摘要 摘要 在干擾受限環(huán)境中，共信道干擾影響小區(qū)用戶尤其是小區(qū)邊緣用戶的通信質(zhì) 量。由于o s t b c 的抗衰落、抗噪聲的良好性能，o s t b c 經(jīng)常被用來改善系統(tǒng)性 能。因此本文分析了干擾受限環(huán)境中o s t b c 的抗干擾性能。本文的主要研究內(nèi) 容總結(jié)如下： 第一，目標鏈路和干擾鏈路均為瑞利信道時共信道干擾統(tǒng)計特性在過去的研 究中己經(jīng)較為深入，但是其中的一些證明采用了假設(shè)的方式。本文首先嚴格證明 了過去研究過程中的若干假設(shè)，進一步完善了過去對共信道干擾的研究； 第二，過去的研究中，假設(shè)信道為準靜止瑞利信道，更為普遍情況時變信道。 本文研究了時變?nèi)鹄诺老庐?dāng)發(fā)射天線數(shù)為2 時的共信道干擾統(tǒng)計特性； 第三，過去的研究主要集中在瑞利信道，對于更普遍的萊斯信道研究較少， 本文研究了當(dāng)目標鏈路為萊斯信道、干擾信道為瑞利信道時的共信道干擾統(tǒng)計特 性，雖然沒有給出通式，但是其研究方法可以推廣到任意天線數(shù)和傳輸方案的情 況。 最后本文的理論分析都通過m o n t e c a r l o 仿真實驗進行了驗證。 關(guān)鍵詞：多天線正交空時分組碼共信道干擾概率密度函數(shù)時變?nèi)鹄诺廊R斯信道 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o m m u n i c a t i o nq u a l i t yo fu s e r si sa f f e c t e db yc c i ，e s p e c i a l l yt h ee d g eu s e r s i na ni n t e r f e r e n c e - l i m i t e d e n v i r o n m e n t o r t h o g o n a ls p a c e t i m e b l o c k c o d i n g ( o s t b c ) ，a so n eo ft h em o s tb a s i ca n dp r o m i s i n gc o d i n gm e t h o d s ，h a sag o o da b i l i t y t oc o m b a tf a d i n ga n dr o b u s t n e s st oc c i t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ep e r f o r m a n c e o fo s t b ci na l li n t e r f e r e n c e l i m i t e de n v i r o n m e n t t h em a i np o i n t si nt h i sp a p e ra l ea s f o l l o w s ： f i r s t l y ，t h e r ea l es e v e r a lm a t h e m a t i c a ls u p p o s e si nt h ep a s ts t u d yo nt h es t a t i s t i c a l p r o p e r t i e so fc o - c h a n n e li n t e r f e r e n c ew h e nt h ed e s t i n a t i o nc h a n n e la n di n t e r f e r e n c e c h a n n e la l eb o t hr a l e i g hf a d i n g t h i sp a p e rs o l v e st h e m p e r f e c t l y s e c o n d l y , t h ec h a n n e l sa r ea s s u m e ds t a t i ci nt h ep a s ts t u d y , b u tt h ec h a n n e l sa l e t i m e - v a r y i n gi nr e a l i t y s ow h e nt h ec h a n n e l sa l et i m e - v a r y i n g ，t h es t a t i s t i c a l p r o p e r t i e s o fc c ii nam i m os y s t e m 、析m2t r a n s m i t a n t e n n a sa n dlr e c e i v e a n t e n n aa l es t u d i e d i nt h i sp a p e r t h i r d l y , t h es t a t i s t i c a l p r o p e r t i e so fc c ii nam i m os y s t e mw h e nt h ed e s t i n a t i o n c h a n n e l sa r er i c ef a d i n ga n dt h ei n t e r f e r e n c ec h a n n e l sa l er a l e i g hf a d i n gi ss t u d i e d f i n a l l y ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sh a sb e e nv e r i f i e dt h r o u g hm o n t e c a r l os i m u l a t i o n k e y w o r d ：m i m oo r t h o g o n a ls p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g ，c o - c h a n n e l i n t e r f e r e n c e ，p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ，t i m e - v a r y i n gr a l e i g hc h a n n e l ，r i c e c h a n n e l 第一章緒論 第一章緒論 無線通信技術(shù)正處于飛速發(fā)展的階段，它對人類進步、經(jīng)濟發(fā)展以及人們的 日常生活的影響越來越大。