哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 摘 要 當(dāng)前，隨著無線網(wǎng)絡(luò)瀏覽，文件下載以及無線多媒體業(yè)務(wù)的不斷增長， 對蜂窩移動通信系統(tǒng)的系統(tǒng)容量、通信質(zhì)量以及覆蓋范圍等服務(wù)方面的要求 在不斷提高，無線通信下行鏈路的性能日益成為決定整個系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。 近年來，包括智能天線和 mi mo等在內(nèi)的多天線技術(shù)，因為可以有效利用 電波空間傳播特性突破系統(tǒng)容量和通信質(zhì)量的限制，而逐漸成為無線通信領(lǐng) 域的研究熱點(diǎn)，并被視為解決上述問題的突破口。據(jù)此，本文研究了智能天 線波束形成和 mi mo空時編碼兩種多天線技術(shù)的結(jié)合實現(xiàn)，以期同時獲得 波束形成增益和分集增益，改善整個下行鏈路的系統(tǒng)性能。 本文的研究是通過計算機(jī)建模仿真來實現(xiàn)的，全文共分為三個部分。首 先，對智能天線和空時編碼技術(shù)的基本原理、算法進(jìn)行了介紹，確定了結(jié)合 技術(shù)擬采用的自 適應(yīng)波束形成算法和空時編碼方案。其次，提出了兩種不同 的下行鏈路傳輸方案，詳細(xì)闡述了兩種結(jié)合方案的系統(tǒng)模型和編譯碼算法原 理。其中，結(jié)合方案采用的是基于智能天線的m陣元單陣列結(jié)構(gòu)，結(jié)合 方案( i i ) 使用的是兩個m1 2 陣元子陣列分集發(fā)射的結(jié)構(gòu)。最后，進(jìn)行了系 統(tǒng)仿真模型的方案設(shè)計，并使用 ma t l a b軟件進(jìn)行通信仿真得到實驗數(shù)據(jù)， 分析、比較了兩種結(jié)合方案的性能及優(yōu)缺點(diǎn)。 仿真結(jié)果表明，兩種結(jié)合方案的性能都優(yōu)于傳統(tǒng)的單天線發(fā)射， a l a m o u t i s t b c和智能天線波束形成三種技術(shù)。在使用相同的發(fā)射天線陣元 數(shù)條件下，基于子陣列分集的波束形成與 s t b c結(jié)合方案( i i ) 其性能不受信 號波達(dá)角( d o a ) 和角度擴(kuò)展( a s ) 變化的影響，保持穩(wěn)定，并且優(yōu)于方案 ( i ) ;而基于智能天線的波束形成與 s t b c結(jié)合方案( i ) 其誤碼率性能隨波達(dá) 角和角度擴(kuò)展變化有較大波動，僅在大角度擴(kuò)展時其性能逼近方案( 1 1 ) . 關(guān)鍵詞波束形成;空時分組編碼:下行鏈路 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 ab s t r a c t t h e e v e r i n c r e a s i n g t r a f f i c g e n e r a t e d b y m o b i l e i n t e r n e t b r o w s i n g , f i l e d o w n l o a d i n g , a n d w i r e l e s s m u l t i m e d i a s e r v i c e s h a v e g e n e r a t e d c o n t i n u o u s d e m a n d f o r s y s t e m c 叩a c i t y , c o m m u n i c a t i o n s q u a l i t y , a n d c o v e r a g e a r e a f o r t h e e x i s t i n g c e l l u l a r m o b i l e c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m. t h e p e r f o r m a n c e o f t h e d o w n l i n k c h a n n e l s h a s b e c o m e t h e k e y a s p e c t f o r t h e c o m p l e t e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m. r e c e n t l y , m u l t i p l e a n t e n n a t e c h n i q u e s , i n c l u d i n g s m a r t a n t e n n a t e c h n i q u e a n d mu l t i p l e - i n p u t - m u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) t e c h n i q u e , h a v e b e c o m e t h e h o t s p o t i n w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s r e s e a r c h s i n c e t h e y c a n m a k e f u l l u s e o f e l e c t r i c w a v e s p a t i a l p r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s t o e n h a n c e s y s t e m c a p a c i t y a n d c o m m u n i c a t i o n q u a l i t y . t h e r e f o r e , t h e s e t e c h n i q u e s a r e v i e w e d a s t h e p r o m i s i n g a p p r o a c h e s t o s o l v e s u c h p r o b l e m s m e n t i o n e d a b o v e . i n t h i s p a p e r , t e c h n i q u e s w h i c h e ff i c i e n t l y c o m b i n e s