（信号与信息处理专业论文）无线通信系统中的空时编码技术(1).pdf

摘要 摘要 随着经济的增长、社会的进步和人们物质生活及精神生活水平的不断提高，新一 代的移动通信系统期望能提供更高的数据传输率、更好的通信质量、支持更快的终端 移动速度，满足这些要求的最有效途径是在系统中采用多根发送和或接收天线的多 输入多输出( m i m o ) 技术。业已证明m i m 0 系统具有比单输入单输出( s i s o ) 系统大得 多的信道容量。当发送端不具备信道状态信息时，空时编码是一种能充分利用m i m o 系统信道容量的实用技术。空时编码在不同天线发送的信号间引入了时域和空域相 关，可在不增加带宽和发送功率的情况下，极大地提高信息传输速率和改善信息传输 性能。本文着重研究了m i m o 系统中的空时编码和信号检测技术，完成了以下工作： 提出了对角块正交代数空时( d b o a s t ) 分组码，该空时分组码能达到1 符号每 信道利用的符号传输率，能提供满发送分集度，具有比对角代数空时( d a s t ) 分组码更大的编码增益和等价信道容量；d b o a s t 分组码如采用球检测法进行检 测，其检测问题可分解为规模只有原来一半的两个独立的子检测问题，减小了检 测的计算复杂度。本文并且将c a v l e v 变换与d b o a s t 分组码结合，对于接收端 不具备信道状态信息的情况，提出了一种新的差分酉空时分组码编码方案。 将网格编码调制与线状代数空时( t a s t ) 分组码结合，提出了网格编码调制空 时( t c m s t ) 分组码。t c m s t 分组码具有满发送分集度和检测延迟小等优点； 由于采用了t c m 预处理，使得不同t c m s t 分组码码字矩阵间的最小距离达到 了最大化，因此在相同信噪比情况下，t c m s t 分组码具有比t a s t 分组码更低 的平均误比特率。同时，给出了t c m s t 分组码的网格球检测算法，该算法在迭 代检测过程中利用了t c m 的集分割映射原理与网格转移约束关系，使得每一检 测分量候选符号集中所含符号的个数少于一般球解码算法，因而可获得更高的检 测效率。 给出了线性空时分组码可达到容量无损的符号传输率条件；对= ：满足条件的整数 符号传输率，提出了一种容量无损满分集度线性空时分组码设计方法，由该方法 设计得到的空时分组码为容量无损满分集度空时码，即它能提供满发送分集度， 且含空时码等价信道容量达到m i m o 系统容量；证明了许多已发现的容量无损满 分集度空时分组码仅为该方法的特例。 探讨了m i m o 系统中信号检测问题。着重研究了m i m o 系统中广泛采用的球检 测法，在分析影响球检测法计算复杂度的因素的基础上，提出了带列交换q r 分 解预处理的球检测算法，该算法在预处理中通过列交换，优化各分量的检测顺序， 在几乎不增加预处理计算复杂度的情况下，减小了球检测法中递归搜索的平均计 东南大学博士学位论文 算量；提出了一种低复杂度准最优的球检测算法，该算法结合各分量检测错误概 率的下界估计各分量检测区间，有效地克服了一般球检测法中检测区间过度放大 问题，可在略微降低检测性能的情况下，大大减小检测的平均计算量。 关键词：无线通信系统；无线衰落信道；多输入多输出系统；空时编码；信道容量； 球检测；信道状态信息 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，a d v a n c e m e n to fs o c i e t ya n di m p r o v e m e n to f p e o p l e ss t a i l d a r do fl i v i n g ，n e wg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r ee x p e c t e d t op r o v i d eh i g h e rt r a n s m i s s i o nr a t e ，o f r e rb e t t e rq u a l i t ya n ds u p p o r tf 瓠t e rm o v i n gt e n n i n a l s t h em o s te 任- e c tw a yt om e e ts u c hr e q u i r e m e n t si sm em i m ot e c h n o l o g y ，w h i c hd e p i o y s m u l t i p l ea n t e r m a sa tt r a n s m i t t e ra n d o rr e c e i v e r r e c e n tr e s e a r c hi ni b m a t i o nm e o n ，h a s s h o w nt l l a tl a r g e rg a i n si nt h ec 印a c 时o fc h 锄e l sa r ef e a s i b l ei nm i m