（信息与通信工程专业论文）宽带无线通信中空时编码调制技术的研究.pdf

摘要 宽带无线通信中空时编码调制技术的研究 摘要 空时编码和o f d m 调制技术都是未来宽带无线通信所要研究的前沿性课题，目 前两者的结合已经成为国内外关注的焦点和研究的重点。然而，它们的结合决非两 种技术的简单组合，它们结合的内在机理以及由此而引发的一系列新问题亟需去研 究与解决。因此，如何将空时编码与o f d m 调制技术有机地结合起来，更有效地提 高频谱利用率、降低信道衰落对接收机性能的影响，是一个极具理论探索意义和实 用价值的前瞻性课题。 在此背景下，本学位论文将结合国家自然科学基金项目“宽带移动通信中空时 o f d m 调制理论及关键技术研究”，重点讨论在宽带无线通信中如何应用空时编码 调制技术进行更好的高质量数据传输问题，并对其中的若干关键技术进行深入研 究，主要包括：m i m o o f d m 系统中的空时频编码调制技术，差分空频编码调制技 术，差分空时编码调制技术以及自适应空时编码调制技术。 首先，对宽带无线通信中m i m o o f d m 系统的空时频编码调制技术进行了深入 研究。本文提出一种系统误码性能更为优越、功率效率更高的级联空时频编码调制 方案。该方案采用了子载波分组技术，通过适当豹子载波分组方式，可以将o f d m 系统中一系列相关的子信道分成若干个在空间、时问、频率上相互统计独立的子信 道组，可保证系统获得最大的分集增益，并使系统编译码的复杂程度大为降低；同 时采用了空时格栅码( s t t c ) 、线性预编码与空时分组码( s t b c ) 相结合，这就 使得系统在获得最大分集增益的前提下，能具有良好的编码增益，而且利用空时分 组码的j f 交性原理以及线性预编码提供的频率分集增益，可以大大简化空时格栅码 ( s i t c ) 设计的复杂度：该方案最后引入了功率配嚣来进一步改善系统误码率性能 和提高系统功率效率。 其次，对频率选择性衰落信道下的差分空时编码调制技术进行了深入研究。本文 提出一种适用于快速频率选择性衰落信道下的差分酉空频编码调制( d u s f m ) 方 上海交通大学申请博士学位论文 案。该方案是在发送天线和o f d m 子载波上进行酉空时编码，同时在相邻o f d m 符 号之问进行差分调制。该方案不仅能够获得全发送分集增益，而且通过在o f d m 子 载波之间引入编码还能获得更高的编码增益，其编码增益随着信道阶数的增加而增 大：同时该方案的差分机制只要求信道在2 个o f d m 符号内保持不变，因而可明显 增强系统抗快速衰落的能力。相应的性能分析及计算机仿真研究表明，该差分酉空 频编码调制方案能够有效地克服信道快速衰落的影响，在快速频率选择性衰落信道 下具有很强的鲁棒性。 再次，对时间选择性衰落信道下的差分空时编码调制技术进行了深入研究。本文 提出一种基于多普勒编码的差分空时编码调制( d c d s t m ) 方案。该方案适用于快 速时间选择性衰落信道，它利用信道的时频对偶性，将时间选择性衰落信道转化为 频率选择性衰落信道，进而引入多普勒编码以获得时问选择性衰落信道所固有的多 普勒分集增益。通过对该差分空时编码调制( d c d s t m ) 方案成对差错概率的计算 和分析，证明了该系统在未知信道状态信息的情况下同样能够获得全分集增益( 即 发送分集增益和多普勒分集增益) ，因而能在快速时间选择性衰落信道下呈现出良 好的误码率性能。 最后，对m i m o o f d m 系统中的自适应空时编码调制技术进行了深入研究。本 文提出一种基于瞬时信道下误码率性能预测的自适应空时编码调制方案。该方案是 将编码调制( m c s ) 与m i m o 传输技术相结合，基于瞬时信道下的误码率性能预 测，自适应地选择最优化传输模式，能够使系统在给定日标误码率性能的前提下， 数据吞吐量( 或者频谱利用率) 达到最大。为了使这种自适应传输方案成为可能， 本文提出一种瞬时误码率性能估算模型，并给出了有效信噪比s n r 。n 、平均比特互 信息m i b 的计算公式，以及相应的误码率性能映射曲线。计算机仿真研究表明，该 自适应空时编码调制方案的频谱效率优于采用固定方式的空时编码调制方案，而 且，相比于传统的基于平均误码率的自适应方案而言，这种基于瞬时误码率的自适 应方案在数据吞吐量和系统可靠性方面都具有明显的优势。 关键词：空时编码，m i m o o f d m ，差分空时调制，自适应空时编码，时间选择性 衰落，频率选择性衰落。 i l a b s t r a c t r e s e a r c ho ns p a c e t i m ec o d i n ga n d m o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e sf o rb r o a d - b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s a b s t r a c t i nr e c e n td e c a d e s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e ta n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s t h ew i r e l e s si n t e r n e ta n dm u l t i m e d i as e r v i c e sh a v eb e e ni n t r o d u c e dj n t h e3 ”g e n e r a t i o nc e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s i 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 ，i e ，b e y o n d3 go r4 g ，t h eh i g h e rc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y a n dt r a n s m i s s i o nr a t ea r er e q u k e d t h u s ，m o r ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e sn e e dt ob e u s e dt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t s r e c e n t l y ，i n f o r m a t i o nt h e o r e t i c a lr e s e a r c hs h o w s t h a tt h em u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u tt e c h n o l o g yc a ne n h a n c et h es y s t e mc a p a c i t y s i g n i f i c a n t l yi nw i r e l e s sc h a n n e l s i nm i m os y s t e m s ，s p a c e t i m ec o d i n gi sap r a c t i c a lc o d i n gs c h e m et oa p p r o a c ht h et h e o r e t i c a lc a p a c i t y t h ec o m b i n a t i o no fm i m o s y s t e ma n ds p a c e - - t i m ec o d i n gi sad i r e c