同時，人們對通信質(zhì)量的要求也不斷提高。讓任何人 在任何地點、任何時間以任何方式與任何人進行通信已逐步成為現(xiàn)實，而如何滿 足人們對通信流量和數(shù)據(jù)速率的日益增長是我們下一階段發(fā)展通信的重要目標。 在過去無線通信技術(shù)的發(fā)展過程中，頻率資源、時間資源和編碼技術(shù)得到越來越 充分的利用。蜂窩小區(qū)作為充分利用頻譜資源的一項技術(shù)，得到了廣泛使用。它 采用頻率復(fù)用( f r ：f r e q u e n c yr e u s e ) 技術(shù)，這使得系統(tǒng)充分的利用的頻率資源； 與此同時，f r 意味著在一個給定的覆蓋區(qū)域內(nèi)，存在著許多使用同一組頻率的小 區(qū)。這些小區(qū)稱為同頻小區(qū)，這些同頻小區(qū)之間的干擾就是共信道干擾( c c i ： c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 。此外，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，人們對信息的及時性、 豐富性和便捷性的要求也越來越高。然而有限的頻譜資源限制了蜂窩通信系統(tǒng)數(shù) 據(jù)傳輸速率的進一步提高。多天線( 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(shù)能夠在有限的頻譜資源下提高系統(tǒng)的容量和傳輸可靠性，因而成為近年來業(yè)界 研究的熱點。當(dāng)m i m o 技術(shù)應(yīng)用到多小區(qū)系統(tǒng)中時，c c i 情況將會變得更加復(fù)雜。 此時的c c i 特性將會發(fā)生何種變化，傳統(tǒng)的c c i 統(tǒng)計模型是否仍然適用，c c i 對 系統(tǒng)性能有何影響以及如何設(shè)計對c c i 具有魯棒性的低復(fù)雜度的資源分配算法， 這些問題的研究都具有重要的理論意義和應(yīng)用前景。 1 1 本文的研究背景 早期的移動通信系統(tǒng)的設(shè)計方案是使用安裝在高塔上的單個的大功率發(fā)射機 來獲得一個大面積的覆蓋。這種設(shè)計方案意味著在系統(tǒng)中不能重復(fù)使用相同的頻 率。隨著社會的發(fā)展，這種方案已經(jīng)不能通過頻率分配來滿足移動服務(wù)需求的增 長。 自多小區(qū)系統(tǒng)出現(xiàn)至今，它先后經(jīng)歷了第一代( 1 g ) ，第二代( 2 g ) ，并已經(jīng) 進入第三代( 3 g ) 和向第四代( 4 g ) 移動通信邁進。第一代移動通信是模擬蜂窩 電話，它采用頻分多址( f d m a ：f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技術(shù)。該 系統(tǒng)存在干擾、系統(tǒng)保密性差以及提供的業(yè)務(wù)種類比較單一等缺點。為解決1 g 系統(tǒng)中存在的技術(shù)缺陷，采用數(shù)字調(diào)制技術(shù)的2 g 蜂窩系統(tǒng)從2 0 世紀9 0 年代開 始逐漸發(fā)展起來。與1 g 系統(tǒng)相比，2 g 系統(tǒng)具有頻譜效率高、系統(tǒng)容量大、保密 性能好等優(yōu)點。為了滿足不斷增長的網(wǎng)絡(luò)容量需求，數(shù)據(jù)傳輸速率亟待提高到能 夠提供高速數(shù)據(jù)傳輸和多媒體應(yīng)用的水平上來，于是3 g 系統(tǒng)隨之出現(xiàn)。第三代 移動通信的目標是面向高速數(shù)據(jù)和多媒體應(yīng)用，其終端使用時，在室內(nèi)可達2 m b s ， 2 干擾受限環(huán)境下的o s t b c 性能研究 步行時速率為3 8 4 k b s ，高速車輛行駛時為1 4 4 k b s 。第三代移動通信在國際電信 聯(lián)盟i m t - - 2 0 0 0 的技術(shù)標準要求下，目前已通過了幾項主要的3 g 標準。在發(fā)展 3 g 的同時，全球己開始研究開發(fā)第四代移動通信( 4 g ) 和第五代移動通信( 5 g ) 。 4 g 的傳輸速率可達1 0 m b s ，4 g 將可以把藍牙無線局域網(wǎng)和3 g 技術(shù)等結(jié)合在一 起組成無縫的通信解決方案及相應(yīng)的產(chǎn)品。5 g 的手機除了通話，接收豐富的多媒 體信息外，還可以演示三維立體游戲，參與三維立體電視會議等。 然而，由于移動通信本身的特點，未來無線通信面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)：復(fù)雜的 信道環(huán)境和有限的頻譜資源。針對這種人們?nèi)找嬖鲩L的容量需求和有限頻譜資源 之間的矛盾，m i m o 技術(shù)【m 】能夠在空間產(chǎn)生獨立的并行信道，在發(fā)射端和接收端 同時采用多根天線來傳輸或接受多路數(shù)據(jù)流。由于各發(fā)射天線同時發(fā)送的信號占 用同一個頻帶，所以能夠在沒有增加帶寬的情況下成倍地提高系統(tǒng)容量和頻譜利 用率。此外，m i m o 技術(shù)由于在發(fā)射端和接收端利用分集技術(shù)，所以能夠很好地 對抗無線信道中的多徑衰落，提高系統(tǒng)的傳輸可靠性。m i m o 技術(shù)可以提高無線 通信系統(tǒng)的容量和可靠性，因此一經(jīng)提出就立刻引起廣泛的關(guān)注。作為構(gòu)建未來 寬帶無線系統(tǒng)物理層的核心技術(shù)之一，m i m o 技術(shù)已經(jīng)被d v b 、d a b 、i e e e 8 0 2 1 l a 、i e e e8 0 2 1 1 0 以及3 g l t e 等多個行業(yè)標準所采納，成為未來無線通信 標準的主要候選技術(shù)。 