（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）多天線系統(tǒng)中基于有限反饋的波束成形研究.pdf

摘要 摘要 在無線通信中，多天線傳輸( 又名多入多出，m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ，m i m o ) 技術(shù)能有效提升系統(tǒng)容量和改善誤碼率性能，已日益受到關(guān)注。實(shí)際系統(tǒng)的下行 鏈路往往具有發(fā)射天線數(shù)較多、接收天線數(shù)較少( 甚至為一) 的非對稱特點(diǎn)。若假設(shè) 發(fā)射機(jī)完全未知信道信息，則傳統(tǒng)的空間復(fù)用和空時(shí)編碼等技術(shù)不能充分利用空 間資源以進(jìn)一步提升通信質(zhì)量；反之，若假設(shè)發(fā)射機(jī)能獲取理想信道信息，則可 采用超強(qiáng)的預(yù)編碼或波束成形等預(yù)處理技術(shù)以實(shí)現(xiàn)完全的分集和陣列增益，但這 不符合無線通信的實(shí)際環(huán)境。因此，假設(shè)發(fā)射機(jī)能獲取部分信道信息是合理且有 意義的。另一方面，實(shí)際系統(tǒng)的整體等效信道在上下行鏈路并不滿足互易性，故 發(fā)射機(jī)獲取信道信息的一種較為可行的方式是：接收機(jī)先估計(jì)信道信息，再將其 反饋給發(fā)射機(jī)；同時(shí)，由于反饋鏈路的帶寬受限和數(shù)字化實(shí)現(xiàn)需要，一般用若干 比特映射而成的碼本對信道信息量化之后再進(jìn)行反饋。相比理想情形，此時(shí)預(yù)編 碼或波束成形的性能會(huì)有所損失，而且某些設(shè)計(jì)思路也有所不同。本文主要針對 多天線系統(tǒng)中基于有限反饋的波束成形展開研究。 對平坦衰落信道下的單用戶系統(tǒng)，已有研究大多包含塊衰落信道、準(zhǔn)確信道 估計(jì)或無反饋延遲等理想假設(shè)，第二章構(gòu)建了關(guān)于“單用戶時(shí)變多入單出 ( m u l t i p l e - i n p u ts i n g l e o u t p u t ，m i s o ) 信道中非理想反饋下的波束成形 的理論分析 和系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架。在建立非理想反饋系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，分析了方形或矩形q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 星座圖的未編碼誤碼率和遍歷容量，并分別給出 了誤碼率準(zhǔn)確值和容量緊致上下界的閉合表達(dá)式。進(jìn)一步推導(dǎo)了具有簡潔表達(dá)式 的誤碼率下界和容量更松下界，在給定歸一化反饋比特?cái)?shù)條件下，根據(jù)這兩個(gè)下 界得到了相同的最優(yōu)幀長。 對頻率選擇性信道，正交頻分復(fù)用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ， o f d m ) 技術(shù)將寬帶信道轉(zhuǎn)化為多路具有不同響應(yīng)的窄帶信道。若在每個(gè)子載波( 子 信道) 獨(dú)立反饋信道信息，則反饋量將與子載波數(shù)成正比，開銷甚大。第三章研究 了單用戶有限反饋m i s o o f d m 系統(tǒng)中最優(yōu)波束成形向量的選取方法。在子載波 分簇條件下，分別直接基于最小化q 舢訌星座圖的未編碼誤碼率和最大化容量提出 了簇內(nèi)的最優(yōu)波束成形向量選取準(zhǔn)則，這兩個(gè)準(zhǔn)則分別在誤碼率和容量兩個(gè)評估 指標(biāo)上優(yōu)于其他已有方案。進(jìn)一步基于簇內(nèi)不同子載波信道頻率響應(yīng)之間的相關(guān) 摘要 性提出了相應(yīng)的簡化次優(yōu)算法，以較小的性能損失極大地降低了計(jì)算復(fù)雜度。最 后將已有的自適應(yīng)量化思想與所提簇內(nèi)的波束成形向量選取準(zhǔn)則相結(jié)合，給出了 對應(yīng)一個(gè)o f d m 符號的完整反饋方案，它可在不影響性能的前提下進(jìn)一步減小反 饋量。 第四章分析了多用戶m i m o 廣播系統(tǒng)在固定反饋比特?cái)?shù)條件下采用迫零波束 成形時(shí)的和容量，給出了接入用戶數(shù)等于發(fā)射天線數(shù)時(shí)其下界的閉合表達(dá)式，通 過仿真比較了接入用戶數(shù)小于發(fā)射天線數(shù)時(shí)不同參數(shù)條件下的和容量。 關(guān)鍵詞：波束成形，誤碼率，容量，有限反饋，多入多出，多入單出 h a b s t r a c t a b s t r a c t i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s m u l t i p l e a n t e n n a t r a n s m i s s i o n ( v i z m u l t i i n p u t m u l t i o u t p u t ，m i m o ) h a sr e c e i v e di n c r e a s i n ga t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s ，t h a n k st o i t s p o t e n t i a lf o rl