t i o nf o rs p a t i a lr e s o u r c e su t i l i s i n gd e v e l o p - - m e n t ，w h i c hi sc o n s i d e r e da sas o p h i s t i c a t e dd i v e r s i t yt e c h n o l o g y t h eo r i g i n a ls p a c e - - t i m ec o d e sa r em o s t l yr e s e a r c hw o r kb a s e do nn o n - f r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s h o w e v e r ，f u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw i l lb e h i g hd a t ar a t eb r o a d b a n ds y s t e m s ，w h i c hu n d e r g o e st h es e r i o u s l yf r e q u e n c ys e l e c t i v e c h a n n e lf a d i n g t h e r e f o r e ，s p a c e t i m ec o d e sc a nn o tb ed i r e c t l yu s e di nt h ef u t u r e b r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 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 ( o f d m ) i sam u l t i c a r r i e rt e c h n o l o g y ，w h i c hi sf i tf o rh i g hd a t ar a t ef f a n s m i s s i o ni nb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s o f d mc a nt r a n s l a t eb r o a d b a n df r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l si n t os e v e r a lp a r a l l e ln o n f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g s u b - - c h a n n e l sa n dh a v es t r o n gc a p a b i l i t ya g a i n s ti n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s l ) w h e nt r a n s m i t t i n gh i g hr a t ed a t a t h ec o m b i n a t i o no fo f d ma n ds p a c e - t i m ec o d e s c a na c h i e v eh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c y ，h i g ht r a n s m i s s i o nd a t ar a t e ，a n dh i g hq u a l i t yo f 1 i i 上海交通大学申请博士学位论文 c o m m u n i c a t i o n s t h u s ，s p a c e t i m ec o d i n gc o m b i n e dw i t ho f d mm a yb eo n eo ft h e m o s ts o p h i s t i c a t e dt e c h n o l o g i e si np h y s i c a ll a y e rt r a n s m i s s i o nf o rf u t u r eb r o a d b a n d m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s s p a c e t i m ec o d i n ga n do f d ma r eb o t ht o pr e s e a r c ht o p i c so ff u t u r eb r o a d b a n d m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s t h ec o m b i n a t i o no ft h e mc u r r e n t l yb e c o m e st h ef o c u sa n d e m p h a s i so fb o t hi n t e r n a la n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h e r s t h ec o m b i n a t i o no fs p a c e t i m ec o d i n ga n do f d mi sn o ta ne a s yt a s k ，f r o mw h i c hm a n yn e wp r o b l e m sa r ei n d n c e d h o wt os o l v et h e s en e wp r o b l e m sa n dh o wt oc o m b i n et h e s et w ot e c h n o l o g i e si na ne f f i c i e n tw a yt oe n h a n c et h es p e c t r a le f f i c i e n c ya n df u r t h e rd e g r a d et h e n e g a t i v ee f f e c t so fc h a n n e lf a d i n gi sv e r yi m p o r t a n ta n dp r a c t i c a l s u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ，i e ，s t u d yo n s p a c e - t i m ec o d e do f d m a n dk e yt e c h n o l o g i e si nb r o a d b a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，t h ed i s s e r t a t i o nw i l lf o c u so nt h er e s e a r c ho fs p a c e t i m ec o d i n ga n dm o d u - l a t i o nt oa c h i e v eh i g hq u a l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o ni nb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hi n c l u d e ss p a c e - t i m e f r e q u e n c yc o d i n g ，d i f f e r e n t i a ls p a c e f r e