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多无线系统中扩展编码技术研究 摘要 这篇论文主要研究的是多天线系统中的扩展编码技术包括单载波系统和多载波系统。 研究主要内容包括多天线系统中全速率空时编码技术，多天线系统中的扩展空时块编码技术 及多天线正交频分复用m i m oo f d m ) 多载波系统中的频率扩展编码技术。 论文中首先介绍了移动通信的发展，各种分集技术的分类及麻用，并且介绍了当前研究 热点的两项关键技术：正交频分复用及空时信号处理。着重于空时信号处理技术，讨论了空 时分组编码，但是对它研究的结果表明：当发射天线数目大于两个时，空时分组编码在取得 分集增益的同时，并不能保证发送信息速率。基于这一认识，论文中介绍了几种重要的全速 率空时编码方案，在接收端采用各种不同检测器的情况下，通过仿真进行性能比较并得出： 在同样的线性接收检测方法情况f ，基下两发射天线扩展的全速率非正交空时分组编码的性 能稍优于基于空时分组编码和v - b l a s t 结合的全速率空时编码的结论。 论文中研究了扩展编码的思想，从扩展思想的产生，最优正交扩展变换的定义，到分析 各种典型正交扩展变换的性能及改进。提出了多天线系统中的扩展空时块编码技术通过对 接收端采用不同的均衡检测方法时各种扩展空时块编码性能的仿真，得出基于星座图旋转的 扩展空时块编码在接收端只采用线性均衡检测时，能够获得比基于两发射天线扩展的全速率 非正交空时分组编码有更好的性能的结论。而接收端的线性均衡检测是简化接收机的关键。 为了加深对扩展编码技术的了解，从理论上分析了扩展空时块编码的误比特率性能的上f 界， 并得出扩展块矢量差错概率与块矢量中非零欧氏距个数是负指数关系，与信噪比呈反比的结 论。 更进一步，论文中把扩展编码应用在空时编码m i m oo f d m 系统中，能够在保证多载波系 统频谱利用率的前提下有效地利用宽带系统固有的频率分集。根据频率选择性信道的特点， 提出了基于频率分组的频率扩展编码技术，把一个全频率的高维频率扩展编解码变成多个并 行的低维频率扩展编解码，简化了系统结构。仿真结果表明，如果接收端只采用次优的线性 均衡检测，在多径较少时，基于频率分组的频率扩展编码不但具有比全频率的频率扩展编码 更简单的编解码结构，而且性能稍优；当多径增加时，基于频率分组的频率扩展编码能够取 得与全频率扩展编码相似的性能。 关键字：全速率，扩展变换，星座图旋转，频率分组，线性均衡检测 中国科学技术太学硕 一学位论文 多天线系统中扩展编码技术研究 a b s t r a c t t h i st h e s i sf o c u s e so ns p r e a dc o d i n gt e c h n i q u ei nm 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 ) a n t e n n as y s t e m ，w h i c hi n c l u d e ss i n g l ec a r r i e rs y s t e ma n dm u l t i p l ec a r r i e rs y s t e mt h er e s e a r c hi s m a i n l yo nt h ef u l lr a t es p a c e t i m ec o d i n gi nm 1 m os y s t e m ，s p r e a ds p a c e t i m eb l o c kc o d i n gi n m | m os y s t e ma n df r e q u e n c ys p r e a dc o d i n gi nm i m oo f d m ( o n h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) s y s t e m f i r s t l y , t h et h e s i sd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，v a r i o u sd i v e r s i t y t e c h n i q u e sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n ，a n dt w oo ft h em o s ta t t r a c t i v et e c h n i q u e s ：o f d ma n d s t ( s p a c e - t i m e ) c o d i n g m a j o r e do ns t , i te s p e c i a l l yd i s c u s s e ss t b c ( s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ) a n d m a k e st h ec o n c l u s i o nt h a t ：w h e nt h et r a n s m i ta n t e n n a sa r em o r et h a nt w o ，s t b cc a n tm a i n t a i nt h e f u l lr a t et h o u 【g hi ta c h i e v e sf u l ld i v e r s i t yg a i n b a s e do nt h i sc o n c l u s i o n ，t h et h e s i sd e s c r i b e st w o i m p o r t a n tf u l lr a t es p a c e t i m ec o d i n g t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tn o n o r t h o g o n a ls p a c e t i m e c o d i n gb a s e do nt w ot r a n s m i ta n t e n n a sa l a m o u t ic o d es p r e a d i n gi sb e t t e rt h a ns t b cc o m b i n e d w i t hv - b l a s t ( v e r t i c a lb e l ll a bl a y e r e ds p a c e t i m e ) s c h e m eu n d e rt h es u b o p t i m a ll i n e a r d e t e c t i o n a “s p r e a dc o d i n g ”i si n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s w ed e s c r i b ef r o mt h eg e n e r a t i o no fs p r e a d c o d i n g , t h ed e f i n i t i o no fo p t i m a lo r t h o g o n a ls p r e a dt r a n s f o r mt ot h ea n a l y s i so ft h ep e r f o r m a n c eo f d i f f e r e n tt y p i c a lo r t h o g o n a ) s p r e a d t r a n s f o r m sa n dt h e i ri m p r o v e m e n t w ep r o p o s eas p r e a ds p a c e t i m eb l o c kc o d i n gi nm i m os y s t e ma n ds i m u l a t et h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e mu s i n gd i f f e r e n ts p r e a d t r a n s f o r m su n d e rd i f f e r e n tt y p e so fd e t e c t o r s w ec a nd r a wt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ep r o p o s e ds p r e a d s p a c et i m eb l o c kc o d i n gb a s e do nc o n s t e l l a