（信号与信息处理专业论文）认知mimo系统中差分空时编码技术的研究.pdf

i i i ii i 11 1 11 1 1 11 111 1iil 17 8 12 2 0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：列静 翮签名：枷 签字日期： 叫d 年6 月珥同 签字日期：酬。年6 月洱日 中图分类号：t n 9 2 u d c ：6 5 4 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 认知m i m o 系统中差分空时编码技术的研究 r e s e a r c ho nd i f f e r e n t i a ls p a c e t i m ec o d i n gt e c h n o l o g yo fc o g n i t i v e m i m o s y s t e m 作者姓名：刘静学号：0 8 1 2 0 4 3 7 导师姓名：肖扬职 称：教授 学位类别：工学学位级别：硕士 学科专业：信号与信息处理研究方向：通信与信息处理 北京交通大学 2 0 10 年6 月 1 致谢 本论文的工作是在我的导师肖扬教授的悉心指导下完成的，肖扬教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来肖扬 老师对我的关心和指导。 肖扬教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向肖扬老师表示衷心的谢意。 肖扬教授和鲁凌云老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见， 在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，欧博、刘晓丽、宋丽丽、刘之幸、王磊、刘 晏昌以及学长学妹等同学对我论文中的m i m o 和差分空时编码研究工作给予了热 情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 i v 中文摘要 中文摘要 摘要：在无线通信环境中，现代高速移动通信面临着频谱资源有限，时变无线传 输环境复杂等问题，为了满足更高的数据传输率、更好的服务质量、更大的系统 容量的通信需求，人们研究出许多新技术和新方案来提高频谱效率和传输可靠性。 使用多根发射天线和多根接收天线的m i m o ( m u l t i p l e - i nm u l t i p l e o u t ) 技术，可 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的容量。空时编码是 在发射分集的基础上发展起来的。在快速变化的环境中，接收端有时不能精确地 获得信道状态信息，在这种条件下，差分空时编码技术可以实现有效地解码。无 线认知技术使得未授权用户可以有机会使用授权频段，这样可以提高部分授权频 段的频谱利用率，缓解频谱资源短缺的问题。本文主要在三个方面做了工作：分 析了认知无线电技术与宽带无线技术融合的可能性，并将m i m o 技术应用到认知 无线链路系统中，提高了系统的容量和频谱利用率；利用“a b b a ”高维构建法构 造了分布式差分空时编码，使得系统的编解码复杂度得到了降低，仿真结果显示 利用高维构建法构造的分布式差分空时编码的性能比循环码的性能要好；给出了 认知m i m o 系统中差分空时编码的发射机和接收机的结构，仿真结果显示与未编 码系统相比，利用了差分空时编码的认知m i m o 系统的误码率性能得到了明显的 改善。 关键词：认知无线，差分空时编码，m i m o ，发射机，接收机 分类号：t n 9 2 ；6 5 4 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t ，h i g h - s p e e dc o m m u n i c a t i o n s h a v es u f f e r e dt h el i m i t e d s p e c t r u mr e s o u r c e s ，t i m e - v a r y i n gc o m p l e x w i r e l e s s e n v i r o n m e n ta n do t h e ri s s u e s i no r d e rt om e e tt h eh i 。