lte中基于ebb的多天线技术研究

l艮，靠二密级：保密期限：站章却童大警硕士研究生学位论文题目：班E ±生基王E 旦旦的垒丞线拉丕班究一一一学号：Q Z 苎垒l Z姓名：扬玄谦专业：通焦复信息丕统导师：扬太盛学院：值盅皇通信工程堂瞳2 0 1 0 年1 月l O 日：一，。；、厂j成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：霹勾久像日期：二。I D 刍J o关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定)保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名：球勾久。秉日期：2 。口_ 3 J I 。导师签名：日期：2 , , I o3 I ot巾，o*f；nvk霉；。7长rI，-，L T E ( L o n gT e r mE v o l u t i o n ) 作为下一代移动通信的主要标准，其标准化工作由3 G P P 负责，目前的研究重点包括增强型M I M O( M u l t i p l eI n p u ta n dM u l t i p l eO u t p u t ) 技术，该方向的研究有利于更有效的提高系统性能。其中T D D ( T i m eD i v i s i o nD u p l e x ) 模式下可以利用信道互易性通过导频估计信道信息，而不需要占用专门的资源来进行信道信息的反馈，因此特别适合需要较多信道质量信息的多天线传输技术。基于多天线的波束赋形技术因其在T D D 系统中良好的表现，被确定为L T E 技术演进中一个重要的M I M O 实现方式。本文主要研究了基于L T E 的下行多天线增强型波束赋形技术和与之相关的信道质量反馈机制的设计，并且通过搭建系统级仿真平台和进行计算机仿真给出了相应算法和改进技术对于系统性能的改善结果和性能分析。M I M O O F D M 系统的特性决定了对该系统的仿真需要基于有别于其他系统的仿真环境，本文结合其特点设计出了更适合该系统的仿真器结构，基于模块化和松耦合化的设计保证了可扩展性以及运行的效率，为后续的理论研究和仿真验证打下了基础。通过对传统波束赋形算法的研究和相关信道质量反馈机制的设计，本文创新性的提出了基于S V D 分解的流自适应波束赋形技术，通过计算机仿真，我们看出该算法在保证用户间公平性和用户满意度最大化的基础上，在使用相同的资源调度算法的条件下可以获得更高的系统性能。关键词：T D L T EE B B多天线，_ h4T：b，I 之E S E A R C HO NB E A M F O R 删GB A S E DM U L T I A N T E N N AT E C H N I Q U EI NL T E + S Y S T E MA B S T R C TL o n gT e r mE v o l u t i o n ( L T E ) i St h em a i nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns t a n d a r df o rn e x tg e n e r a t i o n ，a n dt h es t a n d a r d i z a t i o nw o r ki St a k e nc h a r g eb y3 G P P C u r r e n t l y , t h em a j o rr e s e a r c hi s s u e si n c l u d ee n h a n c e dM I M Ot e c h n i q u e ，w h i c hc a ni m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c ed r a m a t i c a l l y E s p e c i a l l yi nt i m ed i v i s i o nd u p l e x ( T D D ) m o d e ，u t i l i z i n gc h a n n e lr e c i p r o c i t y , t h ed o w n l i n kc h a n n e li n f o r m a t i o nc a nb ea c q u i r e dt h r o u g hu p l i n kc h a n n e le s t i m a t i o na n dt h ee x t r as i g n a l i n go v e r h e a df o rc h a n n e lf e e d b a c ki Ss a v e d T h u s i ti Sf i tf o rt h es y s t e mw h i c hi se q u i p p e dw i t hm u l t i p l ea n t e n n a s B e a m f o r m i n gt e c h n i q u ei ss e l e c t e da sa ni m p o r t a n tM I M 0c o n f i g u r a t i o nf o ri t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei nT D Dm o d e I nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ed o w n l i n ke n h a n c e db e a m f o r m i n gt e c h n i q u ei nL T Es y s t e ma n dt h ec o r r e s p o n d i n gd e s i g no fc h a n n e lq u a l i t yi n f o r m a t i o n ( C Q I ) f e e d b a c kr e g i m ei ss t u d i e d T h r o u g ht h es y s t e ml e v e ls i m u l a t i o n ，t h i sp a p e rg i v e st h ei m p r o v e dr e s u l t sb r o u g h tb yi m p r o v e dt e c h n i q u ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gp e r f o r m a n c ea n a l y s i s T h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n to fM I M O O F D Ms y s t e mi sd i f f e r e n tw i t ho t h e rs y s t e m s A c c o r d i n gt oi t so w nc h a r a c t e r i s t i c ，t h i sp a p e rd e s i g n sas i m u l a t o rs t r u c t u r ew h i c hi sq u i t ef i tf o rM I M 0 O F D Ms y s t e m T h em o d u l a r i z a t i o nm a k et h es i m u l a t o rh a v eb e t t e rs c a l a b i l i t ya n dh i g h e re f f i c i e n c y T h e r e f o r e ，t h es i m u l a t o rC a na d v a n t a g et h ef u t u r et h e o r e t i c a ls t u d ya n ds i m u l a t i o nv a l i d a t i o n T h r o u g ht h es t u d yo ft h et r a d i t i o n a lb e a m f o r m i n ga l g o r i t h ma n dC Q If e e d b a c kr e g i m e ，t h i sp a p e rp r o p o s e san o v e la d a p t i v eb e a m f o r m i n gt e c h n i q u ew h i c hi Sb a s e do nt h es t r e a mf r o ms i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n S i m u l a t i o nr e s u l ts h o w s ，w h e nt h ef a i r n e s sf o r蹿；，一u s e r si sp r o m i s e da n dt h eu s e rs a t i s f a c t i o nd e g r e ei sm a x i m i z e d ，t h i sa l g o r i t h mc a na c q u i r eb e R e rs y s t e mp e r f o r m a n c et h a nt r a d i t i o n a lm e t h o dw h i c hu s e st h es a m er e s o u r c es c h e d u l i n ga l g o r i t h m K E YW O R D S ：T D L T EE B BM u l t i A n t e n n ai。舞第一章1 11 21 3第二章2 12 22 2 12 2 22 2 32 2 42 2 52 3第三章3 13 1 13 1 23 1 33 23 2 13 2 23 2 3第四章4 14 1 14 1 24 24 2 14 2 24 2 3目录绪论1移动通信系统概述l新一代移动通信标准中T D D 系统的演进3本课题研究内容及意义5L T E 系统关键技术7L T E 物理层概述7L T E 系统关键技术8O F D M 技术8M I M O 技术13自适应技术。l6自适应调制编码技术18H A R Q 机制18L T E 未来发展方向19仿真方法论研究。2 1概述2l链路级系统级仿真2l时间事件驱动型仿真2 2静态仿真动态仿真2 2仿真平台总体设计2 4仿真平台基本结构2 4仿真流程关键模块分析2 6传输块判决原则3l基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究3 3波束赋形技术概述3 3波束赋形技术的分类的和发展3 4波束赋形技术在M I M O 系统中的研究3 5基于S V D 分解的L T E 系统波束赋形算法研究3 6本算法基本思路3 6算法模型设计3 7自适应编码调制条件下的波束赋形3 84 2 4基于A M C 的仿真接口设计3 84 3E B B 算法详细设计及实现3 94 3 1信道状态反馈机制建模策略4 04 3 2S o u n d i n g 建模策略4 24 3 3单流E B B 算法设计及实现4 44 3 4双流E B B 算法设计及丈现4 64 3 5改进型( 流自适应) E B B 算法设计及实现5 04 4仿真结果及分析5 24 4 1基本仿真参数5 24 4 2E B B 信道增强效果分析5 44 4 3E B B 条件下信道空间选择性分析5 64 4 4E B B 多流传输约束条件分析5 74 4 5单流及双流E B B 性能分析6 04 4 6系统级综合性能分析6 24 4 7总l g i 6 3第五章论文总结与展望6 5参考文献6 7el ，蜂窝移动通信的飞速发展是超乎想象的，它是2 0 实际人类最伟大的科技成果之一。从1 9 4 6 年A T & T 推出第一个移动电话，到如今第三代移动通信系统的兴起，移动通信已经发展了半个世纪，也深刻的改变了人们的生活和思维方式。第一代模拟移动通信系统( 1 G ) 主要建立在频分多址接入( F D M A ) 和蜂窝频分复用的理论基础上，典型代表有美国的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 ) 和欧洲的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 nS y a e m ) 。我国建设移动通信系统的初期主要就是引入的这两类系统。I G 在商业上取得了巨大的成功，但随着移动通信市场的大大发展，对移动通信技术提出了更高的要求。模拟系统本身有频谱效率低、网络容量有限、保密性差等缺陷，越来越难以满足人们的需求。第二代数字移动通信系统( 2 G ) 克服了模拟系统所存在的许多缺陷，可以有效的提供语音和低速率的数据N k 务，能够基本满足人们对信息交流的需求。因此一经推出就倍受人们瞩目，得到了迅猛的发展，短短的十几年就成为了世界范围的、最大的移动通信网【2 1 。最具代表性的是G S M ( 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 ) 和N C D M A 系统。我国已经用数字通信系统完全取代了模拟系统。随着人们对移动通信业务需求越来越大，尤其是对移动多媒体以及高速数据业务的需求，迫切的需要设计出一种新的系统，能够提供更宽的带宽，更大的容量，更多种不同的业务，并且能够实现移动终端在不同的网络之间漫游。第三代移动通信系统就是在这样的背景下产生的。I T U 在1 9 8 5 年就提出了第三代移动通信系统的概念，最初命名为F P L M T S( 未来公共陆地移动通信系统) ，在1 9 9 6 年后正式确定名称为I M T - 2 0 0 0( I n t e r n a t i o n a lM o b i l eT e l e c o m m u n i c a t i o n s2 0 0 0 ) 。第三代移动通信系统的目标就是实现移动通信网络全球化、业务综合化以及通信个人化。具体内容为：北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论( 1 ) 全球漫游，以低成本的多模手机来实现。全球具有共用频段，用户不再限制于一个地区和一个网络，而能够在整个系统和全球漫游，其在设计上具有高度的通用性，拥有足够的系统容量和强大的多种用户管理能力，能提供全球漫游，是个覆盖全球的、具有高度智能和个人服务特色的移动通信系统。( 2 ) 适应多种环境，采用多层小区结构，即微微蜂窝、微蜂窝、宏蜂窝，将地面移动通信系统和卫星移动通信系统结合在一起，与不同网络互通，提供无缝漫游和业务一致性，网络终端具有多样性，并与第二代系统的共存和胡同，开放结构，易于引入新技术。( 3 ) 能提供高质量的多媒体业务，包括高质量的话音、可变速率的数据、高分辨率的图像等多种业务，实现多种信息一体化。( 4 ) 足够的系统容量、强大的多种用户管理能力、高保密性能和服务质量。用广可用为一个人电信号码( P T N ) 在任何终端上获取所需要的电信业务，这就超越了传统的终端移动性，真正实现了个人移动性。为实现上述目标，对无线传输技术提出了一下要求：高速传输以支持多媒体业务：室内环境至少2 M b p s ；室外不行环境至少3 8 4 k b p s ；室外车辆环境至少1 4 4 k b p s ；传输速率按需分配；上下行链路能适应不对称业务的需求；简单的小区结构和易于管理的信道结构；灵活的频率和无线资源的管理、系统配置和服务设施。第三代移动通信系统的开发给各个国家的移动通信产业的发展都带来了机遇和挑战。为了能在未来的标准化工作中取得领先地位，各个国家、公司以及标准化组织纷纷提出自己的技术和技术标准。在1 9 9 9 年1 1 月5 日赫尔辛基举行的T G S 1 第1 8 次会议上，确认了5 种第三代移动通信无线传输技术。其中两种T D M A 技术，S C T D M A ( U M C 1 3 6 ) ，M C T D M A ( E P D E C T ) ；三种C D M A技术：M C C D M A ( C D M A2 0 0 0M C ) 、D S C D M A ( 包括U T R A W C D M A 和C D M A2 0 0 0 D S ) 、T D DC D M A ( T D S C D M A 和U T R AT D D ) 。主流技术是三种C D M A技术。W C D M A 最初是由爱立信、诺基亚为代表的欧洲通信设备商提出的。日本由于在第二代移动通信时期采用自主开发的通信标准，而不是全球主流的技术标准，因此，在很大程度上限制了日本设备商在世界范围内的市场，所以希望通过第三代移动通信占据国际市场。以N T T D o C o M o 为主的公司提出的W C D M A 与2北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论欧洲的标准融合，形成现在的W C D M A 系统。W C D M A 主要采用带宽为5 M H z的宽带C D M A 技术，上、下行快速功率控制，下行发射分集，基站间可以异步操作3 1 。