現(xiàn)代通信技術(shù)概論結(jié)課論文

現(xiàn)代通信技術(shù)概論

結(jié)課論文■_rJ2015年春季學(xué)期題目：多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)專業(yè)班級：二姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：聯(lián)系方式：成績：摘要多輸入多輸出系統(tǒng)摘要隨著信息技術(shù)在生活中的越來越深入廣泛的應(yīng)用，無線數(shù)字通信在現(xiàn)今的地位變得越來越重要。面對越來越高的通信速度和質(zhì)量要求，傳統(tǒng)的無線數(shù)字系統(tǒng)顯然無法勝任。在人們廣泛的研究時(shí)間、頻率、碼元等資源的利用效率同時(shí)，多輸入多輸出技術(shù)理論（MIMO：Multiple-InputMultiple-Qutft稱為：多天線技術(shù)為移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)帶來了新的增長點(diǎn)。本文將著重論述MIMO技術(shù)的一些基本模式以及一些技術(shù)要求。關(guān)鍵詞：MIMO，多天線，信號檢測，欠定義MIMO系統(tǒng)，多用戶MIMO系統(tǒng)目錄目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1概述12MIMO信號檢測錯(cuò)誤！未定義書簽。2.1MIMO系統(tǒng)基礎(chǔ)錯(cuò)誤！未定義書簽。\o"CurrentDocument"2.2經(jīng)典MIMO信號檢測32.2.1最大似然MIMO信號檢測32.2.2線性MIMO信號檢測5\o"CurrentDocument"3兩種經(jīng)典的MIMO系統(tǒng)簡介63.1欠定義MIMO系統(tǒng)63.2多用戶MIMO系統(tǒng)7\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn)81:概述從1978年貝爾實(shí)驗(yàn)室在芝加哥成功試驗(yàn)了第一個(gè)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，即高級移動(dòng)電話業(yè)務(wù)(AdvancedMobilePhoneService，AMPS)開始，移動(dòng)通信進(jìn)入了飛速發(fā)展的時(shí)代。截至2012年6月，手機(jī)網(wǎng)用戶數(shù)量首次超過了計(jì)算機(jī)上網(wǎng)用戶數(shù)量［1］。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速增長，此類服務(wù)對于數(shù)據(jù)傳輸速率以及傳輸質(zhì)量的要求也就越來越高。根據(jù)香農(nóng)理論，其對應(yīng)的無線頻譜資源的需求也相應(yīng)增長，從而導(dǎo)致適用于無線通信的頻譜資源變得日益緊張，成為制約無線電通信發(fā)展的主要瓶頸。如何在復(fù)雜的環(huán)境和有限的帶寬下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和高速率的無線信號傳輸一直是移動(dòng)通信技術(shù)所需解決的關(guān)鍵問題。理論分析和工程實(shí)踐已經(jīng)證明了在發(fā)送端和接收端采用天線列陣或多天線技術(shù)可以在不增加帶寬和發(fā)送功率的前提下大幅提高系統(tǒng)的信道容量以及頻率利用率。多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)因其具有隨天線數(shù)量呈線性增長的理論信道容量，被公認(rèn)為是現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。本文介紹了MIMO系統(tǒng)信號檢測方法以及發(fā)送端和接收端經(jīng)典的組合。2.MIMO信號檢測2.1.MIMO系統(tǒng)基礎(chǔ)現(xiàn)代無線數(shù)字通信對于傳輸速率的要求日益增長，傳統(tǒng)的單輸入單輸出(Single-InputSingle-Output，SISO)無線傳輸系統(tǒng)(即發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均配有單根天線的系統(tǒng))已經(jīng)無法充分滿足相應(yīng)需求。經(jīng)典單工SISO系統(tǒng)模型如圖2-1所示。其相應(yīng)的接收信號可以表示為：TOC\o"1-5"\h\zy=hs+n(2.1)其中，h、s、n分別表示信道增益、發(fā)射信號和噪聲。于是我們可以得出相應(yīng)的信道容量(bit/s/Hz)為C=E(log(1i^2￡))<log(1+E(lh|2)U)(2.2)C2Q2其中P=E(ls|2)，Q2=E(ln|2)，且不等號來自詹森不等式［2］。由式(2.2)s可以看出，信道容量隨著信噪比(即P/Q2)呈指數(shù)增長。