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1、 摘 要 在有關(guān)無(wú)線通信系統(tǒng)的研究領(lǐng)域內(nèi)普遍公認(rèn)：無(wú)線通信的質(zhì)量好壞會(huì)受到多種因素的共同作用，其中就包括信號(hào)的衰落效應(yīng)。因此在具體的無(wú)線電通信的過(guò)程中必須利用多種技術(shù)手段來(lái)降低這種效應(yīng)給通信質(zhì)量所造成的損失，本文所涉及的分集技術(shù)就是其中的一種。在本論文內(nèi)，有關(guān)分集技術(shù)的相關(guān)探討背景，分集技術(shù)的具體類別以及未來(lái)的可能技術(shù)演進(jìn)走向都會(huì)得到充分的探討和剖析，其中包括相關(guān)技術(shù)在3G通信網(wǎng)絡(luò)，多天線分集和3GPP.LTE等多種領(lǐng)域中的實(shí)踐運(yùn)用情況。可以說(shuō)因?yàn)榉旨夹g(shù)的存在，無(wú)線通信系統(tǒng)運(yùn)行中的多項(xiàng)瓶頸被突破，相關(guān)通信技術(shù)的更新過(guò)程也因此實(shí)現(xiàn)了飛躍。 所謂的MIMO技術(shù)，英文全稱為“Multipl

2、e-Input Multiple-Output”，一般指的是通過(guò)分別安裝在信號(hào)發(fā)出端和接收端的多更天線來(lái)實(shí)現(xiàn)基于發(fā)送接收兩端的多天線信號(hào)并行傳輸，以提升通信活動(dòng)水準(zhǔn)的相關(guān)技術(shù)。這一技術(shù)通過(guò)多根安裝在信號(hào)收發(fā)兩端的多根天線，在頻譜資源和天線功率不變的狀態(tài)下，可以基于對(duì)整個(gè)信號(hào)站空間的充分利用來(lái)實(shí)現(xiàn)通信信道容量的幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。因此由于其巨大的優(yōu)越性而被公認(rèn)為未來(lái)一代移動(dòng)通信技術(shù)的絕對(duì)核心。 如果按照技術(shù)繼承的相關(guān)概念來(lái)說(shuō)的話，我們已經(jīng)在4G的環(huán)境下對(duì)MIMO技術(shù)進(jìn)行了足夠透徹的理論探索和實(shí)際應(yīng)用，而且已經(jīng)取得了足夠成熟的技術(shù)積累和多方向的全面突破。但是在實(shí)踐過(guò)程中真正將4G環(huán)境和MIMO相關(guān)技術(shù)

3、加以結(jié)合應(yīng)用進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)奶炀€數(shù)量不會(huì)超過(guò)八個(gè)的規(guī)模，因此也不會(huì)有太多的4G通信容量會(huì)以MIMO技術(shù)為運(yùn)行基礎(chǔ)。后來(lái)在針對(duì)從4G網(wǎng)絡(luò)上發(fā)展而來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)探索過(guò)程中，行業(yè)界將大規(guī)模MIMO技術(shù)（Massive MIMO）首次擺上了臺(tái)面，如果按照大規(guī)模MIMO技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于5G環(huán)境的同技術(shù)天線將會(huì)達(dá)到百根乃至千根的規(guī)模，自然的也會(huì)產(chǎn)生理論上的無(wú)窮大的通信容量。 關(guān)鍵詞:分集技術(shù) 無(wú)線通信 多天線技術(shù) Abstract In the wireless communication system, the fading effe

4、ct is one of the main factors affecting the quality of wireless communications; the diversity is an important means of the anti-fading technology in modern mobile communication technology. In this paper Diversity technology, the research background and the classification are introduced. The paper an

5、alyzes evolution and trends of the diversity, such as the application in 3G, multiple antenna diversity technique and its application in the 3GPP LTE. To wireless communication system，diversity technology not only solved the problem and promoted the rapid development . MIMO(Multiple-Input Multiple-

6、Output)Technology refers to the use of multiple transmitting antennas and receiving antennas at the transmitter and receiver, so that the signal can be transmitted and received by multiple antennas at the transmitter and receiver, thus improving the communication quality. It can make full use of spa

7、ce resources, through multiple antennas to achieve multiple charge, without any increase in spectrum and antenna transmission power, can exponentially increase the channel capacity, shows obvious advantages, is regarded as the core of the next generation of mobile communication technology. From the

8、 perspective of technical inheritance, MIMO technology has sufficient study in 4 g communication and implementation, the technology is mature, but in 4g communications, MIMO antenna number is less, more for four or eight, antenna fewer limits the 4g network communication capacity. On the basis of 4G

9、 research, 5G has proposed the concept of massive MIMO (massive MIMO). The number of MIMO antennas can be hundreds of thousands, while the theoretical communication capacity is infinite. Key Words:diversity technique Wireless communication Multi-antenna technology 目 錄 摘 要 I Abstract II

10、 引 言 1 1 分集技術(shù) 2 1.1 分集原理 2 1.1.1 分集方式 2 1.1.2 分集接收技術(shù) 3 1.2 RAKE接收機(jī) 4 1.2.1 RAKE接收機(jī)的原理 4 1.2.2 RAKE接收機(jī)在DS-CDMA中的性能 4 2 發(fā)射分集技術(shù)在3G中的應(yīng)用 7 2.1 研究背景及意義 7 2.2 發(fā)射分集技術(shù)分類 7 2.3 3G中的開環(huán)發(fā)射分集 7 3 MIMO技術(shù) 11 3.1 MIMO技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 11 3.2 MIMO技術(shù)原理 11 3.3 MIMO技術(shù)的優(yōu)勢(shì) 12 3.4 MIMO信道模型及信道容量分析 13

11、 3.4.1 MIMO系統(tǒng)模型 13 3.4.2 MIMO信道模型 13 3.4.3 MIMO信道容量分析 14 4 無(wú)線通信中的協(xié)同技術(shù) 15 4.1 協(xié)同分集技術(shù) 15 4.2 協(xié)同多點(diǎn)傳輸/接收技術(shù) 15 4.2.1 協(xié)同與中繼的區(qū)別 16 4.2.2 協(xié)同分集中的信號(hào)處理方式 16 5 3GPPLTE標(biāo)準(zhǔn)MIMO技術(shù) 20 5.1 引言 20 5.2 LTE MIMO分集與空間復(fù)用 21 5.2.1 LTE MIMO分集 21 5.2.2 空間復(fù)用 23 5.3 SU-MIMO與MU-MIMO 23 5.3.1 下行SU

12、（單用戶）- MIMO 23 5.3.2 下行MU（多用戶）-MIMO 24 5.3.3上行MU（多用戶）- MIMO 24 總 結(jié) 26 致 謝 20 參考文獻(xiàn) 21 2 引 言 在無(wú)線通信信號(hào)的傳輸過(guò)程中，具體的信號(hào)可以以反射，散射或者直傳等多種路徑實(shí)現(xiàn)從發(fā)射端到接收端的并行傳輸，但是因?yàn)榀B加作用，這些并行傳輸?shù)男盘?hào)會(huì)因?yàn)橄嗷ブg的干擾而產(chǎn)生衰落現(xiàn)象，如果衰落現(xiàn)象較為嚴(yán)重，也就是快衰落的情況下，信號(hào)可以產(chǎn)生深達(dá)40dB甚至80dB的衰落。這樣就會(huì)讓整個(gè)通信活動(dòng)的質(zhì)量水準(zhǔn)大打折扣，例如會(huì)讓數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生過(guò)高的錯(cuò)誤碼率等等。雖然對(duì)于衰落現(xiàn)象帶來(lái)的通信質(zhì)量水準(zhǔn)變

13、差可以通過(guò)對(duì)發(fā)射端功率的加強(qiáng)來(lái)予以彌補(bǔ)，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)過(guò)高的投入成本和過(guò)高的跨站擾動(dòng)，所以從實(shí)踐角度來(lái)看這樣的方式根本不具備實(shí)際利用價(jià)值。因此，在對(duì)抗信號(hào)衰落現(xiàn)象的問(wèn)題上，主要的技術(shù)手段依然是信道編碼，信號(hào)平衡，頻率擴(kuò)充以及分集等。從實(shí)際效果來(lái)看，分集控制對(duì)于信號(hào)衰落的規(guī)避最庸是最強(qiáng)的。所謂的分集，其實(shí)就是在衰落現(xiàn)象較為明顯的單獨(dú)傳輸信道上不斷重復(fù)傳輸完全相同的信號(hào)，這樣基于較小的同時(shí)刻同信道的信號(hào)衰落率，按照一定規(guī)格合并發(fā)出的信號(hào)在接收端的衰落幅度就會(huì)降低，讓通信傳輸更為可靠。這一保障技術(shù)的應(yīng)用提升了無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展速度。而且這一技術(shù)對(duì)于無(wú)線通信信號(hào)多信道衰落的有效規(guī)避作用已經(jīng)被若干次研究

