（信息与通信工程专业论文）基于空时编码的协作分集技术.pdf

参 ， ， 矿 ， 一 哂 7 i 0 ， i 1 ， 秽、 0 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文：基王窒盟缠码数垃佳盆篡拉苤：。除论文中已经注明 引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未 公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：兰降盘二暨 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密西( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：科邀飞 导师躲绷载 日期： f 1 年7 月日 中文摘要 摘要 多天线系统( m i m o ) 能在不牺牲额外带宽的前提下，大幅度提高系统的信道容 量和频谱利用率。空时编码技术则能通过m i m o 信道获得分集增益，进而改善无 线通信系统的可靠性。但是根据m i m o 系统的设计特点，需要在移动终端安置多 根天线，这样在实际通信的很多方面就会受到限制。协作分集技术作为一种有效 的空间分集方式，能够通过单天线用户之间的相互协作来形成虚拟m i m o ，不但 能克服m i m o 系统的局限性，还能获得与m i m o 系统相近的性能，因而具有更好 的应用前景。 本文重点讨论空时分组编码在协作分集技术中的应用。基于正交空时分组码 的编码特点，我们可以通过改变传输方式来获得传输速率的提高。而根据信道状 态信息，我们可以对发送码字分配不同的功率从而进一步改善系统的性能。将空 时分组码和协作分集技术结合后不但能获得分集增益而且降低了译码复杂度，有 效的提高了系统的频谱利用率。 本文的主要工作如下：1 ) 介绍了空时编码技术，讨论了空时编码的系统模型 和设计准则，重点分析了其中的空时分组编码技术，包括编译码方法和正交设计 原理，为进一步提高系统性能，引入了带有部分反馈的空时分组编码技术。2 ) 介 绍了几种典型的分集技术，重点对其中的协作分集技术进行讨论，主要包括协作 系统模型，中继协作协议和接收端的合并策略。3 ) 将空时分组编码技术应用于中 继协作模型，为克服传统协作方案占用时隙长的缺点，根据空时分组码的正交特 性，采用两用户协作方式对传输方案进行改变，从而有效减少传输时隙，提高系 统的频谱利用率。4 ) 为了进一步改善系统性能，最后以d f 协议为例讨论了最优 化功率分配方案。根据用户间的信道状态信息，在信源和中继处分配不同的功率 因子，通过等功率和最优化功率分配方案的仿真可以看出，与等功率分配方案相 比，最优化功率分配方案可以更有效地利用信道状态信息达到改善系统性能的目 的。 关键词：协作分集；空时分组编码；部分反馈；功率分配 一 a b s t r c t 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 ts y s t e m ( m i m o ) c a l li n c r e a s es y s t e m ，sc h 锄e l c a p a c i t ya n ds p e c t r u me f f i c i e n c ys i g n i f i c a n t l yi nt h ep r e m i s eo fn o ts a c r i f i c i n gt h ee x t r a b a j l d w i d t h t h et e c h n o l o g yo fs p a c e t i m ec o d i n gc a no b t a i nt h ed i v e r s i t yg a i nt h r o u g l l t h em i m oc h a n n e l ，t h e r e b y i m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s h o w e v e r , b a s e do nt h ed e s i g nf e a t u r e so fm i m o s y s t e m s ，w en e e dt op l a c e m u l t i p l e a n t e n n a sa tt h em o b i l e t e r m i n a l ， s ot h a t m a n ya s p e c t so f 缸l ea c t u a l c o m m u n i c a t i o nw i l lb el i m i t e d a sa ne f f e