（信号与信息处理专业论文）无线通信中空时分组编码技术的研究.pdf

北京邮电大学博士学位论文摘要 摘要 无线移动信道的开放性和移动性决定了其极度的随机性，所以会导 致时间选择性衰落或频率选择性衰落。分集技术是对抗无线移动信道衰 落的有效方法。空问分集利用收发两端安置多个天线实现，不会牺牲带 宽效率。利用空间分集的m i m o 技术是近代数字通信技术中最显著的技术 突破，它是解决未来业务容量的瓶颈的有效途径。空时编码技术是研究 多天线配置下，如何实现发送信息流到天线之间的映射，以获得最大的 增益。 在现有的各种空时编码技术中，空时分组编码技术最突出的优点在 于：空时分组编码技术在获得较高的分集增益和频谱效率的同时，收发 端的信号处理都相对最为简单，因此其实用性比较强。因此，空时分组 编码技术引起了研究者的极大关注，而且最近几年得到了很大的发展。 本论文对无线通信中空时分组编码技术的几个问题进行了研究，主 要工作可概括如下： 1 空间相关m i m o 信道下正交空时分组码分集增益的研究 m i m o 系统中的空间信道往往具有相关性，而分集增益是衡量空时码 性能的重要指标。我们将k r o n e c k e r 空间相关信道模型下正交空时分组 码分集增益的结果推广到了一般的空间相关信道模型，提出了此时分集 增益的定理，然后利用两种方法对定理予以了证明。 2 发端进行功率分配的闭环空时分组码的研究 在信道衰落比较慢的时候，发射端可以利用接收端反馈的信道状态 信息来提高系统的性能和容量。我们提出了正交空时分组码的一种新的 不等功率分配方案。然后从理论上证明该方案要优于普通的等功率分配 方案和已提出的一种不等功率分配方案，并通过仿真进行了验证。我们 还把这种方案推广到了闭环s t b c 一0 f d m 系统中。 3 空时分组码c d m a 系统的信道估计算法的研究 信道估计的准确度和复杂度问题是影响m i m o 系统商用的一个重要 因素。我们提出了一种适合于空时分组码c d m a 系统的半盲信道估计算 法，并通过仿真验证了其性能。 关键词： 空时分组编码 空间相关信道闭环空时分组码功率分配方案 信道估计 北京邮电大学博士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t n l ec h a n n e lf o rw i r e l e s sm o b i l ec o m m m f i c a t i o mi sv e r yr a n d o mb e c a u s eo fi t so p e n a n dm o b i l ep r o p e r t y t h e s ew i l ll e a dt ot i m e - s e l e c t i v eo r 矗e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n g d i v e r s i t yt e c h n i q u e sa r ew i d e l yu s e dt or e d u c et h ee f f e c t so fw i r e l e s sm o b i l ec h a n n e l f a d i n g s p a c ed i v e r s i t yc a l lb ee x p l o i t e db yp l a c i n gm u l t ia n t e l m a sa lt h et r a n s m i t t e ro rt h e r e c e i v e rw i t h o u ts a c r i f i c i n gt h eb a n d w i d t h n 地s y s t e m sw i t hm u l t ia n t e n n a sa r ec a l l e d m i m os y s t e m s ，a n dm i m ot e c h n i q u e sa r et h em o s te m i n e n tp r o g r e s si nc o m m u n i c a t i o n f i e l d s i tm a yb eo n eo f t h ep r o m i n e n tw a y st os o l v et h eb o t t l e n e c ko f t h es e r v i c ec a p a c i t y s p a c e - t i m ec o d i n gi sat e c h n i q u et og e tt h em a x i m u ma d v a n t a g e si nm u l t ia n t e n n a s s y s t e m s o fa l lt h ee x i s t i n gs p a c e - t i m ec o d i n gt e c h n i q u e s ，s p a c e - t i m eb l o c kc o d i n gt e c h n i q u e h a sa no u t s t a n d i n gv i r t u e ：t h ed i v e r s i t yo r d e ra n dp