g h e rd a t ar a t e s ，b e t t e rs e r v i c e q u a l i t ya n dg r e a t e rd e m a n d sf o rn e t w o r kc a p a c i t y , i n n o v a t i v et e c h n i q u e st h a ti m p r o v e s p e c t r a le f f i c i e n c ya n dt r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t y a r ep r o p o s e d ，s u c ha st h em i m o t e c h n o l o g yw h i c hu s e sm u l t i p l ea n t e n n a s a tt h er e c e i v e ra n dt r a n s m i t t e r w i t h o u t i 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 r , m i m os y s t e m sc a ni m p r o v ec h a n n e lc a p a c i t y g r e a t l y i nt h ef a s tm o v i n ge n v i r o n m e n t ，s o m e t i m e sr e c e i v e rc a n n o tg e tc h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o na c c u r a t e l y , b u td i f f e r e n t i a ls p a c e - t i m ec o d i n gt e c h n o l o g ym a yd e c o d e e f f e c t i v e l yi nt h i sc o n d i t i o n i nt h ec o g n i t i v er a d i o ( c r ) s y s t e m ，t h ec o g n i t i v eu s e rh a s b e e na l l o w e dt oo p p o r t u n i s t i c a l l ye x p l o i tt h el i c e n s e ds p e c t r u m ，a n dt h eo v e r a l ls p e c t r a l e f f i c i e n c yw i l lb ei m p r o v e dg r e a t l y i n t h i s p a p e r , w em a k et h r e ei m p r o v e m e n t s ： a n a l y s i st h ep o s s i b i l i t yo fc o n c i l i a t o r yf o rt h em i m ot e c h n o l o g ya n dt h ec rs y s t e mt o i m p r o v et h es y s t e mc a p a c i t ya n ds p e c t r a le f f i c i e n c y ；u t i l i z et h e a b b a h i g h d i m e n s i o n a l i t yc o n s t r u c t i o np r i n c i p l et oc o n s t r u c tt h ed i s t r i b u t e dd i f f e r e n t i a ls p a c e - t i m e c o d e st od e c r e a s et h ec o d i n gc o m p l e x i t y , a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eb e r p e r f o r m a n c eo ft h ed d s t b c i sb e t t e rt h a nt h eb e rp e r f o r m a n c eo ft h ec i r c l e s ；p r o p o s e t h es t r u c t u r eo ft h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ri nc rm i m os y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h eb e r p e r f o r m a n c eo f t h ed s t b cs y s t e mi sb e t t e rt h a nu n c o d e ds y s t e m k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，d i f f e r e n t i a ls p a c e - t i m ec o d i n g , m i m o ，t r a n s m i t t e r , r e c e i v e r c l a s s n o ：t n 9 2 ；6 5 4 l 1rf一 l 卜 序 序 近年来随着无线通信技术的发展，公共无线频谱资源变得越来越稀少。