（通信与信息系统专业论文）差分空时编码技术的应用研究.pdf

摘要 空时编码技术是一种利用多天线阵发送和接收的技术，该技术能很好地结合 时间处理技术和空间处理技术的特点，能在不增大发射功率和不扩展频带的前提 下满足未来无线移动通信对高数据率传输的要求，从而全面提高衰落信道的通信 质量和通信系统容量。 差分空时码是一种适合未来3 g 4 g 快变衰落信道的空时编码技术，与一股的 空时码不同的是，它的译码不需要信道状态信息，但仍能保持良好的译码性能。 我们采用级联一个外码同时应用迭代软译码算法，以期进一步提高差分空时编码 系统的纠错性能。 本论文首先简要介绍了各类空时编码技术；然后详细讨论了三种盲空时调制 技术的编译码原理，在此基础上综合比较了现有几种方案的特点及他们之问的联 系，对三种差分调制技术的性能进行了仿真和比较；最后，提出了串行级联差分 空时码的迭代软判决译码算法，并对差分空时码与低密度校验码( l d p c ) 的级联 系统进行了性能仿真，通过分析仿真结果指出了在差分空时调制技术中使用迭代 软判决译码算法改善系统性能的优点和局限性。 关键词：移动通信盲空时码级联系统迭代软判决译码 a b s t r a c t s p a c e t i m ec o d i n gt e c h n o l o g yi sb a s e do nm u l t i - e l e m e n t sa n t e n n aa r r a ya n dh a s s t r o n gp o i n t s o fb o t ht i m e p r o c e s s i n g a n d s p a c ep r o c e s s i n g i t c a n s a t i s f y t h e r e q u i r e m e n t so fh i g hd a t ar a t et r a n s m i s s i o ni nt h ef u t u r er a d i om o b i l es y s t e mw i t h o u t t h ei n c r e a s eo ft h et r a n s m i t t i n gp o w e ra n dt h e s p r e a do ft h ef r e q u e n c y a n di t c a n g r e a t l yi m p r o v et h eq u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s a n ds y s t e m c a p a c i t y u n d e r f a d i n gc h a n n e l s d i f f e r e n t i a l s p a c e - t i m ec o d i n g i ss u i t a b l ef o rt h e f u t u r e3 g 4 gm o b i l e c o m m u n i c a t i o nu n d e rr a p i df a d i n gc h a n n e l s c o m p a r e dw i t ho t h e rs p a c e t i m ec o d i n g t e c h n o l o g i e s ，i tc a no b t a i nw e l lp e r f o r m a n c ew i t h o u tp e r f e c tc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w e l o o kf o r w a r dt o i m p r o v e t h e p e r f o r m a n c e o ft h e d i f f e r e n t i a ls p a c e - t i m es y s t e mb y c o n c a t e n a t i n g i tw i t ha no u t e rc o d ea n d u s i n gi t e r a t i v e s o f t d e c i s i o nd e c o d i n g a l g o r i t h m a f t e rd e t a i l e da n a l y s e sa n ds i m u l a t i o n s ，s o m ep o s i t i v e r e s u l t sa r eo b t a i n e da n ds u m m a r i z e da sf o l l o w ： f i r s t l y , t h ed i f f e r e n ts p a c e - t i m ee n c o d i n gt e c h n o l o g i e sw e r eb r i e f l yi n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n