C D M A 2 0 0 0 是在I S 9 5 系统的基础上由高通、朗讯、摩托罗拉和北电等公司一起提出的，C D M A2 0 0 0 系统的设计考虑和I S 9 5 系统的后向兼容，很多基本参数和特征都是相似的，在无线接1 2 1 采用了增强技术，表现在以下几个方面【4 】：( 1 ) 提供反向导频信道，反向可以进行相干解调。在I S 9 5 系统中，反向链路没有导频信道，使得基站接收机中同步和信道估计比较困难。( 2 ) 前向链路采用发射分集方式，提高了信道的抗衰落能力。( 3 ) 增强了前向快速功率控制，提高前向信道的容量。( 4 ) 业务信道引入了T u r b o 码，提高系统性能。( 5 ) 引入快速寻呼信道，增加了移动台的待机时间。W C D M A 和C D M A2 0 0 0 都是采用F D D 模式，需要大段成对的频谱，而T D D模式上、下行工作在同一频段，在频率资源日趋紧张的今天，这一点显得尤为重要。而且，基站可以根据上行链路的信号来估计下行链路信道特性，因此不需要快速的功率控制。此外，上、下行链路的对称特性便于使用智能天线。同时T D D的工作模式便于支持不对称业务的需求，这些优势都是F D D 系统难以实现的。T D S C D M A 就是在这样的环境下产生的。T D S C D M A 作为一个T D D 系统，与W C D M A 、C D M A 2 0 0 0 在具体技术的选取上有着自身独特的特点，如低码片速率( L C R ) 、单载波带宽小、上下行同一频率、上下行均是同步的等等。正因为这些这些特点，使得一些技术在T D S C D M A 上能发挥出更大的优势。低码片速率使得硬件的实现更加简单，成本得以降低，一些复杂的技术在现有软硬件基础上得以支持，如联合检测。单载波带宽小，不要求对称的上下行频带，上下行负载可以灵活分配，符合分组业务上下行流量不对称的现实，又可以灵活地利用零散的频率资源，使得最终频谱利用率得到提高，为运营商节省频率资源。上下行同频使得上下行的信道具有相当的互易性，使得发送端利用接收信号进行信道估计更加准确，这对于许多依赖于信道估计的技术都有好处，如联合检测、智能天线等。上下行同步模式的C D M A 使得由于码字之间的不正交性带来的多址干扰大大降低，对上行容量的提高尤其有意义。1 2 新一代移动通信标准中T D D 系统的演进T D S C D M A ( T i m eD i v i s i o nS y n c h r o n o u sC o d eD i v i s i o nM u l t i p l eA c c e s s ) 第3北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论三代移动通信系统标准是信息产业部电信科学技术研究院( 现大唐集团) 在有关部门的支持下，经过多年的研究而提出的具有一定特色的第三代移动通信系统标准，是中国百年通信史上第一个具有自主知识产权的国际通信标准，在我国通信发展史上具有里程碑的意义并产生深刻影响。该标准在我国原无线通信标准组( C W T S ，C h i n e s eW i r e l e s sT e l e c o m m u n i c a t i o nU n i o n ) 最终修改完成后，经院有点不批准，于1 9 9 8 年6 月代表我国提交到国际电信联盟( I T U ，I n t e r n a t i o n a lT e l e c o m m u n i c a t i o nU n i o n ) 和县官国际标准组织。1 9 9 9 年1 1 月在芬兰赫尔辛基召开的国际电信联盟会议上，T D ·S C D M A 被列入I T U 建议I T U RM 1 4 5 7 中，成为I T U 认可的第三代移动通信无线传输技术( R T T , R a d i oT r a n s m i s s i o nT e c h n o l o g y ) 主流技术之一。1 9 9 9 年1 2 月3 G P PR A N ( R a d i oA c c e s sN e t w o r k ) 第七次全会上正式确定了T D S C D M A 与U T R A T D D 标准的融合原则。2 0 0 0 年5 月世界无线电行政大会正式接纳T D S C D M A 为第三代移动通信系统国际标准，从而使T S S C D M A 成为与欧洲、日本提出的W C D M A 以及美国提出的c d m a 2 0 0 0 并列成为三代主流3 G 标准之一。这是百年来中国电信史上的重大突破，标志着我国在移动通信技术方面进入世界先进行列。2 0 0 1 年3 月的3 G P PR A N 的1 1 次全会上，T D S C D M A 被正式列入3 G P P关于第三代移动通信系统的技术规范，包含在3 G P PR 4 版本中，这表明T D S C D M A 作为一个国际标准，被众多业界通信制造商和运营商所接受，并为以后的市场化打开了局面。从此，T D S C D M A 进入了稳定发展和逐步完善的阶段。在我国的标准化组织中国通信标准协会( C C S A ) 的第五技术委员会( T C 5 ) 中，T D S C D M A 的标准化工作也在稳步进行，目前C C S A 已经制定了T D S C D M A 的一整套行业标准，包括系统体系、空中接口和网元接口的详细技术规范，为T D S C D M A 的产业发展和商用化奠定了良好的基础。2 0 0 2 年1 0 月2 3 日，信息产业部公布T D S C D M A 频谱规划，为T D S C D M A标准划分了专用的频段。2 0 0 6 年1 月2 0 日，信息产业部正式颁布T D S C D M A 为我国通信行业标准。T D S C D M A 于2 0 0 1 年3 月被写入3 G P P 的R e l e a s e4 标准之后，在3 G P PR e l e a s e5 标准中引入了T D S C D M A 的短期演进H S D P A 标准；与之对应，在3 G P PR e l e a s e6 标准中，则提出H S U P A 标准方案；随着T D S C D M A 进一步演进，在3 G P PR e l e a s e7 中提出了L T E ：随后在3 G P PR e l e a s e8 标准中又引入了H S P A + 标准。在未来的标准化工作中，T D S C D M A 的增强和演进工作将进一步深入，包4在无线网络中，用户对高速数据业务的需求不断增大，而由于无线网络资源的有限性，是的用户对资源需求与有限的资源之间的矛盾日益激烈，已经成为制约无线通信发展的主要因素。针对现有的系统，要解决这一矛盾，一方面需要在物理层采用更为先进的技术( 如：波束赋形技术等) ，提高系统性能。此外还可以通过采用M I M O ，O F D M 等更先进的传输技术来提高无线信道传输速率。M I M O ( M u l t i p l e i n p u tM u l t i p l e o u t p u t ) 作为提高系统容量的最主要手段，受到了各方代表的关注。L T E 已经确定M I M O 天线个数的基本天线的配置是下行2 * 2 ，上行l 堆2 ，但也在考虑4 * 4 的高阶天线配置。N o t e l 的专利技术虚拟M I M O也被L T E 采纳作为提高小区边缘数据速率和系统性能的主要手段。另外L T E 也正在考虑采用小区间干扰一直技术来改善小区边缘的数据速率和系统容量。下行方向的M I M O 方案相对较多，L T EM I M O 下行方案主要可以分为两类：发射分集和空间复用。目前，基于预编码向量选择的预编码技术。其中预编码技术已经被确定为多用户M I M O 场景的传输方案。E B B ( E i g e nB a s e dB e a m f o r m i n g ) 是类似与传统M I M O 的预编码技术的多天线技术，其通过对空间相关矩阵进行特征值的分解来得到权矢量。由于T D D信道的互易性使得我们可以在发送端利用信道特性信息，因此E B B 算法可以在T D D 系统有效的实施。当发送端天线阵列的天线数量较多且能够较为准确的估计出信道冲击响应矩阵的情况下，可以获得较好的波束赋形增益。由于现有的T D S C D M A 系统所使用的是空中接口技术是基于G O B ( G r i dO fB e a m ) 算法的D O A 估计，通过估计用户到达角度实现波束赋形，其所使用的天线配置是基站端8 根天线的配置，并且相邻天线之间强相关。在作为T D S C D M A的后向演进的T D D L T E 技术，如果将E B B 作为空口传输技术的主流技术，将为运营商的设备部署和无线通信系统的平滑演进和升级提供更多的便利和支持。利用T D D 系统特有的性能优势，能够较好的估计信道信息，对于E B B 性能的提升，也大有裨益。北京邮电大学硕：l j 学位论文第一章绪论主要的研究内容包括：一无线通信系统模型的建立-设计并搭建较为完善的系统级动态仿真平台_ 算法策略研究和仿真验证网络部署策略分析目前国内主流的T D D 系统巾S C D M A 系统已经在相关运营商和政府的大力推动下在全国范围内得到广泛的部署和商用，由于对提高系统容量和用户体验的呼声越来越高，下一代移动通信系统特别是基于T D D 模式下的无线通信网络的研究和产业化工作正在加紧实施。本文的研究结果对于改善L T E 系统中波束赋形的性能有一定的参考作用，I 一时该增强型波束赋形技术在L T E 以及L T E + 中的相关研究结果可以扩展到其他的通信系统标准中，尤其对于高速数据业务有较强的参考价值。6对于L T E 的物理层的多址方案，在下行方向上采用基于循环前缀( C y c l i cP r e f i x ，C P ) 的正交频分复用( 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 ，O F D M ) ，在上行方向上采用基于循环前缀的单载波频分多址( S i n g l eC a r r i e r m F r e q u e c n yD i v i s i o nM u l t i p l e x i n gA c c e s s ，S C F D M A ) 。为了支持成对的和不成对的频谱，支持频分双T ( F r e q u e c yD i v i s i o nD u p l e x ，F D D ) 模式和时分双I ( T i m eD i v i s i o nD u p l e x ，T D D ) 模式。物理层是基于资源块以带宽不可知的方式进行定义的，从而允许L T E 的物理层适用于不同的频谱分配。一个资源块在频域上或者占用1 2 个宽度为1 5 k H z的子载波，或者占用2 4 个宽度为7 5 k H z 的子载波，在时域上持续时间为0 5 m s 。无线帧结构l 用于F D D 模式( 包括全双工和半x 2 T ) ，其无线子帧长度为1 0 m s ，包含2 0 个时隙( S l o D ，每一个时隙的长度为0 5 m s 。两个相邻的时隙构成一个子帧，长度为l m s 。无线T D D 帧结构2 用于T D D 模式，具有两个时长为5 m s 的半帧( H a l f - f r a m e ) ，每一个半帧包括8 个0 5 m s 的时隙以及3 个特殊区域：下行导频时隙( D o w n l i n kP i l o tT i m eS l o t ，D w P T S ) 、保护时隙( G u a r dP e r i o d ，G P ) 和上行导频时隙( U p l i n kP i l o tT i m eS l o t ，U p P T S ) ，这3 个特殊区域的总时长为l m s ，各自的时长可配。除子帧1 和子帧6 以外，一个子帧包括两个相邻的时隙，子帧1 和子帧6 包含D w P T S 、G P 和U p P T S ，支持5 m s 和l O r e s 的切换点周期。为了支持多媒体广播和多播业务( M u l t i m e d i aB r o a d c a s ta n dM u l t i c a s tS e r v i c e ，M B M S ) ，L T E 提供了在单频网多播广播( M u l t i c a s t B r o a d c a s tS i n g l eF r e q u e n c yN e t w o r k ，M B S F N ) q a 传输多播广播业务的可能性，即在给定的时间内，可以从多个小区发送时间同步的公共波形。M B S F N 提供了更高效的M B M S ，允许终端可以在空I = 1 合并多个小区的传输，其中使用循环前缀来应对不同传输时延的差别，这对于终端来说，M B S F N 传输就像来自一个大覆盖小区的传输一样。对于M B S F N ，支持在专用载波上使用更长的C P 和7 5 k H z 的子载波间隔，并且在一个载波上可以使用时分复用的方式支持M B M S 传输和点对点传输。支持多输入多输出( M I M O ) 传输，在下行方向上可以配置2 根或者4 根传输天线，以及2 根或者4 根接收天线，允许最大4 个流的多层传输。在上行和下行7北京邮电大学硕士学位论文第二章L T E 系统关键技术都支持多用户M I M O ( M u l t i p l eU s e r M I M O ，M U M I M O ) ，即分配不同的流给不同的用户。2 2L T E 系统关键技术L T E 通信系统为了达到相应的性能需求，采用了许多先进的技术，比如O F D M 技术，M I M O 技术，自适应技术和编码技术等等，下面对此类技术进行介绍。2 2 1O F D M 技术其实O F D M 并不是特别新的技术，它由多载波调制( M C M ) 发展而来。美国军方早在上世纪的五六十年代就创建了世界一卜第一个M C M 系统，在1 9 7 0 年衍生出采用大规模子载波和频率重叠技术的O F D M 系统。但在以后相当长的一段时间，O F D M 技术发展特别缓慢。这是由于O F D M 的各个子载波之间相互正交，采用FFT 实现这种调制，但在实际应用中，实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素都成为O F D M 技术实现的制约条件。后来经过大量研究，终于在2 0 世纪8 0 年代，M C M获得了突破性进展，大规模集成电路让F F T t 2 】技术的实现不再是难以逾越的障碍，一些其它难以实现的困难也都得到了解决，自此，O F D M 走上了通信的舞台，逐步迈入高速M o d e m 和数字移动通信的领域。2 0 世纪9 0 年代，O F D M 开始被欧洲和澳大利亚广泛用于广播信道的宽带数据通信，数字音频广播( D A B ) 、高清晰度数字电视( H D T V ) 和无线局域网( W L A N ) 。随着D S P 芯片技术的发展，格栅编码技术、软判决技术、信道自适应技术等成熟技术的应用，O F D M 技术进入了高速的发展时期。正交频分复用( O F D M ) 是多载波调制( M C M ) 技术的一种。M C M 的基本思想是把数据流串并变换为N 路速率较低的子数据流，用它们分别去调制N 路子载波后并行传输。因子数据流的速率是原来的I N ，即符号周期扩大为原来的N倍，远人于信道的最大延迟扩展S m a x ，这样M C M 就把一个宽带频率选择性信道划分成了N 个窄带平坦衰落信道( 均衡简单) ，从而先天具有很强的抗无线信道多径衰落和抗脉冲干扰的能力，特别适合于高速无线数据传输。O F D M 是一种子载波相互混叠的M C M ，因此它除了具有上述M C M 的优势外，还具有更高的频谱利用率。O F D M 选择时域相互正交的子载波，它们虽然在频域相互混叠，却仍8冬北京邮电大学硕士学位论文第二章L T E 系统关键技术能在接收端被分离出来。一个O F D M 符号之内包含多个经过相移键控( P S K )或者正交幅度调制( Q A M ) 的子载波。由于信道有记忆性导致结果输出块不仅与当前输入块有关，还与上一个块的最后M 个输入有关，这样就导致了I B I 。为了消除I B I ，可以在每个o f d m 符号之间插入保护间隔( G I ，G u a r dI n t e r v a l ) ，而且该保护间隔长度一般要大于无线信道中的最大时延扩展，即在N 个数据块后加M 个零。然而在这种情况下，由于多径传播的影响，会产生载波之间干扰( I C I ) ，即子载波之间的正交性遭到破坏。由于在F F T 运算时间长度内，第一个子载波和第二个子载波之问的周期数之差不再是整数，由上而正交性证明知，这两个予载波不再正交，所以当接受机试图对第一予载波进行解调时，第二子载波会对第一子载波造成干扰1 9 8 0 年P e l e d 和R u i z 对O F D M 技术做出了一个重要贡献，即把循环前缀( C P ) 或称循环扩展引入O F D M 以解决正交性问题。为了克服I C I ，他们在防卫间隔中加入的是OF D M 符号的循环扩展，而不是使用空白防卫间隔。改用循环前缀后，只要多径时延小于保护间隔，在F F T 的运算时间长度内，不会发生信号相位的跳变，因此o f d m 接收机所看到的仅仅是存在某些相位偏移的，多个单纯连续正弦波的叠加信号，而且这种叠加也不会破坏予载波之间的正交性。