因为 大多数的无线技术创新都是在未授权频段上进行的，这样使得未授权频段变得拥 挤。然而大部分的授权频段在某些时间段和某些地方却未被使用。认知无线 ( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 是解决此问题的一项重要的技术，它允许未授权( 认知) 用户可以有机会使用正在闲置的授权频谱，这样频谱效率就能得到很大的提高。 提高无线网络的复杂性和动态环境是当今发展的一个趋势。认知网络就是在 这种趋势下发展起来的。而有线网络也有这个趋势，不能被有前景的认知网络排 除在外，但是在复杂网络环境中，无线网络是研究的焦点。先前的研究将无线与 认知结合时，会产生一系列的问题，认知无线网络为解决这些问题给出了一种新 方法。本文分析了认知无线电技术与宽带无线技术融合的可能性，将认知无线技 术与m i m o 技术结合，给m i m o 技术的研究指出了一个新方向。 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 ，m i m o ) 无线通信系统经过近 1 0 年的研究，开始由概念模型和系统设计走向系统研制。i e e e8 0 2 1 6 e 标准将 m i m o 多天线无线通信系统作为其无线通信系统的架构。我国信息技术领域的高 科技发展课题与国家科技的重大专项均将m i m o 无线通信系统列为新一代无线通 信系统的重要实现系统。 众所周知，多发射天线多接收天线的空时编码技术能使多径衰减的影响最小 且使系统性能得到改善，能提高无线信道的数字传输容量。但是在这种条件下， 通常假设接收端有最优的信道状态信息估计且利用相关检测。当信道状态变化的 速度低于符号率时，通过发射端发送试点序列，接收端可以精确地估计信道状态 信息。然而在一些情况下，如高速移动的环境或者快速衰减的信道中，精确地估 计信道状态信息是很困难的，有时代价太高。对于这样的情况，利用差分空时分 组编码( d i f f e r e n t i a ls p a c e t i m eb l o c kc o d e ，d s t b c ) 是有效的，因为差分空时编 码技术不要求发射端和接收端来估计信道状态信息。 本文给出了分布式差分空时编码的一种新的构建方法。利用a b b a 高维构建 法构造了四个中继的通信系统的信号集合，降低了编码复杂度。最后给出了认知 m i m o 系统中的差分空时分组编码的发射机和接收机结构。 本课题是在国家自然科学基金委员会( n s f c ) 与韩国科学与工程基金会 ( k o s e f ) 合作研究项目( 6 0 8 1 1 1 4 0 3 4 3 ) 的支持下完成的。 1 1 0 目录 目录 认知m i m o 系统中差分空时编码技术的研究i 中文摘要v a b s t r a c t v i i 序i x l引言1 1 1研究背景及意义1 1 2国内外研究现状和应用前景2 1 3本文研究的主要内容5 2m i m o 技术7 2 1m i m o 空间复用系统的若干关键技术7 2 2m i m o 技术的特点1 0 2 3m i m o 系统的分集与复用1 1 2 4m i m o o f d m 系统简介1 2 2 5m i m o 信道模型简介1 3 2 6m i m o 系统的性能度量1 5 2 7带有信道估计误差的衰减m i m o 信道的容量1 5 2 7 1 带有不完善c s i 的互信息量的界限1 6 2 7 2 最优功率分配19 3无线认知技术2 4 3 1i e e e8 0 2 2 2 标准的物理层规范2 4 3 1 1 自适应调制编码技术2 5 3 1 2 前导符号，导频图案与信道分配2 5 3 1 3 功率控制2 6 北京交通大学硕士学位论文 3 1 4 认知无线电的基本任务2 6 3 2 认知无线电网络架构与协议体系2 8 3 3认知无线电在宽带无线通信系统中的应用2 9 3 3 1 认知无线电的特点2 9 3 3 2 宽带无线技术3 0 3 3 3 技术融合可行性分析3l 3 3 4 在l t e 中实现c r 3 2 4差分空时编码技术3 4 4 1差分空时编码技术提出的背景3 4 4 2空时编码研究现状和应用前景3 6 4 3分布式差分空时编码的算法原理3 7 4 3 1 相同维数的矩阵构成的差分码本的系统模型3 8 4 3 2 编解码复杂度较低的d s t c s 的设计4 0 4 4d d s t c s 的具体结构4 2 4 4 1 仿真结果4 8 4 4 2 现实情况的讨论。4 9 5认知m i m o 系统的差分发射机和接收机。