e r f o r m a n c ec a nb ea c h i e v e dw i t ht h e s i m p l e s ts i g r l a lp r o c e s s i n ga tb o t ht h et r a n s m i t t e ra n d r e c e i v e r s os p a c e t i m eb l o c kc o d i n g t e c h n i q u eh a sr e c e i v e dg r e a ta t t e n t i o na n dg a i n e ds i g n i f i c a n td e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r s s p a c e t i m eb l o c kc o d i n gi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni sr e s e a r c h e di nt h et h e s i s ，t h e m a i nc o n t r i b u t i o n so f t h i st h e s i si n c l u d et o ： 1 r e s e a r c h e so nd i v e r s i t yo r d e ro fo s t b cu n d e rs p a t i a lc o r r e l a t e dm i m o c h a n n e l s i nm i m os y s t e m s ，s p a t i a lm i m oc h a n n e l su s u a l l yh a v ec o r r e l a t i o n a tt h es a m e t i m e ，d i v e r s i t yi sa ni m p o r t a n ti n d e xt od e s c r i b et h ep e r f o r m a n c eo fs t b c w e g e n e r a l i z e d t h e r e s u l to fd i v e r s i t yo r d e ro fo s t b cu n d e rk r o n e c k e rs p a t i a l c o r r e l a t i o nm o d e lt ot h ed i v e r s i t yo r d e ru n d e rg e n e r a ls p a t i a lc o r r e l a t e dm o d e l ， p r o p o s e dat h e o r e m ，a n dt h e nt h e o r e t i c a l l yp r o v e dt h er e s u l t 2 r e s e a r c h e so nc l o s e d - l o o ps t b cw i t hp o w e ra l l o c a t i o ni nt xa n t e n n a s r e s e a r c h e sh a v ed e m o n s t r a t e dt h ev a l u eo ff e e d i n gb a c kt ot h et r a n s m i t t e r i n f o r m a t i o na b o u tc h a u n es t a t eo b s e r v e da tt h er e c e i v e r w ep r o p o s e dan e wp o w e r a l l o c a t i o ns c h e m eo fo r t h o g o n a ls p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g ，a n dt h e nt h e o r e t i c a l l yp r o v e t h a tt h en e ws c h e m ec a na c h i e v eab e t t e rp e r f o r m a n c et h a nb o t hc o n v e n t i o n a lo s t b c w i t he q u a lt r a n s m i t t e dp o w e ra n do s t b cw i t hu n e q u a lt r a n s m i t t e dp o w e rh a v i n g b e e np r o p o s e db e f o r e w ea l s og e n e r a l i z e do u rs c h e m et ot h ec l o s e d l o o ps t b c o f d ms y s t e m s i i ! ! 塞堂皇查兰苎主兰堡垒塞 垒呈! ! 