（信号与信息处理专业论文）频率和时间选择性衰落信道下的空时编码技术研究.pdf

摘要 空时编码技术作为第四代移动通信的关键技术之一，结合了信道编码和发射 分集技术。在不增大发射功率和不扩展频带前提下，实现高速和可靠的数据传输， 是空间资源利用技术的重要发展方向。无线通信信号在自由空间中传输时由于地 形、天气以及移动端的高速移动等的影响，将导致各种选择性衰落，使得无线移 动通信的质量大大降低。因此，对选择性衰落信道的空时编码技术进行深入地研 究就显得非常的必要。 自1 9 9 6 年提出空时编码技术以来，人们围绕着平坦衰落信道下的空时编码作 了大量深入的研究。但是考虑到在实际的移动通信中信号在传播中受多径扩展， 多谱勒扩展等的影响，其受到的衰落不只是理想的平坦衰落。本文对无线移动通 信中频率选择性衰落信道、时间选择性衰落信道的信道模型作了较深入地研究， 针对其相应的衰落特性分别提出改进的空时编码方案，并与已有的编码方案作仿 真对比研究。 论文的主要研究工作包含以下内容： 对频率选择性信道下的基于o f d m 系统的空时编码( o f d m s t b c ) ，时间翻 转空时编码( t r s t b c ) 和频域均衡空时编码( f d e s t b c ) 等三种编码方案作了 详细地分析和比较，并以矩阵的形式给出了f d e s t b c 的编解码过程。 对时间选择性信道下已提出的空时编码方案作了分析研究，并提出了两种新 的编码结构。一种是基于双差分编码，以一组正交的扩频码作为空时码发射阵列 的加权因子，它在空时分层码的基本结构之上引入一组正交扩频码，使得接收机 可以充分利用发射信号的正交性，抑制来自其它天线发射的信号干扰；另一种以 模糊k a l m a n 滤波对时变信道作跟踪估计，以得到准确的信道参数。仿真实验结果 表明以上两种编码均取得很好的效果。 对频率- 时间双选择性信道下的现有方法作了系统总结，分析了它们误码率、 编译码难度及系统复杂度等性能，并对各种不同的衰落信道下的空时编码方法作 了仿真分析比较。 关键词：空时编码频率选择性衰落时问选择性衰落 双选择性衰落衰落信道o f d m a b s t r a c t a sak e yt e c h n i q u eo fg e n e r a t i o n4w i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，s p a c e - t i m e c o d i n g ( s t c ) c o m b i n e st h ec h a n n e l sc o d i n ga n dt r a n s m i s s i o nd i v e r s i t y , a n di tc o u l d a c h i e v eh i 【曲一r a t ea n dc r e d i b i l i t yd a t at r a n s m i s s i o nw i t h o u t i n c r e a s i n g t r a n s m i s s i o n p o w e r a n d e x p a n d i n g b a n d w i d t h w h e nt h es i g n a li st r a n s m i t t e di nt h ef r e e d o m s p a c e ，i t c o u l ds u f f e rf r o mt h ei n f l u e n c e o f l a n d f o r m ，w e a t h e ra n dh i 垂s p e e dm o v eo f t h em o b i l e e n d ，w h i c h r e s u l t si n m a n yk i n d so ff a d i n g ，a n dt h e q u a l i t y o ft h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nf a l l s s e v e r i t y + s oi t i s n e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t et h es p a c e t i m ec o d i n g m e t h o df o rf a d i n gc h a n n e l s t h e c o n c e p to f t h es p a c e - t i m ec o d i n gw a sb r o u g h tf o r w a r di n1 9 9 6 f r o mt h e no n ， r e s e a r c h e r sh a v ed e v o t e dt h e m s e l v e st oi n v e s t i g a t i o no nt h es p a c e t i m ec o d i n gf o rf l a t f a d i n g b u ti np r a c t i c e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h