（信号与信息处理专业论文）mimo系统中闭环空时分组码的研究.pdf

南京邮i 乜人学硕i j 研究生学位论文 摘要 摘要 现代移动通信系统中，基于多输入多输, w , ( m i m o ) 的空时编码技术，可以实现高频谱 效率的无线传输，而且具有很强的抗多径衰落能力，因而能够全面提高通信质量和通信系 统容量。 目前空时码主要有三类，而空时分组码因其结构简单、译码复杂度低和良好的性能而 成为空时编码中应用最广泛的编码技术。本文主要研究的是具有反馈的空时分组码，发射 端利用接收端反馈回来的信道信息来调整发射策略，从而提高系统的性能。 本论文详细介绍了m i m o 系统中空时分组码的编译码算法，分析了目前空时分组码 的研究现状，就常见的几种空时分组码的结构和性能作了简介。并在此基础上深入研究了 闭环模式的空时分组码，通过引入反馈，使系统的性能优于传统空时分组码。本文首先研 究了幅度反馈的空时分组码，利用反馈的信息对发射天线的发射功率进行控制，实现了功 率的合理分配：然后研究了相位反馈的空时分组码，利用反馈信息调整发射信号的相位以 达到最佳接收，提高了系统的分集增益：并且针对上一种相位反馈的缺点，给出了一种性 能更优的扩展空时分组码。本文通过m a t l a b 仿真，全面分析比较了各种方法的性能。 关键词：多输入多输出，空时码，空时分组码，反馈，闭环模式 南京邮电人学硕 j 研究生学位论文 摘要 a b s t r a c t s p a c e t i m ec o d i n g ，b a s e do nm i m ot e c h n o l o g y f o rm o d e mm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，n o to n l yc a r la c h i e v et h eh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c yi nw i r e l e s st r a n s m i s s i o n ，b u ta l s oh a s t h ep o w e r f u la b i l i t yt oe x t e r m i n a t em u l t i - p a t h sf a d i n g s oi tc a r lg r e a t l yi m p r o v et h eq u a l i t yo f c o m m u n i c a t i o ns e r v i c ea n dt h ec a p a c i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s r e c e n t l y , t h e r ea r et h r e et y p e so fs p a c e - t i m ec o d i n g , w h e r es t b c ( s p a c e - t i m eb l o c k c o d i n g ) h a st h ew i d e s ta p p l i c a t i o nb a s e do ni t s s om a n ya d v a n t a g e ss u c ha st h es i m p l e c o n s t r u c t i o n ，l o wd e c o d i n gc o m p l e x i t ya n dg o o dp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rr e s e a r c h e sm a i n l yo n t h ec l o s e d - l o o ps t b cw h e r e b yt h et r a n s m i t t e ra d j u s t st h et r a n s m i t t i n gs t r a t e g yw i t ht h e f e e d b a c kc s if r o mt h er e c e i v e ri no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m i n t h i st h e s i s ，w ei n t r o d u c et h ee n c o d i n gan dd e c o d i n ga l g o r i t h m so fs t b ci nm i m o s y s t e m sa n da n a l y s et h er e s e a r c ha tp r e s e n t t h es t r u c t u r e sa n dp e r f o r m a n c e so fd i v e r s i f i e d s t b ca r ea l s om e n t i o n e ds i m p l yf u r t h e r m o r e ，w ei n v e s t