t i o nr o t a t i o ns c h e m ei sb e t t e rt h a na n yo t h e rp r e v i o u s s c h e m e sw i t hl i n e a rd e t e c t o r s ，i ti st h ek e yw a yt os i m p l i f yt h er e c e i v e rw h e nw eu s el i n e a rd e t e c t o r t od e e p e no u ra c k n o w l e d g e m e n to fs p r e a dc o d i n g ，w ed e d u c et h eu p p e rb o u n d sa n dl o wb o u n d so f s y s t e me r r o rb i tr a t ep r o b a b i l i t yu s i n gv a r i o u ss p r e a dc o d i n g i ts h o w st h a tt h ep a i r - w i s ee r r o r p r o b a b i l i t yo fs p r e a db l o c kv e c t o ri si n v e r s ee x p o n e n t i a lt ot h en u m b e ro fn o n - z e r on o r m a l i z e d e u c l i d e a nd i s t a n c e si nt h ev e c t o ra n di si n v e r s ep r o p o r t i o n a lt os i g n a ln o i s er a t i o f u r t h e r m o r e ，w ea p p l yt h es p r e a dc o d i n gt ot h es p a c e t i m em 1 m oo f d ms y s t e mt h e p r o p o s e df r e q u e n c ys p r e a dc o d i n g ( f s c ) s c h e m e w i l ln o to n l yo b t a i nt h ef r e q u e n c yd i v e r s i t yi nt h e w i d e b a n ds y s t e m ，b u ta l s os t i l lm a i n t a i nt h es a m eh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ef r e q u e n c y - s e l e c t i v ec h a n n e l s ，w ep r o p o s eg r o u p e df r e q u e n c ys p r e a dc o d i n g ( g f s c 、t of u r t h e rs i m p l i f yt h es p r e a de n c o d e ra n dd e c o d e r f fw eo n l yu s es u b - o p t i m a ll i n e a r d e t e c t o r ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wt h a tg f s ca c h i e v e sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nf s cw h e n t h e r ea r ef e wm u l t i p a t h si nt h ew i d ec h a n n e la n dg e tc l o s et ot h ep e r f o r m a n c eo ff s cw h e nt h e n u m b e ro fm u l t i - p a t h sg r o w s k e yw o r d ：f u l lr a t e ，s p r e a dt r a n s f o r m c o n s t e l l a t i o nr o t a t i o n ，g r o u p e df r e q u e n c y , l i n e a rd e t e c t o r 中囝科学技术大学硕卜学位论文 2 多无线系统中扩展编码技术研究第一审绪蹬 第一章绪论 1 1 分集技术的提出及分类 我们生活在一个科技高速发展的信息时代，今天，备种各样的信息在各种没各甚至所有 的领域都实现了数字化处理。