原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下， 獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本 論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。 對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方 式標(biāo)明。本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 論文作者簽名：盤益翌 e l期：塑堡圣塑 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 本人完全了解山東大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué) 校保留或向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論 文被查閱和借閱；本人授權(quán)山東大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分 內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段 保存論文和匯編本學(xué)位論文。 ( 保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 論文作者簽名：魚姻壹導(dǎo)師簽名：幽i 紐日期：趁丕：塑 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 摘 要l a b s t r a c t 3 第一章綣論5 1 1 研究背景和意義5 1 2m i m o 預(yù)編碼技術(shù)的發(fā)展6 1 3 論文結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容7 第二章m i m o 多天線系統(tǒng)理論基礎(chǔ)9 2 1 無線信道傳播特性9 2 1 1 多徑時(shí)延擴(kuò)展1 0 2 1 2 多普勒擴(kuò)展1 0 2 2m i m o 信道容量1 2 2 2 1 信道模型1 2 2 2 2m i m o 信道容量1 4 2 3m i m o 系統(tǒng)預(yù)編碼性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則1 8 第三章線性預(yù)編碼2l 3 1 迫零預(yù)編碼2 l 3 1 1 迫零預(yù)編碼2 l 3 1 2 基于m m s e 的迫零預(yù)編碼2 3 3 2b d 算法。2 5 3 2 1 基于s v d 分解的b d 算法2 5 3 2 2 基于g t d 分解的b d 算法。2 6 3 2 3 仿真分析2 9 3 3 線性收發(fā)機(jī)的聯(lián)合優(yōu)化3 3 3 3 1 總功率受限下收發(fā)機(jī)的聯(lián)合優(yōu)化3 3 3 3 2 單天線功率受限下收發(fā)機(jī)的聯(lián)合優(yōu)化4 0 3 3 3 仿真分析4 1 第四章t h p 預(yù)編碼4 4 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 1 單用戶的非線性t h p 預(yù)編碼4 4 4 1 1 基于q r 分解的單用戶z f t h p 4 4 4 1 2 基于q r 分解的單用戶m m s e t h p 4 6 4 1 3 基于g t d 分解的單用戶t h p ：4 8 4 2 多用戶非線性t h p 預(yù)編碼5 0 4 2 1 基于q r 分解的多用戶z f t h p 5 0 4 2 2 基于q r 分解的多用戶m m s e t h p 5 2 4 2 3 基于g t d 分解的多用戶t h p 5 3 4 3 仿真分析5 6 第五章總結(jié)與展望6 0 5 1 全文總結(jié)6 0 5 2 工作展望6 1 參考文獻(xiàn)6 2 致謝6 6 在校期間發(fā)表的論文、科研成果等6 7 i i 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( i nc h i n e s e ) 一1 a b s t r a c t 3 c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 5 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 5 1 2d e v e l o p m e n to f m i m op r e c o d i n gt e c h n o l o g y 6 1 3t h e s i ss t r u c t u r e 一7 c h a p t e r2m u l t i a n t e n n am i m os y s t e m 9 2 1p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f w i r e l e s sc h a n n e l 9 2 1 1t i m ed e l a ye x t e n s i o n 1 0 2 1 2d o p p l e re x t e n s i o n 1 0 2 2c a p a c i t yo f m i m oc h a n n e l “1 2 2 2 1s y s t e mm o d e l j 1 2 2 2 2m i m oc h a n n e lc a p a c i t y 1 4 2 3p r e c o d i n gp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nc r i t e d a 1 8 c h a p t e r3l i n e a rp r e