坠曼1 3 r e s e a r c h e so nc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi ns p a c e - t i m eb l o c kc o d i n gc d m a s y s t e m c h a n n e le s i m a t i o ni sa ni m p o r t a n tf a c t o rt om f l u n c et h em i m os y s t e m su s e di n p r a c t i c e w ep r o p o s e d as e m i = b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h ma d a p t e d t o s p a c e t i m eb l o c kc o d i n gc d m as y s t e m , a n d t h e ns i m u l a t e di t sp 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 eb l o c kc o d i n g ；s p a t i a lc o r r e l a t i o nc h a n n e l ；c l o s e d - l o o ps t b c p o w e r a l l o c a t i o ns c h e m e ；c h a n n e le s t i m a t s o n i i i 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 移动通信发展概貌 第一章绪论 当今社会已进入了信息时代，并且社会信息化的进程越来越快。通信作为当今 社会中信息获取和交流的主要的工具和信息传递手段，已经渗透到社会的各个领域 当中，例如经济建设、国防、交通、教育以及日常生活等等，因此通信在当今信息 社会扮演着不可替代的重要角色。 移动通信作为通信中的一个重要分支，它能很好的解决人们在活动中与固定终 端或其他移动终端进行通信联系的要求，可以大大提高工作效率，节约人力、物力 和时间，提高社会效益和经济效益，因此现在己成为众多通信领域中得以高速发展 的分支之一 1 】。未来的个人通信要求人们能够在“任何时间( w h e n e v e r ) 、任何地点 ( w h e r e v e r ) 、都能与任何人( w h o e v e r ) 交流信息”，这也促使着通信技术得以不断 向前发展。尤其是在过去的二十年，移动通信系统得到了飞速的发展。移动系统经 过了第一代模拟移动通信系统、第二代数字移动通信系统到今天的第三代移动通信 系统，无线局域网( w l a n ) 的商业产品也纷纷问世。可阱这么说，移动通信系统 的发展极大地提高了人们的工作效率和生活质量，而人们对无线通信服务要求的增 长推动未来通信技术的发展。 当今社会，移动用户数迅速增长，人们对移动通信的各种需求和要求也与日俱 增。从国内来看，根据信息产业部2 0 0 4 年7 月2 1 日的最新统计数字【2 】，截止到2 0 0 4 年6 月底，国内移动电话用户已经达到3 0 5 2 8 3 亿户，移动电话普及率已达到2 3 7 。从全球来看，据预计，到2 0 1 0 年，全球移动用户数达到1 8 亿。另一方面，从 业务量预测来看，t 9 9 9 2 0 1 0 年，预计面向话音业务的用户数将增长1 5 倍，业务 量增长2 倍：而在2 0 1 0 年以后，语音类业务将停止增长，多媒体业务迅速膨胀。从 整个上下行链路看，话音业务和多媒体业务量的比率将达到1 ：2 。可见，用户对高 速移动数据业务及多媒体业务的需求越来越迫切，急需一种新的能够提供全球漫游， 支持多媒体业务且有足够容量的移动通信系统，现在全球正在研制的第三代移动通 信系统和将来的移动通信系统，其出发点正是基于以上的需求。 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 1 2 论文研究背景 众所周知，在经历了第一代模拟通信、第二代数字通信的发展后，移动通信已 经发展到目前各国正在积极研发的第三代宽带数字移动通信系统，它的发展方向是 大系统容量、高服务质量、多业务( 话音、图象、数据等) 。与第一、第二代移动通 信系统相比，第三代移动通信系统的主要特征是可以提供移动多媒体业务，包括高 速移动环境中( f d d ：5 0 0 k m h ，t d d ：1 2 0 k m h ) 支持速率为1 4 4 k b i t s 的业务，步 行慢速移动环境( 3 0 k m h ) 中支持速率为3 8 4 k b i t s 的业务，室内环境( 3 k i n h ) 支持速率达2 m b i t s 的业务。国际电联i t u 自1 9 9 7 年开始征集i m t 2 0 0 0 的无线传输 技术方案，提交到i t u r 的r t t 技术共有1 0 多种，主要包括w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、 t d s c d m a 3 - s 等。 由于3 g 的核心网没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构，所以第三代 移动通信系统被普遍认为是一个窄带向宽带过渡的阶段，目前，人们把目光投向了 第三代以后的或称为4 g 移动通信系统中，使其可容纳更多的用户数、改善现有的通 信质量、以及达到更高数据传输速率。