多天线系统信道容量问题研究

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1、⑨硕士学位论文轰lAS罩E袋’ST珏ESlS第一章绪论1．1研究背景人类社会对无限制沟通的强烈需求，使得从上世纪80年代到现在的几十年中，通信技术(特剐是移动通信技术．)得到了迅猛地发展和广泛地应用，同时也推动了社会的发展。目前移动通信已成为现代通信网中～种不可缺少并且发展最快的通信手段之一。移动通信系统己经历了放第一代模拟通信(1G)到第二代数字通信Q回再到第三代多媒体通信(3G)的三个阶段，并且现在世界各国和很多大的公司都在着手后三代圆3G)和第四代(4G)豹研究工作。在我国，移动透信也是最其活力的产

2、业之一。第三代移动通信系统是1985年Elj国际电信联盟((Im在模拟移动通信刚刚发展时提出的，当时被称为未来公众陆地移动通信系统瓣7pLMTS)。1996年ITU正式将其更名为全球移动通信系统IMT2000，俗称3G，意即工作在2000M}娩频段。从现有国际标准来看，3G主要有WCDM氏CDMA2000和TD．SCDMA，WiM觚四种体制。物理层相关技术有：调制解调技术、信道估计技术、信号检测技术、信道均衡技术、功率控制技术、分集技术、智能天线技术、空时处理技术和信道编译码技术等。3G所涉及技术之广，采

3、用技术之薪是它以前遴信系统所不能比拟的。随着3G系统逐渐进入商用，对4G的研究已初见端倪。欧盟成立了世界无线通信研究论坛(wwR量)，着手研究蹦豫ooO之后的第四代移动通信的概念、需求与基本框架；日本信息通信审议会专门委员会与韩国透信研究所翻融也向政府提出了有关4G的研究计划；在我国，4G己被正式列入国家“十五"、“863"研究计划，并予05年启动了名为刚刚装基的未来移动透信研究计划，在06年lO舅寒完成了实验系统的连接成功，并且予2007年12月26日国务院总理温家宝主持国务院常务会议，审议并原则通过新

4、～代宽带无线移动通信网实施方案。与3G相比，第四代移动通信系统将在传输速率、频谱利用率、多媒体业务、资源综合优化以及网络应用等方面远远超过3G通信系统，是一个质的飞跃。在物理层，4G系统将涉及到的关键技术有：具有高频谱效率、且能够有效抵抗多径时延的正交频分复潮(OFDM》技术，采用多输入多输出系统邮M0)的空时编码技术，避免多用户干扰存在的联合发送、联合检测技术，自适应传辕技术，高效信道编译码技术及智能天线技术等。我们相信对4G通信技术的研究必将会对未来的移动通信标准做出贡献，也将有利予我国民族通信产业的

5、振兴，从而加速世冕移动通信业的发展。通过上面的介绍，我们看到由于蜂窝移动通信，无线互联网接入和多媒体业务的硕士学位论文酝ASTE袋’ST王

6、ESlS发展，世界范围内无线逶信的容量需求在迅速增长。丽另一方瑟，可利用的无线频谱是有限的，如果通信频谱的利用率没有得到显著提高，就不可能满足通信容量的需求。在单天线链路系统中，采用先进的编码(例如曩拍。码)可以接近香农容量极限。通过增加发射端和接受端的天线数量，可以迸一步显著提高频谱利用率。而在无线通信领域，对多输入多输崽(MIMO)系统的研究源于对利用多个天线阵元

7、的空间分集的性能研究。从80年代开始，研究学者发现与合并技术结合的多天线空间分集可进一步改善无线链路的性能并能增加系统容量。到1995年，Bell实验室的研究人员黯l妇在假设接收端完全己翔信道参数的情况下，分析了独立固分布的平坦瑞利衰落信道在发送端和接收端同时使用多个天线阵元的容量，推导了信道容量、信道容量的分布、中断容量以及错误指数三者的公式”l，从信息理论兔度指出了多天线系统在频谱利用率方面的优势和潜力。．在1996年，F0schinif2l【3】f4l提出了Bdl实验室分层空时结构(BLAST)，这

8、种收发端同时使用多阵元阵列结构的编码方法可以理论上逼近信道容量的下界。这样从实际可行的角度对MIMO技术的潜力做了进一步的探讨，为MⅡ以O技术成为通信领域研究的热点做了铺垫。在强l妇和Fos强越对醐隧O进行了相关理论的基穑工作后，得到了鹾蹦O信道的基本容量极限。这些容量极限强调了MD订O信道在理想传播条件下的潜在频谱利用率与天线数量呈线性关系。假定信号可以被任意长的空时码编码，则信道容量可以表示为在任意低误码率的情况下所能达到的最大数据速率。已经证明，采用Bell实验室的分层空时码(BLAST)编码技术可

9、以获得高达42bi舭的频谱利用率。这与目前在蜂窝移动系统和无线局域网系统中可获得的频谱利用率2~3bit斛}k相比，是一次显著的提高【5】。基于以上分析，对4G关键技术之～的M戳妁技术进行容量研究具有较大的理论价值和实际意义。l。2M珊。系统容量问题研究的主要内容信道容量(ch锄nelcapac埘)作为MIMO系统重点研究的问题之一；在过去的十年中，得到了极大的关注。继豫抛和＆溅琏之嚣，很多研究人员为此展开了广泛而深入的研究。