l i g hs p e c t r a le f f i c i e n c ya n di m p r o v e dq u a l i t yo fs e r v i c e ap r e d o m i n a n t c h a r a c t e r i s t i ci nap r a c t i c a ld o w n l i n ki su n s y m m e t r i c a ls t r u c t u r eo fm a n yt r a n s m i t a n t e n n a sa n daf e w ( e v e ns i n g l e ) r e c e i v ea n t e n n a s i fn oc h a n n e li n f o r m a t i o ni sk n o w n t ot h et r a n s m i t t e r , c o n v e n t i o n a ls p a t i a lm u l t i p l e x i n go rs p a c e - t i m ec o d i n gc a l ln o t e x p l o r es p a c er e s o u r c ef u l l yt oi m p r o v ep e r f o r m a n c e i nc o n t r a s t ，i fp e r f e c tc h a n n e l i n f o r m a t i o ni sa v a i l a b l ea tt h et r a n s m i t t e r , s o m es u p e rp r e c o d i n go rb e a m f o r m i n g t e c h n i q u e sc a l lb eu t i l i z e dt or e a l i z ef u l ld i v e r s i t y a n da r r a yg a i n s ；h o w e v e r , t h i s a s s u m p t i o n i s p r o b a b l yau t o p i af o rm o s tw i r e l e s se n v i r o n m e n t s c o n s e q u e n t l y , m u l t i p l e a n t e n n ac o m m u n i c a t i o n sw i t hp a r t i a lc h a n n e li n f o r m a t i o np r o m i s et o h a v e g r e a tp r a c t i c a lv a l u e ，b e c a u s et h e ya r ec a p a b l eo f o f f e r i n gt h e j a c ko f b o t ht r a d e s o n t h eo t h e rh a n d ，t h et o t a le q u i v a l e n tc h a n n e li np r a c t i c ei sn o ts t r i c t l yu p l i n k - d o w n l i n k r e c i p r o c a l s oar e a s o n a b l ea p p r o a c hf o r t h et r a n s m i t t e ro b t a i n i n gc h a n n e li n f o r m a t i o n i st of e e d b a c kt h ee s t i m a t e do n ea tt h er e c e i v e r f u r t h e r m o r e ，d u et ot h er a t ec o n s t r a i n t o ft h ef e e d b a c kl i n ka n dr e q u i r e m e n to fd i g l t a lr e a l i z a t i o n ，t h ec h a n n e li n f o r m a t i o n s h o u l db eq u a n t i z e db yu s i n gs o m eb i t sb e f o r ef e e d b a c k n a t u r a l l y , c o m p a r e dt ot h e i d e a lc a s e ，p r e c o d i n go rb e a m f o r m i n gw i t hl i m i t e df e e d b a c kh a ss o m el o s si nt h e p e r f o r m a n c ea n ds o m ed i f f e r e n td e s i g n s t h i st h e s i s f o c u s e s0 1 1b e a m f o r m i n gw i t h l i m i t e df e e d b a c ki nm u l t i p l ea n t e n n aw i r e l e s ss y s t e m s m o s to f p r i o rr e s e a r c h0 1 1b e a m f o r m i n gi nf l a tf a d i n gc h a n n e l si n c l u d e ss e v e r a l i d e a l c o n d i t i o n s ，s u c ha sb l o c k - f a d i n gc h