信息处理的一个中心环节是信息传输的数字化，而单位时间内 传输信息的增加会导致所需信息速率也随之增加。随着社会盼发展，人们期望能随时随地、 不受时空限制地进行信息交流与通信，而只有无线通信才能满足这种需求。高速率无线数字 通信技术成为当前数字通信领域的一项重要研究课题【3 】。物理上，无线通信定义为：发射 天线通过空间的电磁波传输信息，经过多径信道的传播，矮收机利用各种方法从接收信号中 计算具有最大可能性的发送信息。干扰，包括加性热噪声及信道衰落使得无线通信系统必 须具备复杂的信号重建能力及良好的接收方法，特别是在带宽受限的情况f 能很好地恢复发 送信息。无线信道的衰落是导致系统性能降低及传输速率难以提高的瓶颈问题，克服衰落的 有效方法就是采用各种分集技术【5 】。 分集技术是一种补偿衰落信道损害的重耍技术它能以比较低的成本改善无线通信的性 能。多径信号之所以难于分离，问题在丁他们是相关或相干的信号。分集技术就是研究如何 使接收到的多径信号变成互不相关的信号从而达到改善系统接收性能的目的。分集的概念 可以简单解释如下：如果一个无线路径经历深度衰落。那么另一个独立的路径可能就会有一 个强的信号，这个强信号路径即刻被选出，一旦有多个路径被选择出来，接收机的瞬时信噪 比和平均信噪比就可以达到改善。通常我们可以利用衰落信道的以下统计特性： f 】) 信道的时间相关性 ( 2 ) 信道的频率相关性 f 3 、信道的空间相关性 根据这些特性，分集技术大体上可以分为以f 几种： 时间分集： 对于一个随机衰落信号若对其幅值进行顺序采样则在时间上相距足够远( 犬与相干 时间) 的两个采样点是互不相关的。基于这一事实，时间分集以犬_ f 信道相干时间的时隙间 隔重复发射同一信息，这样，信号的多个重复就会以独立的衰落条件被接收机接收从而可 对他们进行分集，信号发送如图l1 所示。由于相干时间与移动台的运动速度成反比因此 当移动台处于静j t 状态时，时间分集就不起作用。 频率分集： 劁1 1 同。信号在不同的时隙内发送 中国科学技术大学硕 学位沧史 多天线系统中扩展编码技术研究第一翥绪论 以不同频率发射的信号会产生不同的多释结_ | 勾和独立的衰落，辅用这一特点来实现频 率分集，它以在犬f 相干带宽的载波频率上发射同信号来获得分集增麓。频率分焦只需要 一个发射或接收天线但是它需要更多 f 频谱资源来实现。发送功率在各频率上进行均分， 如图l2 所示。 图1 2同一信号在不同的载波频率上发送 空间分集： 由空间的多个天线组成天线阵列，衰落对每个阵源的接收信号产生不同的影响，利用 各个阵源的不同接收信号实现分集，从而改进通信连接的质量，这种由空间上的羞删产生的 分集叫空间分集。根据多天线在通信系统中的位置，可以分为： 发射分集：在发送端采用多个天线，根据各发射天线的发送信号在接收方产生 的不同衰落情况，实现分集。典型的例子如空时编码技术，其中空时分组编码 通过在发送方设计正交的编码，达到接收机可以识别而获得分集。 接收分集：在接收端采用多个天线，备接收天线得到发送端同一信号的不同复 制版本。对其进行各种处理以获得分集。主要分为三类： ( 1 ) 选择分集：接收端使用m 个解调器来提供m 个分集支路。每个时刻只选 择具有最好信号质景的支路来作为接收解调信号。接收信号为： y ( t ) = d ，e ”s ( t ) + z ( t ) ( 1 ，1 ) 其中口= f i l a x a 。，q ，。 ，为各接收天线所经历路径的衰落系数：z ( r ) 为 噪声信号。 ( 2 ) 最大比合并分集：在任何时刻都使用所有m 路信号，按照一定的线性关系 进行合成： 肼一1 旭) = a ie ，r a t ) ( 1 2 ) w m 一】 = ( a i2 ) j o ) + q e 一声( f ) r = 0f = o 其中备信号的定义见公式( 1 1 ) 。 这样，最大比合并产生的输出信噪比等_ f 各信噪比加权之和。 ( 3 ) 等增益合并分集：在某些情况f 对真实最大比组合提供可变化的加权系 数是不方便的。此时，箨支路的加权系数均被假定为l ，但来自每个支路的 信号需要同相化： m l ，( ，) = e 。呻) ”o ( 13 ) “一l“一l = ( a i ) q ( 小 g 一，( f ) 出囝科学技术大学硕卜学位论空 多天线系筑中扩展编码技术研究蒜芎绪论 其中各信号的定义! l 公式( i 1 ) ， 在这三种分集接收中，最犬比台弦分集的蛙能晟好。等增益合并分集比之硝莘但优 f 选择合并。 1 2 正交频分复甩及空时信号处理技术 随着高速数据业务的增加宽带无线传输渐渐地成为一种必然，克服宽带无线信道的频 率选择性并且利用信道内在的频率分集增益是保证信息正确传输的关键。正交频分复用 ( o r t b 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 ，o f d m ) 【18 】是一种有效的高速数据传输技术。 其主要思想是将宽带的频率选择性衰落信道分成了多个并行的窄带平坦衰落信道，每个支路 承载串并转换后的低比特速率数据并调制在一个子载波上，最后多个支路合成输出。这些子 载波可通过选择恰当的载波间隔使它们相互正交。因此允许子载波的频谱重叠。由于载波间 的正交性，在接收机中仍能将子载波分开。在频率选择性深衰落情况下o f d m 系统在相应 子载波上的数据就遭到破坏，造成信息的丢失。为了克服这个问题，o f d m 可以积直接序列 扩频相结合，这样信号就可在多个载波上扩展，能更有效地利用来遭破坏子载波上包含的信 息恢复出原始数据，实现频率分集。 目前，在许可频段上已不能满足无线数据业务增长的需求，频谱资源紧缺必须增加通 信容鼍来满足需求。多输入多输出( m i m o ) 天线技术通过在发射和接收端都采用多个天线 把原来认为是无线通信瓶颈闻题的多径衰落转换成用户增益，能够有效地利用信道随机衰落， 多径延时扩展等来提高信息传输速率【8 】，1 2 1 】。m i ) o 系统的核心思想就是空时信号处理， 目前主要分为两个方面。一个是以提高信道容量为目的的空时编码，主要是以贝尔实验室分 层空时码( d b l a s t ，v - b l a s t ) 为代表【1 9 】【2 0 】，它将信源数据分为几个子数据流，独立地进 行编码和诵制，发射机有根发射天线，接收机有m 根接收天线( m n ) 。在发射机内信 息数据经过信道编码后被分为路，分4 送到根天线。接收端盯根接收天线同时接收根 发射天线的信号，然后进行解调、信道估计和译码。另外一个是以提高系统性能为目的的空 时编码，它主要利用分集的方法来充分利用m i m o 系统提供的空间增盏，时间增益及编码增益。 在实际的移动通信系统中由于移动台尺寸、电池能量以及多媒体业务的不对称性的限制 最佳的方式是基站使用多根天线实现接收分集和发射分集，移动台则不强求使用多根天线。 由于接收分集己成为一项成熟的技术，早见于各种商用系统，发射分集将是今后提高无线链 路性能的一项重要技术，空时分组编码( s t b c 7 【e l ，【t 0 】，【h 】空时网格编码( s t t c ) 2 2 】 是目前发射分集两种重要的空时编码方法。由于空时网格码考虑了前后输入的关联，所以它 比空时分组码应该具有更好的性能。但是，对 二发射天线数固定的空肘格码两言。其泽码复 杂度与传输数据速率星指数关系。为了降低空时码的译码复杂度，t a r o k h 在a l a m o u t i 【9 】 研究的基础上，应用了上e 交设计理论【1 0 】，提出了空时分组码译码也可象分层空时码那样 采用联合检测算法译码，但通常利用正交性，用最大似然译码算法实现，故空时分组码具有 很低的译码复杂度。而且还能得到屠丈的发射分集增益。但是根据正交设计理论，空时分组 码在天线数目犬予两个时，它的编码发送信息速率将会降低，为了保证通信系统发送信息速 率的要求，必须采用其它技术来弥补这些损失( 如提高数字调制阶数) 或采用其它的空时编 码方法，瑷计全速率的空时编码一时也成为研究的热点之一。本文将讨论一种新的空时编码 凌计，运辟扩展变换的思想它使箨发送数据子流经历所有衰落子信道而曼它将具备较为 简单的发射机及接收机结构。 中目私学技术大肇硕卜学位论叟 多天线系统中扩襞编码技术研究 第一章绪论 1 3 论文的主要内容安排 本论文共分五章。 