多小區(qū)系統(tǒng)由于采用f r 技術(shù)會不可避免地引入c c i ，從而使得整個系統(tǒng)干 擾受限。c c i 會嚴重降低蜂窩系統(tǒng)的頻譜效率，進而影響整個系統(tǒng)的性能。在干 擾受限環(huán)境下( 例如小區(qū)邊緣的用戶) ，用戶會受到臨近小區(qū)c c i 的影響。盡管 c c i 不是一個新的概念，但是由于多天線技術(shù)的引入，使得m i m o 環(huán)境下c c i 的特性有別于傳統(tǒng)的單發(fā)單收( 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 ) 系統(tǒng)的情況， m i m o 在提供空間自由度的同時，也大大增加了抗干擾算法的難度和復(fù)雜度。為 了實現(xiàn)系統(tǒng)資源的最優(yōu)配置，各小區(qū)對自己所覆蓋區(qū)域用戶進行動態(tài)的資源分配， 但是，對于鄰近的共信道小區(qū)而言，這種動態(tài)的資源分配卻直接導(dǎo)致了c c i 的時 變性和不確定性的增加。當(dāng)某個小區(qū)作為干擾小區(qū)的時候，其所調(diào)度的資源，如 發(fā)射功率、子信道、m i m o 模式等，都會成為影響c c i 特性變化的因素，使得c c i 成為多變量的隨機過程。因此，在系統(tǒng)中實施資源分配會導(dǎo)致對c c i 的預(yù)測和抑 制變得更加困難。由此可見，來自共信道小區(qū)的c c i 會對目標小區(qū)的資源分配產(chǎn) 生影響，而c c i 的時變性和不確定性正是由于共信道小區(qū)的動態(tài)資源分配所導(dǎo)致 的。 綜上所述，干擾受限環(huán)境下m i m o 系統(tǒng)的c c i 和資源分配是相互影響、相 互制約的關(guān)系，因此，分析和研究干擾受限環(huán)境下m i m o 系統(tǒng)中c c i 的特性及 其對系統(tǒng)性能的影響，將有助于我們設(shè)計易于工程實現(xiàn)的低復(fù)雜度、對c c i 具魯 棒性的資源分配算法和c c i 干擾抑制算法，實現(xiàn)資源的合理配置，提高系統(tǒng)的整 第一章緒論 體性能。 1 2 研究現(xiàn)狀 前面的一節(jié)中已經(jīng)提到：多天線技術(shù)的引入使得m i m o 系統(tǒng)的c c i 情況要比 使用單天線系統(tǒng)時的情況復(fù)雜的多【3 吲，雖然也進行了干擾受限m i m o 環(huán)境下的 c c i 的研究，但是當(dāng)描述c c i 的統(tǒng)計模型時，均是采用高斯噪聲模型【6 - 8 j 來近似。 利用高斯干擾模型，噪聲和干擾對系統(tǒng)的影響可以劃分為一個單獨的噪聲項( 高 斯干擾的加入只是增加了噪聲的平均功率，并不改變噪聲的統(tǒng)計性質(zhì)) ，這樣做的 好處是系統(tǒng)分析和設(shè)計被大幅簡化。然而，這種模型難以反映出c c i 的真實特性 及其對系統(tǒng)性能的真實影響程度。高斯干擾模型與實際的干擾統(tǒng)計模型有多大的 差距以及高斯干擾模型在m i m o 環(huán)境下是否有效，這些問題都沒有被驗證過。 在現(xiàn)有的c c i 對m i m o 系統(tǒng)的影響研究方面，c a t r e u x 9 d o 】使用了仿真實驗的 方法，對m i m o 系統(tǒng)從純噪聲環(huán)境進入到干擾受限場景時的性能損失情況進行 了模擬，仿真結(jié)果表明，m i m o 系統(tǒng)性能損失要比使用接收分集的單發(fā)多收系統(tǒng) 的性能損失大，也就是說m i m o 系統(tǒng)對c c i 的敏感程度大于單發(fā)多收系統(tǒng)。與 單天線系統(tǒng)相比，m i m o 系統(tǒng)的最大區(qū)別在于系統(tǒng)中各小區(qū)基站可以利用改變 m i m o 模式的方法實現(xiàn)資源的動態(tài)分配。因此，m i m o 模式對系統(tǒng)性能的影響很 值得研究。從c a t r e u x 的研究結(jié)論出發(fā)，一些研究者嘗試去構(gòu)造m m i o 環(huán)境下真 實的c c i 統(tǒng)計模型。對于采用最大比值合并的單發(fā)多收接收分集系統(tǒng)，c u ij l l l j 和a a l o 1 2 】等人分析出了閉式的信干噪比( s i n r ：s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn o i s e r a t i o ) 的的概率密度函數(shù)；同樣得對于單發(fā)多收系統(tǒng)，a k y i l d i z 1 3 推導(dǎo)出采用最 優(yōu)合并接收方式的s i n r 的概率密度函數(shù)閉式表示形式。 針對普通上的m i m o 系統(tǒng)，c h o i 1 4 j 首次給出了使用正交空時分組編碼 ( o s t b c ：o r t h o g o n a ls p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ) 和時延分集的s i n r 概率密度函 數(shù)的閉式表示。但是上述的關(guān)于m i m o 系統(tǒng)s i n r 的概率密度函數(shù)的推導(dǎo)過程 都做了這樣的假設(shè)：目標基站和c c i 基站采用的m i m o 模式完全相同。為了滿 足這種設(shè)計的要求，需要所有基站一直保持協(xié)同工作的狀態(tài)。然而，這種設(shè)計要 求在很大程度上限制了各個基站依照自己所覆蓋小區(qū)的實際通信情況進行合理的 m i m o 模式分配的自由。因此，所有基站都采用相同的m i m o 模式不符合實際系 統(tǒng)設(shè)計的現(xiàn)實要求。 為了使所有小區(qū)都可以靈活地根據(jù)本小區(qū)的信道情況來合理分配m i m o 模 式，r a b m a n 【1 5 】利用m o n t e c a r l o 方法給出了任意的目標干擾m i m o 組合模式下 接收信號s i n r 的概率分布曲線，但是卻未能給出概率密度函數(shù)的閉式表示。 