m a rt a n t e n n a b e a m f o r m i n g t e c h n i q u e a n d m i m o s p a c e - t i m e c o d i n g ( s t c ) t e c h n i q u e h a v e b e e n p u t f o r w a r d t o o b t a i n b e a m f o r m i n g g a i n a s w e l l a s d i v e r s i t y g a i n , h e n c e , i m p r o v e t h e p e r f o r m a n c e o f t h e c o m p l e t e d o w n l i n k t r a n s m i s s i o n . t h e r e s e a r c h w o r k i n t h i s p a p e r i s i m p l e m e n t e d t h r o u g h c o m p u t e r s i m u l a t i o n s . t h e w h o l e p a p e r i s o r g a n i z e d a s f o l l o w s . f i r s t l y , b a s i c p r i n c i p l e s a n d a l g o r i t h m s o f s m a rt a n t e n n a t e c h n i q u e a n d s p a c e - t i m e c o d i n g t e c h n i q u e a r e i n t r o d u c e d , t h e n w e d e t e r m i n e t h e a p p r o p r i a t e a d a p t i v e b e a m f o r m i n g a l g o r i t h m a n d s p a c e - t i m e c o d i n g s c h e m e w h i c h w i l l b e a d o p t e d i n t h e c o m b i n e d t e c h n i q u e s s e c o n d l y , t w o d i ff e r e n t d o w n l i n k t r a n s m i s s i o n s c h e m e s a r e p r o p o s e d . t h e s y s t e m s t r u c t u r e a n d e n c o d i n g a n d d e c o d i n g a l g o r i t h m s o f t h e t w o c o m b i n e d s c h e m e s a r e a l s o d e s c r i b e d i n d e t a i l . s c h e m e ( i ) e m p l o y s t h e s m a r t a n t e n n a b a s e d m- e l e m e n t s i n g l e a r r a y s t r u c t u r e , w h i l e s c h e m e ( i i ) i s b a s e d o n t h e t w o s e t s o f m / 2 - e l e m e n t s u b - a r r a y d i v e r s i t y a r c h i t e c t u r e . f i n a l l y , t h e s c h e m e o f s i m u l a t i o n m o d e l i s d e s i g n e d a n d s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s a r e p e r f o r m e d t o o b t a i n d a t a r e s u l t s b y ma t l a b . t h e p e r f o r m a n c e a n d p r o s a n d c o n s o f t h e t w o c o m b i n e d s c h e m e s a r e a n a l y z e d a n d c o m p a r e d a t l as t . s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e p e r f o r m a n c e o f b o t h p r o p o s e d s c h e m e s a r e b e t t e r t h a n t h a t o f t h e t r a d i t i o n a l s i n g l e a n t e n n a t r a n s m i s s i o n , t h e a l a m o u t i s t b c 1 1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 t e c h n i q u e a n d t h e s m a r t a n t e n n a b e a m f o r m i n g o f t r a n s mi s s i o n a n t e n n a a r r a y e l e me n t , t e c h n i q u e . wi t h t h e s a m e n u m b e r t h e s u b - d i v e r s i t y b a s e d b e a m f o r m i n g a n d s t b c c o m b i n i n g t e c h n i q u e c a n a c h i e v e a i t i s a l m o s t i r r e s p e c t i v e o f t h e s i g n a l d i r e c t i o n o f a r r i v a l s t a b l e p e ( doa) r f o r ma n c e . a n d a n g l e s p r e a d ( a s ) b e a mf o