都與第三代系統不同，將 在不同的固定和無線平臺及跨越不同頻帶的網絡運行中提供無線服務，比第三代移動通 信更接近于個人通信【2 j 。b 3 g 移動通信技術可將上網速度提高到超過第三代移動技術5 0 倍，可實現三維圖像的高質量傳輸。 為了達到上述要求，必須采用新的設計技術，尤其是要研究在移動環(huán)境和有限頻譜 資源條件下，如何穩(wěn)定、可靠、高效地支持高數據速率的數據傳輸。為此b 3 g 系統將 采用多輸入多輸出( m i m o ) 技術，它可以在有效提高傳輸速率的同時，避免高速引起的 各種干擾，并具有良好的抗噪聲性能、抗多徑信道干擾和頻譜利用率高等優(yōu)點。 無線m i m o 技術被認為是實現未來高速寬帶無線i n t e m e t 接入網的關鍵技術之一， 在第三代( 3 g ) 乃至三代以后( b 3 g ) 的移動通信系統中有著廣闊的應用前景。 1 2 本課題研究的意義 無線m i m o 技術的基本思想是在收發(fā)雙端采用多個天線，通過空時處理技術，充分 利用空間資源，提高頻譜利用率。經過研究，人們發(fā)現使用不同的m i m o 系統可以獲得 相當可觀的陣列增益、分集增益、干擾抵消增益和空間復用增益。利用系統的陣列增益 西安科技大學碩士學位論天 可以提高發(fā)射功率和進行波束形成；利用系統的分集特性可以改善信道衰落造成的干擾 并可進行空時編碼；利用系統的空間復用增益可以構造空間正交的信道，從而成倍地增 加數據率“j 。 上個世紀9 0 年中期a t & tb e l l 實驗室學者完成了對無線移動通信系統多輸入多 輸出技術產生巨大推動作用的奠基工作。1 9 9 5 年，b e l l 實驗室的t e l a t a r 、f o s c h i n i 等 人在基于r a y l e i g h 衰落、信道有大量的散射體、信道系數無關、最優(yōu)編解碼、發(fā)射端信 道信息在接收端準確可知的假設下，從理論上證明了接收和發(fā)送端均使用多天線( m i m o ) 可以使通信鏈路容量成倍增加的結果，即在m 個發(fā)射天線、n 個接收天線的m i m o 系 統中，信道容量將隨m i n i m ，n 1 線性增加p ”。1 9 9 6 年f o s c h i n i 5 1 提出了一種m i m o 處 理算法對角一貝爾實驗室分層空時( d b l a s t ) 算法；1 9 9 8 年t a r o k h l 8 】等討論了用于 m i m o 系統的空時碼；1 9 9 8 年w o l n i m l s k y 等人采用垂直一貝爾實驗室分層空時 ( v - b l a s t ) 算法【9 j 建立了一個m i m o 的實驗系統，在室內試驗中達到了2 0 b p s h z 以上的 頻譜利用率，這一頻譜利用率在普通系統中較難實現。這一結果提供了在衰落信道中提 高系統容量和通信可靠性的一種新技術手段，引發(fā)了m i m o 技術的研究浪潮。 多輸入多輸i i i ( m i m o ) 或多發(fā)多收天線( m t m r ) 技術是無線移動通信領域出現的具 有革命意義的重大技術進步，被認為是第三代和未來移動通信與個人通信系統實現高數 據速率，提高傳輸質量的重要途徑i lo j 。出于該技術有望解決未來無線互連網的業(yè)務容量 需求瓶頸問題，而居于當今技術進步列表中的顯要位置。憑借在提高系統頻譜利用率方 面卓越的性能表現，多輸入多輸出( m i m o ) 技術已經成為移動通信技術發(fā)展進程中炙手 可熱的課題。 1 3m 1 m o 研究的現狀 近年來關于多天線通信系統的研究可以歸于如下幾個方面： ( 1 ) 多天線系統理論及系統性能研究 收發(fā)多天線系統與信道結合可以視為一個時變、非平穩(wěn)的多輸入多輸出( m i m o ) 系 統。根據系統的無線信道特點可以建立相應的m i m o 模型，并進行其性能研究。一個 關鍵的系統性能是通信容量或相應的頻譜利用率的研究。