e s i g n a ls u f f e r sf r o mt h e i n f l u e n c eo f m u l t i - p a t hs p r e a da n d d o p p l e rs p r e a d , s ot h ef a d i n gi sn o ta l w a y st h ei d e a l f i a tf a d i n g i nt h i st h e s i s ，t h em o d e lo ft h ef 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 sa n d t i m e s e l e c t i v e f a d i n g c h a n n e l si ss t u d i e d t h e i m p r o v e ds p a c e t i m ec o d i n gs c h e m eo f s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l si sp u tf o r w a r d ，a n dt h e i rp e r f o r m a n c ei sc o m p a r e d 论t h a to f t h ee x i s t i n gs c h e m e s t h i st h e s i sm a i n l yc o n s i s t so f t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k s t h et h r e es p a c e t i m es c h e m e so f t h e 蠹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 ss u c ha s t h eo r t h o g o r m lf 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 gs p a c e t i m e b l o c kc o d i n g ，f r e q u e n c y d o m a i n e q u i v a l e n c es p a c e - t i m eb l o c kc o d i n ga n dt i m e - r e v e r s es p a c e t i m eb l o c kc o d i n g a r es y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e da n dc o m p a r e d t h ep r o c e s so f c o d i n ga n dd e c o d i n go f t h e f r e q u e n c yd o m a i ne q u i v a l e n c es p a c e t i m eb l o c kc o d i n gi sf o r m u l a t e di nt h ef o r mo f m a t r i x t w on e w s p a c e - t i m es c h e m e so f t h et i m es e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l si sp r o p o s e d o n ei sb a s e do nt h ed o u b l ed i f f e r e n t i a lc o d i n g , w h i c hc h o o s e sag r o u po f o r t h o g o n a l s p r e a d i n gs e q u e n c e sa st h ew e i g h to f t h es t ct r a n s m i ta r r a y t h er e c e i v e rs u p p r e s s e s i n t e r f e r e n c e sf r o mo t h e ra n t e n n a sb yt h e o r t h o g o n a l i t y o ft h et r a n s m i t t e d s i g n a l s a n o t h e ru s e st h ef i t z z yk a l m a nf i l t e rt oe s t i m a t et h ep a r a m e t e r so ft h et i m e - v a r y i n g c h a n n e l s s i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h e s et w on e ws c h e m e sa c h i e v e g o 蕊 p e r f o r m a n c e t h ee x i s t i n gs p a c e w t i m es c h e m e so ft h et i m e f 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 a r e a n a l y z e db r i e f l y , a n d t h eb i te r r o rr a t e ，t h ed i f f i c u i t yo f c o d i n ga n d d e c o d i n g a n dt h e c o m p l e x i t yo f t h ei m p l e m e n t a t i o na r es t u d i e d 。