i g a t et h ec l o s e d l o o ps t b cw h i c hh a s b e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h et r a d i t i o n a ls t b c f i r s t ，w er e s e a r c ht h es t b cw i t hs c o p ef e e d b a c k ， w h i c hc o n t r o l st h ep o w e ro ft r a n s m i t t e ru s i n gf e e d b a c kt or e a l i z es u i t a b l ed i s t r i b u t i o no f p o w e r t h e n ，t h es t b cw i t hp h a s ef e e d b a c kc a l la d j u s tt h ep h a s eo ft h et r a n s m i ts i g n a l si no r d e r t oa c h i e v et h eb e s tr e c e i v i n ga n di m p r o v et h ed i v e r s i t yg a i n t oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g eo f t h i sm e t h o d ，w ep r o p o s ea ne x t e n d e ds t b cw i t hb e t t e rp e r f o r m a n c e f i n a l l y , t h ec o m p a r i s o n a n da n a l y s i so ft h em e t h o d sa b o v ea r em a d eb ym a t l a bs i m u l a t i o n k e y w o r d s ：mi m o ，s p a c e t i m ec o d e s ，s t b c ，f e e d b a c k ，c l o s e d l o o p l i 南京邮电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 含为获得南京邮电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已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：! 塑劾毫日期：逝塑! 兰! 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：! 重 勃叁导师签名：勉日期：业望：竖呈 一，扫 南京邮i 乜人学顽l j 夥 究生学位论义 第一章绪论 1 1 无线通信的发展与现状 第一章绪论 在2 0 世纪，移动通信技术以其超乎寻常的发展速度不断改善着人们的生活质量。1 9 6 2 年贝尔实验室申请了蜂窝通信概念的专利，但到2 0 世纪7 0 年代末才研制出蜂窝移动通信 系统，大规模商用的是n m c l 1 、n m t 4 5 0 、a m p s 、t a c s 和n m t 9 0 0 等系统。也就是 从2 0 世纪8 0 年代起才被认为是第一代移动通信的开始。第一代移动通信的特点是模拟信 号频率调制f m 、频分双i ( f d d ) 和频分多址f d m a ，基于电路交换技术。 在第一代移动通信投入商用后的几年，逐步展丌了以提高频谱利用率为目标的第二 代移动通信的研究。1 9 8 2 年北欧的n o r d i c 电信和荷兰邮电向欧洲邮电会议提议开发新的 数字蜂窝移动通信标准以满足欧洲移动网的需要，c e p t 成立了移动通信特别研究组 ( g s m ) 开发泛欧公共陆地移动通信系统。1 9 8 7 年，g s m 选定基于时分多址( t d m a ) 的无 线传输技术( r t t ) 。随后几年欧洲电信标准组织( e t s i ) 以国际标准为目标完成了g s m 9 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z ( d c s ) 的规范，1 9 9 2 年世界上第一个g s m 网在芬兰投入运营。与此 同时，1 9 8 9 年日本开发了p d c 系统，1 9 9 1 年被确定为日本标准，该系统使用t d m a 技 术，工作在8 0 0 m h z 和1 5 g h z 之间，1 9 9 4 年实现商用；美国1 9 9 1 年开发出i s 5 4 、 i s 1 3 6 ( d a m p s ) 系统，也使用t d m a 技术，它们被统称为第二代移动通信系统，其出现 相距第一代移动通信系统整整1 0 年。第二代移动通信系统多址方式为t d m a ，是多时隙 共用一个载波的结果，使得它较f d m a 频谱利用率提高整数倍。 