a n n e l s ，p e r f e c tc h a n n e li n f o r m a t i o na tt h er e c e i v e r , o re r r o r - f r e ea n dz e r o d e l a yf e e d b a c kl i n k w ef i r s ts t u d ys i n g l eu s e rm u l t i p l e i n p u t s i n g l e o u t p u t ( m i s o ) s y s t e m so v e rm o r e r e a l i s t i ct i m e v a r y i n gc h a n n e l sw i t h i m p e r f e c tf e e d b a c ki n c l u d i n ge s t i m a t i o n e r r o r sa n df e e d b a c kd e l a y a na n a l y t i c a l f r a m e w o r ki sd e v e l o p e df o re v a l u a t i n ga v e r a g eb i te r r o rr a t e ( b e r ) o fs q u a r e r e c t a n g l e q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ( q a m ) c o n s t e l l a t i o n sa n de r g o d i cc a p a c i t y n o t i i i a b s t r a ( 了r o n l yt h ec l o s e - f o r me x p r e s s i o n so fb o t he x a c tb e r a n df i g h t e rc a p a c i t yb o u n d sa r e p r e s e n t e d ，b u ta l s ot h ef r a m el e n g t hi so p t i m i z e da c c o r d i n gt ot h ed e r i v e ds i m p l el o o s e r l o w e rb o u n do fb e r c a p a c i t yf r o mt h ev i e w p o i n to fs y s t e md e s i g n w ef u r t h e ri n v e s t i g a t eb e a m f o r m i n gi nf r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s b y u s i n go r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ，t h eo r i g i n a lb r o a d b a n d c h a n n e l sc a l lb ec o n v e r t e di n t om a n yn a r r o w - b a n ds u b c h a n n e l s ( s u b c a r r e i r s ) w i t h d i f f e r e n tf r e q u e n c yr e s p o n s e s w ea d o p tr a t h e rs u b c a r r i e r - c l u s t e r i n gf e e d b a c kt h a n s u b c a r r i e r - b y - s u b c a r r i e ro n e t or e d u c et h ei m m e n s eo v e r h e a d w i t h i no n ec l u s t e r , t w o o p t i m a lb e a m f o r m i n gv e c t o rs e l e c t i o n c r i t e r i aa r ep r e s e n t e db a s e do nd i r e c t l y m l 。m m l z l n gt h ea v e r a g eb e ra n dm a x i m i z i n gt h ee r g o d i cc a p a c i t y , r e s p e c t i v e l y a s i m p l es u b o p t i m a la l g o r i t h mi st h e np r o p o s e db ye x p l o i t i n gt h ec o r r e l a t i o no fc h a n n e l f r e q u e n c yr e s p o n s e sa td i f f e r e n ts u b c a r r i e r st or e d u c et h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y t h ep r o p o s e ds c h e m e so u t p e r f o r mo t h e rc o m p e t i t o r si nt e r m so fb e ro rc a p a c i t y f u r t h e r m o r e ，b yi n t e g r a t i n gt h e mi n t o t h ee x i s t i n ga d a p t i v eq