第30卷第5期 桂林电子科技大学学报 V01.30,No.5
20】O年10月 Jonr∞IofGujIinuItIve玮ityofEIKtmnjcTecl.肿Io静 0ct.2010
基于复奉暮√,J、,J、统科学的MIMO无线传输分集与编码技术
欧阳缮,肖海林
(桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林541004)
摘要:多输入多输jl:(MlM0)技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率,是第四代
(4G)元线移动通信系统中最富有竞争力的技术之一.然而由于移动台的尺寸和载频的限制,使多天线技术很难实
现。攀于复杂系统科学的MIM0无线传输分集和编码技术成为解决这一问题的可选
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
.围绕同家。973”计划
项口“基于复杂系统科学的MIMO无线传输分集与编码技术”展开MIM0天线
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
,MIM0信道模型、MIM0信
道估计、MlM0无线传输协同分集和协同编码等方面研究,完成了相关理论推演和实验研究.这些研究为准确分
析与设计4G通信系统提供J,有力的保障。最后对未来的研究工作进行展望.
关键词:MIM0;无线移动通信;协同分集;协同编码;认知无线电
中圈分类号:TN92 文献标识码:A 文章编号:1673—808X(2010)05一0389—07
MIMOwirelesstransmissiondiversitvand
cOdingtechnologybased0ncompIexsystemscience
0uyangShan,Xi∞Hailin
(ScIloolofInformati∞-ndCommulli∞donlⅫn∞ring,GIIililIUIlive聆ityof日ect∞IIicT∞h∞Io譬y·G““n54100t,ClIi呻)
Abstract:MuItiple-inputmultipl}output(MIM0)tech∞logy∞nem堪ncecapacityandfrequencyspectrumutiliza.
tionefficiencywhilemaintainingbandwidth,MlM0isoneofthemostcompetitivetechnologiesinthefourthgenera—
tion(4G)wirelessandmobilecommunicationsystem.However,duetothesizeofamobileandca—erfrequency
constraints,multipleantennascan∞tbepossiblyimplemented.MlM0wirelesstransmissiondiversityandcoding
technoIogybasedoncomplexsystemsciencehasrecentlyemergedasanaIternativewaytosolvetheproblems.
Spo憋oredbythepr西ectoftheM1M0wirelesst托邶missiondive船ityandcodingtechnologybasedoncomplexsys—
temsciencewhichisonepartoftheNationalBasicResearchProgram(“973嚣program),wefocusontheMIMo扑一
ten腿design,MlM0channelmodeling,MIM0chan耻Iestimation,MlM0wil.eIesstransmissioncooperativediver-
sityandc∞perativecoding,andcompletetherelatedtheoreticaIdeductionandexperimentalstudies.Theseresear—
chesprovidepowerfulguaranteeforpreciseanalysisanddesign4G. communicationsystem.Finally,welookfor-
wardtotheprospectsofthefuturer骼earch.
