MIMO无线通信原理及应用.pdf

MIMO 无线通信原理及应用无线通信原理及应用 康桂华 著 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本书主要介绍了多天线发送和多天线接收（MIMO）无线通信的基本原理，以及 MIMO 技术在宽带无线通信、分布式合作通信和无线网络中的相关应用。书中既有各种性能分析与仿真结果，又有生动的应用案例，还提供了一些代表性的实现方法。围绕 MIMO 无线通信的信道模型、信道容量、信道估计和实现算法四方面所涉及的有关理论和应用进行了较详细的阐述，并通过大量的计算机辅助仿真实验，验证了 MIMO 系统中的一些重要理论，同时也给出了作者在最近的研究中得到的一些新结果。本书可为通信工程、信息工程、计算机应用及相关专业的研究生、工程师和科研人员提供借鉴和参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 MIMO 无线通信原理及应用康桂华著.北京：电子工业出版社，2009.7 ISBN 978-7-121-08677-9 I.M .康 .移动通信通信系统.TN929.5 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2009）第 060257 号 责任编辑：史 涛 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：12.5 字数：320 千字 印 次：2009 年 7 月第 1 次印刷 印 数：3 000 册 定价：36.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。前 言 随着无线互联网中多媒体通信的快速发展，宽带高速数据通信服务的需求正在日益增长。常规单天线收发通信系统的容量已远远不能满足实际使用的需要，而且可靠性亟待提升。信息论近期的研究表明，在无线链路两端使用多根天线发送和多根天线接收（MIMO），无需增加频谱资源和发射功率，可以成倍地提升通信系统的传输速率。MIMO 无线通信是当前无线通信领域中的一项重要技术突破，也是实现未来高速宽带无线Internet接入网的关键技术之一，无论在后三代(B3G)或第四代(4G)移动通信中，还是在未来无线互联网多媒体通信中都有着广阔的应用前景。自从西方学者 Telatar E.和 Foschini J.在 MIMO 无线通信系统中做出了开创性的工作以来，有关 MIMO 技术理论和应用研究如雨后春笋般涌现。至 2005 年年底，IEEE 数据库收录该领域的研究论文已达数千篇，论文涉及的内容从理论研究到实验验证，再到商用化的各个方面。作者在攻读博士学位期间，有幸从事“MIMO 无线通信系统的信道模型、信道容量、信道估计和实现算法”方面的研究工作，回校后，在博士研究工作的基础上，申报了“基于 4G 构架的空时频三维编码研究”的博士启动基金项目，继续进行 MIMO 无线通信系统的有关研究。在随后的博士后工作中，又进行了 MIMO 技术在未来无线通信网络中应用研究。本书主要融入了作者在攻读博士学位和博士后研究工作期间，以及科研项目中有关 MIMO 无线通信方面的一些研究成果。本书还包括了一些未曾发表过的研究结果，如基于最大似然（ML）信道估计准则的信道容量下限分析以及相应的最佳训练序列设计原则等。本书适用对象为通信工程、信息工程、计算机应用及相关专业的研究生、工程师和科研人员，要求读者熟悉数字通信、矩阵分析、概率论与随机过程方面的有关基础知识。