o s y s t e m s t om a k e m l lu s eo fm ec 印a c 时o fm i m oc h a i u l e l s ，s p a c e - t i m ec o d i n gi sas e to fp r a c t i c a ls i g n a l t e c l l i q u e sw h e n t h e r ei sn oc h a i m e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) a tt h et r a 工l s m i t t e r s p a c e t i m e c o d i n gi n t r o d u c e st h ec o l l r e l a t i o n si nb o t ht i m ea i l ds p a c ed o m a i n sw h e ns i g n a l sa r e t r a n s m i t t e db yd i f r e r e n ta n t e i m a s ，w h i c hc a n 舒e a t l ye n h a n c et h ed a t a 扛a n s m i s s i o nr a t ea 1 1 d i m p r o v et h ep e 渤m a l l c ew i t h o u tb a n d w i d t l le x p a n s i o no rt r a n s m i tp o w e ra u 舯e n t t h i s d i s s e r t a t i o nc o n c e n t r a t e so nt 1 1 es p a c e - t i m ec o d e sa n dd e t e c t i o n sf o rm i m o s y s t e m s ，a n di t i n c l u d e s ： i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，an e wf j 姗i l yo fs p a c e _ t i m eb l o c kc o d e sc a l l e dd i a g o n a lb l o c k o r t h o g o n a la l g e b r a i cs p a c e t i m e ( d b o a s t ) b l o c kc o d e si sp r o p o s e d t h ed b o a s t b l o c kc o d ec a n 订a n s m i ta tan o m a l i z e dr a t eo f1s y m b o lp e rc h 锄e lu s ew i t h1 1 i g h e r c o d ea d v a n t a g ea j l dl a r g e rc a p a c i 够o fm ee q u i v a i e n tc h 锄e 1i n c l u d i n gt h es p a c e t i m e c o d et h a nt h o s eo fd i a g o n a la l g e b r a i cs p a c e - t i m e ( d a s t ) b l o c kc o d e w h e nu s i n g s p h e r ed e t e c t o r ，t h ed e t e c t i o np r o b l e mf o rt h ed b o a s tb l o c kc o d ec a nb ed i v i d e d i n t ot 、v oi n d e p e n d e md e t e c t i o np r o b l e m sw i t hh a l fo ft h eo r i g i n a ld i m e n s i o n s ，s ot h a t t h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yc a nb er e d u c e d i nt h ec a s eo fn oc s ia tt h er e c e i v e r ， c o m b i n i n gc a y l e yt r a j l s f o n nw i mm ed b o a s tb l o c kc o d e ，an e wd i 虢r e n t i a lu n i t a r y s p a c e t i m eb l o c kc o d ei sg i v e n i n t e g r a t i n gt r e l l i s - c o d e dm o d u l a t i o n( t c m )w i t l lt 1 1 r e a d e da l g e