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申请上海交通大学博士学位论文摘要 空时系统的级联编码技术研究 摘要 近年来，移动通信技术和市场飞速发展。在新技术和市场需求的共同作用下， 人们开始着手对下一代移动通信系统进行研究。下一代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，由多发射和多接收 天线组成的多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，简称m i m o ) 技术是达到 上述目标的有效手段。它i ；= u 以在不牺牲带宽和不增加发射功率的情况下成倍地提高 信道容量，获得了单天线系统所无法比拟的容量。所以，m i m o 技术成为下一代移 动通信系统所必须采纳的关键技术之一。 在发射端不具备信道状态信息的情况下，空时编码可以充分挖掘m i m o 系统的 容量潜力，极大地提高信息传输速率和改善传输质量。为了获取接近m i m o 容量极 限的性能，常常还必须依赖于信道编码技术来有效地剥抗干扰、噪声和衰落。因此 将两者结合起来，进行合理的设计以解决高速数据传输和可靠数据传输之间的矛盾： 进行联合检测译码算法的研究，以解决高性能和低复杂度之间的矛盾，均成为重要 的研究方向。 本文首先研究了信道编码和空时编码的联合检n 译码问题。根据“t u r b o 处理” 原则，将上述两个模块进行串行级联，并在接收端进行迭代检n 译码，是折中检测 性能和计算复杂度的有效手段；其中基于m a p 准则的软输入软输出的空时检测算法 是实现的难点，也是保证优良性能的关键所在。本文在充分研究基于m m s e 准则的 软干扰消除、候选集符号球检测和迭代树搜索( i t s ) 检测的基本算法和复杂度的基 础上，提出了2 种高性能低复杂度的检测算法。基于m m s e 准则的可重置迭代树搜 索检测( i r t s ) 算法在首次迭代时，通过m m s e 准则来计算各个符号的可靠度，以 此来熏新配置树结构，进行迭代检测。同i t s 算法相比，仅仅引入了较低的计算复 杂度增加，而使得性能有了较大的改善。将i r t s ( m m s e ) 算法进一步简化，忽略 其中噪声的影响，得到了基于z f 准则的i r t s 算法，其性能介于i r t s ( m m s e ) 和 1第丽 申请卜海变通大学博士学位论文摘要 i t s 算法之间，随着信噪比的提升，i r t s ( z f ) 的性能逼近于i r t s ( m m s e ) 的性 能。 然后，从级联信道编码的空时系统设计的性能准则和容量准则出发，本文提出 了两类新的空时码设计。通过引入网格编码调制( t c m ) 的集分割技术来最大化最 小欧氏距离，利用线性复域空时( l c f s t ) 码的满分集度和全速率以及采用酉矩阵 的旋转变换保证欧氏距离不变等特性，将t c m 与l c f s t 码进行联合编码，形成了 t c m s t 码，并依赖于网格转移路径和球半径双重限制，在传统的球检测的基础上， 提出了网格球检测算法；基于等价信道容量的观点，本文提出了广义容量无损的空 时码的设计方法，它可以达到满发射分集度和含空时码的等价信道容量无损，并指 出了目前得到认可的容量无损设计空时码，如2 发1 收a l a r n o u t i 空时码，线状代数 空时( t a s t ) 码和l c f s t 码等都是本文设计方法的特例，同时扩展了设计容量无 损空时码的收发天线之间的约束关系，适用于接收天线数目小于发射天线数目的情 况，对于移动通信系统的下行数据传输具有一定的参考价值。 随后，对级联系统中信道编码的设计，特别是高码率条件下的信道编码设计进 行了探讨。在考虑性能，译码复杂度、时延和编译码器结构对不同码率适配的适用 性等诸多因素的情况下，指出t u r b o s p c 码是在中、高码率条件下一类高性能低复 杂度的优良信道编码设计。通过和l c f s t 码进行串行级联，构成了t u r b o s p c l c f s t 级联系统。 最后，研究了m i m o 系统中的自适应技术。由m i m o 系统的容量在发射端是否 具备信道状态信息( c s i ) 时的差异可知，借助于反馈信道，形成自适应系统，可有 效地提高信道容量，改善系统的传输性能。考虑到实际移动通信系统的限制，利用 低速的反馈信道，只传递极少量的信息用以天线子集选择，是较为实用的设计方案。 在分析和比较既有的天线子集选择算法的基础上，本文提出了一种快速的动态天线 子集选择算法，并以此来构造空时一白适应编码调制系统。 关键词：多输入多输出，空时编码，信道容量，信道编码，空时一比特交织编码调 制，迭代检测译码，天线子集选择 第1 1 页 申请上海交通大学博士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nc o n c a t e n a t e dc o d i n gt e c h n i q u e s i ns p a c e t i m es y s t e m s a b s t r a c t m o b i l et e c h n o l o g i e sa n dm a r k e t sh a v ed e v e l o p e dv e r yq u i c k l y d r i v e nb yn e w t e c h n o l o g i e sa n dm a r k e td e m a n d s ，t h er e s e a r c ho nn e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m sh a v eb e e nl a u n c h e do n t