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北京邮电大学硕士学位论文 基于p b g 结构的m i m o 系统的实现 基于p b g 结构的m i m o 系统的实现 摘要 因特网和移动通信飞速发展对新一代无线通信系统( b e y a n d3 g 或4 g ) 的传输速率提出了更高的要求，这就需要采用更先进的技术 来实现更高的传输速率。然而，可以利用的频谱资源是有限的，要支 持高速率，就必须开发具有极高频谱利用率的无线通信技术。近来的 研究表明，多输入多输出( 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 ) 技术可以显著提高无线通信系统的频谱利用率，且在室内传播环境下 的频谱效率可达到2 0 4 0 b i t s h z 。m i m o 技术作为提高数据传输率的 重要手段得到人们极大的关注，并且成为新一代无线传输系统最富竞 争力的关键技术之一。 本文在介绍了m i m o 系统的基本结构和工作原理，重点分析了 m i m o 系统最主要的优势，即可以提供目前其它任何无线系统所不能 达到的容量潜力，并分析了频率平坦m i m o 信道和频率选择j 性m i m o 信道的信道容量。然后介绍了实现m i m o 系统容量的方法，即采用 信道编码技术，对不同的信道编码技术进行分析比较并给出了相应的 仿真结果。最后，也是本文最重要的创新点是，分析了一种基于p b g 结构的m i m o 系统的实现方法，利用p b g 结构的周期性结构和带阻 特性实现m i m o 系统的空间分集和多路接收特性，以此构造出一种 小型化的m i m o 系统，实现在个人移动终端进行多路接收。本文分 析了p b g 的性能并论证了它用于m 1 m o 系统的可行性。 关键字m i m o ，多径，分集，空时编码，光子带隙 苎童立兰童蔓竺坠譬型塑竺! 一 一一 苎王呈呈鱼堕塑塑垒! 型q 至笙堕塞翌 r e a l i z a t i o no fm i m os y s t e m b a s e d o np b gs t r u c t u r e s a b s t r a c t i nr e c e n t10 y e a r s ，i n t e r n e ta n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a v ec h a n g e d g r e a t l yw i t ht h ed e v e l o p m e n t p a r to fw i r e l e s si n t e r n e ta n dm u l t i m e d i a t e c h n o l o g yh a v eb e e n i n t r o d u c e dt o3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s b u t 扔 n e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ( s oc a l l e d4 go r b e y o n d3 g h i g h e r t r a n s m i s s i o nr a t ei s n e c e s s a r y s o w em u s ti n t r o d u c e m o r e a d v a n c e dt e c h n o l o g yt oa c h i e v eh i g h e rt r a n s m i s s i o nr a t e h o w e v e r , t h e f r e q u e n c ys p e c t r a l r e s o u r c e sa r el i m i t e d s ow em u s td e v e l o pw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw i t hh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c yt os u p p o r tv e r y h i g hd a t at r a n s m i s s i o nr a t e r e c e n tr e s u l t ss h o wt h a tm i m o t e c h n o l o g y c a ni n c r e a s et h e s p e c t r a le f f i c i e n c yd r a m a t i c a l l y a tt h es a m et i m et h e r e s u l t si nl a b st e s t i f yt h a ts p e c t r a le f f i c i e n c yu s i n gm i m o t e c h n o l o g yi n i n d o o r t