c o d i n g ”2 1 3 1z fp r e c o i n g ”2 1 3 1 1z fp r e c o d i n g 2 1 3 1 2z fp r e c o d i n gb a s e do i lm m s ec f i t e d o n ”2 3 3 2b da l g o r i t h m 2 5 3 2 ib da l g o r i t h mb a s e do ns v d 2 5 3 2 2b da l g o r i t h mb a s e do ng t d 2 6 3 2 3s i m u l a t i o na n a l y s i s “2 9 3 3j o i n tt r a n s c e i v e rd e s i g n ”3 3 3 3 1t r a n s c e i v e rd e s i g ns u b j e c tt ot o t a lp o w e rc o n s t r a i n t s 3 3 3 3 2t r a n s c e i v e rd e s i g ns u b j e c tt op e r - a n t e n n ap o w e rc o n s t r a i n t s 4 0 3 3 3s i m u l a t i o na n a l y s i s 4 1 c h a p t e r4 t h p p r e c o d i n g 4 4 4 1t h p p r e c o d i n gi ns i n g l eu s e rm i m os y s t e m ”中l(wèi) i i i 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 1 1q r - t h pp r e c o d i n gb a s e do nz fc r i t e r i o n 4 4 4 1 2q r - t h pp r e c o d i n gb a s e do nm m s e c r i t e r i o n ”4 6 4 1 3g t d t h pp r e c o d i n g 4 8 4 2t h pp r e c o d i n gi nm u l t i u s e rm i m os y s t e m 5 0 4 2 1q r - t h pp r e c o d i n gb a s e do nz fc r i t e r i o n 5 0 4 2 2q r - t h p p r e c o d i n gb a s e do nm m s e c r i t e r i o n “5 2 4 2 3g t d t h pp r e c o d i n g 5 3 4 3s i m u l a t i o na n a l y s i s 5 6 c h a p t e r5c o n c l u s i o n s 6 0 5 1s u m m a r y 6 0 5 2p r o s p e c t s 。6 1 l 沁f 宅r e n c e s ：6 2 a c k n o w l e d g m e n t s 一6 6 p u b l i s h e ds c i e n t i f i cr e s e a r c h ，e t c 6 7 i v 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 多輸入多輸出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 通信系統(tǒng)在提高頻譜效 率方面具有無與倫比的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足用戶對(duì)高速率通信的技術(shù)要求，使其成為 未來無線通信最有發(fā)展前景的技術(shù)之一。在實(shí)際無線信道中存在多徑效應(yīng)，在接 收端將會(huì)產(chǎn)生多用戶干擾，因此本文的研究重點(diǎn)為如何消除m i m o 系統(tǒng)中下行 鏈路的多用戶干擾，采用方法為預(yù)編碼技術(shù)。由于臟紙編碼( d i r t yp a p e rc o d i n g ， d p c ) 復(fù)雜度太高，在實(shí)際系統(tǒng)中難以真正實(shí)現(xiàn)，因此m i m o 預(yù)編碼研究更多的 為線性預(yù)編碼中的迫零( z e r o f o r c i n g ，z f ) 預(yù)編碼、最小均方誤差( m i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r ，m m s e ) 預(yù)編碼、塊對(duì)角化預(yù)編碼( b l o c k - d i a g o n a l i z a t i o n ，b d ) 以及非 線性的模代數(shù)( t o m l i n s o n h a r a s h i m ap r d c o d i n g ，t h p ) 預(yù)編碼和矢量擾動(dòng)預(yù)編碼， 本文的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容安排如下： 第一章緒論部分將介紹m i m o 技術(shù)的研究背景和意義，其次將概括敘述預(yù) 編碼技術(shù)的主要特點(diǎn)和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。 第二章介紹了無線信道的特性和m i m o 系統(tǒng)的信道模型，在信道信息已知 和未知的情況下分析了m i m o 系統(tǒng)的容量問題，最后給出了m i m o 系統(tǒng)預(yù)編碼 性能的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，比如信噪比( s i g n a ln o i s er a t i o ，s n r ) 、誤比特率( b i te l t or a t e ， b e r ) 和m m s e 準(zhǔn)則。 