h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r e e x p e c t e dt op r o v i d eh i g h e r t r a n s m i s s i o nr a t e ，o f f e rb e t t e rq u a l i t ya n ds u p p o r tf a s t e r m o v i n gt e r m i n a l s ，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 tf m i m o ) t e c h n o l o g y , d e p l o y i n gb y m u l t i p l et r a n s m i ta n dr e c e i v ea n t e n n a s ，i sa l le f f e c t i v ew a yt oa c h i e v et h ea b o v eo b j e c t i v e s w i t h o u ti n c r e a s i n gb a n d w i d t ho rt r a n s m i tp o w e rm i m os y s t e m sc a ni m p r o v ec h a n n e l c a p a c i t yg r e a t l y , w h i c hi sm u c hl a g e rt h a ns i n g l ea n t e n n as y s t e m s t h e r e f o r e ，m i m o t e c h n o l o g yh a v eb e c o m eo n eo ft h ek e yt e c h n i q u e sa d o p t e di nt h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s s p a c e - t i m ec o d ec a r lm a k ef u l lu s eo fm i m oc h a n n e lc a p a c i t yt oi n c r e a s er a t ea n d i m p r o v ep e r f o r m a n c ei nc a s et h e r ei sn oc h a n n 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 n s m i t t e r t o a p p r o a c h t h ep e r f o r m a n c eo fm i m oc h a n n e lc a p a c i t y , c h a n n e lc o d ei s u s u a l l y e m p l o y e d 、t oc o m b a ti n t e r f e r e n c e ，n o i s ea n df a d i n g t h u sb yc o m b i n i n gs p a c e - t i m ec o d e a n dc h a n n e lc o d e ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o ni sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o n ，f o r e x a m p l e ，f o rs y s t e md e s i g nh o w t os c a l et h ec o n f l i c tb e t w e e nh i g ht r a n s m i tr a t ea n dg o o d p e r f o r m a n c e ；f o rj o i n ts p a c e t i m ed e t e c t o r c h a n n e ld e c o d e rh o wt o s e t t l et h ec o n f l i c t b e t w e e nh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o m p l e x i t y t h ei s s u eo fh o wt or e a l i z ej o i n ts p a c e t i m ed e t e c t o r c h a n n e ld e c o d e ri s f i r s t l y i n v e s t i g a t e d t oa v o i dt h ee x p o n e n t i a lc o m p l e x i t yw i t ht h el e n g t ho fi n f o r m a t i o nb i t s e q u e n c ew h e nu s i n gm a x i m u ml i k e l i h o o d ( m l ) d e t e c t i o n ，i n t r o d u c i n ga l li n t e r l e a v e r b e t w e e nt h ef o r m e rt w om o d u l e sb a s e do n “t u r b op r o c e s s i n g ”p r i n c i p l e ，as e r i a l l y c o n c a t e n a t e ds y s t e mi sf b r m e da n di t e r a t i v ed e t e c t