gp r i n c i p l eo f t h r e ed i f f e r e n tb l a n d s p a c e t i m e m o d u l a t i o n si sp r e s e n t e d t h e ns e v e r a le x i s t i n gs c h e m e so fb l a n ds p a c e t i m ec o d e sa l e a n a l y z e d a n dc o m p a r e d ，t h ee s s e n c eo fc o d i n ga n dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h e s e e x i s t i n gs c h e m e s i sd i s c l o s e da n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n l a s t l y , t h es y s t e m s t r u c t u r eo ft h es e r i a l l yc o n c a t e n a t e dd i f f e r e n t i a l s p a c e t i m e c o d e si s p r e s e n t e d t h ei t e r a t i v es o f t - d e c i s i o nd e c o d i n ga l g o r i t h mf o rt h es y s t e mw a s i n t r o d u c e dt h es i m u l a t i o nr e s u l to ft h ed i f f e r e n t i a ls p a c e - t i m em o d u l a t i o nc o n c a t e n a t e d w i t hl d p cc o d ei s g i v e n ，t h e nt h ea d v a n t a g e sa n dl i m i t a t i o n s o ft h ea l g o r i t h ma r e p o i n t e d o u t k e y w o r d s ：m o b i l ec o m m u n i c a t i o n b l a n ds p a c e t i m ec o d ec o n c a t e n a t e ds y s t e m i t e r a t i v es o f t d e c i s i o nd e c o d i n g 创新性声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 到丝 日期： 丝堡! 关于论文使用权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文和使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复印手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵循此规定) 本人签名： 纠鍪 日期： 塑! 生：垡 导师签名 第一章绪论 第一章绪论 1 1 第三代移动通信的关键技术 移动通信经历了从第一代模拟移动通信系统、第二代数字移动通信系统，并 正在向着第三代移动通信系统发展，而第四代移动通信系统最新技术的研究也在 悄然进行之中。个人通信是未来移动通信的目标，是指任何人在任何时间和任何 地点可实现与任何个人进行的任何种类的信息交换。 从技术层面来看，第一代移动通信系统( 也称l g ) 主要采用模拟和频分多址 ( f d m a ) 技术。整个发展过程又可分为三个阶段，即第一阶段的小容量大区制( 或 单区制) 人工交换移动通信系统、第二阶段的中容量中区制自动交换移动通信系 统和第三阶段的大容量小区制程控交换移动通信系统；第二代移动通信( 2 g ) 起 于9 0 年代初期，流行于9 0 年代中后期，第二代移动通信系统主要采用数字式时 分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 技术。其产品类型又可分为两大类，即 第一类数字式t d m a 系统和第二类数字式窄带c d m a 系统；第三代移动通信系 统主要是以宽带c d m a 为核心技术；第四代移动通信系统则以正交频分复用技术 ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x e r ；o f d m ) 最受瞩目。 2 0 0 0 年5 月，国际电联批准了i m t 2 0 0 0 无线接口5 种技术规范，其中3 种 c d m a 技术为主流：两种频分双工方式c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 和一种时分双工方式 t d s c d m a 。