l i 1 6 1 8 】將不同的m i m o 模式作為一種可供調(diào)度的資源，將常用的m i m o 模式 4 干擾受限環(huán)境下的o s t b c 性能研究 分成兩類，研究不同目標干擾m i m o 模式情況下的c c i 統(tǒng)計特性，并推導(dǎo)得出 了簡潔實用的閉式信干比( s i r ：s i g n a l t oi n t e r f e r e n c er a t i o ) 概率密度函數(shù)表達式， 為這一領(lǐng)域的研究做了一些有意義的探索。 根據(jù)以上的分析可以看出，我們需要進一步的驗證m i m o 環(huán)境下是否可以 繼續(xù)采用高斯干擾的假設(shè)。在采用動態(tài)資源分配的系統(tǒng)中，c c i 具有哪些新的特 性以及它對系統(tǒng)的影響大小如何，這些因素都會直接對資源分配算法的分析和設(shè) 計造成影響。共信道小區(qū)的資源分配方案使得c c i 變的具有時變和不確定性， 進而對目標小區(qū)乃至整個系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響。因此，對c c i 的隨機統(tǒng)計規(guī)律進 行研究，分析其對系統(tǒng)性能的影響以及設(shè)計對c c i 具有魯棒性的低復(fù)雜度資源分 配算法等工作具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用前景。 1 3 本文研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 目前關(guān)于干擾受限m i m o 系統(tǒng)的研究主要分為兩類，一類是關(guān)于干擾特性的 研究；另一類是關(guān)于干擾抑制技術(shù)和資源分配算法的研究。第一類研究是第二類 研究的理論基礎(chǔ)，因為它對于如何設(shè)計資源分配算法和干擾抑制算法有著重要的 參考價值和指導(dǎo)意義。o s t b c 傳輸方案作為一種簡單有效性能優(yōu)異的一種傳輸方 案，勢必在m i m o 技術(shù)廣泛使用的過程中扮演重要的角色，因此，本文將重點研 究干擾受限m i m o 環(huán)境中特別是不同無線信道模型下目標和干擾鏈路采用 o s t b c 傳輸方案時的c c i 統(tǒng)計特性。在研究過程中，本文采用一方面證明了在 1 6 】 的研究過程中的一些假設(shè)，另一方面在l i 的研剄1 6 j 基礎(chǔ)上，做了迸一步研究，給 出時變?nèi)鹄诺篮彤?dāng)目標鏈路為萊斯信道干擾鏈路為瑞利信道時的c c i 統(tǒng)計特性， 并通過仿真驗證了結(jié)論。本文研究工作具體安排如下： 第一章簡單的介紹了研究背景，回顧了過去通信技術(shù)的發(fā)展，包括蜂窩系統(tǒng) 和m i m o 技術(shù)的發(fā)展，概括了c c i 產(chǎn)生的原因和c c i 在m i m o 系統(tǒng)中與單天線 系統(tǒng)中時會產(chǎn)生何種不同，最后對c c i 統(tǒng)計特性的研究現(xiàn)狀做了總結(jié)。 第二章描述了本文所涉及到的基礎(chǔ)知識。首先介紹了無線信道的常用數(shù)學(xué)模 型，包括大尺度衰落和小尺度衰落中的瑞利信道模型與萊斯信道模型；然后介紹 了蜂窩通信系統(tǒng)模型，對f r 技術(shù)和f r 為什么會產(chǎn)生c c i 進行了簡單說明。 第三章主要討論了m i m o 技術(shù)和正交空時分組編碼( o s t b c ：o r t h o g o n a l s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ) 技術(shù)。o s t b c 技術(shù)是最有前途并且應(yīng)用最為廣泛的 m i m o 技術(shù)之一，它已經(jīng)被許多現(xiàn)有無線標準所采用。此外，由于o s t b c 自身 對抗多徑衰落的能力和對c c i 的穩(wěn)健特性，它多被用來與小區(qū)邊緣用戶進行通信。 因此，本章對o s t b c 的編譯碼方案進行了詳細的描述。 第四章首先說明了傳統(tǒng)的高斯干擾模型的不合理之處。然后在 1 6 】的研究基 第一章緒論 礎(chǔ)上，證明了其中的若干假設(shè)，完善了【1 6 】的研究。接下來本章分別研究了時變 瑞利信道和當(dāng)目標鏈路為萊斯信道干擾鏈路為瑞利信道時的c c i 統(tǒng)計特性。 第五章總結(jié)了本文理論的不足之處，同時對未來研究做了展望。 6 干擾受限環(huán)境下的o s t b c 性能研究 第二章多小區(qū)系統(tǒng) 7 第二章多小區(qū)系統(tǒng) 無線通信中，信道遠比有線通信復(fù)雜，如何用數(shù)學(xué)模型來描述無線信道一直 是無線通信中的重點和難點。所以本章首先介紹經(jīng)典的無線信道模型，包括了大 尺度衰落和小尺度衰落中的瑞利信道模型與萊斯信道模型；然后介紹多小區(qū)系統(tǒng) 及共信道干擾。 2 1 無線信道的數(shù)學(xué)模型 任何通信信號都是通過信道傳送的，因此首先必須分析和掌握信道的特點與 實質(zhì)，才能針對存在的問題給出解決的技術(shù)方案。無線信道不同于有線信道，它 是開放式的變參量信道，接收環(huán)境具有多樣性，通信用戶還可能處于隨機的移動 當(dāng)中，這些特點造成無線信道中的信號傳輸機制比較復(fù)雜。 通常，無線衰落信道的傳播模型可以分為大尺度( l a r g e s c a l e ) 傳播模型和小 尺度( s m a l l - - s t a l e ) 傳播模型兩種。其中，大尺度模型主要用于描述發(fā)射機與接收 機之間長距離上的信號強度變化，而小尺度模型則用于描述短距離( 幾個波長) 或 短時間( 秒級) 內(nèi)接收信號強度的快速變化。 值得注意的是這兩種模型并不是相互獨立的，在同一個無線信道中，存在大 尺度衰落，也會存在著小尺度衰落。