第三章重點(diǎn)討論收發(fā)機(jī)的聯(lián)合優(yōu)化問題，首先描述了z f 預(yù)編碼、基于奇異 值( s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ，s v d ) 分解的塊對(duì)角化方法，然后采用廣義三角 分解( g e n e r a l i z e dt r i a n g l ed e c o m p o s i t i o n ，g t d ) 來代替s v d 分解應(yīng)用到b d 預(yù)編 碼模型中，分析了迭代和非迭代兩種方法的性能。其次在以上各個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的基 礎(chǔ)上，引入了功率受限下收發(fā)機(jī)的聯(lián)合優(yōu)化問題，采用數(shù)學(xué)分解的方法求解編解 碼矩陣，本章采用兩種方法進(jìn)行了詳細(xì)討論，分別是非迭代算法和迭代算法。 第四章主要介紹非線性的預(yù)編碼技術(shù)，著重討論t h p 預(yù)編碼算法在m i m o 技術(shù)中的實(shí)現(xiàn)，本章首先介紹了在z f 和m m s e 準(zhǔn)則下的單用戶系統(tǒng)中的 q r t h p 和g t d t h p 預(yù)編碼，在此基礎(chǔ)上將單用戶t h p 預(yù)編碼模型推廣到多用 戶系統(tǒng)，在z f 和m m s e 準(zhǔn)則下分析多用戶q r t h p 和g t d t h p 預(yù)編碼，對(duì)引 入廣義三角分解的t h p 預(yù)編碼和傳統(tǒng)的基于q r 分解的方法做對(duì)比，說明該算 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 法的優(yōu)越性。 第五章為本文的總結(jié)部分，在總結(jié)本文內(nèi)容的同時(shí)，提出下一步可能的研究 方向。 2 關(guān)鍵詞：m i m o ；預(yù)編碼；塊對(duì)角化；t h p ；廣義三角分解 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t m i m oc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a su n p a r a l l e l e da d v a n t a g eo ni m p r o v i n gt h e s p e c t r a le f f i c i e n c ya n dm e e t i n gu s e r r e q u i r e m e n t so fh i g hs p e e dc o m m u n i c a t i o n s a l l t h e s em a k e sm i m oc o m m u n i c a t i o nb e c o m eo n eo ft h em o s tp r o m i s i n gt e c h n o l o g i e s i nt h ef u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 1 1 l em u l t i p a t he f f e c ti se x i s t e di nt h e a c t u a lw i r e l e s sc h a n n e l s ，a n di nt h er e c e i v e ri tw i l lp r o d u c em u l t i u s e ri n t e r f e r e n c e s o t h ek e yp o i n to fr e s e a r c hi nt h i st h e s i si st ou s ep r e - e o d i n gt e c h n i q u e st oe l i m i n a t et h e u s e r s i n t e r f e r e n c ei nt h ed o w n l i n ko ft h em 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 ( m i m o ) s y s t e m d p cp r e - c o d i n gi st o oc o m p l e x ，i ti sd i f f i c u l tt or e a l i z ei na c t u a ls y s t e m ，s o m o r es t u d i e sp a yc l o s ea t t e n t i o nt ol i n e a rp r e - c o d i n g ，s u c ha sz fp r e c o d i n g 、m m s e p r e - c o d i n g 、b l o c k d i a g o n a l i z a t i o np r e - c o d i n g 、n o n l i n e a rt h pp r e - c o d i n ga n dv e c t o r d i s t u r b a n c ep r e c o d i n g ，n l es t r u c t u r eo ft h i st h e s i si so r g a n i z e da sf o l l o w s ： 1 1 1 ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n dm e a n i n go fr e s e a r c ho nm i m o t e c h n o l o g y , t h e nw es u m m a r i z et h em a i nc h a r a c t e r i s t i c sa n dp