第三代移动通信标准i m t 一2 0 0 0 提出了对频谱和业务的基本要求， 即有名的2 g h z 频段和3 8 4 k b s 广域网和2 m b s 本地网数据传输速率业务等。与第 二代移动通讯系统相比，3 g 系统有如下特点“1 ： 系统的国际性，提供全球无缝覆盖和漫游，世界范围设计的高度一致性； 业务的多样性，提供话音、数据和多媒体业务，车载通信速率为1 4 4 k b p s ， 步行通信速率为3 8 4 k b p s ，室内通信速率为2 m b p s ； 高质量的业务，满足通信质量能达到与固定网相比拟的高质量业务要求； 高度的灵活性，按需分配带宽，支持大范围、可变速率的信息传送； 频谱利用率高，通信容量大； 西安电子科技大学硕士论文：差分空时编码技术的应用研究 袖珍、多频、多模、通用移动终端： 满足通信个人化的要求； 系统初始配置能充分利用第二代系统设备和设施，随后实现平滑升级； 低费用，包括设备和服务两方面。 给3 g 系统带来天翻地覆变化的当然是3 g 中所采用的多种高新技术，这些高 新技术是3 g 通信系统的精髓，也是制定3 g 标准的基础。以下是几种有可能应用 于3 g 移动通信系统中的技术0 1 。 ( 1 ) 多址技术 时分多址( t d m a ) ，将连续时间段分为若干段，称作时隙，每个用户通信 时占用一个周期内所有分配频谱的部分时间；码分多址( c d m a ) ，每个用户 在通信时占用所有频谱和所有时间，但不同用户具有不同的正交码形；空分多 址( s d m a ) ，可以在时域频域之外用来增加容量和改善性能，每个用户在通 信时，可以占用所有频谱、所有或部分时间、所有或部分码形，但只占用特定 空间( 方向) 。将c d m a 和s d m a 技术结合起来也起到了相互补充的作用，尤 其是当几个移动用户靠的很近并使得s d m a 无法分出时，c d m a 就可以很轻 松地起到分离作用了，而s d m a 本身又可以使相互干扰地c d m a 用户降至最 ，j 、。 ( 2 ) 智能天线技术 智能天线是基于自适应天线原理，利用天线阵的波束赋形产生多个独立的 波束，并自适应地调整波束方向来跟踪每一个用户，以达到提高信号干扰噪声 比s 1 n r ( s i g n a l t oi n t e r f e r e n c ea n d n o i s e r a t i o ) ，增加系统容量的目的。在3 g 的 三个标准中，t d s c d m ar t t 中已经使用了智能天线。现在所研究的是如何 将它使用在u t r at d d 及两种f d d 系统中，其中所面临的将是如下两方面的 问题：基带数字信号处理能力的问题和是否要修改物理层标准的问题。由于两 种f d d ( 包括u t r an ) d ) 系统设计时没有考虑智能天线的应用，可能要修 改其物理层设计。 ( 3 ) 软件无线电技术 软件无线电的基本思路是研制出一种基本的可编程硬件平台，只要在这个 硬件平台上改变相应软件即可形成不同标准的通信设施( 如摹站和终端) 。软 件无线电的关键思想是尽可能在靠近天线的部位( 中频，甚至射频) ，进行宽 带a d 和d a 变换，然后用高速数字信号处理器( d s p ) 进行软件处理，以实 第一章绪论 现尽可能多的无线通信功能。这样无线通信新体制、新系统、新产品的研制丌 发将逐步由硬件为主转变为以软件为主。 ( 4 ) w a p ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c o l ，无线应用协议) 技术 w a p 是一种向移动终端提供互联网内容和先进增值服务的全球统一的开 放式协议标准，是简化了的无线i n t e r a c t 协议。它将i n t e r n e t 和移动电话技术结 合起来，使得移动电话或其他无线终端可随时随地访问互联网资源。 ( 5 ) 快速无线i p ( w i r e l e s si p ，无线互联网) 技术 由于无线i p 主机在通信期间要在网络上移动，其i p 地址就有可能经常变 化，传统的有线i p 技术将导致通信中断，但3 g 技术因为利用了蜂窝移动电话 呼叫原理，完全可以使移动结点采用并保持固定不变的i p 地址，完成移动中的 数据通信。因此，快速无线i p 技术将是未来移动通信发展的重点。 ( 6 ) 多载波技术 多载波m c c d m a 是3 g 中使用的一种新技术。其研究内容大致有两类： 一是用给定扩频码来扩展原始数据，再用每个码片来调制不同的载波。另一种 是用扩频码来扩展已经进行了串并变换后的数据流，再用每个数据流来调制不 同的载波。 ( 7 ) 多用户检测技术 在c d m a 系统中，由于码间不正交，会引起多址干扰( m a i ) ，而多址干 扰将会限制系统容量，为此人们提出了利用其他用户的已知信息去消除多址下 扰的多用户检测。多用户检测技术分为两大类：线性多用户检测和相减去干扰 检测。 