b r a i cs p a c e - t i m e ( t a s t ) b l o c kc o d e ，t r e l l i s c o d e dm o d u l a t i o ns p a c e t i m e ( t c m s t ) b l o c kc o d ei s p r e s e n t e d ，w h i c hh a st h ea d v a n t a g eo f 如l l - d i v e r s i 够a j l ds m a ud e t e c t i o nd e l a y b a s e d o nt c m p r e - p r o c e s s i n g ，t h em i n i m u md i s t a 工l c eb 咖e e nd i 行e r e n tc o d e w o r dm a t r i x e s o ft h et c m s tb l o c kc o d ei sm a x i m i z e d ，s ot h ea v e r a g eb i te r r o rr a t eo fm et c m s t b l o c kc o d ei sl o w e rm a nm a to ft h et a s tb l o c kc o d ea tt h es 锄es i g 工1 a in o i s er a t i o i n a d d i t i o n ，t r e l l i ss p h e r ed e t e c t i o na l g o r i 讥nf o rm et c m s tb l o c kc o d ei sg i v e n ，枉c h r e d u c e st h en 眦n b e ro fs y m b o l sw i t h i ne a c hc a n d i d a t es y m b o l ss e ta n dg a i n sh i g h e r d e t e c t i o ne f ! f i c i e n c yi nt h ei t e r a t i v ep r o c e s sb yu t i l i z i n gt c ms e tp a r t i t i o np r i n c i p l e a n dt t e l 】jst r a n s f e rr e s t r i c t i o n s i i i ih en e c e s s a r yc o n d i t i o nf o r s y m b 0 1 仃a 1 1 s m i tr a t ew b j c hm a x i m u md i v e r s i 由a n d c n 啪e jc a p a c l t yo f1 i n e a rs p a c e - t i m ec o d ea r ea 位越n e di sg i v e na j l da n e ws v s t e m a t i c d e s l g i l 打锄e w o r ko fs p a c e t i m eb l o c kc o d ei sp r o p o 曲d t h es p a c e t i m eb l o c kc o d e c o n s t r u c t e db y 廿1 ed e s i g n 丘锄e w o r ki s c a p a c i t yl o s s l e s sa 1 1 d 如l l d i v e r s i 舭t h a ti s 、i t c a l la c h l e v et h e 如l lt r a n s m i td i v e r s 埘a n dt h ec 印a c i t y o ft l l e e q u i v a l e n tc h 锄e 1 m c l u d m gt h es p a c e 。t i m ec o d ee q u a l sm em i m 0s y s t e mc 印a c i 够i ti sp r o v e dt h a tt h e p r o p o s e dd e s l g l l 行a m e w o r ks u b s u m e sm a l l yo f 协ee x i s t i n g c a p a c i t yl o s s l e s sa 1 1 d m l l - d i v e r s i 哆s p a c “i m ec o d e s s i g n a ld e t e c t i o n so fm i m os y s t e m sa r ei n v e s t i g a t e d s p h e r ed e t e c t i o na l g o r i t b m sa r e e 1 1 l p h a s l z e d b a s e do nt h e a n a 】y s