Keywor凼:multipleinputmultipleoutput;wirelessandmobilecommunication;c00perativediversity;cooperative
codingi cognitiVeradio
长期以来,构成我国信息基础设施的网络关键芯
片、系统软件和支撑软件等,几乎都建立在外国的设
备和核心技术上。在第一二代移动通信技术发展过
程中,我国已为缺乏自主知识产权付出了昂贵代价。
发展到第三代,国际上出现了三大标准一欧洲的
WCDMA、北美的CDMA2000和大唐代
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
我国提出
的TDSCDMA,各方为推广自己的标准投入H额资
金,展开了激烈争夺。但是,由于没有预见到互联网
收稿日期:2010-10-08
基金项目:f日,家”973。计划基金资助项【|(2008CB317109)·困家内然科学基金(60972084,60872022);广西科学基金资助项U(0991241)
联系作者:E—mail:hmoysh@guet.edu.∞
万方数据
390 桂林屯厂.科技大学学报 2010年10月
的迅猛发展势头,3G技术留下了重在支持语音业务,
忽视高速传输数据业务的重大缺陷。与此同时,全球
范围内话音通信业务量仅以每年不足8%的速率递
增,而数据通信业务量却以每年超过35%的速率快
速递增。4G技术可实现的最大数据传输速率超过
100Mbit/s,是目前移动电话数据传输速率的1万倍
和3G移动电话速率的50倍,因此可接收高分辨率
的电影和电视节目,成为合并广播和通信的新基础设
施中的一个纽带。此外,4G的无线即时连接等服务
费用也将比3G便宜。这将对现有移动通信市场、宽
带无线接人和新一代宽带可移动通信市场带来新的
巨大商机。
项目针对4G研究收发多天线MIMO系统的性
能、实现方案,为我国建立的实用收发多天线通信系
统提供技术基础。这对打破欧美国家在新一代移动
通信技术和市场中的垄断,开发具有独立知识产权的
新一代移动通信系统和优化我国产业结构调整和升
级,对我国信息安全都十分重要。另外项目所采用的
核心技术同样可用于其他天线通信系统、导航及雷达
等领域。因此,项目的研究具有重大的经济效益和社
会效益。
1 M【MO无线传输分集和编码技术研究总结
复杂性科学是现代科学发展的最前沿理论大融
合的产物,它拥有大量交互成分,其内部关系复杂、不
确定性,总体形成具有非线性。随着科学的发展,特
别是复杂性科学的发展,物理学的研究方法大量移植
到不同的研究领域,如信息领域,为揭示信息传输的
复杂性提供了有效的工具。和常规单天线收发通信
系统相比,MIMO通信系统是一个复杂系统,传输信
号满足复杂系统的4个特点:①中等大小数目的元
素;②自适应性;③局部演化
规则
编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf
;④自组织性。因
此,可以运用复杂性和复杂系统方面的理论指导MI.
MO系统内在机制的研究。
1.1 MIMO天线设计
MIMO天线的设计分为基站端天线和移动端天
线。综合运用了缝隙耦合技术和双线馈电技术设计
出了一种结构为单层介质板、非常适用于移动通信中
MIMO摹站端的高增益、高隔离、双极化天线的H
型缝隙耦合天线单元(见图1)。基站天线阵垂直极
化端口电压驻波比小于2的频段为2.03~2.25
GHz,水平极化端口电压驻波比小于2的频段范嗣为
1.95~2.26GHz,都达到了指标上在10%的带宽内
电压驻波比小于2的要求。天线端口的隔离度分别
在一26dB以下,天线阵最大增益为14.9dBi。移动
端天线采用平面结构的缝隙耦合贴片天线(见图2),
采用缝隙耦合馈电方式。在2.11~2.17GHz频段
内天线电压驻波比<1.5,天线端口的隔离度分别<
一40dB,天线阵最大增益为6dBi。
图1 四单元基站天线实物图
