（信号与信息处理专业论文）mimoofdm系统中的空时检测算法研究与dsp实现.pdf

摘要 未来无线通信中日益增加的语音业务、数据业务和宽带i n t e m e t 业务，在传输速率、 服务质量和系统业务容量等方面的要求与目俱增，因而需要先进的无线通信技术以提高 频谱利用效率和链路可靠性。在过去的几十年中，无线通信领域已经取得了几项重大的 技术突破。其中，多输入多输出( m i m o ) 和正交频分复用( 0 f d m ) 技术在学术界和 工业界都得到了广泛的关注，本论文的主题正是m i m o o f d m 系统中的空时信号处理。 本文首先讨论了平衰落信道中的信号处理及检测技术。第2 章回顾了空分复用和空 时编码这两类m i m o 技术的研究现状。对于正交空时分组码( s t b c s ) ，考虑到当信道 不再满足准静止假设时，其传统检测算法将会受到单元间干扰( 1 e d 的影响从而呈现出 误差平台。我们提出了一种改进算法z f p i c ，该算法有效地提高了快衰落信道下信号 检测的鲁棒性。 第3 章和第4 章的讨论侧重于频率选择性衰落信道中的空时信号处理。第3 章介绍 了多载波通信技术，推导了m 1 m o - o f d m 系统的传输模型，并且给出了空频码的设计 准则。为了说明空频编码和空时编码的区别，我们以s f b c o f d m 和s t b c o f d m 为 例进行了性能分析。 第4 章提出了一种基于线性星座预编码( l c p ) 的m i m o o f d m 系统方案f u l l r a t e s f c ，并详细讨论了其发射端的空时信号处理和接收端的检测算法。由于实际系统中的 o f d m 子载波数通常较多，为了降低检测复杂度，我们进一步提出了一种f u l l r a t es f c 的简化检测算法。 第五章讨论了f u l l r a t es f c 检测算法的d s p 实现，并给出了一些在n 公司的 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 平台上开发定点程序的规则。 关键词：多输入多输出，正交频分复用，空时信号处理，单元间干扰， 空时编码，空频编码，线性星座预编码，简化检测 a b s t r a c t t h ei n c r e a s i n gd e m a n df o rh i g h e rd a t ar a t e s ，b e t t e rq u a l i t yo fs e r v i c e ，h i g h e rn e t w o r kc a p a c i t y a n dn s e l - c o v e r a g ec a l l sf o ri n n o v a t i v et e c h n o l o g i e st oi m p r o v es p e c t r a le f f i c i e n c ya n dl i n k r e l i a b i l i t y t om e e tt h i se n d ，s e v e r a lw i r e l e s s sc o m m u n i c a t i o na d v a n c e sh a v eb e e na c h i e v e d d u r i n gt h ep a s td e c a d e s a m o n gt h e s eb r e a k t h r o u g h s ，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 ) a n do 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 ( 0 f d m ) h a v ea t t r a c t e dt h em o s ta t t e n t i o ni n b o t ha c a d e m i ca n di n d u s t r yf i e l d s p a c e - t i m es i g n a lp r o c e s s i n gi nm i m o o f d ms y s t e m si s t h em a i nt o p i co f t h i st h e s i s w ef i r s tf o c u so u rd i s c u s s i o no ns i g n a l i n ga n dd e t e c t i o no v e rf l a tf a d i n gm i m oc h a n n e l s a r e v i e wo fr e s e a r c h e si ns p a t i a lm u l t i p l e x i n ga n ds p a c e - t i m ec o d i n g ( s t c ) i sg