這方面已有一大批基本的研究 文獻。這些文章雖然己研究得相當廣泛，但是由于m i m o 移動通信系統的復雜性仍然 有待進一步的研究。 多天線系統的另一觀點是將其視為智能天線與多用戶檢測( m u d ) 、分集( 比如對 c d m a 的r a k e ) 等結合并發(fā)展成時空聯合處理及時空編碼處理。這一理解對于收發(fā)多 天線系統的實現提供了基礎。 ( 2 ) 收發(fā)多天線系統處理算法 收發(fā)多天線系統的潛力必須通過具體的處理算法及處理系統來實現。前期工作重點 1 緒論 在于研究多天線系統性能的概念，雖然這方面己開展了不少的研究，但還有大量的工作 要做。已經提出的算法有： 空時編碼( s t c ) 算法； 奇異值分解算法( s v d ) ： 空時分層算法； 基于上述算法的結合及基于上述算法的簡化的各種算法。 ( 3 ) 實際系統 實驗系統是m i m o 技術研究的重要一步。目前各大公司均在研制實驗系統。b e l l 實驗室的b l a s t 系統是最早研制的m 1 m o 實驗系統。該系統工作頻率為1 9g h z ，發(fā) 射8 天線，接收1 2 天線，采用d b l a s t 算法。頻譜利用率達到了2 5 9b i t s ( h z s ) 。朗 訊科技的貝爾實驗室分層的空時( b l a s t ) 技術是移動通信方面領先的m i m o 應用技術， 利用b l a s t 技術，在原有頻段上建立了多個互不干擾、并行的子信道，并利用先進的 多用戶檢測技術，同時準確高效地傳送用戶數據。2 0 0 2 年1 0 月，世界上第一顆b l a s t 芯片在朗訊公司貝爾實驗室問世，貝爾實驗室研究小組設計小組宣布推出了業(yè)內第一款 結合了貝爾實驗室l a y e r e ds p a c et i m e ( b l a s t ) m i m o 技術的芯片，這一芯片支持最高 4 x 4 的天線布局，可處理的最高數據速率達到1 9 2 m b p s 。2 0 0 3 年8 月，a i r g on e t w o r k s 推出了a g n l 0 0w i f i 芯片組，并稱其是世界上第一款集成了多入多h b ( m i m o ) 技術的批 量上市產品。a g n l 0 0 使用該公司的多天線傳輸和接收技術，將現在w i f i 速率提高到 每信道1 0 8 m b p s ，同時保持與所有常用w i f i 標準的兼容性。 1 4 本文研究的主要內容 本文在他人的研究工作基礎上，深入研究了收發(fā)多天線通信系統，主要對無線 m i m o 系統的信道模型、信道估計和實現算法等方面涉及到的有關理論進行了進一步的 研究，得出了便于實現的方法，并在m a t l a b 試驗平臺上進行了計算輔助仿真，在驗證 方法性能的同時得到了一批有用的實驗結果，并對仿真結果進行了比較和分析。 本論文的各章節(jié)內容安排如下： 第一章介紹了本課題的研究背景，研究的意義，并介紹了目前國內外的研究現狀 及本文研究的主要內容。 第二章介紹了多輸入多出( m i m o ) 技術，多徑環(huán)境中的信道分解，實際的m i m o 信號傳輸等內容。 第三章主要從介紹無線信道的主要特征入手，討論了寬帶m i m o 信道的空間、 頻率和時間特性，詳細分析了典型的信道特性函數和參數，重點討論了m i m o 信道的 空間相關性以及兩種典型的時變頻率選擇性m i m o 信道的建模和計算機仿真方法，并 給出了部分相應的仿真結果。 西簧科技大學碩士學位論叉 第四章針對平坦衰落，重點研究了基于訓練序列和導頻符號輔助分別適用于慢衰 落和快衰落情形下的m i m o 系統的信道估計技術，并給出了仿真結果，同時分析、比 較這些算法的性能。 第五章針對頻率選擇性衰落，重點研究了基于訓練序列和導頻符號輔助分別適用 于慢衰落和快衰落的情形下的m i m o 系統的信道估計技術，并給出了仿真結果，分析、 比較這些算法的性能。 