9北京邮电大学硕士学位论文第二章L T E 系统关键技术图2 - IO F D M 的物理信号基本结构在O F D M 技术当中，还伴随着同步技术。同步技术大致分为四种，第一种是载波同步：当采用同步解调和相干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波；第二种是符号同步：是使接收端得到与发送端周期相同的符号序列，并确定每个符号的起止时刻( 即确定准确的F F T 窝位置) ，进而实现块同步和帧同步；第三种是样值定时同步：是为了接受端确定每个样值符号的起止时刻；最后一种是样值频率同步：是为了保证使接受端有与发送端具有相同的采样频率。同步一般分为捕获和跟踪两步。连续传输数据符号的系统( D A B ，D V B ) 允许有相当长的时间先去捕获同步，然后再转到跟踪模式，而对于突发方式传输的系统( W L A N ) ，传输不连续，需在很短时间内获得同步，所以基本上都使用训练信息，以降低传输效率获得可靠同步。同步实施步骤：粗同步专细同步j 跟踪。捕获：要尽快地进行偏差变量估计，在比较宽的范围内捕捉到参数，又要使补偿后各偏差变量的偏差限定在一个非常小的范围内。跟踪：能够锁定并执行跟踪任务，针对各偏差变量随机变部分所引起的抖动( 如多普勒频移，相位抖动和定时抖动等) ，需要对它们随时进行调整，以获得更高精度的同步。粗同步：把较大的初始偏差减少到一个较小范围内，如细同步范围之内，但并不1 0仍驴钐z北京邮电大学硕士学位论文第二章L T E 系统关键技术需要实现完全精确的同步。细同步：将各偏差变量的剩余误差进一步减少。由于O F D M 符号由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成，在某个时刻，若多个载波以同一个方向进行累加时，就会产生比较大的峰值功率( p e a kp o w e r ) ，以此会带来较大的峰值平均功率比( P A R ) 。如果发射机输出的瞬时功率超过系统的某些部件的线性动态范同，就会使信号产生畸变，从而产生子载波间的互调干扰和带外辐射，破坏子载波问的正交性，从而影响O F D M 系统的性能。对于O F D M 符号实施过采样是非常必要的，因为过采样更加有助于收集到较大的峰值功率，可以更加准确地衡量O F D M 系统内的P A R 特性，但实施过采样时，可能破坏各样值问的相关性。基于相关性来考虑P A R 时较困难，可以假设利用洲个子载波进行非过采样来近似描述对N 个载波的过采样，其中口> l 。那么为了减小P A R 给O F D M 系统带来的影响，可能采用如下措施：限幅基本思路：信号在经过非线形部件之前进行限幅，使得峰值信号低于所期望的最大电平值。缺点：尽管限幅比较简单，但它也会为O F D M 带来相关的问题。首先，对O F D M 符号幅度进行预畸变，会对系统造成自身干扰，从而造成系统的B E R 性能降低。由分析知，所能允许的P A R 门限值越低，对系统的B E R 所造成的影响越大。其次，O F D M 符号的畸变会导致带外辐射功率的增加。压扩变换基本原理：压扩变换把大功率发射信号压缩，而把小功率发射信号进行放大，从而使发射信号的平均功率相对保持不变，这样不但可以减小系统的P A R 而且还可以提高系统的抗干扰能力。在发射端对信号进行压扩，而在接受端要实施逆操作。优点；减小P A R ，增强小功率信号抗干扰的能力。一非畸变减小P A R 的方法基本思想：O F D M 系统内出现较大峰值功率信号的原因在于多个子载波信号的叠加( 计算I F F T ) 。如果可以利用多个序列来表示同一组信息的传输，则在给定的P A R 门限条件下，可以从中选择一组用于传输，这样就会显著减小峰值功率信号出现的概率。编码类技术北京邮电大学硕士学位论文第二章L T E 系统关键技术基本思路：编码类技术限制那些可用于传输的信号的码字的集合，只有那些幅度峰值低于A m 戕的码字的才能被选择用于传输，从而避开了峰值信号。这类技术为线性过程，因此不会产生预畸变技术的那种限幅噪声。当然，这样所获得的P A R 性能增益是以相同数据传输速率的条件下增加系统带宽，以及相同发射功率条件下来降低每比特的能量为代价的。还可以使用互补G o l a y 序列构造降低信号P A R 值的码集。原因是采用这种技术可以将信号的P A R 限制在3 d B 内，而与输入的数据无关，于是在实际系统中，我们可以预先知道功率放大器的动态范围；这种码具有纠错能力，可以进一步改善系统的性能。冲击整形( P S )该方法通过恰当的选择O F D M 调制中各子载波的时域冲击波形从而避开采用额外的I F F T 过程。因此它的运行效率相比于其他方法要好。系统子载波数为N 。首先将进来的数据在基带进行调制，基带调制符号速率为l B 。再将基带调制后的数据串并变换成N 路并行的数据流，每个分支分别由一冲击波形进行成形并在其对应的子载波上进行传送。信道估计也是O F D M 当中一项比较重要的技术。信道估计就是估计从发送天线到接收天线之间的无线信道的频率响应。根据接收的经信道影响产生了幅度和相位畸变并叠加了白高斯噪声的接收序列来准确辨识出信道的时域或频域传输特性。( 对于O F D M 系统而言就是要估计出每个子载波上的频率响应值H 。k = O ，l ，2 ，一1 ) 。对应调制方式的不同，对应的解调方式也不同。总的米说解调方式大致可分为非相干解调( 包络检波法) 、相干方式( 同步检测法) 以及采用差分相干方式( 差分检波法) 。对于非相干方式和差分方式，不一定需要进行信道估计。采用包络检波法和差分检测法虽然可以避免进行信道估计和信道均衡，但差分检测法只适合于低数据速率的系统，对于采用多进制调制的高数据速率系统其性能不能让人满意，存在约3 d B 的性能差异。所以为了保证系统有较好的性能，对于高数据速率系统还是应该选用相干解调方式。差分调制：被发送的二进制信息就会被包含在连续两个调制符号的比值中。可以在时域和频域分开或同时进行差分调制。差分检测法：差分检测分时域差分检测和频域差分检测。差分检测通过比较两个符号的相位就能准确恢复出基带信号，无需进行信道估计，由此可以简化系统实现的成本与复杂度。但与相干检测相比，其存在约3 d B信噪比差异。另外，由于没有信道估计，所以差分检测避免了由于插入导频( 用于信道估计) 所引起的效率降低和信噪比损失( 约提高l d B ) 。综合考虑这些因素，差分检测与相干检测之间存在约2 d B 的差异。信道估计的设计主要有两个1 2行跟踪，因此导频信号也必须不断传送) 。二是既有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能力的信道估计器的设计( 在确定导频发送方式和信道估计准则的条件下，寻找最佳的信道估计器结构) 。信道估计算法就是要使均方误差E r e 2 ( 门) ) 最小，同时还要考虑算法的复杂度不要太高，而通常算法精确度与复杂度是一对矛盾。在无线通信中，信道的信息是可以得到充分的利用：自适应的信道均衡器利用信道信息来对抗I S I 的影响。分集技术利用信道估计，实现与接收信道信号最佳匹配的接收机。最大似然检测通过信道估计使得接收端错误最小化。此外，信道估计的一个重要的好处在于它是的相关解调成为可能。O F D M 系统的信道估计算法的分类：i 按照是否插入导频分，可分为盲信道估计和导频辅助的信道估计。i i 按照进行信道估计所用信息的范围来分，可分为一维和二维信道估计。i i i 按照估计的准则来分，可分为最小二乘估计( L S ) 和最小均方误差估计( M M S E ) 导频插入的两种典型方法：块状导频和梳状导频。1 块状导频：主要用在慢衰落的无线信道中，周期性地在时域内插入特定的O F D M 符号( 多个) ，不需要在接收端进行频域内的捅值，所以这种导频的设计方案对频率选择性不是很敏感，这种信道估计算法一般基于L S 和M M S E 。2 梳状导频：主要用于快衰落的无线信道中，梳状导频均匀分布于每个O F D M 块中，梳状导频有更高的重传率，因此梳状导频在快衰落信道下估计的效果更好。但是在梳状导频的情况下，非导频子载波上的信道特性只有根据对频率子载波上的信道特性的插值才能得到，所以这种导频方式对频率选择性衰落比较敏感。为了有效对抗频率选择性衰落，子载波间隔要求比信道的相关带宽要小很多。2 2 2M I M O 技术随着3 G 及4 G 移动通信系统高速数据业务的发展，多输入多输出( M I M O ) 天线技术越来越引起人们的兴趣，尤其在功率、带宽受限的无线信道越发显现出它的优势。M I M O 技术的实质其实就是指利用多发射、多接收天线进行空间分集和时间分集的技术，它采用的是分立式多天线，能够有效的将通信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提高容量。分立式多天线是指各个天线间相互距离足够远，北京邮电大学硕：I ：学位论文第二章L T E 系统关键技术且各个发射天线到各个接收天线间的信号传输可视为互相独立的。M I M O 技术能够使通信系统得到高数据速率，容量以及传输质量。基本原理：在发射端或接收端安置多个天线，如果天线之间相隔足够远，那么可以认为各天线是互不相关的，从而在发射端或接收端之间构筑了多条相互独立的通道。信息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，M I M O 系统能够很好的提高系统的抗衰落和抗噪声性能，从而获得巨大的容量。例如：当接收天线和发送天线数日都为8 根，且平均信噪比为2 0 d B 时，链路容量- 日丁以高达4 2 b s H z ，这是单天线系统所能达到容量的8 倍多，与发送天线数目成线性关系。下图是多天线系统的示意图。图2 - 2M I M O 的基本结构空间分集主要有两种：接收分集和发送分集。前者的基本原理：在发射端或接收端安置多个天线，如果天线之间相隔足够远，那么可以认为各天线是互不相关的，从而在发射端或接收端之间构筑了多条相互独立的通道。后者的基本原理：t l p N 用多个发射天线实现空间分集。适用于下行链路中，因为移动台很难具备多根不相关的接收天线，无法采用接收分集。利用空间分集，信号既没有在时间域内引入冗余，也没有在频率域内引入冗余，但是信号赋予了一定的空间结构，在空间上引入了冗余，因此提高了传输性能。空时分集是将空间和时间结合起来，采用空时联合编码，分别在时域和空间域引入冗余，从而达到提高传输性能的一种分集方法。典型的算法即空时码算法。不但能够带来分集增益还能够带来编码增益。特点是能够抗衰落和抗噪声。空间复用技术是同时在不同发送天线上发送不同数据流，在接收端利用空间丰富的散射性将发送信号分离出来的一种技术。特点是频谱的利用率很高，而且受传输环境的影响火。在理想情况下，即M I M O信道可以等效为最大数目的独立、等增益、并行的子信道时，得到最大的S h a n n o n1 4北京邮电大学硕士学位论文第二章L T E 系统关键技术容量。( 为保证系统性能比较是在相同条件下，将发射功率归一化，每根发送天线的发射功率与成比例) 当信道列矢量互相正交时可以达到的容量可以看出，对于采用多天线发送和接收技术的系统，理想情况下的信道容量将随着发射天线的数目成线性增长，这就为M I M O 的高速数据速率传输奠定了理论基础。为了充分利用M I M O 的信道容量，G J F o s c h i n i 提出了分层空时结构( B L A S T ：B e l l 1 a b o r a t o r i e sL a y e r e dS p a c e - T i m e ) 。B L A S T 的优点是真正意义上实现了高速数据通信，因为它在多条并行信道里发送的是独立的、没有冗余的信息流，所以它的传输速率将远大于利用传统技术所得到的传输速率。将信源数据分为多个数据子流，分别经过多个信道编码器编码，或不经过信道编码，直接送入调制映射器进行信号映射。输出的多路调制信号进行空间域和时问域的信号构造( 对角结构、垂直结构等) 后，再由多个发射天线发射出去。经无线信道传播后，由多个接收天线接收。在接收机中经过空时检测、解调、译码，得到判决数据。特点是高散射以及高信噪比。采用开环系统，因为B L A S T 的发射机不需要信道的信息，只需在接收端进行信道预测。发送端将单个用户的数据串变并到多个发送天线上，同时的、并行的发送这些数据，利用多输入和多输出方式在同一频率上传输并行信息流。如果信道是多径散射环境足够强，在接收端可以采用B L A S T 算法，恢复出原始信号。B L A S T 根据构造方式的不同，可以分为对角结构( D B L A S T ：D i a g o n a lB L A S T ) 和垂直结构( V - B L A S T ：V e r t i c a lB L A S T ) 。D - B L A S T ( D i a g o n a lB e l lL a b o r a t o r i e sL a y e r e dS p a c e - T i m e ) 技术是一种在接收端和发送端均使用多天线矩阵，并运用一种较好的斜层编码的结构，码块在空时结构中分散在对角线上。在独立的瑞利散射环境中，这种处理技术理论上可以使容量与发送天线数目成线性增长，而且接近于S h a n n o n 容量极限的9 0 。但是这种算法较复杂，实现较困难。V - B L A S T ( V e r t i c a lB L A S T ) 是一种简化的B L A S T 检测算法，也就是码块垂直分散在每根天线上在室内慢衰环境中其频谱效率可以达至U 4 0 b i t s H z 。发射机采用循环变动的结构，就避免了某一路数据因为信道条件的不好，而导致连续的误码，从而影响整个接收机的性能。D B L A S T 能够达至U S h a n n o n 容量的9 0 ，其运算极其复杂，所以贝尔实验室又进一步提出了V - B L A S T 算法。由于B L A S T 所能达到的高容量，一般适用于无线局域网、无线本地环路以及固定点对点的无线通信，此时收端和发端都可以使用多天线。由于下行链路中，移动台无法实现多天线，所以B L A S T 的一个潜在的应用是在台式计算机、笔记本计算机和手持设备上应用。M I M O 技术是第三代和未来移动通信系统实现高数据速率、大系统容量，提高传输质量的重要途径。其中，基于分立式多天线的M I M O 技术中的分层空时结构和空时分组码都成为近年来移动通信领域的研究热点。空时分组码译码的低复l S北京邮电大学硕：t 学位论文第二章L T E 系统关键技术杂度使其成为最广泛应用的一种空时编码，3 G P P 就以其作为发送分集的一种方式。分层空时结构可以获得极高的数据速率，是未来移动通信系统中为了获得大系统容量而极有可能采用的方案之一，3 G P P 标准已将其作为M I M O 技术中的一个重要提案。c d m a 2 0 0 0 系统中采用空时扩频( S T S S p a c e T i m eS p r e a d i n g ) 和正交发送分集( O T D ：O r t h o g o n a lT r a n s m i tD i v e r s i t y ) 两种发送分集方案。2 2 3自适应技术自适应技术根据信道的变化自适应的改变调制方式( 星座点数) 、编码率、发送功率等参数，以便最大限度的发送信息。从而有效提高频谱效率。简单的说自适应调制就是根据信道状况调整各个子载波的调制方式，当信道条件好时，采用高阶的调制方式，当信道条件差时，采用低阶的调制方式。O F D M 系统中的自适应技术，其实现过程可分为以下3 步：a ) 信道估计自适应技术根据时变信道的变化情况，改变下一个符号帧( 或时隙) 的发送参数，因此首先需要对时变信道的质量进行估计，得到信道状态信息( C S I ) 。信道的状态信息可以有多种参数来表征，最常使用的信道状态信息是信道的传输函数，除了使用信道函数之外，还应该考虑各种干扰的影响，因此还可以使用以下的信道参数作为信道的状态信息：信噪比、均方误差、误比特率、误帧率等。在实际系统中，一般可以采用信道传递函数和信噪比作为短时的信道状态信息，而用误比特率和误帧率作为尝试的信道状态信息，两者结合使用。b ) 发送参数的选择在自适应O F D M 技术中可以改变的参数游泳和分配的了载波数、调制方式( 即分配比特数) 、和发送功率。选择最佳的参数，一般是在限定条件下目标的最优化问题。例如，在速率和发送功率一定的条件下，使差错概率最小，或则在保证一定错误概率和发送功率条件下试传送速率最大等等，实际中可以使用一些简单的方法，如设定相应的变化门限等。C ) 系统所使用参数的信令传输系统所使用参数的信令传输主要有3 种方式：1 开环方式接收端根据接收情况估计信道，通过信令通知发送端。或者在T D D1 6北京邮电大学硕士学位论文方式下利用互易选择参数，并通过信令信道通知接收端。2 闭环方式接收端根据接收情况估计信道，并选定参数，然后通过信令通知发送端。3 盲检测没有信令传送，发送端根据自己接收情况选择参数接收端盲检测传输参数。影响自适应调制O F D M 系统性能的几个因素：频率间隔。在实际系统中，当子载波个数较大时，分配算法比较复杂，同时需要较多的信令信息，另一方面考虑到信道频域的相关性，相邻子载波的频率响应相差不大。