i v e ni nc h a p t e r 2 w h e nt h ec h a n n e li sn o ts t a t i co v e ras p a c e t i m ec o d i n gb l o c k s p a c e t i m eb l o c kc o d e s ( s t b c s ) w o u l ds u f f e rf r o ma l li r r e d u c i b l ee r r o rf l o o rd u et ot h ee x i s t e n c eo fi n t e re l e m e n t i n t e r f e r e n c e ( i e i ) t oi m p r o v et h er o b u s t n e s so fs t b c sa g a i n s tf a s tf a d i n g w ep r o p o s ea l l i m p r o v e da l g o r i t h mt e r m e dz f p i c c h a p t e r3a n d4a l ed e v o t e d t os p a c e - t i m es i g n a lp r o c e s s i n go v e r f r e q u e n c ys e l e c t i v ec h a n n e l s a f t e rd i s c u s s i n gm u l t i c a r r i e rc o m m u n i c a t i o n sa n dd e v e l o p i n gm i m o - o f d m s y s t e mm o d e l ， t h ec r i t e r i o n so f d e s i g n i n gs p a c e f r e q u e n c y c o d e sa r ei n t r o d u c e d t w os c h e m e s ， s f b c o f d ma n ds t b c - o f d m ，a l et a k e na se x a m p l e st od e m o n s t r a t et h ed i s t i n c t i o n b e t w e e ns p a c e - t i m ec o d i n ga n ds p a c e - f r e q u e n c yc o d i n g ( s f c ) i nc h a p t e r4 ，w ep r o p o s eam i m o - o f d ma r c h i t e c t u r eb a s e do nl i n e a rc o n s t e l l a t i o np r e c o d i n g ( l c p ) ，w h i c hi st e 肌e da sf u l l r a t es f c b o t hs p a c e - t i m es i g n a l i n ga tt h et r a n s m i t t e ra n d d e t e c t i o na tt h er e c e i v e ra r et r e a t e di nd e t a i l i nv i e wo ft h el a r g en u m b e ro fo f d mt o n e si n c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，w ef u r t h e rp r o p o s ea s i m p l i f i e dd e t e c t i o nm e t h o df o ro u rs c h e m ei n o r d e rt or e d u c et h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y f i n a l l y , t h ed s pb a s e di m p l e m e n t a t i o no ff u l l r a t es f cd e t e c t i o na l g o r i t h mi sd i s c u s s e di n c h a p t e r5 ，w h e r ew ea l s os h o ws o m ep r i n c i p l e so nf i x e d p o i n tp r o g r a m m i n gu s i n gt i s t m $ 3 2 0 c 6 4 1 6d sp k e y w o r d s ：m u l t i p l e - i n p u t - m