r e s e n ts i t u a t i o no ft h e s t u d ya th o m ea n da b r o a d t h es e c o n dc h a p t e rp r e s e n t st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ew i r e l e s sc h a n n e la n dt h e c h a n n e lm o d e lo fm i m os y s t e m ，a n a l y z e st h ec a p a c i t yo ft h em i m os y s t e mu n d e r t h es i t u a t i o no fp e r f e c tc h a n n e li n f o r m a t i o na n d1 1 0c h a n n e li n f o r m a t i o n f i n a l l y , w e p r e s e n tt h ep r e - c o d i n gp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nc r i t e r i ao fm i m os y s t e m ，s u c ha ss n r , b e ra n dm m s ec r i t e r i a t 1 1 et h i r dc h a p t e rm a i n l yd i s c u s s e st h ej o i n to p t i m i z a t i o np r o b l e mo ft r a n s c e i v e r f i r s t l y , i td e s c r i b e st h ez fp r e - c o d i n ga n db dm e t h o db a s e do ns i n g u l a rv a l u e d e c o m p o s i t i o n ( s v d ) ，t h e n t a k e s g e n e r a l i z e dt r i a n g l ed e c o m p o s i t i o n ( g t d ) d e c o m p o s i t i o nt or e p l a c es v dd e c o m p o s i t i o ni nb dp r e c o d i n gm o d e l w em a i n l y a n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo fi t e r a t i o na n d1 1 0 1 1 一i t e r a t i o na l g o r y t h m s s e c o n d l y , w e i n t r o d u c et h ej o i n to p t i m i z a t i o np r o b l e m so ft r a n s c e i v e ru n d e rp o w e rc o n s t r a i n t s ，t a k e t h em e t h o do fm a t h e m a t i c a ld e c o m p o s i t i o nt os o l v ed e c o d i n gm a t r i x t h ei t e r a t i o n a n dn o n i t e r a t i o na l g o r i t h m sa r ed i s c u s s e d 1 1 1 ef o u r t hc h a p t e rm a i n l yi n t r o d u c e st h en o n l i n e a rp r e c o d i n gt e c h n i q u e sa n d d i s c u s s e st h ei m p l e m e n t a t i o no ft h p p r e c o d i n ga l g o r i t h mi nm i m ot e c h n o l o g y 1 1 1 i s c h a p t e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h eq r - t h pa n dg t d t h pp r e c o d i n go fs i n g l eu s e r s y s t e mb a s e d o nt h ec r i t e r i ao fz fa n dm m s e t h e nw ep r o m o t et h pp r e - c o d i n g m o d e lf r o ms i n g l eu s e rt om u l t i u s e rs y s t e m ，a n a l y s eq r - t h pa n dg t d t h p p r e - c o d i n gi nm u l t i u s e rs y s t e mb a s e do nt h ec r i t e r i ao fz fa n dm m s e 1 1 圮 3 山東大學(xué)碩士掌位論文 -aj, c o m p a r i s o nb e t w e e ng e n e r a l i z e dt r i a n g l ed e c o m p o s i t i o na n dt h et r a d i t i o n a lm e t h o d s b a s e do nt h ed e c o m p o s i t i o no ft h eq ri nt 腫p r e - c o d i n gs y a t e mi sm a d e t h ef m a lc h a p t e rg i v e st h ec o n c l u s i o no ft h i st h e