r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n tc a nr e a c h2 0 4 0 b i t s i z a sa n i m p o r t a n ta p p r o c h o f i n c r e a s i n g d a t et r a n s m i s s i o n r a t e ，m i m o t e c h n o l o g y i s b e i n gg o t t e n m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ，a n dh a sb e e n c o n s i d e r e da st h e k e yt e c h n o l o g y o ff u t u r e g e n e r a t i o n w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s i nt h i sp a p e r , w ef i r s ti n t r o d u c et h es t r u c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l e s o fm i m o s y s t e m ，t h e na n a l y z et h ep e r f o r m a n c ea d v a n t a g eo fm i m o s y s t e m t h a ti st os a y , m i m os y s t e m c a n p r o v i d el a r g e rc a p c i t yt h a na n y o t h e rw i r e l e s ss y s t e m s a tt h es a m et i m ew e p r e s e n tt h ec a p c i t yo f f l a t f a d i n gm i m o c h a n n e la n d f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g m i m oc h a n n e l i i i 北京邮电大学硕士学位论文基于p b o 结构的m i m o 系统的实现 i no r d e rt oa c h i e v et h ec a p c i t yo fm i m o s y s t e m ，w ei n t r o d u c et h e d i f f e r e n t a p p r o a c h e s f o r s p a c e t i m ec o d i n gt e c h n o l o g y , a n dg i v e t h e s i m u l a t i o nr e s u l t so fd i f f e r e n tc o d i n g s i no r d e rt oa c h i e v eag o o dp e r f o r m a n c e ，i ti si m p o r t a n tt od e s i g na p r o p e rs t r u c t u r eo fm u l t i p l ea n t e n n a s t h e r e f o r e ，w ep r e s e n t as c h e m et o d e s i g nm i m o a n t e n n a sb yu s i n gan e wm a t e r i a l ，i e ，p b g ( p h o t o n i c b a n d g a p ) p b g i sa p e r i o d i cm a t e r i a lw h i c h c a r lr e s t r a i ns u r f a c ew a v ei n ac e r t a i n f r e q u e n c yd u e t oi t ss u r f a c ew i t hh i g h i m p e d a n c ea n d c a n i m p r o v et h e r a d i a t i o na n dg a i no ft h ea n t e n n a s i nt h i sp a p e rw ea n a l y z e t h ep e r f o r m a n c eo fp b ga n dd e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo fa p p l y i n gi t i n t om i m 0 s y s t e m k e yw o r d sm 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 u l t i p a t h ，d i v e r s i t y s p a c e - t i m e c o d e ，p b g i v 北京邮电大学硕士学住论文 基于p b g 结构的m i m o 系统的实现 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列 的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资斟若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 缘缀。 