u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) ，o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ，s p a c e t i m es i g n a lp r o c e s s i n g ，i n t e re l e m e n ti n t e r f e r e n c e ( i e i ) ，s p a c e - t i m ec o d i n g ( s t c ) ，s p a c e - f r e q u e n c yc o d i n g ( s f c ) ，l i n e a r c o n s t e l l a t i o np r e c o d i n g ( l c p ) ，s i m p l i f i e dd e t e c t i o n i i 图表目录 2 一l 平衰落m i m o 信道模型1 0 2 22 x 2m i m o 系统中四种检测算法的s e r 性能比较1 3 2 - 3 2 根发射天线的空时格码( 8 - p s k ，8 状态) 1 4 2 - 4 a l a m o u t i 的两发一收空时编码方案1 5 2 - 5 三种空时分组码的s e r 性能比较1 6 2 - 6 快衰落信道中的星座图弥散1 8 2 - 7 快衰落信道中正交空时分组码的性能恶化2 1 2 8 快衰落信道中四种接收机的s e r 性能比较。2 1 2 - 94 x 4m i m o 系统中p i c 与z f b l a s t 检测的s e r 性能比较2 2 3 1 子载波总数为1 6 的o f d m 功率谱密度2 4 3 - 2 m i m o o f d m 系统模型2 5 3 3 s f b c o f d m 编码2 8 3 - 4 s t b c o f d m 编码2 8 3 - 5o f d m ，2 x 2 和4 x 2s t b c o f d m 系统的s e r 性能比较3 1 3 - 63 径和5 径信道中2 x 2s t b c o f d m 系统的s e r 性能比较3 2 3 72 x 2 和2 x 4s f b c - o f d m 系统的s e r 性能比较3 2 3 83 径和5 径信道中2 x 2s f b c o f d m 系统的s e r 性能比较3 3 3 - 9 两种信道的幅频响应比较3 3 3 一l o 深衰落信道中s f b c - o f d m 的s e r 性能曲线3 4 4 - 1 l c p - o f d m 系统模型3 6 4 2 子载波分组示意图( k = 1 2 ，n o = 3 ，l = 4 ) 3 7 4 3 l c p - o f d m 和未编码o f d m 的s e r 性能比较3 9 4 - 42 阶信道中2 x 2 和4 4l c p o f d m 的s e r 性能比较3 9 4 - 5 深衰落信道中l c p o f d m 和未编码o f d m 的s e r 性能比较4 0 4 - 6 s t f b c 发射端编码框图4 0 4 - 7r a t e o n es f b c 发射端编码框图4 1 4 - 8r a t e o n es f b c 的空频码映射示意图4 1 4 - 9f u l l r a t es f c 发射端编码框图4 2 4 1 0f u l i r r r a t es f c 的子载波合并示意图4 3 4 1 12 x 4b l a s t - o f d m 和f u l l r a t es f c 的s e r 性能比较4 7 4 - 1 24 x 6b l a s t - o f d m 和f u l l - r a t es f c 的s e r 性能比较4 8 4 - 1 34 x 8b l a s t - o f d m 和f u l l r a t es f c 的s e r 性能比较4 8 4 1 4 简化检测算法与原算法s e r 性能比较5 2 5 11 m s 3 2 0 c 6 4 x 结构框图5 4 5 2 二进制补码格式及权值5 4 5 - 3d s p 代码开发流程5 6 5 - 4 格雷映射星座图( b p s k ，q p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m ) 5 9 三种检测算法的分集增益 三种基于l c p 的空频编码方案的比较 f u l l r a t es f c 系统的“检测邻域” f u l l - r a t es f c 检测算法的d s p 仿真结果( 2 发4 收) f u l l - r a t es f c 检测算法的d s p 仿真结果( 4 发8 收) v 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 他稻钉舶约 l 2 3 4 5表表表表表 