2m l m o ( m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技術 2m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技術 2 1m i m o 技術簡介 m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) ，該技術最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的， 它利用多天線來抑制信道衰落。多輸入多輸出( m 1 m o ) 系統是在無線通信分集技術的基 礎之上發(fā)展而來的，可以簡單定義為：在其發(fā)射端和接收端均采用了多天線配置的無線 通信系統，就可稱之為m i m o 系統。m i m o 系統中，在發(fā)送端，串行數據符號流經過 一些必要的空時處理后被送到各天線進行發(fā)射，在接收端通過各種空時檢測技術進行數 據符號的恢復，通常為了保證各個子數據符號流能夠有效分離，各個天線之間必須保持 足夠大的距離，以防止接收信號之間過大的相關性。 如圖2 ，1 所示，我們可以看出，m i m o 技術的特點就是在發(fā)送接收端都采用了多元 天線陣。它們就像空間多元感應器，可以從具有豐富散射分量的空間無線信道中，“解 調”( d e c o r r e l a t e ) 出具有不同空間特性標記的空間分量，仿佛在一個共同空間信道中，開 辟出了多個“互不干擾的獨立通道”。我們稱這種通過解調無線信道空間信息獲得的增益 為“空間分集增益( s p a t i a ld i v e r s i t y ) ”。這樣，除了傳統的時問分集和頻率分集，m i m o 又為我們開辟了一維“新的增益空間，_ 空問分集。 圖2 1 具有空間分集增益的m i m o 系統 多輸入多輸出( m i m o ) 系統充分利用了發(fā)射機和接收機之間散射豐富的無線信道。 在慢變信道中，可以假設這種空間特性在一個特定的時間段內是不變的。因此，可以這 f 4 理t n - - 個( 訊n n ) 的m i m o 系統，即此m i m o 信道可以看成是由m = m i n ( n t 帥) 個并行 的子信道或者本征模組成，整個m i m o 信道的容量就是所有子信道容量之和。圖2 - 2 為多輸入多輸出( m i m o ) 系統的基本框圖。 西安科技大學碩士學位論文 匝亙卜 接收 圖2 2 m i m o 系統框圖 利用m i m o 技術可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼 率。前者是利用m i m o 信道提供的空間復用增益，后者是利用m i m o 信道提供的空間 分集增益。實現空問復用增益的算法主要有貝爾實驗室的b l a s t 算法、z f 算法、m m s e 算法、m l 算法。 m i m o 技術可認為是一種新型的“智能天線”技術。提供了陣列天線應用的新思路并 更著重于空時聯合處理。多徑通常會引起衰落，m i m o 技術的一個鮮明特色在于它將傳 統通信系統中存在的不利因素多徑效應，通過空時聯合處理轉化為對用戶通信性能 有利的增強因素。通過在接收端和發(fā)射端空時二維甚至空時頻三維的聯合設計和優(yōu)化的 編碼、調制，m i m o 系統能有效地利用了隨機衰落和可能存在的多徑傳播，在不增加 額外的頻譜帶寬的前提下成倍地提高系統傳輸速率，極大改善通信鏈路的容量和通信可 靠性。 多入多出a ( m i m o ) 或多發(fā)多收天線f m t m r a ) 技術是無線移動通信領域智能天線技 術的重大突破。該技術能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用 率，是新一代移動通信系統必須采用的關鍵技術。 2 2 多徑環(huán)境中的信道分解 多天線系統希望信號通過無線信道后功率最大，對于傳統多天線系統中不同的多徑 情況，考慮如下信道： 自由空間：在一個定相陣列結構中，發(fā)射端與接收端均使用多個天線。