s i s ，a n dt h e np u t sf o r w a r dt ot h e f u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n s k e y w o r d s ：m i m o ；p r e - c o d i n g ；b l o c kd i a g o n a l i z a t i o n ；t o m l i n s o n - h a r a s h i m a p r e - c o d i n g ；g t d 4 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 研究背景和意義 第一章緒論 無線通信是當(dāng)今通信領(lǐng)域中最為活躍的研究熱點(diǎn)之一，雖然從二十世紀(jì)六十 年代起無線通信已經(jīng)成為研究的主題，但最近十余年才是這一領(lǐng)域研究蓬勃發(fā)展 的時(shí)期，無線通信近十年來的兩項(xiàng)主要發(fā)展，其一是涌現(xiàn)了物理層無線通信理論 的巨大研究熱潮。雖然這項(xiàng)研究從上世紀(jì)六十年代開始就已經(jīng)成為了研究的焦 點(diǎn)，但諸如機(jī)會(huì)通信和多輸入多輸出通信技術(shù)等近年來的發(fā)展開拓了通過無線信 道進(jìn)行通信的全新視野。其二是無線系統(tǒng)特別是蜂窩網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，體現(xiàn)了復(fù) 雜度不斷增加的通信概念【l 卅。 第一代蜂窩系統(tǒng)和更早期的系統(tǒng)，如美國于二十世紀(jì)八十年代開發(fā)的高級(jí)移 動(dòng)電話系統(tǒng)( a d v a i l c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e ，a m p s ) ，都是模擬系統(tǒng)，即語音波形 調(diào)制到載波上之后，不轉(zhuǎn)換為數(shù)字流就發(fā)射出去。第二代蜂窩系統(tǒng)是數(shù)字的，一 種是全球移動(dòng)通信系統(tǒng)( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，g s m ) ，雖然是 歐洲標(biāo)準(zhǔn)，但目前在世界范圍內(nèi)廣泛使用，另一種是美國開發(fā)的時(shí)分多址( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 標(biāo)準(zhǔn)。第三種是碼分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，c d m a ) 標(biāo)準(zhǔn)。由于這些蜂窩系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)最初是為電話業(yè)務(wù)開發(fā)的，所 以蜂窩系統(tǒng)中目前的數(shù)據(jù)速率和延時(shí)實(shí)質(zhì)上由語音需求決定的【5 】。隨著社會(huì)發(fā)展 和生活水平的提高，人們對(duì)高速數(shù)據(jù)綜合業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的業(yè)務(wù) 量，目前的移動(dòng)通信系統(tǒng)已不能滿足用戶的業(yè)務(wù)需求。新一代移動(dòng)通信要在有限 的頻譜資源上實(shí)現(xiàn)高速率和大容量，需要頻譜效率極高的技術(shù)。 無線移動(dòng)信道的傳播機(jī)制比較復(fù)雜，無線電波以不同的方式和時(shí)延到達(dá)接收 機(jī)，即存在多徑效應(yīng)，使信道增益總是在變化。通常情況下多徑效應(yīng)引起的衰落 被視為是有害的，然而m i m o 系統(tǒng)可以將多徑視為有利條件利用因而受到了人 們的廣泛關(guān)注【6 】。m i m o 系統(tǒng)中發(fā)射端和接收端實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，發(fā)射端將多個(gè)數(shù) 據(jù)流同時(shí)發(fā)送到信道，各個(gè)發(fā)射信號(hào)占用同一頻帶，沒有增加帶寬。在收發(fā)天線 之間的信道相互獨(dú)立的條件下，m i m o 系統(tǒng)可以將信道分解為多個(gè)并行子信道， 從而可以提高數(shù)據(jù)率。因此m i m o 系統(tǒng)在不增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情 5 山東大學(xué)碩士學(xué)1 立論文 鼉毫魯i 一| 1 i 鼉皇詈詈曼量皇曼詈鼉 況下，可以成倍地提高信道容量和頻譜利用率，同時(shí)提高信道的可靠性，降低誤 碼率。 在一個(gè)多用戶m i m o 系統(tǒng)中，基站和用戶均裝有多個(gè)天線，接收端的每一 個(gè)天線都可以接收來自所有發(fā)射天線的信號(hào)，不同發(fā)射天線的信號(hào)在接收端是疊 加在一起的，即存在著多用戶干擾，影響了m i m o 技術(shù)的推廣應(yīng)用。預(yù)編碼技 術(shù)可以很好的解決這個(gè)問題，因此有必要研究性能較好的編碼和解碼算法來消除 多用戶干擾和改善系統(tǒng)的性能。m i m o 技術(shù)自1 9 0 8 年由m a r c o n i 提出至今，各 國學(xué)者對(duì)于m i m o 系統(tǒng)的關(guān)鍵理論和技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究。