14、所證實(shí)。 28 1 分集技術(shù) 1.1 分集原理 1.1.1 分集方式 分集技術(shù)的類別主要包含宏觀和圍觀兩個(gè)比較大的類型。 所謂宏觀分集也可以被成為多基站分集，其主要作用就是起到對(duì)緩慢信號(hào)衰落的規(guī)避作用。例如，在架設(shè)移動(dòng)通信基站網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，基站的具體物理位置都各不相同，例如小蜂窩區(qū)域的相對(duì)兩角連線上，這些基站所發(fā)送的信號(hào)完全一致。其中將信號(hào)傳輸效率最高的基站作為小區(qū)內(nèi)部的移動(dòng)通信總臺(tái)，由此規(guī)避地形地貌以及空氣環(huán)境造成的信號(hào)慢衰落現(xiàn)象。 所謂的微觀分集，其主要作用于對(duì)快速衰落現(xiàn)象的規(guī)避上?；谇懊娴拇罅坷碚撗芯亢蛯?shí)際應(yīng)用

15、表明，如果信號(hào)在時(shí)空和頻率角度上都產(chǎn)生了一定的分離那么必然產(chǎn)生具備單獨(dú)狀態(tài)的衰落，按照不同的分離角度可以將微觀分集劃分為以下幾類： (1) 時(shí)間分集 所謂時(shí)間分集，其實(shí)就是把同樣的通信信號(hào)按照一定的時(shí)間區(qū)段反復(fù)發(fā)送，只要保證有足夠的信號(hào)傳輸間隙，那么就可以保證單次傳輸衰落時(shí)間的獨(dú)立計(jì)算過(guò)程。而對(duì)這些彼此獨(dú)立的衰落現(xiàn)象及其特性的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的使用過(guò)程就是所謂的時(shí)間分集，換句話來(lái)說(shuō)，時(shí)間分集主要是基于不同的時(shí)間統(tǒng)計(jì)差異來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)事件選擇性衰落的規(guī)避。 與空間分集相比，時(shí)間分集可以實(shí)現(xiàn)對(duì)接收端天線和其他硬件配置的節(jié)約化，但是也因?yàn)檫^(guò)大的時(shí)間占有率而降低了成本投入以及傳輸效率的優(yōu)化成都，而且這樣的方

16、式無(wú)法作用于處于相對(duì)靜止的移動(dòng)通信臺(tái)的。 (2) 頻率分集 所謂的頻率分集，其實(shí)就是讓具備相同微波頻率范圍的兩個(gè)以上微波頻率在同一時(shí)間內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)同一通信信號(hào)的傳輸，然后再對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行遴選或者合成的過(guò)程，通過(guò)基于不同頻率的信號(hào)的相互獨(dú)立的衰落信道特征進(jìn)行特性的統(tǒng)計(jì)，通過(guò)對(duì)這些衰落特性的統(tǒng)計(jì)來(lái)規(guī)避信號(hào)衰落的過(guò)程，在具體的操作過(guò)程中，發(fā)送出去的信號(hào)可以在調(diào)諧之后同時(shí)在相互獨(dú)立的不同頻率載波上進(jìn)行輸送。 和空間分集一樣，頻率分集同樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)接收端天線和其他硬件配置的節(jié)約化，但是會(huì)占用過(guò)多的帶寬資源，因此這樣的分集模式也被稱為帶內(nèi)分集，在某些情況下，可能需要在發(fā)射端追加更多的發(fā)射機(jī)安裝配置。

17、 (3) 空間分集 一般的空間分集系統(tǒng)存在兩種類型，發(fā)送端的空間分集和接收端的空間分集。所謂接收端的空間分集是指通過(guò)處于不同離地高度的天線端實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)天線發(fā)射的微波信號(hào)的同步接收，然后基于這些信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)力信號(hào)的合成與遴選。這樣的接收方式可以最大限度地提升對(duì)信號(hào)衰落現(xiàn)象的規(guī)避和整個(gè)傳輸過(guò)程的可靠性。雖然可以提升足夠的分集增益，但這就需要在接收端追加安裝獨(dú)立的天線。 1.1.2 分集接收技術(shù) 所謂的分集技術(shù)，其實(shí)就是對(duì)通過(guò)多路徑的信號(hào)傳輸能量來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸可靠度提升的相關(guān)技術(shù)研究活動(dòng)，這其實(shí)最為基本的信號(hào)利用研究參數(shù)的一類，在時(shí)空和頻率象限內(nèi)如何傳輸信號(hào)的分散和聚集是這一技術(shù)的研究重點(diǎn)。這里

18、的分散和聚集是其實(shí)是完全矛盾的兩個(gè)概念，但是分散后互不干擾的多條支路信號(hào)在到達(dá)接收端以后可以通過(guò)合并技術(shù)來(lái)產(chǎn)生分集增益。合并時(shí)采用的準(zhǔn)則與方式主要分為四種：最大比值合并（MRC: Maximal Ratio Combining）、等增益合并(EGC: Equal Gain Combining)、選擇式合并(SC: Selection Combining)。假設(shè)個(gè)輸入信號(hào)電壓為，，…，，則合并器輸出電壓為： （2-1） （1）等增益合并 所謂的等增益合并（EGC），或者叫相位均衡，指的是針對(duì)發(fā)生在信道內(nèi)的相位偏移狀態(tài)的扶正只針對(duì)相位

19、偏移本身而不包括其幅度，而將每一條分支傳輸?shù)男盘?hào)等增益相加的過(guò)程就是所謂的等增益合并，也就是上面等式中的加權(quán)系數(shù)。這樣的增益合并模式的最優(yōu)性并不存在一任何狀態(tài)下，而只滿足具備同等信噪比的多路信號(hào)存在并且其達(dá)到最大的信噪狀態(tài)。這樣的合并輸出得到的結(jié)果只是單純各條傳輸信號(hào)幅度值之和。在CDMA的環(huán)境狀態(tài)下，這樣的等增益合并對(duì)于以每個(gè)信號(hào)傳輸通道存在的衰落差異為代表的正交性用戶信號(hào)形態(tài)采取了認(rèn)可和維護(hù)的處理方式，而且也不會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)信噪比變化產(chǎn)生任何影響。因此這樣的模式適用于系統(tǒng)接收信號(hào)幅度難以被準(zhǔn)確測(cè)量的狀況。 （2）最大比值合并（MRC） 在接收端，有多個(gè)分集分支，相位調(diào)整后，根據(jù)適當(dāng)?shù)脑鲆?/p>

20、因數(shù)同相增加它們，并送到信號(hào)的接收端同時(shí)存在著若干個(gè)支線分集，在調(diào)諧相位的過(guò)程中也要按照相應(yīng)的增益因數(shù)來(lái)進(jìn)行比對(duì)相加，同時(shí)要通過(guò)檢測(cè)器的測(cè)試。與接收端無(wú)關(guān)的支線分集在校正其相位時(shí)可以基于一定的可變收益幅度進(jìn)行加權(quán)增減，然后將可變的檢測(cè)器測(cè)試收益進(jìn)行合并。所謂最大比合并，指的是如果接收端有N個(gè)直線分集存在，那么加權(quán)系數(shù)的大小和支線分集的信號(hào)強(qiáng)弱之間呈正相關(guān)。 與選擇式合并不同，在最大比值合并的狀態(tài)下，需要疊加的信號(hào)必須滿足兩兩對(duì)比呈現(xiàn)同相狀態(tài)，因此單個(gè)的接收天線都擁有著獨(dú)立的接收設(shè)備和相位調(diào)諧電路。所有信道的SNR相加之和就是整個(gè)輸出端口的SNR最大比例輸出。這樣一來(lái)，不管單個(gè)信道傳送的信號(hào)強(qiáng)