1 2 空时编码技术的背景 传统的以语音和低速率数据业务为主的、以固定或移动语音终端为界面的通 信方式已不能满足当今信息社会快速发展的要求，面向多媒体业务包括图象和视 频等高速率数据业务、以移动计算终端为界面的通信方式正在引领着技术发展的 潮流。提高无线数据通信速率等效于提高无线通信信道容量，也等效于提高频谱 利用率，人们围绕这一问题做了大量的工作，力求最大限度的利用时间、频率、 功率和空间资源。 移动通信中的物理信道必须要占据一定的时间、频率、功率和空间，而这些 资源是有限的，并且是所有信道共享的。在频分多址系统中，主要以频率的不同 划分不同的信道：在时分多址系统中，在频率分开的基础上，又在时间巴划分出 了许多信道；码分多址系统是自干扰系统，其本质是许多信道共享功率资源，而 西安电子科技大学硕士论文：差分空时编码技术的应用研究 区分这些信道的是p n 码。时间、频率和功率资源可以看作是一维的资源，可以在 一根坐标轴上表示，业界对这些资源的利用已经非常成熟。而空间资源是一种二 维的甚至是三维的资源，真正充分利用空间资源的技术难度也相应较大。从无线 通信发展初期到现在，虽然大家越来越重视开发利用空间资源，但到目前为止， 在空间资源方面仍然还有很大的潜力可挖。在对各种空间资源利用的技术中就包 括空时编码技术，它具有很高的频谱利用率和较好的通信质量，能够满足高速数 据通信业务要求。 空时编码技术是在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 ) 天线系统基础上发 展起来的。在3 g p p 的高速下行分组接入( h s d p a ：h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k a g e a c c e s s ) 方案中提出了m i m o 天线系统，该系统在发送和接收方都有多根天线，并 引入了编码重用( c o d er e u s e ) 技术，用相同的信道码和扰码调制多个不同的数据 流，这样在不增加码资源的基础上提高了原始数据传输速率。在接收端采用多天 线和空问信号处理技术，对于扩频码不同的数据流，可以利用扩频码的正交性分 离出来，但对于采用相同扩频码的各个数据流，就要靠不同天线信号在无线信道 中的不相关性来区分。为了保证相同扩频码的各个子数据流能有效分离，各天线 的间隔距离要比较大，以保证信号的不相关性。m i m o 天线系统能提供1 4 4 m b s 甚至2 1 6 m b s 的数据传输速率。m i m o 系统的信道容量理论从信息论观点为成倍 提高衰落信道的信道容量奠定了理论基础。在窄带平坦瑞利衰落信道下有如下信 道容量公式“。： c m l 0 9 2 ( h s n r m ) ， h m( 卜1 ) 其中，m 是发送天线数，n 是接收天线数，s n r 是信噪比。 由上式可以看出，对于采用多天线阵发送和接收技术的系统，在理想情况下信 道容量将随着m 线性增加，从而提供了目前其它技术无法达到的容量潜力。其次， 由于多天线阵发送和接收技术本质上是空间分集与时间分集技术的结合，有很好 的抗干扰能力：进一步将多天线发送和接收技术结合信道编码技术，可以极大地提 高通信系统的性能。可以说，空时编码技术真正实现了空分多址，是将来无线通信 中必然选择的技术之一。 1 3 空时编码技术的研究进展 目前对空时编码的研究主要向三方面发展：第一方面是b e l l 实验室的 b l a s t 系统”，f o s c h i n i 等人于1 9 9 6 年提出了空时编码技术的框架，并于1 9 9 8 年研制出分层空时编码的实验室系统v - b l a s t ( b e l ll a y e r e ds p a c e - t i m ec o d e ) ， 第一章绪论 同时申请了专利，该系统主要利用无线信道的多径传播特性来达到提高传输速率 的目的：第二方面是l u c e n t 实验室提出的网格空时码( s t t c ) 。，s t t c 是在延 时分集”1 的基础上提出的，主要利用信道编码和多天线阵技术提高系统的抗衰落性 能，从而可以在低信噪比下利用多进制传输，以达到提高传输速率的目的，但其译 码复杂度与传输速率成指数关系，实现难度较大：最后一个方面是分组空时码相 对于s t t c 而言，尽管分组空时码的性能略有下降，但其编码方案要简单得多，并 且按正交设计理论”1 构造的分组空时码，由于其正交结构使得最优译码方法非常简 单，是线性最大似然译码，只须对接收信号进行简单的线性处理就可以恢复信号。 分层空时码和分组空时码己经被3 g 协议所采纳【l o 】【l i j 。空时发射分集技术( s f t d ) 就是3 g p p 中所采用的一种传输分集形式，它是一种空时分组码。 上面提到的三个方面，空时编码后的信号经过多条相关性较小的无线信道到 达接收端，接收端通常需要知道各个无线信道的理想参数，这就要求发射端发射 不同的导频序列，接收端采用大量的信道估计运算，才可以达到空时分集效果。 