5 l 5 1认知m i m o 系统的差分发射机j 5 1 5 2认知m i m o 系统的差分接收机5 5 5 3仿真结果5 7 6 结论5 9 6 1全文工作总结5 9 6 2对下一步工作的展望6 0 参考文献6 1 - ， 目录 独创性声明6 7 学位论文数据集6 9 一 o j- 电 引言 1 引言 1 1 研究背景及意义 m i m o 技术是无线移动通信领域的重大突破，它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。随着对该技术的不断研究与完善，我 们相信m i m o 技术将成为新一代移动通信系统必须采用的关键技术。 m i m o 技术与传统的无线通信智能天线不同，其优势已非常规智能天线所及。 智能天线采用加权选择算法驱动波束指向，通过将能量聚集到期望方向而提高信 噪比，抑制了多径传播。对于m i m o 系统，如果m 根发射天线和n 根接收天线 形成的无线链路的mxn 信道矩阵的元素是完全独立的，则系统的容量随最小天 线数目线性增长。理论上，如果天线的空间和成本与射频通道不受限制，m i m o 系统就能提供无限大的容量，这是空间维度与时间维数充分结合的结果，即空时 编码是利用矩阵信道来传输数据流，而智能天线系统则是利用向量信道传输数据。 发射分集已成为无线通信中一种非常有效的抗信道衰落的方法。由于其实现 的相对简单性以及在基站可以安置多个天线的灵活性而得到了广泛的应用。 a l a m o u t i 给出了一种采用两个发射天线的简单发射分集方案【l 】。后来，t a r o k h 等人 将其进一步推广到天线数目多于两根的情况，并提出空时分组编码( s p a c e - t i m e b l o c kc o d e ，s t b c ) 的概念。其中，a l a m o u t i 码是最简单的两天线空时分组编码。 空时分组编码是利用正交设计的原理来设计发射天线的信号形式，这实质上是一 种联合空域和时域的正交分组编码方式。空时分组编码可以使系统在译码后获得 满分集增益，且保证译码运算仅仅是简单的线性合并，译码复杂度相对于先前给 出的空时格码来说要低的多。因此空时分组编码已成为实际应用中非常有吸引力 的方案。 空时编码的有效工作需要在发射端和接收端使用多个天线。因为空时编码同 时利用时间和空间两维来构造码字，这样才能有效抵抗衰落，提高功率的效率； 并且能够在传输信道中实现并行的多路传送，提高频谱效率。需要说明的是，空 时编码技术因为属于分集的范畴，所以要求在m i m o 系统中，发射端的天线间距 和接收端的天线间距应适当拉开，以保证发射、接收信号的相互独立性，以充分 利用多散射体所造成的多径。 空时编码在不同天线所发送的信号中引入时间和空间的相关性，这样可以不 用牺牲带宽，接收机就能获得分集增益和编码增益，这是未编码系统所没有的。 北京交通人学硕+ 学位论文 空时编码的基本工作原理如下：从信源给出的信息数据流到达空时编码器后，形 成同时从许多个发射天线上发射出去的矢量输出，这些调制符号被称为空时符号 ( s p a c e t i m es i g n a l ，s t s ) 或者空时矢量符( s p a c e t i m ev e c t o rs i g n a l ，s t v s ) 。 近年来，随着无线通信业务的快速增长，用户无线服务和设备有了很大的扩 展，例如移动通信，公共安全，w i f i 和电视播放服务，这些都是现代社会对无线 频谱的依赖程度如何大的最无争议的例子。值得注意的是，未授权频带，例如 i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a lb a n d ( i s m ，2 4 - 2 4 8 3 5 g h z ) 和无线协议在无线生态系 统中起着很重要的作用，因为这个频带的使用未受到及时的监管和支配导致新应 用过多，包括无线局域网( l o c a la r e a n e t w o r k ，l a n ) 和无线电话。未授权操作 突破性的成功和技术的很大进步是在此基础上完成的，使得监督机构( 例如，美 国联邦通讯委员会，f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ，f c c ) 考虑开放更多频带 为未授权用户使用。然而，频谱占有检测显示授权频带如电视频段使用严重不足。 我们发现新技术和新方案纷纷挤占非授权频段，与此相反，有些授权频段则经常 闲置。电视广播的v h f u h f 频段由于受噪声与电离层反射电磁波的干扰少，同时 具有良好的非视距传播特性，因此非常适合需要频谱大范围覆盖的人口密度低的 偏远地区。 无线认知可被看作是当前解决无线频谱利用率较低的方案。它将无线操作的 特征用于实际环境条件中，使得频谱利用灵活，有效，可靠。无线认知有大规模 的智能使用未开发频谱的潜力，且不影响频带授权设备的正常使用。