东南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，也不包含为获得东南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： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、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) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名： 雄日 期： 第l 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 未来移动通信中日益增长的语音业务、数据业务和宽带i n t e m e t 业务，在传输速率、性能和系统 业务容量等方面对无线通信系统提出了更高的要求。为达到这个目的，仅利用更多的频谱资源是不 够的，因此人们想到利用无线信号的空间资源，也即利用多天线发送和接收信号。另一方面，由于 无线传播环境中的散射，反射和衍射造成的多径衰落是造成无线通信系统性能恶化的一个主要因素， 分集作为对抗衰落的一种有效技术长期以来一直受到人们的关注。常用的分集技术有时间分集，频 率分集，空间分集等【l 】。其中，空间分集技术由于不需要占用额外的传输时间或带宽而受到人们的 青睐。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 ) 通信系统在发射端和接收端都采用了 多天线结构，不仅系统的容鼍和频谱利用率可以成倍地线性增长，从而满足高传输速率、高传输性 能和高系统业务容量的要求，而且能够充分利用空间分集提高通信系统性能。与此同时，正交频分 复用( 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 ) 技术也在学术界和工业界都得到了广泛 的关注，o f d m 是一种高效的多载波传输技术，它将高速串行数据流通过串并变换，转化为传输速 率相对较低的数据流在一组子信道中传输。由于o f d m 中各子载波相互正交，在频域上各子信道相 互重叠，因而它能够提供比一般频分复用系统高很多的频谱利用率。综上所述，同时采用m i m o 和 o f d m 技术的通信系统已经成为未来通信系统最热门的候选方案之一，因此本文对m i m o o f d m 系 统中的空时信号处理【2 展开了详细的讨论。 1 2o f d m 技术概述 1 2 1o f d m 的发展历程 o f d m 技术最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期，但是c h a n g 等人【3 】在1 9 6 6 年首次阐明了我们现 在称之为o f d m 的技术，他提出一种在线性带限信道上同时传输多路信号的方法，可以同时避免信 道间干扰( i c hi n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 和符号间干扰( 1 s l ：i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。由c h a n g 提出的多信道传输系统与传统多载波传输技术的区别在于子载波的频谱可以相且叠加，其条件是它 们是相互正交的。 1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 4 将离散傅里叶变换( d f t ：d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ) 应用于o f d m 系统调制和解调，而d f t 可由快速傅里叶变换( f f t ：f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 高效地实现。这样系 统就无需用一组振荡器来产生多个子载波，而是通过基带处理实现频分复用，从而大大地降低了调 制解调的复杂度。为了消除线性时不变信道的i c l 和i s l ，他们提出通过插入一段空向区作为保护间 隔来消除o f d m 块间干扰，但是这并不能保证信号经过弥散信道斤各子载波仍保持正交性。 在o f d m 的发展过程中。另一个重要贡献应归功于p e l e d 和r u i z 5 。他们在1 9 8 0 年提出了循 环前缀( c p ；c y c l i cp m f i x ) 的概念，用于保持子载波的正交性。与通常在符号间插入空的保护间隔 的做法不同，他们提出在发射端做i f f t 之后将o f d m 符号的后一段样点值复制到该符号的前面作 为循环前缀，从而使得信道与传送符号之间的线性卷积等效为循环卷积，在接收端做f f t 之前先舍 弃循环前缀中的各样点。