o r d e c o d e ri se m p l o y e d ，w h i c hi sa n e f f e c t i v em e a n sf o rt m d e o f fb e t w e e np e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t y s o f t - i ns o f t - - o u t 申请上海交通丈学博士学位论文 a b s t r a c t s p a c e - t i m ed e t e c t i o na l g o r i t h m sb a s e do nm a p c r i t e r i o ni sb o t ht h ek e ya n dt h ed i f f i c u l t y a f t e re x t e n s i v es t u d yo fs e v e r a la l g o r i t h m ss u c ha ss o f ti n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nb a s e do n m m s ec r i t e r i o n ，l i s ts p h e r ed e t e c t i o na n di t e r a t i v et r e es e a r c ho t s ) d e t e c t i o n ，i t e r a t i v e r e c o n f l g u r a b l et r e es e a r c h ( i r t s ) a l g o r i t h mb a s e do nm m s ec r i t e r i o ni sp r o p o s e d i t c o m p u t e st h er e l i a b i l i t i e so fe a c ht r a n s m i t t e ds y m b o lb a s e do nm m s e c r i t e r i o nf o r t h e f i r s ti t e r a t i o n ，t h e nr e c o n f l g u r e st h et r e es t r u c t u r ea n de x e c u t e st h es a m ep r o c e d u r e sa si t s d e t e c t i o n b yf u r m e rs i m p l i f y i n gi r t s ( m m s e ) a l g o r i t h ma n di g n o r i n gt h ei n f l u e n c eo f n o i s e ，i r t sa l g o r i t h n ab a s e do nz fc r i t e r i o ni sa c h i e v e d ，w h i c hp e r f o r m sb e t w e e ni t s a n d i r t s ( m m s e ) a l g o r i t h m a n dt h ep e r f o r m a n c eo fi r t s ( z f ) a l g o r i t h ma p p r o a c h e st h a to f i r t sf m m s e ) a l g o r i t h mw i t hi n c r e a s i n gs n r t h e nt w oc l a s s e so fs p a c e t i m ec o d ed e s i g n sa r ep r e s e n t e df r o mt h ev i e w p o i n to f p e r f o r m a n c ec r i t e r i o na n dc a p a c i t yc r i t e r i o no fc h a n n e lc o d e dc o n c a t e n a t e ds p a c e t i m e s y s t e m b yi n t r o d u c i n g s e t p a r t i t i o nt e c h n o l o g yo ft c mt om a x i m i z et h em i n i m u m e u c l i d e a nd i s t a n c e ，a n de m p l o y i n gl i n e a rc o m p l e xf i e l ds p a c e t i m e ( l c f s t ) c o d et o g u a r a n t e ef u l lt r a n s m i td i v e r s i t y , f u l l r a t ea n du n c h a n g e de u c l i d e a nd i s t a n c eb a s e do n u n i t a r yt r a n s f o r m ，t c m s tc o d ei so b t a i n e dw h e nc o n c a t e n a t i n gt h ea b o v em o d u l e s i n s t e a do ft r a d i t i o n a ls p h e r ed e t e c t o r , an e wt r e l l i ss p h e r ed e t e c t i o na l g o r i t h mi sp r e s e n t e d r e l y i n go nt