發(fā)射端將其 波束控制在接收端的方向上，反之亦然。對發(fā)射與接收陣列利用峰值增益，可使s 1 n r 顯著增加。 多徑：為獲得最大信道容量，在接收端采用m r c 合并，利用發(fā)射分集與空間分集 在整個鏈路上可能獲得最大的s i n r 。 翻 一 啞 一 粥 墨 圃皿時 匭機 2m i m o ( m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技術 2 2 1m i m o 信道矩陣 我們需要對m i m o 系統建立一個矩陣信道模型。圖2 3 的基帶表示是 完整的時域模型 ，- ( f ) 堋 姍 靜態(tài)的窄帶模型 ，o ) 煳 州 圖2 3 存在 二一個m m o 無線鏈路中不同信道的框圖 m i m o 信道的一般表示方法。圖2 3 中的結構給出了兩個信號集合矗( f ) 與成( f ) 之間每 個傳輸函數 玩( r ；f ) 的模型，其中西( f ) 是從m 個發(fā)射天線發(fā)出的信號，e o ) ) 是從n 個接收天線上接收到的信號。而且，這些信道可能是時間t 與延遲r 的函數，這里t 表 示該信道為一個時變信道，r 表示由寬帶傳輸所帶來的彌散性。 在這樣一個復雜的系統中，用向量矩陣符號來記錄所有的發(fā)射、接收信號是一種很 有用的表示方法。一個接收信號向量；( f ) ( 被看作是n 個接收天線的輸入) 可能由發(fā)射信 號向量 t v ( f ) 計算得出。輸出向量與輸人向量之間的關系可由信道轉移函數 百f r ；f 】) 表示 為如下等式： 多( f ) = 告e 茸( 硝) ；( r ) 如 ( 2 1 ) 其中 西安科技大學碩士學位論文 歹( ，) j ( t ) 一 y ：( t ) 茸，f ) 再，z ( f ；，) 廳z ( f ；f ) 膏：) 膏川( r ；f ) 百川( f ；f ) 歹，( f ) jl x n ( r ) j k ( 州) 鼠枷) 廳如) ( 2 _ 2 ) 在這個表達式中， 凰( r ；f ) 足從第i 個發(fā)射天線到第j 個接收天線的c i r 。不失一般 性，用一個窄帶時不變信道模型來表示m i m o 信號處理更容易理解。在這種情況下， 信道中沒有頻率或時問變量，耳是一個常數矩陣。 這樣接收信號集合的計算簡化為： h uh nhu 1 h t2 圩2 2一h m 2 h l nh h 歹( ，) ：曇蕊( r ) ( 2 f 3 ) ( 2 4 ) 2 2 2m i m o 信道分解 一個m i m o 系統能夠在發(fā)射端與接收端進行信號處理，從而產生一組具有很高容量 的接收信號。我們可以用矩陣乘法來表示對發(fā)射信號向量與接收信號向量重新進行的線 性合并。其框圖如圖2 4 。 發(fā)射端處理m i m 0 信道接收端處理 叫二二；：二h 二二互：冀二互：卜主 m mm nn x n 圖2 4 在一個m 1 m o 系統中信號處理運算的矩陣表示 在發(fā)射端一個信號向量的幅值表示總的信號功率。我們對發(fā)射信號向量；f f ) 進行一 個線性信號處理運算p ，從而產生一組新的信號i ；送入發(fā)射天線陣列。此外，我們要 強調的是i 是一個m m 的酉矩陣，具有特性礦+ 礦= ，。酉矩陣不改變向量的幾何長度， 因此我們不會給總的發(fā)射信號增加任何功率。在接收端也可以進行信號處理。發(fā)射端的 輸出經過信道后得到廳f ；f f ) ，接收端再對輸入信號作用以矩陣口+ 。最后得到的輸出信 號向量為；： 2m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技術 曼 ；( f ) = 耖萬礦；( f ) ( 2 5 ) 其中孑4 為一個n x n 的酉矩陣( 百+ 西= 7 ) 。 當然，一個無線系統不會控制信道矩陣的運算，但是它可以控制矩陣舀和f 。