u a n t i z a t i o n ，af u l l f e e d b a c ks c h e m ec o r r e s p o n d i n gt oo n eo f d m s y m b o li sd e v e l o p e dt or e d u c ef e e d b a c k c o s tf u r t h e rw i t h o u tp e r f o r m a n c el o s s w en e x te x t e n d0 1 1 1 s t u d yt ot h em u l t i u s e rc a s e t h es u mt h r o u g h p u ti sa n a l y z e df o r m u l t i u s e rm i m ob r o a d c a s ts y s t e m su s i n gz e r o f o r c i n gb e a m f o r m i n gw i t l ll i m i t e d f e e d b a c k ，a n dt h ec l o s e f o r me x p r e s s i o no fi t sl o w e rb o u n di sg i v e n w ef i n a l l y c o n c l u d et h et h e s i sb yd i s c u s s i n gs o m ep r o m i s i n gr e s e a r c hd i r e c t i o n s k e yw o r d s ：b e a m f o r m i n g ，b i te r r o rr a t e ( b e r ) ，c a p a c i t y , l i m i t e df e e d b a c k ，m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) ，m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ( m i s o ) i v 圖表目錄 圖1 1 圖2 1 圖2 - 2 圖2 3 圖2 4 圖2 5 圖2 6 圖2 7 圖2 8 圖2 9 圖2 1 0 圖2 1 1 圖2 1 2 圖2 1 3 圖2 1 4 圖2 1 5 圖2 1 6 圖2 1 7 圖2 1 8 圖2 1 9 圖2 2 0 圖2 2 l 圖2 - 2 2 圖2 - 2 3 圖2 - 2 4 圖2 - 2 5 圖2 - 2 6 圖2 - 2 7 圖2 2 8 圖3 1 圖3 - 2 圖3 3 圖3 _ 4 圖3 5 圖3 石 圖表目錄 全文的研究思路和結(jié)構(gòu)1 2 時(shí)變m i s o 信道中非理想反饋條件下的波束成形系統(tǒng)框圖1 6 不同參數(shù)條件下的輸出信干噪比損失比例2 2 誤碼率的準(zhǔn)確值與三個(gè)下界的比較一2 6 不同反饋比特?cái)?shù)條件下誤碼率的理論值和仿真值比較，m = 2 ，z = o 1 2 8 不同反饋比特?cái)?shù)條件下誤碼率的理論值和仿真值比較，m = 2 ，= 1 ( 1 + 功2 8 不同反饋比特?cái)?shù)條件下誤碼率的理論值和仿真值比較，m 。= 4 ，z = 0 1 2 9 不同反饋比特?cái)?shù)條件下誤碼率的理論值和仿真值比較，m 。= 4 ，= 1 ( 1 + p ) 2 9 信道估計(jì)誤差對誤碼率性能的影響，m = 4 3 l 歸一化d o p p l e r 擴(kuò)展對誤碼率性能的影響，m = 4 ，z = 0 1 一3 2 歸一化d o p p l e r 擴(kuò)展對誤碼率性能的影響，m 。= 4 ，= 1 ( 1 + 一3 2 誤碼率與幀長的關(guān)系，否= 0 0 2 ，l t , = 5 1 0 _ 4 3 3 誤碼率與幀長的關(guān)系，b 一= 0 0 2 ，磊z = 1 0 。3 3 4 誤碼率與幀長的關(guān)系，b 一= 0 0 4 ，兀z = 5 1 0 _ 4 3 4 誤碼率與幀長的關(guān)系，b 一= 0 0 4 ，兀z = 1 0 弓3 5 容量的緊致下界與三個(gè)更松下界比較一4 0 不同反饋比特?cái)?shù)條件下容量界的理論值和仿真值比較，m 。= 2 ，= 0 1 4 1 不同反饋比特?cái)?shù)條件下容量界的理論值和仿真值比較，m t = 2 ，= 1 ( 1 + 尸) 4 2 不同反饋比特?cái)?shù)條件下容量界的理論值和仿真值比較，m = 4 ，一= 0 1 4 2 不同反饋比特?cái)?shù)條件下容量界的理論值和仿真值比較， t = 4 ，蠢= 1 ( 1 + 尸) 4 3 本文方法和已有方法所求容量上界的比較， 本文方法和已有方法所求容量上界的比較， 鳩= 4 ，= o 1 4 4 m = 4 ，= 1 ( 1 + p ) 4 5 信道估計(jì)誤差對容量的影響，m = 4 4 5 歸一化d o p p l e r 擴(kuò)展對容量的影響， 5 r t = 4 ，= 0 1 4 7 歸一化d o p p l e r 擴(kuò)展對容量的影響，m t = 4 ，礦= 1 ( 1 + 固4 7 容量與幀長的關(guān)系，否= 0 0 2 ，= z = 5 x 1 0 一4 8 容量與幀長的關(guān)系，百= 0 0 2 ，a t , = 1 0 弓4 8 容量與幀長的關(guān)系，否= 0 0 4 ，疋z = 5 x 1 0 * 4 9 容量與幀長的關(guān)系，否= 0 0 4 ，z = 1 0 - 3 4 9 帶發(fā)射波束成形的有限反饋m i s o - o f 【) m 系統(tǒng)框圖5 4 低信噪比區(qū)域容量比較，反饋比特總數(shù)為3 2 6 1 中高信噪比區(qū)域容量比較，反饋比特總數(shù)為3 2 6 2 中高信噪比區(qū)域誤碼率比較，反饋比特總數(shù)為3 2 6 3 中高信噪比區(qū)域容量比較，反饋比特總數(shù)為1 6 6 4 中高信噪比區(qū)域誤碼率比較，反饋比特總數(shù)為1 6 6 4 v n 圖表目錄 圖3 7中高信噪比區(qū)域誤碼率比較，反饋比特總數(shù)為2 4 6 5 圖3 8采用和未采用自適應(yīng)量化的各種方案的誤碼率性能比較6 7 圖4 1和容量的準(zhǔn)確值和下界與信噪比的關(guān)系，k = 一= 2 一7 7 圖4 - 2和容量的準(zhǔn)確值和下界與信噪比的關(guān)系，k = m = 3 。