文獻 1 9 2 0 對無線信道模型有比較完整的 總結(jié)。下面我們將具體描述一下這兩類信道模型。 2 1 1 大尺度衰落 無線電波在自由空間內(nèi)傳輸，其信號功率會隨著傳播距離的增加而減小，這 會對數(shù)據(jù)速率以及系統(tǒng)的性能帶來不利影響。另外信號在電波傳播路徑上受到建 筑物及山丘等的阻擋所產(chǎn)生的陰影效應(yīng)也會產(chǎn)生損耗，這些損耗就是大尺度衰落。 大尺度衰落反映了大尺度意義上接收信號產(chǎn)生的損耗，一般遵從對數(shù)正態(tài)分布， 其變化率較慢。最簡單的大尺度路徑損耗的模型可以表示為： 三：墨：k 上 卑d 7 其中只表示本地平均發(fā)射信號功率，霉表示接收功率，d 是發(fā)射機與接收機之間 的距離。對于典型環(huán)境來說，路徑損耗指數(shù)y 一般在2 至t j 4 中選擇。 2 1 2 小尺度衰落 小尺度衰落的類型主要有以下兩種： 8 干擾受限環(huán)境下的o s t b c 性能研究 ( 1 ) 信道的多徑特性帶來的時延擴展，從而造成信號的時間擴展和頻率選擇 性衰落。 多徑傳播時的相對時延差通常用最大多徑時延差來表示，設(shè)信道的最大時延 差| r ，( 或稱為時延擴展) ，則定義多徑傳播信道的相關(guān)帶寬為忍= l a f 肘，它表 示信道傳輸特性相鄰兩個零點之間的頻率間隔。如果信號的頻譜e 比相關(guān)帶寬e 寬，那么時延不同的路徑會導(dǎo)致碼間干擾( i s l ) ，這時信道被稱作是頻率選擇性的。 如果巨e ，( 逗號前這個公式是否正確，還是版本的問題，我用的是w o r d 2 0 0 3 ) 則信道的傳輸函數(shù)可以看作是一個常數(shù)，信號的不同分量經(jīng)歷了相同的衰落，這 時信道衰落為平坦的。在工程設(shè)計中，為了保證接收信號質(zhì)量，通常選擇信號帶 寬為相關(guān)帶寬的1 5 1 3 。 在頻率平坦衰落的情況下，各個多徑信號是相干的，并且可以認為不存在i s i ， 由于信號帶寬遠小于相干帶寬，可以認為在間隔f ，內(nèi)信號包絡(luò)不發(fā)生變化，經(jīng) 過不同路徑接收到的信號可以直接相加，總的路徑增益為各路徑增益之和，則接 收信號為發(fā)送信號與總的路徑增益的乘積，再加上噪聲和干擾。 但是對于頻率選擇性衰落信道，信號帶寬大于相干帶寬或與相干帶寬相當(dāng)。 在這種情況下，就不能簡單地將信號與信道響應(yīng)進行相乘了，接收信號應(yīng)該是發(fā) 射信號與總的信道響應(yīng)的卷積，然后再加上噪聲和干擾。因此，頻率選擇性信道 具有記憶效應(yīng)，也就是導(dǎo)致i s l 出現(xiàn)的直接原因。 ( 2 ) 信道的時變特性造成多普勒擴展，從而引起信號的頻譜擴散和時間選擇 性衰落。 由于移動臺和基站之間的相對運動，會產(chǎn)生多普勒擴展現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為： 當(dāng)基站發(fā)射一個單頻信號時，在多徑環(huán)境中所接收到的信號頻譜將不再是一根譜 線，而是彌散為一個具有有限帶寬的譜峰，從而引起信道時間上的變化，產(chǎn)生信 道的時變特性( 時間選擇性) 。 通常，用信道的相干時間乏( t = 髟) 與信號的周期五進行比較，來衡量多普 ，jm 勒擴展的影響程度。如果z ，則信號經(jīng)歷了時變的衰落，此時信道被稱作時間 選擇性衰落信道；如果z ，則在一個信號周期內(nèi)，信道并沒有發(fā)生顯著變化， 不同時間分量的信號經(jīng)歷了相同的衰落，此時信道被稱作是時間平坦衰落( 非選 擇性) 。 此外，值得一提的是，在m i m o 系統(tǒng)中，由于移動臺和基站周圍的散射環(huán)境不 同而造成的不同位置上的天線經(jīng)歷不同衰落的特性，還會產(chǎn)生空間選擇性衰落。 從統(tǒng)計規(guī)律上看，根據(jù)信號帶寬和傳播條件的不同，小尺度衰落模型主要有 第二章多小區(qū)系統(tǒng) 9 瑞利( r a y l e i g h ) 衰落、萊斯( r i c e ) 衰落。 瑞利分布是常見的用于描述平坦衰落信號或獨立多徑分量接收機包絡(luò)統(tǒng)計特 性的一種分布。瑞利衰落模型描述了傳播環(huán)境存在足夠多的散射體并且傳播中不 存在視距路徑( l o s ) 時的衰落特征。衰落幅度a 和衰落相位西的聯(lián)合概率密度函 數(shù)( p d f p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ) 為： f ( a 搠= 寺e x p ( 一寺)厶r c o 三a 其中咖服從均勻分布。在系統(tǒng)仿真中，通常將瑞利衰落信道建模為均值為0 ， 方差為仃2 的復(fù)高斯分布。 當(dāng)信道中當(dāng)信道中存在視距路徑( l o s ) 時，此時的接收信號是直射分量和 多徑散射分量的疊加，此時的信道服從萊斯衰落，其概率密度函數(shù)為： f ( x 咖亭e x p ( 一肇2 0 娑 ) 厶移o g 其中厶( z ) 是修正的第一類零階貝塞爾函數(shù)。記k2 寺，其意義是指直射分 量和多徑散射分量的功率之比，當(dāng)k = 0 時，萊斯信道退化為瑞利信道。在系統(tǒng) 仿真中，通常將萊斯信道建模為復(fù)數(shù)和復(fù)高斯分布的和，二者均方值的比為k 。 2 2 多小區(qū)系統(tǒng) 多小區(qū)( 蜂窩) 通信是近年來通信領(lǐng)域發(fā)展最為迅速、應(yīng)用最為廣泛的通信 技術(shù)之一，它很大程度上推動了社會經(jīng)濟發(fā)展，持續(xù)不斷地改變著人們的生活方 式。早期的移動無線通信系統(tǒng)使用大區(qū)制，即用一個放置在高塔上的大功率發(fā)射 機來獲得大面積的覆蓋范圍。這樣一來整個系統(tǒng)就不能重復(fù)使用相同的頻帶，實 際中，可以用來提供于移動服務(wù)的頻率資源是十分稀缺的，因此早期的大區(qū)制方 法嚴重限制了系統(tǒng)可容納用戶的數(shù)量，頻譜利用效率低下。