先前对MIMO系统的研究通常基于独立瑞利衰
落信道,很少考虑接收信号的空域相关性。随着多天
线系统日趋复杂以及小型化,这些冈素已不能忽略。
衰落信号的相关性直接导致分集增益减小与信道效
率下降[1】。为准确分析和构建MIM0系统,合理设
计MIMO系统的多天线结构,必须系统地分析和评
估MIM0信道中接收信号的窄域相关性[2]。
图2移动端天线实物图
MIMO系统中的多天线能够同时提供分集增益
与复用增益,研究传输方案可分为两大类:第一类是
分集最大化方案,即卒时编码(STC)方案。即通过空
时编码而增加传输的卒时冗余信息,从而提高无线传
输的稳健性[3】。第二类为数据率最大化方案,即复用
方案。由于多天线发射不同的信息流,分层卒时结构
没有进行发射分集,但在传输速率与处理复杂度方面
具有较明显的优势L‘]。
万方数据
第5靓 欧阳缮等:基于复杂系统科学的MlM()无线传输分集与编码技术 39l
1.2 MIMO信道模型研究
许多基于统计的MIMO信道模型和基于传播的
MIMO信道模型不能全面地概括M1MO信道的主
要特征。采用协同学中的福克一普朗克方程推导出
的MIMO高斯信道容量公式,从物理的角度解释了
MIMo高斯信道的特征。同时,MIMO无线通信主
方程可解决如何去逼近MIMO高斯信道的容量问
题,它搭建起可贯穿无线通信理论和协同学两类学科
之间的桥梁[钉。针对室内复杂的通信环境,提出了一
种包含小尺度衰落、相对的路径衰落和阴影衰落的室
内MIMO无线信道模型(见图3),考虑室内人员的
流动性,并对模型的性能进行了预测,拓展了室内
MIMO无线衰落信道模型的研究。实验的结果验证
圈3室内MIM0无线倍道模型
了提出模型的性能。得到有用的结论:在低秩的信
道,信道容量减少,能合理锯释钊。孔信道容量。在高
秩的信道,不考虑相对的路径衰落和阴影衰落的情况
下,信道的容量随天线的数目增加和信号的相关性的
减少而增大。在直射(LOS)传播环境中,若存在丰富
的散射传播,信道容量要高得多。这种室内MIM0
模型具有普遍性和现实性[‘】。此外,在室内MlMo
无线信道模型的基础上,建立了动态MIMO散射无
线信道模型(见图4),分析散射体及其收发多天线的.
运动对MIMO无线信道宅域相关性及其容量的影
响,得出了这种影响是由收发天线的初始位置、运动
速度及其传播环境决定的,模型非常适合于室外移动
用户的通信环境[7{】。
J广
A剖(一P出(y)lnPyIz(y)dy
—R
一寺卅一[毒1nP,』z(y)]2P,ft(y)dy。o,(1)
R
’
掣=∑。.硼(m,m。)户(,,l’,£)
一户(m,£)∑。·硼(,,z’,,,1), (2)
其中,式(1)为MIMO高斯信道下福克一普朗克方
。⋯墨⋯⋯, 。⋯⋯肌⋯,●⋯⋯⋯⋯一⋯一·十 《⋯⋯⋯⋯,r·⋯⋯⋯'
v,K—卅I7·扫/.:.+;》o/’;
·吣··辫·≥≯畸厶
接蠹i、.!:曩.!戈蒜接收多天线’、..。● ;●,,。敖射多天线
:足:有溺体:昂:
1.3 MIMO信道估计
、 在无线MIMO系统中,有关窄时译码和解调部
分的许多工作都是基于假定信道服从某种已知的统
计分布。然而,在实际应用中或在对某种夺时编码和
调制算法的实际性能进行评估时,必须对真实信道的
状态信息进行合理的估计,而估计的效果或精度,将
直接影响系统的真实性能。提出了一种基于叠加训
练序列的MIM0信道估计模型(见图5、图6),模型
信道估计方法不占用额外的信号带宽和具有较高的
估计精度。通过最小二乘(LS)方法,推导出模型信
道估计误差的均方差、信道容量的下限以及更加紧凑
的Crame卜Rao界。数值模拟结果表明:相同条件
下,采用叠加的训练序列要比直接采用训练序列对系
统容量的改善5dB左右。此外,模型所采用的算法
结构简单,计算量小,有很大的实际应用前景[9]。
圈5叠加信号帧结构示意图
“m
豳6基于训练序列自适应信道估计设计图
万方数据
392 托林电产科技大学学报