為了獲得足夠高的傳輸速率，我們需要持續(xù)提高信噪比或者利用充分大的帶寬。在無線通信中，由于路徑損耗的存在，充分大的接收信噪比并不是能夠輕松獲得的。因此我們需要充分大的傳輸帶寬來支持足夠高的傳輸速率。然而，受到無線電頻譜資源稀疏性的影響，單純利用大寬帶來獲取高速率并不現(xiàn)實(shí)。從另一個(gè)角度來考慮此問題，我們可以在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)上都裝配多根收發(fā)天線來提高頻譜效率，相應(yīng)的系統(tǒng)就被稱為多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO）。經(jīng)典的單工MIMO系統(tǒng)傳輸模型如圖2-2所示。圖2-1經(jīng)典單工SISO系統(tǒng)模型圖2-2經(jīng)典的單工MIMO系統(tǒng)傳輸模型以2收2發(fā)系統(tǒng)為例，由于每根天線均能接收到來自不同發(fā)射天線的信號，2根接收天線上的接收信號可以表示為：y=hs+hs+nTOC\o"1-5"\h\z1111221\o"CurrentDocument"y=hs+hs+n（2.3）2112222其中，?、sj、n,分別表示從第j根發(fā)射天線到第i根接收天線的信道增益、第j根發(fā)射天線的發(fā)射信號以及第i根接收天線上的加性噪聲。定義y=[y1y2]「，這可利用矩陣乘法表示接收信號的矢量：y=Hs+n（2.4）這里我們有信道矩陣H=[h11"12]，發(fā)射信號矢量S=[*],噪聲矢量h21"22S2n.n=[1]。相應(yīng)的系統(tǒng)模型已經(jīng)能夠較為直觀的擴(kuò)展到配有M根發(fā)射天線和N根n2接收天線的任意MIMO系統(tǒng)。作為一種信道模型，加性高斯白噪聲(AWGN)信道通常被用于MIMO系統(tǒng)的理論分析和仿真。在AWGN信道中，接收噪聲矢量n被假設(shè)為零均值的球?qū)ΨQ復(fù)高斯(CSCG)隨機(jī)矢量，其均值E(nnH)=N01，協(xié)方差矩陣為R，即n~CN(0,R)⑶。相關(guān)研究表明，式(2.4)所描述的MIMO系統(tǒng)的信道容量隨著發(fā)射天線和接收天線數(shù)中的較小呈線性增長，其條件為信道增益h.為互相獨(dú)立的零均值CSCG隨機(jī)變量。因此，對于給定的帶寬資源，如果系統(tǒng)裝配更多天線，便能在不增加傳輸功率的前提下獲取更高的傳輸速率。為了獲取這一信道容量增益，我們需要在MIMO系統(tǒng)中使用高效的信號調(diào)制方式。脈沖幅度調(diào)制(PulseAmplitudeModulation，PAM)和正交幅度調(diào)制(QuadratureAmplitudeModulation，QAM)是MIMO系統(tǒng)信號傳輸中比較常用的調(diào)制方式。2.2.經(jīng)典MIMO信號檢測最大似然MIMO信號檢測矩形QAM星座圖可以被視為具有相同水平和垂直間距的格基⑷。在數(shù)字無線通信中，可以通過編碼調(diào)制與解調(diào)譯碼完成二進(jìn)制信息的發(fā)送與接收，當(dāng)忽略符號能量時(shí)，星座圖和對應(yīng)的二進(jìn)制格雷碼(GrayCode)如圖2-3所示。具體來說，當(dāng)采用4-QAM調(diào)制方式時(shí)，其星座圖符號集合以及對應(yīng)的格雷碼見表2-1⑸。

圖2-3星座圖和格雷碼表2-14QAM調(diào)制方式下的符號集合和格雷碼序號符號集合格雷碼1-1+i002-1-i0131+i1041-i11由式(2.4)可知，MIMO信號的檢測即在給定接收信號向量y和信道矩陣H的前提下，對未知的發(fā)送信號向量s進(jìn)行估計(jì)。經(jīng)管我們無法獲取噪聲向量n的精確信息，但是發(fā)送信號向量s的所有可能情況是能夠根據(jù)調(diào)制方式預(yù)先獲取的。對于具有M根發(fā)射天線的MIMO系統(tǒng)，若發(fā)射符號取自星座圖符號集合S，則所有可能的發(fā)送信號向量的數(shù)量為ISIM，這里|SI表示集合中S的符號元素個(gè)數(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)，可能發(fā)送信號向量的數(shù)量隨著M呈指數(shù)增長。綜上可見，最大似然MIMO信號檢測可以通過對所有可能的發(fā)送信號進(jìn)行窮盡檢索，并計(jì)算相應(yīng)的似然函數(shù)值來完成。定義f(yIs)為在接收到信號y時(shí)發(fā)送信號向量為s的似然函數(shù)，則最大似然的發(fā)送信號向量可表述為s=argmaxf(yIs)=argminIIy-HsII2(2.5)swsM由于完成最大似然檢測需要進(jìn)行窮盡檢索，且相應(yīng)所有可能的發(fā)送信號向量的數(shù)量為ISIM，因此相應(yīng)檢測算法的計(jì)算復(fù)雜度會(huì)隨著發(fā)射天線數(shù)量M呈指數(shù)增長。線性MIMO信號檢測為了降低檢測的復(fù)雜度，我們也可以考慮利用線性濾波方式完成檢測過程。