r m i n g c h a n g e a n d i s b e t t e r t h a n t h a t o f t h e s m a r t a n t e n n a b a s e d a n d s t b c c o m b i n i n g s c h e m e . t h e p e r f o r m a n c e c o m b i n i n g s c h e m e w i l l h a v e l a r g e r fl u c t u a t i o n a s t h e d o a a n d a s i s v e r y c l o s e t o t h a t o f t h e f i r s t s c h e m e u n d e r l a r g e a s c o n d i t io n . o f t h e l a t t e r c h a n g e a n d i t k e y w o r d s b e a m f o r m i n g ; s t b c ; d o w n l i n k t r a n s m i s s i o n i i i 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 第1 章 緒論 1 . 1 課題背景及來源 當(dāng)前，隨著無線網(wǎng)絡(luò)瀏覽，文件下載以及無線多媒體業(yè)務(wù)等高速無線數(shù)據(jù) 傳輸業(yè)務(wù)的不斷增長，對蜂窩移動通信系統(tǒng)的系統(tǒng)容量、通信質(zhì)量以及覆蓋范 圍等服務(wù)方面的要求在不斷提高，無線通信下行鏈路的性能日 益成為決定整個 系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。 在大多數(shù)散射環(huán)境中，多徑衰落往往是影響通信質(zhì)量最主要的因素。與諸 如光纖、同軸電纜、視距微波甚至衛(wèi)星傳輸相比，移動通信面臨的最大困難是 時變的多徑衰落。對于 s i s o( 單發(fā)單收)傳輸方式，由于受到多徑衰落和頻 譜資源等原因的限制，信道容量十分有限，并且傳輸質(zhì)量往往不是非?？煽?。 傳統(tǒng)的小區(qū)分裂可以用來提高蜂窩系統(tǒng)的用戶數(shù)量， 但是小區(qū)分裂需要重新配 置網(wǎng)絡(luò)，而且代價很高。因此，包括智能天線和 mi mo 等在內(nèi)的多天線技 術(shù)，因為可以 有效利用電 波空間傳播特性突破系統(tǒng)容量和通信質(zhì)量的限 制，極 大的改善系統(tǒng)性能，而逐漸成為無線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，并被視為解決 上述問 題的突破口 1 ,2 7 mi m o空時編碼技術(shù)和智能天線波束形成技術(shù)是實現(xiàn)通信系統(tǒng)空間域優(yōu)化 的兩種重要手段。傳統(tǒng)的空時編碼技術(shù)在帶來顯著的分集增益和空間復(fù)用效果 的同時，因為使用多根天線發(fā)射， 在一定程度上增加了符號間干擾 ( i s l ) 和用 戶間干擾 ( m u d ， 而波束形成技術(shù)的優(yōu)勢在于降低 i s i 和抑制 m u i ，但是波 束形成卻不能形成多個相互分隔的信道，難以 通過空間復(fù)用實現(xiàn)系統(tǒng)容量在質(zhì) 上的 提高 1 3 - 5 1 。因 此， 要滿足系統(tǒng)高 容量、 通信高 質(zhì)量的要求， 必然要求把兩 者結(jié)合起來，構(gòu)建一種新的發(fā)射技術(shù)，以同時獲得波束形成增益和分集增益， 改善整個下行鏈路的系統(tǒng)性能。 基于上述分析，本課題重點(diǎn)研究了智能天線波束形成與 mi mo空時編碼 兩種技術(shù)相結(jié)合的理論和實現(xiàn)，比較分析了結(jié)合技術(shù)在無線通信下行鏈路中對 系統(tǒng)性能的改善程度。本課題研究內(nèi) 容來源于國 家自 然科學(xué)基金項目 寬帶 窄波束復(fù)合算法新型智能天線研究和哈爾濱工業(yè)大學(xué)校科學(xué)研究基金項目 移動通信高速無線傳輸空時聯(lián)合均衡技術(shù)研究。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 1 .2 多天線技術(shù)簡介 多天線技術(shù)是當(dāng)前無線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。所謂多天線技術(shù)，就是 在發(fā)射端和接收端同時采用多根天線用于收發(fā)。多天線技術(shù)實際是一種空間通 信技術(shù)，它與空時處理密切相關(guān)，將對信號的時域處理和空域處理結(jié)合在一 起。使用天線陣列和空時信號處理，可以有效地提高系統(tǒng)的性能和容量，并抑 制同 道干擾和多址干擾，獲得抵抗多徑衰落的分集增益6 1 在無線通信系統(tǒng)中， 同道干擾 ( c c) 和碼間干擾 ( i s i ) 是限制通信容量 和數(shù)據(jù)速率的兩個主要因素。第三代無線通信主要采用碼分多址接入 ( c d ma)技術(shù)。c d ma系統(tǒng)為千擾受限系統(tǒng)，受限于無線信道的多徑衰 落、多址干擾 ( ma i )和碼間串?dāng)_ ( i s i ) ，提高用戶的信千噪比不能簡單地通 過增加發(fā)射機(jī)功率達(dá)到，因此多天線和空時處理技術(shù)成為 c d ma系統(tǒng)中的重 要研究課題。下一代無線通信面臨的主要問題有:更高的傳輸速率、有限的頻 譜資源、惡劣的傳輸環(huán)境、低的發(fā)射功率，多天線系統(tǒng)是解決這些問題的有效 方法之一。在 c d m a系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用的多天線技術(shù)有: 扇區(qū)天線、空間 復(fù)用天線、空間分集天線和智能天線技術(shù)。 1 、扇區(qū)天線 小區(qū)扇區(qū)天線可以認(rèn)為是一種簡化的、固定的空域預(yù)分配天線系統(tǒng)。扇區(qū) 天線通過減少無用方向的電磁波輻射 ( 干擾)來增加蜂窩移動通信系統(tǒng)的頻譜 利用率，利用了天線陣增益，減少了發(fā)射功率。 