c t i v es p a c ed i v e r s i t yw a y , t h ec o o p e r a t i v e d i v e r s i t yt e c h n o l o g yc a nf o r mv i r t u a lm i m o t h r o u g hm u t u a lc o o p e r a t i o n 锄o n gs i n g l e a n t e n n au s e r s ，w h i c hn o to n l yo v e r c o m e st h el i m i t a t i o n so fm i m o s y s t e m s b u ta l s o o b t a i n ss i m i l a rp e r f o r m a n c ew i t hm i m o s y s t e m ，w h i c hh a sb e t t e ra p p l i c a t i o np r o s p e c t s i nt h i s p a p e r , w ef o c u so nt h ea p p l i c a t i o n so fs p a c e - t i m eb l o c kc o d e si nt h e c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt e c h n o l o g y b a s e do nt h ec o d i n gf e a t u r e so f o r t h o g o n a ls p a c e - t i m e b l o c kc o d e s ，w ec a ni m p r o v et h et r a n s f e rr a t eb yc h a n g i n gt h et r a n s f e rm o d e h o w e v e r a c c o r d i n gt ot h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n , w ec a na l l o c a t ed i f f e r e n tp o w e rf o rs e n d i n g t h ec o d ew o r d ，w h i c hc o u l df u r t h e ri m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e w ec a n n o to n l v g e tt h ed i v e r s i t yg a i nb u ta l s or e d u c et h ed e c o d i n gc o m p l e x i t y , a n di m p r o v et h es v s t e m s p e c t r u me f f i c i e n c ye f f e c t i v e l yb yt h ec o m b i n a t i o no ft h es p a c e t i m eb l o c kc o d e sa n d c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ：1 ) s p a c e - t i m ec o d i n gt e c h n i q u e sa r e i n t r o d u c e d ，t h es y s t e mm o d e la n dd e s i g nc r i t e r i ao ft h es p a c e t i m ec o d i n ga l ed i s c u s s e d i n c l u d i n ge n c o d i n ga n dd e c o d i n gm e t h o da n dt h eo r t h o g o n a ld e s i g np r i n c i p l e t o 允r t h e r n n p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e ，t h es p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g t e c h n o l o g yw i t hs o m e f e e d b a c ki s i n t r o d u c e d 2 ) s e v e r a lt y p i c a ld i v e r s i t yt e c h n o l o