日期：塑坐主：王五 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权 书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 北京邮电土学顿士学位论文 基于p b g 结构的m i m o 系统的实现 1 1 研究背景介绍 第一章绪论 现阶段的移动通信系统采用蜂窝移动通信系统，用来向其无线覆盖范围内的 用户提供移动的接入方式。为了使蜂窝系统在有限的频带范围内和较大的地理范 围内容纳大量的用户，移动通信系统将每个基站的覆盖范围限制到小区，并利用 切换技术保证用户从一个小区到另一个小区时不会中断通话( 图卜1 ) 。 图1 - 1 无线信道 随着超大规模集成电路、低速话音编码以及近2 0 年来的计算机等技术的发 展，数字化技术与模拟技术相比具有更大的优势，现代通信已经由模拟方式转向 数字化处理方式。主要有欧洲的g s m ，美国的d a m p s 和q - c d m a ，日本的p d c 等。第二代数字蜂窝系统较之f d m a 蜂窝系统，有许多优势：频谱效率高，系 统容量大，保密性好，话音质量好等。第二代数字蜂窝系统只能提供话音和低速 数据业务的服务。由于在信息时代，图象、话音和数据相结合的多媒体业务和高 北京邮电土学硕士学位论文 基于p b g 结构的m i m o 系统的实现 速率数据业务的业务量将会大大增加，所以人们对通信业务多样化的要求与日俱 增。也就是说，就是要求在任何地方、任何时间与任何人进行任何方式的通信的 “5 a ”通信。 为了满足更多更高速率的业务以及更高的频谱效率的要求，同时减少目前存 在的各大网络之间的不兼容性，国际电联( i t u ) 进行了i m t - 2 0 0 0 的标准化工作。 i m t 一2 0 0 0 支持的网络也被称为第三代移动通信系统，简称3 g ，它将支持速率高 达2 m b i t s 的业务，而且业务种类将涉及话音、数据、图象以及多媒体等业务。 经过各国标准化组织的多次融合和i t u 多次会议的讨论以及o h g 组织的协 调，通过了“i m t - 2 0 0 0 无线接口技术规范建议”( i m t - r s p c ) ，表明制定第三代 移动通信系统无线接口技术标准方面的工作基本完成。地面部分建议是第三代无 线接口技术规范建议的主要组成部分，分为c d m a 和t d m a 两类体制，包括5 种无线传输技术。其中，欧洲提出的w c d m a 和北美提出的c d m a 2 0 0 0 最为大 家看好，中国的t d s c d m a 由于得到了中国政府和产业界的支持，加之中国巨 大的市场潜力，因此也格外引人注目。 为了很好地解决w c d m a 系统覆盏与容量之间的矛盾，消除干扰，提升系 统容量，满足用户业务需求，随着w c d m a 的发展许多新的技术应运而生，其 中最值得关注的就是3 g p p 在r 5 协议中提出的高速下行分组接入( h s d p a ) 技 术，为了满足上下行数据业务不对称的需求，m i m o ( m u l t i p l ei n p u t - m u l t i p l e o u t p u t ) 技术则是3 g p p 提出来用于提高h s d p a 下行数据速率的一种方法。 m i m o 技术一经被引入到移动通信领域，便很快形成了个新的研究热点。 许多大学、研究机构、通信公司和运营商对这项技术产生了浓厚的兴趣。多输入 多输出( m i m o ) 技术应用广阔，在提高通信质量、缓解无线通信日益发展与频 谱资源不足之间的矛盾，以及降低系统整体造价和改善系统管理等方面，都具有 独特的优点。 阵列处理是改善蜂窝和个人通信服务系统质量、覆盖范围和容量的种强有 力的工具。多个接收天线能够收集更多的信号能量，若天线在空间足够分离或极 化各异，则多个天线就能够提供很好的分集接收，并抑制多径传输引起的衰落。 这些优点可以扩大基站的覆盖范围，改善通信质量。 在基站和用户端同时使用多天线促进了对高性能4 g 宽带无线网络需求的增 加。多天线技术正好适应了互联网和多媒体用户的大容量需求，与此同时，也戏 剧性地增大了无线通信系统的可靠性。随着i n t e m e t 进入我们的生活，移动用户 日益增多，移动通信业务已从单纯的语音业务扩展到多媒体业务，在无线通信中 提供高速数据业务和多媒体业务己日益迫切，导致了频谱资源的日益紧张。由于 受到频谱资源、传输功率、多径衰落等因素的限制，基于多个发送和接收天线的 2 北京邮电土学硕士学位论文 基于p b g 结构的m i m o 系统的实现 技术成为无线通信系统提供高速无线数据和多媒体业务的极有潜力的方法。 