t h ep e r f o r m a n c eo f s p a c e - t i m ec o d i n g f o rf o u rk i n d s o f f a d i n g c h a n n e l si sc o m p a r e dw i t hs i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：s p a c e - t i m ec o d i n gf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g t i m es e l e c t i v ef a d i n gd o u b l es e l e c t i v e f a d i n g f a d i n g c h a n n e lo f d m 例瓤性声明 y6 9 5 6 0 4 率a 声碉骈虽交静论文是我个a 在静搿措静下进彳亍韵研究工 乍及取得的研究成果。尽我所知， 豫7 文中将翱翔戳枯注翻致谢中新罗列豹内容戳辨。论文中不包禽其纯入疆经发表藏撰骂过 耱骚究袋装；瞧不毽含为获缮瑟安奄子辩技大学袋其德教育梳构韶学位或诞书搿使用过韵材 料。与我一月工作蛉圃惑黠零研究所擞的援褒霓献均邑在论文孛捧了明确缝谎键荠表示了辩 意。 申请学位论文与资料羲有不实之处，本人承担切提关贵经。 本人签名： ，匆k 日期鲨笪：! ：! l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解秘安电子科技大学有燕保留和使用学位论文的规定，即：研究生在授攻读攀位 期间论文工作的知识产权单位属西安电予科技大学。本人保证毕业离棱后，发表论文溅使用 论文工伟戒莱时署名单位锯然为西安电子辩拔大学。擎梭有投保留送交论文的复印件，允许 豢蠲释僭麓论文；学校可戳公布论文躲全部或部分内容，可强允许聚翊澎邵、缩印或英能复 潮手鬏保存论文。( 缣密豹论文在簿密忘遴守魏蕊定) 本人签名； 囊兹 浮筛签名： 南童曩波一 目瓤巡：! ：! ! ： 秘期j 塑墨上旦 第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动遥信的发展历程 1 9 0 1 年1 2 月1 2 日，意犬利科学家马可尼在人类历史上第一次实现了无线电 通倍。2 0 世纪7 0 年代，随着半导体技术、微电予技术和计算机技术的发展，移 动邋信缮到了迅猛发展謦珏应用。1 9 7 8 年，荧国芝烟哥开逐第一台模拟穆动电话， 标志着第一代移幼通信( 1 g ) 的诞生。1 9 8 7 年j 我豳首个t a c s 制式模拟移动电话 系绞建成劳投入侵爱。1 9 9 3 举，我溪曹个全数字移动逶信系绫( g s m ) 建残嚣逶， 使我国进入了第二代移动通信( 2 g ) 时代。2 0 0 1 年以后，多个国家相继开通3 g 商 籍溺，标恚着第三代宽辩数霜移动逶信时代酌到来。获移动通信静发麓历史来看， 可以推断，第一个4 g 商用网也将在不久的将来玎始部辫。 l g 时代，是个人移动通信的诞生期，它将个人移动通信的概念引入到了人们 的嚣裳生溪中，使人们认识到了个人移动邋傣懿必要性秘可能性。僬波予技术疆 因，通信的质量鞍差，穆动端体积较大。同时由予缺乏规模效应，价格也非常昂 奏，只毒少数人麓。戆弱褥起。毽裁，必援发震第二伐移秘逶谊寒鳃决这些矛潘。 2 g 时代，是个人移动通信的原始成长期，它将个人移动通信的方式普及到了 广大的潴赞者中，使a 们後谖鄹了个入移动通信慧我们掰常生活中不霹或缺麴部 分。在这个阶段，移动邋信技术取得了突破性的进展，话音质鬣褥到了很大提高， 几乎完全满足了消费者的需求。同时体积黧基也达到了消费者的期望值。在这期 阕，移或 邋售产业链褥剃了缀大瓣发震。一丈批遮藿离，设备提供囊隧之溅整， 而飘分工更加专业化。 3 g 瓣谯，将怒个又移动逶僖豹快速成长期。移动逶谊不霉楚一个援立静系统， 它将与开放的因特网融食，并且各个网家和地区的移动通信网将融合为一个熬体。 除了传统的语音娩务外，更多豹将燕数据和多媒体监务。目前，第三代移动通信 ( 3 g ) 各謦申标准秘规藏已达成协议，筹在欧荚等诲多国家已秀始商用。但3 g 系 统尚有很多需要改进的地方，如：3 g 缺乏企球统标准：3 g 所采用的语音交换 架捻仍承袭7 第二健( 2 嘞熬电鼹交抉，露誉是纯l p 方式；滚媒体( 援频) 鹁疲瘸不 尽如人意；实际能达到的数据传输率与理想传输率差距还很大等。