无线认知是 一种快速发展的重要的无线技术( 例如，软件定义的无线，频率灵活性，功率控 制等) ，其特征是利用了宽带无线技术如宽带频谱感知，空间时间频谱分配和获 取，以及空间时间传播( 请参考 2 】中d a p p a 下一代方案请求评议( r e q u e s tf o r c o m m e n t s ，r f c ) ，以便对认知无线的潜力和问题有个更好的理解) 。 1 2 国内外研究现状和应用前景 认知无线电技术是最近几年才开始发展的一项新技术，由于它具有解决频谱 资源短缺的潜力而逐渐被人们发现和研究。2 0 0 2 年1 2 月，美国联邦通信委员会发 布了调查通告，允许非授权用户在不对授权用户产生干扰的前提下可以接入电视 广播频段。该通告的发布有望实现人口密度低但存在大量闲置电视广播频段的偏 远地区的宽带接入。2 0 0 4 年5 月，f c c 发布的建议法规制定通告( n o t i c ef o r p r o p o s e dr u l e m a k i n g ，n p r m ) 及2 0 0 6 年1 0 月，f c c 发布的对n p r m 的最新修订通告 指出固定宽带接入工作是在电视信道的5 4 8 6 2m h z ( v e r yh i g hf r e q u e n c y , v h f ) 2 新标准是定义在电视频段上的，利用了频谱感知技术，授权用户检测和避免干扰 技术，以及频谱管理技术来获得有效的共存，与现存的授权设备共享无线资源。 文献 2 】中详细介绍了8 0 2 2 2 现在的工作情况，包括详细的物理层，共存技术。如我 们所见，基于无线传输的认知无线电技术的前景是明朗的。当然，i e e e8 0 2 2 2 在 这个过程中起到了非常重要的指导作用，它将作为这个领域新研究和发明的基础。 移动通信系统经历了从模拟到数字的发展过程，通信的速度和质量有了很大 的提升。移动通信的发展大致分为以下三个阶段：第一代移动通信模拟蜂窝系统 是采用频分复用方式，主要业务是语音业务，其主要问题是频谱的利用率低；第 二代移动通信数字蜂窝系统采用时分复用的方式，主要支持的业务是电路交换型 数据，这个系统能支持高质量的语音传输并且提供低速的数据业务和短消息服务； 第三代移动通信系统主要采用宽带码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ， c d m a ) 技术，将i n t e r n e t 与移动通信有机地结合，主要支持了多媒体业判i 】【9 1 。 ( 1 ) 下一代移动通信系统的关键技术 如何实现高速率的多媒体业务，是引领技术发展的潮流，但是在无线信道带 宽和复杂的多径传播环境等诸多因素限制下，要实现高速数据传输有很多困难。 文献 1 0 中提到将m i m o 技术与c d m a 方式结合，是一种新的技术。4 g 系统是多功 能集成的宽带移动通信系统，为了实现4 g 的设计目标，可能应用于4 g 的关键技术 有：智能天线技术，软件无线电技术，下行高速分组交换数据传输技术，交互干 扰抑制和多用户识别，全i p 技术，自适应调制和编码，混合自动重传请求( a u t o r e p e a tr e q u e s t ，a r q ) 协议，时域技术，正交频分复用，m i m o ，空时编码技术， 以及认知无线电技术。 ( 2 ) 空时编码研究现状 空时编码是一种利用多发射天线的编码方案，它将编码、调制和空间分集相 北京交通人学硕士学位论文 结合，使系统获得了分集增益，大幅度地提高了无线通信中的系统容量和传输率， 能够获得远高于传统单输入单输出( s i m p l ei n p u ts i m p l eo u t p u t ，s l s o ) 系统的频带 利用率，为解决无线信道的带宽问题提供了一个新的办法。空时编码主要包括空 时格码( s p a c et i m et r e l l i sc o d e ，s t t c ) 、空时分组码( s p a c e t i m eb l o c kc o d e ， s t b c ) 、差分酉空时码( d i f f e r e n t i a l u n i t a r ys p a c e t i m ec o d e ，d u s t c ) 、及分 层空时编码( l a y e r e ds p a c e - t i m ec o d i n g , l s t c ) 等1 1 】【1 5 1 。 1 空时格码 1 9 9 4 年，s e s h a d r i 和w i n t e r s 提出了延时分集方案。1 9 9 8 年，朗讯实验室的t a r o k h 等在延时分集的基础上提出了空时格码【9 】。这种用于高速数据无线通信的空时格码 同时利用了发射分集和信道编码技术，这种空时编码是以格型编码调制为基础， 具有很高的编码增益和分集增益。空时格码的优点是码的性能较好、抗衰落能力 较强，缺点是译码复杂度较高，其译码复杂度随分集度和传输速率的增加而成指 数增长，这也限制了空时格码在实际通信系统中使用。 2 空时分组码 由于空时格码的编译码比较复杂，a l a m o u t i 提出了一种基于双发射天线的空时 发射分集方式。