21、度有多差，甚至已經(jīng)無(wú)法獨(dú)立分解出任何單個(gè)信號(hào)的狀態(tài)下，最大比值合并狀態(tài)下的SNR信號(hào)仍然可以通過(guò)系統(tǒng)合成并被解調(diào)為符合要求的信號(hào)。因此，在目前已經(jīng)被投入具體應(yīng)用的所有線性分集合并模式中，最大比值合并被公認(rèn)具備最好的抗衰落性質(zhì)。在現(xiàn)在不斷發(fā)展的DSP和數(shù)字接收技術(shù)之中已經(jīng)逐漸將這一技術(shù)手段加以普及。 （3）選擇式合并 在該技術(shù)條件下，選擇性邏輯是N個(gè)信號(hào)輸出接收設(shè)備被送入的內(nèi)容，根據(jù)這一邏輯，從這若干個(gè)接收信號(hào)之中選擇具備基帶信噪比峰值的信號(hào)作為輸出信號(hào)。也就是說(shuō)選擇式分集輸出信噪比在新增一條支線分集的狀態(tài)下所做出的貢獻(xiàn)為總體分集支線的倒數(shù)倍。但這只是理論上的狀態(tài)，因?yàn)樾旁氡仍诂F(xiàn)實(shí)情況下的難

22、以測(cè)定性，所以更多時(shí)候是將的值作為參照系的。 目前，在模擬無(wú)線通信系統(tǒng)內(nèi)部，分集接受技術(shù)已經(jīng)獲得了全面的應(yīng)用，而且其應(yīng)用范圍已經(jīng)延伸到了數(shù)字無(wú)線通信領(lǐng)域?，F(xiàn)行的GSM基站為了提高運(yùn)行效率都基本上采用了雙重空間分集接收系統(tǒng)，而CDMA移動(dòng)電話及其相關(guān)基站在進(jìn)行分集接收的時(shí)候一般用的都是RAKE多路徑接收設(shè)備來(lái)規(guī)避信號(hào)衰落。 1.2 RAKE接收機(jī) 1.2.1 RAKE接收機(jī)的原理 采用擴(kuò)頻技術(shù)后的CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)會(huì)擁有較大的信號(hào)貸款，如果這個(gè)帶寬和相干帶寬之差為正數(shù)時(shí)，則為通過(guò)無(wú)線信道傳輸?shù)男盘?hào)會(huì)遭到選擇性頻率衰落的干擾進(jìn)而觸發(fā)多路徑傳輸延時(shí)，在這些多路徑傳輸?shù)男盘?hào)當(dāng)中必然存

23、在著達(dá)到利用標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，但是傳統(tǒng)的接收模式必然會(huì)拉低具備使用價(jià)值的信號(hào)的丟失信噪比。因此就必須通過(guò)更為復(fù)雜的接收設(shè)備（RAKE receiver）通過(guò)對(duì)所有路徑的信號(hào)的接收來(lái)提高這一比值，以求規(guī)避多路徑傳輸干擾和提高接收效率并規(guī)避通信過(guò)程中的多路徑衰落。 所謂的RAKE，其實(shí)就是一種多路徑的分集信號(hào)接收手段，該技術(shù)將多路徑傳輸?shù)男盘?hào)在第一時(shí)間進(jìn)行高精度甄別并對(duì)信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立的加權(quán)處理以增強(qiáng)信號(hào)特質(zhì)。其基本原理為：接收設(shè)備將幅度和噪聲之間的比值極高的多路徑信號(hào)分量加以取出并進(jìn)行延遲和相位調(diào)教，在一定的時(shí)間點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行校正，然后按照諸如最大比例組合這樣的規(guī)則進(jìn)行信號(hào)合并。基于代數(shù)和狀態(tài)為準(zhǔn)組合可變向量

24、，以求提高信號(hào)的抗干擾和抗衰落的能力。 1.2.2 RAKE接收機(jī)在DS-CDMA中的性能 RAKE接收設(shè)備就可以在多個(gè)衰落信道路徑上進(jìn)行信號(hào)能量合成。輸出端的SNR按照最大比值合并理論即為支線SNR的和，但這需要假定在信道內(nèi)部只存在正交編碼的高斯白噪聲。 通過(guò)文獻(xiàn)參照，我們對(duì)基于DS-CDMA系統(tǒng)環(huán)境下的RAKE設(shè)備性能進(jìn)行了模仿，以下為模仿的流程： A：將隨機(jī)生成的15位比特?cái)?shù)分配給每個(gè)用戶。 B：?jiǎn)斡脩舾鲹碛幸粋€(gè)PN生成序列。 C：將AWGN噪聲加入信道，并基于時(shí)間延遲模式產(chǎn)生多個(gè)衰減模式的多路徑信道。 圖1.1 RAKE接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)

25、框圖 本設(shè)計(jì)中的RAKE接收設(shè)備為圖2.1所示，這里面的分別代表了L個(gè)信號(hào)接收終端，基于與發(fā)送端相等的PN序列產(chǎn)生的多個(gè)差異性合并因子通過(guò)相關(guān)器發(fā)送至加法器進(jìn)行合并發(fā)射。單個(gè)多路徑輸送信號(hào)的延時(shí)和衰減因子，均有不同，在接收端，衰減因子的再次獲取可以通過(guò)相關(guān)器Correlator來(lái)完成?；趯?duì)應(yīng)的延時(shí)和衰減可以對(duì)RAKE接收設(shè)備的接收端信道路徑的大概規(guī)模進(jìn)行估算。當(dāng)延時(shí)和衰減系數(shù)被估算出來(lái)以后，首個(gè)用戶的數(shù)據(jù)可以通過(guò)與發(fā)送端相等的PN序列來(lái)進(jìn)行估算，然后通過(guò)最大比值合并原理MRC將多個(gè)路徑的傳輸信號(hào)加以合并成為具備新序列的信號(hào)。 我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中采用的是具有10毫秒傳輸間斷的瑞利信道，且信道

26、和用戶之間的數(shù)量相匹配，單個(gè)路徑的延遲時(shí)長(zhǎng)為10毫秒的整數(shù)倍且不具備一樣的衰減模式，但是信號(hào)在發(fā)射端處會(huì)按照設(shè)計(jì)通過(guò)BPSK編碼進(jìn)行發(fā)送，雖然具體信道的信息不會(huì)被接收設(shè)備所感知，但是接收設(shè)備對(duì)于信道的傳輸延時(shí)和衰減依然可以基于PN序列來(lái)進(jìn)行估算。 假設(shè)最大的時(shí)延，路徑數(shù)目。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1.2所示。由此可知在加裝RAKE接收設(shè)備以后，信號(hào)傳輸過(guò)程中的誤比特率明顯降低，信號(hào)接收質(zhì)量有了顯著提升。 圖1.2 有RAKE接收機(jī)和無(wú)RAKE接收機(jī)的BER2 發(fā)射分集技術(shù)在3G中的應(yīng)用 2.1 研究背景及意義 在無(wú)線電通信過(guò)程中，信道衰落的狀況一般都通過(guò)天線分集的模式進(jìn)行規(guī)避。

27、以往的天線分集只是在以移動(dòng)塔臺(tái)為主的接收端口架設(shè)多個(gè)用于分集接收的天線，并且通過(guò)一定技術(shù)手段來(lái)提升信號(hào)接收質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。但是，同等強(qiáng)度信號(hào)的接收會(huì)因?yàn)橐苿?dòng)塔臺(tái)的規(guī)模限制而難以滿足，而且加裝設(shè)備會(huì)帶來(lái)過(guò)高的投入，所以，傳輸分集技術(shù)就在基站端被大量應(yīng)用了。 所謂的發(fā)射分集，是指通過(guò)多根發(fā)送天線將信號(hào)同時(shí)予以發(fā)送，并且這些信號(hào)的衰落狀態(tài)在不同的信道中有著不同的表現(xiàn)，接收端將會(huì)把這些信號(hào)加以組合以降低衰落帶來(lái)的影響。相比于移動(dòng)塔臺(tái)，通信基站有著更大的空間和更少的接受限制。所以基站內(nèi)部存在根天線，并且專門有一根用于接收的天線。這樣一來(lái)發(fā)射分集的建設(shè)投入要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于接收分集，而且若干個(gè)移動(dòng)基站的發(fā)射增益會(huì)因?yàn)?/p>

28、相同的發(fā)射信號(hào)而同步獲得（也就是一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的輸送模式）。而在以前，信號(hào)分集發(fā)射增益只能被一個(gè)移動(dòng)接收塔臺(tái)所獲得。 2.2 發(fā)射分集技術(shù)分類 有多種類型的發(fā)射分集。根據(jù)是否需要反饋，將其分為前饋分集和反饋分集。它通常也被稱為開環(huán)發(fā)射分集和閉環(huán)發(fā)射分集。 開環(huán)發(fā)射分集又分為空時(shí)發(fā)射分集、延遲分集、時(shí)間轉(zhuǎn)換發(fā)射分集、相移發(fā)射分集、相位結(jié)合發(fā)射分集、正交發(fā)射分集、極化分集。 閉環(huán)發(fā)射分集為選擇發(fā)射分集、Pre-Rake分集、發(fā)射自適應(yīng)陣列等。 2.3 3G中的開環(huán)發(fā)射分集 在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，開環(huán)發(fā)射分集通過(guò)先期架設(shè)的多天線分集模式來(lái)實(shí)現(xiàn)不存在另外信道成本的接受增益，而且這樣可以