g i e sa r ei n t r o d u c e d a n d c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt e c h n o l o g yi sh i g h l i g h t e d ，i n c l u d i n gc o l l a b o r a t i v es y s t e mm o d e l r e l a yc o o p e r a t i o np r o t o c o la n dt h ec o n s o l i d a t i o n s t r a t e g y o ft h er e c e i v e r 3 ) t h e s p a c e - t i m eb l o c kc o d i n gt e c h n o l o g yi su s e dt ot h er e l a yc o o r d i n a t i o nm o d e l i no r d e rt 0 o v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so ft a k i n gt o ot i m ei nt h et r a d i t i o n a lc o l l a b o 饱t i o ns o h n i o n s t h ew a yo ft w o u s e rc o l l a b o r a t i o ni su s e dt oc h a n g ei t a c c o r d i n gt ot h eo r t l l o g o n a l p r o p e r t yo ft h es p a c e - t i m eb l o c kc o d e s ，s oi tc a nr e d u c et l l et m s m i s s i o nt i m e 、 英文摘要 e f f e c t i v e l ya n di m p r o v et h es y s t e m ss p e c t r u me f f i c i e n c y 4 ) i no r d e rt of u r t h e ri m p r o v e s y s t e mp e r f o r m a n c e ，t h ed fp r o t o c o li s 鹪a ne x a m p l et od i s c u s st h eo p t i m a lp o w e r a l l o c a t i o ns c h e m e a c c o r d i n gt ot h ec h a n n e ls t a t u si n f o r m a t i o nb e t w e e nu s e r s ，d i f f e r e n t p o w e rf a c t o r sa r ea l l o c a t e db e t w e e nt h es o u r c ea n dt h er e l a y a c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o no ft h ee q u a lp o w e ra n do p t i m i z a t i o np o w e ra l l o c a t i o np r o g r a m ，i tc a nb e s e e nt h a tc o m p a r e dt ot h ee q u a lp o w e ra l l o c a t i o np r o g r a m ，t h eo p t i m i z a t i o np o w e r a l l o c a t i o np r o g r a mc a ni m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c em o r ee f f e c t i v e l yb y u s i n gt h e c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n k e yw o r d s ：c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ss p a c e - t i m eb l o c ke o d i n g lp a r t i a lf e e d b a c k s p o w e rd i s t r i b u t i o n 目录 目录 第l 章绪论l 1 1 协作分集产生的背景l 1 2 协作分集的研究状况3 1 3 空时编码应用于协作分集的研究背景和意义5 1 4 论文的研究内容及结构安排6 第2 章空时编码技术7 2 1 空时编码的系统模型和设计准则7 2 1 1 空时编码的m i m o 系统模型7 2 1 2 空时编码的设计准则9 2 2 空时分组编码10 2 2 1a l a m o u t i 空时编码1 l 2 2 2 空时分组码的正交设计原理和性能分析1 4 2 3 带有部分反馈的空时分组编码。