因特网的应用及业务的飞速拓展不可避免地影响着无线通信领域。诸如实时流媒体、 在线互动游戏等这些业务正在大规模推广中。人们对这类业务的需求推动了无线数据传输 技术的发展。第二代移动通信系统的目标是提供电路交换型语音和低速数据业务，为了满 足人们对图像、语音、数据相结合的多媒体业务和高速率数据业务的需求，第三代移动通 信系统的研发和建设自2 0 世纪8 0 年代起就成为通信领域的一大亮点。目前全球有代表性 的第三代移动通信主流无线接口标准有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a ，它们都被 国际电联( i t u ) 写入了第三代移动通信技术指导文件。2 0 0 4 年，全球第三代移动通信进入 快速发展时期。在网络方面，截止到2 0 0 4 年9 月底，全球共有1 1 8 个3 g 网络正式商用。 第三代移动通信系统无一例外地采用了c d m a 技术，依托该项技术的优势( 多种形式的分 集、软切换、语音激活、频率再用、扇区化等) ，第三代移动通信系统能够提供高质量的 多媒体业务，并具有足够的系统容量。 南京| i i i f i u 人学硕i j 研究生学位论文 第一章绪论 在3 g 系统还没有大规模投入商用的情况下，国内外移动通信领域的专家已经在进行 第四代移动通信系统的研究和开发工作。2 0 世纪9 0 年代早期，欧洲就开始第四代移动通 信系统的研究，其目标速率是l o o m b i t s ，预期在2 0 1 0 年左右投入商用。i t u r 的w p 8 f 工作组也估计下一代移动通信系统将在2 0 1 0 年左右投入商业运行。第四代移动通信系统 采用t多先进技术( 宽带接收机、智能天线、空时编码、高性能的功率放大器、先进的 调制解调技术等) ，同3 g 等已有的数字移动通信系统相比，它将具有更高的数据率、更 好的业务质量、更高的频谱利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的传输质量、更 高的灵活性。 1 2 本文的研究背景 随着因特网和多媒体应用在下一代无线通信中的集成，宽带高速数据通信服务的需要 j 下在不断增长。由于可用无线频谱资源的有限性，高数据速率只能通过高效的信号处理来 实现。信息论领域近期的研究表明，在无线通信中使用多输入多输出( 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 ) 技术可以显著地提高通信的容量，并改善无线通信系 统的性能，非常适合下一代移动通信系统中高速率业务的要求。m i m o 技术是现代无线移动 通信领域重大的技术突破，它利用空间中增加的传输信道，在发射端和接收端采用多天线 同时发送和接收信号。由于各发射天线同时发送的信号占用同一个频带，所以在带宽不增 加的情况下，系统容量比单输入单输出( s i s o ，s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统有成倍 地增加，同时频谱利用率也能够得到提高【l 】【2 】。因此，m i m o 系统己经成为近几年的研究热 点。 广义的m i m o 技术涉及广泛，主要包括发射分集技术和空间复用技术【3 】。其中，发射分 集技术指在不同的天线上发射包含同样信息的信号( 信号可能并不相同) ，从而达到空间分 集的效果。近几年来，发射分集由于其只需在基站端增加天线，实现起来比较简单，因而 受到了人们的关注。发射分集技术本质上有个共同点，那就是接收端不管采用什么方法都 必须能够区分出来自不同天线的信号，使它们合并在一起，从而获得分集增益。 空时编码的基本理论由t a r o k h s e s h a d r i 和c a l d e r b a n k 于1 9 9 8 年提出的一种基于发射 分集的编码技术【4 】。t a r o k h 等人认为，如果在发射端采用适合多天线传输的编码技术，同 时在接收端进行相应的信号处理技术，能获得很大的性能增益，这样就能够实现数据的高 速传输。这一编码技术实质上是时间和空间上的二维编码，因此被称为“空时码。这是 在s h a n n o n 极限定理指导下采用多维空问处理有效提高容量潜力的一个明显例证。在m i m 0 2 南京邮f 乜入学颀 ：研究生学位论文第一帝绪论 系统中空时编码可以使信息容量接近理论容量，能够有效的利用频谱资源、抵抗干扰，是 一种较实用的编码。空时编码在无线通信领域取得了广泛的应用和飞速的发展。 1 9 9 9 年，t a r o k h 在a l a m o u t i 研究的基础上【5 】，应用正交设计理论，提出了著名的空时 分组码( s p a c e - ti m eb l o c kc o d e s ，s t b c ) 【6 】。空时分组码的编码部分采用正交设计，因此 可以得到最大的发射分集增益，并且，它的译码部分采用基于线性处理的最大似然估计， 故其具有很低的译码复杂度。空时分组码正是由于其简单的译码方法和较好的性能，是研 究和应用最为广泛的一种空时编码技术。 1 3 本文的研究内容和结构安排 传统的空时分组码只需要在接收端利用信道信息进行译码，而在发射端不需要知道任 何信道信息。