經(jīng)過長期的發(fā)展， m i m o 技術(shù)已經(jīng)日趨成熟并被廣泛的應(yīng)用在各種通信系統(tǒng)當(dāng)中，例如l t e 和4 g 通信系統(tǒng)、8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 1 n 等無線寬帶接入標(biāo)準(zhǔn)、超寬帶技術(shù)和感知無線電系 統(tǒng)。m i m o 技術(shù)在提高系統(tǒng)頻譜利用率方面的無可比擬的性能，注定了它將成為 未來移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。 1 2m i m o 預(yù)編碼技術(shù)的發(fā)展 在m i m o 無線通信系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)模型，分為預(yù)編碼器和均衡器的設(shè)計(jì)， 早在二十世紀(jì)六十年代，就已有文獻(xiàn)研究頻率選擇性衰落信道下單輸入單輸出 ( s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ，s i s o ) 系統(tǒng)的預(yù)編碼器和均衡器的設(shè)計(jì)，以達(dá)到使系統(tǒng) 均方誤差最小化的目的 7 , 8 1 。n - 十世紀(jì)七十年代開始出現(xiàn)m i m o 系統(tǒng)預(yù)編碼器 和均衡器的聯(lián)合設(shè)計(jì)技術(shù)，并且主要集中在有線通信系統(tǒng)當(dāng)中的研究 9 , 1 0 l 。m i m o 通信系統(tǒng)當(dāng)中同時(shí)存在具有不同性能要求的多個(gè)數(shù)據(jù)流，這使m i m o 多天線通 信系統(tǒng)收發(fā)機(jī)的聯(lián)合設(shè)計(jì)并設(shè)定一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則存在一定的困難。盡管 如此還是有很多預(yù)編碼器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則被提出，有些已經(jīng)在實(shí)際系統(tǒng)中得到應(yīng)用。 從信息論的觀點(diǎn)出發(fā)，無線通信系統(tǒng)要取得最大的信道容量，則最佳的預(yù)編 碼器和均衡器要同時(shí)滿足：1 ) 預(yù)編碼矩陣和解碼矩陣可以使信道增益矩陣對(duì)角 化：2 ) 采用注水功率分配算法；3 ) 采用高斯信號(hào)，即發(fā)射信號(hào)和系統(tǒng)噪聲都服從 高斯分布。通常情況下，m i m o 系統(tǒng)收發(fā)器的設(shè)計(jì)可以描述為在功率受限條件下， 各個(gè)傳輸數(shù)據(jù)流性能的優(yōu)化問題，或者是在滿足用戶服務(wù)質(zhì)量的條件下，資源的 最優(yōu)分配問題，因此經(jīng)典的信息論可以用來評(píng)判系統(tǒng)的性能。均方誤差( m e a n s q u a r ee l l o r ，m s e ) 是最先被應(yīng)用在m i m o 通信系統(tǒng)當(dāng)中的一個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在有 6 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 線通信系統(tǒng)中，采用的代價(jià)函數(shù)為所有數(shù)據(jù)流的m s e 之和( 或者m s e 矩陣的跡) ， 大量的研究者對(duì)基于m s e 準(zhǔn)則下不同數(shù)學(xué)模型的m i m o 系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。 隨著m i m o 技術(shù)的不斷發(fā)展，二十世紀(jì)九十年代，m i m o 系統(tǒng)收發(fā)機(jī)的設(shè) 計(jì)逐漸由有線系統(tǒng)向無線系統(tǒng)轉(zhuǎn)移。最簡單的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是z f 預(yù)編碼，z f 預(yù)編碼 通過在發(fā)射端對(duì)信道矩陣求逆能夠完全的抑制多用戶干擾【1 1 , 1 2 】，在高信噪比的條 件下可以近似達(dá)到d p c 的系統(tǒng)容量。但是，當(dāng)信道噪聲非常大時(shí)z f 預(yù)編碼要增 加發(fā)射功率，應(yīng)用m m s e 預(yù)編碼可以很好的解決這個(gè)問題，達(dá)到發(fā)射功率和干 擾的折中使檢測誤差最小1 3 】。經(jīng)過大量的研究我們已經(jīng)得到在迫零約束下以最小 化m s e 矩陣跡和最大化系統(tǒng)信干比為準(zhǔn)則，適用于m i m o 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流塊傳輸?shù)?系統(tǒng)模型【1 3 】；以最小化m s e 矩陣行列式和最小化m s e 矩陣跡加權(quán)為準(zhǔn)則，適 用于有限反饋系統(tǒng)的模型f 1 4 , 1 5 ；系統(tǒng)在總功率或峰值功率受限約束下，m i m o 系 統(tǒng)在不同設(shè)計(jì)準(zhǔn)則下的設(shè)計(jì)方案【1 6 1 。 因b e r 可以直接的反映系統(tǒng)的輸出質(zhì)量，所以除了m s e 和信干比 ( s i g n a l t o i n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o ，s i n r ) 準(zhǔn)則，近期的m i m o 系統(tǒng)設(shè)計(jì)還采用 b e r 作為系統(tǒng)性能的設(shè)計(jì)量度，與m s e 準(zhǔn)則相比，b e r 準(zhǔn)則在數(shù)學(xué)上的處理比 較困難。