目前，3 g 的商业化刚刚开始起步，但人们开 始研究后3 g 或者4 g 通信系统，尽管下一代无线通信系统规范还未统一，但有一点 是肯定的：下一代无线通信系统要支持比3 g 系统更高的数据传输速率，能有效支持 无线多媒体通信和高速宽带i n t e r n e t 接入。目前3 g 系统支持和的最高数率达到 2 m b s ，因此，对4 g 系统的一个普遍的期望是支持2 0 m b s 以上的数率，比3 g 系统提 高一个数量级氓7 “。要实现如此高速率、高质量的多媒体无线数据传输，采用传统的 单发单收系统已经不能满足系统容量的提高。除了在数据传输速率上的要求外，一 种关于4 g 系统的理解为不仅包括蜂窝电话，还包括很多新类型的通信系统，如宽带 无线接入系统等；新的4 g 系统的显著特征是：多媒体通信、无线接入宽带固定网和 不同系统之间的无缝漫游。 然而，无线移动信道的传播环境比较恶劣，它的三个动态特性使得仅仅利用现 有的移动通信网络无法实现上述目标。这三个动态特性是： 信道的动态性：由传播的开放性和信道参量变化的时变性造成； 用户的动态性：由接收环境的复杂性( 市区、郊区与农村) 和接收地点的随机 可变性决定； 业务的动态性：由于用户可随机自由选择不同媒体的通信方式，而且各类用户 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 不同媒体业务要求互不干扰。 对于研究物理层的人员来说，需要寻找更好的无线接入解决方案。新的无线通 信系统接入为满足新的要求必将使用一系列先进的技术，物理层上采用何种技术作 为新一代具有良好应用前景的技术值得我们投入相当的科研力量进行研究，为掌握 新一代的通信系统技术打下基础。下面将详细说明几种可供选择的主要的物理层技 术，并对它们进行简单的比较。 ( 1 ) 多元调制和编码技术 1 2 - 1 3 l 要想提高信息的有效传输速率，一个简单的办法就是不能采用二迸制调制( 如 b p s k ) ，而应该采用多元调制方式，如m p s k 和m q a m 等。但是采用多元调制时带 来的一个问题就是不可避免的造成星座点密度的增加，减少了它们彼此之间的有效 距离，为了达到同样的误码率，以保证调制符号的可靠传输，发射端必须提高功率。 在衰落信道环境下，信号往往在时间上呈现大范围的波动，为保证用户始终处于高 信噪比环境，可以采用各种分集方法，例如频率分集、时间分集和空间分集等。采 用多个天线的空间分集是常用的方法，接收端可以通过各种分集合并方法提高接收 端的信噪比，例如最大比合并( m r c ) 、等增益合并以及选择合并等等合并方式。另 外，多元调制与适当的编码方式相结合可以进一步提高系统的频谱效率。传统网格 编码调制【1 4 】( t c m ) 方法只能提供有限的分集，最近提出的比特交织编码调制 ( b i , c m ) 方法，将编码和调制作为两个分离的部分考虑，b i c m 以比特交织代替符号 交织，增加了码字的分集数，使编码信号更适合在衰落信道传输。 ( 2 ) 多载波及正交频分复用 0 f o m ) 技术“” 在移动通信信道中，由多径传播带来的时延扩展到城市地区大致为几微秒至数 十微秒，这样就会带来码间串绕0 s o 。对于低速传输的数据，由于信道的最大时延小 于符号周期，不用均衡技术就可以消除i s i 。而在高速数据传输时，多径效应会产生 严重的i s i ，即使用非常复杂的均衡技术也很难完全消除i s i 。多载波发射或者o f d m 是一种非常适合在多径环境中传输的技术，其基本原理就是将一个高速数据流分解成 多个低速数据流，以并行的方式在多个子信道( 子载波) 发射，由于各个子载波上传 输的数据率比较低，这样使得在每个子载波中符号周期都小于信道的最大时延，从而 解决i s i 问题。由于o f d m 可以将频率选择性衰落信道改造成多个并行的平坦衰落 信道：将m i m o 技术与o f d m 系统有效的结合起来将可以大大提高系统容量【1 引。 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 o f d m 技术与交织技术、信道编码技术有效的结合起来，可以更好的对抗码间干扰， 这已成为移动通信环境中抗衰落技术的研究方向。 ( 3 ) 多输入多输出( m i m 0 ) 传输技术“”1 信息理论的研究结果表明：在存在丰富散射的无线信道，收发两端均采用多天 线，并假设每对收发天线之间的信道是相互独立的瑞利衰落信道，即m i m 0 系统可以 获得比单发单收系统更高的容量，为了实现这种容量的增长，人们提出许多空时信 号处理技术，包括分层空时结构o ”和空时码。2 - z 4 1 技术。 关于多入多出传输技术和空时码技术，我们将在第二章做比较详细的介绍，并 重点介绍空时分组码。 上面列出了三种提高频谱效率的方式，第二种方式虽然能提高频谱效率，实际 上o f d m 就是一个在频率域空间的并行传输技术。其系统容量的确随其并行子信道 ( 子载波) 的增加而线性增长。但遗憾的是由于它过分强调了并行信道之间无干扰， 在其容量增长的同时其系统带宽也成比例增长。