因此可以以相邻几个子载波为一组，进行分组自适应调制，一般只要满足n A F < 尾其中，E 为信道的相干带宽，A F 为子载波带宽，刀则为分组的子载波个数。信道的相干带宽与均方根试验扩展成反比，如果将相关函数大于0 5 则认为相关，一般有下面的关系：& 1 5 0 z 时间长度。与频域分组类似，存适于自适应调制以帧为单位进行。这里要满足的条件是：m 丁< 其中，瓦为信道的相干时间，丁为O F D M 符号时间，朋则为帧中的O F D M 符号个数。信道相干时间与多普勒扩展成反比，一般有：T c l 彬。信道估计误差。自适应调制依赖对信道状态信息( C S I ) 的了解，一般都是根据各子载波的信噪比进行调制方式的选择，因此信道估计是自适应调制的前提。但是实际得到的信道估计存在一定的误差，因此自适应调制遇刺难道情况之间的匹配产生偏差，从而造成性能下降。定义信道误差为：P ，D ，= 1 0 l o g 。E ( A 2 ) ( 招) 假设估计误差服从正态分布，均值为0 ( 无偏估计) ，则方差为1 0 ( 嗍( d 曰) 1 0 ) 。信道总时延。接收端进行信道估计并反馈到发送端有一定的时延，导致在进行参数选择时使用的信道状态信息与真正发送O F D M 是的信道状态存在偏差，也会对性能产生影响。系统容许的时延同样与信道的相干时间( 多普勒频移) 有关。下面简要介绍各种典型的自适应调制技术。首先是H u g h e s H a r t o g s 梯度分配算法。H u g h e s H a r t o g s 梯度分配算法的基本思想为：比较各个子载波上增加一个发送比特需要额外增加的发送功率，即发送功率比特梯度，选取梯度最小的子载波，每次在该选定子载波上增加一个发送比特。重复这个过程知道分配总比特数达到给定的目标值E 哪鲥的要求。其次是C h o w 算法，该算法是根据各个子信道容量来分配比特的。它的油画准则是在维护目标误比特率的前提下使系统的频谱效率达到最优，此算法主要由三个步骤完成，首先要确定使系统性能达到最优的门限坳哪舶，然后确定各各子载波的调制方式，最后调整各个子载波的功率。1 7北京邮电大学硕士学位论文第二章L T E 系统关键技术F i s c h e r 算法。与C h o w 算法不同，F i s c h e r 算法的优化准则是在维持恒定传输速率和给定总发射功率的前提下，使系统的误比特率性能达到最优。当所有子载波上的误比特率相等时，系统的误比特率达到最小值。F i s h e r 算法给出了比特分配的闭式解，它首先把各个子载波上的噪声功率值I o g ：储存下来，接下来就只需进行一些加法和除数为整数的除法，冈此它的复杂度较C h o w 算法有了进一步的降低。三种算法的性能比较：H u g h e s 算法将需要传输的数据逐个比特的分配到各个子载波上，直到达到目标速率为止。同时为了达到理想的性能，在每次进行比特分配选择子载波时，还要保证传输该比特所需的附加功率最小。因此，此算法需要进行大量的排序和搜索运算，运算复杂度较高，对于实时性要求较高的数据传输不是很适用。C h o w 算法根据各个子信道容量进行速率分配，省去了大量的排序运算。而发送功率的分配则是在总功率一定的前提下，保证各个子信道的差错率相同。但是该算法使用信道容量作为速率分配的准则存在两点不足：一方面，信号功率和信息速率是直接相关的，从而不存在进一步的优化空间；另一方面，实际系统中并不是要力图达到传输系统的容量，而是要在一定的功率和信息速率下是差错改良尽可能的低。F i s c h e r 算法的主要思想是根据差错改率最小化的原则而不是信道容量来分配速率和功率，因为要避免大量的排序和搜索运算，所以需要预先确定最优的速率分配，此算法该出了比特分配和功率分配的闭式解，算法复杂度较小，适合高速无线数据传输，而且它的误比特率性能不差于C h o w 算法，在某些情况下性能更优。2 2 4自适应调制编码技术无线信道的一个很重要的特点就是具有很强的时变性，对这种时变特性进行自适应跟踪会给系统性能的改善带来很大的好处。链路自适应的技术可以有很多方法，如功率控制及A M C 。L T E 在原有系统固定调制和编码方案的基础上，引入更多编码速率和1 6 Q A M ，6 4 Q A M 等高阶调制方式，使系统能够通过改变编码方式和调制等级对链路变化进行自适应的跟踪。A M C 主要由两个优点：( 1 ) 、处于有利位置的用户可以得到更高的数据速率，提高小区平均吞吐量。( 2 ) 、链路自适应基于改变调制编码方案代替改变发射功率，以减少冲突。2 2 5H A R Q 机制A M C 能够提供粗略的数据速率的选择，而H A R Q 基于信道条件可以提供精确的速率调节。北京邮电大学硕士学位论文第二章L T E 系统关键技术H A R Q 有几种不同的方式：H A R QT y p eI 、H A R QT y p eI I 和H A R QT y p eI I I 。H A R Q 是自动重传请求( A R Q ) 和前向纠错( F E C ) 技术相结合的一种纠错方法，通过发送附加冗余信息，改变编码速率来自适应信道条件，是一种基于链路层的隐含的链路自适应技术。采用H A R Q 技术的接收方法在译码失败的情况下，保存接收数据，并要求发送方重传数据，接收方将重传数据和前面的数据合并，再送到译码器进行译码。因为数据在译码前进行了合并，译码数据具有更多的信息量，可以提高译码的成功率，降低错误率。H A R Q 技术可以提高系统的性能，并可灵活的调整有效码元速率，补偿由于采用链路适配不适合所带来的误码。A M C 是利用反馈信息等设定调制和编码的级别从而实现自适应控制，而H A R Q 通过链路层的确认信号来决定重发与否，隐含的是实现自适应控制。H A R Q 技术主要作用是补偿A M C 选择的传输格式不恰当带来的误码。A M C机制提供了大动态范围的粗略的、慢速的自适应控制，而H A R Q 的机制提供了小动态范围的精确的快速的自适应控制；A M C 机制对测量的误差和时延敏感，而H A R Q 是对信道即时状态的反映，与测量时差和时延无关。将H A R Q 和A M C这两种链路自适应技术相结合使用可以取得比较理想的效果，即A M C 基于信道测量结果等信息大致决定数据的传输速率，H A R Q 在此基础上根据实时的信道条件再对数据的传输速率进行微调。研究表明，通过H A R Q 技术可有效的将由于A M C 选择的传输格式不恰当所造成的吞吐量损失减少5 0 。同时，H A R Q 在不降低系统性能的情况下，还可以减少M C S 的调制编码类型，降低系统调度和实现复杂度。2 3L T E 未来发展方向从目前技术演进和产业化发展的趋势来看，L T E 技术将成为全球移动通信产业的主流演进方向，无论是传统的2 G 网络还是3 G 网络，都将向L T E 以及后续的L T E + 继续演进，T D L T E 与F D DL T E 融合发展的思想已逐步被国际产业接受，从而推动T D - L T E 的国际产业链初步形成，国际上T D L T E 已逐步相对W i m a x更具有国际产业优势，但仍面临着来自F D D 的强大竞争。1 9北京邮电大学硕士学位论文第二章L T E 系统关键技术、厂、rH S D P A眦吣H1 嚣嗍H7 2 M b p s 3 8 4 K b p s6 M b p sH S U P AJ1 8 ：3 1l一一，L1 4 5 8 M b |、，、lT 3 D 撇- S C D p M s Al T 2 D 撕- H S D P s AJ3 8 4 p sl _ 12 2 M b p sl_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。·。- - - 一- _ _ ·_ _ _ _ _ - - - ··- _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ ·_ _ _ ·- ，国T D H S U P A2 2 M b p sD O R e I AD L ：3 1 M b p sU L ：1 8 M b p s图2 3 无线通信系统演进方向图T D L T E ，L T E F D DD L ：l O O M b p sU L ：5 0 M b p s随着C o M P 技术，载波聚合技术，R e l a y 技术以及增强型M I M O 技术的发展和可实现性的提高，L T E 的产业化工作将大范围的展开，L T E 与其说是3 G 的演进，不如说是一场革命，由于其空中接口方面片jO F D M o F D M A 替代了3 G P P长期使用的C D M A 作为多址技术，并大量采用了M I M O 技术提高数据率。在网络架构方面，L T E 以及L T E + 取消了U M T S 标准长期采用的R N C 节点，代之以全新的扁平化架构，经过多年的标准化工作，其将在相当长的帮助3 G P P 标准保持对其他无线通信标准的竞争优势，并未3 G P P 运营商铺就I M T - A d v a n c e d 演进之路。+：生。凭警渤L 旧，北京邮电大学硕上学位论文第三章仿真方法论研究3 1 概述第三章仿真方法论研究在无线网络系统的性能进行仿真的过程中，需要通过一定地理区域场景下的基站分布模型，设置基站端、U E 端仿真参数，配置业务模型，天线模型等，在一定的传播模型基础上进行网络接入过程的仿真，分析系统的接入情况、系统容量、吞吐量、失败原因、干扰水平等系统性能指标，为网络规划和实际建网，或标准的演进提供指导性的建议。系统干扰、容量、吞吐量等有着很强的制约关系，相互影响，通过系统仿真的过程对其进行有效地分析显得尤为重要。对于对无线通信系统的性能分析和改进算法的研究和评估必须基于对于整个通信系统的仿真来验证，因此搭建完备并可扩展性很高的仿真平台是本文的理论研究的重要基础。下面将对本论文所关注的仿真过程中所涉及到的方法论进行详细的阐述。3 1 1链路级系统级仿真从仿真所处的协议层次上，一般可以分为链路级( 1 i n kl e v e l ) 仿真和系统级( s y s t e ml e v e l ) 仿真两类。链路级仿真主要是对移动通信系统的物理层的无线传输技术( 如信道编码方式、信源编码方式、交织、调制方式等) 进行仿真。链路级仿真是对发送端和接受端之间的物理链路进行仿真，得到物理信道在不同无线环境中的性能，从而对不同的无线传输技术进行性能评估。L T E 及其增强型技术的系统级仿真主要是针对其无线接入系统进行仿真，得到其在不同无线环境、系统负载以及外界干扰下的系统性能。系统级仿真有两个用途，一是用于检验无线接入系统的性能，二是用于系统规划和优化。系统级仿真通过模拟发射机或接收机的无线环境、基站配置、运动速度和方向、功率变化、干扰情况、无线控制算法等，计算出每条无线链路的传播损耗；再汇总各路信号得到信干噪比( S I N R ) ，然后根据S I N R 以及链路级输出的结果中查找此时对应的B E R 、B L E R 或F E R ，得到如覆盖、容量、吞吐量等网络性能参数，从而得到每条链路的性能以及整个系统的性能。系统级仿真需要链路级仿真结果的支持。链路级仿真丰要进行物理链路性能仿真与评估。其主要目的是检验不同R 1 _ r 技术方案的性能，此时关注的目标是2 1北京邮电大学硕士学位论文第三章仿真方法论研究在单个无线连接上采用不同空中接口技术带来的性能差异；而系统级仿真则是根据链路级仿真的结果，检验系统级特性所带来的系统容莆和频谱效率等，此时通常需要建立包含多个基站和多个终端的仿真网络，对整个系统表现出来的各项性能统计指标进行考察。链路级仿真应该为系统级仿真提供不同信道下的快衰表，F E R 或者B L E R特性等等，来生成信道环境、进行误帧判断或误包判断，从而为得到系统性能提供依据。还可以将链路级仿真融入到系统级仿真来实时运算，以获得更加精确的结果，但需要强大的计算能力支持。本论文的干扰仿真就是建立在一定的链路仿真结果( 以链路仿真表的形式给出) 的基础上进行的系统级仿真。3 1 2时间事件驱动型仿真系统级仿真在驱动类型上可以分为两类：事件驱动型仿真和时间驱动型仿真。( 1 ) 、时间驱动型仿真：按照时隙为基本单位进行相应的运算，每个时隙都有一套完整的处理过程。这种方法时间概念清晰，建模较为简单。( 2 ) 、事件驱动型仿真：按照事件的触发进行处理，没有严格的时间概念。仿真系统在收到事件后调用相应的处理过程，以此推动仿真的进行。通信事件的发生较为清晰，但建模比较复杂。本论文的仿真所采用的是时间驱动型仿真。以每个T T I 为最小的时间单元，通过时钟驱动模块来3 1 3静态仿真动态仿真移动通信系统的特点之一是：网络质量、覆盖、容量之间有着非常复杂的动态关系，加上高速数据业务的引入，因此很难简单地从理论上准确地对整体性能进行分析。目前，使用网络仿真技术进行移动通信协议研究、网络规划、优化和评估已经成为一种基本手段。我们用下式来表示一个移动通信系统。x ( o = 彳( q ，呸，q ；岛，岛，；q ( ，) ，乞O ) ，巳( ，) )式( 3 - 1 )其中q ，呸，口，表示系统x 中固定不变的因素：6 l ，6 2 ，以表示系统x 中人为可变的因素；q ( f ) ，c 2 ( f ) ，厶( ，) 表示系统X 中的随机时变因素。北京邮电大学硕士学位论文第三章仿真方法论研究我们所关心的系统性能，也可以反映为随机过程X ( f ) 的某些数字特征( 类似于数学期望和方差) 。无论是仿真某种控制算法，还是仿真系统性能，只需要将这些人为可变的因素( 主要是系统的控制算法) 固定下来就可以进行仿真了。所以移动通信系统就可以用下式表示：X ( ，) = X ( q ( f ) ，乞( f ) ，巳( f ) )式( 3 2 )所以对移动通信系统仿真，本质上就是对随机过程X ( f ) 进行采样，获得多个系统样本X ( f 1 ) ，X ( 如) ，X ( 乙) ，然后根据这些样本统计系统性能。如果对系统的采样在时间上是离散的，采样点之间是相互独立的，称为静态仿真。如果对系统的采样在时问上是连续的，采样点之间有很强的相关性，称为动态仿真。静态仿真优点是能仿真系统的覆盖、语音容量等“静态性能”。而对于功率控制、无线资源调度等“动态性能”，采用动态仿真则更为合适。下面分两种方法进行阐述：( 1 ) 、静态仿真：静态仿真采用各学科领域广泛使用的M o n t eC a r l o 方法，它是将整个系统的运行行为视作多个时间片断内所表现出来的行为样本的统计平均，每个时间片断称为一个快照( D r o p ) ，它体现了系统在短期内相对稳定的行为。经过大量仿真样本的运行，用统计的方法分析所有样本内的数据记录，可以得到所需的关键性能参数。在每一次快照中，都独立产生用户分布，产生用户与基站间的无线衰落，然后根据用户和基站之间的传播损耗，利用迭代算法计算出基站和用户的发射和接收功率，从而求得相应参数并记录。( 2 ) 、动态仿真：与M o n t eC a r l o 仿真采用的快照法不同，动态仿真器充分拟合了用户和系统的各种行为方式，让真实环境中用户和系统所采取的主要行为方式在系统级仿真中都得到具体的模仿性体现。动态仿真器实现了全套的资源管理算法，如接纳控制与负载控制、功率控制、信号分集与合并、调度，并包含了业务模型和用户移动性模型。随着仿真时间的推进，用户位置会不断进行动态更新，且每时每刻都会有新用户发起呼叫，同时有用户断开连接，与之相关的各项参数，如接收和发送的功率、路径损耗、干扰水平等则随时需要通过动态计算得到，这需要大量的计算资源。在本论文所讨论的场景下，由于信道条件以及调度方式上需要在运行多个T 1 1 后方可达到收敛，以保证仿真结果的可靠性，因此需要采用动态仿真的方式来进行。北京邮电大学硕士学位论文第j 章仿真方法论研究3 2 仿真平台总体设计为了达到仿真平台的高度集成特性以及良好的可扩展性，仿真平台必须具有设计优良的程序结构，因此在平台设计中将会使用高度抽象的面向对象设计方法，我们将大量使用成熟的标准的面向对象的设计方法，也就是所谓的设计模式来实现仿真平台。考虑到要在平台中实现多个系统，保证各个系统评估方法的一致性具有很重要的意义。所以我们将尽可能地把无线系统的功能模块化，将共性的部分抽象出来，而将有区别的部分参数化。这样将使得系统间的对比结果更加可靠。下面我们将从模块化和面向对象设计的角度更加细致地来讨论开放式仿真平台的设计方案。基于对仿真需求的综合分析，仿真平台应具备以下几个特点：a ) 属于系统级仿真平台，同时需要提供系统级链路级接口，以便读取链路级相关的数据；b ) 属于时问驱动型仿真平台，在模块中要设置事件驱动模块，来推进每个T T I 下各个模块的工作；c ) 属于动态仿真，并设置相应的预热时间，以保证调度算法，用户的移动性，信道的生成等方面能保证最终仿真结果的收敛；d ) 采用C + + 程序语言在N E T 环境下进行系统级动态仿真平台的搭建，为了方便相关功能的实现，采用I T H 库作为辅助，从而实现多种矩阵运算以及相关的数学函数的使用；e ) 各个主要的功能模块要采用松耦合的方式，以便对仿真平台的扩展和后期维护。3 2 1仿真平台基本结构基于以上需求，仿真平台的基本结构如下图：图3 - 1 仿真平台的基本结构实现时间驱动的模块主要是“网络驱动模块”和“时钟模块”。在整个系统中只有一个“时钟模块”的对象，它记录了系统的时间。在每一个硼开始的时候，“网络驱动模块”都会通过给“时钟模块”发送一个“时隙工作函数”消息来推动时钟前进。