2 l 2 3 1 加权矩阵与分集增益的关系2 2 2 3 2 带有部分反馈的a l a m o u t i 方案性能分析2 3 2 3 3 仿真结果及分析2 5 2 4 本章小结2 7 第3 章分集技术2 8 3 1 无线信道的特征2 8 3 2 分集技术的分类2 9 3 2 1 接收分集3 0 3 2 2 发射分集3l 3 2 3 时域分集3 2 3 2 4 频域分集3 2 3 2 5 空域分集3 3 3 3 协作分集技术3 3 3 3 1 协作分集系统模型3 3 3 - 3 2 协作分集协议3 7 3 4 性能仿真4 0 3 5 本章小结。4 2 第4 章基于空时编码的协作分集技术4 3 目录 4 1a f 协议下的a l a m o u t i 编译码方案4 3 4 1 1a f 协议下传统协作方案4 3 4 1 2a l a m o u t i 方案在不同协议下的编译码4 6 4 1 3 改进的a l a m o u t i 协作分集方案5 0 4 1 4 系统性能仿真5 2 4 2d f 协议下的a l a m o u t i 编译码方案5 4 4 2 1d f 方式下传统的协作方案。5 4 4 2 2d f 方式下改进的协作分集方案5 5 4 2 3 系统性能仿真5 8 4 3 最优化功率分配下的d f 协作方案5 9 4 4 本章小结6 3 第5 章论文总结与展望6 4 5 1 论文工作总结一6 4 5 2 前景展望。6 5 参考文献6 7 致谢7 1 研究生履历7 2 基于空时编码的协作分集技术 第1 章绪论 1 1 协作分集产生的背景 近年来，在全球范围内，蜂窝移动通信、多媒体业务和因特网技术得到迅速 的普及和快速发展，我国的移动通信技术也得到了广泛应用，加之未来i n t e m e t 也需要利用无线接入技术，由此导致了对无线宽带数据通信服务需求的迅速增加。 但是世界范围内可利用的无线频谱资源是有限的，只有大幅度提高无线通信的速 率才能满足众多用户的需要，这就需要我们设法突破传统无线通信系统在容量方 面的限制。一般的，可以有三种途径来提高移动通信的信道容量：第一，拓宽已 有的频带；第二，安置更多的基站；第三，提高频谱利用率。对于第一点，有的 学者指出，由于毫米波段有更宽的频带可以利用，所以可以把目前所用的频带拓 展到毫米波段，但是目前的技术水平有限，所需要的无线通信设备主要是介于 u m t s ( 通用移动通信系统) 和w l a n ( 无线局域网) 之间的微波波段，u m t s 和 i s m ( i 业、科研和医疗) 使用的频率在2 g h z 附近，而w l a n 所用频率在2 g h z 到5 g h z ，因而需要付出的代价相当昂贵；安置更多的基站就是要增加更多的蜂 窝，这样需要花费大量的资金和设备，代价较高；因而我们需要通过设法提高频 谱的使用效率来提高系统容量【l j 。 在单天线系统中，采用先进的编码( 如t u r b o 码【2 】和低密度奇偶校验码t 3 j ) 可以 接近香农容量极限 4 1 ，但是这种方法比较复杂。但随着发射端和接收端天线总数 的增加，可以明显的提高系统的频谱利用率【5 】，由此引入了多输入多输出 ( 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 ，m i m o ) 系统。m i m o 指一种采用多根发射天线和 多根接收天线的无线通信技术，与传统的单天线系统相比，m i m o 突破了原有信 道容量较小的瓶颈，可以获得更大的信道容量1 6 - 8 | 。目前i t u ( 国际电信联盟) 和 3 g p p 已经制定了将m i m o 技术应用于在第三代移动通信( 3 g ) 和三代以后( b 3 g ) 移动通信领域的相关标准，3 g 标准中的w c d m a 方案9 】和c d m a 2 0 0 0 方案【1 0 1 都使 用了m i m o 技术。大体说来，应用m i m o 技术可以获得的好处是能够在不牺牲 额外带宽资源的前提下大幅度地提高整个通信系统的频谱利用率和信道容量，通 第1 章绪论 过多个并行的子信道来传输信息，综合应用了发射分集和接收分集技术，使系统 获得了很好的天线增益。 