OFDM技术具有抗频率选择性衰落和抗窄带f
扰的能力,并能实现宽带的通信系统。针对MIMO一
0FDM系统的信道进行估计。方法~,针对两个连
续符号的时间长度大于信道的相关时间,或者不知道
信道的相关信息进行信道估计。方法二,假设知道信
道的延时特性,而且两个连续符号时间段内,信道不
会有很大变化,利用相关时间大于两个连续符号时
间,提高信道估计的准确性(见图7)。这种M1MO—
OFDM信道估计方法能够适用于无线局域网、B3G
和4G无线网络。
图7 MlM0·0FDM系统两种信道估计方法的比较
(多普勒频移分别为10Hz、50Hz、100Hzl
针对单输入多输出(SIM0)FIR信道,提出了一
种基于二阶统计的自适应盲识别和均衡算法。模拟
结果证明了所提出的算法对于信道识别和均衡的有
效性,如图8、图9所示,算法十分适合于脉动阵并行
实现‘101。
圈8在不同算法下信道估计系数
箍
鹤
。濑÷潮七濑一i‘髓1
一蜊糯÷濂书黼一
一旒}簿孓濑.;攀一
—引辩j瓣0瓣一—瓢·—’可F‘p∥3·砰■呵r
实部
图9逆QR盲均衡算法实时均衡性能
1.4 MIMO协同分集技术研究
天线分集是一种对付移动通信衰落的有效技术,
能够提升传输的数据速率或降低系统的发射功率。
在研究MIM0协同分集技术之前,研究了MIMO天
线互耦Ⅲ3和天线的方向性的影响[”]。考虑多天线
问互耦,建立多天线系统等效网络模型,导出通用耦
合系数矩阵。接着,应用互耦补偿方法拓展了室内
MIM0无线衰落信道模型的研究,数值分析天线单
元间的互耦对室内MIMO无线信道容量的影响(图
10)。这些为MIMO多天线设计提供了重要的理论
指导与全新的设计思路。
籁
圜
格
容
墨
样
:譬
蜘
诒
容量(bitS,Hz)
图10天线数目3×3。室内MlMO信道容量累积分布
利用MlMO协同分集研究高速移动车载终端与
基站进行宽带通信,提出了一种动态分布式卒时频编
码方法(DSTFC),在不降低信息传输速率的前提下,
充分利用信道特性,使中继与基站间传输码字时能同
时获得协同分集增益,频率分集增益和时间分集增
益。理论分析和仿真结果表明应用协同卒时频编码
的误码性能较DSFC改善明屁(见图11)。由于移动
端很难获取信道状态信息(CSI),差分调制检测技术
万方数据
第5期 欧阳缮等:基于复杂系统科学的MlM0无线传输分集与编码技术 393
无需估计CSI,为了有效降低接收机的泽码复杂度,
提f{{了一种基于多中继协同的差分西调制传输方法,
利月j多中继放大前传映射到载波组的差分西调制符
号,不仅无需估计信道状态信息、简化协同编码,而且
还可获取所有链路提供的协同分集增益和频率分集
增益,其相关性能分析(见图12)。
100
10.'
1cr2
比
山
j
,
甚
a ;
_t=:=—d}==.—:4::!.=。一。一.一{.一*一.,——.——j
4 6 8 10 12 14 16 18 20
SNR(dB)
图1lBER为101时.tI=432km/s、
DSTFC相对于DSFC有近2.2dB的性能改善
挺二、≯~、。圆{\泌‘g、 。、穹. ⋯⋯i
比仃3| 毪 ’’。 。’‘.。 {
岩矿{ 1、+hi 。j. j
矿{ 麓 一\ \{
1.5 MIMO协同编码技术研究
在无线通信的上行链路中,由于受到移动台尺寸
的限制,具有单根天线的移动台可以按照一定的方式
来共享彼此的天线从而产牛一个虚拟MIMO系统,
获得发送端的分集增益。针对中继信道下的LDPC
联合编码,提出了一种联合编码矩阵设计方法,使源
节点码字和中继节点校验信息比特正好构成一个完
整的码字。为了优化该联合编码矩阵,对传统渐进边
增K(PEG)算法进行扩充,得到中继信道下LDPC
码联合编码矩阵优化构造方法。联合LDPC编码后
码字获得较大的编码增益[13】(见图13).
1d1:⋯·⋯⋯..⋯⋯~⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.⋯..