在線性MIMO信號檢測中，接收信號y通過一個(gè)線性濾波器完成濾波后，各個(gè)發(fā)送信號量可以進(jìn)行分別檢測。因此，線性濾波器的作用在于分離干擾信號。首先我們考慮迫零檢測[6]迫零檢測線性濾波器定義為W^=H(HhH)-1(2.6)而相應(yīng)的迫零信號估計(jì)為~s疽WHHy=(HhH)-1HHy(2.7)=s+(HhH)-1HHn利用sf和s，發(fā)送信號向量s的硬判決可以通過符號級別的估計(jì)予以完成，具體過程如下。利用式(2.7)，我們有s=[ss...s]t。zf12MJ令S={s⑴s(2)...s(K)}表示K維QAM星座圖符號合集，則s中第m個(gè)發(fā)送符號的硬判決表述為s=argminIs(K-sI2,m=1,2,...M(2.8)s(K)es發(fā)送信號向量s的硬判決由s=[ss...s]T給出。12M然而，由于當(dāng)信道矩陣H近奇異矩陣時(shí)，噪聲即式(2.7)中的(HhH)-1HHn的效應(yīng)將被放大，等效噪聲被放大，所以迫零檢測的性能無法得到很好的保證。

為了減弱在迫零檢測中等效噪聲被放大而帶來的影響，最小均方誤差MinimumMeanSquareError，MMSE）檢測利用了噪聲的統(tǒng)計(jì)特性對迫零檢測方法進(jìn)行改進(jìn)。MMSE濾波器基于最小化的均方誤差，即W=argminE[lls-WHyII2]mnSW=（E（yyH））-1E（ysH）（2.9）=H(HhH+NI)-1Es其中，E表示信號能量。相應(yīng)的發(fā)送信號向量的估計(jì)值表示為?Snmse=Whymmse=(HhH+NI)-1HHy?Snmse=Whymmse=(HhH+NI)-1HHys（2.10）從而我們能夠計(jì)算出相應(yīng)的均方誤差為C=E[(s-Why)(s-Why)h]mmsemmsemmse=I-Hh(HHh+餐I)-1Hs（2.11）E=（I+—HhH=I-Hh(HHh+餐I)-1Hs（2.11）N0每個(gè)發(fā)射符號的均方估計(jì)誤差可以由C的對角元素獲得。再利用式（2.8）mmse中類似的方法，可得發(fā)送信號向量s的MMSE硬判決smmse。3.兩種經(jīng)典的MIMO系統(tǒng)簡介3.1.欠定義MIMO系統(tǒng)我們將發(fā)射天線數(shù)M大于、等于、小于接收天線數(shù)N的MIMO系統(tǒng)的信道矩陣分別稱為胖陣、方陣和瘦陣。根據(jù)文獻(xiàn)[7]MIMO信道容量近似為C,任min（M,N）Cs（3.1）其中，C眼代表SISO系統(tǒng)的信道容量。因此從信道容量的角度出發(fā)，方信道矩陣較優(yōu)。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，我們常見的蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基站的天線個(gè)數(shù)往往大于移動(dòng)終端天線個(gè)數(shù)，而且在下行鏈路中，由于接收端的復(fù)雜度有限，我們必須降低一些調(diào)制方式，并且引入胖陣(即M>N)，這個(gè)時(shí)候每個(gè)發(fā)射天線的頻譜效率將下降到mimo=C<C(3.2)MMsisosiso對于這種欠定義的MIMO系統(tǒng)，目前有很多改進(jìn)技術(shù)能夠應(yīng)用于此。其中ML檢測［8采用窮舉所有可能向量的策略，而列表檢測器首先創(chuàng)建一張候選向量的列表。再從中選擇出一個(gè)最優(yōu)的候選向量。文獻(xiàn)［9?14］中介紹了一系列列表Chase檢測器。但Chase探測器不能實(shí)現(xiàn)完全接收分集階數(shù)，特別是用于欠定義的MIMO系統(tǒng)中。為了提高性能，文獻(xiàn)［15?19］中研究了可用于欠定義系統(tǒng)的廣義球形譯碼(GeneralizedSphereDecoding,GSD)方法。而文獻(xiàn)［20］中介紹了2種非最優(yōu)的分組檢測器，文獻(xiàn)［21］中研究了一種基于幾何方法的欠定義的MIMO系統(tǒng)檢測器。為了更有效的降低復(fù)雜程度，文獻(xiàn)［22］中提出了帶列重排的GSD檢測器，即樹搜索解碼器列重排(TreeSearchDecoding-ColumnReordering,TSD-CR)。多用戶MIMO系統(tǒng)在應(yīng)用了MIMO技術(shù)的多用戶無線電通信系統(tǒng)中，由于用戶所處的地理位置以及信道狀態(tài)均不同，在用戶接入過程中則有可能獲得一種額外的分集增益，即多用戶分集增益。因此，在多用戶MIMO系統(tǒng)中，選擇合適的用戶在合適的信道條件下接入系統(tǒng)對于增大系統(tǒng)吞吐量具有非常重要的意義，其直接影響信號的傳輸質(zhì)量以及接入用戶所能獲得的服務(wù)質(zhì)量。文獻(xiàn)［23］研究了多用戶接入帶來的多用戶分集增益；文獻(xiàn)［24］將多用戶接入擴(kuò)展到了MIMO系統(tǒng)中；文獻(xiàn)［25］分析了MIMO系統(tǒng)的用戶接入策略和系統(tǒng)吞吐量之間的關(guān)系。針對移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)的時(shí)變信道，可以通過在一個(gè)時(shí)間單元內(nèi)選擇一個(gè)或多個(gè)信道增益最大的用戶接入來提高系統(tǒng)的吞吐量。如圖3-1所示。我們可以在A時(shí)刻選擇用戶1，而在B時(shí)刻選擇用戶2接入，以提升系統(tǒng)性能。