7 7 圖4 3 和容量的準(zhǔn)確值和下界與信噪比的關(guān)系，k = m = 4 一7 8 圖4 4 一些典型( t ，k ) 參數(shù)條件下和容量與信噪比的關(guān)系，b = 6 7 9 圖4 5 一些典型( m 。，k ) 參數(shù)條件下和容量與信噪比的關(guān)系，b = 1 0 7 9 圖4 6一些典型( m ，k ) 參數(shù)條件下和容量與信噪比的關(guān)系，b = 1 4 8 0 表2 - 1 不同信噪比下的最優(yōu)幀長，m t = 4 、百= o 0 2 、d o = 1 0 、= o 1 一2 7 表2 2 不同信噪比下的最優(yōu)幀長，m 。= 4 、否= o 0 4 、d o = 1 0 、= o 1 2 7 表3 1各種波束成形方案的復(fù)法次數(shù)乘數(shù)6 0 表3 2 r r up e d b 信道的功率延遲特征6 1 表3 3采用和未采用自適應(yīng)量化的各種方案的仿真參數(shù)設(shè)置6 7 v i i i 數(shù)學(xué)符號 數(shù)學(xué)符號 符號名稱 標(biāo)量 向量 矩陣 標(biāo)量( 向量、矩陣) 的共軛 向量( 矩陣) 的轉(zhuǎn)置 向量( 矩陣) 的h e r m i t i a n 轉(zhuǎn)置 標(biāo)量的模 向量( 矩陣) 的f r o b e n i u s 范數(shù) ( 朋) 階單位矩陣 ( m ) 維元素全為零的向量 m 維復(fù)向量空間 隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)期望 隨機(jī)變量的方差 從m 個(gè)元素中任取n 個(gè)元素的組合數(shù) 均值為朋、方差為三的復(fù)高斯分布 以2 為底的對數(shù) 以e 為底的對數(shù)( 自然對數(shù)) 標(biāo)量的向上取整函數(shù) 實(shí)數(shù)a 和b 中的較大值 實(shí)數(shù)a 和b 中的較小值 初值為厶末值為刀、間距為m 為的整數(shù)序列 i x 符號表示 口 口 彳 a + ( 口+ ，a )l 口，j 口t ( 彳t ) 口h 似h ) h i i d ( 1 l a i i ) j ( l ) 0 ( 吒) c ” e ( ) 或e x ( ) 礦或t r i y , 曠戥 c 二 d 廠( 肌，三) l o g a i n a c e i l ( a ) m a x ( a ，6 ) m i n ( a ，6 ) l m ：咒 縮略詞表 1 g 2 g 3 g 3 g p p 3 g p p 2 a m c a 田s g 杖 b 3 g b c b e r b f v b f s k b m m v b p c u b p s k c d f c d m l a c i c 嗄 嗄、， c p c s i d b l a s t d p c f d d f f r g l g 乙p g s m 研 m m i m o m i s o m e n i m s e o f d m 縮略詞表 1s tg e n e r a t i o n 2 n dg e n e r a t i o n 3 r dg e n e r a t i o n 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o g r a m 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o g r a m2 a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m a d d i t i v e 刪tg a u s s i a nn o i s e b e y o n d3 r dg e n e r a t i o n b r o a d c a s tc h a n n e l b i te r r o rr a t e b e a m f o r m i n gv e c t o r b i n a r yf r e q u e n c ys h i rk e 螗n g b e r m i n i m i z i n gm e a n v e c t o r b i tp e rc h a n n e lu s e b i n a r yp h a s es h i rk e y i n g c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c h a n n e li n v e r s i o n c a p a c i t y - m a x i m i z i n gm e a nv e c t o r c y c l i cp r e f i x c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d