q u e n c y m o d u l a t i o n ，d i f f e r e n t i a ls p a c e t i m em o d u l a t i o n ，a n da d a p t i v es p a c e t i m em o d u l a t i o n f i r s t l y ，t h es p a c e t i m e f r e q u e n c yc o d i n gi nm i m o o f d ms y s t e m sh a sb e e n s t u d i e d w ep r o p o s e dan o v e lc o n c a t e n a t e ds p a c e t i m e f r e q u e n c yc o d e do f d m ， w h i c he n j o y sl o we r r o rr a t ep e r f o r m a n c ea n dh i g hp o w e re f f i c i e n c y t h i ss c h e m e a d o p t ss u b c a r r i e rg r o u p i n g ，t h r o u g hw h i c has e r i e so fc o r r e l a t e ds u b c h a n n e l sc a n b ed i v i d e di n t os e v e r a ls t a t i s t i c a l l yi n d e p e n d e n ts u b - c a r r i e r sg r o u p si ns p a c e ，t i m e ， a n df r e q u e n c yt h r e ed i m e n s i o n s t h ec o m p l e x i t yo fe n c o d i n ga n dd e c o d i n gi st h u s g r e a t l yr e d u c e da n dt h e nt h em a x i m u md i v e r s i t yg a i n sc a nb ea c h i e v e d a tt h es a m e t i m e ，t h es p a c e - t i m et r e l l i sc o d e ( s t r c ) ，l i n e a rp r e c o d i n ga n ds p a c e t i m eb l o c k c o d e ( s t b c ) a r ec o m b i n e dt oa c h i e v et h ef u l ld i v e r s i t yg a i n sa n ds i g n i f i c a n tc o d i n g g a i n s m o r e o v e r ，t h i ss c h e m ee n j o y sl o wc o m p l e x i t yw h e nd e s i g n i n gs t t c ，b e - c a u s eo ft h eo r t h o g o n a l i t yo fs t b ca n dt h ef r e q u e n c yd i v e r s i t yg a i n sp r o v i d e db y l i n e a rp r e c o d i n g a tt h ee n d ，p o w e ra l l o c a t i o ni si n t r o d u c e di n t ot h i ss c h e m et of u r t h e re n h a n c et h es y s t e m sp e r f o r m a n c ea n dp o w e r e f f i c i e n c y s e c o n d l y ，t h ed i f f e r e n t i a ls p a c e t i m em o d u l a t i o ni nf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g c h a n n e l sh a sb e e ns t u d i e d w ep r o p o s e dad i f f e r e n t i a lu n i t a r ys p a c e f r e q u e n c y i v a b s i r a ( 7 i m o d u l a t i o n ( d u s f m ) s c h e m ef o rr a p i d l yf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s t h e u n i t a r ys p a c e - t i m ec o d i n gi sp e r f o r m e db e t w e e nt r a n s m i ta n t e n n a sa n do f d m s u b c a r r i e r s ，w h i l et h ed i f f e r e n t i a lm o d u l a t i o ni sp e r f o r m e dw i t h i nt w oa d j a c e n to f d m s y m b o l s d u s f mc a na c h i e v en o to n l yf u l lt r a n s m i td i v e r s i t yg a i n s ，b u ta l s os i g n i f i c a n tc o d i n gg a i n st h r o u g hc o d i n ga m o n gs u b - c a r r i e r s t h ec o d i n gg a i n si n c r e a s e s w i t ht h ec h a n n e lo r d e ri n c r e a s i n g d u s f mh a ss t r o n gc a p a b i l i t ya g a i n s tf a s tc h a n n e l f a d i n gb e c a u s ei to n l yr e q u i r e st h ec h a n n e lt ob ei n v a r i a n td u r i n gt w oo f d ms y m - b o l s c o r r e s p o n d i n gp e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a td u s f m p r e s e n t sag o o dp e r f o r m a n c ea g a i n s tn e g a t i v ee f f e c t so ff a s tc h a n n e lf a d i n ga n dh a s s t r o n gr o b u s t n e s si nr a p i d l yf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s t h i r d l y ，t h ed i f f e r e n t i a ls p a c e t i m em o d u l a t i o ni nt i m es e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s