从f o s c h i n i 和t e l a t a r 6 7 1 等人提出并研究了m i m o 无线通信系统以来，目前 在固定接入系统和蜂窝移动通信方面，已经提出了各种实验性的m i m o 模型，在 无线局域网方面也制定了相关的标准，并且相应的产品也已经产生。虽然在这些 方面的进展比较迅速，但是要达到将m i m o 产品大规模的投入到商用中这个目 标，还要经历相当长的一段时间。主要是因为m i m o 系统在设计实现方面自身具 有很大的局限性，例如在无线传感器网络或蜂窝移动通信系统中，终端设备受到 功耗、体积、质量、成本等的限制不可能安装多根天线，因而m i m o 系统在设计 时要考虑以下几方面的影响【l 】： 第一，不同天线之间的距离和天线总数的设置。发射端天线之间的距离要求 不小于半个波长，这样才能保证各信道之间的衰落是不相关的，当发射天线数过 多时会导致终端设备体积过于庞大，这不符合终端设备的设计原则；基站天线之 间距离一般选为1 0 个波长，在基站安装天线数目过多时会给周围造成一定的损 害，因而需要控制在一定的数量范围内。 第二，m i m o 系统的信道模型。m i m o 系统的性能在通常情况下跟所传输的 多径信号有关，譬如不同路径之间的相关度、角度扩展和时延扩展都会影响到系 统性能，因而选取合适的系统结构和信号处理算法非常重要，迄今为止，i t u 还 未制定出与之相对应的m i m o 无线信道模型标准。 第三，接收机的复杂性问题。与接收端只有一根天线的系统相比，m i m o 系 统接收端的复杂度明显加大。首先要克服来自多根天线的空间干扰问题，这就需 要设计复杂的信号检测器和空时合并器；其次，接收机受周围散射等因素的干扰， 可能会引起时延扩展或角度的扩展，因而需要解决干扰对消和均衡问题；再次， 由于需要及时跟踪和更新信道矩阵的所有路径时延，这样也使得接收机的复杂性 增大。 除上述因素之外，较大的多普勒频移、各天线单元之间的相关性、信道估计 的不准确性等都会导致m i m o 系统性能的退化，为了解决m i m o 系统移动终端 - 2 - 基于空时编码的协作分集技术 无法安装多根天线的问题，出现了另一种不同的的空间分集技术协作分集技 术 1 2 - 1 3 1 1 3 2 1 。 1 2 协作分集的研究状况 协作分集技术的基本思想最早来源于c o v e r 和g a m a l 有关中继信道容量定理 的论文】。在原始文献中，作者分析了由三节点( 一个信源、一个中继和一个信宿) 组成的网络结构的容量，后来出现的很多关于合作通信的文献思想都来源于论文 【1 l 】。虽然这样，但目前所研究的合作通信中的内容有很多已经与以前的中继信 道有所不同，如s e n d o n a r i s 等人所提出的协作分集1 2 。1 3 1 的概念，它的基本思想是 每个单天线的移动用户都可以通过与一个或多个伙伴合作，来达到共享多根天线 的目的。合作伙伴既可以传输自己的信息，又可以帮助其它用户传输它们的信息， 这样，每个用户在不浪费自己空间信道的前提下，同时可以使用合作伙伴的空间 信道，从而形成了空间分集增益，提高了系统的性能。从2 0 0 3 年开始，l a i l e m 锄【1 4 - 1 5 1 等人发表的有关协作分集的论文，在无线通信领域引起很大的反响，由此开始开 创了研究协作通信的热潮。 协作分集中的用户跟合作伙伴之间可以共用彼此的天线，在形式上就构成了 一种虚拟的多天线系统，这也正是引入协作分集来解决m i m o 不能实用化问题的 体现。有关研究结果发现，在平坦瑞利衰落环境中，协作分集可以达到增大系统 容量的目的，也可以达到提高网络的质量和改善系统性能的目的，因而我们可以 说协作分集除去可以实现m i m o 系统所具有的特点外，在实现性方面更具优势。 目前很多通信运营商参与制定的8 0 2 1 6 j 标准采用中继技术为核心，通过在 基站的覆盖范围内增加多个中继来转发经过处理的基站下行链路的信息，实现小 区的良好通信。中继台既能够帮助基站扩大覆盖范围，又确保了小区内信号质量 得到很好的提高，同时也降低了系统的造价。在上行链路中，用户可以先将自己 的信息传给中继，再由中继转发给基站，这样很好的减短了用户到基站的传输距 离并降低了用户的发送功率。 近些年来，协作分集技术与很多其它的技术结合，不断解决协作分集在应用 第1 章绪论 方面存在的问题【1 6 】，主要有以下几个方面： 一协作分集与多用户分集结合 由于协作通信中需要多个用户进行协作，因而有的人就将协作分集与多用户 分集技术结合到一起。在协作通信的第一个阶段，从所有参加协作的用户中选取 信道条件最好的一个用户作为信源，在第二个阶段中，选择其中一个或几个信道 好的协作伙伴转发从信源传来的信息，经验证可以获得良好的分集增益【1 7 1 。利用 多用户分集时，各用户之间的信道是独立变化的，利用这一点，可以很好的改善 系统的中断概率和误码率性能，从而使得系统在传输可靠性方面得到很好的提升。 