于是，当c p 长度大于信道的最大时延扩展时，可以消除前一个o f d m 块 的延迟分量对后一个o f d m 块造成的干扰。当然o f d m 系统中加入循环前缀，会带来发射功率和 东南人学硕士学位论文 传输速率的损失因此在实际系统中可以根据信道特性选择c p 的长度。 1 2 2o f d m 的优缺点 o f d m 技术的优点包括： o f d m 将频率选择性信道划分为一组平衰落的子信道并行传输数据，从而有效地减小了信道时 延扩展的影响，而且当循环前缀的长度犬于信道最大时延扩展时，接收机中可以不采用均衡器。 o f d m 的各子载波信道的频谱相互重叠，且每个子信道频域响应的峰值点恰为其它子信道频域 响应的零点，因而既保证了子载波的正交性，也充分利用了频谱资源。 可利用f f l y i f f t 快速高效的实现调制解调。 可以根据信道特性自适应地进行各子载波上的功率分配以及选择不同的调制方式，充分利用条 伺盎的予信道以提高系统性能。 然而，o f d m 技术也存在一些缺点： 与单载波系统相比，o f d m 对频率偏差更加敏感。无线信道的时变性造成的多普勒频移，或者 发射机和接收机本地振荡器的频率偏差都会破坏子载波的正交性，从而导致i c i 。 o f d m 存在较高的峰值平均功率比，这是由于o f d m 的输出信号由多个子信道上的信号叠加而 成，当这些信号的相位一致时，输出信号的瞬时功率会远远大于平均功率。高峰均比对发射机内的 线性放丈器提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号幅度的变化，就会造成信号波 形和频谱的畸变，因而破坏子载波的正交性。 1 2 3o f d m 的应用现状 目前，o f d m 技术已被众多无线传输标准采纳，比如数字音频广播( d a b d i g i t a la u d i o b r o a d c a s t i n g ) ，数字视频广播( d v b ：d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 。无线局域网( w l a n ：w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ) i e e e8 0 2 1 l a g 和h 1 p e r l a n 2 ，无线城域网( w m a n ：w i r e l e s s m e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k ) i e e e8 0 2 1 6 d 标准。此外，o f d m 也是未来移动通信系统的关键技术。可以预见， o f d m 技术具有广阔的发展前景。 1 3m i m o 技术概述 1 3 1m i m o 信道容量 信道容阜是指信道能够支持的展大无筹错传输速率，m i m o 系统在发送端和接收端之间建立了 多个空间子信道，t e l a t a r 6 和f o s c h i n i 7 都指出m i m o 信道的容量可以成倍线性增加。下面总结了 些平衰落m i m o 信道容量的有关公式。 对于一个，发| 。收的m i m o 系统。则有如下传输关系： 厅7 r ，f 詈h s + n ( 1 i ) v r 其中，r 为虬l 维的接收信号向量，h 为m r 维的信道矩阵，s 为坼1 维的发射信号向量， 且其协方差矩阵r 。= e s s ” 满足t r ( r 。) = _ ，使得发射信号总功率为e 。式( 1 1 ) 中n 表示方差 为0 的白高斯噪声向量。因此，m i m o 信道容量为： 2 c - 。黼 1 0 9 2 m + 矗剐“ n ：， 其中，信道容量c 的单位是b i f f s h z ，d e t ( ) 表示矩阵行列式 如果发射端无法获知信道信息，只能假设各发射天线上的信号相互独立且能量相等，即r 。= i ， 则此时的信道容晕为： c = - 。s ： a e t ( 心+ - e 札, h i t “ c t 3 ， 若将m i m o 信道矩阵进行奇哥值分解为：h = u d v ，则m i m o 信道容量可表示为： c - 舡【矗叫 n ， 式中。，表示信道矩阵h 的秩，而 ，i = l 2 ，则为h h 8 的非零特征值。可见m i m o 信道的容量 可以分解为r 个s i s o 子信道的容量之和。若发射端己知信道信息，可以对各子信道进行功率分配， 使式 i 2 ) 取得最人值，即：， c 一* ( h 器叫 s ， 式中，一= 加2 表示了各自信道上的功率分配，且满足力= r 。最优的一组一应当满足： 一= ( 一哿卜乩：r 其中( x ) 定义为： + = 位鬟 ( 1 6 ) ( 1 7 ) 满足式( 1 6 ) 的展佳功率分配可由“注水算法”求得【2 】。 以上讨论了确定m i m o 信道的容量，对于衰落m i m o 信道，其信道容量是一个随机变量，通常 用遍历容量( e r g o d i cc a p a c i t y ) 和中断容量( o u t r a g ec a p a c i t y ) 来描述。