但在信道状态变化较快的多径无线环境中，快衰落使得接收端无法准确估计信道 状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) ，有时甚至根本无法估计。因此，研究 如何设计不需c s i 也能取得良好误码性能的盲空时编码显得十分重要。在此背景 下，2 0 0 0 年分别出现了3 种盲空时技术，t a r o k h 和j a f a r k h a n i 提出的适用于正交 分组空时码的差分技术“，h u g h e s 提出的基于群码的差分空时调制技术”以及 h o c h w a l d 和s w e l d e n s 提出的差分酉空时调制技术。虽然盲空时码的性能相对于 已知c s i 的空时码有3 d b 的损失，但对于用户处于高速移动情况仍将是一种很有 前途的解决方案。 国内对空时码的研究起步较晚，但也取得一定的进展。文献 3 5 、 3 7 对分层 空时码进行了深入的分析和研究，在迫零检测算法和最小均方误差检测算法的基 础上，引入了分层空时码的最大似然检测算法，解决了分层空时码限制接收天线 数一定要大于等于发送天线数的问题，为分层空时码在移动通信系统中的应用创 造了条件。同时文中对三种检测算法的性能与适应环境进行了分析和比较，给出 了级连分层码的迭代算法，提高了系统的译码性能，并提出了分层空时码进一步 的研究方向。对网格空时码的研究，在对其本身的优化方法方面，文 4 0 1 给出了一 种网格空时码有效的优化方法，基于距离谱的概念提出了一种网格空时码的优化 新方法，得到了基于m q a m 调制的s t t c 码字，其性能优于目前已知的s t t c ； 在降低其编译码复杂度方面，文 3 9 1 基于串行级连系统给出了一种状态数要小于系 统调制阶数的低复杂度网格空时码，在保证系统性能的基础上，将编译码复杂度 降低为原来的一半。文 3 6 对级连网格空时码的性能进行了分析和比较，提出了网 格空时码在w c d m a 中的解决方案。分组空时码方面，文 3 8 3 设计出了一种带有 预编码的空时分组码，提高了分组码的分集增益。上述三种空时编码是基于信道 西安电子科技大学硕士论文：差分空时编码技术的应用研究 信息可估计的前提下设计的，但未来的第四代移动通信不但对传输速率要求很高， 而且要求在高速移动环境下仍能保持较好的传输质量，即在快变衰落信道中纠错 编码仍能保持良好性能。但在快变衰落信道中对信道状态信息的估计比较困难， 有时甚至无法估计，盲空时码则是对该情况的一种很好的解决方法，它的译码不 需要信道信息。文 3 5 1 对现有的几种盲空时技术进行了介绍和分析，给出了盲空时 码在衰落信道中的仿真性能。 1 4 本文内容安排 本文主要讨论了应用于快衰落移动通信系统中用于提高系统性能的盲空时编 码技术及级连亩空时码，内容安排如下： 第二章从信息论角度分析了多天线系统的信道模型，回顾了空时编码技术的基 本原理，并分类介绍了国际上关于空时码各个分支的一些研究成果和存在的问题。 第三章重点介绍了盲空时码的编译码原理，通过对现有盲空时编码方案的分析 比较，给出了这几种方案之间本质上的联系，并指明了该编码的实质所在，以及 两类空时调制技术之间的联系，并对三种差分空时码的性能进行了仿真比较。 第四章论述了迭代软判决译码算法的发展、原理和实现，推导了针对级联盲空 时码的迭代软判决译码算法，并给出了盲空时码与低密度校验码级联系统的性能 仿真结果，分析了该算法的性能，指出了其在改善系统性能方面的优缺点。 第五章概括性地总结了全文的研究工作，并指出了需要进一步研究的问题和需 要做的工作。 第二章空时信道模型与空时编码调制技术 第二章空时信道模型与空时编码调制技术 本章首先介绍了应用于空时编码技术的无线信道模型，从信息论角度分析了 它的信道容量，接着系统地介绍了空时编码的一些基础知识，并对各种类型的空 时编码方案作了比较详细的回顾。 2 1 空时信道模型 目前空时编码系统主要是针对平坦衰落信道，即非频率选择性衰落信道，假 定迟延扩展很小，则信道特性是准静态的。通常认为发送方不知道信道状态信息， 接收方可以通过信道估计方法获得完整的信道状态信息( c s i ) 。当整个数据帧的 时间宽度远小于信道相干时间时，则可认为在该数据帧持续时间内信道特性不变， 利用训【练序列能将信道状态信息估计出来。 一个具有t n 根发送天线和弹根接收天线的系统如图l - 2 所示。在发送端，信 源产生的信息流先经过传统的信道编码，然后进行空时编码调制，映射为离散复 信号星座q 上的星座点，再送到埘个发送天线上发送出去。在接收端，任一时刻 每根接收天线收到的信号都是个发送信号的线性迭加。肛个接收天线上的信号 经过空时接收与译码后形成基带信号后，再经由信道译码器恢复出发送信息。 空 时 编 码 与 调 制 c 彬2 k ：刁i k f 2 舅白 ：鼯_ 。 口、x ： 釜_ 一气 矿 、。 c 月t 上一一一一、7 腑 空 时 接 收 与 译 码 图2 1 空时信道不恿图 假设各个发送接收天线对之间形成的空间子信道都是独立的平坦瑞利衰落信 道，接收端的加性噪声都是加性高斯白噪声。衰落因子( 即乘性噪声) 服从独立 复高斯分布，其实部和虚部为均值为0 ，方差为1 2 的高斯随机变量。