m i m o 技术正是顺应这一趋势被提出来的。 我们都知道，天线是获得发射分集的首要形式之一。在利用天线的系统中， 两个或更多的发射天线交替使用就可以达到分集的效果。早在上个世纪9 0 年代， 天线跳数便作为g s m 系统中用来获得发射分集增益的一项便利的手段引起关 注。近来，利用多发射天线作为系统传输技术的最佳方式已经引起了研究者们的 强烈兴趣。目前国内外已有很多学者在这方面做了大量的研究，并取得了非常丰 硕的成果。然而，在寻求m i m o 系统的最佳信号处理以及编码技术上，现有的 知识仍然只是冰山一角。 为了在新一代无线通信系统中应用m i m o 技术，就必须结合具体的实际通 信体制来进行性能的研究和系统设计，由于现有的m i m o 系统大都是在实验室 环境中进行研究的，因此离实际的应用还有一段距离。基于m i m o 系统的强大 功能，结合实际的具体应用，一个重要的问题有待我们去解决，即如何在移动终 端上实现多天线和多路接收。移动终端设备要求体积小、耗电小、重量轻，为 m i m o 领域的研究提出了一个新的问题。 1 2m i m o 系统概述 多输入多输出( m i m o ) 系统是一个在发射端和接收端都采用多天线的信号 处理方式。m i m o 系统的多发多收与传统意义上的智能天线有本质的区别， m i m o 系统在基站和移动端都采用天线阵列，可为移动通信系统带来更大的系统 容量，更好的通信质量和更高的频谱利用率。在理想的情况下，m i m o 系统的信 道容量将随发送天线数目线性增加，从而提供目前其他技术所无法达到的容量潜 刀。 m i m o 信道输入输出模型如下： 北京邮电土学啧士学位论文基于p b g 结构的m i m o 系统的实现 图卜2m i m o 系统输入输出模型示意图 我们考虑具有m r 个发射天线和m r 个接收天线的m i m o 系统。记第 ，( = 1 2 ，坼) 根发射天线与第i ( i = 1 2 ，帆) 根接收天线之间的冲击响应为 h i , , l ( r ，f ) ，则，m i m o 信道可以由下面的坞矩阵日( f ，) 表示： h ( r ，t ) = 啊1 ( f ，f )啊，2 ( r ，f ) 啊， b ( f ， h 2 】( f ，f ) h 2 ，2 ( f ，f ) h 2 ，m r ( f ， h m r , l ( f ，f ) h m 。，2 ( r ，f ) 。，m ，( fj i j ( 1 - 1 ) 向量 u ( r ，f ) h 2 , j ( r ，f ) h m r , j ( r ，r ) 7 是一个空时信号，或者是由于第j 个发射天线经过接收天线阵列时所产生的信道。此外，记第，根发射天线发出的 信号为s ( f ) ，则第i 根接收天线接收到的信号y 。( f ) 为： m r y ，( f ) = h ( f ，f ) 5 ) ，i = 1 ，2 ，m 月( 1 - 2 ) j - 1 m i m o 信道的输入输出关系式可以用矩阵形式表示为： y ( t ) = h ( r ，f ) s ( f ) ( 卜3 ) 这里s ( f ) = h ( f ) s a t ) 嘞，( f ) 1 是一个m ，1 维的向量， y ( f ) = m ( r ) y ：o ) 妇。( f ) 7 是一个m 一1 维的向量。 1 3p b g 结构简介 4 北京邮电太学硕士学位论文 基于p b g 结构的m i m o 系统的实现 p b g ( p h o t o n cn a n dg a p ，简称光子带隙) 是近来出现的一种新型材料，基 于它本身强大的性能优势，在微波天线领域应用广泛，且已成为国际上的一个研 究热点。p b g 具有周期性和带阻特性，它可以抑制某一频率的电磁波的辐射， 从而增强其它频率电磁波的辐射，以此来提高天线的辐射功率和增益。目前，p b g 的理论和制作工艺已相当成熟，由于它是一种微波材料，因此体积小，可以发展 小型化天线，将之用于无线通信系统中，可以一定程度上改善系统的原有性能。 由于p b g 材料的周期性排列结构，我们在本文中提出在p b g 结构上实现 m i m o 系统功能的设想。 1 4m i m o 系统在p b g 结构上实现的意义 m i m o 系统的性能优势体现在：空间分集技术的利用，即保证每个天线可以 独立地接收信号，各天线相互之间串扰小，且系统的信道容量随发送天线数目线 性增加( 系统的容量潜力是目前其他任何技术都无法达到的) 。实现m i m o 系统 实际增益的关键在于建立更准确的信道模型，这就必须考虑环境中无线电波的各 种散射情况，同时需要考虑：发射和接收天线阵列的形状，天线间的距离，天线 间的串扰，多径分量，天线极化等。 在个人移动通信业务急剧发展的今天，我们对通信质量和信道容量提出了很 高的要求，通信系统必须满足误码率低和大容量的需求。而m i m o 系统以其信 道处理及信道容量上的优越性，成为实现我们需求的一项很理想的技术。在实际 中，为了保证天线之间独立传输信号，我们对m i m o 系统提出了一个要求，即 需要系统内各天线之间的距离不小于半波长。