系统中的其它对象可以在任何位置通过给“时钟模块”发送“读取当前时间" 消息来得到当前的系统时间。“网络驱动模块”持有“基站管理者模块”对象和“移动台管理者模块”对象。所有的“基站”对象存在于“基站管理者模块”的数据结构中，所有的“移动台”对象存在于“移动台管理者模块”的数据结构中。“基站管理者模块”的作用在于将所有的“基站”组织在一个数据结构中，以便对所有的“基站”进行集群操作，“移动台管理者模块”的作用在于将所有的“移动台”组织在一个数据结构中，以便对所有的“移动台”进行集群操作。另外，所有需要被时间驱动的对象都要提供一个“时隙工作函数" 接口，它的上层驱动对象只需要调用这个函数即可，而无需关心被驱动的对象在这个时隙中具体做了哪些事。这种设计方式把网络的驱动模块和被驱动的模块分离开来，他们之间通过“时隙工作函数”接口，驱动模块不需要知道被驱动模块“时隙工作函数”的具体内容。J t 京邮电大学硕：I ：学位论文第三章仿真方法论研究当我们需要加入一个被时间驱动的模块时，只要在加入的模块中依照之前的方式实现“时隙工作函数”接口即可，这种设计方式为仿真平台的开放性提供了很好的保障。3 2 2仿真流程关键模块分析为了对仿真平台中各个模块的具体内容进行建模，首先要分析在仿真平台运行中需要用到哪些功能，并理清他们之间的耦合关系。由于仿真流程是按照时间驱动来进行，因此以时间上的逻辑关系为线索可以较为便捷的找到仿真所需的关键模块。图3 - 2 仿真平台的工作流程在仿真开始时，首先要进行系统初始化工作，通过读取输入参数，可以确定北京邮电大学硕士学位论文第三章仿真方法论研究各项仿真假设，在系统初始化中需要确定的主要仿真假设主要有：1 ) 仿真时序范围，包括仿真的d r o p 数，以及每个d r o p 的仿真时长( 即1 1 1的数目) 和调度器的预热时长( 该余热区间的作用是为了保证调度器的调度结果的收敛性) ；2 ) 网络拓扑结构，包括B S 的数目，每个B S 的扇区数，基站之间的距离，天线的高度等信息：3 ) 用户分布配置，包括每个扇区内用户的个数，以及用户的分布，用户和移动台的距离门限等；4 ) 场景参数，与此相关的参数将在程序中决定使用何种的路径损耗计算公式，阴影衰落计算公式，该部分将直接决定用户到基站的链路损耗，使用不同的仿真假设和场景会对最终的仿真结果产生重要的影响，与此同时，研究特定的技术在不同的仿真场景下的性能，特别是进行不同多天线技术在不同场景下的相对关系，该研究结果可以作为指定网络部署的策略的重要参考，具有现实的意义：5 ) 天线配置情况，包括基站端的天线配置和移动台端的配置关系，这将决定在生成快速衰落信道状态时的信道矩阵的维度；6 ) 检测算法，包括一些典型的接收机算法，这些算法将在功能函数中分别实现，具体包括最大均方误差算法( M i n i m u mM e a nS q u a r eE r r o r ) ，最大比合并算法( m a x i m a lr a t i oc o m b i n e r ) 等；7 ) 调度方式，仿真程序中将有对应的仿真算法函数，包括典型的算法，比如比例公平算法( P r o p o r t i o n a lF a i rS c h e d u l e r ) ，轮询算法( R o u n dR o b i nA l g o r i t h m ) 等，改进型的调度算法也会被写在该模块中，需要改变调度算法仅仅需要改变输入参数即可，这样可以保证仿真平台的扩展性，更利于后期的完善和维护；8 ) 其他参数，包括噪声的功率谱密度，最大发射功率，背向损耗，相关调度算法中的因子，信号带宽，天线间距，计算干扰的数量，功率调整步长等等参数。下图表征了仿真平台各功能模块的运行流程：北京邮电大学硕士学位论文第三章仿真方法论研究图3 3 仿真平台的功能模块流程图首先要确定基站的坐标，基站的坐标的确定依照仿真场景来确定，将依照基站的个数，基站之间的距离来决定网络的拓扑结构。在确定基站坐标以后，需要在基站服务的范围内进行撒用户的操作，该模块的基本需求是，能通过改变输入文件中的相关参数来调整每个基站覆盖范围内用户的数目，此外，由于特定场景的需要，需要有均匀撒点的功能，以保证在研究常规用户分布状态下的系统性能的需要，于此同时，也需要有非均匀撒点的功能，以模拟在网络部署中存在热点分布的条件下的网络性能。在小区模块当中，我们采用了一种用有限区域来模拟无限区域( W r a pA r o u n d )的小区部署模型，利用服务区内的小区在服务区外围产生映射小区，用于计算服务区边缘小区的相邻小区干扰。系统仿真的整个区域称为服务区，是由一个中心小区以及周围一圈的六个小区构成7 小区模型。每个小区为正六边形蜂窝形状，小区基站位于小区的几何中心。中心小区的标号为0 ，周围小区依次标为1 6 。其中中心小区的正东邻小区标为l ，其余的逆时针排列。整个系统采用直角坐标北京邮电大学硕士学位论文第三章仿真方法论研究定位，且以中心小区的基站处为原点，正东方向为X 轴正方向，正北方向为Y轴正方向。每个小区分为三个扇区。在M I M O O F D M A 系统中，由于只存在邻小区的干扰，干扰源建模是否合理决定了接收信噪比是否正确，这对评估结果有着直接的影响。采用W r a p A r o u n d技术不仅能够比较准确地构建各个干扰小区的信号，而且将需要仿真的小区数量不会增加。1 9 小区情况下，平台中运行的小区数量仍然是1 9 个。W t a pA r o u n d 技术的原理由下图说明。系统中实际存在的1 9 小区是处于图的中央。输出的仿真结果也是这些小区用户的统计数据。仿真当中，将这1 9 小区在其周围做了6 个镜像，位置如图中所示。用下行米说明，每一个基站将有6个与之对称的镜像。对于一个移动台，首先要确定A 己的服务基站，这取决于移动台接收到的导频信号强度。仿真中首先需要从1 9 组基站中每组确定一个信号最强的基站，然后在1 9 个基站中确定信号最强的基站作为服务基站，其它是干扰基站。图3 - 4 仿真平台中1 9 小区W r a p A r o u n d 原理随后将进入时序推进的仿真过程中，仿真程序将以每个T T I 为单位完成防震2 9北京邮电大学硕I j 学位论文第i 章仿真方法论研究工作，各功能函数将被触发并工作。即所有被驱动对象执行W o r k S l o t O l 对，我们给出系统运行的时序图。S t a t i s t i c i a n 做相关信息统训更新相关数据子载波的S I N RV图3 - 5 仿真平台中下行每T T I 内工作时序图旷lI 火北京邮电大学硕士学位论文第i 章仿真方法论研究3 2 3传输块判决原则在天线端得到了各个子载波上的信噪比后，需要合并成子信道上的等效信噪比。由于在链路级仿真曲线是基于所给S l N R 是在频率平坦信道相应条件下得到的，我们需要有效S I N R ，即S I N R , t r 来准确的将系统级的S I N R 映射到链路级曲线上，以此得到结果B L E R 。其中最为直接的方法，就是分别对每一个链路进行建模仿真，但对于个多用户系统而言，这种方法需要巨大的计算量和相当长的仿真时间，这在实际中是不可行的。另一种方法就是链路差错预测方法：由于多载波系统中每个子载波的S N R 都不相同，如果用一组不同的S N R 值的集合来查找B L E R 值，那么链路级表格就太复杂了。为了解决这个问题，可以使用一种有效S N R 映射( E S M ) 方式，把O F D M 系统的多个子载波的S N R 映射为一个等效的S N R ，然后利用这个等效S N R 值从一条基本的A W G N 链路级性能曲线上查找该信道状态下对应的B L E R 估计值。这个等效S N R 值代表多个S N R 的性能，能够反映即时信道状态。因此，对于所有的有效S N R 映射( E S M ) 方法，应该遵循以下准则：B L E R ( r , ) ) B L E R 月删k )式( 3 - 3 )其中 以) 代表各子载波的S N R ，场是 以) 映射后的有效S N R ，B L E R ( n )是与即时信道状态 丫k ) 对应的真实误块率，说E 心删( 场) 是A W G N 信道情况下的误块率。这种映射方法与子载波的数目和每个子载波的S N R 有关，为了保证这种映射方法的有效性，对于每种调制编码方式( M C S ) ，还必须要有一个与之相对应的尺度因子，也就是本文所要获取的b e t a 值，用于当预测B L E R 和真实B L E R不匹配时进行某种方式的调节。我们利用B L E R 预测方法去获得这个尺度因子，并对其进行有效性验证。基于有效S N R 的映射，目前主要有这几种方法：指数有效S N R 映射( E E S M ) 、互信息有效S N R 映射( M I E S M ) 、对数有效S N R 映射、容量有效S N R 映射、截止速率有效S N R 映射等等。这几种方法的基本思想是统一的，即找到一个压缩函数，把一组不同的S N R 序列映射为一个单一的S N R 值，然后通过这个值我们就能够查表得到真实的B L E R 值，只不过它们的映射函数不同。E E S M 是一种比较简单且易于实现的方法，当使用它的时候，一个终端的所有子载波都必须使用相同的调制和编码方式( M C S ) ，它是本文的研究重点。M I - E S M 是一种更高级的映射方法，它不会要求一个终端的所有的子载波都必须使用相同的调制和编码方式，这种方法暂不在本文研究范围之内。3 l北京邮电大学硕士学位论文第三章仿真方法论研究指数有效S N R 映射( E E S M ) 是目前主要的E S M 方法之一，其映射函数如下：S I N R , # 一肌( 专扣( 一等) )加削此处的是个与M C S 等级以及包的长度相关的参数，而其与信道类型无关，即对于所有的信道状况具有普遍适用性。每种编码调制方式( M C S ) 下的b e t a 值需要通过链路级仿真得到。大致流程是这样的：首先，通过仿真得到A W G N 信道下的B L E R S N R 曲线；然后根据频率选择性信道模型( 如P B 信道) 随机生成多个信道实现，在每个信道实现下，由仿真得到一条B L E R S N R 曲线：最后，依照上述b e t a 值的优化选择方法，计算出最优的b e t a 值。3 2北京邮电大学硕士学位论文第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究波束赋形技术由于其较为优异的性能，因此可以作为L T E 系统的一种重要的技术选择。但是由于目前关于波束赋形技术的研究大多关注于波束赋形物理层形成算法，很少从系统级的层面对采用波束赋形后的系统性能进行综合评估。在系统级层面，多小区多移动台环境、H A R Q 、不同的调度策略，功率控制和移动台的移动方式等多种因素都会对系统性能产生很大的影响，考虑到以上多重因素，对波束赋形技术的系统级研究是我们迫切需要进行的课题，这也是本文进行此方而研究的初衷。4 1 波束赋形技术概述波束赋形( B e a m f o r m i n g ) 是智能天线中的一项关键技术，它的实现需要一组自适应天线阵列。自适应天线有多个天线单元组成，每一个天线后接一个加权器，最后用相加器进行合并。加权器为每一个天线信号乘以其中一个系数，这个系数通常是复数，既调节幅度又调节相位。所有天线的加权因子形成一个加权向量。此加权向量都是方向角度有关的一组值，不同的方向角对应不同的一组加权向量。自适应或者智能的主要含义是指这些加权系数可以恰当的改变、自适应调整【5 1 。波束赋形的基本思想是：天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户，接收模式下，来自窄波束之外的信号被抑制，发射模式下，能使期望用户接收的信号功率保持最大，同时是窄波束照射范围之外的非期望用户收到的干扰减小。波束赋形的目标是根据系统性能指标，形成对基带喜好的最佳组合与分配。具体说，波束赋形的主要任务就是不长无线传播过程中有空间损耗和多径效应等引起的信号衰落与失真，同时降低用户之间的共道干扰。智能天线均采用数字方法实现波束赋形，即数字波束赋形( D B F ) 天线，从而可以使用软件设计完成自适应算法更新，在不改变系统硬件配置的前提下增加系统的灵活性。D B F 对阵元接收信号进行加权求和处理形成天线波束，主波束对中期望用户方向，而将波束零点对准干扰方向。北京邮电大学硕：t 学位论文第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究4 1 1波束赋形技术的分类的和发展由于天线有发射和接收两种工作状态，所以波束赋形分为发送和接收两部分，即：下行链路波束赋形和上行链路波束赋形，他们的工作原理基本相同。按照波束的产生方法，波束赋形技术可以分为以下几类6 】：1 ) 相干波束赋形信号通过多根发送天线发送给当前的所有用户，发送向量可以表示为X = w ( 矽) ×X ，其中z 是标量信号，w ( ) = 【嵋( ) ，w 2 ( 矽) ，( ) 】表示M 根发送天线在方向矽上的加权因子向量，天线加权系数用复向量表示，用户需要估计和反馈多个天线信道各自的幅度和相位，反馈量很大，基站发送端需要摘掉全部的C S I ，因此会大大增加系统的开销。当用户数目很大的时候，基站要从用户端反馈获得的全部C S I 存在一定难度。2 ) 机会波束赋型机会波束赋形引入随机衰落的措施，不需要增加设备复杂度。基站只需要采用多个天线，终端采用一个天线，不同发送天线上的加权系数不一样，并且天线加权系数以随机方式产生。每个用户测量接收的信噪比S N R 并将其反馈给基站发送端，基站总是选择S N R 最大的用户来通信。对于用户来说，给定信道矩阵H ，当某个时隙的加权复系数正好与某个用户的信道系数匹配时，该用户具有最高的S N R ，我们称之为波束赋形结构配置。传统的机会波束赋形技术优势受用户数目的限制，随着用户数目的增加可以明显的改善系统的性能。3 ) 机会波束赋形与接收天线选择结合法此方案在M I M O 系统中，为了改善用户数目较少情况下系统的性能，提出了结合天线选择的方案。每个用户端都具有一个射频链和多个接收天线，假定各个接收天线之间是独立衰落的。在这种方式下，同时获得了天线选择分集增益和多用户分集增益，实际上，接收端采用多天线可以看做等同于增加了下行链路上的有效用户数，因此结合波束赋形与天线选择这两种技术显著的提高了系统吞吐量。4 ) 多波束机会波束赋形此方式有两种，一种是导频传输采用多波束模式，数据传输采用单波束，在导频时隙，基站同时随机产生多重加权系数已形成多个波束，每个用户反馈多重波束下的最大信噪比以及对应的波束序号。这种方法为每个用户提供了多个可供选择的波束，所以增加了多用户分集增益，尤其当用户数较少的时候更是如此。这种方法的主要不足是增加了导频开销，对应于多个波束，导频时隙分成了多个子时隙，而且与最初的机会波束赋形方式一样，由于数据传输只采用单波束，没有利用多天线可能带来的空分多址增益。另一种是在导频和数据传输阶段均采用多波束的方法，在导频阶段生成多个波束，然后选择多个最好的用户进行数据传输，选择的依据是信号干扰噪声比( S I N R ) 而非信道增益，这种方法的主要问题是波束之间的干扰问题，空分多址是非完全正交的，所以在高信噪比条件下性能较差。5 ) 基于用户选择的正交机会波束赋形( O R B F S U S )此方式分为动态O R B F S U S 和静态O R B F S U S 。动态O R B F S U S 就是数据传输是选择的波束数在各个衰落块中动态改变已达到最大的速率和；静态O R B F S U S 就是数据传输时选择的波束数不随衰落块的改变而变化。因此，静态O R B F S U S 获得的速率和与动态O R B F S U S 相比稍微差了一点，带它减少了计算复杂度和反馈复杂度。目前提出的波束赋形已经发展到宽带信道条件下收发均采用多天线的正交频分复用( O F D M ) 技术与多波束机会波束赋形相结合的动态空一时一频混合多址技术，研究多波束的相干干扰问题，研究M I M O 空间信道的干扰问题，降低反馈开销。4 1 2波束赋形技术在M I M O 系统中的研究3 G P PL T E 协议中支持M I M O 和自适应天线系统( a d a p t i v ea n t e n n as y s t e m ，A A S ) 两种不同的多天线实现方式。M I M O 是一种可选技术，在上下行链路都可以选择支持。A A S 是一种可选技术，在上下行链路中都可以选择支持该技术。采用A A S 技术可以提高系统容量，扩大覆盖范围，提高通信的可靠性等。A A S技术在实现时既可以采用多波束选择的方式，也可以采用自适应的方式u J 。二者的方法和特点不尽不同。M I M O 是一种利用多路复用技术增加信道容量和改善信号质量的天线技术，而A A S 是一种定向信号处理技术，它能够增强在某一特定方向发出的信号强度。A A S 阵元间距为l 2 波长，基站M I M O 阵元间距为l O 1 5 波长，A A S 的发射数据流是相关的，仅存在相位差，而M I M O 的北京邮电大学硕士学位论文第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究发射数据流是近似独立的。M I M O 可为每一用户提供多个信道，而A A S 为每一用户提供独立的空间窄波束。M I M O 有两种功能形式，即空间分集和空间复用。