29、降低移動(dòng)基站的復(fù)雜化。但是信道內(nèi)的信號(hào)會(huì)因此而產(chǎn)生一定數(shù)量的浪費(fèi)。 （1）時(shí)間轉(zhuǎn)換發(fā)射分集 該分集狀態(tài)的具體形式，是在兩根天線之間通過(guò)恒定的幀轉(zhuǎn)換速度來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶傳輸信號(hào)的傳送和切換，也就是基于時(shí)間間隔來(lái)切換天線，時(shí)間間隔長(zhǎng)短和傳送用天線之間存在有限的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。比如說(shuō)，1好天線負(fù)責(zé)傳輸間隔為奇數(shù)的信號(hào)，2號(hào)天線負(fù)責(zé)傳輸間隔為偶數(shù)的信號(hào)，也就是如下圖2.1。  圖2.1 時(shí)間轉(zhuǎn)換發(fā)射分集 （2）正交發(fā)射分集 圖2.2 正交發(fā)射分集 和是正交的長(zhǎng)度為128 的Walsh 碼(每個(gè)碼元重復(fù)兩次) ，、是信道復(fù)乘性系數(shù)。編碼比特b[n]被分成兩路，令xo和xe分別

30、表示奇、偶碼元，則 天線發(fā)射信號(hào)為： 移動(dòng)臺(tái)接收到的信號(hào)為： 再使用同樣的Walsh碼對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)并將其合并后就可恢復(fù)出原來(lái)的碼元，如圖3.2。 （3）空時(shí)發(fā)射分集 空時(shí)編碼(space time coding) 這是克服基于發(fā)射分集的無(wú)線信道信號(hào)衰落的重要方法之一?？諘r(shí)碼通過(guò)有效地將不同的符號(hào)分配給不同的天線并在天線之間增加某種時(shí)間冗余來(lái)實(shí)現(xiàn)前向糾錯(cuò)。空間時(shí)間碼可以分為兩組：分組空時(shí)碼和空時(shí)格碼。無(wú)論哪種方式，L個(gè)發(fā)射天線的發(fā)射信號(hào)可以用一個(gè)編碼矩陣來(lái)表示: 圖2.3 空時(shí)編碼 列表示天線，每行則對(duì)應(yīng)于調(diào)制碼元

31、出現(xiàn)時(shí)刻，為第i 根天線在第n時(shí)刻發(fā)射的碼元。一個(gè)編碼矩陣從第k個(gè)碼元開始，結(jié)束于( k+l-1) ，共有l(wèi)個(gè)碼元周期，這里l是有意義的碼元周期數(shù)。 STTD則是基于空時(shí)編碼的開環(huán)發(fā)射分集。由于能夠獲得最大的分集增益，這種類型的開環(huán)發(fā)射分集已經(jīng)被3GPP 采用，如圖2.4。 圖2.4 STTD發(fā)射機(jī) xo和xe 分別為奇偶碼元，則兩根天線上，如圖2.4。 發(fā)射信號(hào)為： (2-1) (2-2) 接收碼元：

32、 (2-3) 發(fā)射信號(hào)估計(jì)為： (2-4) （4）空時(shí)擴(kuò)頻( STS) space-time spreading碼元采用多個(gè)Walsh碼擴(kuò)頻，與STTD 方式類似[12]。 發(fā)射碼元表示為 (2-5) (2-6) 恢復(fù)的數(shù)據(jù)流為 (2-7)

33、 (2-8) 將級(jí)聯(lián)輸入解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)。STS和STTD優(yōu)于OTD的優(yōu)點(diǎn)是所有的編碼比特都是在所有天線上傳輸?shù)模栽诮獯a過(guò)程之前也有通過(guò)重復(fù)編碼獲得的時(shí)間分集。3 MIMO技術(shù) 3.1 MIMO技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 頻譜資源短缺的現(xiàn)實(shí)，現(xiàn)在已經(jīng)成為了擋在不斷飛躍發(fā)展的無(wú)線通信技術(shù)面前的一條攔路虎。因此通信行業(yè)的普遍關(guān)注焦點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了對(duì)有限頻譜資源的高效充分利用的問(wèn)題上。通過(guò)之前的探索成果可知，基站的空間資源可以被多天線技術(shù)加以充分利用，而且可以在維持現(xiàn)有系統(tǒng)帶寬和發(fā)射功率的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線信道衰落的有效規(guī)避，讓信道容量和系統(tǒng)頻譜使用效率得到足夠的提升。因此已經(jīng)具備了成為新一代B

34、eyond 3G/4G無(wú)線通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的人前置。MIMO多傳輸路徑系統(tǒng)是無(wú)線通信技術(shù)最近實(shí)現(xiàn)巨大飛躍的標(biāo)志，因?yàn)槠湓谛盘?hào)收發(fā)兩端都安置了多根天線，因此也被冠以多天線技術(shù)的名字。也算是一種多樣性技術(shù)的派生產(chǎn)品。全球?qū)W界對(duì)MIMO的理論，運(yùn)算模式以及實(shí)際應(yīng)用性能都有著很廣泛的探討，這一技術(shù)也成為了無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展新亮點(diǎn)。 從歷史上來(lái)看，多天線技術(shù)對(duì)抗通信衰落的最早使用者是1908年的馬可尼。到了上世紀(jì)70年代，基于軍方需求的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高速發(fā)展，這也讓基于自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)的陣列化天線研究有了更大的實(shí)現(xiàn)可能，從而讓通信的分集特性和抗干擾特性有了更好地提升。到了上世紀(jì)90年代初的時(shí)

35、候，越來(lái)越多的人發(fā)現(xiàn)無(wú)線信道容量可以通過(guò)加裝多根天線的模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此Paul和Kaiath在1994年指出：無(wú)線信道的容量可以通過(guò)在信號(hào)收發(fā)兩端的設(shè)備上加裝多根天線的模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。在兩年后，Roy和Ottersten又提出了對(duì)多個(gè)用戶的同信道信號(hào)傳輸支持可以通過(guò)基站內(nèi)的多根天線來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。此后貝爾實(shí)驗(yàn)室也在這里領(lǐng)域取得了許多重大的研究成果，多天線因此實(shí)現(xiàn)了巨大的飛躍，并引爆了全新的無(wú)線通信技術(shù)革命。在MIMO領(lǐng)域，F(xiàn)oshinia將D-BLAST時(shí)空分層算法推上了臺(tái)面。這一算法下，原來(lái)的信號(hào)數(shù)據(jù)會(huì)被分為若干個(gè)可以被獨(dú)立編碼調(diào)諧的數(shù)據(jù)流，這樣就可以實(shí)現(xiàn)最少40 bps / Hz的頻譜利用率。然而

36、這樣的編碼傳輸模式只適合帶寬較窄的室內(nèi)內(nèi)網(wǎng)，并不能對(duì)戶外移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生作用。在1998年和2003年，Tarokh推出的空時(shí)編碼技術(shù)以及Airgo Networks推出的全球首款MIMO技術(shù)集成AGN100 Wifi芯片都有著很重要的意義，AGN100內(nèi)存在著108Mbps的信道寬度，發(fā)展到第三代的True MIMO芯片時(shí)，信道寬度已經(jīng)達(dá)到了240Mbps。最近一些年，將OFDM和空時(shí)編碼技術(shù)相融合MIMO理念又被Agrawal等人擺上了臺(tái)面。 3.2 MIMO技術(shù)原理 通過(guò)MIMO技術(shù)，空間內(nèi)部的復(fù)用和分集傳輸增益都可以被系統(tǒng)所獲得，傳輸過(guò)程中遭遇到物體反射散射的信號(hào)會(huì)分化出多條傳輸路徑