依据这样的要求设计出的m i m o 系统，我们可以想象一定具有很大的体积，很明显在个人移动通信业务急剧发展 的今天，这样的m i m o 系统从某种程度上是不能完全满足我们的需求，更不适 合于小型化的个人手持终端设备的应用。这样就给我们提出了一个问题：在保证 m i m o 系统各天线之间独立接收信号的基础上，如何设计出一个更加小型化的系 统，适合于在移动终端实现多天线和独立的多路接收，使之能够体现m i m o 系 统的卓越性能。这是我们这项课题提出的思想渊源。基于p b g 结构的m i m o 系 统正是顺应这一思路提出来的。 p b g 结构由于具有周期特性和带阻特性，可以用于制作天线，并广泛地应 用在无线通信系统中。而且p b g 结构体积小、设计工艺简单，非常适合于制作 小型化天线，它的这一个特点为我们的研究提供了一个契机。 北京邮电太学硕士学位论文 基于p b g 结构的m i m o 系统的宴现 1 5 论文内容和结构 本文主要内容是结合m i m o 系统的空间独立分集接收以提高系统通信质量 并增大系统容量的优点，以及p b g 结构应用到天线领域上的性能优势，提出了 基于p b g 结构的m i m o 系统的实现构想，旨在构造出一种适合于个人移动终端 使用的小型化的m i m o 系统。 论文的结构安排如下： 第一章是绪论部分，简单介绍课题的研究背景，主要包括m i m o 系统的发 展状况以及基于p b g 结构的m i m o 系统的提出背景，并对论文各章节内容作了 简要介绍。 第二章是对m i m o 系统性能优势的介绍，主要阐述了m i m o 系统的信道容 量，以及实现信道容量的手段：空时信道编码，并给出了几种主要的编码方式以 及仿真结果。 第三章对p b g 结构的原理和性能进行了分析。 第四章根据p b g 天线比传统天线具有的性能优势，并结合m i m o 系统的要 求，分析了基于p b g 结构的m i m o 系统的实现方法，并讨论了系统性能的改善。 第五章对全文进行总结，并对基于p b g 结构的m i m o 系统实现的下一步研 究工作提出了建议。 参考文献 1 张平等：“第三代蜂窝移动通信系统w - c d m a ”，北京邮电大学出版社， 2 0 0 0 。 2 刘元安等：“宽带无线接入和无线局域网”，北京邮电大学出版社，2 0 0 0 。 3 吴伟陵等：“移动通信中的关键技术”，北京邮电大学出版社，2 0 0 0 。 北囊邮电土学商士学位语文 基于p b g 结构的m i m o 系统的实现 第二章m i m o 系统性能优势及编码实现 与传统意义上的智能天线有本质的区别，m l m o 系统在基站和移动端都采用 天线阵列，可为移动通信系统带来更大的系统容量，更好的通信质量和更高的频 谱利用率。在理想的情况下，m i m o 系统的信道容量将随发送天线数目线性增加， 从而提供目前其他技术所无法达到的容量潜力。 我 f i n n 道，多天线发送和接收技术本质上是空间分集和时间分集技术的结 合，有很好的抗干扰能力，所以m m o 技术可以进一步与信道编码技术相结合， 通过对m i m o 系统实施不同的信道编码方式，从而尽可能极大地提高通信系统 的性能。空时编码( s p a c e - t i m ec o d i n g ) 技术就是一种综合考虑分集、编码、调 制的信道编码方案，具有良好的频带利用率和性能，可以提高信号在无线衰落信 道中的传输可靠性和数据传输率，成为有效提高无线频谱利用率的一个重要方 案。 我们知道，在无线信道中，由于受到多径的影响，信号功率会产生不同类型 的衰减，对无线系统的性能产生很大的影响。然而m 订o 技术本身的价值和优 势是将无线信道的多径作为有利因素加以利用，在不增加带宽的情况下，创造多 个并行的空间子信道，各子信道独立的传输信息，从而极大地提高系统容量和频 率利用率。m i m o 系统所具有的容量潜力是目前任何无线通信系统都无法达到 的。因此在本章我们将对m i m o 系统的性能优势以及实现此优势的手段一空时 编码技术进行分析。 2 1 多输入多输出的概念 在无线信道中，多径通常要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果 表明，对于m i m o 系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。m m o 系 统在发射端和接收端都采用多天线( 或阵列天线) 和多通道。m m o 系统的多输入 多输出是针对多径无线信道而言的。图2 - 1 所示为m i m o 系统的原理图a 7 北童邮电土学硕士学位论文 基于p b g 结构的m i m o 系统的实现 图2 - 1m i m o 系统结构示意图 传输信息流s ( k ) 经过空时编码形成个信息子流c ，( k ) ，i = l ，2 ，n 。这 个子流由个天线发射出去，经空间信道后由丁个接收天线接收。多天线接 收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处 理。