2 、多輸入輸多出天線 多輸入多輸出 ( m u l t i p l e i n p u t m u lt ip l e o u tp u t m i mo ) 技術(shù)是無線移動 通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破。 mi m o技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍 地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。普遍認(rèn)為， mi m o將是新一代移動通信 系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。 在 3 g p p的高速下行分組接入方案中提出了m i m o 天線系統(tǒng)的概念，這種系統(tǒng)在發(fā)送和接收方都有多副天線，可以認(rèn)為是雙天線 分集的 進(jìn)一步擴(kuò)展。 它的 工作原理是將串 行的數(shù)據(jù)流映射為并行傳送， 接收端 再相應(yīng)地把并行信號流合成串行數(shù)據(jù)流，接收信號靠不同天線信號在無線信道 中的不相關(guān)性來區(qū)分。各天線陣元的間隔距離要求比較大，以保證信號的不相 關(guān)性，因此 mi mo系統(tǒng)適合在散射嚴(yán)重的多徑環(huán)境使用，甚至 m i mo系統(tǒng)在 沒有直射徑的瑞利衰落條件下工作得更好。 對于 m i m o系統(tǒng)來說，多徑可以 作為一個有利因素加以 利用。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩上學(xué)位論文 m i mo通過多天線發(fā)射多數(shù)據(jù)流并由多天線接收實現(xiàn)最佳處理，可實現(xiàn)很 高的容量。這種最佳處理是通過空時編碼和解碼實現(xiàn)的。空時編碼技術(shù)是同時 從空間和時間域考慮設(shè)計碼字，它的基本原理是在多個天線上同時發(fā)送信息比 特流所產(chǎn)生的向量，利用發(fā)送天線所發(fā)送序列的正交性來獲得增益。近年來， 基于 mi mo天線系統(tǒng)的空時編碼技術(shù)得到了深入的研究?；诜旨l(fā)射的空 時碼可以分為空時格形碼 ( s p a c e - t i m e t r e l l i s c o d e ) 和空時分組碼 ( s p a c e - t i m e b l o c k c o d e ) ?？諘r格形碼有較好的性能， 但其譯碼復(fù)雜度與傳輸速率成 指數(shù)關(guān)系，實現(xiàn)難度較大?？諘r分組碼性能稍遜于空時格形碼，但由于利用了 正交設(shè)計理論，其譯碼復(fù)雜度很低，還可能得到最大的分集發(fā)射增益。 w c d m a 提 案中 的空 時 發(fā) 射 分 集 ( s p a c e t im e t r a n s m itt e r d i v e r s it y , s t t d ) 技 術(shù)即為基于發(fā)射分集的空時分組編碼?？諘r編碼后的信號經(jīng)過多條相關(guān)較小的 無線信道到達(dá)接收端，接收端通常需要知道各個無線信道的理想?yún)?shù)，這就要 求發(fā)射端發(fā)射不同的訓(xùn)練序列，接收端采用大量的信道估計運(yùn)算，才可以達(dá)到 空時分集效果。為此， 也有學(xué)者在研究不用信道估計的盲空時碼1 6 ,7 1 3 、智能天線 在多天線技術(shù)中，最受關(guān)注的是智能天線技術(shù)，國際電 聯(lián)已明確將智能天 線技術(shù)作為三代以后移動通信技術(shù)發(fā)展的主要方向。智能天線通常也被稱作自 適應(yīng)天線，主要用于完成空間濾波和定位。從本質(zhì)上看，智能天線利用了天線 陣列中各單元之間的位置關(guān)系，即利用了信號的相位關(guān)系，這是它與傳統(tǒng)分集 技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別。從一定意義上看，智能天線可看作是一種空分多址 s d ma ( s p a t i a l d iv i s i o n m u lt i - a c c e s s ) ， 在s d m a中， 多 個用 戶可 共享 一 個 信 道， 這 將極大地增加系統(tǒng)容量。智能天線按其實現(xiàn)方式，可以分為固定波束天線、動 態(tài)相控天線和自 適應(yīng)波束天線。 1 )固定波束天線利用多個并行波束覆蓋整個用戶區(qū)，每個波束的指向是 固定的。隨著用戶在小區(qū)中的移動， 基站選擇不同的相位波束，使接收信號最 強(qiáng)。但當(dāng)用戶處于波束邊緣，千擾信號位于波束中央時，接收效果最差，所以 固定波束天線不能實現(xiàn)信號最佳接收。 2 )動態(tài)相控天線是通過對來波方向 ( d o a)的估計，使波束實時地跟蹤 目的用戶信號，其目 標(biāo)在于實現(xiàn)最大功率輸出。 3 )自 適應(yīng)波束天線不僅要估計目的信號的來波方向，而且同時要估計干 擾信號的方向，此時形成的數(shù)字波束能夠?qū)⒎较驁D的零陷對準(zhǔn)干擾方向，從而 使輸出的信干噪比達(dá)到最大。 簡單地看，智能天線的關(guān)鍵技術(shù)包括兩個方面:智能化上行和智能化下 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論3 行。 上行鏈路是指信號從各移動臺發(fā)往基站時所經(jīng)歷的空間物理信道，為了給 智能下行發(fā)射提供依據(jù)并滿足無縫軟切換的要求，在上行中需要估計出一些反 映 用戶空間 位置 信息的 參量， 如d o a 、 空 域特性s s ( s p a t i a l s i g n a t u r e ) 等。 這些用戶的特征參量是聯(lián)結(jié)上行和下行鏈路的橋梁，它們的估計精度將直接影 響到下行選擇性發(fā)送的性能。目前，完成智能化上行的方法主要有兩類:基于 高分辨率陣列信號處理方法和基于信號時域結(jié)構(gòu)方法。前一類方法主要有兩大 類:子空間方法 ( 如 mu s i c , e s p r i t算法等)和基于參數(shù)估計準(zhǔn)則的方法 ( 如最大似然算法等) 。