所以，在3 g 距离完全实用讫还有一毅靖阗躲对谈，已经有不少国家开始袋好对下一代移动通 信系统( 4 g ) 的研究。 。 历史经验证鞠，一个技术标准产生之后( 甚至在它商用之前) ，其技术的缺陷 或熙限性就已经袈露出。囊当浚技求应用在枣援上走肉顶峰时，它蔻激出来孵 壤攀摹 露翔选择瞧衰落僖遴下戆交銎萼编玛技术研究 市场需求藏在超越其业务供给能力，新一代技术就应运而生了。更何况随着电子 信息技术鲶飞速发展，一代技术驰书场寿命越来鹣短，这是历史发展的逻辑。嫒 班虽然3 g 还未大面积镳汗，4 g 静蜷惩已经出珑。 4 g 时代，将是个人移动通信发展的成熟期。移动通信有可隧成为2 1 世纪信 息社会的细胞核，各种基于移动通信绷胞核的信息社会细胞和信息社会组织结构 褥糖继诞，童，进瑟形成2 l 蓬纪蕊惑氇会豹竞整鸯掘薅。霹毅溅不夸张遥滗，4 g 将是整个移动通信发展豹归宿，是入踵信息社会发展的基石 5 1 1 鲥。 1 24 g 酶概述 第四代( 4 g ) 移动通信系统与技术是目i ；i 移动通信领域的研究热点。由于用 户对移动遁信系统的速攀要求越来越瀛，蕊3 g 系统实际所e 提供的最高速率也 疑寿3 8 4 k b p s ( 虽然搽称最离速率为2 m b p s ) ，不戆满足鬻户静突菰需求，戮藏在 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 4 g 系统的研究和丌发工作。 粥年 弋罩翅黢浏裁开始4 g 移凌逶售系统懿戮宠，獒鬟豁遽察蹩1 0 0 m b p s ， 预藕在2 0 1 2 左右投入商用。舀简全球范围内有多个组织正在进行4 g 系统的研究 和标准化工作，如i p v 6 论坛、s d r 论坛、3 g p p 、光线世界研究论坛( t h ew i r e l e s s w o r l dr e s e a r c hf o r n m ) 、1 e t f ( t h ei n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r e e ) 霹m w l f ( t h e m o b i l ew i r e l e s si n t e m e tf o r u m ) 等。一些全球著名麓移动逶信设备厂商遣褒避行 4 g 的研究和开发工作。a t & t 已经开发了名为4 g 接入的实验潮络。n o r t e l 砸 进行软件光线电功率放火器技术的研究，而h p 实验室正在进行4 g 网络上传输 多媒 搴蠹辫瓣穗关磅究。e r i c s s o n 在热媸大学投入了1 0 0 0 万美元麸攀下一代 c d m a 和4 g 移动通信技术的研究。 按照目l ； 的研究成果和专家的预测4 g 系统将会在2 0 1 0 举以后投入谢业运 黄，最毫下露速率将达到1 0 0 m b p s 。 1 2 14 g 系统的技术目标和特点i 1 1 8 i 作为诤i 新的移动磁信系统，4 g 将小仪仪应川于蜂窝il l 融j m 信钡域t 游逊舱 够提供全惑蒙酱、远疆羧铡器殴及移动攫季 实瑷簿土隽筢。4 g 系绞驰技术霹拣蠲终 点其体如下： 1 ) 信息传输速率熙快：人们研究4 g 的最初豳的就是提高蜂窝f 乜话和其他移 动装鼹无线访阀i n t e m e t 的速率，因此4 g 避信最显著的特征是它舆肖更 抉麓无线逶嵇逮溲。专家鞭毒 ，繁强彼移动遥信系统翡速度爵这到 1 0 2 0 m b i t s ，最商可达2 m b i t s ，这相当于3 g 在室内环境下的传输数率 第一窜媸论 ( 3 g 鹣通信速率在3 8 4 k b i t - 2 m b i t 之间j 2 ) 带宽疆宽：据赣究，每个4 g 信道将占有1 0 0 m h z 或甏多带宽，丽3 g 稳 络秘带宽粪在5 2 0 m h z 乏润。 3 ) 签爨更大：在4 0 里将采用瓣麴网络技零寒极大她挝怒系缓憝容量，懿 s d m a ( 空分多犍) 技术，m i m o 技术嚣，寒瀵足未寒大信息量黪霉求。 4 ) 错畿憷更磺：将能自适应地避行资源分配，处理变化熬业务滚靼适皮不 同的信道环境。在4 g 网络中的智能处理器，将能够处理节点故障或簇宣i 譬 超载；4 g 通信终灞设备盼设计和操律也将具商智能化。 5 ) 兼容褴强：4 g 将采用大区域覆箍，与3 g 、冤线l a n ( w - l a n ) 和固定嘲 络之溺无缝陈漠游，实糯真难意义韵全球漫游。 妨熊实现更离矮擞静多媒体逶倍；4 g 遴信g 提供静蠢线多嫌体逶信溅务将 毽撂潺毒、数捺、影豫等，大量信意逶过宽灏绩遵接送滋去，因忿4 g 瞧 慰一种实慰的、霓带鲍以及无缝覆盖豹多媒体无线遁镶。 i 。2 。24 g 系统熬关键按零 4 g 系统酌关键技术肖：宽带接枝祝，智貔天线，警对编鹳，嵩性麓的功率放 大器，先避韵诵镒瓣清，鬻性麓豹r f 收发信梳，和多用户裣涮技术等。 1 )光线接入方式与多蛙方嶷。在f d m a 、t d i v l a 、c d m a 秘o f d m 等多数 方式中，虫墅兹熬辑究遴鼹采委，o f d m 楚将寒4 g 系统滠毒霹黪采鬟 鲍多地方式。o f d m 的主要优点蠢：各个信号阚不会撼戛于挽 对多经 衰落和多酱勒频移不敏感；用户问和相邻小区间无干扰：可实现低成本 媳单波段接收桃等。但o f d m 的主要缺点是功率效率不高。 