于是，蜂窩系統(tǒng)的概 念被提出來解決這一問題。 蜂窩系統(tǒng)這一概念的提出，極大地解決了頻率不足和用戶容量得問題。蜂窩 系統(tǒng)將整個服務(wù)區(qū)域分割為多個不同的小區(qū)域，采用多個小功率發(fā)射機來為各個 小區(qū)域提供通信信號。每個小區(qū)域只負責(zé)服務(wù)范圍內(nèi)的一小部分地區(qū)，我們將這 種小區(qū)域稱為蜂窩小區(qū)( c e l l ) ，使用多個蜂窩小區(qū)就可以完成對整個服務(wù)區(qū)的覆 j 山 屈。 頻率復(fù)用是蜂窩通信系統(tǒng)中一個最基本的特征，即：在不同的小區(qū)簇之間， 可以采用相同的頻率進行通信，這些小區(qū)就叫做同頻小區(qū)。同頻小區(qū)之間的信號 會產(chǎn)生相互干擾，這種干擾叫做共信道干擾或者同頻干擾( c c i ：c o c h a n n e l 1 0 干擾受限環(huán)境下的o s t b c 性能研究 i n t e r f e r e n c e ) ，c c i 是影響蜂窩系統(tǒng)性能的主要因素之一。所以，如何有效抑制共 信道干擾提高蜂窩系統(tǒng)容量和性能，成為多小區(qū)通信中的一個重要任務(wù)。 為了抑制小區(qū)間的c c i ，頻率復(fù)用是最簡單有效的解決方案。頻率復(fù)用是蜂 窩通信技術(shù)的核心，頻率復(fù)用使得處在不同小區(qū)的用戶可以同時使用相同頻率的 信道進行通信，與之相鄰的小區(qū)內(nèi)的用戶則使用其它不同頻率的信道。圖2 4 給 出了不同頻率復(fù)用系數(shù)的蜂窩小區(qū)拓撲結(jié)構(gòu)圖。 圖2 4 蜂窩小區(qū)拓撲結(jié)構(gòu)圖巧= 1 3 第二章多小區(qū)系統(tǒng) 圖2 5 蜂窩小區(qū)拓撲結(jié)構(gòu)圖k ，= 1 圖2 4 描述了頻率復(fù)用系數(shù)k ，= 1 3 的蜂窩小區(qū)拓撲結(jié)構(gòu)圖，頻率復(fù)用系數(shù)的 意思是指每個小區(qū)只使用全部可用信道的1 3 。g s m 系統(tǒng)是一個典型的采用這種 拓撲結(jié)構(gòu)的小區(qū)，一般k ，取值為1 3 1 7 。k ，取值較小也會帶來的不足：由于每 個小區(qū)只能使用全部可用頻譜的一部分，降低了整個系統(tǒng)的頻譜利用率。 令蜂窩小區(qū)的頻率復(fù)用系數(shù)k ，= l 可以提高系統(tǒng)的頻譜利用率，如圖2 5 所示。 但此時的共信道干擾c c i 會十分嚴重，影響用戶進行正常的通信。采用正交擴頻 碼的碼分多址( c d m a ：c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技術(shù)可以解決這一問題。 該技術(shù)通過在不同的小區(qū)間和用戶間采用相互正交的擴頻碼序列，使來自周圍小 區(qū)的共信道干擾c c i 功率降低到系統(tǒng)可以接受的程度。此時每個小區(qū)都能夠使用 全部的頻率信道進行通信，有效地提高了系統(tǒng)的頻譜利用率。本文后續(xù)內(nèi)容所討 論的蜂窩系統(tǒng)模型均是全頻率復(fù)用的，即k ，= 1 。 2 4 本章小結(jié) 本章作為多小區(qū)m i m o 系統(tǒng)下c c i 統(tǒng)計特性研究的基礎(chǔ)，首先簡單介紹了常 用的無線信道衰落模型；然后簡單介紹了多小區(qū)蜂窩系統(tǒng)以及頻率復(fù)用技術(shù)，給 出了全頻率復(fù)用蜂窩系統(tǒng)模型。 1 2 干擾受限環(huán)境下的o s t b c 性能研究 第三章正交空時分組編碼 第三章正交空時分組編碼 本章主要討論正交空時分組編碼。首先簡單介紹了m i m o 。然后介紹a l a m o u t i 編碼方案，這是一種簡單的基于兩發(fā)射天線的發(fā)射分集方案。該方案通過簡單的 最大似然譯碼算法實現(xiàn)了滿分集增益。在此基礎(chǔ)上，介紹了基于正交設(shè)計的空時 分組編碼，對其編譯碼算法進行了簡單的描述和分析。 3 1 多天線技術(shù) m i m o 技術(shù)的產(chǎn)生是移動通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的一個重大突破。該技術(shù)通 過多根天線來抑制信道衰落，在發(fā)送端和接收端分別采用多根天線同時進行信號 的發(fā)送和接收。由于各發(fā)射天線可以同時用同一個頻帶發(fā)送信號，所以能夠在不 增加信號帶寬的情況下成倍提高系統(tǒng)的容量和頻譜使用效率，這一特點使得 m i m o 技術(shù)成為新一代移動通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)收發(fā)兩端天線的 數(shù)量，相對于傳統(tǒng)的s i s o 系統(tǒng)，m i m o 還包括單發(fā)多收( s i m o ：s i n g l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ) 系統(tǒng)和多發(fā)單收( m i s o ：m u l f i p l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系統(tǒng)。 m i m o 技術(shù)其實并不是一門新技術(shù)，意大利科學(xué)家馬可尼最早于1 9 0 8 年提 出該技術(shù)。f o s c h i n i 、g a i l s 【l j 以及t e l a t a r l 2 l 在相同時期建立了m i m o 容量分析的理 論框架，并取得一致的結(jié)論：對于平坦瑞利衰落信道下的分集多天線系統(tǒng)，其通 信容量隨著發(fā)射和接收天線數(shù)目較小者成線性增長。另外，m i m o 系統(tǒng)能夠同時 獲得發(fā)射和接收分集，提高了衰落信道情況下的信號的檢測性能【3 j 。近來，m i m o 系統(tǒng)在信道容量和分集增益等方面的優(yōu)越性能使其成為新的研究熱點。