后一類方法主要利用了信號的時域信息和先驗特征 ( 如循環(huán)平穩(wěn)特性、恒模特性、有限碼集特性等)進(jìn)行空域處理。 下行鏈路是指信號從基站發(fā)往移動用戶時所經(jīng)歷的空間物理信道。智能化 下行又叫下行選擇性發(fā)送，即利用用戶的空間差異，保證每個用戶只接收到基 站發(fā)給它自己的下行信號，而不受同一信道中基站發(fā)給其他用戶信號的干擾。 實現(xiàn)下行選擇性發(fā)送有兩種方式:基于反饋的方法和基于上行鏈路參數(shù)估計的 方法。前一種方法的思想是:基站通過移動臺返回基站的特殊的反饋訓(xùn)練信 號， 估計出下行信道的響應(yīng)情況。 但這種方法的 缺點(diǎn)是既浪費(fèi)下行信道又浪費(fèi) 上行信道的帶寬。而基于上行鏈路參數(shù)估計的方法是利用一些特征參量，根據(jù) 上下行鏈路的不變性，通過各用戶對上行信號的估計確定下行鏈路的波束形成 方 案 6 ,8 1 從上述分析可以看出， 采用多天線技術(shù)， 利用空域信息和空間通信技術(shù)進(jìn) 行信號處理，可以有效地抵抗衰落、克服功率和容量極限。不同的多天線技術(shù) 適用于不同的通信系統(tǒng)，從發(fā)展的趨勢來看，可以將多種多天線技術(shù)有效的組 合以適應(yīng)多種需求。本文的研究內(nèi)容智能天線波束形成與 mi mo空時編 碼結(jié)合技術(shù)，就是這些多天線技術(shù)的一種組合實現(xiàn)方案。 1 .3 研究目的和意義 空時編碼是一種利用多個發(fā)射天線對信息符號在時間域上和空間域上的聯(lián) 合編碼方式， 通過在不同天線發(fā)射的信號之間引入時域和空域相關(guān)，實現(xiàn)時間 上和空間上的分集，可以獲得顯著的空間復(fù)用效果和空間分集增益，進(jìn)而提高 系統(tǒng)的性能 增大系統(tǒng)的容量。空時編碼要求編碼輸出的各子數(shù)據(jù)流應(yīng)該經(jīng)歷 低相關(guān)或近似獨(dú)立的衰落信道到達(dá)接收機(jī)，這樣，接收端才能利用最大似然算 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 法進(jìn)行譯碼。所以，mi mo系統(tǒng)中天線陣元的間隔必須足夠大 ( 對均勻線性陣 列大約 1 0個波長以上) ，才能保證不同發(fā)射天線到達(dá)接收機(jī)的信道之間的不相 關(guān)性9 。同時，多 天線的引入也在一定程度上增加了符號間 干擾和用戶間 干 擾。 波束形成的主要目的則是通過對天線陣列的加權(quán)來調(diào)整發(fā)射或接收天線陣 列的方向圖，在期望信號方向上形成主波束，而在干擾方向上形成零陷，使盡 可能窄的波束在基站和移動臺之間形成點(diǎn)對點(diǎn)的近似有線化的無線通信鏈路， 以此獲得可觀的陣列增益，改善系統(tǒng)性能。但是，波束形成技術(shù)要求從所有天 線發(fā)射或接收的信號之間具有高度的相關(guān)性，因此，天線陣列中陣元間隔必須 足夠小 ( 對均勻線性陣列通常為半個波長) 5 , i 0 通過以上分析可知，從應(yīng)用角度， 空時編碼技術(shù)與波束形成技術(shù)可以 進(jìn)行 優(yōu)勢互補(bǔ)， 通過將兩者結(jié)合實現(xiàn)應(yīng)該能夠更好的提高系統(tǒng)的 性能和增加系統(tǒng)的 容量。 但從系統(tǒng)實現(xiàn)角度，兩者對天線結(jié)構(gòu)的要求的顯著差異又使得兩者不能 簡單的結(jié)合在一起使用，必須通過合適的策略才能將兩者有機(jī)的結(jié)合起來。 因此，空時編碼結(jié)合波束形成技術(shù)的關(guān)鍵就是要努力實現(xiàn)兩個或多個互不 相關(guān)的信道，然后在每一個信道上進(jìn)行波束形成。對于這種既能獲得分集增 益，同時也能獲得波束形成增益的結(jié)合技術(shù)的研究既有很大的理論意義，也有 很大的實際意義。 1 .4 國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析 多輸入多輸出 ( mi m o )技術(shù)，作為天線分集技術(shù)的一個重要分支，是無 線移動通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的 重大突破。 早在 1 9 % 年， e . t e l a t a r 和 g j . f o s c h i n就指出，在準(zhǔn)平穩(wěn)瑞利衰落信道下采用 me a ( mu l t i - e l e m e n t a r r a y ) 技術(shù)可以明顯提高信道的容量，這種多發(fā)送和多接收天線的信道模型被稱為 m i m o信道。在此基礎(chǔ)上一些學(xué)者對如何充分利用 m i mo信道的容量，提出 了不同的空時處理方案。如貝爾實驗室的 f o s c h i n i 等人提出了分層空時結(jié)構(gòu) ( b l a s t : b e ll l a b o r a t o r i e s s p a c e t im e ) 處 理 方 案， 將 信源 數(shù) 據(jù)分 成幾 個 子 數(shù) 據(jù)流， 獨(dú)立地進(jìn)行編碼和調(diào)制， 而沒有基于發(fā)射分集。 a t 美國r e d c o m公司則在時分 多址的 p h s系統(tǒng)中實現(xiàn)了智能天線，以上是最先商用化的智能天線系統(tǒng)。同 時，國內(nèi) 外眾多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)也廣泛研究了多種智能天線的波束形成算法和 實現(xiàn)方案。1 9 9 8 年電信科學(xué)技術(shù)研究院代表我國電信主管部門向國際電 聯(lián)提交 的 t d - s c d ma r t t建議和現(xiàn)在成為國際第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)之一的 c d ma t d d技術(shù) ( 低碼片速率選項) ，就是第一次提出以智能天線為核心技術(shù)的 c d m a通信系統(tǒng)， 在國內(nèi) 外獲得了 廣泛的認(rèn)可和支持5 ,1 0 1 以上分別介紹的是 mi mo空時編碼技術(shù)和智能天線自 適應(yīng)波束形成技術(shù) 在國內(nèi)外的研究和發(fā)展?fàn)顩r，關(guān)于這兩種技術(shù)的結(jié)合研究才剛剛興起。 