二协作分集与网络编码技术相结合 在传输速率方面，协作传输需要更多的时隙，这就导致信息速率的降低。将 网络编码应用到协作分集后，中继节点可以将两个合作用户的信息先进行网络编 码组合到一起然后再进行转发，这样比中继节点分别对两个用户单独转发信息要 节省一个时隙，因而提高了系统的传输速率，可以增加系统的有效性。有的地方 将协作分集与网络编码结合后的技术称为无线网络编码【1 8 1 。 三协作分集与功率分配相结合 在协作分集系统中，各个用户的发射功率因为协作的关系，不仅与自己的位 置有关，还与其合作伙伴的位置有关。要根据这种关系分配适当的发射功率，保 证所有用户的质量，就需要我们选择合适的功率分配算法进行优化。在发射端和 接收端已知信道状态信息的情况下，主要利用类似于注水定理的方法，信道条件 好的用户多传输信息，信道条件不好的用户少传或者不传信息。在只有接收端知 道信道状态信息而发射端不知道时，可以根据系统的中断概率上界闭式解来进行 功率的优化分配【l9 1 。 协作是一种新的思想，它不仅使单天线用户能实现多个天线的共享，也使得 网络资源得到共享。这种思想可以广泛应用于无线传感器网络，无线a d h o c 网 络和蜂窝移动通信网络中去。 基于空时编码的协作分集技术 1 3 空时编码应用于协作分集的研究背景和意义 空时编码( s p a c e t i m ec o d e s ) 的基础理论最早由s e s h a d r i 和w i n t e r s 提出【2 0 1 ， 在文献 2 0 中，作者讨论了两发收系统在平坦衰落信道下通过编码技术获得了 良好的分集增益，从那时开始，在无线通信领域，空时编码与相关的m i m o 信号 处理技术得到了飞速的发展和广泛的应用。 空时编码分为很多种，包括空时分组编码( s t b c ) ，空时网格码( s t t c ) 以 及分层空时码( l s t c ) 等，各种编码有各自的编译码准则，因而导致具有不同的 优点和缺点。在本文中我们主要讨论空时编码中的空时分组编码技术，因而文章 主要围绕与之相关的特点进行介绍，其它编码不再予以讨论。 1 9 9 8 年，a l a m o u t i 发表了一篇论文【2 l 】，论文主要讲了无线通信领域中一种简 单的传输分集技术，利用两根发射天线和一根接收天线获得了跟一根发射天线和 两根接收天线系统相同的分集阶数，也可以对其进行扩展，用于两发多收天线系 统中。文中所采用的两发一收系统后来被人们称为a l a m o u t i 方案，这是一种简单 有效的发射分集技术，属于空时分组编码的范畴。后来空时分组编码中一些编码 方案等的设置都是基于a l a m o u t i 方案进行的，在文献 2 2 】中，t a r o k h 等人又提出 了一种基于正交设计的空时分组编码，为空时编码的发展也奠定了一定的理论基 础。 空时分组编码技术，在m i m o 系统中可以使信息容量接近理论值，并且是一 种简单实用的编码技术，最大的特点是能够将编码技术与多天线技术进行有机的 结合，将所要传输的码字通过不同的天线传送出去，使系统的抗衰落性得到很好 的提高，在接收端可以采用简单的最大似然译码算法，因而接收机的复杂度比较 小。但是由于m i m o 系统在实用性方面有一定的限制，因而我们考虑将空时编码 应用于协作分集技术中去。 在后来的研究发展中，l a n e m a n 等人提出了一种基于空时编码的协作分集方 案 1 4 - 1 5 】。在方案中主要是将空时编码技术应用到了协作中继节点处，协作中继节 点接收到信源传来的信息后先按照某种协作协议进行判定，然后利用同一个子信 道，将信息通过空时编码方式转发到目的节点，这样就减轻了中继节点转发时进 第l 章绪论 行重新编码所带来的复杂度。 将空时编码和协作分集进行结合，既可以获得空时编码带来的编码增益也能 充分利用空间资源来获得分集增益，即结合了两者各自的优点，这样所获得的性 能要比两者单独使用时的性能有更大的改善。 1 4 论文的研究内容及结构安排 在m i m o 系统中，空时编码技术能够利用多根收发天线达到增大信道容量和 提高数据传输速率的目的，从而改善无线通信系统的性能。但是由于m i m o 系统 自身的限制，需要在移动终端安置多根天线，这就阻碍了在实际通信中的广泛应 用。协作分集技术能够通过单天线之间的相互协作来形成虚拟m i m o ，在克服 m i m o 系统局限性的同时能获得与m i m o 系统相近的性能。因而，从目前的通信 状况等方面出发，将空时编码技术应用于协作分集中变得更有现实意义和理论价 值。全文的内容结构安排如下： 第一章主要介绍了课题研究的理论背景，论述了国内外的研究发展状况以及 本论文的研究意义和内容安排。 