作者 康桂华 2009 年 3 月 V 目 录 第 1 章 绪论1 1.1 引言1 1.2 传统单天线系统向多天线系统演进1 1.3 MIMO 无线通信技术的研究现状和应用概况2 1.4 MIMO 无线通信技术的发展趋势5 第 2 章 MIMO 无线通信基础9 2.1 引言9 2.2 矩阵的有关知识9 2.3 无线移动信道的主要特征14 2.4 信号与系统的等效基带表示16 2.5 信号检测方法18 2.6 数字调制技术21 2.7 分集技术24 2.8 小结27 第 3 章 MIMO 空时信道的理论模型和仿真29 3.1 引言 29 3.2 确定性的 MIMO 信道模型 30 3.3 随机 MIMO 信道模型32 3.3.1 信道衰落和信道扩展32 3.3.2 随机 MIMO 信道的一般描述34 3.3.3 基站和移动台天线相关系数36 3.3.4 3GPP 有关 MIMO 信道模型方面的标准40 3.4 MIMO 无线信道的仿真41 3.5 小结 53 第 4 章 MIMO 信道的容量分析与仿真55 4.1 平均分配发射功率的 MIMO 信道容量分析与仿真55 4.2 自适应分配发射功率的 MIMO 信道容量分析与仿真62 4.3 MIMO 仿真信道的容量分析与比较66 4.4 小结69 第 5 章 MIMO 信道传输系数估计与仿真70 5.1 引言 70 5.2 基于信道估计的 MIMO 无线系统的数学模型71 5.3 最大似然比和最小均方误差估计的仿真性能及其比较73 5.4 基于信道估计的信道容量下限的估计79 5.5 最佳训练序列的设计 81 5.6 最佳序列设计和基于信道估计的信道容量的仿真结果86 VI 5.7 信道系数估计误差对系统性能的影响分析89 5.8 小结 93 第 6 章 MIMO 空时实现算法分析与仿真95 6.1 算法概述95 6.2 发射端空时处理的几种典型算法分析及其推广97 6.2.1 空时分集处理技术97 6.2.2 分层处理技术99 6.3 接收端的空时处理算法分析101 6.4 几种先进的空时处理综合方法103 6.5 仿真结果及性能分析比较113 6.6 小结121 第 7 章 MIMO 宽带无线通信技术122 7.1 引言 122 7.2 单用户 MIMO-OFDM 宽带传输技术123 7.3 多用户 MIMO-CDMA 宽带传输技术128 7.4 多用户 OFDM-CDMA 宽带传输技术 134 7.5 多用户 MIMO-OFDM-CDMA 宽带传输技术140 7.6 小结 151 第 8 章 虚拟 MIMO 无线通信技术153 8.1 引言 153 8.2 虚拟 MIMO 技术基础154 8.3 基于合作中继的虚拟 MIMO 技术158 8.3.1 理论分析基础158 8.3.2 基本的合作中继协议160 8.3.3 基本的合作中继协议比较162 8.3.4 中断性能分析162 8.4 基于编码合作的虚拟 MIMO 技术167 8.5 小结 173 附录 A MIMO 信道最大似然比估计值及其误差的证明175 附录 B MIMO 信道线性最小均方误差估计值的证明177 附录 C 最差噪声影响下，基于训练序列的信道容量下限的证明179 附录 D 数学运算符对照表181 附录 E 英语缩略语对照表182 参考文献184 致谢194 第 1 章 绪论 1 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 引言 传统的无线通信系统中，发射端和接收端通常是各使用一根天线，这种单天线系统也称为单输入和单输出（SISO，Single Input Single Output）系统。对于这样的系统，Shannon C.E.（1916-2001）于 1948 年在“通信的数学理论1”一文中提出了一个信道容量的计算公式：2log(1/)CBS N=+，其中B代表信道带宽，/S N代表接收端的信噪比，它确定了在有噪声的信道中，进行可靠通信的上限速率。用B归一化后，得到带宽利用率为2log(1/)S N=+。以后的电信科研工作者无论使用怎样的信道编码方法和调制方案，只能一点一点地接近它，却无法超越它，这似乎成了一个公认的、不可逾越的界限，也成了现代无线通信发展的一大瓶颈。