第一种方式假如在信道环境比较好 的情况下，确实能够提高频谱效率，但是在移动通信环境中，信道条件如上述所讲 的比较恶劣，这样就不能无限制的提高系统的频谱效率。因而多输入多输出( m i m o ： m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 技术成为了第三代和未来移动通信系统实现高数据速 率、系统容量，提高传输质量的重要途径。3 g p p 标准就已经采用了空时发射分集 ( s t i r ：s p a c e t i m e t r a n s m i td i v e r s i t y ) 及闭环发射分集方式( c l o s e dl o o pt r a n s m i t d i v e r s i t y ) 作为w c d m a 系统中的发射分集方案圆，而3 g p p 2 标准采用空时扩频 ( s t s ：s p a c e - t m a es p r e a d i n g ) 和正交发射分集( o t d ：o r t h o g o n a tt r a n s m i td i v e r s i t y ) 作为c d m a 2 0 0 0 系统中的发射分集方案刚。3 g p p 标准增强型采用了分层空时结构 ( l a y e r e ds p a c e t i m ea r c h i t e c t u r e ) 来实现高数据速率传输，同时也采用空时发射分集 来提高传输质量。而智能天线技术在3 g p p 标准的t d d 模式中得到应用口7 1 。以上的 发射分集、分层空时结构、智能天线都属于m i m o 技术的范畴。 在现有的各种空时编码技术中，空时分组编码技术最突出的优点在于：空时分 组编码技术在获得较高的分集增益和性能的同时，收发端的信号处理都相对最为简 单，因此其实用性比较强。因此，空时分组编码技术引起了研究者的极大关注，而 且最近几年得到了很大的发展。 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 1 3 本文的主要内容 本文将重点研究无线通信中的空时分组编码技术，具体内容安排如下： 第二章回顾了m i m o 信道、m i m o 技术和空时码技术，重点介绍空时分组编码技术 并简单概括了空时分组码技术的主要研究方向。 第三章研究了空间相关信道下的空时分组码。在实际的传输环境中，不同天线 间的空间信道往往存在一定的相关性。例如，在移动终端采用多根天线，由于受到 体积的限制，天线间的距离不可能太大，因此天线间会存在相关性。在这一章中， 我们首先介绍了空间相关信道的一般模型以及它的一种特殊模型( k r o n e c k e r 模型) 。 然后给出了在空间相关信道的一般模型下的空时分组码的分集增益的定理，并利用 两种方法对这个定理予以证明。 第四章研究了闭环空时分组码。首先，我们回顾了二发一收的空时分组码系统 的等功率分配方案以及已经提出的一种不等功率分配方案，然后把这两种方案推广 到了任意收发天线数的空时分组码系统。最后，我们提出了正交空时分组码的一种 新的不等功率分配方案。对这个新的不等功率分配方案，我们首先从理论上证明了 该方案要优于等功率分配方案和已提出的那一种不等功率分配方案，然后从容量和 性能的角度考察了这种新的不等功率分配方案与等功率分配方案和已提出的那一种 不等功率分配方案相比的优点。最后把这种方案推广到闭环s t b c o f d m 系统中。 第五章考虑了一种空时分组码c d m a 系统的信道估计问题。首先我们提出了种 空时分组码c d m a 系统，然后提出了适合于这种空时分组码c d m a 上行系统的盲信道 估计算法和改进的半盲信道估计算法，并通过仿真验证了其性能。 最后，我们在第六章对全文进行了总结，概括了本文的主要结论，并提出了论 文未来需要进行的工作。 j ! 塞堂皇查兰苎主兰堡笙奎 兰= 兰丝笙 1 4 本章参考文献 1 吴伟陵，“移动通信中的关键技术”，北京邮电大学出版社，2 0 0 0 年1 1 月。 2 h t t p ：w w w m i i g o v c n m i i h o m e p a g e n s f d o c u m e n t v i e w 2 0 0 4 0 7 2 1 2 2 3 4 a b 7 1 5 8 2 d 2 8 5 7 d 5 4 8 2 5 6 e d 9 0 0 1 2 1 1 2 8 7 0 p e n d o c u m e n t 3 】h t t p ：w w w 3 9 p p o r # 4 h t t p ：w w w 3 9 p p 2 o r g 5 李世鹤，李军，“t d s c d m a 系统在频率利用方面的优势”，中国无线电管理，2 0 0 2 年第四期 6 o h m o r i ，s y a m a o ，y ；n a k a j i m a , n ， t h ef u t u r eg e n e r a t i o n so f m o b i l e c o m m u n i c a t i o n sb a s e do nb r o a d b a n da c c e s s t e c h n o l o g i e s ”，i e e ec o m m u n m a g a z i n e ，v 0 1 3 8 ，i s s