h ed u a lr e s t r i c t i o n so ft r e l l i st r a n s f e rp a t ha n ds p h e r er a d i u s au n i v e r s a l l o s s l e s s - c a p a c i t yd e s i g ni sp r o p o s e da c c o r d i n gt o t h es t a n d p o i n to fe q u i v a l e n tc h a n n e l c a p a c i t y s e v e r a lp r o v e r b i a ll o s s l e s s c a p a c i t yd e s i g n s ，i n c l u d i n ga l a m o u t is p a c e - t i m ec o d e w i t ht w ot r a n s m i ta n do n er e c e i v ea n t e n n a s ，t h 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 ) c o d e a n dl c f - s tc o d e ，a r ea l ll o o k e du p o na st h es p e c i a lf o r m a t sf r o mt h eu n i v e r s a ld e s i g n t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h en u m b e ro ft r a n s m i ta n t e n n a sa n dt 1 1 a to fr e c e i v ea n t e n n a sa r e a l s og i v e na n da r ee x t e n d e dt ot h ec a s ew i t hf e w e rr e c e i v ea n t e n n a st h a nt r a n s m i ta n t e n n a s ， w h i c hh a sag r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h ed o w n l i n kd a t at r a n s m i s s i o no fm o b i l es y s t e m s t h ec h a n n e lc o d ed e s i g no fc o n c a t e n a t e ds y s t e m s e s p e c i a l l yi nt h ec a s eo fh i g hc o d e r a t e ，i sa l s od i s c u s s e d t a k i n gs e v e r a lf a c t o r si n t oa c c o u n t ，s u c ha sp e r f o r m a n c e ，d e c o d i n g c o m p l e x i t y ，d e l a ya n dt h ee n c o d e r d e c o d e rs t r u c t u r ea d a p t e dt od i f f e r e n tc o d er a t e ，i ti s i n d i c a t e dt h a tt u r b o s p cc o d ei sa ne x c e l l e n tc o d ed e s i g nw i t hh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o w d e c o d i n gc o m p l e x i t ya tl o wo rm e d i u mc o d er a t e t u r b o s p c l c fs ts y s t e mi sc o m e 第面 申请上海交通大学博上学位论文 a b s t r a c t i n t ob e i n gb ys e r i a l l yc o n c a t e n a t i n gl c f s tc o d e t h ea d a p t i v et e c h n o l o g i e si nt h em i m o s y s t e ma r es t u d i e df i n a l l y b yc o m p a r i n gt h e d i f f e r e n c eo fm i m oc h a n n e lc a p a c i t yu n d e rt h ec i r c u m s t a n c e sw h e t h e rt h e r ee x i s tc s ia t t h et r a n s m i t t e r ，a d a p t i v es y s t e mc a l lu p g r a d ec h a n n e lc a p a c i t ya n di m p r o v et r a n s m i s s i o n q u a l i t yt h r o u g hf e e d b a c kc h a n n e l c o n s i d e r i n gt h er e s t r i c t i o n so fp r a c t i c a lm o b i l es y s t e m ， a n t e n n as u b s e ts e l e c t i o n ，b a s e do nt