i s o fm ef a c t o r s i n f l u e n e i n gc o m p u t a t i o n a l c o m p l e x l 够 ms p h e r e d e t e c t i o na l g o r i t h m s ， aq rf a c t o r i z a t i o nw i t l le x c h a n 2 e d c o l 砒r u l s p r e - p r o c e s s m gs p h e r ed e t e c t i o na l g o r i m li s b r o u g h tf o n a r d ，t h en e w a l g o n t h mo p t i m i z e s也ed e t e c t i o no r d e ro fc o m p o n e n t st o r e d u c et h ea v e r a g e c o m p j e x l t ) ，o f1 t e r a t i v es e a r c hw m l et l l e p r e p r o c e s s i n gi sh a r d l yi n c r e a s e d 廿1 e c o m p u t a t l o n a l c o m p l e x i t y ai o w c o m p l e x i 锣 n e a 卜o p t i m u ms p h e r ed e t e c t i o n 砒g 鲫m m1 sp r e s e n t e d b ye s t i m a t i n gd e t e c t i o nr 觚g e so fe a c hc o m p o n e n tw 油m e l o w e rb o u l l do te a c hc o n l p o n e n t se r r o rp r o b a b i l i 饥、h i c hg r e a t l yr e d u c e sa v e r a g e c o m p u 眦l o n a lc o m p l e x 时a tt 1 1 ec o s to fal i t t l ep e 响n 1 1 a n c ed e g r a d a t i o n k e yw o r d s ：w i r e l e s sc o m m u i l i c a t i o ns y s t e m s ，w i r e l e s s f a d i n gc h a i m e l s ，m u l t i p l e i n p u t m u l i p l e o u 印u ts y s t e m s ，s p a c e t i m ec o d e ，c 印a c i 够o fc h a n n e l s ，s p h e r e d e t e c t i o n ， c h a r m e ls t a t ei n f o m a t i o n i v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：如1 _ p 学日期：型3 。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：塑! 堕：导师签名：鼬日期：。口口s 占3 0 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线通信系统中的m i m o 技术 移动通信技术和计算机网络技术的发展与应用，将人类带入了信息时代，极大 地影响了人们的工作、学习和生活。从上世纪六、七十年代美国贝尔实验室提出蜂窝 无线通信概念及研制成功先进移动电话系统( a m p s ) 算起，移动通信已有了四十余 年的发展历史 1 4 ，其间经历了模拟式的第一代移动通信系统、窄带数字式的第二代 移动通信系统，目前正在朝着能为用户提供语音、数据和多媒体等业务为一体的第三 代移动通信系统演进，人类“任何人、在任何地点、任何时间与任何人进行任何种类 通信”的梦想正在实现。 随着经济的增长、社会的进步和人们物质生活及精神生活水平的不断提高，人 们对通信提出了更高、更多的要求。第三代移动通信系统以及未来移动通信系统，除 了能支持传统语音业务外，还要能支持诸如视频电话、实时数据通信、无线点播、互 动游戏、移动商务等新业务，这就要求移动通信系统具有更大的系统容量和更高的信 息传输速率。如正在建设中的第三代移动通信系统，在一定条件下能提供2 m b i t s s 的 信息传输速率；而据专家估计，未来移动通信系统的信息传输速率将可达到 1 0 2 0 m b i t s s ，最高要达到1 0 0 m b i t s s 5 。但是，可利用的无线频谱资源是有限的，因 此，要满足系统容量和通信速度的新要求，只有通过提高频谱利用率的办法才能实现。 