第二章研究空时编码技术，首先介绍了空时编码的系统模型和设计准则，随 后重点介绍了空时编码中的空时分组编码技术，包括空时分组码的编译码原理和 正交设计准则，最后介绍了带有部分反馈的空时分组编码技术。 第三章研究分集技术，根据无线信道的特征讨论分集技术，包括分集技术的 不同分类及特征，重点介绍了空域分集中一种典型的分集技术即协作分集技术， 讨论了几种不同的协作分集系统模型和协作分集协议。 第四章在前文的基础上，研究基于空时分组编码的协作分集技术，根据空时 编码的特点对协作分集协议进行改进，讨论不同协议下的编译码方法和特点，最 后讨论d f 协议下的最优化功率分配方案，并对其性能进行仿真。 第五章对全文工作进行总结，对论文存在的不足之处进行讨论并对未来协作 分集技术的应用前景进行展望。 基于空时编码的协作分集技术 第2 章空时编码技术 在无线通信系统中使用多根发射天线和多根接收天线系统不但可以显著的提 高系统的信息容量，而且能够提高数据的传输速率，因而在无线通信领域受到了 广泛的关注。为了充分利用时间、空间和频率域中的资源，我们需要选择合适的 传输技术。在本章中，我们假设采用的是窄带无线通信信道，即信道衰落是平坦 的( 非频率选择性的) ，这时，可以在时间和空间域里运用分集技术。基于这点， 我们引入了空时编码技术，空时编码可以在一定的时间周期内通过多根发射天线 将调制编码后的序列发送出去，充分利用了时域和空域的相关性。 空时编码技术在编码结构上有多种方法，常用的包括空时分组编码，空时网 格码以及分层空时码等。所有的编码方案的核心是使用多径功能来得到较好的性 能增益和较高的频谱利用率，本文重点讨论空时编码中的空时分组编码。 2 1 空时编码的系统模型和设计准则 2 1 1 空时编码的m i m o 系统模型 一 s 2 y 2 空空 时时 编译 码码 器器 图2 1m i m o 系统模型 f i g 2 1m i m os y s t e mm o d e l 目前我们所研究的空时编码都是在多天线环境下进行的，图2 1 为m i m o 系 统模型。在发射端要传输的信息流通过空时编码器将串行信息变成多个并行的数 第2 章空时编码技术 据流，经过一定的调制后从多根发射天线发送出去，在接收端通过空时译码器对 数据流进行解码。该模型最大的特点是可以将某些发射天线和接收天线之间的信 道近似的看作是独立的平坦瑞利衰落信道，在有多种散射现象存在的前提下，瑞 利信道与实际情况比较相似。从发射天线发射的信号经过独立的瑞利衰落信道后 到达接收端时是不相关的，并且每个信号在接收端都有不同的空间特性。 要想将m i m o 信道近似的当作独立的瑞利衰落信道，需要使天线之间的距离 达到一定的程度。如在基站处需要天线距离不小于l o 个波长才能保证信号不相 关，从而获得分集，而在用户终端，两根天线之间的距离也不得小于3 个波长。 在图2 1 的模型中，假定有吻根发射天线，根接收天线，在时隙t 内通过唧根 天线同时发射独立同分布的t x n r 的信号矩阵s s = ：江1 ，2 ，r j = 1 ，2 ，丁 ( 2 1 ) 上述矩阵中第，行的元素 式s 。2 寸 表示在时刻t ( f j = l ，2 ，丁) 由唧根发射 天线所发射的符号。 当发射端不知道信道状态信息，且总的发射功率为p 时，假定每根天线传输 的信号都有相等的功率，都等于p ，z r ，则发射信号的协方差矩阵为 r 。= 二_ i 。 嘶。 ( 2 2 ) 其中，t 是仰r l t 的单位矩阵。由于发射信号的带宽足够窄，我们可以认为 它是频率平坦的，也可以说它属于无记忆信道。 信道用n t n r 的复数矩阵日来描述，表示第f 根发射天线和第根接收天 线之间的信道衰落系数。当忽略了信号在传播过程中的衰减及阴影等的影响时， 我们可以假定每一根接收天线的接收功率等于总的发射功率。这样我们就可以得 到系数确定的日中元素的限定式 孙1 2 钸川 2 ， r ( 2 3 ) 基于空时编码的协作分集技术 如果信道矩阵中的兀素为随机变量，则限定式是对上式取期望值。利用多根 发射天线和多根接收天线可以显著地提高无线通信系统的容量。当接收端已知信 道状态信息的情况下，信道容量与发射天线数目和接收天线数目中的最小值成线 性增长的关系。 2 1 2 空时编码的设计准则 在图2 1 中，假设发送的码字满足能量限制圳剐；= n r t ，这里的i f 是s 的 f r o b e n i u s 范数，e i i s 旺：护( s h s ) ：驴( s s ) ：圭羔i 1 2 ，e 表示期望。第根天线 在时间t 内接收的信号为 = 居莩w ( 例，2 ( 2 4 ) 其中，彰表示在时刻，第根天线所接收的复高斯自噪声变量，均值为0 ， 方差为1 。户表示每根接收天线所接收的信号的平均信噪比( s n r ) ，- q 发射天线 数独立。