加性噪声为 均值为0 ，方差盯2 为e 2 s n r 的复高斯随机变量，e 为发送端总功率，s n r 为信 噪比。第”根接收天线在f 时刻收到的信号r 可表示为： = 口。+ 7 7 。 ( 2 1 ) 西安电子科技大学硕士论文：差分空时编码技术的应用研究 其中，口。为t 时刻第m 个发送天线与第n 个接收天线之间的衰落因子，c 。为 f 时刻从第m 根天线发出的符号，7 ，。为f 时刻第h 根接收天线上受到的加性高斯噪 声。将( 2 - 1 ) 式写成矩阵形式( 即f 时刻的接收矩阵) ： ，= 日c + n( 2 - 2 ) 其中：，= “，r ) 7 ，c = ( c ，c ，) 7 ，n = 0 ，玑，玎，) 7 信道传输矩阵日 a i l 口2 】 t 口1 a l m d 2 吖 o n m 改信遭的互信息为： ( c ，) = 日( ，) 一( ，c ) ( 2 3 ) 只有当s 与n 相互独立且均为高斯分布时才能达到信道容量。这时有。” 日( ，) = l o g ( 2 # e ) 2 陬| l ，2 ， 日( c ) = l o g ( 2 ，r e ) u “i r 。| l ，2 ， h ( r l c ) = 日( ) = l o g ( 2 n - e ) 2 l r 。r ， r r = h4 rc c h h + r n n ，r n n = 仃2 ll 式中的日”表示该矩阵的共轭转置，i 为单位阵，r 。表示x 对应的相关矩阵。故 c = 丢l 0 9 2 d e t n 等 沼。， 为简化，省略上面的1 2 。并令r 。= i ，则上述信道容量限可化简为下式： z a e t ，+ 等 s ， 由于矩阵h 十h “为h e r m i t e 矩阵，因此h 日“= u “ 一十u ，式中 u ”+ u = 1 。，彳为以上述h e r m i t e 矩阵的特征值丑为对角元素的三角阵。这样进 一步化简可得： c = 蔷nt 。g ：( - + 砉) 协s ， 第二章空时信道模型与空时编码调制技术 由于日为复随机高斯矩阵，因此也为随机变量且同分布，相应的信道容量也 为一个随机值。下面讨论平均信道容量。 将上述的信道容量分为m n ，n 胁两种情况，小 肛的系统称为过饱和系 统，| m 的系统称为未饱和系统，娌= 埘称为满系统，而撑埘的情况对应于空 时编码系统的容量，即接收天线数大于等于发送天线数。 对于盯m 时，为简便推导，设每用户发送功率为1 n ，则 z = 日十五。 日“= 二日 日“ ( 2 7 ) 由于r a n k ( z ) = r a n k ( h ) = r a n k ( h ”) = m ，所以有如下等式“3 ： e ( c ) = m e ( 1 0 9 ( 1 + 丢) ) ( 28 ) 令o = m | n 。碍 e ( c ) = m 1 。g 去一! 二生l o g ( 1 一p ) 一1 】= 州 1 0 9 j 1 一l ( p ) ( 2 9 ) o 。d6 上式中l ( 表示由于干扰而导致的容量损失，当信噪比；很大时，式( 2 - 9 ) 可近似为如下公式： 鳃即) = m l 。g 专2 舶嗉e ( 2 - l o ) e 为每个接收天线的信噪比，即e = m + ( 1 n ) ) c r 2 ，考虑到n 肼，所以有下面 不等式： e ( c 1 r n l o g e ( 2 - 1 1 ) 由上式可以看出，系统信道容量与发送天线数成线性增长关系，且信噪比每 增加约3 d b ，信道容量将增加mb i t s h z 。这就是空时码之所以具有很高的频谱利 用率的理论基础。 2 2 第1 类空时码 如果接收端可以准确地估计信道特性，空时码的性能主要由任意两个发送码 矩阵所对应的差矩阵_ ( c ，) 嘲的特性决定，4 ( c ，) 的秩决定分集增益，而行列式值决 定编码增益。个拥有m 个发射天线和h 个接收天线的系统所能提供的最大分集 增益为m n ，如果4 ( c 1 e ) 满秩，则可以达到该最大值，另外，该系统所能提供的嘏 高频带利用率随着m i n ( m ，n ) 的增加而线性增加。在现有的几种空时编码方案中， l o 西安电子科技大学硕士论文：差分空时编码技术的应用研究 分集增益较高的在频带利用率方面却较低，而频带利用率高的在分集和编码增益 方面却没有同样令人满意的结果。 2 2 1 分层空时码( l a y e r e ds p a c e - t i m ec o d e s ) 分层空时码( l a y e r e ds p a c e t i m ec o d e s ) 是最早提出的一种空时编码方案”， 是月前已知的唯一一种可以使频带利用率随着m i n ( m ，”) 线性增加的编码方式，它 在提高频带利用率方面的巨大潜力使得它成为在m i m o 系统中实现高速无线分组 业务的一种艉决方案。 分层空时编码技术的基本思想是：在发送端，将高速数据业务分接为若干低速 数据业务，通过普通的并行信道编码器编码后，再进行分层的空时编码，调制后 用多个天线发送；在接收端，用多天线进行分集接收，信道参数通过信道估计获 得，由线性判决反馈均衡器实现分层判决反馈干扰抵消，然后进行分层空时码译 码，再经过信道译码器完成信道译码。 