我們 對m i m o 鏈路進行一定的運算，從而使公式( 2 5 ) 中整個的運算石對角化。這樣，我們選 擇可使端對端信號傳輸實現這一目的的矩陣療和i ： 丁0 0 l 00 弧。 0 其中對角元 動為_ i ：f 常數。進行這一運算的重要性在于它可將；( f ) 的形式簡化為： 再i ( t ) 壓五( r ) 石五，( ，) 0 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 從數學意義上來說，這表明可以將m i m o 信道看作為( 在m 三n 的情況下) 從發(fā)射端到接 收端的一組m 個獨立的信道。 對于發(fā)射天線數大于接收天線數的情況( m 蘭n ) ，公式( 2 6 ) 的對角陣可保證最大有n 個獨立信道。這樣，在一個有m 個發(fā)射天線，n 個接收天線的無線鏈路中獨立信道的 個數為m i n ( m ，n ) 。 采用奇異值分解( s v d ) j 作信道分解有助于我們對一個m i m o 系統的機理作出物理 解釋，這種方法優(yōu)于用抽象的矩陣運算來分析m i m o 系統。當圖2 4 中的矩陣礦作用于 一個輸入符號向量；“) 時，這實質上是對這個向量中的每個符號提供了唯一的一個天線 方向圖。對于一個從具有m 個發(fā)射天線的陣列中發(fā)出的符號，f 的每一列含有m 個幅 值和相位。因為天線振子的一組幅值和相位權值對一個無線信號定義了唯一的一個空間 發(fā)射方向圖，所以i 的第一列給蟊( n 分配了一個發(fā)射方向圖，第二列給；：分配了一個 發(fā)射方向圖等等。 當矩陣口+ 作用于n 個接收天線振子上接收到的信號時，其物理解釋與上面相同。百+ 9 0 0 0 。汀 西安科技大學碩士學位論文 的每- - y t j ( 或者等價地舀+ 的每一行) 定義了一個發(fā)射方向圖，該方向圖可以“挑選”出由發(fā) 射端發(fā)出的一個原始符號。和百的權運算對每個單獨的數據流分配了唯一的天線方向 圖，從而可在多徑信道中將單個數據符號從其它符號中分離出來。 2 2 3 具有容量損失的m i m o 信道 針孔信道：有一種被稱為針孔信道的特殊物理現象會對m i m o 系統產生一定的影 響【l2 】。為了了解針孔信道，我們首先假設m i m o 系統工作在一個充分散射的瑞利多徑 環(huán)境中，其各個天線支路上具有相等的功率并且發(fā)射端與接收端的天線振子之間是不相 關的。我們再假設在發(fā)射端與接收端之問有一個空間上的狹口，這是一個非常微小的衍 射孔( 即“針孔1 ，所有的電波必須通過它進行傳播，如圖2 5 所示。 圖2 5 中所示的空間狹口迫使針孔一邊的所有多徑分量傳輸到針孔的另外一邊。其 結果是在任何其它有利條件下，得到了一個在接收端不能進行空間分解的m i m o 信道， 該信道的容量又恢復成傳統的香農容量。為了得到這種類型的信道，針孔的物理尺寸必 須與電磁波波長相比擬( 為1 到2 個波長或者更小) 。對于室內m i m o 系統，曾經考慮過 將門縫或者走廊當作針孔信道，但是很少有經驗證據顯示針孔信道是典型無線鏈路中一 種很普遍的信道類型。 圖2 5 針孔信道對m i m o 系統產生了一個狹口 2 3 實際的m i m o 信號傳輸 2 3 1 實際的信號提取 很少有無線系統可同時在發(fā)射端和接收端對信道做出最優(yōu)的s v d ，因為這一運算要 2m i m o ( m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ) 技術 求發(fā)射端與接收端均有可靠的信道估計，而通過預先傳送已知的訓練序列，也只能使得 僅有的接收端可以知道信道矩陣中的分量【舊l 。 即使在發(fā)射端不知道信道的情況下，仍然可能對信道進行分解。用信號向量；“) 的 另一種表達式可以很好地隨明分解輸入的m i m o 信號并檢測原始的信號流所作的數學 運算，歹( f ) 是在n 個接收天線上所得到的接收信號： j ( r ) = 廳t 耳z 膏a ， 。