目前，普遍认为提高频谱利用率以实现如此高信息传输速率最有效的途径是采用 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 ) 技术【6 】。无线通信中的m i m o 技术是指在无线 通信系统的发送端和或接收端使用多根天线或天线阵列构成一个m i m o 系统来进行 信息传输的技术。使用m i m o 技术的无线通信系统称为无线m i m o 系统。无线m i m o 系统按照发送端和接收端配置的天线数的不同又可细分为：单输入多输出( s i m o ) 系 统、多输入单输出( m i s o ) 系统和多输入多输出( m i m o ) 系统。 m i m o 技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破，该技术利用无线m i m o 系 统的多根发送天线和多根接收天线，采用分集技术获取空间分集度( 发送分集度和接 收分集度) 以提高信息传输的可靠性；利用不同收发天线间的空间信道，采用空间复 用技术同时传输多个数据流以增加信息传输的有效性。由于各发送天线同时发送的信 号占用同一频带，所以能在不额外增加带宽的前提下成倍地提高通信系统的容量和频 谱利用率，极大地提高信息传输速率和改善信息传输性能。m i m 0 技术超越了人们以 往认为高的信息传输速率要么要求宽的频带、要么要求大的发送功率的传统观念。所 东南大学博士学位论文 要付出的代价是发送端和或接收端要进行计算复杂度相对高的空时信号处理 7 ，但 是随着集成电路技术与工艺和信号处理理论与技术的发展，终端的信号处理能力将随 时间以指数形式得到加强。正在制定和实施的各种第三代移动通信系统i m t - 2 0 0 0 候选 标准方案( w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a ) 均支持m i m o 技术，因此，m i m o 技术 被普遍认为是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。目前，m i m o 技术己得到了 广泛的研究和初步的应用，m i m o 技术的主要研究方面有：m i m o 信道建模、m i m o 信道估计、无线m i m o 系统中的调制与编码以及无线m i m o 系统中的信号检测等技 术。 在无线通信系统的发送端和或接收端使用多根天线构成m i m o 系统来提高系统 的容量和性能，并不是一个全新的想法。采用多根接收天线以获取接收分集度的理论 与技术己相当成熟【8 1 1 ，g s m 等第二代移动通信系统中广泛采用了接收分集技术 f 1 2 ；而采用多根发送天线的发送分集技术的早期研究工作也于2 0 年前已经开始 1 3 1 5 。但是，对m i m o 技术产生巨大推动的奠基性工作则是在上世纪的最后五年取 得的，其中值得一提的有：t e l a t a r 和f o s c h i n j 分别于1 9 9 5 年和1 9 9 8 年在各自的论文中 研究了无线m i m o 系统的信道容量 1 6 1 7 ，他们证明了当任意一根发送天线和任意一 根接收天线间形成的s i s o 信道为相互独立的瑞利衰落信道时，无线m i m o 系统的容量 至少随m i n ( t 虮) 的增加而线性增加，这里t 和r 分别表示发送天线数和接收天线 数，从理论上给出了利用m i m o 技术可成倍地提高无线信道容量和频谱利用率的可行 性。为了充分利用无线m i m 0 系统所具有的潜在信道容量，贝尔实验室的f o s c h i n i 首 先于1 9 9 6 年提出了贝尔实验室分层空时结构( b l a s t ：b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e d s p a c e t i m e ) 1 8 ，该结构在发送端将信源数据分成若干个子数据流，每个子数据流 独立地进行编码和调制，并将编码和调制后的每个子数据流独立地用发送天线发送， 而在接收端利用多根接收天线对发送信号进行分离与检测。1 9 9 8 年w 6 l n i a l l s k y 和 f o s c h i n i 等人采用垂直贝尔实验室分层空时结构( v - b l a s t ) 建立了一个m i m 0 试验系 统 1 9 2 0 】，该系统由1 2 根发送天线和1 6 根接收天线构成，当信噪比为1 8 d b 时，达到 了3 6 b i t s s h z 的频谱利用率，尽管该频谱利用率仅对应于大约一半的无线m i m o 系统 信道容量，但如此高的频谱利用率在当时的普通系统中是极难实现的。1 9 9 8 年吼o k h 等在延迟发送分集技术 2 1 的基础上，将发送和接收分集技术与信道编码和调制技术 结合，提出了空时编码的设计准则，并给出了一些空时码的具体实例 2 2 。这些研究 工作所取得的成果受到了各国专家与学者的极大关注，使对m i m o 技术与系统的研究 成为无线通信领域中的一个研究热点。