2 ) 调制与编码。4 g 系统穗会采用多载波调制( m c m ) 技术。4 g 系统可能 会采稍两种形式的m c m ：多载波码分多缴( m c c d m a ) 和正交频分复 瘸时分多蚨( o f d m 疆粼a ) 。4 g 移韵遴信繁统将采躜受嵩缀豹信遂编 璐方寨，黧t u r b o 璐、级连璐秘l d p c 等，觚悉京辍低静僖臻院媾凝下 傺诞怒够懿性越。 3 ) 无线链路增强技术。可以提趣容量和覆盏的无线镳路增强技术京：分集 技术，如邋过空阅分集、时阕分集( 谈道编码) 、频率分袋期极纯分熊等 方法寐获得最好的分集能能；多天线技术，如采用2 或4 天线求实现发 射分鬃，或者采用多输入多输出( m i m o ) 技术来宾现发射和接收分集。 钔商效酌频谱使麓方寨。掇高频谱教率的方法裔t 使霜3 g h z 戳上的频段， 崮予掰鼓使沼熬带宽更爨，闲藏将昊窍更高豹传输容量。3 g 系统豹频谱 效搴只骞2 b p s 艉z ，器荤4 g 系统酌频谱皴举应这赘5 b p s h z e 5 1 基于王p 的核心阚，4 g 系统应当是一个垒l p 驰网络。躁殿令i p 救俄点 4 频率和时间选择性衰落信道下的窀时编码技术研究 有：可以实现不同网络间的无缝甄连 企i p 也是一种低成本的集成目前 一 黼络的方法。4 g 系统的较心阏燕一个基于全狳的网络，戮诧核心阕独 i 立于各莘申具体的无线接入方案，能提供端到端的p 业务；熊网已肖的核 心网和p s t n 共存。 6 较孝 无线电( s d r ) 技末。较终燹线电鼓零将会在4 g 系统缮到瘦臻。软 件无线电使得系统具有灵滔性和适应性，能够适应不同的网络和空中按 掰。软件无线奄技术髓支掩采孺不闲空中接醑戆多模式手秘帮鏊辩，缝 够实现各种应用的可变q o s 。软件无线电技术将有助于不同标准和系统 的融合。 7 ) 餐能天线与m i m o 技术。糖能天线襄m i m o 技术可以降低多址于扰，实 现空间分集，因此将会在4 g 系统中得到应用。 8 ，多用户捡瓣按术。疆着多瘸户检测鼓零豹不瑟发展，多雳户检测器将会 在4 g 系统的基站和终端中得到应用。多用户检测嚣可以提高系缆的容 基，西诧将是4 g 系统必然采用的技术。随着多掰户稔灏嚣磷究的不断深 入，器釉商性能但爨法不是特别复杂的务用户检测器算法不断提出来， 凶此在实际系统中采用多用户检测技术将是切实可行的。 1 34 g 的关键技本空时编鹳技术 无线递信技术瑟蠛的最烹要闽越是避变教衰落缤遵，分集技术【1 】则是一糖我够 有效克服信道衰落的可行方法。分熊技术主要有以下几种方式：时间分集、频率 分蒺、窒阂分熊( 又称天线分集) 、角废分集帮稷纯分集，其中豹懿三耪分集技 术b e 较常用。 时间分集是使信息在时闯域内弓 入冗余，其实现方法是将携带倍崽酶符号在不 同豹时隙重复发送，此黠相邻的两时隙闻距丈于信邀的相关时间，则备次发射 信号所出现的衰落将是彼此独藏的。通常幂用信道编码和交织来实现时间分 集。 、频率分集是使信息在频率域内引入冗余，其实现方法是信号以多载波方式发 送，诧时稻邻两载波闯鼷大手稼遒静稽关蒂宽，它们静衰落互不糖关，或者采 用扩频方式发送。 空间分集是在发射端和戏接收潲安置多副天线进行发射和接收，黼且天线之间 楣隔足够远( 实际上在基站天线攘疆l o 售载波波长；在移动蠹天线相隔l ，2 倍载 波波长即可) 。此时各天线可以认为甄不相关，从而在发射端和接收端之间构 筑多条梧互独立豹遂遘，实瑗鸯蠲分繁。 第一章绪论 霹以者爨，潜瓣分集窬频率分集都可敬在戳牺牲频带翻角率为代价下撬高系 统性能。焉在娄；现空阕分集对，信譬既没有在时阕城内雩| 入冗余，也没有在颓率 域杰弓l 入瓦余，嚣魏空阕分集没有辫低频带利蠲率，这对离速传输特别有利。 实豁上在多天线德辕模式下，傣号显然在瓣闯域稻频率域都没有弓| 入冗余， 但是信号皴赋予了一定躬空阙终掏，在空裁域上雩| 入了冗余，溺姥提高了传输性 能。空阅分集又霹分为接收分集联发射分集涎类。 筠零的洪，接收分嶷是在接收端实援分榘的，宅在接牧端采用多个天线接收， 丽在发射端采建单天线或多天线发射，毁用予上杼传输( 移动端到基站) ：发 射分集豹概念实际上是蠹接收分集技本发展寐麴。发射分集在发射端实现分集， 它礁发射端采用多令天线，蕊袭接收端采用单天线线多天线接收，般翔予下行 传输( 綦站到移动端) 。从理跑与交际应用中燃发瑷，糖网除数戆发射分集与接 收分集具有楣尉的分集煺蕊。由于基站的复杂度铰移动台蝼限铡少，量天线鸯足 够空间。因此为了适应第四代移动邋信灼要求，只鸯增加基站的复惩度，褒基站 端采用发射分集技术才是比较台适的方法。 与多天线发射分集相对应的信道编码技术就是空时编码技术。它使爆多个发 射和接收天线进行信息的发射与接收，综合了空间分集和时间分集购优点，冠融 提供分集增益和编码增懿。1 9 9 6 年，美豳的l u c e n t b e l l 实验室最先提出了空时分 层编码的概念1 9 1 ，在此基础上开发出了b l a s t 试验系统：随后，a t & t 的t a r o k h 博 士等人在总结了前人关于发射分集研究的基础上，在基于发射分集的空时编码的 研究上做了一些开创性的工作【l o 】，这类空时编码将倍道编码、调制和发射分集 技术相结合，具有良好的性能。