特别是，这个子数据流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因 而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则m i m o 系统就可以 创造多个并行的空间信道，通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然 可以提高。 m i m o 将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而可实现很 高的通信容量和频谱利用率。这是一种接近于最优的空域时域联合的分集和干扰 对消处理。 2 2m i m o 系统信道容量 通常系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统的最大传 输率。我们知道m i m o 系统自身具有的一个最大的优势是，它可以提供其它任 何系统所不能达到的容量优势。m i m o 系统同时在发送端和接收端采用多副天 线，在发送端将待传输的信号分成相互平行的子数据流，然后由每个发射天线同 时发送；在接收端，每一个接收天线同时接收所有的发射信号与空间噪声的线性 叠加。信道容量随发射天线数目与接收天线数目中较小的一方线性增加。由此可 知，m 1 m o 系统的容量潜力是巨大的，可以缓解高速发展的移动通信业务巨大的 容量需求的压力。 北京邮电土学硕士学位论文基于p b g 结构的m i m o 系统的实现 在m i m o 系统信号传输中，每个子数据流的传输过程是相互独立的，每个 接收天线接收到的信号也是互相独立的，无任何干扰，这样可以提高接收信号的 功率。一般地，对于发射天线为n 接收天线为m 的m i m o 系统，假定信道为独 立的瑞利衰落信道，并设n 、m 很大，则信道容量近似为： c = 【m i n ( m ，) b l 0 9 2 ( p 2 ) ( 2 1 ) 其中b 为信道带宽，p 为接收平均信噪比，m i n ( m ，n ) 为天线数目较小者。上 式也表明了，当发射功率和传输带宽固定时，m i m o 系统的最大容量或容量上限 随较小天线数目的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多 天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数目对数的增加而增加。 而与单天线系统比较，m i m o 系统更能提供高出很多倍的信道容量，因此，相对 而言，多输入多输出对于提高无线通信系统的容量是一个重要的手段。图2 2 是m i m o 系统与s i s o 、s i m o 、m i s o 系统的容量比较 2 3 】。 a c h i 斟瞄b l ed a _ 噙p a t e sw i t hm u l t i p l ea n t e n n a s - o , - 1 t 置1r 直舳n r 啊b 口- 1 p l 2 鼠葛 n 培n n 日量 - l 】一2t 譬 r 置 r 蛔h r 墨置 - o - 2 1 睫2f 瑰舳n n 日e 1 a r e 目嚆 0 5 d 1 5 s n r p o rr x a n 馅n n 日啊田 图2 - 2m i m o 、s i s o 、s i m o 、m i s o 系统容量比较 2 3 1 由上图可见，m i m o 系统可以提供比目前任何其他系统都高很多倍的容量 这是我们研究m i m o 系统最大的动力和原因所在。 下面我们针对几类常见的m i m o 信道的容量分别进行分析。 搿 黜 伽 伽 伪 脚 僵 鳓 嚣 o | e u c 里u n玉02edo墨要一霉罡霉吕oiq孽詈量 北京邮电土学硬士学位论文 基于p b g 结构的m i m o 系统的实现 2 2 1 频率平坦性m i m o 道容量 以 根发射天线和m 。根接收天线的m i m o 系统为例进行说明。我们假定 信道带宽为i h z 且带内为频率平坦的。记h 为m 。x m r 信道的传输矩阵，则 m i m o 信道输入输出关系为： y 之 日s4 - n 这里y 是m 。1 的发射信号矢量，s 是肘，l 的接收信号矢量， 是z m c s c g 噪声具有协方差矩阵为e n n “) = n o i m 。，e ：是一个符号周期内发射端可获得 的总的平均能量。s 的协方差矩阵r 甜= e s s “) ( 假定s 的均值为o ) 必须满 足l ( r 。) = m ，用来限制经过一个符号间隔的总的平均发射能量。 假定信道日对于接收端已知，接收端的信道信息经过跟踪等被保持。m i m o 信道的容量定义如下： c = m j 器，( j ；y ) ( 2 3 ) ( f ) 这里厂( j ) 是矢量j 的概率分布，l ( s ；y ) 是矢量s 和y 的互信息，且记： ，( s ；_ y ) = h ( y ) 一日( y i5 ) ( 2 4 ) 其中h ( y ) 是矢量y 的微分熵，h ( y is ) 是y 的条件微分熵，且提供矢量s 的信息。 因为矢量s 和力是独立的，h ( yj j ) = 日( 功，上式就简化为： ，( s ；y ) = 日( y ) 一h ( ) ( 2 5 ) 于是，求互信息，( s ；y ) 的最大值就归结为求h ( n ) 的最大值。y 的协方差矩阵， r 。