第一章主要讲述无线通信的发展及分集技术的提出，给出了几种分集技术的分类并且 介绍了目前研究正热的两项技术：正交频分复用及空时信号处理它们也是实现备种分集， 获得系统性能提高的关键技术。最后是本文的主要内容及安排。 第二章主要讲述全速率空时编码技术的研究。首先介绍了空时分组编码的原理，给出系 统全速率空时编码设计的定义，列举了基于两发射天线扩展的全速率非正交空时分组编码及 基于空时分组编码和b l a s t 结合的全速率空时编码的设计原理，给出了它们的构造及性能仿 真分析。 第三章主要讲述扩展空时块编码技术的研究。首先介绍了扩展思想的产生原因，在理论 上分析构造最优扩展变换的原则，提出基于星座图旋转的扩展变换，能够获得较好的性能增 益，并且编码方法简单。提出在多输入多输出天线系统环境f 的扩展空时块编码的系统结构， 分别运用不同的正交扩展基，采用不同的接收方法得到了不同的性能增益，基于星座图旋转 的扩展变换能在保证接收方线性检测的情况一f 获得较好的性能增益，并优于现有的一些全速 率空时编码方案。最后从理论上分析扩展编码误比特率的上f 界。 第四章讲述了在多天线正交频分复用( m i m oo f d m ) 系统中频率扩展编码的应用。首先引 入频率选择性信道的抽头模型，在一般的空时编码m i i oo f d m 系统环境f ，运用频率扩展编 码的思想，来充分利用频率选择性宽带系统固有的频率分集。由于频率选择性信道相关带宽 的存在，提出基于频率分组的扩展频率编码的系统框架能够获得近似于全频率扩展编码系 统的性能。 第五章是结束语。 中囝科学授术= = 学硕卜学位论艾 多天线系统中扩襞编码技术研究第二鼋拿速率窄时编码技术 第二章全速率空时编码技术 2 1 空时分组编码简介 为了满足无线通信系统高信息速率的要求空时编码被用来提供新的空间增益。空时网 格编码【2 2 】把发射分集，数字调制，判决反馈及编码结合在一起极大地提高了无线链路 的传输性能，但是其译码复杂度与传输数据速率呈指数关系。作为一种线性译码的空时编码 方法，空时分组编码被给予了更多的关注。它相对于空时网格编码具有相近的性能，取得最 大化分集增益。它的译码可以像分层时空码那样采用联合检测算法译码，但是通常利用正交 性，用最大似然译码算法实现【l o 】。 最早的空时分组编码是由s m a l a m o u t i 【9 】提出的。它是基于两天线发射的一种发射 分集技术图2 1 是两发射天线空时分组编码发射框图。 图21两发射天线空时分组编码发射框图 在瑞利平坦慢衰落信道下假设在一个空时块( 符号数等于发射天线数) 内的信道保持 不变，可以得到线性接收译码框图如图2 2 所示。 图22 两发射天线空时分组编码译码框图 中犀科学技术大掌颤 学位论文 多天线系统中扩展编码技术研究第一二首争速率窄时编码技术 空时分绢编码正是由r 其相对简单的译码算法和较好的性能，得剑了7 一泛的关注，已经 破3 g p pw c d m a 协议采用。w c d 姒侨议f 行开环发射分集共有两种：空时发射分集( s p c ec i m e e f & n s m i td v e r s i t ys t t d ) 和时域切换时间分集( t i m es w i t c h e dt i m ed iv e v s i t y ，t s t d ) ， 其中的s t t d 技术即为基干空时分绢编码的发射分集。上e 交没计是空时分组码的核心，【1 0 】 推广了两发射天线的空时分组编码设计，运用正交理论，得出了通用的实域及复域正交设计 方案。在实数域中只有当发射天线为2 ，4 ，8 的时候，发送信息矩阵才为方阵：而复数域 中，当发射天线数大于2 时发送信息矩阵将不是方阵。我们定义空时编码速率为： 心：一k ( 2 1 ) 月 其中k 为每个空时块内发送信息个数，n 为每个空时块所经历的符号周期。当r ，为l 的空时 编码设计称为全速率设计。 2 2 基于两发射天线扩展的全速率非正交空时分组编码 对i = 空时分组编码，复数域中具有m 个发射天线的系统，空时编码最大可达信息速率为： o g z m + 1 ( 2 2 ) 2 l 0 9 2 吖 其中发射天线数分别为3 ，4 时的最大空时编码速率为：兹。 当系统设计要求不降低发送信息速率的情况下采用多发射天线( 丈于2 ) 的空时分组 编码必须以放松其它的一些条件来满足要求。找出一种代价较小。