r a n s f e r r i n go n l yaf e wb i t sv i af e e d b a c kc h a n n e l ，i sa l l e f f e c t i v es c h e m e a f t e ra n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h ee x i s t e n ta n t e n n a ss u b s e ts e l e c t i o n a l g o r i t h m ，af l e wk t a n dd y n a m i ca l g o d t h mi sp r e s e n t e d ，a n da l s os p a c e - t i m ea d a p t i v eb i t i n t e d e a v e dc o d e dm o d u l a t i o n ( s t a b i c m ) s y s t e mi sc o n s t r u c t e d k e y w o r d s ：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 ( m i m o ) ，s p a c e t i m ec o d e ，c h a n n e lc a p a c i t y , c h a n n e lc o d e ，s p a c e - t i m eb i ti n t e r l e a v e dc o d e dm o d u l a t i o n ( s t - b i c m ) ，i t e r a t i v e d e t e c t i o n d e c o d i n g ，a n t e n n as u b s e ts e l e c t i o n 符号说明 x 1 iq 0 。 v e c ( x ) 矩阵或向量的共轭转置 矩阵或向量的转置 标量的共轭 k r o n e c k e r 乘积 取z ，y 中较小的数 取x ，y 中较大的数 取复数的实部 取复数的虚部 标量x 的绝对值 向量x 或矩阵x 的f r o b e n i u s 范数 取数学期望 矩阵】啪第m 行、第”列对应的元素 矩阵卿q 迹 矩阵x 的行列式 矩阵x 的伪逆矩阵 矩黼逆矩阵 n n 的单位矩阵 m n 的零矩阵 矩阵向量化 砂 防 ， 卜o j ， i ”0 x =。吣叫邮喇h刚州邮f 申请上海交通大学博士学位论文英文缩略语表 英文缩略语表 a p p a w g n b e r b i c m b l a s t c c c d m a c s i d b l a s t f d f r f d m a f f t g f i t s i r t s l c f l d l d p c l l r l s d m a p m i m o m l m l p ap o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b i te 1 t o tr a t e b i ti n t e f l e a v e dc o d e dm o d u l a t i o n 1 、 b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c et i m e c o n v o l u t i o n a lc o d e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d i a g o n a l b l a s t f u l ld i v e r s i t yf u l lr a t e f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m g a l o i sf i e l d i t e r a t i v et t e es e a r c h r e r a t i v er e c o n f i g u r a b l et r e es e a r c h l i n e a rc o m p l e xf i e l d l i n e a rd i s p e r s i o n l o w d e n s i t yp a r i t yc h e c k l o gl i k e l i h o o dr a t i o l i s ts p h e r ed e t e c t o r m a x i m u map o s t e d o r i m u l t i p l et n p u tm u l t i p l eo u t p u t m a x i m u ml i k e l i h o o d m a x i m u ml i k e l i h o o dp a t h 后验概率 加性高斯白噪声 误比特率 比特交织编码调制 分层空时结构 卷积码 码分多址 信道状态信息 对角分层空时结构 全分集全速率 频分多址 快速傅立叶变换 伽逻华域 迭代树搜索 可重置的迭代树搜索 线性复域 线性弥散码 低密度校验码 对数似然比 候选符号集球检测器 最大后验概率 多输入多输出 最大似然 最大似然路径 申请上海交通大学博士学位论文英文缩略语表 m m s em i n i m t t mm e a ns q u a r e de r r o r 最小均方误差 m t c m o d s t b c o f d m p c u p e p r s c s i c s d s i s o s n r s t b c s t b i c m s t c s t t c s v d t a s t t c m t d m a v b l