e n o n g g o s a n u s i ，e t a l 給出了在使用對(duì)角化結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，最小化系統(tǒng) b e r 的設(shè)計(jì)應(yīng)用t 2 0 】；yd i n g 以最小化b e r 均值為準(zhǔn)則，在所有數(shù)據(jù)流采用相同 星座圖的條件下，得到了信道矩陣非對(duì)角化情況下的收發(fā)器的一個(gè)最優(yōu)設(shè)計(jì) 【1 7 ，2 1 1 ，若采用不同的星座圖，問題則變得很復(fù)雜，d p p a l o m a r 對(duì)此問題進(jìn)行了 深入的研究，給出了基于凸優(yōu)化理論的主分量分解的方法來解決上述問題【2 2 之6 1 不久廣義三角分解理論被引入到上述系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，以彌補(bǔ)因采用相同星座圖帶 來的系統(tǒng)性能的損失【2 7 娜1 。本論文引進(jìn)g t d 分解，應(yīng)用在線性和非線性的預(yù)編 碼中，分別得到改進(jìn)的預(yù)編碼模型。 1 3 論文結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容 m i m o 系統(tǒng)在不增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，可以成倍地提高信 道容量和頻譜利用率，同時(shí)提高信道的可靠性，成為未來無限通信的關(guān)鍵技術(shù)之 一，本文就多天線m i m o 系統(tǒng)中出現(xiàn)的天線間干擾和用戶間干擾等問題，著重 研究可以消除以上兩種干擾的預(yù)編碼技術(shù)，包括線性和非線性預(yù)編碼，在不同的 7 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則下采用s v d 分解、q r 分解和廣義三角分解等矩陣分解理論求解 收發(fā)器的聯(lián)合最優(yōu)解。并使用m a t l a b 仿真軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行仿真分析。 本文的主要內(nèi)容包括： 第二章主要介紹了無線信道的特性和各種不同m i m o 系統(tǒng)信道模型，在信 道信息已知和未知的情況下分析了m i m o 系統(tǒng)的容量問題，給出了m i m o 系統(tǒng) 預(yù)編碼性能的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，比如s n r 、b e r 和m m s e 準(zhǔn)則。 第三章重點(diǎn)討論了功率約束下的收發(fā)器的聯(lián)合優(yōu)化問題。首先描述了z f 預(yù) 編碼、基于s v d 分解的塊對(duì)角化方法。然后引入g t d 分解代替s v d 分解應(yīng)用 到b d 預(yù)編碼模型中，分析了迭代和非迭代兩種方法的性能。最后引入了收發(fā)機(jī) 的聯(lián)合優(yōu)化問題，采用數(shù)學(xué)分解方法求解總功率受限和單天線功率受限條件下的 收發(fā)器的設(shè)計(jì)。 第四章在前幾章的基礎(chǔ)上主要介紹非線性的預(yù)編碼技術(shù)，著重討論t h p 預(yù) 編碼算法在m i m o 技術(shù)中的實(shí)現(xiàn)。首先介紹了基于q r 分解的z f 和m m s e 單 用戶t h p 預(yù)編碼，其次介紹了基于g t d 分解的z f 和m m s e 單用戶t h p 預(yù)編 碼。然后推廣到多用戶的m i m o 系統(tǒng)，介紹了基于q r 分解的z f 和m m s e 多 用戶t h p 預(yù)編碼，最后介紹了基于g t d 分解的z f 和m m s e 多用戶t h p 預(yù)編 碼。 第五章為全文總結(jié)，對(duì)本文的研究結(jié)論進(jìn)行陳述，并提出了下一步的研究工 作和方向。 8 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章m i m o 多天線系統(tǒng)理論基礎(chǔ) 雖然m i m o 技術(shù)在1 9 7 0 年就已經(jīng)被關(guān)注，但是它在提高信道容量方面的巨 大優(yōu)勢(shì)最近才被人們充分意識(shí)到。由信息論可知，m i m o 信道容量是s i s o 信道 容量的r n j n ，坼) 倍。 前 m i m o 系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)主要為：m i m o 信道容量、 預(yù)編碼技術(shù)、天線選擇、用戶選擇等 2 9 1 。本章首先介紹一下無線信道的傳播特性， 然后介紹m i m o 信道模型和m i m o 系統(tǒng)的特點(diǎn)。 2 1 無線信道傳播特性 由于無線傳播環(huán)境的特性，信號(hào)在經(jīng)過信道后會(huì)發(fā)生各種衰落。移動(dòng)無線信 道的主要特征是信道強(qiáng)度隨時(shí)間和頻率的變化而變化，這種變化大致可以分為如 下兩種類型【6 】：1 大尺度衰落；2 小尺度衰落。在相對(duì)較短的時(shí)間和較小的 距離范圍內(nèi)，與小尺度衰落相比，大尺度路徑損耗的影響可以忽略不計(jì)，所以討 論焦點(diǎn)是小尺度衰落引起的各種衰落效應(yīng)。 小尺度衰落的類型如圖2 1 所示： 圖2 1 小尺度衰落類型 9 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1l 多徑時(shí)延擴(kuò)展 多徑基于時(shí)延擴(kuò)展引起的小尺度衰落主要是平坦衰落和頻率選擇性衰落【3 0 l 。 