智能天線波束形成與 mi m o空時編碼結(jié)合技術(shù)的研究在國外開展較早。 最 早由 美國 卡納 基 梅隆 大 學(xué)的 印 度 籍 學(xué) 者n e g i 在 文 獻(xiàn)【 1 1 中 提出 ， 之 后 受 到 學(xué) 術(shù)界的廣泛重視。1 9 9 9年，美國斯坦福大學(xué)信息系統(tǒng)實驗室的 h e a t h r . w.和 p a u l r a j a .在文 獻(xiàn)【 1 2 中 探討了 波束形成與空時 編碼發(fā)射分集技術(shù)的 有機(jī)結(jié) 合。 作者提出了一種多天線陣列系統(tǒng)模型，相對于以往發(fā)射分集是通過在發(fā)射端使 用多天線陣元來實現(xiàn)的，該系統(tǒng)是通過多波束發(fā)射來實現(xiàn)發(fā)射分集的。每一個 天線陣元被一個天線陣列所取代，整個系統(tǒng)同時實現(xiàn)了發(fā)射分集和波束形成的 效果。理論推導(dǎo)和仿真試驗均表明，采用這種方案降低了系統(tǒng)所需的發(fā)射功 率，干擾功率也同時降低，系統(tǒng)容量有了較大提高。 在日本，索尼計算機(jī)科學(xué)實驗室和先進(jìn)通信技術(shù)實驗室的 r o b e r t h . m o r e l o s 和m o h a - m m a d g h a v a m i 研究了 在室內(nèi) 無線環(huán)境下， 采用波束形成和空 時分組編碼結(jié)合技術(shù)對高速無線通信系統(tǒng)性能的改善。他們提出了一種稱為波 束空時 編碼的 方案， 其中 可控數(shù)目 的 波束 可以 用于空時 編碼 1 3 ,1 4 1 。 研究表明， 在使用多相調(diào)制方式時， 根據(jù)空間信道的不同 條件來選擇發(fā)射波束的數(shù)目 ， 可 以顯著改善系統(tǒng)的誤碼性能。 新 加 坡 無 線通 信 技 術(shù) 研究中 心的f r a n c o i s p . s . c h in , y m g - c h a n g l ia n g 等 人 在文獻(xiàn) 1 s 中闡述了下行鏈路采用波束形成結(jié)合空時編碼的傳輸方案， 它是在 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 a l a m o u t i 的兩發(fā)一收空時分組編碼方案的基礎(chǔ)上提出的。在基站，經(jīng)過空時編 碼器輸出的并行信息流被分別送入兩個波束形成器加權(quán)，輸出信號進(jìn)行線性疊 加后通過單天線陣列發(fā)射，在移動臺使用單天線接收。基站處發(fā)射波束權(quán)向量 按照最大接收信噪比準(zhǔn)則優(yōu)化選取。這種方案可以同時獲得分集增益和波束形 成增益，相比單一的智能天線波束成形方案或 mi m o空時編碼發(fā)射分集方 案，系統(tǒng)性能有了較大提高。 韓國 全北國 立大學(xué)信息技術(shù)研究所的f . z h u和m . s . l i m對yn g - c h a n g l i a n g 等人在文獻(xiàn) 1 5 中 描 述的 方案作了 擴(kuò)展研究， 他們提出了 使用雙天線陣 列 發(fā)射的波束形成結(jié)合空時編碼方案。研究結(jié)果表明，使用單天線陣列發(fā)射的波 束形成結(jié)合空時編碼系統(tǒng)，其性能受信號 d o a 以及角度擴(kuò)展的影響波動較 大;而使用雙天線陣列發(fā)射時，系統(tǒng)性能比 單天線陣列系統(tǒng)有了一定提高并且 保持穩(wěn)定，基本不隨信號d o a以 及角度擴(kuò)展變化 1 6 ,1 7 在國內(nèi)，波束形成和空時編碼結(jié)合技術(shù)的相關(guān)研究起步較晚。吉林大學(xué)通 信工程學(xué)院的王琳琳、王樹勛等在文獻(xiàn)【 1 8 中提出了基于三階循環(huán)統(tǒng)計的盲波 束形成方法，在此基礎(chǔ)上將波束形成和空時編碼相結(jié)合，基站使用多天線陣列 發(fā)射，移動臺使用多天線接收。仿真結(jié)果表明，這種方案改善了移動臺接收信 號的誤比特率，同時增加了系統(tǒng)容量。 香 港城市大學(xué)的 李平與西安電 子科學(xué)技術(shù)大學(xué)的張林讓在文獻(xiàn)【 1 9 中 從邊 界容量的角度，研究了基于波束形成和空時編碼結(jié)合技術(shù)的多天線系統(tǒng)在不同 的陣元配置方案下對降低基站發(fā)射功率的影響，為多天線系統(tǒng)的設(shè)計提供了有 價值的參考方案。 以上介紹的波束形成和空時編碼結(jié)合技術(shù)都是重點(diǎn)研究在下行鏈路的應(yīng) 用， 在文獻(xiàn) 2 0 ) 2 1 中 重點(diǎn) 研究了 在上行鏈路將兩者的結(jié)合實現(xiàn)。 上行鏈路將 兩者結(jié)合的方法是在基站接收機(jī)側(cè)重點(diǎn)使用波束形成，而在移動臺發(fā)射機(jī)側(cè)重 點(diǎn)使用空時編碼。選取這樣的結(jié)構(gòu)是因為受移動臺尺寸和功耗的限制，移動臺 側(cè)應(yīng)盡量使用簡單的結(jié)構(gòu)和低運(yùn)算量的算法。 文獻(xiàn) 2 2 2 3 1 分析了不同角度擴(kuò)展對波束形成結(jié)合空時編碼發(fā)射策略的性 能的影響。研究表明，當(dāng)角度擴(kuò)展較小時，波束形成起主導(dǎo)作用;當(dāng)角度擴(kuò)展 較大時，空時編碼起絕對作用。 目 前，一般對波束形成結(jié)合空時編碼技術(shù)的研究都是假設(shè)信道為平坦衰落 信道，即不考慮碼間串?dāng)_ ( i s d 的影響。但隨著通信應(yīng)用領(lǐng)域的逐漸拓寬，高 速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)越來越多， 信號帶寬逐漸增大，因此， 對波束形成和空時編碼 結(jié)合技術(shù)在頻率選擇性衰落信道中的性能和算法的研究也越來越重要，并己成 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 為該領(lǐng)域未來的發(fā)展方向，目 前已 有學(xué)者在這方面開始先期探索12 1 ,2 4 ,2 5 1 1 .5 本文研究內(nèi)容和組成結(jié)構(gòu) 本課題為理論研究，屬于預(yù)先研究類型。 