空间复用技术利用M I M O信道提供的空间复用增益，可以大大提高信道容量和频谱利用率。；空间分集利用M I M O 信道提供的空间分集增益，则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。但是在视距环境或者存在小区间干扰的情况下，M I M O 的容量会下降，在低S N R 条件下，增加天线的个数并不能带来容量的提升。并且仿真结果表明，随着天线间距的增大，系统的平均信道容量也在逐渐增大，但当天线间距增大到一定程度后，信道容量变化不明显，散射角越大，信道容量的增长速率越快。接收信噪比较高时，平均信道容量的上下限基本上接近于其实际值。自适应天线系统是一种控制反馈系统，它能够利用多个天线阵元接收信号的加权组合进行信号处理，产生空间定向波束，使天线主波束对准期望信号到达方向，同时对干扰形成零陷，抑制干扰，实现期望信号的最佳接收。在覆盖性能，容量性能，功率的节省，定位与切换等方面具有较强的优势。在现有的系统中，M I M O 和A A S 作为独立的两种多天线实现方式，虽然在特点上具备很强的互补性，但是仍无法实现两种实现方式的融合，不能充分的发挥各自的优势。在系统的后续演进中，可以考虑将两者有机的结合起来。设定S N R 的门限，在低S N R 条件下使用A A S ，高S N R 条件下使用M I M O技术对于小区边缘的用户，利用A A S 通过自适应波束成形算法形成特定的波束图，在干扰方向实现很低的增益甚至零陷，将波束零点对准其他接收机，这样就能降低发送模式下的邻道干扰，增加小区容量。出于对运营成本的考量，对于已经安装了A A S 天线的基站，可以考虑在下行使用A A S 方式，而通过对移动台的升级，使移动台具有多根天线，从而使上行使用M I M O 技术实现多发一收或者多发多收成为可能。4 2 基于S V D 分解的L T E 系统波束赋形算法研究4 2 1本算法基本思路E B B 算法的基本思路如下：对于整个波束空间，找到使接收信号功率最大的赋形权矢量。这通过对用户北京邮电大学硕士学位论文第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究空间相关矩阵进行特征分解，找到最大特征值对应的特征向量即为权矢量。对用户空间相关矩阵进行特征分解，求得到达角度个数和对应方向。4 2 2算法模型设计下行的M I M OO F D M 系统每个子载波上的e i g e nb e a m f o r m i n g 如下图所示。所有的用户数据都被发送到子载波映射和比特加载模块。当子载波和数据比特都被按照一定的算法分配到不同的子载波后，信息比特则映射到相应的子载波。然后根据每个子载波在频域信道冲激响应的S V D 在每个子载波上进行b e a m f o r m i n g 的p r e c o d i n g 。p r e c o d i n g 后的信号被发送到I F F T 模块来为每根发送天线进行O F D M 调制，然后为每个O F D M 符号加上C P ，通过各自的天线发送。在接收方，通过解耦操作来为每个用户解码信息比特峭J 。VH墨匐-习_ ，子载子载波分配波_映射罱V习- 2 |JL一- 一一S V D'信道估计图4 - l 系统E B B 发射端结构框图上行的M I M OO F D M 系统每个子载波上的e i g e nb e a m f o r m i n g 如下图所示，具体的实现方式和发送端非常类似，可以看做是发送端的实现过程的逆过程，需要注意的是在发射端和接收端所使用的预编码向量分别属于对信道在频域上的状态信息矩阵进行S V D 变换以后的左乘和右乘的矩阵对应的向量。该方法的本质是通过改造信道有效的降低干扰。图4 - 2 系统E B B 接收端结构框图3 7北京邮电大学硕士学位论文第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究4 2 3自适应编码调制条件下的波束赋形为了提供高数据传输率和频谱效率，每个特征模式子信道还采用了A M C( A d a p t i v eC o d e dM o d u l a t i o n ) ，由于在宽带条件下使用了O F D M 技术将信道在频域上分割成了多个并行的带宽较小的信道，根据不同信道的信道质量选择合适的凋制编码方式可以有效的利用空问资源，提供更高的频谱利用率从而提升系统性能，在E B Bb e a m f o r m i n gM I M OO F D M 了载波相应的系统模块如下图所示：发送端接收端图4 - 3A M C 在多载波系统中的等效应用4 2 4基于A M C 的仿真接口设计一个完整的系统评估方案不仅需要系统级模型而且还需要链路级模型的配合。在本系统级仿真中，如下图所示，链路级得到的数据是各种调制编码格式条件下的E b N 0 同误块率B L E R 的函数关系曲线。在系统级模型中已经介绍过，一个数据包在物理层可能被分成若干个编码块。在O F D M A 系统中，经过交织后将使用某种传输方法发送。所以链路级和系统级的接口要完成的功能是从系统级各个予载波上的接收信噪比影射成为等效的链路级E b N O ，再回到物理层的正确概率。4 3E B B 算法详细设计及实现E B B 算法在系统中的实现需要通过获取较为完备的信道状态信息，并以此为基础计算出传输信号的预编码矩阵，因此在实现过程中需要重点考虑如何有效的获得信道质量并占用更少的系统资源p J 。由于采用宽带O F D M A 方式接入，频域选择性调度通过估计整个或者部分带宽上的信道条件，然后基于某种原则给每个用户选择最优的带宽。信道估计的算法与误差对频域选择性调度带来的系统性能的提升有很大影响。与此同时，由于系统巾采用了自适应编码调制的方式，在系统设计时也需要考虑到有效的反馈调制编码方式的机制。工作流程如下图所示：北京邮电大学硕I ：学化论文第四章基于多天线系统的增强删波束赋形性能研究基站I所有协作的基站发不同的公共导频进行用户调度计算处理矩阵确定被调度U E 的M C S4 3 1信道状态反馈机制建模策略U E测量( I + N )根据估计的信道信息和预处理矩阵，进行信号的检测基于C Q I 反馈的下行信道估计的简要过程是：基站端在某些符号子载波块上发送参考信号，U E 端检测这些信号的质量，推算出各个子带宽上信道质量( 比如S I N R ) ，然后推算出各个子带宽能支持的最优M C S ，采用一定的格式上报给基站( C Q Ir e p o r t ) ，基站根据上报的C Q I 做出相应的资源分配。该过程的流程图如下图所示：拱m呲枞捌瓣黼口蝴憾I啦北京邮电大学硕：I ：学位论文第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究L 一一一一IL 一一一一图4 - 6 C Q I 反馈流程图C Q I 报告的一个缺点是下行参考信号受到的干扰与下行数据信道上受到的干扰不一样，特别系统在负载比较轻的情况下，下行数据信道上受到的干扰要比下行参考信号受到的干扰小得多。这样的话C Q I 报告中的M C S 和实际数据信道能支持的M C S 就会有出入，影响调度增益。在T D D 系统中，可以利用信道的上下行对称的特性，利用上行的信道信息进行下行的波束赋形的处理。对于现有的L T E 标准，由于T D D 和F D D 系统的差异性，使得在L T ET D D 的下行，既需要保留F D D 模式的4 个天线端口上的公共导频占用的时频资源不被占用，同时又需要新开辟出一定的专用导频位置，供下行波束赋形的专用导频使用。对于使用波束赋形的T D DL T E 系统，下行信道的信道质量C Q I 的测量和反馈可以采用以下两种方式进行：1 选择使用基站的1 根天线发送一个虚拟天线端口一卜的公共导频，U E端根据该公共导频信息进行C Q I 的测量和反馈。该方法的缺点是仅参考了1 根天线上的信道信息，受空间衰落特性变化的影响较大，反馈量不够可靠。反馈的C Q I 与使用波束赋形之后的真实C Q I 差异较大。2 使用基站的所有天线进行发送，但是基站天线使用一个广播赋形的天线加权向量进行广播式的发送。U E 根据接收信号进行C Q I 的测量和反馈。该方法的优点是使用广播波束进行发送，充分利用了基站发送天线的能量，使得U E检测到的干扰信号的强度接近数据发送时的真实情况。该方法的缺点是，U E 检测到的有用信号和U E 接收数据时的真实有用信号之间的增益差异会更大，影响反馈的C Q I 的准确性。上述方法1 的缺点是仅参考了1 根天线上的信道信息，受空间衰落特性变4 l北京邮电大学硕士学位论文第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究化的影响较大，反馈量不够可靠。反馈的C Q I 与使用波束赋形之后的真实C Q I差异较大。上述方法2 的缺点是，U E 检测到的有用信号和U E 接收数据时的真实有用信号之间的增益差异会更大，影响反馈的C Q I 的准确性。对于改进型的C Q I 反馈策略，将在4 3 4 节中具体论述。4 3 2S o u n d i n g 建模策略上行s o u n d i n g 的过程是：U E 在一个T T I 的最后一个s y m b o l 上，通过F D M + C D M 的复用方式在某些P R B 上发送s o u n d i n g 序列。基站端通过检测各个U E 在某些P R B 上的信道质量，来进行上行的资源分配。与C Q I 类似，上行s o u n d i n gr e f e r e n c es i g n a l ( S R S ) 上受到的干扰与上行数据信道上受到的实际十扰相差比较大，因而S R S 上的S I N R 不能真实反映上行数据信道上将会体验到的S I N R ，影响调度的准确性。一个s u b f r a m e ( 1 m s )S R8 R8 R8 R一f 熊R s r 8 船( 七) a2 k + k o , Z 一10k = o 1 ，噬8 - Io t h e r w i s e图4 - 7S o u n d i n g 导频方案其中K o 是刎j 坝心媚但2 t 置；是s o u n d i n g 导频的幅度加权因子；M 等是s o u n d i n g 导频的序列长度。可以得到s o u n d i n g 的建模方式如下：4 2北京邮电大学硕士学位论文第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究图4 - 8S o u n d i n g 基本流程图传统s o u n d i n g 方案是直接用B S 接收到S R S 上的S I N R 来预测数据信道的S I N R ，进而进行调度与M C S 的选择。但是由于s o u n d i n g 的传输方案比较复杂，特别是s o u n d i n g 收到的小区间干扰很难仿真，所以仿真时暂时不考虑这种方法。由于s o u n d i n g 信号上的干扰和数据上的干扰不尽相同，此方法不直接利用B S 接收到s o u n d i n g 信号上的S I N R 来预测数据信道的S I N R ，而是首先计算B S接收到s o u n d i n g 上的S N R ( 信噪比) ，然后计算B S 在上行数据信道各个P R B上体验到的i n t e r f e r e n c e ( 干扰) 。基站可以通过检测各个P R B 上的d e m o d u l a t i o nr e f e f e n c es i g n a l ( 解调参考信号) 的强度，用总解调参考信号的强度减去本小区用户在该P R B 上的解调参考信号的强度，然后减去噪声，就可以得到各个P R B上的干扰。如果本小区用户在该P R B 上没有发送数据，那么基站在此P R B 上接收到的总接收强度减去噪声就得到该P R B 上的干扰。最后根据s o u n d i n g 信号上的S N R 和解调参考信号上的干扰，计算出一个修正的S I N R 来预测数据信道的S I N R ，从而进行上行R R M ( 无线资源管理) 。整个流程图如图4 。这种s o u n d i n g 方法对不同P R B 的信道质量的估计理论上要更准确，可以用如下公式表示：姗邸t i 埘a t e d = & 船一厶朋o R S式( 4 1 )其中，黝垤删是最终作上行调度所依据的估计S 1 N R ，跏是s o u n d i n g参考信号上得到的S N R 。棚是B S 在解调参考信号上测得的干扰和噪声的和，单位都是d B 。计算B S 在各个P R B 上体验到的I a e m o R S 的方法可以利用下面公式：l a e m o R S ( i ，J ) = ( ，一2 ) l d e m 。胚( f 一1 ，) + 旯水儿历口J R 跏s 加细肥口淞( f ，)式( 4 - 2 )其中，。船( f ，J ) 是截至到第i 个s u b f r a m e ( 子帧) 时B S 测得的第个P R B上的干扰和噪声平均值，觑。o 兄s ( i ，) 随s u b f r a m e 按照如上公式更新，觚一( f ，) 代表第f 个s u b f r a m e 时第个P R B 上的瞬时干扰噪声值。名是遗忘因子，可以根据统计干扰平均值的时间窗口取0 1 ，0 0 1 ，0 0 0 1 等，Z = 1代表用上一时刻的瞬时干扰噪声预测下一时刻的干扰噪声。改进后的s o u n d i n g流程图如下：北京邮电大学硕：J j 学位论文第四章幕于多天线系统的增强型波束赋形性能研究1 0 , 0I ( i 2 )接入基站U E图4 - 9 改进后S o u n d i n g 流程图4 3 3单流E B B 算法设计及实现使用发送端使用n 根天线，接收端使用m 根天线。信道矩阵表示如下【1 0 】：子载波j 上的频域信道冲激响应表示为：H ：' I 。= 砩，。 。式( 4 - 2 )它的S V D 分解可以表示为：H 2 ×厅= U m x m s V 嚣门式( 4 3 )S 是一个朋×力矩阵，该矩阵对角线1 - 0 9 元素是H ：。矩阵的非零奇异值且至上而下由大到小排列，各奇异值所对应的奇异向量分别为V l ，v 2 ，V m ；令M = r a n k ( H ：。) 表示H ：。的秩，U H r i L 。V = S ，则有乃= ( u H H 2 。疗V ) ，= u ，H n 所i 。一v ：式( 4 4 )由于U ，和V 是乃对应的特征向量。也就是说，通过在传输天线端用V 来对发送信号进行预处理，再在接收端将接收信号和u ，相乘，则特征模，的接收数据信号可以被恢复为A , 4U ，H n 卅i ×以V ，4 = 乃4式( 4 5 )北京邮电大学硕士学位论文第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究向量U 对应最大的奇异值即d ，为特征子空间，其是使接收信号功率最大的赋形权矢量。在单流E B B 算法的实现过程中，仅仅需要利用到向量U 对应最大的奇异值，这样可以保证通过接收信号功率最大的赋形权矢量来进行传输。当不使用E B B 时，信号的传输可以描述为Y 肌×1 = H m x n X 甩×l + n 所×l式( 4 6 )其中x 删是发送符号，H 是信道的冲击响应，n 删是热噪声符号，Y 。订是接收符号。如果使用单流发送，n 根天线发送的原始符号是相同的，记为x ，经过预编码之后，n 根天线发送的符号向量可以表示为V 删x ，于是信号的传输过程可以描述为Y 历×l = H m x n v 以×lx + n m ×l式( 4 7 )将原始表达式带入上式有y m 。1 = U 小。州S m 。一蝶疗V 删x + n 删式( 4 8 )因为嘭。是酉矩阵，酉矩阵的列相互之间正交，相同的列内秋为1 ，所以有疗v 州= 10 00 o 】7 式( 4 9 )于是可以得到y m 。，= u 州。州A O X I + n m x I = U m x I x + n 小。( 4 - 1 0 )其中U 。表示U 刖。的第一列。针对单流传输情况，参考上式，定义等效的信道矩阵为h 删= H 。V 删，则式以写为Y 所×l = h m x l X + n 肌×l采用最大比合并接收信号，信干噪比S I N R 的计算公式可以表示为：姗=监! 堕! 咝h 氛u h 。吐，I _ 1 2 + h 袅u h 。礼，辞刊其中下标i 表示服务基站，下标表示非服务基站。这样做的优点的有以下几点：北京邮电大学硕士学位论文第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究1 ) 适用于更为灵活的接收端天线数配置，只需要接收端的天线数大于或者等于l 便可以进行实施，更利于后向兼容性和实际的部署：2 ) 由于在同一个1 v r I 对于每个用户来说仅仅需要检测一流的信号，能够有效的控制解调的复杂度和估计干扰的准确性；3 ) 由于天线间距在很小的时候会导致天线相关性增大，这个时候如果使用多流传输的方式，由于s o u n d i n g 的过程中存在时延，而信道是时变的，因此即使使用了该算法也不能保证每个流之间不存在干扰，当天线相关性很强时，这个干扰会极人的影响检测的效果，造成性能的损失，而采用单流传输能够避免此问题。4 3 4双流E B B 算法设计及实现针对单流E B B 算法在利用通过预编码构造的独立信道方面的低效率，可以采用双流的实现方式来达到更大的系统性能。