37、，而MIMO技術(shù)就是將這些傳輸路徑轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M化的信息子流信道。這樣就可以通過(guò)單根或多根天線在接收端實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收。單根天線接收到的信號(hào)都都是發(fā)射信號(hào)和干擾信號(hào)之和。通過(guò)MIMO空時(shí)解碼技術(shù)內(nèi)部的數(shù)學(xué)模式恢復(fù)信號(hào)糾纏，并實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的傳送和準(zhǔn)確判別。 圖3.1 MIMO系統(tǒng)原理圖 空時(shí)編碼程序處理后的信號(hào)會(huì)分化為M（k）個(gè)子信息流，這些信息子流和發(fā)射他們的天線根數(shù)之間呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，空間信道接收端的天線根數(shù)也和這些子流數(shù)量呈對(duì)應(yīng)關(guān)系?；诳諘r(shí)信號(hào)處理模式的多根天線接收裝備可以對(duì)這些數(shù)據(jù)子流進(jìn)行進(jìn)行分化解碼，以提高接收過(guò)程的容量。MIMO信道和收發(fā)天線之間一一對(duì)應(yīng)，并以此形成信道矩陣H，在單個(gè)

38、時(shí)間段t內(nèi)的信道矩陣為： (3-1) 其中H的元素是任意一對(duì)收發(fā)天線之間的增益。 3.3 MIMO技術(shù)的優(yōu)勢(shì) 巨大的優(yōu)勢(shì)是MIMO系統(tǒng)高速飛躍的主要原因。 MIMO系統(tǒng)通過(guò)多路徑傳送效應(yīng)來(lái)對(duì)抗瑞利衰落。通信質(zhì)量好壞一般都由多路徑衰落來(lái)決定，這也是根本回避的問(wèn)題。雖然MIMO難以實(shí)現(xiàn)對(duì)多路徑信號(hào)的消除，但可以通過(guò)多路徑的空間傳播向量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)信號(hào)收發(fā)過(guò)程的優(yōu)化。換句話說(shuō)，如果系統(tǒng)判定兩個(gè)信號(hào)沒(méi)有關(guān)聯(lián)，那么MIMO就可以實(shí)現(xiàn)多路徑的空間信號(hào)分級(jí)接收。 MIMO可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的更高效利用，在MIMO環(huán)

39、境下，信號(hào)子流的傳輸可以通過(guò)不斷加裝天線來(lái)完成。若干個(gè)信號(hào)子流在通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)同步傳輸，并且頻率帶被所有的信號(hào)所占據(jù)，這樣就可以在加寬頻帶的情況下提高頻譜的利用效率。 更高的數(shù)據(jù)吞吐能力，在MIMO環(huán)境下，多根收發(fā)天線在一個(gè)頻道帶內(nèi)產(chǎn)生多個(gè)并聯(lián)的空間信道，信號(hào)的傳輸由互相獨(dú)立的多個(gè)子信道完成。因此只要有著恒定的信號(hào)發(fā)射功率和貸款，則系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐能力和最小的天線數(shù)量之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。 信號(hào)覆蓋面更廣。在MIMO環(huán)境下，反射器創(chuàng)造的發(fā)射，折射或者散射等各類波形都可以成為組成信號(hào)的部分，讓單個(gè)子流以及接收天線的覆蓋范圍都能提高，無(wú)線信號(hào)可以因此擴(kuò)展到單個(gè)發(fā)射設(shè)備無(wú)法達(dá)到的信號(hào)覆蓋區(qū)域。比如信號(hào)盲

40、區(qū)，這樣就可以規(guī)避信號(hào)盲區(qū)。 此外，MIMO技術(shù)還有很強(qiáng)的抗干擾能力。 3.4 MIMO信道模型及信道容量分析 3.4.1 MIMO系統(tǒng)模型 MIMO即多發(fā)射天線多接收天線技術(shù)，NT副發(fā)射天線，NR副接收天線，系統(tǒng)模型圖如下： 圖3.2 MIMO系統(tǒng)模型 MIMO系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系可以寫為： (3-2) 3.4.2 MIMO信道模型 無(wú)線通信系統(tǒng)的傳輸性能決定于無(wú)線信道的能力規(guī)模。無(wú)線通信系統(tǒng)內(nèi)部的信號(hào)收發(fā)設(shè)備之間的傳播路徑十分繁雜，而且有著很強(qiáng)的時(shí)間隨機(jī)性，難以進(jìn)

41、行剖析。不同的參考文獻(xiàn)對(duì)于MIMO信道也有這不同的模型分類，在簡(jiǎn)要的歸納總結(jié)以后可以的到下面幾個(gè)大類： (1) 寬帶模型和窄帶模型 按照系統(tǒng)的傳輸帶寬可以將MIMO信道模型劃分為寬帶和窄帶兩種，一般情況下的MIMO信號(hào)檢測(cè)模型都屬于窄帶模型，但是寬帶模型和窄帶模型之間可以通過(guò)OFDM技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化。一般情況下，寬帶MIMO模型會(huì)被基于多路徑參數(shù)添加引發(fā)的功率遲滯所影響，因此建模多基于窄帶模型。 (2) 確定性模型和隨機(jī)性模型 所謂確定性模型主要用于對(duì)固定傳播環(huán)境的精準(zhǔn)說(shuō)明。對(duì)于確定性的信道特質(zhì)選取方法主要有射線跟蹤和信道脈沖響應(yīng)記錄兩種。而所謂隨機(jī)性模型則將信道及其流程加以隨機(jī)看待并

42、通過(guò)隨機(jī)性較高的建模來(lái)反應(yīng)MIMO的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。這樣的模型有幾何式模型，參數(shù)式模型和相關(guān)式模型三種。 (3) 場(chǎng)測(cè)量模型和散射體模型 通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的檢查和對(duì)相似信道建模作為依據(jù)是MIMO信道的特質(zhì)。而且可以在這一模型環(huán)境下架設(shè)信道特性被信號(hào)散射特性盡可能地匹配。 (4) 非物理模型和物理模型 這一模型的依據(jù)是非物理化的信道統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。這樣的模型通常更加便于仿真，也可以為仿真的通信過(guò)程提供信道性質(zhì)的支持。但是該模型對(duì)于MIMO傳播性質(zhì)的信道反射過(guò)程有著很大的局限性，也就是要決定于測(cè)量?jī)x器。還有一種模型就是基于信道物理特性的模型。這樣的模型在通常運(yùn)用時(shí)都會(huì)將一些MIMO信道內(nèi)部的重要參數(shù)（到

43、達(dá)和離開角度以及到達(dá)時(shí)間）作為信道說(shuō)明的依據(jù)。 MIMO技術(shù)中的各類信道模型，其應(yīng)用范圍和建模優(yōu)先成都各不相同，也有這不同的產(chǎn)生和運(yùn)用方式，因此難以做到絕對(duì)的準(zhǔn)確分類。接下來(lái)就是對(duì)每一個(gè)分類的模型闡述。按照模型建立過(guò)程中是否存在物理意義與否可以被分為物理化模型和非物理化模型兩類。 3.4.3 MIMO信道容量分析 全球化的無(wú)線通信容量需求隨著蜂窩通信，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和新媒體的不斷演進(jìn)而日益激增。以往的通信系統(tǒng)在收發(fā)兩端都只有單獨(dú)的天線，也就是所謂的SISO單傳輸天線系統(tǒng)。不管是通過(guò)調(diào)制解調(diào)，編碼策略或者其他模式，都無(wú)法避免無(wú)線通信受到的基于無(wú)線信道帶來(lái)的物理限制。這樣的狀態(tài)在現(xiàn)在的無(wú)線通信

44、市場(chǎng)環(huán)境內(nèi)尤為突出。所以不斷增大無(wú)線通信系統(tǒng)的容量是與不斷緊迫化的客戶無(wú)線通信速度需求相匹配的。按照之前得出的信息理論，要想提升無(wú)線通信的容量和系統(tǒng)性能就必須將多途徑傳輸技術(shù)應(yīng)用在無(wú)線通信系統(tǒng)之中。 信道的衰落系數(shù)在實(shí)際的無(wú)線衰落環(huán)境下不再恒定，這是因?yàn)槎嗦窂胶蜁r(shí)間變化等多重效應(yīng)所決定的，這個(gè)系數(shù)將會(huì)變成一個(gè)隨機(jī)變量，系統(tǒng)容量也因此變?yōu)殡S機(jī)變量。Foschini和Gans從信息論的角度導(dǎo)出了MIMO系統(tǒng)在衰落環(huán)境中的信道容量： （3-3） 表示接收信號(hào)信噪比；IN表示階單位矩陣，；H為信道矩陣；de