如果我们能用不高的代价把接收端获得的信道信息反馈给发射端，发端通过 得到的信道状态信息来调整发射策略( 线性预编码、发射功率调整、天线选择技术等) ，那 么就可以提高系统的容量，也可以提高系统的性能。因此，目前许多学者己经着眼于将接 收端获得的部分信道信息反馈给发射端的空时分组码，称之为“闭环的空时分组码”。本 文就具有反馈的闭环空时分组码作了大量的研究，分别讨论了幅度反馈和相位反馈，并对 此作了大量的仿真。 全文分为五章，文章的具体结构安排如下： 第二章首先介绍了无线信道的特征，然后从分集和容量两方面论述了m i m o 系统的基 本原理，显示了m i m o 的优越性能。 第三章讨论了空时编码技术，在介绍空时分组码基本原理的基础上，分析了目前的研 究现状以及存在的问题。详细论述了空时分组码的编码、译码方法，给出了a l a m o u t i 空 时码( 两发一收的空时分组码) 以及多发射天线的空时分组码的编码结构。同时简介了扩展 的空时分组码技术准j 下交空时分组码和差分空时分组码。并通过系统仿真，对其性能 进行了分析。 第四章是本文的重点，介绍了闭环的空时分组码，即有反馈的空时码，给出了幅度反 馈的空时分组码和相位反馈的空时分组码，并就相位反馈部分探讨了一种新的扩展空时分 组码设计方法。 第五章对全文工作的总结和未来工作的展望。 南京邮i u 人学硕i ：研究生学位论文第一二章m i m o 系统的皋奉原理 第二章m i m o 系统的基本原理 随着蜂窝移动通信、因特网和多媒体业务的发展，世界范围内无线通信的容量需求f 在迅速增大，然而可利用的无线频谱资源却相对有限。如果通信频谱的利用率没有得到显 著的提高，那么就不可能满足通信容量的需求。 现在无线通信的不可靠性主要是由于无线信道的时变和多径特性引起的衰落造成的， 如何抵抗无线信道的衰落是移动通信中要解决的问题。分集技术是无线系统中抵抗衰落的 一种基本技术。目前无线移动通信系统面临的挑战是如何提高数据的传输速率和业务的服 务质量，由于频谱有限和其他一些原因，系统容量得不到满足，使得传输速率成为无线通 信发展的瓶颈。理论和实践证明m i m o 系统能在不增加频谱带宽的条件下，成倍地提高无线 通信系统的传输容量，使得m i m o 的应用也越来越多。 m i m o 系统采用多天线收发，不仅能获得分集上的增益，还可以提高系统的容量，本章 将从分集和容量这两个方面介绍m i m o 系统的基本原理。 2 1 无线信道的时变和多径特性 在无线通信中，发送信号在无线信道传输的过程中会遭受大尺度衰落和小尺度衰落， 大尺度衰落是指无线信号在传播中由于散射、反射、绕射等导致信号出现路径损耗以及信 号空问传播时受到地形起伏、高大建筑阻挡引起的阴影衰落，反映了信号传播在宏观大范 围的空问距离上的接收信号电平平均值的变化趋势；小尺度衰落是指无线信号在较短时间 和较小距离范围内经历的信号幅度的快速变化，影响的因素包括：多径传播、移动台的运 动速度、环境物体的运动速度、信号的传输带宽。这两种衰落会降低系统的可靠性，由于 我们考虑的系统主要受信道的时变和多径的影响，在这里主要讨论小尺度衰落，本论文研 究的内容也是主要针对小尺度衰落的，通常情况下遭受小尺度衰落的信号幅度会呈现瑞利 分布或莱斯分布。本论文中经过信道传输的信号幅度假设都是瑞利分布，不考虑莱斯分布。 小尺度衰落主要是由于信道的多径和多普勒频移引起信道的时变性造成的，这一节中简单 介绍一下无线信道的时变和多径特性。 无线移动信道的主要特征是多径传播，即接收机所接收到的信号是通过不同的直射、 反射、折射等路径到达接收机。由于电波通过各个路径的距离不同。因而各条路径中发射 波的到达时间、相位都不相同。不同相位的多个信号在接收端叠加，如果同相叠加则会使 信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度。这样，接收信号的幅度将会发生急剧变化， 4 南京邮j u 人学硕i ：研究生学位论文第二章m i m o 系统的甚奉原理 就会产生衰落。多径传播导致了信道的时间色散，根据最大时延扩展f 咄和符号间隔e 的 关系可以将信道分为平坦衰落信道和频率选择性信道( 也可以根据信道相关带宽吃与信号 带宽e 的关系来分) 。其中 ( 曲) 。上 ( 2 1 ) f “ 无线信道的时变性是由于发射机和接收机的相对运动或者信道中其它物体的运动引 起的，当信号的发送机和接收机在作相对运动时，接收信号的频率会发生变化，当它们作 相向运动时，接收信号的频率将会变大，作反向运动时，接收信号的频率将减小，这种现 象就是多普勒效应。可以用下式来表示这个关系： 乃= f o - vc o s o ( 2 2 ) 其中，厶是接收信号的频率，五是发送信号的频率，y 是发送机和接收机之间的相对速度， c 是光速，秒是移动方向与电波入射方向的夹角。 多普勒扩展描述了无线信道的时变性引起接收信号频谱展宽程度，若发射机发送一个 频率为五的单频信号，由于多普勒效应，接收信号将包括石一厶3 0f o + 五的频谱分量，其 中五是最大多普勒频移，扩展的频谱称为多普勒频谱。