u e ：1 2 ，d e c 2 0 0 0 ，p p 1 3 4 1 4 2 7 v i n c e n th u a n ga n dw e i h u az h u a n g ，“q o s o r i e n t e da c c e s sc o n t r o lf o r4 gm o b i l e m u l t i m e d i ac d m ac o m m u n i c a t i o n s ”，i e e ec o m m u n m a g ，v 0 1 4 0 ，i s s u e3 ，m a r c h 2 0 0 2 ，p p 1 1 8 - 1 2 5 8 b e r e z d i v i n ，r ；b r e i m g ，r ；t 0 p p ，r - ， n e x t - g 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 n s c o n c e p t sa n dt e c h n o l o g i e s ”，i e e ec o m m u n m a g ，v 0 1 4 0 ，i s s u e3 ，m a r c h2 0 0 2 ， p p 1 0 8 1 1 6 9 】j gp r o a k i s ，“d i g i t a lc o m m u n i c a t i o n ( f o u r t he d i t i o n ) ，n e wy o r k ：m c g r a w h i l l ， 2 0 0 1 1 0 】a k l e i n ，b s t e i n e ra n da s t e i l ，“k n o w na n dn o v e ld i v e r s i t ya p p r o a c h e sa sa p o w e r f u lm e a n st oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo f c e l l u l a rm o b i l er a d i os y s t e m s ，”i e e e j s e l e c t a r e a so nc o m m u n ，v 0 1 1 4 ，p p 1 7 8 4 - 1 7 9 5 ，d e c 1 9 9 6 【1 1 wc j a k e s ，m i e r o w a r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，n e w y o r k ：w i l e y , 1 9 7 4 1 2 a j g o l d s m i t ha n ds gc h u a , “a d a p t i v ec o d e dm o d u l a t i o nf o rf a d i n gc h a n n e l s ” i e e et r a n s o nc o m m u n ，v 0 1 4 6 ，p p 5 9 5 6 0 2 ，m a y1 9 9 8 13 】s c a t r e u x ，ve r c e g ，d g e s b e r ta n dr w h e a t hj r 。 a d a p t i v em o d u l a t i o na n d m i m oc o d i n gf o rb r o a d b a n dw i r e l e s sd a t an e t w o r k s ，i e e ec o m m u n i c a t i o n s m a g a z i n e ，v 0 1 4 0 ，p p 1 0 8 - 1 1 5 ，j u n e 2 0 0 2 6 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 【1 4 】gu n g e r b o e c k ，“c h a n n e lc o d i n gw i t hm u l t i l e v e l p h a s es i g n a l s ，”i e e et r a n s i n f o r m t h e o r y , v 0 1 2 8 ，p p 5 6 - 6 7 ，j a n 1 9 8 2 1 5 】x l ia n dj a r i t c e y , “t r e l l i s - c o d e dm o d u l a t i o nw i t hb i ti n t e r l e a v i n ga n di t e r a t i v e d e c o d i n g ，”i e e ej s e l a r e a sc o m m ，v 0 1 1 7 ，p p 7 1 5 7 2 4 ，a p r i l1 9 9 9 1 6 a r s b a h a ia n db r s a l t z b e r g ，m u l t i c a r t i e rd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n s t h e o r y a n d a p p l i c a