h a sb e e ns t u d i e d w ep r o p o s e dad i f f e r e n t i a ls p a c e t i m em o d u l a t i o nb a s e do nd o p p i e rc o d i n g ( d c d s t m ) s c h e m e ，w h i c h i sf i tf o rr a p i d l yt i m e s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s u s i n gt h es p a c e f r e q u e n c yd u a l i t yo fc h a n n e l s ，d c d s t mc a nt r a n s l a t ef r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l si n t ot i m e s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s ，t h r o u g hw h i c h d o p p l e rc o d i n gi si n t r o d u c e dt oa c h i e v et h ei n h e r e n td o p p l e rd i v e r s i t yg a i n sp r o v i d e db yt h et i m e s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s a f t e rc a l c u l a t i o na n da n a l y s i so ft h ea v e r a g ep a i rw i s ee r r o rp r o b a b i l i t y ( p e p ) o fd c d s t m ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a td c d s t mc a na c h i e v ef u l ld i v e r s i t yg a i n s ，i e ，t r a n s m i td i v e r s i t yg a i n sa n dd o p p l e rd i v e r s i t yg a i n s ，a n dt h u sp r e s e n tg o o dp e r f o r m a n c eu n d e rr a p i d l yt i m e s e l e c t i v ef a d i n g c h a n n e l s f i n a l l y ，t h ea d a p t i v es p a c e t i m ec o d i n ga n dm o d u l a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e n s t u d i e d b a s e do nt h ee l r o rr a t ep r e d i c t i o nu n d e ri n s t a n t a n e o u sc h a n n e l s ，a na d a p t i v e s p a c e t i m ec o d i n ga n dm o d u l a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e d ，w h i c hc o m b i n e sm o d u l a t i o n a n dc o d i n gs c h e m e s ( m c s ) w i t hm i m ot r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g i e s i tc a na d a p t i v e l y c h o o s et h eb e s tt r a n s m i s s i o nm o d eb a s e do ni n s t a n t a n e o u se r r o rr a t ep r e d i c t i o nt o m a x i m i s et h et h o u g h p u to rs p e c t r a le f f i c i e n c yu n d e rt a r g e te l r o rr a t ep e r f o r m a n c e p r e d e f i n e d w ea l s op r o p o s e da ni n s t a n t a n e o u se r r o rr a t ee v a l u a t i o nm o d e l t or e a l i s et h ea d a p t i v et r a n s m i s s i o ns c h e m ea n dt h e ng a v et h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fe f f e c t i v es i g n a lt on o i s er a t i o ( s n r n ) ，a v e r a g em u t u a li n f o r m a t i o np e rb i t ( m m ) ，a n d c o r r e s p o n d i n ge r r o rr a t em a p p i n gc u r v e s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea d a p t i v e v 上海交通大学申请博士学位论文 s p a c e t i m ec o d i n ga n dm o d u l a t i o ns c h e m eo u t p e r f o r m sf i x e ds p a c e t i m ec o d i n ga n d m o d u l a t i o ns c h e m e s m o r e o v e r ，t h ea d a p t i v es p a c e - t i m ec o d i n ga n dm o d u l a t i o n s c h e m eb a s e do ni n s t a n t a n e o u se r r o rr a t ep e r f o r m a n c eh a sm o r ea d v a n t a g e sw i t h r e s p e c tt od a t ao u t p u ta n ds y s t e mr e l i a b i l i t yc o m p a r e d w i t ht h ec o n v e n t i o n a la d a p t i v e s p a c e t i m ec o d i n ga n d m o d u l a t i o ns c h e m e sb a s e do na v e r a g ee r r o rr a t ep e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：s p a c e t i m ec o d i n g ，m i m o o f d m ，d i f f e r e n t i a ls p a c e