圖3-1不同時(shí)刻信道增益的變化參考文獻(xiàn):：數(shù)據(jù)來源：賽迪網(wǎng).：劉勇.科教文匯.江蘇.江蘇電大張家港學(xué)院.2009.：劉丹譜.加性高斯白噪聲信道下的最佳接收機(jī).北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院無線通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室（WCSN）.2009.：NJUer.正交調(diào)制讀書報(bào)告.http：///link?url=MGfnCXDg1QrVT7FeD9T7sAUMjJmiCLPJSxN1hvKmqetG0sBKtewy8dn801m1smZKwVT1SzUmgvU8qkL6cN57afM0Tkr5BJLEdrbvQovz37：陳啟美李勃等編.《數(shù)據(jù)通信原理》.南京大學(xué)出版社.：關(guān)雪梅陳純錯(cuò)著.《電信科學(xué)》.北京.人民郵電出版社.2010.08.:TSED,VISHWANATHP.FundamentalsofWirelessCommunications[M].CambridgeUniversityPress,Cambridge,2005.：潘文蔣占軍杜正鋒王炎等著.《中國科學(xué)：信息科學(xué)》.北京.2008.：CHASED.Classofalgorithmsfordecidingblockcodeswithchannelmeasurementinformation]〕].IEEETransactionsonInformationTheory,1972,18(1).:WATERSDW,BARRYJR.TheChasefamilyofdetectionalgorithmsformultiple-inputmultiple-outputchannels[A].IEEEGlobalTelecommunicationsConference[C].2008,(4).:WATERSDW,BARRYJR.Thesorted-QRChasedetectorformultiple-inputmultiple-outputchannels[A].IEEEWirelessCommunicationsandNetworkingConference[C].2005.:WATERSDW,BARRYJR.Partialdecision-feedbackdetectionformultiple-inputmultiple-outputchannels[A].IEEEInternationalConferenceonCommunications。.2004：LOVEDJ,HOSURS,BATRAA,etal.Space-timeChasedecoding[J].IEEETransactionsonWirelessCommunications,2005,4(5).:BAIL,CHOIJ.PartialMAP-basedlistdetectionforMIMOsystems[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology,2009,58.：DAMENMO,ABED-MERAIMK,BELFPOREJC.Generalisedspheredecoderforasymmetricalspace-timecommunicationarchitecture[J].ElectronicsLetters.2000,36(2).:DAMEMMO,GAMALHE,CAIREG.Onmaximum-likelihooddetectionandthesearchfortheclosestlatticepoint[J].IEEETransactionsonInformationTheory,2003,49(10).:CUIT,TELLAMBURAC.Anefficientgeneralizedspheredecoderforrank-deficientMIMOsystems[J].IEEEVehicularTechnologyConference,2004(5).:YANGZ,LIUC,HEJ.AnewapproachforfastgeneralizedspheredecodinginMIMOsystems[J].IEEESignalProcessingLetters,2005,12.:WANGP,THOLN.Alow-complexitygeneralizedspheredecodingapproachforunderdeterminedMIMOsystems[J].IEEEInternationalConferenceonCommunications,2006(9).:KAPURA,VARANASIMK.MultiuserdetectionforoverloadedCDMAsystems[J].I