由于编码矩阵满足正交结构，使得等效信道矩阵为正交矩阵，所 以在接收端，先进行等增益合并，再进行最大似然( m a x i m u ml i k e h o o d ，m l ) 检 测，这是空时分组码能够降低解码复杂度的根本原因，由于空时分组码译码复杂 度较低，这种编码方式很容易在实际系统中被采用。s t b c 最大的特点是简单实用， 且性能相对较好，是一种较有效的传输分集解决方案。 3 分层空时码 1 9 9 6 年由g j f o s c h i n i 等人提出了分层空时码，是采用m i m o 结构实现并行数据 无线传输的结构。分层空时编码技术的基本思想是：在发送端，将高速数据业务 分接为若干低速数据业务，通过普通的并行信道编码器编码后，再进行分层的空 时编码，调制后用多个天线发送；在接收端，用多根天线分集接收，通过信道估 计获得信道参数，由线性判决反馈均衡器实现分层判决反馈抵消干扰，然后进行 分层空时译码，单个信道译码器完成信道译码。 4 差分酉空时码 上面阐述的空时格码、分层空时编码和空时分组码在解码时，都需要信道状 态信息。当信道衰落速度很快或者发射天线数目很多时，要精确估计信道状态信 息是非常困难的，而且还需要占用信道资源。为了克服估计信道状态信息困难的 4 引言 问题，v t a r o k h 提出了一种差分形式的空时分组编码方案，差分空时分组码借鉴了 s i s o 系统中的差分移相键控( d i f f e r e n t i a lp h a s es h i t tk e y i n g ，d p s k ) 调制的思想， 这种差分调制的思想使得接收机可以不需要知道信道状态信息的情况下，就可以 实现差分空时译码，获得满分集增益，但是和相干解码方法相比有3 d b 左右的信噪 比损失。文献 1 6 】e e b l h u g h e s 提出了基于群码理论的差分空时调制技术，适用于 任意多发射或接收天线及任意调制星座。文献 1 7 】提出的酉空时调制所构造的空时 调制信号接收机不需要发射机发送反馈信息来估计信道状态信息，就可以通过空 时编码结构的酉特性恢复出原始的发送信息，实现空时信号的有效传输。h o c h w a l d 和m a r z e t t a 根据信息论中瑞利衰落信道的信道容量推导出了酉空时编码( u n i t a r y s p a c e t i m ec o d e s ) ，之后b m h o c h w a l d 和w s w e l d e n 在此基础上又提出了差分酉空 时调制技术。酉空时编码作为快衰落信道下的一种空时编码方案，具有一定的实 际意义，但是如何简单、有效地构造性能较好的酉空时编码是个难点。 ( 3 ) 空时编码技术的应用前景 在未来的多天线移动通信系统中，空时编码技术是抵抗衰落和提高容量的一 种很有潜力的技术。近几年来许多机构的学者们都在研究基于m i m o 天线系统的空 时编码技术。多天线系统和空时编码结合，是有效利用空间资源的发展方向，它 是继频率分集和时间分集之后的一种高级的分集技术，具有很好的应用前景。另 外，还可以结合认知无线电技术用于无线通信系统。为了降低接收机的复杂度和 节省频率资源，在认知m i m o 系统中采用差分空时编码方案，这样就可以既不用估 计信道状态信息，也可以大大的节省频谱资源。 1 3 本文研究的主要内容 本文主要介绍了m i m o 技术，差分空时编码技术，以及认知无线技术，最终 将它们结合起来，形成一种新的方案。m i m o 系统中的认知链路和授权链路均采 用两个发射天线和一个接收天线。在认知系统中，认知用户可以有机会使用授权 的频谱资源，即可以利用闲置中的授权频带，这样整个频谱效率就得到了提高。 多发射天线多接收天线的空时编码技术能使多径衰减的影响最小且改善了通信系 统的误码率性能，提高无线信道的数字传输容量，但是需要假设接收端有最优信 道状态信息估计并且利用了相关检测。然而在一些情况下，如快速移动的环境或 者快速衰减的信道中，精确地估计认知m i m o 系统的信道状态是很困难的或者代 价太高。为解决此问题，本文为认知m i m o 系统提出了一种分布式差分空时编码 技术，简单介绍了分布式差分空时编码的算法原理，并将差分空时分组码应用于 北京交通大学硕+ 学位论文 认知m i m o 系统中，改善了系统的信噪比和误码率性能。 由k i r a ne ta l ，o g g i e r - h a s s i b i 和j i n g - j a f a r k h a n i 介绍的用于无线中继网络的差分 编解码的建立所使用的码本是由单位矩阵所构成， 7 】中将扩展到维数相同的矩阵 构成的码本，这样降低了编解码的复杂度。这种码本可应用于j i n g h a s s i b i 协议中， 来解决合作分集的问题，但是必须要保证满足延时矩阵和所使用的码本是可以识 别的条件。