对于传统的C Q I 反馈机制，难以达到实现双流E B B 算法所需的信道状态，需要在4 3 1 节所设计的C Q I 建模方法的基础上进行改进。改进型的方案如卜：1 基站利用部分或者全部天线传输公共导频符号，以进行信道估计和C Q I检测等。具体方案可以为：1 ) 在现有系统中，下行存在4 个天线端I ：I 的公共导频。因此，当发送天线数小于公共导频的端口个数时，比如，2 根发送天线，此时可以利用2 个天线端口发送公共导频信号，U E 端对导频信号接收处理，进行信道估计和C Q I 测量等。2 ) 如果发送天线数大于公共导频的端口个数时，比如，8 根发送天线，可以将天线分成2 组，每组通过时分复用的方式在相邻时刻( 或时隙) 轮流发送公共导频信号，使U E 端在连续两个时刻( 或时隙) 内得到8 根天线的公共导频信息，以进行信道估计和C Q I 测量等。B S 根据上述方案进行公共导频的发送，U E 根据接收到的基站天线发送的导频符号，进行相应的信道估计，得到信道响应H ，然后进行C Q I 测量估计以及M C S 选择等处理。举例：如L T E 系统中，每个T T I 包含2 个时隙，基站发送天线数为8 ；则可以在每个T T l 的第1 个时隙选择4 根天线，分别使用4 个天线端口上的公共导频进行发送，而在每个T T I 的第2 个时隙上，剩下的4 根天线使用4 个天线端口上的公共导频进行发送。这样在一个T T I 内，8 个天线都可以使用彼此正交的导频进行一次发送，U E 端可以根据各个天线的发送导频，估计出所有的收发天线之北京邮电大学硕士学位论文第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究间的信道状态信息。如果发送天线数为6 ，则可以在每个1 的第1 个时隙选择4 根天线，分别使用4 个天线端口上的公共导频进行发送，而在每个兀I 的第2 个时隙上，剩下的2 根天线选择4 个天线端口上的2 个上的公共导频进行发送，同样可以在U E端完全估计出所有收发天线之间的信道状态信息。2 U E 根据接收到的基站天线发送的导频符号，进行相应的信道估计。当发送导频的天线数不少于基站总的天线数的时候，U E 端根据估计到的信道响应H和接收端的各天线的平均信噪比S I N R ，进行C Q I 的测量和估计。估计的方法如下：1 ) 进行H 的S V D 分解，得到最各个波束空间的特征值元，其中f _ 1 ，2 ，2 ) 计算U E 每个波束空间上的有效信噪比S I N R ，= S I N R 砰3 ) U E 根据C Q I 的映射关系表，依据有效信噪比S I N g 找出每个特征波束子空间上能够支持的M C S ,4 ) U E 根据波束空间的特征值元或者s n w ；，确定可以支持的特征波束的数目。比如，以元或S N 大于某个门限的标准，确定特征波束的数目。5 ) U E 向基站反馈的方式有两种：A 将各空间的M C S 以及特征波束数目N 反馈给基站端。B U E 直接将接收天线上的平均S I N R 反馈给基站。3 基站根据U E 的反馈和上行的S o u n d i n g 的结果获得的U E 的信道响应H 。来决定基站对U E 进行发送的波束赋形向量和相应的每个特征波束空间上使用的M C S ，并进行相应的发送。具体的方法如下：1 ) 基站根据U E 上行的信道响应H ，进行行列转置得到下行信道的响应H 2 ；2 ) 基站对H ，进行特征值分解，得到U E 的信道对应的特征波束空间向量谚和对应的特征值互，= l ，2 ，对，是估计的下行信道响应的阶数；3 ) 对于U E 反馈的方式A ，基站可以利用U E 反馈的各个特征波束空间上的M C S , 以及特征波束空间向量E ，进行各个特征波束空间上数据流的发送；3 a ) 或者基站根据U E 反馈的各个特征子空间上的M C $ I ，利用M C S <一> s I N R 映射表，反推出对应的S J N g ，并结合各个特征波束空间上的特征值五，反推出u E 接收到的各个天线上的平均的S I N R ，$ 1 N R ：l l N 删：岔。然后根据各特征子空间上的特征值磊进行4 a )和4 b ) 的操作；3 b ) 最后，基站根据波束空间数目N ，发送数据所用的空间上的M C S I ，北京邮电大学硕士学位论文第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究采用特征波束空间向量谚进行赋型后发；4 ) 对于U E 反馈的方式B ，基站也可以根据U E 反馈的平均S I N R 和U E 下行的每个特征波束空间上的特征值互，进行下行u E 的每个特征波束空间上的有效接收信噪比的计算，S I N R I = S I N R 岔，并根据该有效s z v e ，并结合系统的M C S < - - > S I N R 映射表，选择用户在每个特征波束空间上的煅( 调制编码方式) ，并根据该煅进行相应U E 的下行的各个特征波束空间上的发送；4 a ) 同时，基站也可以根据每个特征波束空间上的特征值或有效接收信噪比S I N R j ，按照一定的准则，确定可以支持的特征波束的数目N '4 b ) 此外，基站也可以对U E 的下行的各个特征波束空间上的发送进行相应的功率分配，如离散功率注水，并根据功率注水的结果进行每个特征波束空间上的M C S 的确定和相应的发送J ，S I N I 宅, = S I N R ·岔·下p j N其中，P 为各个波束空间的总功率，B 为功率注水后分配给特征波束空间，的功率。基站根据s z v a 确定每个特征波束空间上的崛，并根据相应的特征波束向量E 进行发送。如果使用双流发送，n 根天线分别发送两路信号，记为L X _ 2 j ，此时所使用的预编码奇异向量为【V V ”】砒经过预编码之后，l l 根天线发送的符号向量可以表示为【V 则于是有、，”】。2 ：! ，于是信号的传输过程可以描述为y ：。：= H ：。一c V V " ，翮E x + n 2 。2 ( 4 - 1 4 )Y 2 。2 = U 2 。2 是。一蝶甩【V L 2 卧n 2 ×2L 2 J北京邮电大学硕士学下面我们来关注移动台如何解调接收到的信号，假设发射端的天线数为8 ，接收端的天线数为2 ，在接收端收到的信号可以表示为： 州I 叫H 。：1 ×( V o t - + 咄+ ，毛臣h 砌，+ 嘲拥川，两流的接收信号分别可以表示为：= H ”W o x o + H ，l W 一+ I " 1 1 = 瓦I x o + _ j ；I 薯+ 啊i e i n t 叼ri e i n t e r fr e = H o 2 W o x o + H ，2w ，一+ 刀2 = 瓦，2 + 瓦，2 x ，+ 刀2i e i n t e 矿i e i n t e r f式( 4 2 0 )H 。是发到U E 第一根接收天线的信道矩阵，H 。：是发到U E 第二根接收灭线的信道矩阵。K 1 是Ho l 进行S V D 分解得到的最大特征值对应的特征向量，v 0 ，：是H 0 t 2 进行S V D 分解得到的最大特征值对应的特征向量。U E 的两根接收天线对专用导频进行信道估计可以得到瓦1 和瓦2 0 _ ，r e 可以看作是l x 2 的系统的接收信号。然后可以使用最大比合并、Z F 、M M S E 等算法对 ，r 2 进行合并。其中，H 加0 表示目标用户0 在子载波i s c 上的信道矩阵，V 表示在发送端作的预处理。H 表示干扰源i 的信道矩阵，铲表示在干扰源基站做的预处理。则第k 流数据的检测S I N R 表示为：如咯= 丽希磐攀蒿器端黼焉面式( 4 2 2 )砖是是发送信号而的归一化方差，等于发送功率与P a t h l o s s 的乘积；l ( 1 ( 代表矩阵对角线上第k 个元素：其中如是矩阵u H H 。, , c v ，。“c 通过将对角线上的元素变为。后得到的，如果接收天线为l ，则该项不存在；V+吼=W中其北京邮电大学硕i ：学化论文第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究其中H 。为当前时刻基站到目标移动台的所对应子载波的信道矩阵。V 严的生成方法：首先找到干扰基站中与目标移动台使用相同R B 编号的移动台，获取干扰基站到此移动台信道矩阵H ，对其进行S V D 分解，变可以得到V 。由于V 的求解过程需要知道通过s o u n d i n g 反馈回来的H 矩阵。因此V 是通过与当前T T I 相邻最近的上行T T I 时刻的H 矩阵的处理得到。其中H 是干扰基站到目标移动台的当前的信道矩阵。在u E 端无法获知u 而只能通过下行导频获得对H 。I $ Cv 。i S C 的估计，但是在仿真过程中蝣是常数l ，所以在计算S I N R 的时候有u 的出现并不影响结果。4 3 5改进型( 流自适应) E B B 算法设计及实现单流E B B 算法和双流E B B 算法各有优劣，即使是在同一种仿真假设的条件下，这两种算法的性能相对关系也会随着干扰水平以及信道条件的变化而发生改变【1 2 】，因此如果能找到比较有效的判决机制，来实行流自适应的传输，便可以综合两者的性能优势，达到系统的性能最优。要达到这样的目标，最为关键的是找到一种有效的判决机制，可以通过对吞吐量的估计和比较来完成该判决。根据判决完成的主体模块，可以分为以下两种方式：目前的仿真平台已经实现的单双流自适应的方法主要有以下两种【13 J ：1 )在L I E 端判决在U E 端通过接收到的导频信号估计出每个移动台在各个R B 上分别使用单流以及双流传输的S I N R ，这样就能估计出使用单双流条件下的吞吐量，进而根据吞吐量的大小来判决是使用单流还是双流。这样做的好处是相较于在发端判决能够减小开销，缺点是由于移动台此时并不知道调度结果，只能在全频带上进行单双流的判决，可能会导致判决结果的偏差。2 )在基站端端判决基站端通过f e e d b a c k 的信息所获知的每个R B 在各个U E 上的M C S 等级进行调度之后，通过在特定条件下的信道容量最大化的原则来在各个T B上进行流之间功率分配( 如果计算出的某一+ 流的功率为0 ，则实行单流传输) 。该方案的好处是相较于第一种方案能够实现功葺的分配，缺点是由于功率分配是在调度之后，调度总是基于一种特定的假设进行( 单流或者双北京邮电大学硕上学位论文第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究流) ，在功率分配之后以上假设可能会改变( 譬如说在双流的假设下进行调度，而进行功率分配以后得到的结果是单流传输) 。根据物理可实现性，本文基于第二种方式，l 一发送公共导频 1I 获知所传输的M c s 等级L 一Q l IIIII进行调度i , 卜- JII 翱断没川甲_ 淹还足殿流l = III 一发业务数据IIIIU E 确定M C SU E 反馈M C S数据检测图4 ·l O 流自适应E B B 流程图针对单双流的判决方案，可以基于两种判决方法：1 基于信道容量最大准则；2 基于频谱效率最大准则；相比于传统的先判决是使用单流还是双流传输的方法，可以用更为灵活的功率分配的方案予以替代，不仅能有效的提高自适应方案的使用灵活性，而且可以在不增加手机端额外的工作负担的前提下达到性能的提升。对信道容量公式使用拉格朗日乘数法取极值，可以得到各个流的功率值为1 1 4 1 ：丑= 衙2t ) 去 +其中) = m 纠朋“1 呵】( x ) + = m a x ( 0 ，工)厶为采取功控之后的流数，其值为1 或者2 ·式( 4 2 3 )式( 4 2 4 )式( 4 2 5 )北京邮电大学硕士学位论文第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究只= l ( 总发射功率) 是第七流的功率( 七越小代表该流对应的e s t i m a t e dS I N R 越大) 。E S I N R k 表示第k 流根据M C S 等级所估计出的S I N R ，注意该S I N R 是通过M C S 估计出的，存在量化误差。通过以上方法可以求出两流中每流的功率。如果其中一流的功率等于0 ，则使用单流传输。其中E S I N R k 是通过U E 反馈的每个T B 所使用的R B的M C S 等级所折算出的S I N R 通过E E S M 所计算出来的。因此可以得到该方案的具体仿真流程：1 U E 端通过基站端发送的导频估计出该移动台在每个R B 上的M C S等级( 分别估计两个流上的M C S 等级)2 U E 通过C Q I 将每个R B 上的M C S 等级反馈给基站端3 基站通过以上信息通过调度算法进行调度( 基于单流或者双流的假设)4 根据调度结果构造传输块，并通过每个传输块的E S I N R 来进行功率的分配，从而确定使用单流还是双流以及每一流上的功率分配情况5 针对新的功率控制方案来调整各个传输块上的M C S 等级6 基站基于以上结果进行传输4 4 仿真结果及分析4 4 1基本仿真参数表4 1 仿真参数仿真参数设置方式基站个数七小区，每小区三个扇区1 0 个d r o p ，每个d r o p 仿真时长为5 s ，预热时间为仿真时长l S中心频率2 0 G H z5 2舅，0北京邮电大学硕士学位论文第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究站间距5 0 0m 或者1 7 3 2m系统带宽1 0M H z有效带宽9M H zT D D 上下行比例2 D L 2 U L ( f u l lb u f f e 0每小区用户数随机撒点，每扇区1 0 个用户路损公式1 2 8 1 + 3 7 6L o g l 0 ( d i s ti n k m ) ，最小路损为7 0d B天线参数7 0 度3 d B 波瓣宽度A m ；2 0d B移动速度3k m h信道S C M E 信道S I N R 合并方式E E S M表4 - 2 仿真中使用的M C S 等级_j。荔勰。M C S 编嘎，施黼。壶赫戳。趣。调制编码方螽，溆矗。OQ P S K _ IlQ P S K _ 22Q P S K _ 33Q P S K _ 44Q P S K 55Q P S K _ 661 6 Q A M _ I71 6 Q A M _ 281 6 Q A M _ 391 6 Q A M _ 41 06 4 Q A M 15 3北京邮电大学硕士学能论文第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究l l6 4 Q A M21 26 4 Q A M _ 31 36 4 Q A M _ 41 46 4 Q A M 5156 4 Q A M 64 4 2E B B 信道增强效果分析为了说明E B B 波束赋形对信号增强的作用，可以通过统计使用经过预编码矩阵处理后的等效信道与未经过赋形的信道对于目标用户的功率来进行比较。为了比较上的公平性，对信道功率进行归一化，并将最大的接收功率设定为1 下图是对于2 0 0 0 个值的采样所绘制的累积分布曲线：图4 - 1 1 信道使用E B B 后功率变化从以上结果可以发现，在使用了基于S V D 的波束赋形之后，信号的接收强度显著的提高，经过对这2 0 0 0 个样点的均值的测算，经过波束赋形后的平均功率大约提升了8 9 d B ，增强效果明显，这说明波束赋形的实施对于波束更精准的对准目标用户拥有较好的效果。，L北京邮电大学硕- 上学位论文第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究上图表征了基于S V D 的波束赋形技术在波瓣校准和控制上的优势，为了进一步验证在有用信号的强度得到有效的集中，使波瓣能够有效对准目标用户的同时，干扰的信号强度没有显著提高的观点，需要通过统计用户的接收S I N R 分布来表征，下图统计了一发两收和8 * 2 的E B B 两种方式下的S I N R 的累计分布曲线：图4 - 1 2P o s t - S I N R 累积概率分布曲线从图中可以发现使用波束赋形技术后P o s t S I N R 相较于一发两收方式的优势在1 0 d B 左右，结合图4 1 1 中有用信号大约9 d B 的增益，可以发现在使用波束赋形之后，能在有效提高目标信号的接收功率的同时，保证邻小区的干扰相较于之前的干扰处于相当的水平，最为直接的表征就是在P o s t S I N R 上的增益，并将体现在吞吐量上的提高。各个M C S 等级分布可以进一步对以上的结论进行说明，如下图所示，使用E B B 后较高的调制编码方式的使用概率有了大幅度的提升。北京邮电大学硕士学位论文第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究图4 1 3 不同调制编码方式使用概率4 4 3E B B 条件下信道空间选择性分析为了更好地说明赋形的效果，通过衡量在接收端功率的大小来对比赋型的增益。具体做法为计算经过波束赋型后到目标用户的等效信道与其他信道的相关性，为了去除信道随机性的影响，除了不考虑大尺度衰落以外，还将对信道矩阵进行归一化。，图4 - 1 4 信道使用E B B 的空间选择性上图的第一个数值为1 ，其代表归一化以后的基站到目标用户的信号强度，其余的数值代表基站到非目标用户的信号强度。