：! 一 ( 2 8 ) ( 注：為清楚起見省略l 2 ) 用信道矩陣膏中的一列百，乘以每個發(fā)射的信號流；f r ) 。將第i 個信號從；( f ) 中分離出來可用如下的線性合并運算來表示： x l ( t ) = 嘶y ( f )( 2 9 ) 其中一“z 7 ，且玨一= ：碧 上式中為點積運算，其運算結果為一個標量。如果i j ，則；，與再，的點積將為零， 只i _ j 時，；，與再，的點積為1 。采用這種方式，我們可以看到，通過選擇恰當的運算；， 可從輸入的m i m o 信號中檢測出任意的符號流；，( f ) 。 2 3 2 傳輸技術 在對m i m o 傳輸與接收的論述中，我們將采用一個4 4 的m i m o 無線信道( 即有4 個發(fā)射天線與4 個接收天線) 。如圖2 6 所示，它是對f o s c h i n i 在文獻【1 中所提出的著名 的分層空時結構的一種簡化。 為了在這個4 x 4 的m i m o 無線信道上傳輸一個高速的數據流，首先應對原始的比特 流進行分路，將其分成4 個等比特速率的低速數據流，如圖2 6 所示。然后再對這些數 據流作信道編碼，將其映射到數字符號流上。為簡單起見，圖2 6 中的數字符號顯示為 0 和1 。 在一些系統中，可以將這四個數據流直接調制到載波頻率上并從4 個發(fā)射天線上發(fā) 出。然而這種直接傳輸方案存在的問題是在一個或更多的發(fā)射天線上存在著低功率信 道，這些信道不能以相等的s i n r 在接收端通過簡單的求逆運算膏。來進行分解。 為了解決在發(fā)射端沒有信道估計的反饋，無法知道是哪一個可分解的信道不能支持 所傳輸的數據流的數據速率這個問題，f o s c h i n i 提出了一種將4 個分路的數據流進行循 環(huán)的發(fā)射結構 1 ”。每個發(fā)送的數據流依次通過4 個發(fā)射天線振子，并且在每個振子上占 一 孫孫 “一砸 西安科技大學碩士學位論文 用確定的時間間隔( 在圖2 6 中稱為一個“時隙”) ，每隔4 次循環(huán)之后再回到原先的振子上。 經過多個時隙后，每個發(fā)送的數據流經歷了相同的平均信道，這樣一些數據流就不會總 在性能差的信道上中斷了。圖2 6 中的系統是基于一種“共享信道資源，的原理。 圖2 6 一個實際的具有分層結構的4 4m i m o 傳輸系統 2 3 3 干擾的消除 繼續(xù)以4 4 系統為例來論述，根據公式( 2 9 ) 從個時隙中檢測出每個數據流。對于 第一個數據流，我們將運算寫成 歹( ，) 再h ：h ，膏。 ；( r ) 上式中提取出了第一個信號。按如下方法提取出第二個信號： 2 ( 2 1 0 ) 2m l m o ( m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技術 ；：( t ) = ；z ( 歹( f ) 一蟊( f ) 再- )( 2 1 1 ) = ；。 0 耳zh ，百。 ；( f ) = 0 10 o ；( f ) 其中；：的約束條件為：；。廳：i ，；：膏，：1 ， ；：再一1 。 如果我們將“z 的四個分量視為由以上等式所表示的線性系統的解，則上面的條件集 合表示了一個由三個等式組成的含有四個未知數的系統。這樣，消除第一個估計值三 對于構造；：提供了一個額外的自由度?，F在可能有兩個向量；：可以將信號；，( t ) 與；。( t ) 置 零并保持信號；：( t ) 。由于可以得到五( t ) 的兩個獨立的估計值，這使得系統可以采用合并 算法來獲得分集增益【1 5 l 。 我們繼續(xù)作干擾消除，從信號向量多( f ) 中消去前面的信號x 一：( f ) 可以得到；，( f ) 的估計 值： ；z ( t ) = u z ( 歹( r ) 一；】( f ) 膏。一磊( r ) 廳z )( 2 1 2 ) = x ， 0 0 x 。