把接收信号多普勒频谱中不等于0 的频率范围定义为多普勒扩展，用表示，若基带信号的带宽忍远大于，多普勒扩展 的影响可以忽略。 从时域来看，与多普勒扩展相对应的另一个概念就是相干时间乃( c o h e r e n c et i m e ) ， 根据相干时间瓦和符号间隔z 之问的关系，可以将信道分为快衰落和慢衰落信道。 快衰落的条件是 互乏 ( 2 3 ) 皿 ( 2 4 ) 慢衰落的条件是 乃乃 ( 2 5 ) e 易 ( 2 6 ) 南京邮l 乜人学颂一1 j 研究生学位论文 第二章m i m o 系统的埔奉原理 其中 瓦= 半 阻7 ) 其中厶是最大的多普勒频移，厶= 五兰。 2 2 分集技术 在无线移动通信中存在着随时间、空间和频率变化的信号衰落。大量经历不同衰落信 号的叠加可能会导致破坏性结果，但同时也提供了在特定条件下利用多个衰落信号分量接 收判决从而提高可靠性的自由度。分集便是利用多径效应最有效的手段。分集的作用是以 某种形式提供信号的副本，多路独立或高度不相关的路径传送相同的信号并在接收端按特 定方法合并，大大降低判决错误的概率。 分集有两重含义：一是分散技术，即如何得到多个携带同一信息的、统计独立的衰落 信号。分散的方法有时间、频率和空间等。二是合并技术，即如何把收到的多个统计独立 的衰落信号进行适当的合并，从而降低衰落的影响，改善系统性能。 2 2 1分集种类 1 时间分集 在不同时隙上发送相同的信息可以实现时间分集，接收端接收到不相干的衰落信号。 所需的最小时间间隔要大于或者等于信道的相干时间或者衰落速率的倒数l 厶= c 讥。在 数字通信系统中，通常使用差错控制编码以获得相对于未编码系统的编码增益。在移动通 信中，一般使用差错控制编码结合交织技术来实现时间分集。时间分集的缺点之一就是由 于在时自j 域上引入了冗余，使得带宽利用率受到损失。 2 频率分集 使用许多不同的频率发送相同的信息。发射频率的间隔必须足够大，从而保证每个频 率的衰落是独立的。发射频率间隔是信道相干带宽的几倍以上，这样就能保证不同频率的 衰落统计特性是互不相关的。和时间分集一样，由于频率域上引入冗余，频率分集也使得 带宽的利用率收到损失。 3 空间分集 空间分集也称为天线分集。典型的空间分集是在发射端接收端由空问上分丌排列的多 6 南京邮电人学硕l ：研究生学位论文 第二章m i m o 系统的犟奉原理 个天线或天线阵列来实现的。多个天线在物理空间上分开一定的距离，使得各个天线接收 的信号互不相关。天线间隔的大小随天线高度、传播环境和频率的不同而有所不同，一般 问隔几个信号波长就能获得不相关的信号。在空间分集中，发射信号是以空间冗余的形式 到达接收端的，与时问分集和频率分集不同，空间分集不会带来带宽利用率上的任何损失， 这一特性对未来的高速无线数据通信是很有吸引力的。 根据发射或接收是否使用多天线，可以把空间分集分为两类：接收分集和发射分集。 接收分集是在接收端使用多根天线接收发射信号的独立副本，合理合并发射信号的副本能 够降低多径衰落的影响，并且提高总的接收s n r ；发射分集则是在发射端使用多根天线， 信号经发射机处理后从多根天线上发射出去，实现起来比较简单，因而得到了人们的关注， 成为研究的热点。 2 2 2 分集合并方法 分集技术的关键在于不同分集子信道同时出现深衰落的概率较小。使用分集技术的通 信系统性能通常取决于接收端如何合并多个信号副本来提高总的接收s n r 。根据接收端实 现的复杂性和合并方法所需的信道状态信息，主要有四种合并技术，即：选择合并、切换 合并、最大比合并( m r c ) 和等增益合并( e g c ) 。 1 选择合并 选择瞬时s n r 最高的支路信号。在实际使用中，由于s n r 很难测量，一般采用信号和 噪声功率之和( s + n ) 最大的信号。 2 切换合并 接收机扫描所有的分集支路，并选择s n r 在特定的预设门限之上的特定分支。在该信 号的s n r 降低到所设的门限值之下之前，选择该信号作为输出信号。当s n r 低于设定的门 限时，接收机开始重新扫描并切换到另一个分支。 对于选择合并和切换合并而言，两者的输出信号都是只等于分集分支中的一个信号。 另外，它们也不需要知道信道状态信息，因此，这两种方案既可用相干解调也可用非相干 解调。 3 最大比合并( m r c ) 最大比合并是一种线性合并方法。各个输入信号分别按权重相加在一起得到输出信 号。加权因子的选择可以有多种方式。由于此方法能达到最大的输出s n r ，因此也叫最优 合并。已经证明，最大输出s n r 等于单个信号的瞬时s n r 的和【7 1 。此方案中各信号必须同 南京邮电人学坝t ：o f s 7 生学位论义 第二章m i m o 系统的龋奉原理 相，并且用各自相应的幅度加权后求和。另外，需知道信道衰落幅度和信号的相位信息， 因此只能用于相干检测。 4 等增益合并( e g c ) 等增益合并是一种次优但比较简单的线性合并方法。它无需估计各个分支的衰落幅 度，而是将加权因子的幅度设为单位值1 。等增益合并的性能只是在边缘上比最大比合并 差，而其复杂性比最大比合并低许多。 2 2 3 发射分集 早期的空间分集研究集中于接收分集技术，技术已经比较成熟。发射分集技术是这几 年新兴的研究方向。