§?h— i:ji:j占6⋯一。⋯;:
∥■≯k、h |:耋蠹弛::i{
-j ’瑶 。⋯。。=。:=二===?:
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1d5i⋯⋯⋯⋯⋯一一⋯⋯⋯⋯一一一..⋯.j
SNR(dB)
高斯信道下,码字长度等于2000时,中继信道
LDPC联合构造编码较Belay.LDPC改善O.4dB。
针对现有LDPC码性能曲线存在误码平底的问
题,提出了一种陷阱集变量点消息重置的LDPC译
码方法:当译码器进入陷阱状态后,由具有奇数度的
校验节点查表确定对应陷阱集,根据陷阱集以外的变
量节点向陷阱集校验节点传递的消息,重置陷阱集变
量节点消息,使译码器脱离陷阱状态[1“。算法运算
量小,降低了LDPC误码平底(图14),适用于通过随
机构造和结构化设计的LDPC码。慕匿,念卜鏖墅瑚
} ’\ \、、 嗨~一。
垂,矿} \ 嗨\、 ;
图14RND【1024.512lLDPC码译码性能蓝线
高斯信道下,码字长度等于1024时,LDPC新
泽码新技术较陷阱集中和泽码算法改善O.5dB。
为了最大化无线信道下的乔吐率,需要根据信道
状态采用灵活的编码速率,提出了一种码率兼容LD.
PC码的优化删除方法,该方法使后续删除对前面已
删除节点的影响尽可能小,保证删除后的子码仍然有
较高的编码增益,从泽码时各变量节点消息恢复的收
敛速度出发,先删除可靠性较差的节点,保证字码的
恢复性能影响较小.与现有删除方法相比,码率从
O.4至O.85时,通过新方法删除获得的一系列删除
万方数据
394 桂林电‘r科技大学学报 20lO年10月
码性能均优于文献[15]提出的方法(图15)。图15
中从左至有表示码率等于O.4、O。5、O.6、0.7、O.8、0.
85时码字的误码曲线。
图15新构造矩阵RC-LDPC码与文献[15]误码性能比较
2 MIMO无线传输分集和编码技术研究展望
虽然项目的研究已取得很多成果,但仍有不少问
题需要进一步的探讨和研究。在今后的工作中,将继
续深入研究这种传输技术,拟开展以下的研究工作。
2.1非线性MIMO系统
无线移动通信MIM0信道其实是一个时变、非
平稳多输人多输出非线性系统,尚有大量问题需要研
究。比如说,各文献大多假设接收端具有理想的信道
状态信息,但对于宽带无线传输系统及室外快速移动
系统来说,这样的假设昆然是不成立的,它往往会受
到随机噪声、码间干扰、多径、衰落、多普勒频移和同
频道干扰等各种干扰的影响,以及各种物理上不可克
服的非线性失真、有限频域响应效应等。不同的调制
方式克服这些干扰的能力存在着很大的不同。如连
续相位调制(CPM)模式,通过平滑符号间过渡相位
来改善谱密度特性。它是一种性能优良的调制模式,
是各种新型移动通信、无线电台的主要调制模式之
一[1引。如果把MIM0技术和CPM技术相结合,即
MIMO.CPM传输技术,能大大提高信道容量和传输
效率,不但可以获得分集增益和编码增益,而且还可
以保持CPM信号的恒包络、连续相位等诸多优点,
这是MIMO线性调制系统(如MIM0一OFDM、MI-
M0一QPSK/QAM)无法做到的。研究和建立合理、
准确的非线性MIM0系统对未来的宽带通信系统起
到非常重要作用。
2.2分布式MIMO协同技术研究
传统蜂窝移动通信系统的一个最湿著的fn】题是
小区边缘I'nJ题,在小区的边缘频谱效率和功率效率都
很低。下行链路频谱效率随着摹站与终端位置距离
的增加旱指数下降趋势,其重要原冈就是终端接收功
率本身随距离增加的指数下降;上行链路手机需要的
发射功率随距离增加线性增加n”.冈此,解决小区
边缘『nJ题既是提高频率效率,也是提高功率效率问
题,刻不容缓。协作分布式天线系统能有效解决这个
问题。其摹本思想是:在多用户通信环境中,使用单