，x 一4 ；( f ) = 0 0 1 o ；( f ) 根據公式( 2 1 2 ) 的模型，我們可以得到三( f ) 的三個獨立估計值。可以在這三個信號支路 上采用m r c 合并來獲得分集增益。 檢測最后一個信號x 。( f ) 時，很明顯將存在四個獨立的估計值。可以采用四個信號支 路來獲得m r c 分集增益。這種干擾消除算法消去了先檢測出來的信號，在后一步檢測 中，它能以較高的平均s i n r 得出更為可靠的估計值。 2 3 4 分層接收技術 圖2 6 中的框圖說明了4 x4 的例子中通過在接收端作干擾消除來提取信號的過程。 從接收天線上可以得到4 個原始數據流，將其恢復到基帶上，每個數據流攜帶著由m 個發(fā)射天線發(fā)出的4 個數據流的不同線性組合。由于原始的數據流在每個發(fā)射天線上進 行循環(huán)，因此在不同的時隙中數據流的排列順序不同。 接收端對輸入的數據流進行緩沖并分步提取出數據流，每一步占用一個時隙。在每 一步中，接收端檢測出一層數據，每層數據含有一個占用4 個時隙的數據流。例如，在 第一個時隙中，接收端將檢測出的4 個時隙的數據作為第一層，它在緩沖器中占用時隙 1 到時隙4 。在第二個時隙中，接收端檢測出第二層，它在緩沖器中占用時隙2 到時隙5 。 繼續(xù)對其它數據層作這樣的檢測直至時隙5 ，接收端返回以檢測對應于數據流1 的那一 層。 對各數據層進行解碼并將它們合路成一個最終的輸出數據流。因為一個4 x 4 m i m o 西簧科技大學碩士學位論天 鏈路的信道容量遠遠大于一個s i s o 鏈路，即使采用很窄的帶寬也可能獲得端對端上很 大的數據速率。當接收端檢測第一層時，每個時隙中都有不同數量的干擾從數據流中消 去。在第一個時隙中，其余三層在先前的檢測中已經被消去；因此時隙l 對第一層含有 最可靠的數據。在第四個時隙中，其它數據層中沒有一層被消去：因此時隙4 含有最不 可靠的數據。按照這種方式，可以從經歷四種可能干擾水平的相等時隙中集中得出第一 層數據。其它各層都可以通過這種方式得出 1 6 】。這種在所有數據層之間的對稱解調方式 的實際優(yōu)點：每個數據流經歷了m i m o 鏈路中所有的4 個信道以及干擾消除的所有4 個水平。因此，它們的誤比特率幾乎是相等的。 4 3 基于m i m o 技術的信道模型 3 基于m i m o 技術的信道模型 準確理解真實世界中m i m o 信道的特征，實現寬帶m i m o 信道的建模，是研究和 開發(fā)m i m o 通信系統的首要問題。這是因為一方面信道特征決定了信道的容量，也即 單位功率所能達到的最大傳輸速率；另一方面，通信系統中的編解碼，調制解調和各種 接收技術等通信模塊都是針對特定的信道特征來進行設計的，因此m i m o 無線信道的 特征分析和相應數學模型的建立對m i m o 系統的實際性能的預測、系統仿真、設計， 研究新的空時編碼方案而言是至關重要的。本文中所定義的寬帶信道是指信道最大延遲 時間與數字符號持續(xù)時間比值不小于1 的信i 苴【1 7 j 。目前，s i s o 標量信道的特性、建模 及仿真方法已經獲得了廣泛的研科”。，可以將其視為是m i m o 矩陣信道的一種特例。 而m i m o 信道建模的關鍵在于對m i m o 信道空間特性的刻畫和建模。 3 1 寬帶s i s o 時變衰落信道的基本特征 無線傳輸信道的特性對寬帶無線系統的性能影響很大，因此關于色散信道的研究和 理解在過去幾十年早逐步深入。由于移動信道是一種時變信道，以及電磁波傳播時的反 射、散射和繞射等原因，空間傳播環(huán)境的復雜性將對電磁波的傳播產生復雜的影響，信 號通過移動信道時會遭受來自不同途徑的衰減。一般來說可歸納為三類 2 ，即自由空問 傳播損耗及彌散；陰影衰落；多徑衰落。多徑衰落是移動信道中最具特色的部分。自由 空間傳播損耗及彌散以及陰影衰落屬于大尺度衰落范疇，而多徑衰落屬于小尺度衰落范 疇。本章重點討論小尺度衰落的特點和模型。 