1 平坦衰落 在無線通信系統(tǒng)中，若無線信道帶寬大于發(fā)送信號(hào)的帶寬，且在該帶寬范圍 內(nèi)系統(tǒng)的沖激響應(yīng)有恒定的增益及線性相位，此時(shí)信號(hào)經(jīng)歷的衰落稱為平坦衰 落。信號(hào)通過信道時(shí)，在時(shí)域上信道的波形比信號(hào)的波形窄，頻域上信道波形比 信號(hào)波形寬，在接收端信號(hào)的頻譜特性保持不變。多徑效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致信道增益的起 伏變化，由此導(dǎo)致接收信號(hào)的強(qiáng)度隨時(shí)間變化。因?yàn)樾盘?hào)帶寬的倒數(shù)遠(yuǎn)大于信道 的多徑時(shí)延時(shí)，信號(hào)帶寬將比信道帶寬窄得多，因此平坦衰落信道可以看成窄帶 信道。典型的平坦衰落信道會(huì)引起深度衰落，因此在深度衰落期間需要增加2 0 d b 或者3 0 d b 的發(fā)送功率，以獲得較低的誤比特率，這是與非衰落信道在系統(tǒng)操作 方面的不同之處。 2 頻率選擇性衰落 在無線通信系統(tǒng)中，若無線信道沖激響應(yīng)增益恒定、線性相位帶寬小于發(fā)送 信號(hào)帶寬，那么信號(hào)將經(jīng)歷頻率選擇性衰落。在這種情況下，由于信道沖激響應(yīng) 具有多徑時(shí)延擴(kuò)展，其值大于發(fā)送信號(hào)帶寬的倒數(shù)，導(dǎo)致接收信號(hào)中包含了經(jīng)歷 時(shí)延和衰減的發(fā)送信號(hào)波形的多徑信號(hào)，使接收信號(hào)失真。信道中發(fā)送信號(hào)的時(shí) 間色散引起了頻率選擇性衰落，這就引起了碼間串?dāng)_3 。由于信號(hào)的帶寬大于信 道沖激響應(yīng)帶寬，頻率選擇性信道也稱為寬帶信道。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般使 用統(tǒng)計(jì)沖激響應(yīng)模型，如雙線瑞利衰落模型或是用計(jì)算機(jī)生成或測量出來的沖激 響應(yīng)來分析頻率選擇性小尺度衰落。 2 1 2 多普勒擴(kuò)展 在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)是處在相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的，它們之間 由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生電磁波的頻率偏移，也就是存在多普勒效應(yīng)【6 】。圖2 2 為多 普勒效應(yīng)示意圖： 1 0 山東大學(xué)碩掌1 立論文 大多數(shù)大反射體和繞射物是遠(yuǎn)離終端的，相對(duì)于這些大反射體和繞射物來說，終 端的移動(dòng)很小，相應(yīng)的傳播變化也是很小的，所以我們可以假設(shè)在一個(gè)或若干個(gè) 帶寬倒數(shù)間隔內(nèi)，信道為靜態(tài)信道。在頻域中，這意味著多普勒擴(kuò)展遠(yuǎn)小于基帶 信號(hào)帶寬。需要注意的是，我們并不能因?yàn)樾诺朗强焖ヂ湫诺蓝J(rèn)定此信道為平 坦衰落或者頻率選擇性衰落信道。 2 2m i m o 信道容量 m i m o 技術(shù)在有線通信系統(tǒng)和無線多天線系統(tǒng)中都得到了廣泛的應(yīng)用，通信 系統(tǒng)采用多幅發(fā)射和多幅接收天線形成m i m o 信道，一個(gè)m i m o 信道在數(shù)學(xué)上 可以表示成一個(gè)信道矩陣的形式。這為各種不同的通信環(huán)境的物理信道提供了一 個(gè)統(tǒng)一的數(shù)學(xué)處理模式 2 9 1 。 在通信鏈路的收發(fā)端均采用多天線技術(shù)極大的提高了通信系統(tǒng)的鏈路可靠 性和頻譜利用率。m i m o 信道最大的特點(diǎn)是利用收發(fā)端的多通信鏈路同時(shí)傳送多 個(gè)數(shù)據(jù)流，并將信道等效為多個(gè)并行m i m o 子信道，從而獲得復(fù)用增益。 2 2 1 信道模型 考慮圖2 3 給出的r n r 的m i m o 無線通信系統(tǒng)框圖，發(fā)射天線數(shù)為r ， 接收天線數(shù)為r 。 s l 島 i 泌 入 * 叢 l 2 圖2 3m i m o 信道模型 無線信道上由坼個(gè)天線發(fā)送的信號(hào)均位于同一頻帶內(nèi)。因而發(fā)送的信號(hào)通 過該信道向不同的方向散射，此外，由于多信號(hào)傳輸，系統(tǒng)經(jīng)歷了與信號(hào)有關(guān)的 1 2 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 空間形式的干擾，我們稱之為同天線干擾【4 】。接收機(jī)要解決的問題是如何降低同 天線干擾，從而提供頻譜效率的增加，在理論上分析可知，通信系統(tǒng)的頻譜效率 與系統(tǒng)的信道容量密切相關(guān)，為了顧及m i m o 無線通信系統(tǒng)的容量，我們從表 示系統(tǒng)的基帶信道模型入手。引入以下定義： 1 空間參數(shù) n = m i n n r ，心) ( 2 2 1 2 ) 上式定義了一個(gè)具有r 個(gè)發(fā)射天線和r 個(gè)接收天線的m i m o 無線信道 的自由度。 2 發(fā)送信號(hào)向量 s ( 佗) = 【氣( n ) ，s 2 ( 扎) ，( n ) r ( 2 2 2 ) 上式表示r 個(gè)天線在離散時(shí)間禮發(fā)射的復(fù)信號(hào)向量s ( 禮) 。向量s 的r 個(gè)元 素s 。m ) ，s 2 ) ， ) 是獨(dú)立同分布的復(fù)高斯隨機(jī)變量，其均值為零均、方差為 巳2 。因此，發(fā)射