= s 删“) ，满足 r 2 最黜s s 矿州 r 口啦 其中r 。= s y y ”) 是s 的协方差矩阵。我们知道在所有的具有协方差矩阵 的矢量y 之间，当y 是z m c s c g 时，微分熵h ( y ) 达到最大。这个结论暗示了s 必须是一个z m c s c g 矢量，它的分布可被r s s 完全地刻画。矢量y 和矢量 的 微分熵为： 日( _ y ) = l o g 2 ( d e t ( z e r ) ) b p s h z ( 2 7 ) h ( 胛) = l o g2 ( d e t ( z e n 0 1 m ，) ) b p s h z ( 2 8 ) 因此，式( 2 - 5 ) 中的l ( s ；y ) 简化为 仨 北未邮电土学硕士学位话文。基于p b g 结构的m i m o 系统的实现 7 ( 叫) 。1 0 9 2 幽( + 赢舰s s h n ) b p s h z ( 2 - g ) 再由式( 2 - 3 ) ，我们可以得到m i m o 信道的容量为： f 。黜勤，l 0 9 2d e t ( k + 赢飓h “) b p s h z ( 2 - i 0 ) 式( 2 - 1 0 ) 的容量c 也常被用作差错频谱效率，或者被看作是为了维持m i m o 链路的可靠性的单位带宽的数据速率。因此，假如给定带宽为h z ，那么利用 m i m o 信道可达到的最大数据速率为w cb p s 。从式( 2 - 1 0 ) 可以看出，当信噪 比一定时，在所需频谱效率一定的情况下，如果接收天线个数大于或等于发送天 线个数，系统容量将随发送天线数量线性增长。所以m i m o 技术可以提供不可 估量的系统容量，将成为下一代移动通信采用的关键技术之一。 奶果停学蔗直厨于发影端寇全采幻，则r 。= 如，。这说明每个天线发射 的信号是独立且等功率的。则由式( 2 - 1 0 ) 得到，在信道信息对发射天线端未知 的状态下m i m o 信道的容量为： c _ l o d e t ( i m 。+ 矗册1 ( 2 _ 1 1 ) 我们假定h h “= q a q ”，则式( 2 一i l ) 变为： c - l 0 9 2 d e t ( i 射+ 焘q a 矿) ( 2 _ 1 2 ) 由d e t ( i 。+ a b ) = d e t ( i + b a ) ，以及q ”a = 儿。，上式可进一步简化为： c = l 。9 2 d e t ( ，。+ 上m r n o a ) ( 2 1 3 ) 或等价于： 善r1 0 ( 1 + 彘 q 。1 4 其中，是信道的秩，丑，( j = 1 ，2 ，) 是h h “的正特征值a 等式( 2 1 4 ) 恰好说明m i m o 信道容量是，个s i s o 信道容量的总和，每一个 具有功率增益丑( i = 1 ，2 ，r ) 和发射功率e ，m ，。 由此可见，在发射端和接收端都采用多天线，为无线链路的发射端和接收端 之间打开了多重空间数据通道，同时多重空间数据通道保证了接收端接收信号式 独立进行的，相互之间不受干扰。 北京邮电土学硕士学位论文基于p b g 结构的m i m o 系统的实现 如果詹趱j 秒于发彩端日勿，发射端的信道信息经过接收端的回馈或者通 过系统双方的双赢原则是可以被保持的。从等式( 2 1 4 ) 可知，当发射端缺乏信道 信息时，m 。m ，的信道容量等价于，个平行的空间子信道的容量之和，且每 个子信道上的功率相等。当信道对发射端和接收端都是已知的情况下，通过线性 处理就可以达到单个的信道模型( 见图2 3 ) 。 t r a n s m i t t e r ic h a n n e i ir e c e i v e r ： n li fi _ 图2 - 3 对于发射端和接收端信道已知时的h 的形式分解机制 在接收端，接收到的信号矢量y 被矩阵u ”相乘。则该系统的有效输入输出 关系式为： y = 日h v i + u ”力 ：旦；+ i ( 2 _ 1 5 ) 1 jm 7 式( 2 1 5 ) 说明发射端具有信道信息，h 可以被分解为，个平行的s i s o 信道( 见 图2 4 ) ，且满足： 万= 层瓜+ i ( 2 - 1 6 ) 北京邮电土学硕士学位论文 基于p b g 结构的m i m o 系统的实现 s 2 一 s ，- - + y ， 图2 - 4 对于发射端和接收端信道已知的情形下h 的形式分解机制 因此m i m o 信道容量就是单个平行s i s o 信道容量的总和： c _ j _ l o g ；1 ( 1 + 器t0 伢m t 以= c ij ，1 2 ( 1 = 1 ，2 ，r ) 是第i 个子信道的传输能量且满足r - ，y 。= m r 。 2 2 2 频率选择性m i m o 信道容量 通常进行分析时，我们都假设m i m o 信道是平坦的。但在实际中这种情况 只是理想状况，在很多时候信道都不如期望的那样，而是频率选择性的。因此为 了解决频率选择性信道的信道容量，我们可以通过分割频带的方法来处理，即将 频率( 1 h z ) 分成带宽相等的个窄的子信道，来计算频率选择性衰落m i m o 信道的容量，每一个子信道的带宽为i h z ，这样每一个子信道就可以近似看 做是频率平坦信道( 见图2 - 5 ) 。 