在目前的蜂窝移动通信系统中，由于下行链路( 从基站到移动台) 信道 一般是未知的，加上移动终端体积、功率和价格的限制，很难在移动终端设计多个天线来 实现接收分集。为了改善下行传输条件，比较实际可行的解决办法是采用发射分集，即在 发送端采用多根天线，而在接收端采用单根天线或多根天线接收。发射分集降低了接收端 所需的处理功率，因此能简化接收系统的结构，降低功耗和成本。而且，发射分集可以和 接收分集结合使用，进一步提高系统性能。 发射分集的方案大体可以分为两类：有反馈的方案和无反馈的方案。前者依赖于发 射机端的信道信息，该信息需通过反馈信道来获取，而对后者而言，发射机不需要信道的 任何信息【4 】【。2 】【1 3 】。 1 有反馈的发射分集 在通信过程中，如果信道衰落速度不是很快，也即衰落为慢衰落时，我们可以用不 高的代价把接收机获得的信道信息反馈到发射端，发端通过得到的信道状态信息来调整发 射策略，可以提高系统的容量或性能。 这类分集方式调制信号按照不同的加权因子从多根发射天线发出。自适应选择发射 天线的加权因子使得信号功率或信道容量达到最大。在实际的蜂窝移动系统中，移动台和 周围环境的变化都会引起信道快速变化，使得信道估计和跟踪比较困难。信道估计不准确， 以及前一个状态和当前的信道条件之间不匹配都会降低接收信号的信噪比( s n r ) ，从而影 响整个系统的性能。另外采用了反馈信道，会减小系统的传输速率，如果反馈的信息越多， 就会占去越多的信道容量，大大影响系统传输速率，这与现代通信对传输速率的高速要求 背道而驰。因此要采用反馈需要注意：在节省带宽的前提下，尽量提高性能。 8 南京邮【u 人学硕l ：研究生学位论文第二章m 1 m o 系统的接奉原理 2 无反馈的发射分集 这类发射分集要发射的信息通常先在发射机端进行处理后再从多根天线发送出去。 为了使接收机能够利用接收信号内含有的信息，发射端需要设计合理的信号处理方法，接 收端使用信号检测技术来恢复发送的信息。 为了提高多天线发射的差错性能，将差错控制编码、调制和发射分集联合设计，把编 码、调制和多发射天线看作一个信号处理模块来实现，这样不会有带宽损失。适合多发射 天线的编码技术叫做空时编码。尤其应该在空间域和时间域添加合适的冗余设计进行编 码，从而给发射信号带来相关性。联合设计带来的好处是：空时码可以在不牺牲带宽的情 况下实现发射分集和获得一定的编码增益。空时码还可以和多根接收天线相结合来降低多 径衰落的影响，达到m i m o 系统的容量。 2 3m i m o 系统的信道模型 m i m o 信道模型如图2 一l 所示。 图2 1m i m o 信道模型 系统有唧个发射天线和个接收天线。h j , 为第f 个发射天线到第个接收天线的信道 衰落系数，服从独立同分布的复高斯分布。某一时刻信号 & ，s 2 ， 从脚个发射天线发 射出去，那么第j 个接收天线接收的信号可以表示为： 乃= 辱籼+ 乃 8 ， 9 南京邮| 乜人学顾l j 研究生学位论文 第二章m i m o 系统的皋奉原理 式中p 是发射信号的总能量，n ，为加性高斯白噪声( a w g n ) ，均值为0 ，方差为0 2 的独立 同分布复高斯随机变量。 如果有s = e s i , s 2 ， r ，y = y ，y 2 ， 7 ，n n i , n 2 ，, n n r r 那么，( 2 8 ) 式可以表示为： jn y = f 二- h s + n ( 2 - 9 ) 其中，h 为信道矩阵，h = 2 4m i m o 系统的信道容量 吃川。 2 4 1 发送端未知信道时m i m o 系统的容量 由于发送端对信道未知，所以通常情况下是等功率发送，也就是在每个天线上发送的 功率是相等的，若总的发送功率为p ，则每个发送天线的发送功率为p i n r 。发送信号的协 方差矩阵为：= e ( x x ) 由于发送功率是受限的，则尸= t r a n c e ( ) ，根据信息论可知，发送信号的最佳分布 是高斯分布，即发送信号是互相独立的高斯变量，根据高斯分布的特征可知如：! i 。， r l t 另外一个假设条件就是每个接收天线上的接收信号的功率等于总的发送功率，忽略由于传 输的衰落以及阴影效应和天线增益等因素的影响。 假设在接收端完全已知m i m 0 系统的信道响应，根据奇异值分解方法对h 进行分解可得： h = u d v 岸 ( 2 - 1 0 ) 其中u 、v 是酉矩阵，满足下面关系：u u = i ，w = i 唧，d 是对角阵，且对角线上 的元素是矩阵h 的奇异值，是非负的。 r = u d v x + n ( 2 一1 1 ) l o 南京邮i 乜大学硕i j 研究生学位论文 第一二章m i m o 系统的堪奉原理 两边分别乘以u ，根据酉矩阵的性质，可将m i m 0 系统等效为k 个单天线系统( s i s o ) ，k 是信 道矩阵的秩。