性能较好的非正交的空时 分组设计方案是研究的方向之一。 以四发射天线为例，正交化的空时分组编码可有： c ”c = hr t ， ( 2 3 ) 其中c 为编码矩阵，为单位矩阵。为每个符号周期内发送的信息。 而非正交的空时编码将满足： 4 c ”c = h 1 2 f + 。 j = i 其中。为非正交码间干扰矩阵。 2 2 1a b b a 空时编码 一种最简单的非上e 交空时编码如f s s ：j 3s 4 - - s 2s l- - s 4j 3 s 3s j if ：| 一j 4 s 3 一s ! j j 可以香出，这种编码是由两组两发射犬线a 1 8 m o u z i 空时分组码组成。殴 中国科学技术犬学硕 。学位论文 ( 2 4 ) ( 2 j ) 多无线系统中扩甓编码技术研究孳，帮全速率守时编五鼍技术 则 这种编码也称之为a b b a 空时编码。它的非正交码问干扰是 其中 其中 。m 。= 2 r e s l j ；+ s 2 s ： 0 0 0 0 lo 0l 0 0 l 0 0 0 0 在瑞利平坦慢衰落情况f ，假最在发送空时块内的信道保持不变，接收信号矢最 h = r = 嚏 一耳 啊h 4 啊一霹 弓 = h 红噍 啊一省 岛 琏一坷 s l s 2 毛 j + n 。 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 为信道衰落矩阵，n 。为热噪声矩阵，服从加性高斯白分布。 对接收信号的线性处理结果为 h 一置：f 壹 1 ：“齑1 陪i n = 2 r 岛k + 坞戌】 o 0 00 10 o1 10 o1 o 0 00 h n 为码间干扰系数矩阵。 ( 2 9 ) 对此结果，我们可以把码间干扰看成噪声，用迫零( z f ) 或最小均方( 埘s e ) 算法解得各路 数据，也可采用迭代的方法求解。我们发现码间干扰分别发生在第一路信号和第三路信号之 间，第_ 二路信号和第四路信号之间，可以先解得第一路第一二路数据，然后用解得的信号代 入去解其它两路数据或反之。【2 3 l 证明这种迭代的方法比赢接把码闻干扰看成噪声的处理方 法优越， 把这种a b b a 空时编码推f 一到多天线情况，可以得到类似哈德码矩阵的产生： 中回科学技术大学硕v 学位论文 4 3 s s墨吖 l = 口 j s， s 一 ，l l |一 b 爿 爿口 l = sjss ( 删f s 多无线系统中扩展编码拽术研究第一葶全速率窄时编码技术 s 。= 阳= 陇s i m 。a , “ 其中s 。和j 2 。m ，为发送信息符号不同的两个a b b a 编码矩阵， 假设备天线独立。各子信道为瑞利平坦慢衰落信道，完全的信道估计采用b p s k 数字调 制，对四发射天线全速率的a b b a 空时编码进行仿真。用( m x n ) 来表示m 发射天线和接 收天线的多天线系统，其仿真结果如图2 3 所示： 斟 嚣 蔓 蟛 ( 2 x t 空时分组码 l 盎 睡霉鋈霉鋈辩五i - 0 - ( 4 a b b a 空时编码盱) vm x la b b 空时编码洲m s 日 鲁 - - g - m x l 空时分组编码( ，2 速率) ：警：矗：一9 一o ，! - *5 。墨盐嚣嚣苷? ， ：k ： 越塞篓蠢：蔓：= 蔓i 羔 、 一。蔷蠢基 ： 莱- 、蚩1 辩毪： ：x 巍囊越 、 弋 造， t 3 长 i 、+ 平均信嗓比 图2 3a b b a 空时编码及空时分组编码性能比较图 2 2 2a l m o u t i 扩展空时编码 如两发射天线a l a m o u t i 码的构造，对四发射天线的发送编码矩阵，我们按以下方式构造 其中 s ( s 1 ，s 2 ，s 3 ，s 4 ) = 这样接收信号矢量为 y = 为 中国科学技术太学硕 一学位论文 s i j 2 屯 j s 1s 2 - - $ 2s t - - s 3 一s 4 s j一屯 + n 。， ( 21 1 ) ( 2 1 2 ) +毛。是 岛吖。毛q 多无线系统中扩展编码技术研究 第一二鼋食速率窄时编码技术 啊蝗 噬一耳 赋 h 。- 4 如曩 茸一斌 一k一圮 一见凡 为信道衰落矩阵，n 为热噪声矩阵，服从加性高斯白分布。 g 圳日= ( 科k 厶纠 弦 其中： ，表示二维单位矩阵，厶= e o lj ，石= 2 r e w 也一红，巧 。 