本文重點(diǎn)研究了將智能天線自 適 應(yīng)波束形成與 mi m o空時編碼兩種技術(shù)相結(jié)合的理論和實現(xiàn)，提出了 兩種不 同的下行鏈路傳輸方案，最后通過計算機(jī)仿真來驗證結(jié)合技術(shù)在下行鏈路中對 系統(tǒng)性能的改善程度。 本文的結(jié)構(gòu)主要分為以下五個部分: 第一章為緒論，主要介紹了本課題的來源和背景，幾種常用的多天線技 術(shù)，提出研究本課題的目的、意義及先進(jìn)性，對國內(nèi)外在該方向上的研究狀況 進(jìn)行調(diào)研之后，確定課題實施方案。 第二章，概述了智能天線波束形成技術(shù)和 mi mo空時編碼技術(shù)。介紹了 有關(guān)智能天線的基本原理和概念，自 適應(yīng)陣列模型分析和自 適應(yīng)算法的分類及 運(yùn)算原理。闡述了空時編碼的概念、分類以及一般原理和算法，重點(diǎn)闡述了 a l a m o u t i s t b c方案的編譯碼原理。最后比 較了兩種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)的 深入研究奠定理論基礎(chǔ)。 第三章，詳述了波束形成與空時分組編碼結(jié)合技術(shù)的實現(xiàn)。通過分析兩種 技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)的難點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)那腥朦c(diǎn)，提出了兩種不同的下行鏈路傳輸方 案。其中，結(jié)合方案采用的是基于智能天線的m陣元單陣列結(jié)構(gòu)，結(jié)合方 案( 1 1 ) 使用的是兩個m1 2 陣元子陣列分集發(fā)射的結(jié)構(gòu)，文中分別討論了兩種方 案的系統(tǒng)模型和編譯碼算法的原理及實現(xiàn)。 第四章為仿真模型和方案設(shè)計，是理論與實際的結(jié)合點(diǎn)。給出了 信源模型 的設(shè)計， 仿真中所用到的無線傳輸衰落信道模型， 包括瑞利信道模型和萊斯信 道模型的設(shè)計，討論了信號達(dá)到角度的分布規(guī)律，最后闡述了系統(tǒng)仿真模型的 整體方案。 第五章，對仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。分別對兩種結(jié)合方案相對于傳統(tǒng)的 單天線發(fā)射、a l a m o u t i s t b c和智能天線波束形成三種技術(shù)的性能進(jìn)行了比較 分析，并給出相應(yīng)的曲線，通過對兩種方案的橫向比較給出了最佳結(jié)合方案的 選擇，最后得到本文研究的結(jié)論。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章 波束形成技術(shù)和空時編碼技術(shù)概述 2 . 1 智能天線波束形成技術(shù) 2 . 1 . 1 智能天線的分類和原理 智能 天線主 要可分為 兩類: 切換波束 天線和自 適應(yīng)天線陣 列2 6 1 切換波束天線波束成形的基本思想，是利用多個事先預(yù)置的并行波束覆蓋 整個用戶區(qū)，每個波束的指向是固定的，波束寬度隨陣元數(shù)目 確定而確定。 基 站根據(jù)小區(qū)內(nèi) 移動用戶的 d o a信息，選擇相應(yīng)的發(fā)射波束，使得移動臺接收 到較強(qiáng)的有用信息，同時接收到較弱的干擾信號。切換波束天線的接收機(jī)原理 圖如圖2 - 1 所示。 估出的信號 圖2 - 1切換波束天線接收機(jī)原理圖 在接收機(jī)中，空間角度搜索模塊的作用是尋找移動用戶所在波束; 信號濾 波器只對波束指向的用戶進(jìn)行信號處理，在 t d d 方式下，可結(jié)合聯(lián)合檢測技 術(shù)進(jìn)行濾波。在切換波束天線系統(tǒng)中，利用天線陣列發(fā)射一系列互相重疊的波 束，對整個小區(qū)進(jìn)行全方位覆蓋。由于每個波束能量集中方向不同，相互間以 一定角度區(qū)分。操作時，系統(tǒng)掃描并計算所有波束的輸出功率，找出 最大波 束，向用戶定向發(fā)射或接收，然后在該波束內(nèi)進(jìn)行信號濾波，估計出所需信 號。若用戶從一波束覆蓋區(qū)移動到另一波束覆蓋區(qū)，智能天線需要重新掃描， 并定位到相應(yīng)的波束。在用戶激活期間，系統(tǒng)總是動態(tài)分配給它一個波束。由 于切換多波束天線不能明確給出用戶位置，通常情況下，只能作為接收天線使 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 用。與全向天線和扇形天線相比，切換波束天線的波束覆蓋范圍較小，故能減 小其他用戶的干擾，提高系統(tǒng)性能。 自 適應(yīng)天線陣列的接收設(shè)備與切換波束天線有些相似，都是基于波束的， 但具體操作不同。自 適應(yīng)天線陣列的接收機(jī)框圖如圖2 - 2 所示。 拈出的信號 圖2 - 2自 適應(yīng)天線陣列原理圖 自 適應(yīng)天線主要采用一個天線陣列，對每個用戶進(jìn)行到達(dá)角度估計。在對 移動用戶正確定位的基礎(chǔ)上估計用戶信道，最后得到期望的信號。圖 2 - 2中 d o a估計模塊是接收機(jī)最重要的一個部分。 接收機(jī)根據(jù)d o a定位移動用戶位 置，以形成對應(yīng)波束，并在波束覆蓋區(qū)內(nèi)建立通信鏈路。 信道估計模塊對每個 波束的用戶信道進(jìn)行估計，為后面的信號恢復(fù)提供信道信息。信號濾波器利用 這兩個模塊提供的估計信息， 對接收到的信號進(jìn)行濾波處理，消除符號間千擾 和用戶間干擾。與切換多波束天線不同，自 適應(yīng)天線能準(zhǔn)確估計用戶位置， 利 用基站分配的波束進(jìn)行上下行鏈路通信。通信時，波束直接對準(zhǔn)用戶，以減小 多徑形成及其他用戶的干擾，最終的好處就是降低發(fā)射功率，擴(kuò)大基站覆蓋范 圍，提高蜂窩容量。 通常，智能天線指的是自 適應(yīng)天線陣列，本文以 下章節(jié)的討論只針對自 適 應(yīng)天線陣列。 