分层空时码的实现过程如下： 第一步，将输入的信息比特流分解成聊个比特流，独立地进行信道编码，其 过程如图2 2 所示：其中，c ，表示第i 个编码器的第，个输出。i = o ，1 ，m 1 ， j = 0 , 1 ，一。 图2 2 分层空时编码系统前级输出不恿幽 第二步，m 个已编码的比特流经过矢量编码器的变换，映射到对应的发射天 线上。分层空时码( l s t ) 对信道编码器输出序列的处理实际是实现一种影射关系， 根据影射方式不同，从m 个并行信道编码器送出的信号有三种空时编码方案：水 平分层空时码( h l s t ) 、垂直分层空时码( v l s t ) 和对角分层空时码( d l s t ) ”。 水平分层空时编码器对并行信道编码器的输出按垂直方向进行空间编码，第 一个信道编码器输出的第一批m 个码元排在第一列，第二个信道编码器输出的第 一批m 个码元排在第二列，第i 个编码器输出的第，批t n 个码元排在第( i + 广1 ) m ) 列。编码后的空时码元矩阵中的每一列，经m 个天线同时发送出去。其编码方案 第二章空时信道模型与空时编码调制技术 如图2 3 所示 c 2 0c 1 0 c 0 0 c 2 1c 1 1c 0 l c 2 2c 1 2 c 0 2 图2 3h l s t 编码过程( 以m = 3 为例) 垂直分层空时编码器对并行信道编码器的输出，按水平方向进行空间编码 即并行信道编码器的输出直接送入对应的天线发送出去。如图2 4 所示： c 0 2c 0 1c 0 0 c 1 2 c j 1c 1 0 c 2 2c 2 1c 2 0 橱 悃 困 图2 4v l s t 编码过程( 以m = 3 为例) 对角分层空时编码器对并行信道编码器的输出，按水平方向进行空间编码， 信道编码器的输出从左到右依次排列在码子矩阵的主对角线上，即第一个信道编 码器输出的第一批州个码元排在第一条对角线上，第二个编码器输出的第一批 个码元排在第二条对角线上，第i 个编码器输出的第_ ，批m 个码元排在第 ( 什( 7 _ 1 ) $ m 条对角线上。编码后的空时码元矩阵中的每一列经肼个发送天线同时 发送。其编码方案如图2 5 所示： 1 c 2 0c l oc o o 。c 2 1q 1 c 2 2c 1 2c 0 2 园 团 困 图2 5d l s t 编码过程( 以m = 3 为例) 由上述过程能够看出分层空时码的实现方式很简单，对差矩阵e ，e ) 不加任何 限制，发射端将信源信息分成几部分直接通过不同天线发送，接收端则利用各子 信道因多径衰落而产生的不同特性来提取信息。现有译码算法有迫零检洲算法， 最小均方误差检测算法和最大似然检测算法，所不同的仅仅是权值的选取规则。 镯团 一 一 一 塌埋 西安电子科技大学硕士论文：差分空时编码技术的应用研究 分层空时码各层之间的解码是相互独立的，在解码中无法共享其它层的信息，实 现联合预测，没有达到使用天线阵的分集效果。由于分层空时码在解码时只利用 了信道信息，所以其性能在很大程度上依赖于信道环境和对信道特性估计的准确 性，只有当各子信道所受的衰落差异较大时，才能较好地恢复发送信号。与其他 空时编码方式相比，虽然分层空时码有较高的频带利用率，但无法达到最大分集 增益，性能相对较差。分层空时码以部分分集增益为代价来换取高频带利用率。 虽然分层空时码在性能上有一定损失，但它的高频带利用率却受到了人们的 关注，如果能进一步提高其性能，分层空时码将是一种很好的无线组网方式。随 着分层空时码在c d m a 中的应用方案口1 】和t u r b o 一分层空时码【1 9 的提出，更增加了 人们将之实用化的信心。 2 2 2 网格空时码( s p a c e - t i m e t r e l l i sc o d e s ) 网格空时码是在时延分集和多进制网格码调制( m t c m ) 的基础上提出来的。 它把编码和调制结合起来，综合考虑了编码增益和分集增益的影响，能够达到编 译码复杂度、性能和频带利用率的最佳折衷。 多进制调制方式可以提高系统的传输速率，但采用多进制以后，信号之间的 差别减小，要达到相同的误码率，多进制方式所需的信噪比要比二进制高。所以， 只有在信道衰减较小时，才可以考虑用更高频谱效率的调制方式以提高平均数据 速率。s t t c 的主要思想就是利用传输分集与信道编码相结合来提高系统的抗衰落 性能，从而可以利用多进制调制方式以提高系统的传输速率。 延时分集的方案是由s e s h a d r i 和w i n t e r s 提出来的“3 1 ，把发射端对信号的处理 看成是一个线性滤波器，结构如图2 6 所示： 图2 6 延时分集方案 它是发射分集的一个特例。受延时分集的启发，t a r o k h 从信道编码的角度重新考 察了延时分集，认为如果选择合适的信道编码方案，不仅可以得到较高的分集增 益和编码增益，而且不会降低系统的频带利用率。