下面我們 將對m i m o 信道模型、分集技術(shù)和s t b c 技術(shù)等進行系統(tǒng)的歸納總結(jié)。 1 4 干擾受限環(huán)境下的o s t b c 性能研究 3 1 1m i m o 系統(tǒng)模型 圖3 1n 個發(fā)射天線、m 個接收天線的m i m o 系統(tǒng)模型 圖3 1 描述了m i m o 系統(tǒng)的統(tǒng)一模型，發(fā)射機和接收機分別擁有n 和m 根 天線。用n x l 的列矩陣s 表示一個符號周期內(nèi)的發(fā)射信號；接收端的接收信號用 m x l 的列矩陣描述，表示為y ；接收端的噪聲干擾n 用m x l 列的列矩陣描述，它 的元素是零均值的獨立同分布的復(fù)高斯隨機變量，其實部和虛部相互獨立且方差 相等；采用線性模型，有： y = h s + n 其中h 表示信道矩陣： i 扛。i h = i ； ；i i ，j h 中的元素 。( 1 f n ，1 j m ) 表示第i 個發(fā)射天線和第j 個接收天線 之間的等效復(fù)信道衰落系數(shù)。本文假設(shè)信道是瑞利衰落，因為這種模型對于非視 距的無線傳播來說最具代表性。 3 1 2 分集技術(shù) 由于受到多徑衰落和時變性的影響，無線衰落信道的傳輸性能變得很差。將 誤碼率從1 0 - 2 降到1 0 3 ，在a w g n 信道中信噪比僅需增加l - 2 d b 就可以實現(xiàn)，但 在無線多徑衰落信道中需要付出大約1 0 d b 的代價。同時這種信噪比的提高不能 簡單地采用提高發(fā)射功率或者額外增加信號帶寬來獲得，因為帶來提高發(fā)射功率 會加大共信道干擾，同時帶寬也不能無限增大。因此，對于無線衰落信道，必需 尋求其它方法來提高傳輸?shù)目煽啃浴?第三章正交空時分組編碼 無線通信系統(tǒng)中，分集技術(shù)是對抗各種衰落、提高系統(tǒng)傳輸性能的一項基本 技術(shù)。多徑效應(yīng)與時變性使無線衰落信道中的信號會受到嚴重的衰減，這種衰減 使得接收端難以正確地對信號進行判斷，除非有其它衰減程度比較小的信號副本 提供信息給接收機，這種提升系統(tǒng)性能的方法就被稱為分集。它的基本原理是： 接收機收到來自多個信道的帶有同一信息的多個獨立的信號副本，由于各個信號 不可能同一時間處于深衰落，因此在任一給定的時刻至少能夠保證有一個強度足 夠大的信號副本用來給接收機使用，從而可以提高接收信號的信噪比。 分集技術(shù)的關(guān)鍵在于，不同的分集子信道同時出現(xiàn)深衰落的概率要小。采用 分集技術(shù)的通信系統(tǒng)的性能一般取決于接收端如何對多個信號副本進行合并來提 高總的接收信噪比，因此按照接收端使用的合并方法的不同對分集方案進行分類。 根據(jù)接收端實現(xiàn)的復(fù)雜性和合并方法所需的信道狀態(tài)信息量的大小，合并技術(shù)主 要分為四種，分別是選擇性合并、切換合并、等增益合并( e g c ：e q u a lg a i n c o m b i n i n g ) 和最大比值合并( m r c ：m a x i m a lr a t i oc o m b i n i n g ) 。在此我們重點 介紹最大比值合并的原理。 最大比值合并h 1 是一種線性合并方法，其輸出信號為各個輸入信號的加權(quán)和。 圖2 2 描述了最大比合并的原理框圖： 肘 ，= a i r j i = l 其中，i 是第i 根接收天線的接收信號，q 是第i 根接收天線的加權(quán)因子。在最大 比值合并中，選擇每個天線的加權(quán)因子與其信噪比成正比。假設(shè)4 和譫分別代表 接收信號t 的幅度和相位，進一步假設(shè)所有天線具有相同的平均噪聲功率，則可 以得到相應(yīng)的加權(quán)因子為：珥= 4 p 一。由于此方法可以達到最大的輸出信噪比， 因此也叫做最佳合并?？梢宰C明，最大輸出信噪比等于各個信號的瞬時信噪比的 和引。 在無線通信系統(tǒng)中，分集合并是一種減弱多徑衰落和共信道干擾影響的有效 方法。在不存在共信道干擾的點對點通信鏈路中，m r c 是使接收端s n r 最大化 的最優(yōu)方法。存在共信道干擾的情況下，最優(yōu)合并方法( o c ：o p t i m a lc o m b i n i n g ) 是使s i n r 最大的最優(yōu)方案。但是0 c 需要接收端明確地知道干擾鏈路的信道狀 態(tài)信息( c s i ) ，這顯然是不實際的。所以，本文的分析過程均采用m r c 方案。 1 6 干擾受限環(huán)境下的o s t b c 性能研究 圖2 2 最大比合并的原理框圖 雖然接收分集能夠獲得較大的分集階數(shù)，但是對于蜂窩通信系統(tǒng)的下行鏈路 而言，實現(xiàn)接收分集意味著需要在移動終端上布置多副接收天線，考慮到移動終 端的體積大小、功率消耗和硬件成本等眾多因素的限制，這種方案實現(xiàn)起來非常 困難。為解決這一難題，a l a m o u t i 在 3 中的研究表明，在發(fā)射端未獲得信道傳 輸特性的情況下，在發(fā)射端使用2 副天線發(fā)射信號可以達到與在接收端使用2 副 天線接收信號相同的性能( 兩者性能有3 d b 的差異是因為發(fā)射端沒有獲得信道的 狀態(tài)信息，因而只獲得了分集增益而沒有3 d b 的陣列增益；如果發(fā)送端獲得信道 傳輸特性，則可以同時得到分集增益和陣列增益，取得與接收分集完全相同的性 能) 。 。 3 1 3 空時編碼 對m i m o 系統(tǒng)信道容量的研究表明：在假設(shè)各個天線相互獨立時，多天線系 統(tǒng)比單天線系統(tǒng)有顯著的信道容量的提高，這些增加的信道容量不僅可以用來提 高信息傳輸速率，也可以通過增加冗余信息來提高系統(tǒng)的傳輸可靠性。能夠有效 運用m i m o 系統(tǒng)優(yōu)勢的一種可行方案就是采用空時編碼技術(shù)。該技術(shù)聯(lián)合考慮信 道編碼、調(diào)制、發(fā)射和接收分集，將它們看做一個整體的信號處理模塊來實現(xiàn)， 在空間域和時間域添加適當(dāng)?shù)娜哂嘣O(shè)計進行編碼，從而使發(fā)射信號具有相關(guān)性。 