本文利用“a b b a 构建法构造出新的分布式差分空时编码所需要的信 号集合，这种编码可利用复杂度较低的次优接收机就能得到满分集增益。仿真结 果表明这种编码的误码率性能比循环码更优，而且它可以在典型的点对点的多天 线系统的非相干通信系统中用作差分空时编码【_ 7 1 。 文章安排如下： 第二章将简单介绍m i m o 技术中一些关键技术的研究现状，m i m o 技术的特点 和应用，以及无线通信系统信道的特征和模型，然后给出其性能度量方法，并将 推导出带有信道估计误差的m i m o 系统的容量上下限。 第三章将详细地介绍认知无线电技术。首先描述了i e e e8 0 2 2 2 标准的物理层 规范，并给出认知无线电的基本任和特点，以及认知无线电在无线通信系统中的 应用，最后将分析认知无线与m i m o 等无线技术融合的可行性。 第四章将描述差分空时编码技术，主要给出了差分空时编码技术的研究背景、 研究现状。利用“a b b a ”构建法构造出新的分布式差分空时编码所需要的信号集 合，降低了编码的译码复杂度及性能仿真结果。 第五章将差分空时分组编码技术应用于无线认矢n m i m o 系统中，并且给出了无 线认9 i m i m o 系统中差分空时编码方案的发射机和接收机结构，以及系统仿真结 果。 第六章对前面介绍的技术和方案进行了总结，并对下一步的工作进行了展望。 6 m i m o 技术 2m i m o 技术 m i m o ( m u l t i p l e i nm u l t i p l e o u t ，多输入多输出) 技术是无线移动通信领域 的重大突破。m i m o 技术能成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率且不增加带 宽。 m i m o 技术源于无线通信系统的天线分集与智能天线技术，它是多输入单输 出( m u l t i p l e - i ns i n g l e - o u t ，m i s o ) 与单输入多输出( s i n g l e - i nm u l t i p l e o u t ，s i m o ) 技术的结合，同时具有两者的优势和特征。m i m o 系统的发射端和接收端都采用 多个天线单元，它运用较先进的无线传输与信号处理技术，利用无线信道的多径 传播开发空间资源，建立空间并行传输通道，在不增加带宽与发射功率的情况下， 成倍地提高了无线通信的质量与数据速率，m i m o 技术堪称现代通信领域的重要 技术突破。m i m o 技术利用了移动通信系统无线信道多径传播的固有特性：如果 在发送端与接收端都采用多天线系统，只要各天线单元间距足够大，无线信道散 射传播的多径分量足够丰富，那么各对发收天线单元间的多径衰落就趋于独立， 即等效的发收天线问的无线传输信道趋于独立，也就是这些同频率、同时间、同 信道特征码的子信道问趋于相互正交。 认知无线电是一个智能无线通信系统，它能够感知外界环境，并使用人工智 能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数( 比如传输功率、载波频率和调 制技术等) ，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，从而实现任何时 间、任何地点的高可靠通信以及对频谱资源的有效利用【1 8 】f 1 9 】。将m i m o 技术与认 知无线技术结合可以大大的提高无线频谱资源的利用率。 2 1 m i m o 空间复用系统的若干关键技术 m i m o 技术的优势在于它利用多径效应而不是试图抵抗它，并且将传统智能 天线中的向量信道转化为矩阵信道。目前，各国学者对于m i m o 技术的理论、性 能、算法和实现的各方面均进行着广泛的研究。传统的m i m o 系统按照设计的目 标可以分为两大类：空间复用系统和空间分集系统，设计时主要考虑最大化其中 的一种增益。 空间复用技术与发射分集不同，它是在不同天线上发射不同信息，从而使得 信道容量随m i n m ，n ) 的增加而线性增加，这里m 和n 分别表示发送天线和接收 天线的数目。这种信道容量的增加既不需要占用额外的带宽，也不需要消耗额外 的发射功率，因此空间复用技术是提高信道容量的一种非常有效地手段。例如， 7 术( w a t e rp o u r i n g ，w p ) 来获得系统的最大容量。但是，分解后不同子信道的信号 干扰噪声比( s i g n a li n t e r f e r e n c en o i s er a t i o ，s i n r ) 并不相同，故需要用严格的比 特分配( b i ta l l o c a t i o n ) 技术来对每个子信道进行匹配。但是比特分配技术不仅增 加了收发两端编译码的复杂性，还会因为信号星座的颗粒性造成容量的损失。 ( 2 ) 检测技术的研究 信号检测一般是指在接收端对基带信号进行处理以恢复发射符号的一个过 程。