由于这些子系统是相互独立的，这样m i m 0 系统的容量等效为几个子系统的叠 加，即： c = 和( - 哆) 其中b 是等效系统中接收端的接收信号功率，乃为h h 的特征值，盯2 为接收天线上的噪 声功率，根据前面假设可知： 仍：名三 ( 2 1 3 ) 仍2 以一 l z 一 把式( 2 - 1 3 ) 代入( 2 - 1 2 ) 得： c = 和( + 等) 然后根据特征矩阵和特征向量的关系，经过一系列推导，最后得到发送端在信道未知情况 下的信道容量： d c - l 0 9 2d e t ( 1 + 寿删勺( 2 - 1 5 ) 2 4 2 不同天线配置下信道容量 1 对于单发射天线、单接收天线( s i s o ) ，信道容量为： c = l 0 9 2 ( 1 + p 盯) ( b i t s h z ) ( 2 1 6 ) 式中h 为从发射天线到接收天线间的瑞利衰落系数，p = p i e r 2 为每根接收天线的平均接收 信噪比。 2 对于单发射天线、多接收天线( ) ( s i m o ) ， 接收端采用最大比合并时信道容量为： c = l 0 9 2 ( 1 + p h h ) ( b i t s h z ) ( 2 - 1 7 ) 接收端采用选择性合并时信道容量为： c = m a x l 。9 2 ( 1 + p - 2 ) = l 。9 2 ( 1 + p m a x j l 勺。1 2 ) ( b i t s 胁) ( 2 1 8 ) 式中h = 【j l z i 。，恐i ，一，h n r i 】7 为x l 的矩阵，h 表示为h 的h e 珈i t i a n 转置矩阵，即h 的复共 南京邮i 乜人学硕1 ：研究生学位论文 第二帝m i m o 系统的某奉原理 轭转置矩阵， “_ = l ，2 ，n ) 表示从发射天线到第根接收天线问的瑞利衰落系数。 3 对于多发射天线( 刀，) 、单接收天线( m i s o ) ，信道容量为： c = l 0 9 2 ( 1 + ( p n 7 _ ) h h 仃) ( b i t s h z ) ( 2 1 9 ) 式中h = 【啊。，j i i i ：，j i l i 脚】7 为竹x l 的矩阵，磊，( f = 1 ，2 ，竹) 是从第f 根发射天线到接收天线 间的复瑞利衰落系数。 4 对于多发射天线( n r ) 、多接收天线( ) ( m i m 0 ) ，信道容量为： c = l 0 9 2d e t ( 1 h + ( p i n 7 ) h h ) ( b i t s h z ) ( 2 2 0 ) 式中d e t ( x ) 表示对矩阵x 求行列式，i 卧是的单位矩阵，h 为信道矩阵。 单天线和多天线系统( 假设发射天线和接收天线根数相同) 的容量比较如图2 2 所 示。 n 工 们 怎 口 叫哪 饰 螺 帐 图2 2 单天线和多天线系统容量的比较 可以看出，在多天线系统中，随着天线数目的增加，系统容量也在不断的提高，而且 天线数目越多，容量提高的也越快；当天线数目足够多时，系统容量的增加与信噪比成线 性关系。这表明采用多天线系统会大大提高系统的容量，这也是空时编码可以增加无线通 信系统容量的理论依据。 南京邮电人学颀l ：研究生学位论义第一二章m i m o 系统的某奉原理 下面是发射端在已知和未知信道的状态信息时信道容量的比较如图2 3 所示。 n 毛 丑 删 馋 螺 帐 图2 3 已知和未知信道的状态信息时的信道容量的比较 从图中可以看出，在发射端已知信道的状态信息的条件下，系统的容量要比未知信道 的状态信息时的大。而且随着天线数目的增加，两种情况下信道容量的差别也在增大。因 此，对于m i m o 系统，如果接收端将信道的状态信息反馈给发射端，那么就可以提高系统 的容量。 2 5 本章小结 本章具体的介绍了m i m o 的基本原理，首先从无线信道的特征开始，引入了分集的概念， 然后分析了分集种类和发射分集，虽d m i m o 在系统性能方面的优势，紧接着讨论了m i m o 系统 的模型及其容量，证明了其在容量方面的提高，引入了空分复用。分集主要是提高性能， 而复用是为了提高传输效率，但是分集和复用不是相互独立的，m i m o 系统可以利用其增加 的容量来提高信息传输效率( 空分复用) ，也可以不提高信息传输效率通过增加信息的冗余 度( 空时编码) 来提高系统的性能。 南京邮电人学硕 ：研究生学位论文 第三章空时编码技术 第三章空时编码技术 在上一章中，我们了解到使用多根发射天线和多根接收天线可以使无线通信系统的容 量得到显著提高。自从f o r s c h i n i 得出平坦衰落m i m 0 信道的容量随发射天线和接收天线 数目中较少者线性增长的结论后【l4 1 ，人们找到了一个有效的方法来增加无线信道的数据 传输速率，提高通信质量，即适合多天线发射的空时编码技术。空时编码将信道编码技术 与阵列处理技术相结合，在多根发射天线和各个时间周期的发射信号之间产生空域和时域 的相关性，可以不需增加带宽，即可在接收端获得相应的分集增益和编码增益，从而大幅 度提高无线通信系统的信道容量和传输速率。 3 1 空时编码技术 空时编码的模型最早是美国的l u c e n tb e l l 实验室的f o r s c h i n i 提出的，并于1 9 9 6 年提 出了分层空时编码的概念，在此基础上他们开发出 b l a s t 试验系统【2 2 】。