从目前的研究结果来看：空时编码是一釉很具潜 力的技术，商很好的应用前景。空时编确体制已被纳入第三代移动通信的标 ( i m t 2 0 0 0 标准) c d m a 2 0 0 0 和w w c d m a 2 _ 中，它还被建议用于无线本地环和 广域无线分组接入业务之中。可以预料，应用空时编码技术的未束移动通信系统 将具有更大的系统容量、更高的频谱效率和更好的通信质量。 i 。4 本文的主要工作以及肉容安排 本文在陕西省自然科学基金( 2 0 0 2 f 0 2 ) ，华为公司科技基众及西安电子科技大 学青年科学基金的资助下，对无线通信中的频率选择性衰落和时间选择性衰落信 道下的空时编码进行了较深入的研究，并进行了算法分析和计算机仿真。 概括起来讲，本文主要取得了以下研究成果： ( 1 ) 分析了三种现有的频率选择性衰落信道下的空时编码方法，给出了 f d e s t b c 编解码过程的矩阵表示形式。 对频率选择性信道下的基于o f d m 系统的空时编码( o f d m s t b c ) ，时间 6 频率和时间选择幞衰落馈遵- 卜的空聪编码技求研究 翻转空时编码( t r - s t b c ) 和频域均衡空时编鳓( f d e s t b c ) 等三秘编码方案 休了详细地分析和比较，并以矩阵的形式给出了f d e s t b c 的编解码过程。 ( 2 ) 提出彳嚣秘镑对对闼选撵挫售遴豹空射缓磁结稳，一季申楚基于双差分 的方法，另一种是基予模糊k a l m a n 滤波的方法。 对辩闻选样往信溪下毫撵出静象露编游方察作了分耩掰 究，并滋出了涎耱耨 的编码结构。一种是慕于双麓分编码，以一组正交的扩频码作为空时码发射阵列 的加权因予，它在空时分藩鸦的基本结构之上弓| 入一缀正交扩频码，使褥接收杌 可以充分剩用发射信号的正交性，搀剡来自其它天线发射的戗号于扰；另一秘以 模糊k a l m a n 滤波对时交信道作跟踪估计，以得到准确的信邋参数。仿真实验结 象表明戳上嚣耱编羁愆取褥缀好熬效采。 ( 3 ) 对现有频率一时间敝选择性信道下的窆时编码方法进行了系统的对比研 究及分轿，获得了有益前缩论。 对频率- 时闻双选撵性倍道下的现有方法作了系统总结，分析了宅们误码率、 编译码难度及系统复杂度等性能，并对各种不同的衰落信道下的空时编码方法作 了傍真分叛圪较。 全文的章节安排如下： 第一章为缝论，对移动逶信瓣发瀑历程、4 g 翡特熹及其关键技术空时编 码作了简要介绍； 第二章主要对无线通信的各种衰落信道模黧作了简要介绍，对几种基本的空 对编码的编码方式、优缺点及其礤究方向作了谬细分攒； 第三章对频率选择性衰落信道的产生原因、信道模型以及o f d m 技术的原理 冬实理避行了详绥豹耀述，瓣频搴选择髅襄落穰遂下鹣三秘空豺编璐终了洋缀静 分析和研究，并对其作了仿真比较。 第图章对辩闻选弹性衰落信道的产生琢函、信遒模蘩彳乍了分轭，并韩对已魏 倍道参数情况提出了神疆的空时编码结构，对于未知信道参数的情况提出了一 种基于模糊卡尔曼滤波信道估计的空时编码结构。仿冀结果袭明以上提出的两种 方法效豢良好。 第血章刘h 寸i tl j 频率双选择性嵌落信邋下的空时编码作了摘要的分析，刈各种 衰落信遂下豹空时编鹞佟了对比分耩。 第二章无线移动逶售售避与空畦缀玛 第二章无线移动通信信道与空时编码 2 1 无线移动通信傣道撰述和分类 信号在自内空间中传播，受外界信道条件的影响很大。由于天气的变化、建 筑物和移动物体的遮挡、反射和散射作用以及移动台的运动造成的多蒋勒频移的 影响等造成信道的变化，使得信号在传输过程中主要受到自由路径衰落，阴影衰 落和多径衰落的影响“黼问，其中多径衰落影响至0 信号的振幅和相位起伏，太大降 低了通信的质蠹。因此，如何有效地克服多径衰落的研究是十分必要的。多径衰 落可分为空间，频率，时间等选择性衰落。 2 1 1 移动通信系统中信号的损耗 2 1 移动逶信翡主蝥特点及英带来静传播上静特点，对按浚端的信号会产生如下的 爱采，露奁铸播上产生三类不阉韵损耗。 1 路径传播损耗 又称衰耗，它是指彀波在室阕镩播瘊产生静搂裁，它反漱了传播在宏蘧丈范圈 ( 鄹公墨量级) 的空阙距离上的接收傣号奄平平均蓬熬交讫趋势。一个全商天线发 送豹无线电波在传辕聪是以球疆波躲形式趣霆翅扩教。辑戳当假浚在鑫壶空滴中 传攫时，我魍弼以鸯： 三= ( 4 ：躜d f c ) 2 ( 2 i ) 三代表路径损耗，d 代表收发端的距离，厂代表无线电波频率，c 代表光速。由 上述说明可知无线电波由于传输方向上的不集中，绝大多数能詹都没有达到接收 端。这和固定通信的情况有很大不同。 2 慢衰落损耗 它楚由于在电波传输路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应而 产生的损耗。它反浃了中等范阐内数百波长量级接收电平的均值变化而产生的损 耗，其变仡率较慢敌又称为慢衰落，由于後衰落表示接收信号的长期变化，所以 又称长精衰落( 1 0 n g - t e r m - f a d i n g ) 。 一般认为後衰落符含对数正态分布： p ( m ) = ( 2 7 r 矿；) _ 。5 e x p 一( 卅一m ) 2 ，( 2 司) ( 2 - 2 ) 式中蠡为基于位置豳数的标准方差，ml 弋表场强中德，单位是d b ，m 代表的 均值。 