2 . 1 .2 自 適應(yīng)天線陣列分析模型 自 適應(yīng)天線的陣元排列方式有直線型、圓環(huán)型和平面型等幾種類型，其中 等間距線性天線陣最為常見，它使用一列低增益天線陣元連接在合并網(wǎng)絡(luò)上。 本文中針對結(jié)合技術(shù)的研究也是基于均勻線性陣列，以下給出均勻線陣的分析 模型(8 ) 。為了 簡化天線陣列的分析， 作如下假設(shè): 哈爾濱工業(yè)人學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 1 ) 陣元間距足夠小， 不同陣元接收到的信號幅值相同。 2 ) 陣元之間沒有禍合。 3 ) 陣列口 徑上的入射信號頻帶相對載頻來說較小。 均勻線陣的分析模型如圖 2 - 3所示。 設(shè)必 是入射到陣列上的平面波的方位 角，8 是仰角， 水平面用口 二 刁2 表示。 圖2 - 3均勻線性陣列分析模型 對于來自 ( 0 1 0 ) 方向 的 入 射平面波， 入 射在陣 元 m和原點(diǎn) 參考陣 元的 信號 分量間的相位差可表示為: a y/ m = 那d . = / 6 ( x . c o s 護(hù) s i n g + y m s i n 護(hù) s i n g + z . c o s 0 ) ( 2 - 1 ) 其中16 二 2 司a 為 相 位 傳播因 子。a 代 表 波長， 等于c l f ， 其中 是 光 速， 3 x l o n v s , f是 載波頻 率， 單 位 是h z . a y/ . 表 示相 位差， 心代表 距離 差， (x.， 凡， 2 . ) 為第m個陣元的空間 坐標(biāo)。 我們用s ( t ) 表示基帶復(fù)包絡(luò)的調(diào)制波形。 a代表基帶信號經(jīng)過移動信道后 的增益， 用一個任意的常量來表示。同時假設(shè)所有陣元都是無噪聲的各向同性 天線，在各個方向具有相同的增益，第 m個陣元上接收到的信號可以表示為 u m ( t ) 下 面 討 論均 勻線陣 情況 下陣 列 輸 入 輸出 端 信號的 表示 形式。 圖 2 - 3中，設(shè) m 個陣元沿 x軸排列，陣元間距為a x 。陣列輸入端信號 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 為: u rt, ( t ) = a s ( t ) e p m e c = a s ( t ) e - r p m 接收端的噪聲為加性高斯白 噪 聲，且功率為1 :發(fā)送功率平均分配到每一個發(fā)送天線上，則容量公式為: . _p _ _ _ _ 。 、 刁._ _ c= 1 0 9 2 1 d e t ( ! , + - ,u h ) b l t / s / h z lm ( 2 - 1 4 ) 固定n ，令m增大，使 得 共 h h 。 吞 幾全 ，這時可以得到容量的近似表達(dá)式: c= n l o g , ( 1 + p ) b it / s / h z ( 2 - 1 5 ) 從上式可以看出，此時的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。也就 是說可以利用 mi mo信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā) 送功率的情況下， 頻譜利用率可以 成倍地提高3 2 ,3 3 1 利用 m i m o技術(shù)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 mi mo 信道提供的空間復(fù)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(xiàn)空間復(fù)用增益的算法主要有b e l l 實驗室 的b l a s t算法、z f 算法、 mms e算法、m l算法。m l算法具有很好的譯碼 性能，但是復(fù)雜度比 較大，對于實時性要求較高的無線通信不能滿足要求。z f 算法簡單易實現(xiàn)，但是對信道的信噪比要求較高。性能和復(fù)雜度最優(yōu)的是 b l a s t算法，該算法實際上是使用 z f算法加上干擾刪除技術(shù)得出的。目 前 m i m o技術(shù) 領(lǐng)域的 一個研究熱點(diǎn) 就是 空時 編碼 7 ,9 ,3 2 ,3 3 1 。 空時 編碼利用了 空間和 時間上的分集，從而降低信道誤碼率。 2 .2 .2 空時編碼的基本概念和分類 空時編碼是針對發(fā)射分集提出的一種編碼和信號處理技術(shù)，其最初的概念 來源于延時發(fā)射分集方案。 在這種方案中， 基站在不同的時間從多個發(fā)射天線 發(fā)射同 樣的信號，即人為地產(chǎn)生多徑干擾的效果， 使得信號同時具有時間和空 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 間特征。在接收端，通過采用最大似然序列估計 ( m a x i m u m l ik e l ih o o d s e q u e n c e e s t i m a t i o n , m l s e ) ， 或最小 均方 誤差估計 ( m i n i m u m m e a n s q u a r e d e r r o r , m m s e ) 進(jìn)行分集接收， 對多徑干擾進(jìn)行分辨，從而獲得分集增益。 迄今為止提出的空時編碼分為兩種形式:空時格形碼和空時分組碼。 空 時 格 形 碼是空時 編 碼 技術(shù) 和格 形 編 碼 技術(shù) 的 結(jié) 合 3 4 1 。 空時 格形 碼 每次 輸 入一個碼元產(chǎn)生一列向量碼元，其長度代表天線?？諘r格形碼把輸入碼片流編 碼成輸出向量碼片流。因為譯碼器具有記憶性，所以這些向量碼片在時間上是 相關(guān)的。譯碼借助最大似然序列估計來完成。像用于單天線信道的傳統(tǒng) t c m ( t r e l l i s c o d e d mo d u l a t i o n ， 格形編碼調(diào)制)一樣，空時格形碼提供了一定的 編碼增益，此外還提供了全部的分集增益。圖 2 一給出了空時格形碼編譯碼的 框圖。 # t l c c ( m ) 匹配濾波器 卜 側(cè)解擴(kuò) 卜- 州 信道估計 空時向 量維特 比譯碼 匹配濾波器 卜 一 側(cè)解擴(kuò) 汗信道估計 圖2 - 4空時格形編碼的調(diào)制解調(diào)