45、t(.)表示矩陣行列式。接收與發(fā)射天線數(shù)目分別為NR 、NT，H為NR×NT階信道響應(yīng)矩陣。 4 無(wú)線通信中的協(xié)同技術(shù) 4.1 協(xié)同分集技術(shù) 所謂的協(xié)作其實(shí)就是一種產(chǎn)生于客戶之間的無(wú)線通信模式，更嚴(yán)格點(diǎn)說(shuō)，協(xié)作分集模式應(yīng)該劃入空域分集的范疇，但是又和通常的多天線空域分集之間又有區(qū)別。 圖4.1 蜂窩小區(qū)兩用戶協(xié)同場(chǎng)景 按照?qǐng)D4.1所展示的兩個(gè)用戶的協(xié)同場(chǎng)景中兩個(gè)用戶實(shí)現(xiàn)以基站為目標(biāo)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。首先，用戶按照某種模式獲得對(duì)方的傳輸信息，然后將這個(gè)信息通過(guò)自身信道實(shí)現(xiàn)以基站為目標(biāo)的傳輸，這樣，相同的信息到基站的傳輸過(guò)程就可以通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的信道完成以實(shí)現(xiàn)分集。 4.2 協(xié)

46、同多點(diǎn)傳輸/接收技術(shù) 通常通過(guò)兩個(gè)步驟來(lái)完成協(xié)作傳輸：首先，廣播模式為1號(hào)用戶的主要信號(hào)發(fā)送模式（實(shí)線）。2號(hào)用戶和通信基站受到信號(hào)，2號(hào)用戶處理信號(hào)。這時(shí)候的2號(hào)用戶起到的是1號(hào)用戶中繼臺(tái)的角色。接下來(lái)，2好用戶將處理完畢的信號(hào)傳輸?shù)交荆ㄌ摼€）。而1號(hào)用戶在同一時(shí)間既可以反復(fù)發(fā)送同一信號(hào)到基站也可以將新信號(hào)發(fā)送到基站。最后，基站將兩條通過(guò)獨(dú)立衰落途徑傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行合并。在2號(hào)用戶主動(dòng)發(fā)送信息的時(shí)候，1號(hào)用戶也可以充當(dāng)中繼臺(tái)。 圖5.2 協(xié)同傳輸過(guò)程 4.2.1 協(xié)同與中繼的區(qū)別 雖然協(xié)作通信技術(shù)是中級(jí)信道的衍生物，但其與中繼信道之間有著很多的差異。第一，協(xié)作信道技

47、術(shù)主要是處于規(guī)避多路徑衰落的目的而在衰落信道中使用，而中繼信道的使用對(duì)象則是AWGN頻道。第二，中繼信道中的中繼站點(diǎn)存在的目的只是為了輔助信號(hào)發(fā)射點(diǎn)傳送信息，而且協(xié)作通信過(guò)程中系統(tǒng)仰仗的固定的資源，每一個(gè)用戶都既可以成為幫助信號(hào)發(fā)送點(diǎn)發(fā)送信號(hào)的中繼站點(diǎn)，可都可以成為信號(hào)的發(fā)送站點(diǎn)。這也就決定了協(xié)同通信技術(shù)的不同側(cè)重?；净膮f(xié)同通信技術(shù)理念為：基于多個(gè)用戶的無(wú)線環(huán)境內(nèi)部的相鄰單天線用戶可以按照一定模式對(duì)彼此的協(xié)同天線傳輸活動(dòng)予以共享，因此就可以通過(guò)虛擬化的多天線傳輸環(huán)境來(lái)提升信號(hào)傳輸質(zhì)量，這樣的傳輸模式將分集和中繼兩種傳輸技術(shù)的優(yōu)勢(shì)融為一體，構(gòu)成了分布式的擬態(tài)MIMO系統(tǒng)，從而規(guī)避了距離之類局

48、限，在傳統(tǒng)化的通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，無(wú)需增加天線數(shù)量就可以與傳輸增益類似的多天線和多層級(jí)信號(hào)輸送。之所以被稱為MIMO，是因?yàn)榇嬖谟趨f(xié)作通信系統(tǒng)內(nèi)的每一個(gè)中繼點(diǎn)都可以本身就是一個(gè)虛構(gòu)的天線陣列，節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)協(xié)同信息交換，以實(shí)現(xiàn)一般MIMO環(huán)境的擬態(tài)化存在和聯(lián)合空時(shí)編碼傳輸方案的實(shí)現(xiàn)。而且目標(biāo)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)原點(diǎn)發(fā)出信號(hào)以及中繼節(jié)點(diǎn)信號(hào)的通不接手機(jī)。并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行基于無(wú)線傳輸及信號(hào)本身質(zhì)量的相應(yīng)處理，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)分集增益和數(shù)據(jù)傳輸速度的提升。 4.2.2 協(xié)同分集中的信號(hào)處理方式 協(xié)同分集中的信號(hào)處理方式有非自適應(yīng)和自適應(yīng)兩種[。 (1)非自適應(yīng)：放大前傳(Amplify-and-Forw

49、ard，AF)，如圖4.3，解碼前傳(Decode-and-Forward，DF) ，如圖4.4。 (2)自適應(yīng)：根據(jù)信道狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整發(fā)送數(shù)據(jù) 圖4.3 放大前傳 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每一個(gè)用戶都可以接受合作方發(fā)出的包含信道噪聲在內(nèi)的信號(hào)，并且在將信號(hào)放大后加以送出?；緯?huì)將兩個(gè)用戶傳來(lái)的信號(hào)加以接受以后做出決策。雖然信號(hào)放大的同時(shí)也擴(kuò)大了噪聲規(guī)模，。但是基站收到的仍然是兩個(gè)通過(guò)獨(dú)立衰落信道發(fā)來(lái)的信號(hào)，因此接收性能大大提高。 前置化的信號(hào)協(xié)作放大模式被Lanelnan等學(xué)者在針對(duì)未預(yù)測(cè)編碼的放大誤碼率的運(yùn)算之后加以剔除，而且他們通過(guò)研究證明，雖然協(xié)作者將噪聲和信號(hào)都進(jìn)行了方法傳輸，但是和非協(xié)

50、作式的方法相比，這樣的方法模式仍然有著很高的性能效益。 所謂的解碼前傳，指協(xié)作方將協(xié)作伙伴傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和接受解碼，并且將符號(hào)的估計(jì)運(yùn)算結(jié)果加以前傳的過(guò)程。 圖4.4 解碼前傳 DF狀態(tài)下的中繼點(diǎn)將首先解碼接收信號(hào)，并在傳輸前對(duì)信號(hào)在此編碼。但這就會(huì)讓中繼點(diǎn)存在錯(cuò)誤接受信號(hào)的可能，盡管這樣的狀況可以通過(guò)糾錯(cuò)編碼來(lái)規(guī)避。 所謂的解碼前傳有下列兩類： 一類指的是在中繼點(diǎn)免除多余的循環(huán)校驗(yàn)(cyclicRedundantcheck，cRC)，將可能出現(xiàn)錯(cuò)判的數(shù)據(jù)直接前傳，也就是DF無(wú)校驗(yàn)協(xié)同。 另一類就是在中繼點(diǎn)進(jìn)行多余的循環(huán)校驗(yàn)，數(shù)據(jù)需要前傳與否由校驗(yàn)結(jié)果決定。因此被稱為

51、DF有校驗(yàn)協(xié)同。 4.3 協(xié)同多點(diǎn)傳輸/接收技術(shù) G化的移動(dòng)通信技術(shù)演變趨勢(shì)，讓身為跨小區(qū)便捷邊界用戶干擾（Inter-cell Interference，ICI）的協(xié)同中繼及其多點(diǎn)傳輸技術(shù)（Coordinated Multi-Point transmission/reception）成為了炙手可熱的研究焦點(diǎn)。 多小區(qū)環(huán)境下的MIMO技術(shù)的主要應(yīng)用方式就是CoMP，其主要理念就是讓數(shù)據(jù)傳輸活動(dòng)基于空間信道差別進(jìn)行，同時(shí)通過(guò)跨小區(qū)的干擾處理來(lái)實(shí)現(xiàn)同頻組網(wǎng)以及跨小區(qū)之間通信干擾的規(guī)避。工作原理具體而言就是通過(guò)協(xié)同化的通信基站共同處理或者規(guī)避干擾信號(hào)，或者通過(guò)干擾信號(hào)和有用信號(hào)之間的轉(zhuǎn)化來(lái)

52、提升小區(qū)邊界用戶的吞吐量。可以說(shuō)單小區(qū)MU-MIMO的跨小區(qū)派生品就是CoMP系統(tǒng)。 圖4.5 COMP系統(tǒng)示意圖 基于圖4.5可見(jiàn)，單個(gè)eNode B實(shí)現(xiàn)了對(duì)若干個(gè)小區(qū)的操控，且單個(gè)小區(qū)內(nèi)部又有著若干個(gè)對(duì)應(yīng)相應(yīng)扇區(qū)的RRE（remote radio equipment）。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)功能的多根天線陣列安裝在RRE上，從被調(diào)度的用戶（UE）角度上來(lái)說(shuō)若干個(gè)RRE同時(shí)服務(wù)自己，且這些RRE的控制者為單個(gè)或若干個(gè)不同的 eNode B。如果UE未受調(diào)度，則只用所處扇區(qū)的RRE可以為其服務(wù)。 按照協(xié)同范圍來(lái)看，一般情況下的CoMP 可以分為 Intra-eNode B 和 Inter