i a g o n a lb e l ll a b sl a y e r e ds p a c e - t i m e d i r t yp a p e rc o d i n g f r e q u e n c y - d i v i s i o nd u p l e x f a s tf o u r i e rt r a n s f o r i l l g e n e r a l i z e dl l o y d g r a s s m a n n i a nl i n ep a c k i n g 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 i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m l o n gt e r me v o l u t i o n 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 u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t m a x i m u ml i k e l i h o o d m i n i m u mm e a ns q u a r e de r r o r o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g x 第一代移動(dòng)通信系統(tǒng) 第二代移動(dòng)通信系統(tǒng) 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng) 自適應(yīng)調(diào)制編碼 加性白高斯噪聲 超三代移動(dòng)通信系統(tǒng) 廣播信道 誤碼率或誤比特率 波束成形向量 二進(jìn)制頻移鍵控 最小誤碼率均值向量 比特每信道實(shí)現(xiàn) 二進(jìn)制相移鍵控 累積分布函數(shù) 碼分多址 信道求逆 最大容量均值向量 循環(huán)前綴 信道狀態(tài)信息 對角貝爾實(shí)驗(yàn)室空時(shí)分層 污紙編碼 頻分雙工 快速傅立葉變換 全球移動(dòng)通信系統(tǒng) 逆快速傅立葉變換 多入多出 多入單出 最大似然 最小均方誤差 正交頻分復(fù)用 縮略詞表 o s t b c p d f q a m r b r i r v q s d m a s i n r s i s o s n r s t c s t t c t a c s t d d t d s c d m a v 二b l a s t v p v q w c d m a z f z f s i 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 p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n r e s o u r c eb l o c k r e g u l a r i z e di n v e r s i o n r a n d o mv e c t o rq u a n t i z a t i o n s p t i c a ld i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t s i g n a lt on o i s er a t i o s p a c e - t 吼ec o d i n g s p a c e - t i m en c l l i sc o d i n g t o t a la c c 骼sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h n e - d i v i s i o nd u p l e x t 嘧ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc d m a v e r t i c a lb e l ll a b sl a y e r e ds p a c e - t i m e v e c t o rp e r t u r b a t i o n v e c t o rq u a n t i z a t i o n w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s z e r of o r c i n g z e r of o r c i n g s u c c e s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n x i 正交空時(shí)分組碼 概率密度函數(shù) 正交幅度調(diào)制 資源塊 調(diào)整求逆 隨機(jī)向量量化 空分多址 信干噪比 單入單出 信噪比 空時(shí)編碼 空時(shí)格碼 時(shí)分雙工 時(shí)分一同步碼分多址 垂直貝爾實(shí)驗(yàn)室空時(shí)分層 向量擾動(dòng) 向量量化 寬帶碼分多址 迫零 迫零一串行干擾對消 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地 方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含 為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明 確的說明并表示謝意。 