t i o n so f o f d m ，n e w y o r k ：k l u w e r a c a d e m i cp u b l i s h e r s ，1 9 9 9 1 7 】赵亚红，正交频分复用( o f d m ) 系统中的若干技术研究，北京邮电大学博士论文， 2 0 0 2 【18 】y ( g ) l i ，j c h u a n g ，a n dn r s o l l e n b e r g e r , t r a n s m i td i v e r s i t yf o ro f d ms y s t e m s a n di t si m p a c to nh i 曲一r a t ed a t aw i r e l e s sn e t w o r k s ，”i e e ej s e l e c t a r e a sc o m m u n ， v 0 1 1 7 ，p p 1 2 3 3 1 2 4 3 ，j u l y1 9 9 9 1 9 m a b e a c h d rm c n a m a r a ，r n f l e t c h e r , m i m o as o l u t i o nf o ra d v a n c e d w i r e l e s sa c c e s s ? ”1 l t hi n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo n a n t e n n a sa n dp r o p a g a t i o n 1 7 2 0 a p r i l2 0 0 1 2 0 f o s c h i n ig j a n dg a n sm j ，“o nt h el i m i t so f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si na f a d i n g e n v k o n m e mw h e nu s i n gm u l t i p l ea n t e n n a s ，”w t r e l e s sp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s ，v 0 1 6 ，n o 3 ，p p 3 1 1 - 3 3 5 ，1 9 9 8 【2 1 【3 】f o s c h i n igj ，“l a y e r e ds p a c e t i m ea r c h i t e c t u r ef o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni na f a d i n ge n v i r o n m e n tw h e nu s i n gm u l t i e l e m e n ta n t e n n a s ，”b e l ll a b st e c h n i c a lj o u r n a l ， v 0 1 1 ，n o 2 ，p p4 l _ 5 9 ，a u t u m n1 9 9 6 2 2 t a r o k hv ，s e s h a d r in ，c a l d e r b a n ka ，“s p a c e - t i m ec o d e sf o rh j 【g i ld a t ar a t ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ：p e r f o r m a n c ec r i t e r i o na n dc o d ec o n s t r u c t i o n i e e et r a n s a c t i o n so n i n f o r m a t i o nt h e r o y , v o l u e ：4 4 ，i s s u e ：3 ，m a r 1 9 9 8 ，p p ：7 4 4 7 6 5 2 3 】vt a r o k h ，h j a f a r k h a n i ，a n da c a l d e r b a n k , “s p a c e - t i m eb l o c kc o d e sf r o m o r t h o g o n a ld e s i g n s ，”i e e et r a m i n f o r m t h e o r y , v 0 1 4 5 ，p p l 4 5 6 - 1 4 6 7 ，j u l y1 9 9 9 2 4 a l a m o u t is m ，“as i m p l et r a n s m i td i v e r s i t yt e c h n i q u ef o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ” i e e ej s e l a r e a sc o m m ，v 0 1 1 6 ，p p l 4 5 1 1 4 5 8 ，o c t 1 9 9 8 2 5 1 3 g p p 2 c s 0 0 0 2 一a , p h y s i c a ll a y e r s t a n d a r df o rc d m a 2 