而t a r o k h 等和t e l a t a r 的具有原创性思想的论文 f 2 2 16 】也分别荣获1 9 9 9 年和2 0 0 1 年i e e e 信息论学会( i e e ei n f o n n a t i o n1 1 1 e o r y s o c i e t y ) 论文奖。 第一章绪论 5 x 爿 言道编码空时 波束 调制器 ： 阳交织器编码器 1 - - 形成器 图1 1无线m i m o 通信系统发送端的原理框图 无线m i m o 通信系统发送端的原理框图可如图1 1 所示 6 。在发送端，首先将信 源输出的信息比特流6 输入信道编码器进行编码，编码比特流经过交织器交织后输出 比特序列s ；其次将比特序列s 输入调制器进行调制产生符号序列x ，如果调制器采 用的星座含有m 个信号点，则调制器将每l o g ，m 个比特映射成一个符号；然后将每 足丁个符号由空时编码器编码为一个h 丁空时码码字矩阵x ，这里皿为m i m o 系统 的符号传输率，表示每次信道利用传输的符号数，丁为每个空时码码字矩阵持续的符 号周期数；再将x 输入波束形成器，波束形成器用t h 的矩阵对x 进行加权处 理；最后，将波束形成器输出信号麟变频到射频，由t 根天线发送。在无线m i m o 通信系统具体实现时，兼顾到系统的性能和信号处理的计算复杂度，有时将框图中的 两个或多个相邻模块作为一个整体，进行联合设计。如果将上述系统看作为一个由信 道编码、交织器、调制器以及空时编码器和波束形成器构成的级联系统，则可将空时 编码看作为系统的内码，而信道编码作为系统的外码，接收端可独立地对空时编码和 信道编码分别进行检测与解码，也可以采用空时编码和信道编码的联合解码方法估计 发送的信源信息 2 3 2 6 。 无线m i m o 通信系统设计时，根据发送端和接收端是否具备信道状态信息( c s i ) 可采用如下不同的传输方式： ( 1 ) 当发送端和接收端均具备完全c s i 时：此时，空时编码器可省略，波束 形成器根据由接收端传来或发送端通过反向信道估计得到的c s i 确定加权矩阵， 使接收端达到最大信号检测信噪比； ( 2 )当发送端不具备c s i 而接收端具备完全c s i 时：空时编码器可采用 b l a s t 等方法，实现信息的并行传输，该方法不直接提供发送分集度，但可通过信 道编码和交织器隐性地提供发送分集度；也可采用直接提供发送分集度的各种空时编 码方法。此时，波束形成器可不用或加权矩阵退化为单位阵； ( 3 ) 当发送端和接收端均不具备c s i 时：空时编码器可采用差分空时编码的 方法，此时波束形成器可不用或加权矩阵退化为单位阵； ( 4 ) 当发送端具备部分c s i 时：波束形成器根据发送端具备的部分c s i 确定 加权矩阵，并与采用某种空时编码的空时编码器结合进行信息传输。 考虑到与情况( 1 ) 相关的波束形成技术的研究已相对成熟 2 7 ，本文重点讨论 东南大学博士学位论文 上述( 2 ) 和( 3 ) 两种情况，即着重研究空时编码和差分空时编码的设计方法。 1 2 空时编码方法综述 近1 0 年来，对无线m i m o 系统信道容量研究的成果表明：在发送端和或接收端 使用多根天线可极大地增加系统的信道容量。为了在信息传输中充分利用和尽可能接 近无线m i m o 系统的信道容量，人们很自然地将s i s o 系统中己比较成熟的各种编码 技术 2 8 推广到m i m o 系统，因而空时编码应运而生。空时编码是无线通信中的一种 新的编码与信号处理技术，由于空时编码在不同天线发送的信号间引入了时域和空域 相关，因此，能较好地利用由多发送多接收天线构成的m i m o 系统所提供的传输分 集度和自由度，可在不增加带宽和发送功率的情况下提高信息传输速率，改善信息传 输性能。 空时编码的概念最早于1 9 8 7 年由w i m e r 提出【1 4 ，g u e y 等和t a r o k h 等分别给 出了空时编码的设计准则 2 9 【2 2 ，此后文献 3 0 3 2 等分别从不同的角度对空时编码 的设计方法进行了改进。特别值得一提的是胁o k h 等在1 9 9 8 至1 9 9 9 年发表的一系 列论文 2 2 3 3 3 6 极大地丰富了空时编码的内容，引导人们对空时编码的研究进入了 一个新时期，使这项技术成为m i m 0 技术中的研究热点。有关空时编码发展的综述 性论文可见文献 3 7 3 9 等，有关空时编码的专著可见 6 】和 4 0 - 4 1 】。 空时编码从设计方法的角度大致可分为空时格码( s t t c ) 、空时分组码( s t b c ) 、 分层空时码( l s t c ) 和差分空时码( d s t c ) 等四类： 空时格码 空时格码是将无线m i m o 系统中的调制器和空时编码器两个模块联合考虑，采 用差错控制编码、调制与发送分集联合设计的方式，将信道编码和交织器输出的一定 数量的比特编码为一个空时帧。空时格码能在不增加系统带宽的情况下提供满发送分 集度和高编码增益，从而提高信息传输的质量 2 2 】。