簽名： 日期：年 月日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文 的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁 盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(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 掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名：型叁宣導(dǎo)師簽 日期： 第一章緒論 第一章緒論弟一早三百下匕 1 1 無線和移動(dòng)通信的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及趨勢 在過去的三十多年里，伴隨著半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 無線通信技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。在世界其他許多國家中，無線通 信產(chǎn)業(yè)已成為信息基礎(chǔ)建設(shè)的一個(gè)不可缺少的部分。在我國，無線通信也蓬勃發(fā) 展，并進(jìn)一步帶動(dòng)了整個(gè)通信產(chǎn)業(yè)向前邁進(jìn)，使之在我國國內(nèi)生產(chǎn)總值中所占比 重不斷提高，逐漸成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè) 1 】。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2 0 0 8 年7 月，我國 移動(dòng)電話用戶數(shù)目已達(dá)6 0 8 3 7 8 萬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出固定電話用戶數(shù)的3 5 5 0 5 6 萬【2 】。 迄今為止，蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)可以說是發(fā)展得最為成功的無線通信網(wǎng)絡(luò)。從 以a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 和t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 為代表的第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)( 1 s tg e n e r a t i o n ，1 g ) 到以g s m ( g l o b a ls y s t e m f o rm o b i l e ) 和i s 9 5 等為代表的第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)但n dg e n e r a t i o n , 2 g ) ，再到以 w c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 、c c l m a 2 0 0 0 和t d s c d m a ( t i m e d i v i s i o n s y n c h r o n o u sc d m a ) 為代表的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)( 3 r dg e n e r a t i o n ，3 g ) 的 整個(gè)發(fā)展歷史，就是人們不斷追求“任何人在任何時(shí)間和地點(diǎn)，可以用任何方式 方便地通信 這一目標(biāo)的前進(jìn)歷程【3 h 6 】。 隨著語音通信、數(shù)據(jù)通信和i n t e m e t 的飛速發(fā)展和日益融合，無線通信用戶不 僅對多種業(yè)務(wù)的需求不斷增加，同時(shí)對通信速率的要求也不斷提高。數(shù)十到數(shù)百 m b p s 的高速率高質(zhì)量的實(shí)時(shí)多媒體( 如多路高清晰數(shù)字電視) 和非實(shí)時(shí)的高速數(shù)據(jù) 傳輸、多網(wǎng)合一和多業(yè)務(wù)融合等需求促使人們?nèi)ξ磥頍o線通信技術(shù)進(jìn)行探討和 研究。目前，3 g p p ( 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o g r a m ) 的l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 及l(fā) t e a d v a n c e d 與3 g p p 2 ( 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o g r a m2 ) 的u l t r am o b i l e b r o a d b a n d ( u m b ) 分別是w c d m a 和e d m a 2 0 0 0 向前演化的兩大標(biāo)準(zhǔn)【_ 7 1 ，其中又以 前者尤為引人關(guān)注；此外，i e e e8 0 2 1 6 m 【8 在制定過程中也逐漸定位于未來的移動(dòng) 寬帶無線接入：這些都被看作是超三代( b e y o n d3 g , b 3 g ) 移動(dòng)通信系統(tǒng)的代表。它 們具有比3 g 更高的傳輸帶寬和頻譜效率。而諸多b 3 g 通信系統(tǒng)都將多天線傳輸 ( 又名多入多出，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 ) 9 】【l o j 作為框架技術(shù)之一。 