随后，美n a t & t 实验室的t a r o k h 博士领导的科研小组提出了空时格型码和空时分组码的方案，引起了通信 领域的一个空时编码研究的热潮。 分层空时码的最大特点是能取得高频谱效率。但是分层空时码不能提供分集增益，抗 衰落能力差，在无线局域网w l a n 中分层空时码倒是一种非常有竞争力的方案，但不适合 于衰落复杂多变的室外环境。 空时网格码是由t a r o k h 等人在1 9 9 8 年提出【4 】。它是由空时延迟分集发展而来的，而 空时延迟分集可以看作是空时网格码的一个特例。空时网格码具有卷积码的特征，它将编 码、调制、发射分集结合在一起，可以同时获得分集增益和编码增益，并且使得系统的性 能有很大的提升。 本文主要研究的是空时分组码，下面将作详细的介绍。 3 2 空时分组码技术 空时分组码( s p a c e t i m eb l o c kc o d e s ，s t a c ) 是t a r o k h 等人在a l a m o u t i 关于发射分集 研究工作的基础上，结合j 下交编码理论提出的。它是一种低复杂度的空时二维编码技术， 在发端采用正交编码的方式在各个天线上同时发送信号，接收端只要采用线性合并就可以 获得最大似然译码。s i q 3 c 要求各天线发射信号之间正交，这样不仅能够保证最大的分集 增益，而且还可以降低译码复杂度。空时分组码的研究和应用已经非常广泛，本章我们将 1 4 南京邮电人学硕 ：研究生学位论文第三帝空时编码技术 介绍分组码的鼻祖a l a m o u t i 码，t a r o k h 等人提出的正交空时分组码，j a f a r k h a n i 提出的准 正交空时分组码，以及不需要信道估计的差分空时分组码。 3 2 1 经典的a l a m o u t i 空时码 a l a m o u t i 编码是历史上的第一个空时分组码，是最简单的空时分组码，也是两发射 分集的方案。它采用两个发射天线，能够实现完全的发射分集。由于简单，a l a m o u t i 编 码已经被3 g p p ，w l a n 标准采用。 1 a l a m o u t i 编码 a l a m o u t i 空时分组码编码器的原理框图如图3 1 所示。 图3 1a l a m o u t i 空时编码器原理框图 2 假定采用m 进制调制方案。在a l a m o u t i 空时编码中，首先调制一组m ( m = l o g ：m ) 个信息比特。然后，编码器在每一次编码操作中取两个调制符号而和而的一个分组，并 根据如下给出的编码矩阵将它们映射到发射天线： x = 隆 给- ， 编码器的输出在两个连续发射周期里从两根发射天线发射出去。在第一个发射周期 中，信号x 2 同时从天线1 和天线2 分别发射，在第二个发射周期中，信号一蔓和i 同 时从天线l 和天线2 分别发射，其中耳是而的复共轭。 很显然，这种方法既在空间域又在时间域进行编码。分别用一和x 2 来表示天线1 和2 上的发射序列。 x 1 = 【一，一z ；】 南京邮i u 人学顾- _ 1 ：研究生学位论文 第二三章窄时编码技术 x 2 = 【而，并】 ( 3 2 ) a l a m o u t i 方案的主要特征是两根发射天线的发射序列是正交的，也就是说，序列x 1 和 x 2 的内积为0 ，即： x 1 x 2 = 五一蔓而= 0 ( 3 3 ) 接收端假设采用一根接收天线。h i 和h 2 分别为第一根发射天线和第二根发射天线到 接收天线的信道衰落系数，假定衰落系数在两个连续发射周期内保持不变。n l 和r 1 2 是每 一维均值为0 ，功率谱密度为n o 2 的独立加性高斯白噪声。则两个连续符号周期中的接 收信号可以表示为： ，；= j i l l 葺+ h 2 x 2 + ，l i 吒= 一j i l l + 7 岛耳+ 刀2 ( 3 4 ) 2 合并和最大似然详码 在接收机端能够完全恢复信道状态信息( c s i ) h l 和h 2 ，合并器通过合并接收信号 和信道状态信息构造产生两个判决统计： i = 舛+ 如哼 乏= 噬一啊彳 ( 3 5 ) 把( 3 - 4 ) 代入到( 3 - 5 ) 可得： x l = ( 阮1 2 + l 缟1 2 ) 而十耳+ 坞嘎 x 2 = ( 限1 2 + i 吃1 2 ) 屯一呓+ 绣，z i ( 3 6 ) 根据最大似然译码原理，合并后的信号根据以下判决式选择信号五： ( 限1 2 + l 红1 2 1 ) i 1 2 + d 2 ( i ，薯) ( 慨1 2 + i 吃1 2 1 ) i 吒1 2 + d 2 ( ，砟) ，v f 七 ( 3 7 ) 对于m p s k 信号，在给定的信号衰落系数下，( 1 1 2 + 1 吃1 2 - 1 ) l x , 1 2 ，v f 尼对于所有 的信号都是恒定的，因此式( 3 1 2 ) 判决准则可简化为： d 2 ( i ，葺) d 2 ( i ，诈) ( 3 8 ) 1 6 南京邮也人学硕上研究生学位论文 第三章窄时编码技术 3 2 2 基于正交理论的空时分组码 t a r o k h 等人在a l a m o u t i 码的基础上，提出了编码的正交设计，使得分集获得了两个显 著特性：一是正交设计使系统在满分