53、-eNode B。 所謂的Intra-eNode B是指單個(gè) eNode B 囊括了整個(gè)協(xié)同范圍的小區(qū)，因此跨小區(qū)的信息共享可以被認(rèn)為如圖4中UE1一樣同步精準(zhǔn)， 所謂的Inter-eNode B是指協(xié)同范圍內(nèi)的小區(qū)分屬不同的eNode B，且不同的eNode B之間的通信是通過(guò)X2接口完成的，底層的通信是通過(guò)光纖，因此跨小區(qū)的信息共享會(huì)產(chǎn)生如圖4.5中UE一樣不精準(zhǔn)或者遲滯的狀況。 因?yàn)榇隧?xiàng)技術(shù)需要大量的跨RRE共享數(shù)據(jù)，UE信道狀態(tài)以及調(diào)諧等多種信息，因此需要很高的信息共享水準(zhǔn)，這一切通過(guò)Intra-eNode B更容易辦到。 如果從傳輸方案角度來(lái)看，CoMP下行傳輸方案正好和目前

54、有關(guān)COMP的三大3GPP研究技術(shù)相匹配。也就是：聯(lián)合發(fā)送技術(shù)（Joint Transmission， JT）、動(dòng)態(tài)小區(qū)選擇技術(shù)（Dynamic Cell Selection， DCS）和協(xié)同波束成型技術(shù)（Coordinated Beamforming，CB）。 (1)JT技術(shù) 如果CoMP下行傳輸時(shí)所依賴的某個(gè)UE被調(diào)動(dòng)，則協(xié)同傳輸?shù)腞RE會(huì)將相同數(shù)據(jù)發(fā)送到UE上，這就是可以實(shí)現(xiàn)干擾信號(hào)有用化以實(shí)現(xiàn)跨區(qū)干擾規(guī)避的JT技術(shù)，這一技術(shù)就可以提升小區(qū)邊界用戶的信號(hào)接收水準(zhǔn)，圖4.5所示就是該技術(shù)的協(xié)同傳輸方案[28】 (2)DCS技術(shù) JT技術(shù)中的一類特殊情況就是DCS技術(shù)，在這里，UE

55、在被調(diào)動(dòng)后會(huì)給eNode B發(fā)送相關(guān)反饋，eNode B會(huì)根據(jù)這些反饋基于一個(gè)RRE發(fā)送回饋數(shù)據(jù)給UE，但是發(fā)送回饋的UE只有一個(gè)。一般情況下，該技術(shù)和JT技術(shù)可以被稱為JP聯(lián)合處理技術(shù)。該技術(shù)的示意圖為圖4.6。 圖4.6 DCS示意圖 (3)CB技術(shù) 在該技術(shù)所涉及的傳輸方案內(nèi)部，用戶的反饋信息被eNode B收到以后會(huì)選擇一個(gè)固定的RRE給用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，而其余的寫作RRE也會(huì)同樣給其他的被調(diào)度用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。eNode B控制的RRE發(fā)送的數(shù)據(jù)要基于可能對(duì) 其他RRE的數(shù)據(jù)干擾來(lái)進(jìn)行調(diào)諧，通過(guò)調(diào)整信號(hào)波束走向來(lái)規(guī)避較大的干擾波束，以保證不會(huì)干擾其他區(qū)域內(nèi)的UE。

56、 圖4.7 CB技術(shù)示意圖 5 3GPPLTE標(biāo)準(zhǔn)MIMO技術(shù) 5.1 引言 從上世紀(jì)90年代開始，移動(dòng)通信技術(shù)就始終沒(méi)有放慢發(fā)展的腳步，人們的生產(chǎn)生活已經(jīng)越來(lái)越離不開移動(dòng)通信，不斷膨脹的客戶數(shù)量讓移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展活動(dòng)不斷面對(duì)新的挑戰(zhàn)，從第一代的模擬移動(dòng)通信到現(xiàn)今的第三代數(shù)字移動(dòng)通信， 每一代的技術(shù)及其應(yīng)用都實(shí)現(xiàn)了巨大的跨越，現(xiàn)在的通信手段已經(jīng)呈現(xiàn)出了寬大化和移動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)?；谝苿?dòng)通信市場(chǎng)潛力大蛋糕的吸引力和低投入高帶寬技術(shù)的全面鋪開，以往非傳統(tǒng)移動(dòng)領(lǐng)域的通信商也加入了移動(dòng)通信職場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)中，并由此引爆了全新的“SKYPE”業(yè)務(wù)運(yùn)行模式。這樣基于語(yǔ)音和短視頻的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)可以基于

57、投入幾乎為零的無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)讓消費(fèi)者享受到零花費(fèi)的移動(dòng)通信服務(wù)。全新力量的代表運(yùn)行商給傳統(tǒng)的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商造成了嚴(yán)重的市場(chǎng)威脅，也提升了網(wǎng)絡(luò)革命的速度。因此不斷通過(guò)推出新的通信服務(wù)來(lái)滿足用戶需求成為了移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商在市場(chǎng)站穩(wěn)腳跟的唯一手段， 出于迎戰(zhàn)諸如WIMAX和WiFi這樣的全新無(wú)線寬帶技術(shù)的需要，3G寬帶無(wú)線市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力必須提高從而保證未來(lái)十年自身的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此,3GPP組織在2004年底正式上馬LTE項(xiàng)目并針對(duì)LTE開展了長(zhǎng)期畫的UTRA技術(shù)探討，從而實(shí)現(xiàn)了3G到B3G再到4G的網(wǎng)絡(luò)升級(jí)。 LTE技術(shù)實(shí)現(xiàn)了OFDM正交頻分復(fù)用技術(shù)和MIMO技術(shù)的關(guān)鍵性融合，這里面的OFDM可以對(duì)無(wú)線

58、新到內(nèi)部的多路徑遲滯擴(kuò)展產(chǎn)生的好干擾加以規(guī)避，從而讓從復(fù)雜時(shí)域到簡(jiǎn)單時(shí)域的信道處理更加均衡。而MIMO技術(shù)則主要用于為多途徑多樣化的時(shí)空和頻域信號(hào)傳輸提供相應(yīng)的副本。接收端在進(jìn)行解碼時(shí)同時(shí)以接收信號(hào)及其副本作為依據(jù)以提升通信傳輸可靠程度，所謂的MIMO多路復(fù)用就可以在不增加功率和帶寬的情況下通過(guò)多個(gè)天線的多路復(fù)用信號(hào)傳輸來(lái)讓頻譜利用率實(shí)現(xiàn)幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。 3GPP LTE將更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，覆蓋面及系統(tǒng)容量，和更少的時(shí)間財(cái)力投入作為自身的演進(jìn)目標(biāo)，其主要的性能目標(biāo)包括： 基于20MHz寬帶實(shí)現(xiàn)下行 100Mbit/s和上行 50Mbit/s 的峰值速率; （2）讓小區(qū)邊界客戶有更好的信號(hào)

59、傳輸體驗(yàn)； （3）擴(kuò)充小區(qū)信號(hào)容量； （4）規(guī)避系統(tǒng)遲滯：用戶內(nèi)部平面單向傳輸遲滯時(shí)間小于5微秒，控制面板的睡眠激活遷移小于50微秒，駐留狀態(tài)激活時(shí)間小于100微秒。 （5）信號(hào)傳輸覆蓋半徑達(dá)到100公里。 （6）時(shí)速350公里的高速移動(dòng)客戶接入服務(wù)超過(guò)100kbit/s； （7）頻譜是否成對(duì)均可支持，且實(shí)現(xiàn) 1.25~20MHz 多種帶寬的配備。 5.2 LTE MIMO分集與空間復(fù)用 時(shí)空，頻率和功率是無(wú)線通信系統(tǒng)所使用的主要資源。其中空間和頻率資源在B3G/4G環(huán)境下得到了再次的利用開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)性能的提升，在收發(fā)兩端的設(shè)備商使用MIMO技術(shù)及多根天線可以讓空間域