a s t w l a n w s s u s m u l t i p l et r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n o r t h o g o n a ld e s i g n e ds t b c 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 p e rc h a r m e lu s e p a i r w i s ee r r o rp r o b a b i l i t y 矗3 e u r s i v es y s t e m a r l cc o n v o l u t i o n a l s o f t i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n s p h e r ed e c o d e r s o f ti n p u ts o f to u t p u t s i g n a ln o i s er a t i o s p a c e t i m eb l o c kc o d e s p a c e t i m eb i c m s p a c e t i m ec o d e s p a c e t i m et r e l l i sc o d e s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n t h r e a d e da l g e b r a i cs p a c e t i m e t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s v e r t i c a l b l a s t w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k w i d es e n s es t a t i o n a r yu n c o r r e l a t e d s c a t t e r i n g z e r of o r c i n g 多维网格编码调制 正交设计的空时分组码 正交频分复用 每信道利用 成对差错概率 递归系统卷积码 软干扰抵消 球译码器 软输入软输出 信噪比 空时分组码 空时比特交织编码调制 空时码 空时格码 奇异值分解 线状代数空时码 网格编码调制 时分多址 垂直分层空时结构 无线局域网 广义平稳非相关散射 迫零 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 趸呻扒 j 日期：冲b 年1 ) ，月j - 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密旧。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 劫们 日期狮年l 媚j _ 日 指导教师签名： 嘲夏锄 日期：酩年f 蝴名日 申请i 海交通大学博 一学位论文 第一章 辫 论 第一章绪论 就未来通信而言，发展方向是个人通信，即在全球范围内逐步实现在任何时间、 任何地点以任何通信方式与任何对象进行任何业务的无缝隙、不间断的通信，这是 人类为未来通信绘制的理想蓝图。实现它主要包含两大部分：一个是全球性骨干核 心网络平台，另一个是无时无处不在的灵活接入手段，移动通信作为灵活接入的手 段已经成为现代通信领域中的一大支柱通信产业和通信方式。 本章首先简要地描述了无线移动通信技术的发展；介绍了下一代移动通信系统 的关键技术，对本论文主要涉及的信道编码技术、m i m o 和空时编码技术及自适应技 术做了阐述；然后指出了课题的研究意义和论述了作者所做的主要工作；最后给出 了论文的篇章结构。 1 1 无线移动通信技术的发展 近年来移动通信系统的飞速发展历程大致可以分为三个阶段：第一代移动通信 系统是采用频分复用( f d m a ) 方式的模拟蜂窝系统。模拟通信的主要问题是频谱 的利用率低，能提供的业务种类有限，不能提供高速数据业务，保密性差，移动设 备成本高，体积大，网络的管理控制存在问题等；第二代移动通信系统采用时分多 址( t d m a ) 或码分多址( c d m a ) 为主的数字蜂窝系统，主要支持电路交换型数 据业务，这一系统能支持较高质量的语音传输并提供低速的数据业务和短消息服务； 第三代移动通信系统( 3 g ) 主要采用宽带c d m a 技术，将i n t e r a c t 与移动通信有机 地结合在一起，对多媒体业务提供强大的支持。第三代移动通信系统标准包括：欧 洲w c d m a 、北美c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 等。 可以预料。在3 g 大规模商用以后，多媒体服务与应用将广泛使用起来。随之， 3 g 在速率、服务质量和无缝传输等方面的局限性也将日益显现，势必需要带宽更宽 的无线系统。因此，移动通信的下一步必定是走向容量更大、速率更高的第四代移 第l贝 申请l ：海交通大学博卜学位论文 第一章绪论 动通信系统( 4 g ) ，以便在移动环境中支持高清晰度视像和其它宽带多媒体业务与应 用。目前没有对4 g 的确切定义，但比较认同的解释是：“4 g 的概念可称为宽带接入 和分布网络，它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统、互操作 的广播网络和卫星系统等。另外，4 g 可以提供的数据传输速率可达1 0 0 m b p s 甚至更 高，它是宽带接k i p 系统。”【1 】- 【4 】 1 2 下一代移动通信系统的关键技术 如何在有限带宽下实现高速率的多媒体业务正日益引起人们的注意，引领着技 术发展的潮流。