遍历容量是指随机m i m o 信 道容量的集总平均，故发射端未知信道信息时的遍历容鼋为： 嘞小矗丑 s ， 而发射端已知信道信息时的遍历容量为： m 怿9 2 1 + 最丑 n ， 中断容量用于衡量某个信道容量取值的置信度，g 的中断容量e 表示： e ( c c q ) = g ( 1 1 0 ) 也就是说，对于( 1 0 0 一g ) 的信道实现都能保证不小于q 的信息速率。 1 3 2 空时信号处理 空时信号处理是随着m i m o 技术而诞生的一个崭新的概念，与传统信号处理的不同之处在于其 同时从空间和时间两方面考察各种信号处理问题。空时信号处理包括发射端的信令方案( s i g n a l i n g ) 和接收端的检测算法。从信令方案的角度看，m i m o 可以大致地分为空时编码( s t c ：s p a c e - t i m e c o d i n g ) 和空间复用( s m ：s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ) 两种。其中空时编码技术是为了获得最大的发射 3 东南人学硕 。学位论文 大线分集，在保持单信道流量的情况下使误码性能人幅度改善，经典的空时编码包括空时格码( s t t c ： s p a c e - t i m et r e l l i sc o d e ) 和空时分组码( s t b c ：s p a c e - t i m eb l o c kc o d e ) 。空时格码可以达到满分集增 益，并且具有相应的编码增益，抗衰落性能比较好，而空时分组码也可以获得满分集增益。典型的 空间复用技术是贝尔实验室空时分层结构( b l a s t ) ，包括v - b l a s t , h b l a s t 和d - b a l s t 三种。 其中最基本的形式是针对平衰落信道的v - b l a s t 结构，它没有得到空间分集，而是纯粹的m i m o 多路传输，可获得最大速率，或流量增益。 从信号检测的角度来看，空时格码采用v i t e r b i 算法译码，译码复杂度随着分集增益和传输速率 呈指数增长。空时分组码结构简单，基于正交化设计的空时分组码仅需要将各接收天线上的接收序 列进行线性组合再利用最大似然判决即可完成解码。空分复用系统中各发射天线间存在相互干扰， 如果采用最大似然检测复杂度太高，而线性检测虽然复杂度低性能却不太理想。因此，v - b l a s t 通 常采_ l j 基于逐次干扰抵消的排序分层检测算法，在计算复杂度和检测性之间取得了较好的折中。 1 3 3m i m o o f d m 概述 采用m i m o 技术，通信系统的容量和频谱利用率可以成倍地线性增长，并且能够充分利用空间 分集提高系统对信道衰落的鲁棒性。o f d m 技术将频率选择性信道划分为一组平衰落的子信道并行 传输数据，不仅提高了信息传输速率，而且可以在各平衰落的子信道上与m i m o 技术结合，这就是 m i m o - o f d m 系统。目前，很多公司和研究机构都开发出了m i m o - o f d m 实验系统，其中i o s p a n 公司的a i r b u s t 系统是最早的在物理层同时采用m i m o 和o f d m 技术的无线通信系统【8 】。尽管 m i m o o f d m 系统继承了m i m o 和o f d m 两者的优点，但是如何有效地将两种技术结合却不是一 个简单的问题。m i m o 系统中通过空时编码技术可以获得发射和接收分集增益，因此早期的 m i m o o f d m 系统方案都是空时编码技术在频率选择性衰落信道中的简单推广。然而，这些方案都 不能获得频率选择性衰落中的频率分集增益，我们把能够同时获得空间分集增益和频率分集增益的 编码方法称为空频编码，因此空频码的设计是m i m o - o f d m 系统最关键的问题之一。 1 4 本文工作概述 本文第二章着重讨论平衰落信道中的m i m o 空时信号处理，从空分复用技术和空时编码技术两 方面展开论述，研究了快衰落信道中正交空时分组码的检测问题。第三章和第四章的讨论侧重于频 率选抒性衰落信道中的空时信号处理，从空频编码的角度对m i m o o f d m 系统进行分析，重点研究 了基于线性星座预编码的空频编码方案及其检测问题。第五章详细讨论了本文提出的一种信号检测 在d s p 芯片上的定点实现。第六章总结全文并对进一步研究方向进行了展望。 本文主要研究了m i m o o f d m 系统中的空时信号处理，所作出的贡献包括： 提出了一种快衰落信道中的正交空时分组码的改进检测算法，该算法有效的消除了快衰落信道 中正交空时分组码检测的误差平台。提高了信号检测的鲁棒性。 提出了一种基于线性星座预编码的m i m o - o f d m 系统方案：f u l l r a t es f c 。