這種聯(lián)合設(shè)計的優(yōu)勢在于空時編碼能夠在不犧牲帶寬的情況下實現(xiàn)發(fā)射分集并取 得一定的編碼增益，同時還可以減弱多徑衰落的影響，逼近m i m o 系統(tǒng)的容量。 第三章正交空時分組編碼 1 7 vv 圖2 3 空時編碼基帶系統(tǒng)模型框圖 以n 發(fā)m 收的基帶空時編碼系統(tǒng)為例進行分析，發(fā)送數(shù)據(jù)首先送入空時編 碼器進行編碼。在每個時刻t ，將由m 個二進制信息符號構(gòu)成的塊c ，送入空時編 碼器，這個比特塊可以表示為：c ，= ( q 1 ，彳，r ) ?？諘r編碼器將2 ”個點的信號 集中的m 個二進制數(shù)據(jù)映射成n 個調(diào)制符號。然后將這個編碼數(shù)據(jù)送到串并轉(zhuǎn) 換器，得到一個由n 個并行符號組成的序列x t ，x ，= ( 霉，# ，) 7 ，式中t 表 示矩陣的轉(zhuǎn)置。n 個并行的輸出由n 根不同天線同時發(fā)射出去，這樣符號z ( 1 f n ) 是由第i 根天線發(fā)射的，所有發(fā)射符號具有相同的時間寬度。來自不 同天線的編碼調(diào)制符號的矢量作為待發(fā)射的空時符號，如上式所示。該系統(tǒng)的頻 譜利用率如下： 1 7 = 壘b = m b i t s h z 式中，是數(shù)據(jù)速度，b 是信道帶寬。 在系統(tǒng)接收端，m 根接收天線上收到的信號都是n 個發(fā)射信號經(jīng)過衰落信道 衰減后的與噪聲信號的疊加。在t 時刻，第j ( j = 1 ，2 ，m ) 根天線上的接收信 號可以表示為：= 巧，# + 衫，式中，衫表示第j 根接收天線在t 時刻的噪聲 分量。用m xl 列的1 矢量表示t 時刻m 根接收天線上的接收信號： l = ( r t i 2 ，) r 。接收端的噪聲用m x l 的列矢量n ，表示：n ，= ( 坷，砰，) r 。 這樣接收信號矢量可以表示為：e = h ，x ，+ n ，其中，h ，是t 時刻的信道矩陣。 假設(shè)接收端譯碼器采用最大似然算法估計發(fā)射信息序列，并且接收機能夠得 到信道矩陣理想的信道狀態(tài)信息( c s i ) ，發(fā)射端不知道c s i 。在接收端可以根據(jù) 假定的接收序列與真實接收序列之間的歐幾里德距離平方來計算判決度量： mln 1 2 l 一嘭i t j - li t = l i 譯碼器將選擇具有最小判決度量的碼字作為其輸出。 1 8 干擾受限環(huán)境下的o s t b c 性能研究 3 2 1 a l a m o u t i 編碼 3 2 a l a m o u t i 空時編碼 1 9 9 8 年，a l a m o u t i 在文獻 2 l 】中提出了一種發(fā)送分集實現(xiàn)方案：在發(fā)送端， 信號經(jīng)過簡單的編碼映射，然后經(jīng)過n 副天線同時發(fā)送；在接收端已準確獲得信 道狀態(tài)信息( c s i ：c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 的情況下，采用一些簡單的信號處 理技術(shù)就能獲得與n 副天線接收分集相同的性能。下圖給出了a l a m o u t i 編碼方案 的原理框圖： 信息源 、 調(diào)制器 s ， 屯l 編碼器 ， b 心1 t xl s 1 = 【s一】 t x2 s 2 = 一i 】 假定采用m 進制調(diào)制方案。在a l a m o u t i 空時編碼中，首先調(diào)制每一組m ( m = l o g ：m ) 個信息比特。然后，編碼器在每一次編碼操作中取兩個調(diào)制符號墨 和晶的一個分組，并根據(jù)如下所示的編碼矩陣將它們映射到發(fā)射天線： c ：is 1 一s 。2l l 毛j 編碼器的輸出在兩個連續(xù)發(fā)射周期里從兩根發(fā)射天線發(fā)射出去。在第一個發(fā) 射周期，信號& 和島同時從天線1 和天線2 分別發(fā)射出去。在第二個發(fā)射周期， 信號一式和0 同時從天線1 和天線2 分別發(fā)射出去。從該編碼過程可以看出， a l a m o u t i 方案在時域和空域同時進行了編碼，并且編碼矩陣c 滿足： c c 圩= i 墨1 2 + j 屯ri 屯i ：+ 0 0l | 2 = ( i _ 1 2 + i 屯1 2 ) i ：l -i s i l 2 + l s ：1 2 j 11 。 故其每列是相互正交的，即同一發(fā)射周期里，從兩幅發(fā)射天線發(fā)射的信號滿足正 交性。正交性特點使得a l a m o u t i 譯碼變得相對簡單。 第三章正交空時分組編碼1 9 3 2 2 a l a m o u t i 譯碼 發(fā)送天線1 一屯 送天線2 j l s 2 圖3 2a l a m o u t i 譯碼原理框圖 假設(shè)接收端采用一根接收天線，a l a m o u t i 方案接收機的原理框圖如上所示。 假設(shè)接收端只有一根接收天線，第一根發(fā)射天線和第二根發(fā)射天線到接收天線之 間的信道系數(shù)分別為：扛和塢，且在兩個連續(xù)符號周期之間不變。接收天線在兩 個連續(xù)符號周期內(nèi)所接收到的信號分別表示為： ，i = 啊墨+ h 2 s z + ( 3 - 1 ) 吒= 一7 j i + 紅i + 吃( 3 2 ) 其中，z i 和惕是均值為o ，每維方差為0 2 的獨立復(fù)高斯白噪聲。 假設(shè)接收端可以完全恢復(fù)信道衰落系數(shù)j j 2 l 和紅。假定調(diào)制星座圖中的所有信 號都是等概率的，最大似然譯碼器對所有可能的& 和島值，從調(diào)制星座圖中選擇 一對信號( 而，s 2 ) 使得如下的距離量度最?。?i 1 2i 1 2 d 2 ( ，i ，啊島+ 啊s 2 ) + d 2 ( 吃，- h , s 2 + 紅s 1 ) = l ，i 一啊島一啊s 2 l + l 呢+ 啊是一紅_ i ( 3 - 3 ) 將( 1 ) 和( 2 ) 式代入( 3 ) 式，最大似然譯碼可以表示為： i 1 2l 1 2 “ ( s t ，s z ) = a r g m i n0 啊1 2 +