60、足夠擴(kuò)展并以此特性擴(kuò)充了系統(tǒng)容量，從而成為了LTE系統(tǒng)的真正核心。 5.2.1 LTE MIMO分集 在3GPP LTE中,涉及到了多天線分集方法,發(fā)射分集和接受分集。發(fā)射分集中在這里介紹幾種常用的分集方法: （1）循環(huán)時(shí)延分集 這是一種簡(jiǎn)易的發(fā)射天線技術(shù)，最早的的DD延遲分集是由Wittneben在1933年提出的。后來(lái)，DD技術(shù)被修改為適合在OFDM系統(tǒng)的時(shí)域操作。由于該技術(shù)使用循環(huán)移位而不是簡(jiǎn)單信號(hào)延遲，它被稱為循環(huán)延遲分集（CDD）。原理如圖5.1。 圖5.1 循環(huán)延時(shí)分集 這一技術(shù)再后來(lái)被賦予了匹配OFDM系統(tǒng)的時(shí)域操作功能?；谠摷夹g(shù)是采用的循環(huán)移位而非

61、直接的信號(hào)遲滯，因此被稱為CDD循環(huán)延遲分集。圖5.1即為其原理。 CDD技術(shù)的最早運(yùn)用存在于MIMO-OFDM系統(tǒng)之中，通過(guò)讓每根天線不斷傳輸帶有不同循環(huán)延遲的同等數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)分集增益提升。也就是說(shuō)將單純的MISO信道轉(zhuǎn)化成了登喜ODE單出入SISIO信道。這樣的轉(zhuǎn)化既可以讓信道的數(shù)目和頻率可選度加以提升，也可以基于從空間分集到頻率分集的轉(zhuǎn)換提升瑞利多路徑衰落狀態(tài)下的系統(tǒng)性能。這一技術(shù)擁有兩大優(yōu)勢(shì)：其一，CDD可以基于適合的信道編碼獲取所有MIMO系統(tǒng)內(nèi)部的空間分集和多路徑信道分集；其二，在統(tǒng)一的編碼格式下可以允許多個(gè)發(fā)射天線同時(shí)存在。 。 （2）空時(shí)分集發(fā)射 圖5.2 空

62、時(shí)發(fā)射分集 按照?qǐng)D5.2可知，經(jīng)過(guò)STBC空時(shí)分組碼編碼的數(shù)據(jù)被截為兩段，1號(hào)天線上的數(shù)據(jù)流等同于原數(shù)據(jù)流，而2號(hào)天線上的數(shù)據(jù)流與原數(shù)據(jù)流之間成共軛或者反向關(guān)系，且順序也發(fā)生了變化，不同的天線同時(shí)發(fā)射編碼矩陣的單列符號(hào)，單個(gè)天線上發(fā)射的坐標(biāo)符號(hào)與其他任何一個(gè)天線上發(fā)射的符號(hào)都成正交關(guān)系。調(diào)制符號(hào)通過(guò)空式分集被映射到由不同接受天線在不同時(shí)間組成的時(shí)空區(qū)域內(nèi)從而提升分集增益，這也是客戶廣泛歡迎的原因。?？諘r(shí)分集發(fā)射利用空間分集和時(shí)間分集，能夠有效地對(duì)抗信道衰落，從而提高系統(tǒng)的傳輸性能和容量。 （3）空頻發(fā)射分集 圖5.3 空頻發(fā)射分集原理 按照?qǐng)D5.3可知，空頻發(fā)射分集與空時(shí)發(fā)

63、射分集較為相似，唯一的不同在于空頻發(fā)射分集要通過(guò)SFTD對(duì)信號(hào)進(jìn)行OFDM編碼，每一個(gè)符號(hào)都要在不一樣的頻玉空域重新編碼，相同數(shù)據(jù)通過(guò)不同的子載波加以運(yùn)送來(lái)獲得分集增益。這一技術(shù)在現(xiàn)時(shí)應(yīng)用的LTE發(fā)射分集技術(shù)中應(yīng)用較為廣泛。 在任意情況下，只要在單個(gè)固定時(shí)刻有一個(gè)足夠的高強(qiáng)度信號(hào)副本傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備上，都可以基于這一技術(shù)提高信噪比。 5.2.2 空間復(fù)用 圖5.4空間復(fù)用原理圖 如圖5.4所示，發(fā)射的高速數(shù)據(jù)被分成若干個(gè)并行的低速數(shù)據(jù)流，并且同時(shí)從相同頻帶的多個(gè)天線發(fā)射。由于多徑傳播，每個(gè)發(fā)射天線為接收機(jī)產(chǎn)生不同的空間特征。接收器使用這些不同的簽名來(lái)分離出獨(dú)立的數(shù)據(jù)流并最終將

64、其復(fù)用到原始數(shù)據(jù)流中。因此，空間復(fù)用可以使數(shù)據(jù)傳輸速率加倍。 在LTE系統(tǒng)中，當(dāng)UE快速移動(dòng)時(shí)，不會(huì)獲得信道質(zhì)量信息，并且可以通過(guò)使用發(fā)射分集技術(shù)來(lái)獲得鏈路分集性能。發(fā)送分集對(duì)于延遲敏感的服務(wù)也是有用的。然而，發(fā)送分集不能增加峰值速率，因?yàn)榘l(fā)射分集只能傳輸單個(gè)碼流。通過(guò)利用MIMO空間復(fù)用技術(shù)，在eNB和UE之間傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流，eNB的多個(gè)發(fā)送天線和UE端的多個(gè)接收天線能夠獲得更高的峰值速率。因此，通過(guò)利用更大的傳輸帶寬和更高階的調(diào)制方式，LTE系統(tǒng)利用MIMO空間復(fù)用技術(shù)可以獲得更高的峰值速率。因?yàn)閁E在良好的信道條件下能夠從多個(gè)數(shù)據(jù)流獲得增益，故MIMO空間復(fù)用技術(shù)能夠提高小區(qū)容量和吞

65、吐量。 5.3 SU-MIMO與MU-MIMO 5.3.1 下行SU（單用戶）- MIMO 下行SU-MIMO是大幅度提高單用戶下行峰值速率以及LTE系統(tǒng)下行頻譜效率的重要手段。LTE系統(tǒng)的下行SU-MIMO是基于預(yù)編碼技術(shù)的MIMO方案，它由發(fā)射端的預(yù)編碼及其對(duì)應(yīng)的接收端匹配濾波組合形成，預(yù)編碼矩陣根據(jù)時(shí)空信道特征獲取。其主要特點(diǎn)有： (1)目標(biāo)：增加用戶數(shù)據(jù)速率。 (2) 一個(gè)用戶同時(shí)接受不同的數(shù)據(jù)流。 (3) 當(dāng)用戶占用信道條件良好時(shí)，傳輸效率是較高的。 很明顯，基于預(yù)編碼技術(shù)的SU-MIMO多流傳輸收發(fā)信機(jī)方案，等效于將多個(gè)子流在空間上彼此正交的特征信道中進(jìn)行傳輸而互

66、相完全沒(méi)有干擾。 實(shí)際應(yīng)用中，多流的發(fā)射功率可以采用注水的方式以獲得功率效率最大化。一些奇異值比較?。ㄉ踔翞榱悖┑奶卣餍诺栏鶕?jù)注水原理將不會(huì)獲得任何功率分配，這也是LTE協(xié)議中SU-MIMO發(fā)射“層”數(shù)可變的重要原因。 5.3.2 下行MU（多用戶）-MIMO 下行MU-MIMO也是一種空分多址（SDMA）的復(fù)用方式，系統(tǒng)則使用相同的時(shí)頻資源塊同時(shí)向多個(gè)終端發(fā)射不同的信號(hào)。下行MU-MIMO也是大幅提高LTE系統(tǒng)下行頻譜效率的一個(gè)重要手段，但無(wú)法提高單用戶峰值速率。 下行MU-MIMO的情況比較復(fù)雜。不同終端的接收天線數(shù)也不盡相同，因此不同接收天線數(shù)的終端對(duì)于MU-MIMO發(fā)射信號(hào)的正交性要求也不一樣。多天線接收的終端能夠?qū)σ欢ǔ潭鹊幕旌闲盘?hào)進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)，恢復(fù)自身信號(hào)；而單天線接收的終端需要依賴系統(tǒng)側(cè)發(fā)射端對(duì)信號(hào)進(jìn)行盡可能的預(yù)正交，以降低空分多址信號(hào)的互干擾。 下行MU-MIMO還可以與下行SU-MIMO結(jié)合起來(lái)應(yīng)用，以最大限度的提高LTE系統(tǒng)的下行頻譜效率，并兼顧單用戶峰值吞吐量。 5.3.3上行MU（多用戶）- MIMO 上行MU（多用戶）-MIMO實(shí)際上是一種空分