北京邮电土学硕士学位论文 基于p b g 结构的m i m o 系统的实现 1h z 图2 - 5 频率选择性m i m o 信道容量为n 个频率平坦性子信道容量之和 司知第i 个于信遭为目( f _ 1 ，2 ，n ) 的输入输出关系式为： 胪鲁玑 。 其中y ，是m r 1 维接收信号向量，j ，是m ，1 维发射信号矢量，n ，是第i 个子信道的m 。i 维噪声矢量。则总的输入输出关系式变为： 厂f 一 垆# 邯+ 心。1 其中y _ m 7y 2 7 y n 7 r 是mr n 1 维的，s = s i 7s 2 7 7 是 m ，n 1 维的，n = i n l 71 7 2 h 7 7 是m n 1 维的，h 是一个 m 。n m ，n 的块对角矩阵，h ，是它的块对角元素。s ( r s s = s s s ”) ) 的协方差矩阵受到限制以至于t r ( r 。) = n m ，。这个限制了总的平均发射功率 为e 。从等式( 2 3 4 ) 可得频率选择性m i m o 信道容量等于： = 丙1 什。恶- 。g zd e t i + h r s s 日 b p s ，n z c z z 。， 奶架詹i 彭矽梵影端采觎假设r s s = 1 ，( 说明发射功率平稳地经过 空间( 发射天线) 和频率被分配) ，则信道的容量简化为： 净g 如t h 击纠 b 础。， 如果信道的频率响应为平坦的，也就是说，h ，= h ( f - 1 ，2 ) ，则 1 4 北京邮电土学硕士学位论文 基于p b g 结构的m i m o 系统的实现 _ l 拙卜+ 毒删j 协：。， 这是频率平坦性m i m o 信道的容量。 奶集借：适珂于发影劣吕知，信道的频谱效率就会提高。在频率选择性 m i m o 信道下，能量必须穿过空间域和频率域被分配，以至于达到频谱效率的最 大化。我们可以在正交延迟扩展信道上使用o f d m 技术，并将此信道形式地分 解为f 交的m i m o 信道( 详细过程在本文中不作讨论) 。 如果合成信道日对于发射端是已知的，信道就可以被分解为r ( y ) 个空间一 频率模型。则信道容量为： 2 砝1r ( 1 t ) 跏z 卜舞 c 删) j z s ， 这里旯，( h h8 ) ( f _ 1 ，2 ，r ( 日) ) 代表h h 8 的正特征向量，y ，是分配给第i 个空间频率模型的能量。 2 3m i m o 信道容量的实现方法一一信道编码 通过对m i m o 系统容量的分析，我们知道m i m o 系统通过多天线发射多数 据流并由多天线接收实现最佳处理，并达到很高的容量，这种最佳处理是通过空 时编码和解码来实现的。空时编码由a t & t 实验室的t a r o k h 等人在1 9 9 8 年作为 一种在多天线衰落信道中能够提供发射分集的新型手段而首先提出的。t a r o k h 提出的空时分组码机制本质上是一种综合设计编码、调制、发射分集、接收分集 的信道编码方案，具有良好的频带利用率和性能，可以提高信号在无线衰落信道 中的传输可靠性和数据传输率，成为有效提高无线频谱利用率的一个重要方案和 关键技术。 空时编码就是将空间域上的发射分集和时间域上的信道编码相结合的编码 技术，空间域上的编码可咀利用空间冗余来实现分集，以克服信道衰落，提高性 能。 为了实现分集，接收机首先应将各独立信道分开，然后再实现最优结合。同 样地，为了实现m i m o 处理，各接收机也必须先将收到的各发射机发来的子数 据流分开再进行处理，以保证各子数据流之间的相互独立性。如下图( 嘶的 空时编码信道模型) ： 虻未邮毒土学硕士学位论点基于p b g 结构的m i m o 系统的实现 。 空时 处理 发射天线接收天线 图3 - 1 一个简单的空时码信道模型 空时编码可以使空间未经编码的系统获得发射分集和功率增益，而不需要牺 牲带宽。描述空时码性能的指标有e 1 ： 满分集度：即系统所能获得的最大分集增益等于发射天线数目和接收天线 数目的乘积m n 。 满数据速率：即系统的传输速率与未经编码的单天线系统的传输速率相 同，也就是说，如果空时编码矩阵具有t n 阶( n 为发射天线数目，t 为发送 时隙数) ，且t 个时隙发送z 个符号时，那么满数据率就意味着z t = 1 。 空时编码的途径有许多种，包括空时分组码( s t b c ) 、空时格码( s t t c ) 、 空时卷积码和分层空时码( l s t ) 等等。这些编码机制的一个共同的重要结果就 是利用多径的因素来达到较高的频谱效率和性能增益。通常按照分集技术，将空 时编码技术分为两大类型：分层空时编码和基于发射分集的空时编码。 2 3 1 分层空时码性能分析 分层空时码( b l a s t 系统) 的基本思想是将高速业务分解为若干低速业务， 通过普通的并行的编码器编码后，对其进行分层的空时编码，调制后用多个天线 发送。分层空时编码的发射端和接收端原理如下： 北京邮电土学硕士学位论文基于p b g 结构的m i m o 系统的实现 图3 - 2 分层空时编码发射端原理框图 图3 - 3 分层空时编码接收端原理框图 分层空时编码是将信源数据分为若干子数据流，独立地进行编码、调