后来，他又发现m t c m 在衰落 信道中有良好的分集潜力，于是，他把两方面结合起来，采用延时分集的思想， 第二章空时信道模型与空时编码调制技术 重新制定m t c m 的映射规则以适应多天线传播，从而产生了s t t c 【o j 。 s t t c 实质上是发射分集、网格编码和调制的结合，是发射分集的一种推广和 深入，其性能非常优越。在延时发射分集中，信道编码实际上采用了r = 1 2 的重 复码方式，而空时编码则首先将延时单元去掉，然后根据参考文献 6 中所建立的 行列式准则构造好码。 图2 7 给出了s t t c 的编码框图 图2 7s t t c 编码方案 s t t c 与分层空时码的简单映射的编码方案不同，它需要专门设计码子矩阵来 引进冗余，提高错误性能。设计一个好的s t t c 码关键是如何决定状态转移图。 t a r o k h 假设接收端能准确估计信道特性，按照误码率最小的原则在准静态平坦瑞 利衰落条件下推出了s t t c 的设计准则。同时，他证明了在信道信息存在估计误 差时s t t c 码依然有效，而且还证明了上述设计准则对存在多径传播的各种平坦 瑞利衰落信道( 包括平坦快衰落、多径平坦快衰落和多径平坦慢衰落) 依然适用。 s t t c 的设计准则： 设系统有m 个发射天线，咒个接收天线，则在空间中有m n 个子信道，通常认 为这m n 个信道是相互独立的。f 是一帧长度。 设天线的发射信号为： c = c c ：c ，1 c 1 2 c 2 2 c ? c ? c ；7 c ? 其中，c ：( f = 1 , 2 ，朋；k = 1 , 2 ，) 表示第1 个时隙、第i 条天线发射的信号。 接收端判定为： p = 9 1 i p 2 1 e ，1 9 1 2 p 2 2 p ? g ? p ? ? 其中，e ：( f = 1 , 2 ，埘；k = 1 , 2 ，f ) 表示接收端判定为第k 个时隙、第i 条天线发射 的信号。 可得信号差矩阵为： b ( c ，p ) = 巳一c l e ? 一c p 2 一c 2 。；一c ； a ( c ，e ) = b ( c ，e ) b + ( c ，p ) ( 21 2 ) ( 2 一1 3 ) 竺堕坐王型垫查堂堡主笙奎! 薹坌窒堕塑里垫垄堕皇型婴窒 其中r b + ( c ，e ) 是b ( c ，p ) 的共轭转置矩阵。 成对错误概率公式为： p ( c - e j a ，f = l ，2 ，m ；，= l ，2 ，n ) n e x p ( - q ，a ( c ，p ) q ：e ，4 n o ) ( 2 - 1 4 ) 其中q ，= b j ，一，a 。) ，q 。是第f 个发射天线到第，个接收天线的信道衰落因子， 化简得： p 0 p ) 兀j 兀 。2 1i4 4 l ( 2 1 5 ) 其中，丑是4 ( c ，e ) 的非零特征值，k i , j 是路径衰落因子口。的均值。e 为调制符号 的能量。 在瑞利衰落信道下，k ，= o ，成对错误概率公式变为： 兀( 1 + , z , e d 4 n 。) 吖n 九刚。) 一 ( 2 - 1 6 ) ，a 1， 其中，五，如丑，是a 的所有r ，阶主子式的和，r 是一( c ，e ) 的秩，矩阵爿( f ，口) 的 秩与b ( c ，e ) 的秩相等。 研究表明，空时编码系统的性能可分成两部分：分集增益和编码增益。分集 增益的大小由差矩阵b ( c ，e ) 的秩决定，而编码增益的大小( f l g 阵b ( c , e ) 的行列式决 定。 秩准则【6 】 若要达到最大的分集增益m 一，集合 p ( g g ) ic ，e c ) 中的每一个日( c ，e ) 必须 是满秩的，若最小秩为r ，则分集增益最大可达，n 。 行列式准则【6 若系统的分集增益为m ，计算集合扣( 郇) ic ，e e c 中每个a ( e ，p ) ：b ( c , e ) b ( c ，p ) n n 萑r r ，阶主代数余子式的行列式的和的，次根，得到集合 0 五，五，) ， ， ， 是4 ( c ，口) = b ( c ，p ) b + ( c ，e ) 的秩，五，i = 1 , 2 ，是爿( c ，p ) 的特征值。 “ ：五，) 的最小值决定系统的编码增益，所以，要尽量使这个最小值达到最大。 对s t t c 的译码则是在网格图上利用矢量v i t e r b i 译码实现的。 假设接收端已准确知道路径衰落因子口。，i = l ，2 ，州，= 1 , 2 ，m ，i ，是接收 天线，在，时刻收到的信号，则对应于状态转移标号为g ，l g ? g ，的路径度量由下式 曼知 斗毒 第二章空时信道模型与空时编码调制技术 给出： 月1聃i 2 一吒，g 引( 2 - 1 7 ) j = te - t f 利用v i t e r b i 算法就可以找出最小路径。 s t t c 以部分频带利用率为代价换取最大分集增益。例如，若采用有2 6 个信 号点的星座图，在保证最大分集增益的前提下s t t c 可达到的最大频带利用率为b b i t s s h z ，不再随着天线数的增加而增加，这是限制其应用的重要因