随着目前移动通信的普及和广泛应用，加上未来Internet要求无线接入，用户要求大幅度地提高无线通信速率的愿望变得越来越强烈，因此必须设法突破上述传统无线通信系统的容量界限。一般来说，提高移动通信的信道容量有三种方法：设置更多的基站；拓宽已使用的频带；提高频谱的使用效率。设置更多的基站意味着增加更多的蜂窝，为此付出的代价较高。为了便于提高无线通信的传输速率，也有人建议把目前使用的频带拓展到毫米波段，因为在毫米波段有更宽的频带可供使用，但是就目前的技术水平来说，这样做的代价还相当昂贵，而且目前无线通信市场迫切需求的是介于UMTS（通用移动通信系统）和WLAN（无线局域网）之间设备，它们使用的是微波波段。对于UMTS和ISM（工业、科研和医疗）使用的频率在2GHz附近，而WLAN使用的频率在2GHz到5GHz。由此看来，合理的选择是设法提高频谱的使用效率。1.2 传统单天线系统向多天线系统演进 依据Shannon C.E.给出的信道容量公式，在传统的无线系统中，增加信噪比（SNR）可本章内容提要 首先概述了无线通信系统中引入MIMO技术的必要性，以及提高无线移动通信传输速率的方法和途径；其次简要介绍了传统单天线系统向多天线系统演进的过程，并阐述了MIMO技术在提高无线传输速率和频谱使用效率方面的作用；然后对目前MIMO无线通信技术的研究现状和应用概况做了简要的回顾，并指出了MIMO无线通信技术的未来发展趋势；最后概括了本书的章节安排和主要内容。MIMO 无线通信原理及应用 2 以提高频谱的使用效率，信噪比每增加3 dB，信道容量每秒每赫兹增加1比特。对于单用户方案，信噪比主要与系统的热噪声有关，而系统热噪声在通信期间基本保持不变，如果增大发射端的发射功率，接收端的信噪比便随之增加，然而，不仅是因为人的健康原因不推荐使用这种方法，而且还因为要设计一个能在很宽的线性范围内和很高的发射功率上工作的功率放大器，是件很困难的事情，而且当发射功率很高时，器件的散热也成问题。另外在蜂窝（多用户）方案中，由于来自其他用户的干扰电平通常高于系统的热噪声，所以在这种情况下增大发射功率似乎对增加信道容量没有太大的帮助。提高频谱使用效率的另一种方法是使用分集技术。如果发射端使用单根天线，接收端使用多根天线，这种分集通常称为接收分集，也称之为单输入多输出（SIMO，Single Input Multiple Output）系统，采用最佳合并的接收分集技术通常能改善接收端的信噪比，从而提高信道的容量和频谱的使用效率。如果发射端使用多根天线，接收端使用单根天线，这种分集通常称为发射分集，也称之为多输入单输出（MISO，Multiple Input Single Output）系统，如果发射端不知道信道的状态信息，无法在多发射天线中采用波束形成技术和自适应分配发射功率，信道容量的提高不是很多。SIMO和MISO技术的发展自然演变成MIMO技术，即在无线链路的两端都使用多根天线，Telatar E.3和Foshini J.4分别证明了MIMO系统与SIMO 和MISO系统相比，可以取得巨大的信道容量，该信道容量突破了传统的单输入单输出信道容量的瓶颈，是Shannon C.E.信道容量公式在多天线系统中的推广应用。与目前已实现的信道容量相比，有望提高几个数量级。因此MIMO无线通信技术在第三代（3G）乃至三代以后（B3G）的移动通信系统中有着广阔的应用前景。目前，MIMO技术已成为无线通信领域的一大研究热点。粗略地说，使用MIMO技术的好处在于能创建多个并行的子信道、能综合使用发射分集和接收分集技术、能较大地提高天线的增益等。1.3 MIMO无线通信技术的研究现状和应用概况 MIMO无线通信是一个崭新的、富有挑战性的研究领域。信息论预示了MIMO无线系统具有潜在的巨大的信道容量，但在实际应用中是获得这个容量的全部还是部分以及为此需要花费多大代价等，都值得深入、仔细地研究。因此，目前全世界有许多学术机构、大公司（主要分布在欧洲和北美