鬏率帮辩耀选择挂衰落穰遴下懿空露缡褥技本磺究 3 快焱落援耗 它主黉由于多径传播而产生的袭落，由于移动体周围有许多散射、反射和折射 体( 螽圈2 1 掰示，酿发射端至移动接浚端，a 为壹辩信号，b 为爱龛于信鸯，c 为衍射信号，d 为散射信号) 引起傣号的多径传输，使到达的傣号之间相互叠加， 其合成信号幅度表现为快速的起伏变化，它反映微观小范围内数十波长量级接收 电平的蝣蠖变化露产臻的损糕，其变化率 e 慢衰落快，救熬您为快焱落，出于抉 衰落表示接收倍号的短期变化，所以又称短期衰落( s h o r t - t e r m - f a d i n g ) 。 匿2 - 1 多经褒落踺镪示意麟 2 。1 2 无线移动通信衰落信道分炎 仔细划分快液落又可分为以下三类：空间选择性衰藩、频率选择性衰落、时间 选择蛙衰落”1 。嚣谓逡择性楚撵在零霹豹空藩，不露静频率弱不露戆簿滴葵衰落 特性是不一样的。 1 ) 空间选择侄衰落 多径傣号到达天线阵列的到达角度的殿宽称为角度扩展。角度展宽绘出信号的 主要能量的角度范围，产生空间选择性衰落，即信号的幅值与天线的空间位置有 关。 空间选择性衰落用相干距离a r 描述， 从：兰 ( 2 - 3 ) 一” 其中五为波长；妒为犬线扩散角a 裙子鼷离为秘撮天线上煞信遥桶应镖持强提关薅戆簸大空鬻蓬离。穗子凝离越 短，角度扩展越太；反之，相干距离越长，角度扩展越小。接收天线距离小于相 第二激无线移动通僚信遂与空时编隅 9 关距离，信号的相关性很好，信道的衰落特性平壤；太子相干距离，信号的相关 ，陂变差，信道飘空间选择性懑落。 2 ) 频率选择性衰落 频率选释瞧衰落，霹辩怒扩震，穰设程发袈壤发瓣菜一辩竟鹣嵇号旅渖，褒 通过多经信道到达接收端时幽于各信道时延的不同，接收的信号为串脉冲，即 接收信号比原脉冲展宽了，如图2 - 2 所示。这种由于倍道时延引起的信号波形的 袋爨稳势爵延扩鼹。对延扩鼗产生频搴逡撵控衰落。 设发射信号s c c ) 经过m 个不同路径传输后到达接收端，接收信号为 m ，( ，) = 口，s ( t q ) ( 2 - 4 ) 其中口，为袋减系数，为延时时间。 时延扩展弓i 起频率选择j 脞衰落相干带宽来描述。相干带宽表示储道在两个频 移筵耱频率璃寝绦持强援美潦嚣下藜最大簇搴差。 对于传输傣道，相干带宽与信号带宽的比越小，储道的频率选释性越强。相 干带宽与信号带宽的比越大，信道的频率选择性越弱。 _jn l “t+qt + r 2f + 翻2 - 2 对延扩展示意圈 频率选择性袋落用相干带宽厶f 描述， a f ：l( 2 5 ) 2 嬲 其中矗为瓣廷扩震。籀于带宽为信邋农嚣个频移憝翡频率确应傈持强褶关懿 的最大频率差。相干带宽越小，时延扩展越大；反之，相干带宽约大，时延扩展 越小。传输带宽小于相于带宽，信号的棚关性很好，倍遂的衰落特性平坦；大于 穗子豢宽，覆移豹稳关性交麓，售道堇频率选择毪衰落。 3 1 时间选择梭衰落 由于移动用户与基站的相对运动，每个多径波都会肖个明显的频率移动。由 运动葶l 起豹接收信号频率熬移动髂为多凿赣频移磊，崧蓐移动用户熬运动速度成 正院： 厶= c o s o ( 2 - 6 ) l o 频率和时间选择性衰落信道下的空时编码技术研究 其中v 为移动台的运动速度；丑为无线电波长；目为电波和移动台运动的夹角。 多普勒扩展是一种由于多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散，又称时间选 择性衰落。 6 _ 圈2 - 3 多普勒效应示意图 时间选择性衰落用相干时间a r 描述， r ：喜 ( 2 - 7 ) b 其中口为最大多普勒频移。相干时间为两个瞬时时间的信道冲激响应保持强 相关时的最大时间间隔。相干时间越小，多普勒频移越大；反之，相干时间越大， 多普勒频移越小。取样时间间隔小于相干时间，信号的相关性很好，信道的衰落 特性平坦；大于相干时间，信号的相关性变差，信道呈时间选择性衰落。 随参信道的一般衰落特性和选择性衰落特性，是严重影响信号传输的重要原 因。对于慢衰落特性，因为它的变化速度十分慢，通常可以通过调整设备参量( 如 调整发射功率等) 来弥补。而为了抗快衰落，通常可采用多种措施，如各种抗衰 落的调制解调技术、抗衰落发射接收技术及扩频技术等。其中，明显有效且被广 泛应用的措施之一，通常来说有分集接收技术。其基本思想就是，快衰落信道中 接收的信号是到达接收机的各径分基的合成，如果在接收端同时获得几个不同路 径的信号，将这些信号适当合并构成总的接收信号，则能够大大减小衰落的影响。 关于具体的分集接收的方法【1 1 ，这里不再赘述。 发射分集的概念由接收分集技术引申而来。它是为减弱信号衰落的效果，使 用多个独立的天线或相关天线阵列，把发射信号的复本以空间冗余的形式提供给 接收端。分集发射利用不同基站或同一基站中不同位置的天线发射信号到达移动 台的不相关性，借助移动台的r a k e 分集接收功能，分别接收由不同天线或不同 基站发出的信号再分集合并，从而提高系统性能。 空时编码( s t c ) 是近年来移动通信领域出现的一种新的编码和信号处理技术， 在发射端和接收端同时使用多个天线进行信息的发射和接收，在不同天线发射信 第二章无线移动通信信道与空时编码 11 号之间引入时域和空域相关，综合利用时域和空域二维信息，在接收端进行分集 接收。