基于最大似然准则的检测算法在性能上是最优的，但其计算复杂度却随天线 数目及调制阶数的增加呈指数增长，所以如何在复杂度和检测性能之间取得好的 折衷一直是此类研究的一个热点。检测算法从检测的机理上可以分为两大类：一 类是最大似然检测，这类检测方法是从减少最大似然检测中穷尽搜索的次数出发， 保证性能尽可能逼近最大似然；另一类则从矩阵求逆的角度出发，如迫零检钡t j ( z e r o f o r c i n g ，z f ) ，m m s e 检测，以及在此基础上引入其它一些准则形成检测算法，如 排序串行干扰抵消、并行多级检测，这类检测方法相对于最大似然检测而言具有 m i m o 技术 复杂度低的优点，但性能损失较大。 ( 3 ) 机会波束成型技术的研究 m i m o 波束成型技术来源于智能天线的波束成型技术。在智能天线中，利用 波束成型技术使阵列天线发射的电磁波的主瓣方向对准期望用户，而零瓣方向对 准干扰源，由此提高信噪比，增加系统容量。m i m o 波束成型也具有这两个优点。 而m i m o 波束成型与智能天线波束成型技术的区别在于：m i m o 各天线发送不同 的信号，并且各天线阵列中的天线间距大于相干距离，可近似认为各天线是相互 独立的。多用户下的波束成型技术主要用来实现空分多址，基站的各天线在发送 信号时根据不同用户叠加不同的权向量，这样接收端( 用户端) 接收信号时，每 个用户只接收到发送给自己的信号而不会接收到发送给其他用户的信号，从而可 以使多个用户使用相同的频率时间资源。迫零算法、块对角化( b l o c k d i a g o n a l i z a t i o n ，b d ) 算法等是当今比较成熟的波束成型算法。 实际上，在多用户m i m o 系统中，如果一个时频资源块只调度给一个信道条 件好的用户，这样使得m i m o 系统的空间自由度不能得到充分利用。每次调度时 发射端先随机产生多个波束，然后把每个波束分配给信道条件匹配的多个用户， 这样可以同时获得空间复用增益和多用户分集增益。 ( 4 ) 天线选择技术的研究 尽管m i m o 系统能有效提高频谱效率，但它与s i s o 系统相比，缺点在于收 发双方都采用多根天线，m i m o 系统必定会增加系统复杂度和成本，而且射频链 路( 包括低噪声放大器，变频器，a d 、d a 转换器等) 价格昂贵。因此，可以考 虑在这些天线中选择某一根或者某几根信道质量较好的天线来进行通信，而放弃 使用其它信道质量较差的天线，这样既可以基本保持系统整体性能，也可以显著 降低系统的硬件成本和复杂度。最大化最小欧氏距离、最大化处理后信噪比、最 大化最小奇异值和最大化系统容量等是常用的天线选择准则。 m i m o 技术的作用之一就是获得分集增益，原理是：多条路径同时传输，不 可能同时经历深度衰落，即利用了多径传播的固有特性。如果在发射端与接收端 同时采用多根天线，只要天线单元的间距足够大，无线信道传播的多径分量就足 够丰富，则各对发收天线的多径衰落就趋于独立，即各对等效的发收天线间的无 线传输信道趋于独立，也就是说这些同频率、同时间、同信道特征码的子信道趋 于正交。具有n 根发射天线与m 根接收天线的m i m o 系统的系统框图如下：发 射数据流s 被分离为n 路子数据流，在调制与射频前端处理后以相同的频率分别 9 北京交通人学硕+ 学位论文 经n 根天线同时发射出去：经无线信道传播，这些并行子流从不同的路径到达接 收机，由m 根天线接收；接收机采用先进的信号处理技术对各接收信号进行联合 处理，可恢复出原始数据流。 空 s 2数 模 时模拟 编转模 码换块 多径 信道 l 模 模眨 空 7 拟 数 时 模 转 解 块 换 码 l 图2 1m i m o 无线通信系统框图 2 2m i m o 技术的特点 信号衰落、码间干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 和共信道干扰( c o c h a n n e l i n t e r f e r e n c e ，c c i ) 是无线通信系统的三个最主要的有害因素。码间干扰和信号衰 落均是由无线信道的多径传播引起的，c c i 一般是由共信道用户或系统中未知的干 扰源产生的。单用户m i m o 系统采用分集技术来抵抗信号衰落，如时间分集、空 间分集、极化分集和频率分集。频率分集可利用多径物理信道来获得；极化分集 和空间分集是通过阵列天线来实现的；时间分集可通过空时编码技术来获得。可 以利用信道均衡技术来消除或者利用无线通信系统中的i s i ，均衡多径信道，而信 道均衡技术包括自适应均衡或者r a k e 接收。为了消除c c i ，如果干扰源未知时可 以采用自适应波束成型技术。当干扰信息在接收端中已知时，则可以采用多用户 检测技术。将多用户检测技术与自适应波束成型技术结合可以进一步提高系统的 性能，但它增加了系统复杂度。m i m o 系统如果采用阵列天线技术，则能够充分 利用信号的所有空时频域特性： ( 1 ) 利用或削弱多径衰落。m i m o 技术能充分利用各种多径传播