電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文 1 2 多天線系統(tǒng)的主要傳輸方案及信號處理技術(shù) 1 2 1 多天線傳輸技術(shù)發(fā)展歷史 無線通信鏈路在基站和終端的一端或兩端使用多個(gè)天線，就引入了一個(gè)新的 維度空間。目前，無線通信中多天線技術(shù)研究主要包括三個(gè)領(lǐng)域【l l 】：第一個(gè) 是天線和陣列天線的電磁特性設(shè)計(jì)，其目的是使得天線設(shè)計(jì)與增益、極化、波束 寬度、旁瓣水平、發(fā)射效果和模式等各項(xiàng)指標(biāo)的要求相符；第二個(gè)是波達(dá)角度( a n g l e o f a r r i v a l ，a o a ) 的估計(jì)，其目的是通過陣列天線采用具有最小誤差和較小復(fù)雜度的 算法估計(jì)出來波的到達(dá)角度；第三個(gè)是鏈路性能的提升，其目的是增加系統(tǒng)容量、 提高頻譜效率、改善通信質(zhì)量，這也是本文的研究所在。 在無線通信中研究如何使用多天線技術(shù)以提升鏈路性能可謂歷史悠久【1 1 1 。 m a r c o n i 和其他一些早期的無線電技術(shù)先驅(qū)就曾研究過使用多個(gè)接收天線來獲得 分集增益，并且，當(dāng)時(shí)的研究者還發(fā)現(xiàn)使用定向接收陣列天線能減小同信道干擾。 第二次世界大戰(zhàn)以后，雷達(dá)系統(tǒng)中陣列天線的研究和應(yīng)用日趨活躍。2 0 世紀(jì)7 0 年 代，隨著數(shù)字信號處理器件的出現(xiàn)，更為復(fù)雜的陣列天線系統(tǒng)和自適應(yīng)數(shù)字信號 處理技術(shù)開始應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的無線接收機(jī)，從而獲得分集增益并減小干擾。這 些都對無線通信的相關(guān)研究起著極大的促進(jìn)作用。2 0 世紀(jì)9 0 年代早期，一些研究 者建議在無線通信鏈路中使用多天線來增加信道容量。其中，文獻(xiàn) 1 2 1 提出在基站 使用多天線來支持多個(gè)同信道用戶，文獻(xiàn) 1 3 提出在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)同時(shí)使用多個(gè) 天線以增加無線通信鏈路的容量。這些思想為2 0 世紀(jì)9 0 年代中期美國a t & t 的 b e l l 實(shí)驗(yàn)室針對多天線無線系統(tǒng)中信息和通信等相關(guān)領(lǐng)域的研究【1 4 h 1 8 】奠定了基 礎(chǔ)。其內(nèi)容包括探索如何逼近性能極限、尋求有效的編碼調(diào)制方式等諸多方面。 其中，文獻(xiàn) 1 5 】于1 9 9 6 年首次明確提出了m i m o 這一概念，由于其具有系統(tǒng)容量 大、頻譜效率高和通信質(zhì)量好等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以引起了研究者的廣泛關(guān)注。迄今 為止，盡管關(guān)于m i m o 的研究已有十余年，并且在許多方面已取得了累累碩果， 但也還有不少問題有待解決，可謂方興未艾。 1 2 2 發(fā)射機(jī)未知信道信息 當(dāng)僅接收機(jī)能獲取信道信息而發(fā)射機(jī)未知信道信息時(shí)，系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)開環(huán) 鏈路，此時(shí)設(shè)計(jì)的主要問題是根據(jù)業(yè)務(wù)需求尋求空間復(fù)用和空間分集的折衷。 美國a t & t 的b e l l 實(shí)驗(yàn)室在點(diǎn)對點(diǎn)的m i m o 技術(shù)研究方面做出了奠基性的工 2 第一章緒論 作。文獻(xiàn) 1 4 1 5 分析了衰落信道下的m i m o 容量，其經(jīng)典結(jié)論是：對于獨(dú)立同分 步的r a y l e i g h 衰落信道，若接收機(jī)能準(zhǔn)確獲知信道狀態(tài)信息( c h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n ，c s i ) ，則發(fā)射天線數(shù)和接收天線數(shù)分別為m 。和m ，的m i m o 系統(tǒng)可獲 得的遍歷容量( e r g o d i cc a p a c i t y ) 與曲( m ，絲) 呈線性增長關(guān)系。文獻(xiàn) 1 6 則給出了 一種m i m o 的實(shí)現(xiàn)形式一一對角一貝爾實(shí)驗(yàn)室空時(shí)分層( d i a g o n a lb e l ll a b s l a y e r e ds p a c e t i m e ，d b l a s t ) 。隨后，19 9 8 年w o l n i a n s k y 等人采用垂直一貝爾實(shí) 驗(yàn)室空時(shí)分層( v e r t i c a lb e l ll a b sl a y e r e ds p a c e t i m e ，v - b l a s t ) 建立了一個(gè)m i m o 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中達(dá)到了2 0 b i f f s h z 以上的頻譜效率【l7 | 。 以上關(guān)于m i