0 0 0 s p r e a ds p e c t r u m s y s t e m s ，p u b l i c a t i o nv e r s i o n ”j u n e2 0 0 0 2 6 】3 g p p , ”t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n2 5 ，2 1 i , v 0 1 3 2 01 p h y s i c a tc h a n n e l sa n dm a p p i n go f 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 t r a n s p o r tc h a n n e l so n t op h y s i c a lc h a m a e l s ( f d d ) , m a r 2 0 0 0 2 7 】3 g p p ”t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n2 5 2 0 1 ，v 0 1 4 0 0 ，t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o ng r o u pr a d i o a c e s sn e t w o r k ：p h y s i c a ll a y e r - g e n e r a ld e s c r i p t i o n ( r e l e a s e4 、”m a r 2 0 0 1 s 北京邮电大学博士学位论文第二章m i m o 技术及空时码回顾 2 1 引言 第二章m i m o 技术及空时码回顾 第三代移动系统移动时最高3 8 4 k b s 的传输速率，静止时2 m b s 的传输速率对于 实现移动多媒体业务只是一个最初的步骤，它与有线网络的信息传输速率还有相当 大的距离，其中空中接口的传输率是主要瓶颈。如果要进一步实现高速无线通信， 除了开发新频段，加大带宽，采用带宽受限的高效的编码、调制和分集技术是非常 必要的。b e l l 实验室对m i m o ( 多入多出) 信道容量的研究2 1 3 1 ，使我们对时域 和频域资源以外的一个很重要的资源一空域引起了足够的重视，从理论上指出了一 个很好的扩容的手段，充分利用无线信道的具有空、时和频三维的特点。可以预见， 对于未来一代更高速的移动通信，要解决空中接口传输的瓶颈，必须对现有的编码 调制分集方式迸一步改进，联合优化。空时编码技术便是这样一种技术，它可以取 得容量与性能增益的较好折衷，它对于未来下一代移动通信极具魅力，是当今世界 通信领域研究的最大热点之一【4 】i s 6 1 。 本章将比较详细地介绍m i m o 技术和空时码技术，并重点介绍空时分组码技术。 安排如下：第二节介绍m i m o 信道，第三节介绍m i m o 系统的原理、信息论基础以 及在3 g 中的应用问题，第四节介绍了m i m o 系统的空时信号处理技术，包括空间 复用和空时编码技术。第五节叙述概述空时分组码及其信号模型，第六节比较详细 的介绍空时分组码技术的主要研究方向。第七节对本章进行小节。 2 2m i m o 信道 在本节，我们先介绍一般的移动无线信道的传播特性，然后介绍m i m o 信道。 2 2 1 移动无线信道的传播特性 移动通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。通信信道是发射端和接收 端之间物理媒质的总称，在发射机与接收机之间提供了物理连接，它是任何一个通 信系统不可缺少的组成部分。按传输媒质的不同，物理信道分为有线信道和无线信 北京邮电大学博士学位论文第二章m i m o 技术及空时码回顾 道两大类。有线信道的传播特性是平稳的和可预测的。移动无线信道的传播特性是 十分复杂的，当发射机发射信号时，电磁波与传播环境中的各种物体( 如建筑物、山 脉、街道、树木和运动的车辆等) 进行相互作用，无线信道不象有线信道那样固定并 可预见，而是具有极度的随机性。 无线信道的传播一般涉及三种基本传播方式：波的散射( s c a t t e r i n g ) 、反射 ( r e f l e c t i o n ) 和绕射( d i f f r a c t i o n ) ，这些方式将会导致信号出现路径损耗( p a t h l o s s ) ，它是指电波在空间传播时所产生的损耗，它反映了信号传播在宏观大范围( 几 百米或几千米) 的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势，所以被称为大尺度 衰落，又叫路径损失。除此之外，一般无线移动通信的信号还要经历慢衰落和快衰 落如图2 1 所示。 其中慢衰落又称长期衰落、阴影衰落，是由于障碍物的遮挡引起的，一般服从 对数态分布。由于传输环境中的地形起伏及建筑物及山丘阻挡所产生的阴影而产生 的衰落损耗。它反映了中等范围内几百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗， 一般遵从对数正态分布，其变化率较慢。快衰落又称为小尺度衰落，会引起信号幅 度急剧变化，是影响信号衰落的主要因素。 乏 褂 雷 心 地 距离( 对数) 图2 一l某一衰落信号的路