但空时格码最大的缺点是解码必 须采用t e r b i 解码算法，其解码复杂度随信息传输速率的增加呈指数增长，因此， 对于高速率信息传输的无线m i m o 系统显得不实用；其次，对于任意数目的发送天 线，空时格码的设计十分困难 4 2 ，对特定发送天线数的m i m o 系统空时格码的设计 一般借助计算机搜索的方法，目前还没有理想的系统设计方法。 空时分组码 空时分组码能克服空时格码解码复杂的问题。空时分组码将无线m i m o 系统中调 制器输出的一定数目的符号编码为一个空时码码字矩阵，合理设计的空时分组码除能 提供一定的发送分集度。空时分组码通常可通过对输入符号进行复数域中的线性处理 第一章绪论 而完成，因此，利用这一“线性”性质，采用低复杂度的检测方法就能检测出发送符 号 6 】。特别是当空时分组码的码字矩阵满足正交设计时，如a l 锄o u t i 在文献 4 3 中提 出的适用于双发送天线的a l 锄o u t i 空时码以及文献 3 3 给出的适用于发送天线数大 于2 的各种正交空时分组码，接收端利用这些空时分组码不同发送天线发送信号间内 在的正交性，可对各发送符号独立进行检测，大大降低了检测的复杂度。 空时格码与空时分组码如果从信息传输性能的角度进行比较，则一般在m i m o 系统工作于中低信噪比时空时分组码的性能优于空时格码，而在高信噪比时空时格码 优于空时分组码 6 4 4 。文献 4 5 提出了一种将空时格码与空时分组码结合的空时编 码方法。另外，如果将空时格码的一帧视为一个空时码码字矩阵的话，空时格码也可 认为是一种特殊的空时分组码。 分层空时码 分层空时码又称为贝尔实验室分层空时结构( b l a s t ) 【1 8 】 4 6 4 7 ，是由贝尔实 验室提出的一种利用无线m i m o 系统多根发送天线进行并行信息传输以提高信息传 输率的方法。分层空时码的特点是通过一维信号处理方法来处理多维信号，一般适用 于接收天线数多于发送天线数的无线m i m o 系统。分层空时码中信源数据首先被分 成t 个子数据流，每个子数据流独立地进行编码和调制；然后，将编码和调制后的t 个子数据流按一定的方式利用t 根发送天线发送；在接收端，利用多根接收天线对 发送信号进行检测。分层空时码能提供一定的接收分集度，但由于分层空时码没有直 接在空域上引入不同发送天线发送信号间的相关性，不提供发送分集度，因此，从严 格意义上讲分层空时码不能算作为一种真正的空时编码。分层空时码根据各子数据流 使用发送天线方式的不同，又可分为对角空时分层结构( d b l a s t ) 和垂直空时分层 结构( v - b l a s t ) 等。d 。b l a s t 接收端的检测复杂度高，但性能较好；而v - b l a s t 检 测复杂度低，较为适用。文献 4 7 给出了较为详细的有关d b l a s t 与v b l a s t 的性 能分析与比较。 差分空时码 空时格码、空时分组码和分层空时码在接收端进行解码或检测时都需要具备完全 的c s i 。当信道衰落速度很快以及发送天线和或接收数较多时，接收端要精确地进行 信道估计非常困难或成本较大。为此，文献 4 8 和 4 9 分别基于a 1 锄o u t i 空时码和正 交空时分组码，提出了差分正交空时码；文献 5 0 5 2 】和文献【5 3 】借鉴了单发送天线系 统中的d p s k 调制的思想，提出了酉空时码和酉群码，这些空时码都能够在接收端不 知道信道状态信息的情况下，进行非相干解码或检测，并能提供一定的发送分集度和 编码增益。 空时编码从设计目的的角度可分为两类，一类是以最小化误对率为目的的空时 东南大学博士学位论文 码，另一类是以最大化等价信道容量为目的的空时码。 以最小化误对率为目的的空时码 该类空时码利用无线m i m o 系统所能提供的分集度，依照基于误对率最小化的 空时编码设计准则 2 2 ，设计具有满分集度的空时码，以提高信息传输的可靠性，代 表性的以最小化误对率为目的的空时码有：空时格码( s t t c ) 、正交空时分组码 4 3 3 3 】、对角代数空时( d a s t ) 分组码 5 4 5 5 以及线状代数空时( t a s t ) 分组码 5 6 5 7 】、 线性复数域空时( l c f s t ) 分组码 5 8 等。 以最大化等价信道容量为目的的空时码 ， 该类空时码利用无线m i m o 系统所能提供的传输自由度，依照基于等价信道容 量最大化的空时编码设计准则 5 9 6 0 ，设计含空时码等价信道容量尽可能接近m i m 0 系统信道容量的空时码，以充分利用m i m o 系统的信道容量，典型的以最大化等价 信道容量为目的的空时码有：垂直贝尔分层空时结构( v - b l a s t ) 【1 9 2 0 】、线性弥 撒( l d ) 码 5 9 以及基于标架理论( f r 锄em e o 巧) 设计得到的线性弥撒码 6 1 】等。 文献f 6 2 】对无线m i m o 系统所能提供的发送分集度和传输自由度之间的折中关 系进行了仔细分析，该论文给出的一些结论对空时编码设计时权衡考虑传输性能与传 输速率具有指导意义。 