但是，由于受到无线信道带宽和复杂的多径传播环境等诸多因素限 制。在无线环境下实现高速数据传输困难重重。围绕这一问题人们傲了大量工作， 从传输角度来讲，包括多址技术( ) m a ，c d m a 和f d m a ) 、有效的信源编码技术、 先进的信道编码技术、调制技术、分集技术和链路自适应技术等。 从信道容量理论角度看，只要信道带宽和功率给定，所能达到的最大信息速率 ( 即信道容量) 也随之确定。因此，如何在不增加功率和不牺牲带宽的前提下，减 小多径衰落的影响，充分利用无线通信系统的信道容量，实现高速、可靠的信息传 输就成了一个十分重要的研究课题 s l 。利用多发射和多接收天线阵列的多输入多输出 ( m i m o ) 技术，可将无线信道中散射路径等效为若干个相互独立的空间予信道，用 于传输信息，可提高信息传输速率和通信质量，在一定程度上解决了上述问题，为 我们开拓了一个崭新的研究领域和设计理念 6 1 1 7 1 。 下面将就本论文中所涉及的下一代移动通信系统的关键技术：信道编码技术、 m i m 0 和空时编码技术及物理层自适应技术做较为详细地阐述。 1 2 1 信道编码技术 现代信息和编码理论的奠基人香农于1 9 4 8 年在他的开创性论文“通信中的数学 理论”中，提出了著名的有噪信道编码定理【s 1 。在定理中，香农给出了在数字通信系 统中可靠通信的方法，以及在特定信道上实现可靠通信的信息传输速率上限，即信 第2 贞 申请卜海交通大学博卜学位论文 第一芾绪论 道容量。同时，该定理还给出了有效的差错控制编码的存在性证明，从而促进了信 道编码领域研究的快速发展。 在过去的五十多年里，有关信道编码技术的研究已经取得了许多骄人的成果。 人们致力于寻求能满足现代通信业务要求，结构简单、性能优越的好码，并在分组 码、卷积码等基本编码方法和最大似然译码算法的基础上提出了许多构造好码和简 化译码复杂性的方法，提出了乘积码、代数几何码、低密度校验码( l d p c ，l o wd e n s i t y p a r i t yc o d e ) 、分组一卷积级联码等编码方法和序列译码、逐组最佳译码、软判决译 码等译码方法以及编码与调制相结合的网格编码调制( t c m ，t r e l l i sc o d e d m o d u l a t i o n ) 和分组编码调制( b c m ，b l o c kc o d e dm o d u l a t i o n ) 等技术，其中对信道 编码发展贡献较大的有级联码 9 1 、软判决译码【1 0 l 和t c m 技术【1 1 1 等。特别是在过去的 二十多年间，在编码领域有两个具有里程碑意义的发现，分别是： ( i ) 编码调制技术 传统编码技术是以增加系统带宽来换取编码增益的，对于现代移动通信系统的 设计，一方面高数据速率要求系统的带宽效率要高；另一方面移动性要求小天线与 低发射功率，从而加剧了带宽资源与信道编码纠错能力之间的矛盾。从信息论的角 度来看，信道编码器与调制器的目的是共同完成信道传输和纠错的任务，应该在更 广泛的意义上来理解信道编码。基于此，m a s s e y 于1 9 7 4 年提出了将编码与调制作为 一个整体看待可能会提高系统性能的设想。此后由u n g e r b o e c k 于1 9 8 2 年提出的t c m 概念是解决带宽和纠错这对矛盾的一个理想方案】，它将信道编码技术与调制技术 有机结合，在不增加系统带宽的条件下通过扩展符号映射空间来达到提高编码增益 的目的。另外，几乎在同一时期日本学者i m a i 提出了一种采用分组码的编码调制技术， 称为b c m 技术，它在衰落信道中的性能比较突出【1 2 1 。 ( 2 ) t u r b o 码和“t u r b o 处理”原则f 1 3 】【l 4 】 t u r b o 码【”j ，又称并行级联卷积码( p c c c ) ，是由c b e r r o u 等人在i c c 9 3 会议 上提出的，其编码器结构如图1 1 所示。编码器主要由分量编码器、交织器以及删余 矩阵和复用器组成，分量码一般选择为递归系统卷积( r s c ) 码。在编码过程中， 两个分量编码器的输入信息序列是相同的，均为，仅仅是码元的输入顺序不同，因 第3 页 申请【海交通犬学博卜学位论文第一章绪论 为, 要经过交织器的交织后送入第二个分量编码器；序列4 在送入第一个分量编码器 的同时作为系统输出，直接送达复用器。两个分量编码器的输出校验序列分别为c l p 和c i p ，为提高码率和系统频谱效率，可以将两个校验序列经过删余矩阵删余后，得 到，再与系统输出，一起经过复用构成码字序列c 。 图1 1t u r b o 码编码器结构框图 f i g 1 1b l o c k d i a g r a m o f t u r b o e n c o d e rs t r u c t u r e t u r b o 码的另一个重要特点就是在译码时采用了迭代译码的思想，迭代译码的复 杂性仅仅随着信息序列长度的增加而呈线性增长。与译码复杂性随信息序列长度呈 指数形式增长的最优m l 译码相比，迭代译码具有更强的可实现性。为使t u r b o 码达 到比较好的译码性能，分量码译码必须采用软输入软输出算法，从而实现迭代译码 过程中软信息在分量译码器之间的交换。已有研究表明，基于最大后验概率( m a p ) 算法( 如1 9 7 4 年由b a u l 、c o c k c 、j e l i n e k 和r a v i v 共同提出的前向后向m a p 算法，也称 为b c j r 算法【l6 】) 的迭代译码与m l 译码相比，是一种次优译码，但采用迭代方式的 t u r b o 码译码可以达到接近香农理论极限的性能。 总而言之，t u r b o 码通过在编码器引入随机交织器，使码字具有近似随机的特性； 利用分量码的并行级联实现了通过短码( 分量码) 构造长码( t u r b