t i m e m o d u l a t i o n ， a d a p t i v es p a c e t i m ec o d i n g ，t i m e s e l e c t i v ef a d i n g ，f r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n g - 一 符号说明 符号说明 c o l u m nv e c t o r m a f f i x t h ef me l e m e n ti nv e x t o tx h e r m i t i a nt r a n s f o r mo fm a t r i xx t h ee l e m e n t i n t h e 产r o w a n d t h e n m c o l u m no fm a t r i xx i d e n t i t ym a t r i xw i t hd i m e n s i o nm x f f r o b e n i u sn o r m r e a lp a r to fc o m p l e xn n m b e r x t r a n s p o s eo fm a t r i x 工 i n v e r s eo fm a t r i xx d e t e r m i n a n to fm a t r i xx a b s o l u t ev a l u eo fc o m p l e xn u m b e r x r a n k o f m a t r i xx c o n j u g a t i o no f c o m p l e xn u m b e r x c e i l i n gi n t e g e r f l o o ri n t e g e r m e a n v e c t o rc o m p o s e do ft h ed i a g o n a le l e - m e n t si nm a t r i xx v e c t o r 0 l o g a r i t h mb a s e do n1 0 n a t u r a ll o g a r i t h m c a r d i n a l i t yo fs e t 妒 k r o n e c k e rp r o d u c t 列矢量 矩阵 矢量工的第f 个元素 矩阵x 的h e r m i t i a n 变换 矩阵x 第t 行第n 列的元素 m m 单位阵 f 范数 复数x 的实部 矩阵x 的转置 矩阵x 的逆 矩阵x 的行列式 复数石的绝对值 矩阵x 的秩 复数工的共轭 上取整 下取整 均值 矩阵x 的对角元素构成的矢量 矢量0 以1 0 为底的对数运算 自然对数 集合妒的基数 克罗拉克乘积 工x m 舻虬 k喇邮旧邮。石h剐啡 。崦璺川。 上海交通大学申请博士学位论文 f r x ) t r a c e o p e r a t i o n o f m a t r i x x 矩阵x 的迹 m a ) 【f 1 c a l c u l a t et h em a x i m u mv a l u e 求最大值 m i n ( 1 c a l c u l a t et h em i n i m u mv a l u e 求最小值 凼昭 工) d i a g o n a l m a t r i xw h o s ed i a g o n a le l e - 矢量工对角化 m e n to b t a i n e df r o mv e c t o r x p ( ) p r o b a b i l i t y f u n c t i o n 概率函数 一一 英文缩略语表 a o a a o d a s a w g n b e m b e r b f b 3 g c d m a a 签m c s l d c d s t m d l s t c d u s f m d u s t m e e s m e t s l f d d f d m a f f r 英文缩略语表 a n g l eo fa r r i v a l a n g l eo fd e p a r t m e n t a n g l es p r e a d a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b a s i ce x p a n s i o nm o d e l b i te r r o rr a t e b e a mf o r m i n g b e y o n dt h i r dg 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 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea o o e s s c a p a c i t ye f f e c t i v es n r m e t r i c c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d o p p l e rc o d i n gb a s e dd i f f e r e n t i a ls p a c e t i m em o d u l a t i o n d i a g o n a ll a y e r e ds p a c c - t i m ec o d e d i f f e r e n t i a lu n i t a r ys p a c e f r e q u e n c ym o d u - l a t i o n d i f f e r e n t i a lu n i t a r ys p a c e - t i m em o d u l a t i o n e x p o n e n t i a le f f e c t i v es n rm e t r i c e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d s i n s t i t u t e f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x 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 h s tf b u t t e rt r a n s f o r m 信号到达角 信号离开角 散射角度 加性白高斯噪声 基扩展模型 误比特率 波束成形 超三代移动通信 码分多址 基于容量的有效信噪 比度量 信道状态信息 基于多普勒编码的差 分空时调制 对角分层空时码 差分酉空频调制 差分酉空时调制 基于指数的有效信噪 比度量 欧洲电信标准委员会 频分双工 频分多址 快速傅立叶变换 上海交通大学申请博士学位论文 g s t f g r o u ps p a c et i m ef r e q u e n c y分组空时频 h l s t ch o r i z o n t a ll a y e r e ds p a c e - 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l i n e o f - s i g h t非视距 o f d m 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 正交频分复用 p ap o w e ra l l o c a t i o n 功率配置 p e pp a i r w i s ee r r o rp r o b a b i l i t y 成对差错概率 p e rp a c k e te r r o rr a t e 误包率 r m sr o o tm