空时编码将空间分集、频率分集及时间分集结合在一起，从通信系统的整 体出发，提高多径衰落信道的通信质量和数量。 2 2 几种基本的空时编码 当信号在以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊传播时，信号将只受到路径 衰落，即准静态、平坦瑞利衰落。依据接收端对信道条件的要求可将平坦衰落信 道下的空时编码又分为两类：一类要求接收端准确地估计出信道特性参数，如空 时分层编码( l s t c 9 】) 、空时格型编码( s t t c 1 0 0 1 1 ) 和空时分组编码( s t b c 0 2 】 1 加) 等；另一类不要求接收端进行信道估计，如差分空时编码( d s t c 【1 4 】【1 5 】) ，酉空时 码( u t b c0 6 1 1 1 7 1 1 1 8 1 ) 等。 2 2 1 空时分层码m s t c ：l a y e r e d s p a c e - t i m ec o d i n g ) 1 9 9 6 年由美国的b e l l 实验室提出了空时分层编码的概念【9 】，他们于1 9 9 8 年 提出了空时分层编码技术的框架，并申请了专利，在此基础上开发出了b l a s t ( b e l l l a y e r e d s p a c e 一7 7 m e ) 试验系统。 空时分层编码是目前已知的唯一一种可以使频带利用率随发送天线数线 形增加的编码方式。其实现方式很简单，发射端将信源信息分为个长度相同的 数据流，采用不同的映射关系对应于各发送天线，根据信源消息与发送天线之间 的映射关系，可将空时分层码分为水平、垂直、对角三种。其中，各层数据流独 立地进行编码、调制，在解码中无法共享其它层的信息，实现联合预测，因而没 有达到使用天线阵的分集效果，其性能较差最根本的原因是由于它并没有实现分 集，因而它不是基于发射分集的。 空时分层编码的最大优点是其频带利用率随着发射天线的增加线性增加，它 所能达到的频带利用率和传输速率是单天线系统所无法达到的。 但是由于空时分层编码系统是利用无线信道的多径传播特性来达到区分同波 道信号的目的，对它而言，无线信道中的传播路径越多，在检测时产生的误码越 少，故其抗衰落性能不是很好，适用于发射天线和接收天线较多的情况；并且由 于受其实现方式的制约，空时分层码要求接收天线数至少要等于其发送天线数， 目前，要在移动终端设备上安装几个天线是一项比较难以解决的技术，这从另一 方面限制了l s t c 的实用。 空时分层码的译码算法一般采用基于迫零( z f ) 1 9 】和最小方差叫m s e ) 1 9 】准则 的检测算法，由于该算法的复杂度高，并且在译码时对码间干扰的抑制和删除处 理将使接收端牺牲部分分集增益，从而对码性能造成比较严重的影响。虽然空时 1 2 频率和时间选择性衰落信道下的空时编码技术研究 分层码程性悲上毒一定损失，曼受天线技拳麴隈懿，但宅翳褰频带裂照率却受戮 了人们的关淀，如果进一步提裹其性能，空时势层码烽是一释缀好驰无线缝网方 式，研究空时分层码尤其是对角空时分层码的赣驰译码算法是当今灼磅究方是之 一。随着空时分层码在c d m a 中的应用方寨和t u r b o - 空慰分层码的提出，更增加 了人们将之实用化的信心。它是实现未来无线通信嶷速数据伎竣的比较凑煎途的 解决方案之一，具有非常广阔的应用前条。 2 。2 。2 空爨孝格鍪编码( s t t c ：龆饿伽翔瓣t r e l l i sc o w , g ) 美醐a t & t 公司中央研究院k t a r o k h ，a e n a g u i b 等入提出了用于高速数据无 线通信的空时编码调制驻0 i h l ( s t c m ：s p a c e 。t i m ec o d i n g m o d u l a t i o n ) ，希望用空时 编码技术改避t s * 1 3 6 移动通信系统。这种空时码戳编码调制( t c l v l ) 为基础，称为空 汀椿型两。s t t c $ 2 收了时延分集技术( 时延发射分集是猜两个发射天线同时发射 闻一信写，嚣不过信号通过两个天线时有一个符号的对延) 和多重格銎! 编码调制 ( m u l t i p l et r e l l i sc o d e si v f o d u l a t i o i l ，m t c m ) 酶优点，综合考虑了编码增益和分集增 益豹影桶，能够达至g 编译码笈杂度、往髓和频带乖j 蔫率之闽的最佳折衷，是一种 最佳码。由予空辩格型戳考虑了前盛输入鹣关联，掰以宅吴有缀好的性能。s t t c 豹主要憨怒是利翔转输分集每信道缀鹤耦结会米提离系统静挠衰落髓能，飘蔼可 以綦j 惩多进制调测方式戬提襄系缓豹传输速率。弼格编筠器聚焉多遴铡漏铡方式， 霹鞋提褰系统熬传输速攀，键采翔多进巷l 矮，蓿号之阀豹差爨l 减小，要达到穗弱 麴性姥，多遴制方式赝懿豹绩爨比要毙二避测裹。翳以，只骞奁信邀率襄藏较小 时，才霹考虑用更惑频落效攀的调割方式鞋提裹乎均数摄率。 窆黪格型玛以网撂缀玛调制必基霆 | ，具毒缀褒的壤璐增熊秘分集增楚，能够 窍效缝抵抗衰落、掷制干拢秘噪声，在各穆髂道繇壤下都能获稼铰好斡性熊；霹 且空时格型码的频带利用率瞧较离，如采用有2 6 令爨座点的调