所謂小尺度衰落，是指無線信號在很短的傳播時間或距離內有很大幅度的衰落，而 且這種衰落的程度和影響遠遠大于由傳播損耗和陰影衰落等引起的大尺度衰落。這種衰 落是由于同一傳輸信號沿兩個或多個路徑傳播，以微小的時間差到達接收機的信號相互 干涉所引起的。無線信道中影響小尺度衰落的主要物理因素包括【2 l 】：多徑傳播引起的時 延擴展、由信道中環(huán)境物體的運動引起的時變d o p p l e r 頻移效應導致隨機頻率調制、信 號的傳輸帶寬大于無線信道的相干帶寬時出現的頻率選擇性衰落。 本節(jié)對描繪寬帶s i s o 信道最為重要的相關函數、頻率選擇性和時間選擇性進行簡 要分析。以廣義平穩(wěn)非相關散射( w s s u s ) 寬帶s i s o 信道h ( t ，f ) 為例來分析寬帶無線信 道的特征。在向m i m o 信道擴展時，下述分析可以擴展至m i m o 信道中第q 發(fā)射天 線至第i 接收天線信道k ( t ，r ) 的分析。 3 1 1 寬帶s i s o 信道的相關函數 將寬帶時變s i s o 信道簡記為： 15 西安科技大學碩士學位論文 ( r ，r ) 2 h k ( t ) 8 ( r r k ) ( 3 1 ) k 其中的h k ( t ) 為t 時刻信道第k 個散射簇導致的多徑分量的衰落系數。該系數通?？梢?用經典的r a y l e i g h 、r i c e a n 、n a k a g a m i 等分布來描繪【2 2 1 。 定義信道脈沖響應相關函數為： r p ，+ a t ；r ，f ) = e 矗+ ( r ，r ) h ( t + a t ，f ) )( 3 2 ) 在大多數的無線電傳播媒介中，信道與路徑時延t 。對應的衰減和相移同該信道與路徑時 延l 對應的衰減是互不相關的。這樣的信道就是非相關散射信道。在廣義平穩(wěn)非相關散 射( w s s u s ) t 。7 1 信道下： r o ，f + a t ；f ，一) = 8 ( r f ) 月 ( a t ，r )( 3 3 ) 其中r h ( a t ，f ) 定義為信道的互功率譜密度。 在r 。( a t ，f ) 中令a t = 0 ，可以得到r h ( f ) = r 。( o ，f ) ，( f ) 刻畫了信道功率隨延遲時 問變化的趨勢，即為信道功率延遲剖面( p d p ) 。p d p 刻畫了發(fā)送信號為脈沖信號時接收 信號平均功率隨延遲時間變化的情況。式( 3 1 ) 定義的信道的頻域表示為： h ( t ，) = p ( f ，f 弦1 2 毋d f = 玩( 咖1 聊“ ( 3 4 ) 一 k 式( 3 4 ) 是信道脈沖響應h ( t ，曲關于t 的傅立葉變換，表征了信道的頻率選擇性。同 理可以定義w s s u s 信道頻率差一時間差相關函數為： r h ( a t ，v ) = e h ( t + a t ，f + a f ) h4 ( f ，廠) )( 3 5 ) 3 1 2 時延擴展及相干帶寬( 頻率選擇性衰落信道) 在多徑條件下，當發(fā)射端發(fā)射脈沖信號至移動臺時，由于信道中反射及反射物的存 在，導致多條不同的傳播路徑的存在，這些路徑長度不同，并且傳播路徑又隨移動臺的 運動而變化，因此發(fā)射波到達接收機時形成在時間、空削上相互區(qū)別的多個無線電波， 使得移動臺所接收到的信號是由許多不同延時的脈沖合成，延長信號基帶部分到達接收 機所用的時間，產生所謂的時延擴展。在數字傳輸中，由于時延擴展，接收信號中一 個碼元的波形會擴展到其他碼元周期中，引起碼問串擾。 多徑衰落引起的無線傳輸環(huán)境的時延擴展將導致信號產生頻率非選擇性衰落( 平坦 衰落) 或是頻率選擇性衰落。式( 3 2 ) q b 經常采用一維動態(tài)特性刻畫衰落信道的性能。這些 一維特性可看作二維動態(tài)特性在廠= 0 或者a t = 0 的切片。則信道功率時延剖面 p h 0 ) ( 體現信道功率隨時延的變化情況) 亦可定義如下：a f = 0 或