从上面的结果可以看出：使用经过S V D 分解得到的预编码对信道进行改造之后呈现出对目标用户的信道选择性，只有目标用户能够接收到全部功率，到其它用户( 不相关的接收端) 接收到的功率将有很大的衰减。波束赋形能够有效的集中功率对准目标用户，这对目标用户的有效检测是有好处的【l5 1 。与此同时，由于波束集中在较小的范围内，这也造成了相邻小区的干扰起伏较大，对于C Q I的反馈准确性是不利的【。6 1 。4 4 4E B B 多流传输约束条件分析由于在E B B 中影响在使用单流还是双流的主要因素来自于干扰水平，而邻小区的干扰对于每流信息的影响程度是相同的，因此需要考虑流之间的干扰对检测结果的影响。设信道H 的两个奇异值分别为 和五，并有 > 五，则对于接收信号中的有用信号强度，近似有的如下关系：5 7北京邮电大学硕上学位论文第四章基- T 多5 < 线系统的增强型波束赋形性能研究塑S I N R , 唾允z因此可以研究在不同天线条件配置下的A 2 五2 的分布。在影响A 2 厶2 的主要因素包括以下两方面：1 天线间距天线间距会影响信道的相关性，相关性的变化会导致奇异值比值的改变，相关性越强，该比值越大，相关性越弱，该比值越小；2 信道矩阵维度信道矩阵的维度也会对矩阵进行S V D 后的结果产生影响。下图是在8 * 2 信道条件不同天线间距条件下的 2 五2 分布：糌肇太氍图4 1 58 * 2 信道不同天线间距下的A 2 五2 分布下图是在4 * 2 信道条件不同天线间距条件下的 2 五2 分布：，、O 3O 2O 1O奇异值比值( d B )图4 - 1 64 * 2 信道不同天线间距下的 2 五2 分布下图是在不同天线维度条件下四倍波长站间距的五2 如2 分布：糌鼙七嚓奇异值比值( d B )图4 ·1 7 不同天线维度的五2 如2 分布( 天线间距为4 倍波长)下图是在不同天线维度条件下0 5 波长站间距的五2 五2 分布：扩、，：-，北京邮电大学硕士学位论文第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究图4 - 1 8 不同天线维度的 2 五2 分布( 天线间距为0 5 倍波长)从以上仿真结果可以看出，无论是在哪一种天线维度的配置条件下，随着天线间距的增大，信号的相关性减小，会导致丑2 五2 的结果变小，在这种情况下，是更有利于双流的传输；与此同时，当天线间距不变时，无论是在0 5 倍波长( 信道强相关) 还是4 倍波长( 信道弱相关) 的条件下，均有天线的维度增大导致丑2 厶2 的结果变小变小的趋势，这说明随着信道维度的增大，更有利于产生更窄的波束，有利于波束赋形的实现效果。4 4 5单流及双流E B B 性能分析在不考虑邻小区干扰的情况下，双流E B B 会有更高的理论上界和系统性能，但是在系统级仿真中由于干扰水平等多种凶素的引入，会对双流波束赋形的性能产生影响，下图通过单流E B B 和双流E B B 的各个M C S 的使用概率和用户平均吞吐量这两个方面来进行对比，通过这种方式可以找到这两种技术的具体特性。，JC，k图4 - 2 0 用户吞吐量累计概率分布曲线从图4 1 9 可以看出，单流E B B 会更多的使用高阶的调制方式，造成这种现象的原因有两点g1 在双流E B B 方式下，每一流的信号功率相较于单流E B B 条件下减半：6 l北京邮电大学硕士学位论文第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究2 双流条件下的重传机制是当两流中有一流传输错误时，则对这两流均进行重传，直到该数据包被传对或者重传次数超过门限，较弱的那一流的性能一定程度上制约了双流的性能展现。图4 2 0 表征了单流E B B 和双流E B B 的用户平均吞吐量的C D F 曲线，从图中可以看出，单流E B B 在边缘用户速率上存在优势，而当信道条件较好时，双流E B B 的优势较为明显，能提供更高的传输速率。当信道条件较好时，如果使用双流E B B ，由于两个流都能保证在较高的调制编码方式条件下传输，而此时相较于单流传输方式信号功率的减小并不会导致接收S I N R 的明显降低，因此性能相比单流方式有较大的优势。当信道条件较差或者干扰水平比较高时，双流传输中的第二流( 即经过S V D分解以后所得到的较小的奇异值对应的那一流) 由于干扰的影响，不能保证正常的传输正确率，这样会拖累另一流的有效传输，从而拉低了系统性能。4 4 6系统级综合性能分析本节将主要通过用户端的P o s t S I N R 和系统平均频谱效率这两个角度来对E B B 系统的性能进行评估，同时为了有利于比较，选择一发两收方式作为比较的基准。下图是四种传输方式下的P o s t S I N R 的累积概率分布曲线：图4 2 l 用户S I N R 累计概率分布曲线匕乏4 4 7总结本文中的仿真是基于O F D M M I M O 系统的仿真平台，对增强型的基于S V D算法的增强型波束赋形进行系统级动态仿真，通过仿真结果可以发现通过对于波束赋形的改进，可以获得更好的系统性能。改进的部分主要包括以下三点：1 为该算法设计了新的的C Q I 反馈机制，以保证信道状态信息的有效反馈，同时最大限度的减少相关资源的占用；2 提出了利用增加在高天线相关性天线条件下采用双流传输的方法；3 结合单流和双流各自的优势，设计了流自适应的传输方案。通过对相关结果的分析，可以发现采用相关性更大的天线阵列，可以获得更好的波束赋形效果，但此时如果使用多流传输可能会导致流间干扰水平增加，影响信号检测效果。相反的，如果采用大天线间距即弱相关性的天线部署方式，则更为适合多流的传输。结合了单流传输条件下较好的边缘用户性能和双流传输条件下较好的系统平均性能的流自适应波束赋形技术是较好的网络部署选择，由于北京邮电大学硕：f ：学位论文第四章基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究该技术的实现基础是要较好的获知信道信息，因此对于T D D 模式的系统将更为适用。一I，乏过系统级仿真平台对相关算法进行了验证。为了避免重复劳动，突t B g , J 新性，该研究是在阅读了人量的相关文献资料的情况下进行的，在开题之处进行了相当详尽的前期调研和准备工作，现在将主要工作和创新点总结如下：创新性的用户信道状态反馈机制。本文针对基于S V D 的波束赋形技术需要时时的获知信道信息的需求，设计了新型的用户信道状态反馈机制，该方法能够在保证时时的汇报用户信道状态的前提下，最大限度的减小资源的占用，该方案对于后续的相关研究有较大的参考价值。研究在高信道相关性条件下多流信号传输的特点，并基于此研究设计出基于S V D 分解的流自适应波束赋形算法。本文从系统级的角度对该波束赋形算法对L T E 系统的性能的改善情况进行了量化分析和仿真。给出了系统级的研究方法、天线建模方法以及理论分析和仿真结果。该研究结果对于我们进行L ，T E + 技术的进一步研究具有很大的意义。理论分析和仿真的结果表明本文提出的相关算法可以提高系统的整体性能，由于时间和精力有限，还有很多问题需要进一步的研究解决，在此将以后主要的研究方向总结如下：在本文的研究中，我们考虑的是理想信道估计情况，并以此为基础得到了在理想信道估计条件下相关算法的性能结论。为了更贴近实际，在后续的研究中我们将可以考虑加入信道估计误差，并进一步改进算法。北京邮电大学硕士学位论文第五章论文总结与展望本文的调度算法均使用基于多载波的比例公平调度方式，通过前文所研究的关于单流和双流的网络部署特点，后续的工作的一个方向是在无线资源调度算法上作相关的研究，结合各自的特点设计更为符合实际网络部署环境的调度算法。在系统级波束赋形的研究中，我们可以进一步考虑进行协议栈仿真研究，将物理层波束赋形算法与系统级技术结合考虑，对系统进行更为伞面的综合考量。以上是在本文研究工作基础上可行的研究方向，希望这些相关方向的研究能为下一代无线网络技术的发展提供一定的借鉴。弭北京邮电大学硕士学位论文参考文献参考文献【l 】李世鹤T D S C D M A 第三代移动通信系统标准北京：人民邮电出版社2 0 0 34 7 8 21 6 2 - 1 7 2 【2 】啜钢，王文博，常永字等移动通信原理与系统北京：北京邮电大学出版社2 0 0 53 2 5 - 3 5 74 7 5 - 5 0 7 【3 】J o s e p hC L i b e r t i J r , T h e o d o r eS R a p p a p o r tS m a r tA n t e n n af o rW i r e l e s sC o m m u n i c a t i o n s ：I S - 9 5a n dT h i r dG e n e r a t i o nC D M AA p p l i c a t i o n s ：P r e n t i c eH a l lP T 民1 9 9 9 ，P P 1 9 3 - 2 1 4 【4 】杨大成c d m a 2 0 0 0l x 移动通信系统北京：机械工业出版社2 0 0 31 3 5 1 3 7【5 】赵亚男，张禄林，吴伟陵智能天线中空时信道模型的分析与比较电讯技术2 0 0 5V 0 1 4 5N o 3 ，p p 15 ·2 0 【6 】J i h o o nC h o ia n dR o b e r tW H e m h ，J r I n t e r p o l a t i o nB a s e dT r a n s m i tB e a m f o r m i n gf o rM I M O - O F D MW i t hL i m i t e dF e e d b a c k ，I nI E E ET R A N S A C T I O N SO NS I G N A LP R O C E S S I N G , V O L 5 3 ，N O 1 1 ，N O V E M B E R2 0 0 5 ，P P 4 1 2 5 - 4 1 3 5【7 】M a n O nP u n ，K y e o n gJ i nK i ma n dH V i n c e n tP o o rO p p o r t u n i s t i cS c h e d u l i n ga n dB e a m f o r m i n gf o rM I M O - O F D M AD o w n l i n kS y s t e m sw i t hR e d u c e dF e e d b a c k , I nI E E EI C C2 0 0 8V 0 1 6 ，P P 5【8 】G u a n g y iL i u ，X i a n t a oL i u ，P i n ga l l o c a t i o nf o re i g e nb e a m f o r m i n gP P 1 4 5 0 - 1 4 5 4Z h a n gQ o So r i e n t e dd y n a m i c a lr e s o u r c eM I M OO F D M ，i nI E E EV T C ，2 0 0 5 - f a l l ，【9 】9M u l l e r , R R ，D o n g n i n gG u o ，M o u s t a k a s ，A L V e c t o rP r e c o d i n gf o rW i r e l e s sM I M OS y s t e m sa n di t sR e p l i c aA n a l y s i s ，S e l e c t e dA r e a si nC o m m u n i c a t i o n s ，I E E EJ o u r n a lo nv 0 1 2 6 ，A p r i l2 0 0 8 ，P P 5 3 0 - 5 4 0【1 0 3 G P PT S3 6 2 1 1V 8 3 0 ( 2 0 0 8 0 5 ) ：E v o l v e dU n i v e r s a lT e r r e s t r i a lR a d i oA c c e s s( E - U T R A ) ；P h y s i c a lC h a n n e l sa n dM o d u l a t i o n ，h t t p ：w w w 3 9 p p o r g【1I 3 G P PT S3 6 2 1 3V 8 3 0 ( 2 0 0 8 一0 5 ) ：E v o l v e dU n i v e r s a lT e r r e s t r i a lR a d i oA c c e s s( E - U T R A ) ；P h y s i c a ll a y e rp r o c e d u r e s ，h t t p ：w w w 3 9 p p o r g【1 2 】S h iJ i n ，X i q iG a o ，M a t t h e wR M c K a yO r d e r e dE i g e n v a l u e so fC o m p l e xN o n c e n t r a lW i s h a r tM a t r i c e sa n dP e r f o r m a n c eA n a l y s i so fS V DM I M OS y s t e m s ，I nI S I T2 0 0 6 ，S e a t t l e ，U S A ，J u l y914 ，2 0 0 6 ，P P 15 6 4 - 15 6 9【13 O b o r i n a , A M o i s i o ，M H e n t t o n e n ，T P e r n i l a , E K o i v u n e n ，VM I M Op e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni nU T R A NL o n gT e r mE v o l u t i o nd o w n l i n k , I E E EC I S S ，M a r c h2 0 0 8 ，P P 1 1 7 9 _ 1 1 8 3【14 Y a om a , D o n g b oZ h a n g ，R o b e r tS c h o b e r , R a t e - M a x i m i z i n gM u l t i u s e rS c h e d u l i n gq ，k北京邮电大学硕：L 学位论文参考文献15 1f o rP a r a l l e lC h a n n e lA c c e s s ，I NI E E ES I G N A LP R O C E S S I N GL E T T E R S V 0 1 1 4 N o 7 J U L Y2 0 0 7 ，P P 4 3 16 A n d r e aG o l d s m i t hW i r e l e s sC o m m u n i c a t i o n s ，C a m b r i d g eU n i v e r s i t yP r e s s ，2 0 0 5P P 3 1 7 17 1G F o s c h i n i ，M G a n sO nl i m i t so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si naf a d i n ge n v i r o n m e n tw h e nu s i n gm u l t i p l ea n t e n n a s I nI E E EW i r e l e s sP e r s o n a lC o m m u n i c a t i o n s ，M a r c h19 9 8 ，6 ( 3 ) ，P P 31l - 3 3 5飘l tr珏知譬该论文是我在北京结着许许多多的付出与努力，同时也包含着老师和同学们的帮助和鼓励，借此机会，我衷心的感谢大家!首先要感谢我的导师杨大成教授，杨老师以渊博的学识，循循善诱的教导方式以及深入透彻的分析和解决问题的能力给予了我许多重要的指导，不仅让我准确的把握了移动通信技术发展的趋势，还令我在实验室的科研和项目工作中受益匪浅，杨老师精辟独到的见解和幽默直率的性格也为我们塑造了卓越学者的榜样，借此机会向杨老师表达由衷的感谢，您的教诲我讲牢记在心。感谢王亚峰老师，常永宇老师，张欣老师，杨鸿文老师，在日常的工作和学习中为我答疑解惑，我受益匪浅。感谢田春长师兄，您在学习方法和专业方面对我的指导让我收获颇丰，同时您认真的工作态度以及真诚和平易近人的人生态度也令人敬佩。感谢熊聪，赖春江，黄云飞，段晨晖，孙振年，李宗白等同学，正是有了你们，我的研究生生活才会如此瑰丽多彩，与你们的友情是我研究生期间一笔极为重要的财富。感谢我的师弟王飞，林崇圣，陈辉及师妹杜少风与我共同度过了难忘而美好的时光。我还要感谢评审组的每一位老师，在百忙之中抽出时间审阅本论文。感谢至始至终关心、体谅、鼓励我的父母，是你们始终支持我鼓励我，为我分忧解难，在未来的人牛道路上，我将继续努力前行，回报你们对我的关爱，不辜负你们对我的希望!卜：jp，攻读学位期间发表的学术论文【1 】杨文谦，杨大成基于B D 算法的多用户M I M O 下行功率自适应中国科技论文在线2 0 0 9厂一t目1；，ql。qjj