上式可以写为矩阵的形式 】，：卫s h + n ( 2 5 ) fn t 当接收端完全知道信道状态信息时，发射矩阵的最大似然译码为 s “a r g i i l 。j j n 卜睁i j ： 2 6 = 眵一f 上舛0 () 若发射码字为s ，而在接收端因译码错误而得到码字为，由于噪声是均值 为0 的高斯变量，我们可以得到固定信道下成对错误概率表达式 郴姻耻q ( 压p ) 小 = 三j c f 佗e 冲c 一一4 n rs i n ：0 i l c s - ) i i 矽秒 c 2 7 ， 第2 章空时编码技术 其中，q ( x ) = 1 芴f e x p ( 一w 2 2 为高斯误差函数，后面的等式由c r a i g 表达式得到 q ( x ) = 昙j c r 彪e x p ( 一去瑚 ( 2 8 ) 平均成对错误概率在瑞利衰落信道情况下的表达式为 郴一西= 冉( 1 + 4 n r 以s i n 2 8 ) 嘶d 秒 ( 2 9 ) 这里，a ( f - 1 ，2 ，y ) 是( s s ) ( s s ) 的非零本征值，7 为s s 的秩。在上 式中当秒= 万2 时，我们可以得到上界表达式 郴如乏垂杀广 三c 争孙c 鼻秒 泣 基于上式，我们可以设计两种空时编码设计准则： 第一，分集准则或秩准则。对于不相关码字s 和i 的差异矩阵s i 的秩要尽 可能的大。存在一种特定的空时编码使得s 永远为满秩时，我们就可以称这种 空时编码可以实现满分集。分集增益在性能曲线上的反映是曲线的斜率。 第二，秩与行列式准则。对所有不相关码字s 和s 而言，兀丑的最小值应尽 可能的大，这个参数被看作是空时编码所能实现的编码增益。 2 2 空时分组编码 在上一节中对空时编码的m i m o 系统模型及设计准则作了一般性的探讨，本 节我们将对空时编码中的空时分组编码技术进行介绍，并在m i m o 环境中对其性 能进行分析。空时分组编码技术是一项简单而又灵活的发射分集技术，具有较简 单的编译码算法并能获得较高的分集增益。这里我们先介绍空时分组编码中的典 基于空时编码的协作分集技术 型代表a l a m o u t i 方案，然后在此基础上进一步研究一般的空时分组编码。 2 2 1a l a m o u t i 空时编码 从编码历史上来说，为获得发射分集，首先提出的是延迟分集方梨2 3 1 ，虽然 这种方案可以达到完全分集的效果，但是会引入符号间干扰，并且在接收端需要 复杂的检测电路才能实现。因而准确的说a l a m o u t i 方案才是当发射天线数为2 时 在发射端能够提供满分集增益的第一种空时分组码。下面我们介绍a l a m o u t i 方案 的编译码原理和性能特点。 ( 1 ) a l a m o u t i 方案的编码和译码过程 a l a m o u t i 方案是指发射天线数目为2 的一种空时分组码，在该方案中输入的 随机序列首先通过调制器进行m 阶调制，然后编码器在每次操作中将调制后的两 个符号而和是进行分组编码，按照下面的编码矩阵通过两根发送天线进行传输 s ：卜一l l s 2岛j ( 2 1 1 ) 该矩阵中不同的列代表不同的传输周期，不同的行代表经不同天线所发射的 信号。具体的说来，在第一个符号周期，第一根天线传输墨而第二根天线传输岛。 在第二个符号周期，第一根天线传输一，第二根天线传输& 的复共轭s ：。该方案 中每组传输七= 2 个信息符号所用周期为p = 2 ，所以编码速率为r = 七p = 1 。整 个编码过程如下图2 2 所示： 信源信息 卜、 调制器 j 编码器 _ 1 1 斟= b 一】 墨，= 陂i 】 图2 2a l a m o u t i 空时编码原理图 f i g 2 2t h es c h e m a t i cf o ra l a m o u t is p a c e - t i m ec o d i n g 从上面我们可以看出信息流可以在空间域( 天线阵列) 和时间域( 传输周期) 同时进行传输，因此是空时编码中的一种。式( 2 1 2 ) q as 1 是来自第一根天线的信 第2 章空时编码技术 息流，s 2 是来自第二根天线的信息流 j 1 = h 一s 2 = 屯i 该方案的主要特征是两根发射天线的发射序列是正交的， 为0 。 ( s 1 ，s 2 ) - s l 一而= 0 且有 ( 2 1 2 ) 即两根天线的内积 ( 2 1 3 ) s：s=1j_121pls12l s 。f ：0 2 0 = = ( f s - 1 2 r i s ：1 2 ) 厶 。2 。4 ， 【蚶j ”2 4 ) 其中厶是一个2 x 2 的单位矩阵。 假设目的端只有一根接收天线，从两根发射天线得到的接收信号为( 江l ，2 ) ， 信道衰落系数分别为啊和吃，并且啊和在两个连续的符号传输周期内保持不变， 即啊( f ) = ( f + r ) = 啊，坞( f ) = h 2 ( t + t