给出了该方案发射 端的空频编码方法和接收端的分组分层检测算法。 提出了一种用于f u l l r a t es f c 系统的简化检测算法。该算法利用o f d m 相邻子载波的相关性， 大大减少了矩阵求逆次数，并利用线性星座预编码矩阵的特点进一步简化计算。恧且其检测性能与 原算法非常接近。 4 第2 章平衰落信道中的m i m o 信号检测 第2 章平衰落信道中的m i m o 信号检测 无线通信系统的性能受到无线信道的制约，因此信道对于无线通信系统的设计和分析是至关重 要的。2 1 节介绍了一些多径信道的统计特性，并讨论了一种多径衰落信道的仿真方法，该方法对传 统的j a k e s 方法进行了改进，产生的信道具有较好的统计特性。然后给出了平衰落m i m o 信道的传 输模型，这也是本章后续讨论的基础。 m i m o 空时信号处理技术可以分为两部分，即信令方案和空时检测技术。m i m o 信令方案可大 致分为空分复用和空时编码两大类，2 2 和2 3 节分别讨论了这两类方案和相应的检测算法。2 2 节 介绍的空分复用技术的目的是最大化传输速率，通过在各发射天线上传输独立的数据以提高系统容 量。目前大鼍的研究都是针对v - b l a s t 这种特殊的空分复_ 【 j 结构展开的，因此该节详细讨论了三类 常见的空分复用系统的检测算法，即：最大似然检测，线性检测和分层检测。男一方面，2 3 节研究 的空时编码技术力图在多发多收天线的框架下寻求最大分集增益，t a r o k h 等人推导出了空时码的设 计准则，并给出了满足这一准则的一种编码方案空时格码。而空时分组码则由于其低复杂度和 商性能备受实际系统的青睐。 当信道不满足准静止假设条件时。传统解码方法的性能将受到单元间干扰( i e i ：i n t e re l e m e n t i n t e r f e r e n c e ) 的影响而产生误差平台。现有的两种消除i e l 的方法迫零( z f ：z e r of o r c i n g ) 接收机 和并行干扰消除( p i c ：p a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ) 接收机有各自的缺点。针对这一情况，2 4 节提出了一种改进的算法，该算法在信道变化很快的条件下仍能有效地抑制i e i 。 2 1 多径衰落信道及其仿真 实际信道的特性是很复杂的，传输信号不仅被各种噪声和干扰破坏而失真，而且这种失真是无 法预料的。为了便于分析，人们通常利用物理信道的统计模型来描述其最重要的特性，并在此基础 上设计通信系统的调制解调和编解码方案。无线信道的各种失真效应可以人致分为两类：大尺度效 应和小尺度效应。大尺度效应主要用于描述发射机和接收机之间长距离( 几百至几千米) 上的信号 功率变化，通常包括路径损耗( p a t hl o s s ) 和阴影( s h a d o w i n g ) 。路径损耗跟收发双方之间的距离有 关，基于理论和实测的传播模型指出平均接收信号功率随距离成对数衰减。而阴影用于描述由收发 双方之间的障碍物造成的功率损耗。小尺度效应则是由多径分量的相互增强或相互抵消性的叠加造 成的信道失真，通常称为多径衰落。多径衰落是指在短时间或短距离上的接收信号功率的剧烈变化， 以至于可以不考虑路径损耗的影响，这也是本节将要讨论的内容。 2 1 1 多径衰落信道的统计特性 多径信道的一个重要特性就是造成信号传输中的时延扩展。如果在多径信道中传输一个脉冲， 接收到的信号将是一个脉冲序列，序列中的每一个脉冲对应着不同的多径传输分量。传输单个脉冲 时，最先和最后到达的脉冲之间的时间筹称为信道的最人时延扩展。如果最大时延扩展远小于信号 带宽的倒数，接收信号就不会受到太大的影响，否则将导致接收信号的失真以致损伤通信系统的性 能。 多径信道的另一个特性是时变性，收发双方的相对移动和传输媒质的不断变化都会造成无线信 查查盔兰堡兰竺竺堡壅 道的时变。如果在时变多径信道中重复地传输单个脉冲。每次接收到的脉冲序列的脉冲个数，脉冲 幅度，脉冲间的相对时延等都会发生变化。接收端每次接收到的信号都是经过时变多径信道作用的， 而且这种作用是无法预测的，因此用统计模型来描述多径衰落信道是最合适的。 假设发送信号为： s ( t ) = r e s i ( t ) e 口 ( 2 i 1 ) 经过一个离散多径时变信道后，相应的接收信号为： f ，1 r ( f ) = ( ，) j ( f 一“( f ) ) ( 2 i - 2 ) n - i 其中，( f ) 称为第”条路径上的衰落因子，而o ( f ) 称为第 条路径上的时延。接收信号中共有 n ( t 1 条可分辨的多径分量，多径分量的个数是时变的。“可分辨”是指多径分量之间的相对时延远 大于信号带宽的倒数，否则称为“不可分辨”的。