无线m i m 0 系统面对的信道是频带宽度和发送功率受限，涉及空间、时间和频 率变化的信道，它是人们所遇到的最为复杂的信道。由于人们对无线m i m o 系统研 究的历史不长，许多有关无线m i m 0 信道的本质还不清楚；而真币开展空时编码研 究的时间更短，只有不到十年的时间，空时编码的方法还远没有完善，一些仿真结果 还不能给出理论上的满意解释，因此，空时编码已取得的成果只能算作为“冰山”的 一角，还有大量理论研究工作有待进行。目前，人们正在不断努力，试图得到能提供 满发送分集度、高编码增益、低检测复杂度的空时编码方法。 1 3 本文的主要工作 本文共分七章，各章的主要内容包括： 第一章介绍了本文的研究背景、研究意义，简要概述相关研究现状以及本文的 结构和主要内容。 第二章介绍了无线信道的各种基本特征以及无线信道的分类；给出了无线 m i m o 系统模型；分析了发送端具备c s i 和发送端不具备c s i 而接收端具备完全c s i 两种情况下无线m i m o 系统的信道容量， c s i 对无线m i m o 系统信道容量的影响， 讨论了不同信噪比条件下发送端是否具备 以及发送和或接收天线数变化对应信道容 6 第一章绪论 量的变化情况。 第三章讨论了m i m o 系统中信号检测问题。简单介绍了各种信号检测方法，主 要有最大似然检测法、线性检测法以及决策反馈均衡法等；着重探讨了球检测法，在 分析影响球检测法计算复杂度的因素的基础上，提出了带列交换q r 分解预处理的球 检测算法和低复杂度准最优的球检测算法。 第四章在介绍了无线通信中的分集技术以及时间分集、频率分集和空间分集等 几种具体分集技术实现方法的基础上，引出了空时编码的概念，给出了空时编码的设 计准则，介绍了a l a m o u t i 空时码、正交空时分组码、d a s t 分组码和t a s t 分组码等 一些典型的空时分组码编码方法。 第五章分别针对不同的m i m o 系统和从不同的角度提出了三种改进的空时分组 码编码方法，即对角块正交空时分组码、网格编码调制空时分组码和容量无损满分集 度空时分组码，对它们的性能进行了仿真，并与其它已有的空时分组码作了比较。 第六章着重讨论了接收端不具备c s i 情况下的差分空时编码问题。介绍了无线 m i m 0 系统基于酉空时编码的差分空时调制传输方式，给出了酉空时编码的设计准 则，将c a y l e y 差分空时分组码与对角块正交空时分组码结合，提出了一种新的差分 酉空时分组码编码方案。 第七章总结全文，阐明本文工作中的创新之处，并对空时编码进步值得研究 的问题提出了一些看法。 第二章m j m o 系统模型及其容量分析 第二章m i m o 系统模型及其容量分析 通信的目的是传输信息，而任何信息的传输必须通过信道来实现，因此，对信道 特性的研究对于通信系统的设计具有特别重要的意义。无线信道是最复杂的信道之 一，从发送端发送的信号在无线信道中经历反射、绕射和散射等多条路径到达接收端， 并且还伴有较强的随机性和时变性，故特别难于分析 1 ；而无线m i m o 系统面对的 是空时无线信道，空时信道并不能看作若干s i s o 信道的简单组合，各s i s o 信道间 存在不可避免的内在相关性，这更增加了无线m i m o 系统信道分析的难度。目前， 有关无线m i m o 系统空时信道的建模与分析的研究已成为m i m o 技术的主要研究方 向之一 6 3 。 本章首先介绍了无线信道的特性，着重介绍了无线信道的小尺度传播模型；其次， 给出了无线m i m o 系统模型；最后，分析了无线m i m o 系统的信道容量。本章是以 后各章分析的基础，所给出的无线m i m o 系统容量分析的结论是本文进行的有关无 线m i m o 系统空时编码研究的内在依据。 2 1 无线信道及其特征 无线信道的传播模型可分为大尺度传播模型和小尺度传播模型两种。无线信道的 大尺度传播模型描述的是大的发送至接收距离( 数百或数千米) 范围内信号强度的变 化，常用来估计发射机的覆盖范围；而小尺度传播模型则主要描述非常短的距离( 几 个波长) 或非常短的时间间隔( 秒级) 内接收信号强度的变化。大尺度传播模型常简 称为路径损失模型，而小尺度传播模型则常简称为多径衰落模型。本节着重讨论无线 信道的小尺度传播模型。 当信号通过无线信道传播时，由于其中的物体，如房屋、树木、车辆等，往往会 引起无线电波的反射，导致发送信号通过多条不同的路径、以不同的时刻到达接收端， 这称为无线信道的多径效应；同时，由于发送端和或接收端的移动，以及无线信道 中物体( 如车辆) 的移动，使得无线信道往往是时变的。由于传输路径及其衰减系数 随时间不断变化，造成经不同路径传输的接收信号有时因同相叠加而增强，有时因反 相叠加而抵消，引起接收信号幅度随机起伏的变化，这称为多径衰落现象。多径衰落 是影响无线通信可靠性的主要因素之一。 如果将发送端至接收端的( 多径) 信道看作一个系统，则可用系统的( 等效低通) 冲激响应庇( 丁；f ) 表征信道的特性，其中庇( f ；f ) 表示( 卜r ) 施加的冲激在f 时刻的信道 9 东南大学