剐天线的各临近移动用户(节点)可按照一定方式共
享彼此的天线协同发送,从而产生一种类似MIMO
发送的虚拟环境,获得空间分集增益,提高系统传输
性能。这种方式被称为无线网络分布式MIMO协同
通信。
2.3无线网络的认知与协同技术研究
分布式MIMO协同通信技术与认知无线电技术
的结合是另一个研究热点。分布式MIM0协同通信
技术可提高系统的传输能力,认知无线电技术可提高
频谱的使用效率,两者的结合将会对未来的无线移动
通信系统带来重大影响[18]。虽然认知无线电技术和
协同技术的研究在各自领域巳取得很多成果,但两者
结合仍有不少问题需要进一步探讨和研究。在认知
无线电环境下协同通信可以从几方面展开研究:异构
网络间的认知协同用户切换与漫游、同构网络内认知
协同用户及其数量的优选、信息速率与发送功率的折
衷、信息速率损失与系统性能的折衷、认知协同通信
的使用对整个网络带来的干扰分析,及其对容量、公
平性影响的分析和计算等等。
3 结束语
项目同绕国家“973”计划项目“基于复杂系统科
学的MIM0无线传输分集与编码技术”展开了MI—
MO天线设计、MIMo信道模型、MIM0信道估计、
MIMO无线传输协同分集和协同编码等方面研究,
取得了优异的成绩,达到了预期目标。但缺乏一个完
整的测试系统对制作的多天线、信道模型、信道估计
算法、协同分集与编码技术进行系统验证。下一步的
.T作,将采用“认知无线电与信息处理”省部共建教育
部重点实验室购置的可重构软件无线电实验装备和
MIM0测试系统,通过加载项目的软硬件模块,促进
理论与实际相结合,不断完善研究T作。
万方数据
笫5期 欧阳缮等:基于复杂系统科学的MlM0无线传输分集与编码技术 395
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欧阳缮(1960一),男,江西安福人,教授,博士生导师、博士,桂林电子科技大学党
政办公室主任,广西高校“八桂学者”,校“信息与通信
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
”学科带头人。2000年分
获西安电子科技大学信号与信息处理专业博士学位,同年博士学位论文被评为全国
百篇优秀博士学位论文。
1986年以优异成绩毕业后留校任教,1992年晋升为讲师,1994年破格晋升为副
教授,1998年被聘为教授。2003年1月至2003年12月在美国加州大学河滨分校
(UniversityofCaliforniaatRiverside)电气工程系、2001年6月至2002年5月在香
港中文大学电子工程系作访问学者,1995年获电子工业部优秀科技青年荣誉称号,
1998年获广西优秀教师荣誉称号,1999年列入“广西高校跨世纪人才”培养计划,
2000年获国务院政府特殊津贴,2001年入选广西“新世纪十百千人才工程”第二层次人选,2005年被评为广西
先进工作者,2007年被评为全国模范教师,2010年被评自治区优秀专家。
欧阳缮教授长期从事信号与信息处理方面的教学与科研工作,主持和主要参研完成国家973计划课题,国
家自然科学基金、国防科研等各类科研项目22项,在信号处理的理论与应用方面取得了较丰硕研究成果,获省
部级科技进步二等奖1项、三等奖2项,在IEEETrans.SignalProcessing、IEEETrans.NeuralNetworks、
《中国科学》、《电子学报》等本学科领域国内外著名期刊及学术会议上发表论文70余篇,有50多篇被SCI、EI
国际著名检索工具收录,并广泛被国际期刊引用。现正主持国家自然科学基金、国防科研、地方企业委托研究
课题,在探地雷达、噪声和干扰控制、阵列处理等领域开展研究。
. 责任编辑林建玲 见习编辑曹寿平
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