将( 2 1 1 ) 代入到( 2 1 - 2 ) 中，可得： ，( f ) = r e “a ( o e 咖“9 岛( 卜靠( 嘞护巾 ( 2 1 - 3 ) l l jj 由此可将离散多径衰落信道的等效低通信道表示为： c ( f ；f ) = ( r ) e 1 2 毗“a ( t - r n ( t ) ) ( 2 i - 4 ) 同样。对予连续多径信道有： c ( f ；f ) = 口( “f ) p 1 2 咖 为了说明时变多径信道造成接收信号衰落的原因 s ) = 1 ，则等效低通接收信号为： ( 2 1 5 ) 考虑未调载波在信道中传输的情况，令 _ ( f ) = 吼( f ) e 叫2 砒o = ( f p 堋“ ( 2 i - 6 ) 可见，接收信号由一组时变信号叠加商成。只有信道的衰落因子吒( f ) 发生较大变化时，才会使接收 信号产生相应的变化。而相位见( f ) 则不然，由于载波频率正通常较大信道时延r n ( t ) 很小的变化 都会带来较火的相位变化。我们可以将_ ( t ) 看作个随机过程，当离散多径数目足够多的时候，根 据中心极限定理，( t ) 将是一个复值高斯随机过稃。相应地，离散多径衰落信道的等效基带模型 c ( r ；t ) 将可以看作一个以t 为变量的高斯随机过程。式( 2 1 - 6 ) 中，由于晓( t 1 的剧烈变化，各多径分 量叠加的结果可能是相互抵消或相互增强，接收信号的幅度也会呈现出剧烈的变化，在某些时刻的 接收信号幅度将很小甚至为零，从而造成了信号的衰落。若进一步假设c ( f ；f ) 具有零均值，那么信 道幅度值i c ( r ；f ) l 在任一特定时刻f 时将服从瑞利分布，称该信道为瑞利衰落信道。而当信道媒介中 除了随机移动散射路径。还有固定的散射路径或是反射路径时，不能再认为c f f ；f ) 具有零均值。那 么包络l c ( “r ) i 将服从莱斯( r i c e ) 分布，信道称为莱斯衰落信道。 通过定义等效低通信道响应c ( “，) 的一些相关函数，可以更方便地描述多径衰落信道。我们仅 讨论广义平稳不相关散射( w s s u s ：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 ds c a t t e r i n g ) 信道的统计特性。 由于c ( f ；f ) 是广义平稳的，这样就可以定义c o ；i ) 的自相关函数： 1， 破( l ，r 2 ；a t ) = 亡e c ( ；f ) c ( f 2 ；，+ a t ) ( 2 1 - 7 ) z 对于大多数无线传输媒介，路径时延t 相关的衰落因子及相移与路径时延厶相关的衰落因子及相移 是不相关的，这称为不相关散射条件，即e c ( f l ；f ) c ( f 2 ；f + a t ) ) = 诈( r l ；& ) j ( f l - r d 。进一步。若 z 令a t = 0 ，则虎( f ；o ) ；晚( r ) 就表示信道不同时延分量的平均功率，它是作为时延f 的函数，一般称 之为多径强度分布或是延时功率谱，而杰( f ) 不为零( 不计可以忽略的部分) 的范围称之为信道多径 6 苎! 兰! 塞堕笪望! 塑坚! 坚旦堕兰丝塑 时延扩展，用乙表示。 同样可在频域定义类似的相关函数，首先对c ( f ；f ) 作f o u r i e r 变换为： c ( ，；f ) = c ( ；f ) e - j 2 , d r ( 2 1 - 8 ) 由于f o u r i e r 变换是线性变换，若将c ( e f ) 建模为零均值复值高斯随机过程，那么c ( ，；f ) 具有同样 的统计特性，故可定义： 丸( z ，五；出) = 寺e c ( 彳；f ) c 幔；f + f ) ( 2 1 - 9 ) 进一步，可得； 办( 彳，正；r ) = 以( f ；，) p “+ ”d 7 ( 2 1 1 。) = 晚( f ；& ) 一2 群。d f = 丸( 鲈；址) 、 显然疵，( 缈；a t ) 是多径强度谱唬( f ；a f ) 的f o u r i e r 变换。从而不相关散射的条件意味着c ( ，；f ) 的自 相关函数仅和频率差值缈= 五一彳有关。如果址；0 ，并定义东( 4 ，；o ) ；疙( a f ) ，式( 2 ，1 - 1 0 ) 变为 丸( 鲈) = 豌( f ) e - j 2 硝r d f ( 2 卜1 1 ) 通过痞( a ，) ，我们可以得到一个大致的关系： ( 厂) 。* ( 2 卜1 2 ) m 其中( 酽) 。称为信道的相干带宽。如果在信道上传输的信号带宽大于( a f ) 。，信号的各频率分量经受 不同的衰落，称此信道为频率选择性信道，反之为频率非选择性信道。 另一方面，相关函数丸( a f ；a t ) 中的变量加则决定了信道的时变特性。对疙( 4 ，；缸) 以a t 为变 量作f o u r i e r 变换，于是： s a a f ；2 ) = # c ( a f ；a t ) e i 2 4 j “d q 1 1 3 ) 令矽= 0 ，并定义& ( o ；五) ；( 旯) ： 品( a ) = 巳b c ( o ；a t ) e