线性处理后的信号矢量为： = 隆) s l + x s 4 s 2 一z s ) 5 一z 是 + xs 】 利用线性检测器对其进行数据检测 用表达式表示为： s = ( g + u t ) t z + h 一n ( 21 4 ) 可以采用迫零捡测( z f ) 或最小均方检测( 曲i s e ) ，其公 其中：g ，z 如( 21 3 ) 一( 21 4 ) 式定义，l 为四维单位矩阵 当采用z f 线性检测器时：u = 0 ： 当采用唧s e 线性检测器时：u = 口2 。 把这种a l a m o u t i 扩展空时编码推广到多天线情况 s = 一b - b 爿 ，s 。= s - 9 1 ：j s = l 爿l s ：一= i “z s t ? ( 2 1 5 ) 可以得到类似啥德码矩阵的产生 其中s 1 和s 2 。为发送信息符号不同的两个a l a m o u t f 扩展编码矩阵。 2 3 基于空时分组鳊码和b l a s t 结合的全速率方案 ( 2 1 6 ) 贝尔实验室分层空时编码( b l a s t ) 最初是由f o s c h i n l 【1 9 】( 对角分层空时编码，d - b l a s t ) 提出的，它将信源数据分为几个子数据流，独立地进行编码和调制，作为一种简化的方式， 水平分层空时编码( v - b l a s t ) 【2 0 】在个码元间隔内由m 个发射天线发送m 个码元，因此 它能使发送信息速率达到原来的肼倍。由于空时分组编码能提高通信系统的性能但是天线 数目较多时发送信息速率将会降低，而分层空时编码v - b l a s t 能提高发送信息速率，两者的 结合能在天线数目较多时既保持发送信息速率。又提高系统的性能。 中困科学技术大学硕卜学位论文 多天线系统中扩展编码技术研究 第二二章拿速率守时编码技术 2 3 1 水平分层空时编码“一b l k s t ) 简介 一个m 发射天线和n ( n m ) 接收天线的v - b l a s t 系统如图24 所示 图2 4v - b l a s t 系统结构图 假设某个码元间隔内发送信号矢量为：a = h 口： 数据贝吐接收到的维矢量为： r = h a + v 其中日为信道矩阵，v 为高斯分布自噪声，其方差为o - 2 。 厂 i 田 il 1 1 口口网日 厂 厂 。圈习 图2 5v - b l a s t 发送信息序列图 】7 。如图2 5 所示发送信息 ( 2 1 7 ) - 歪无线i + 歪无线2 - 置天绷 接收端可以采用蛙小均方误差( m m s e ) 或迫零( z f ) 检测器对接收信号矢量进行检测。如果 采用迫零( z f ) 算法，选择信号加权因子矢量 ，( 其中i = l 2 m ) ，使得： m t ( ，= 艺 ( 2 ，t 8 ) 其中( ) ，为h 矩阵的第j 列，磊= 。1 , ，i 其= 笆j 为。e l t a 函数。 中犀科学技术上学硕 ：学位论立 多天线系统中扩展编码技术研究第一章令速率窄时编码技术 假使检测顺序集合为s = k 。，k 。 ，其中皇是整数集合f 1 2 、，m 中的任意值，追零 检测算法按以f 步骤进行： 1 利用迫零加权矢量w h ，得到：虼= w ： 2 对儿进行检测判决得到。 3 假设第 发送码元信息为吼= 。h ，得到第二次迫零信号为： r 2 = 一吼( 日) h 4 重复步骤卜3 得到其它路发送码兀信号。 这样检测后的苒路码元的接收信噪比为： n ：二垫妥 ( 2 1 9 ) 矗2 碲 憎心 如果根据接收信噪比对接收信号矢量进行排序，按照信噪比从犬到小的顺序对各路接收 信号进行检测，可以得到优化的检测结果。其检测步骤如f ： 1 初始化： i = i ： g ，= h + ；( 其中h + 表示盯的伪逆) ： 南= a r g m i n f ( q ) ，f f 2 2 迭代以下过程： ( 1 ) 得到加权矢量：w 。= ( e ) t ： ( 2 ) 对追零接收信号进行加权：儿= w i ，t 对儿进行检测判决得到乱： ( 3 ) 计算下一次迫零接收信号及其加权矢景： 12r 一4 ( h ) t ；： g + = 哦： t ，= a r g m i n | 1 ( g + ) ，慨 ( 4 ) 进行f 一次迭代：f _ f + l 。 2 3 2 空时分组编码和v b l a s t 的结合 在复数域中，【1 0 】证得在发射天线数目多丁两个时，总能找到空时分组编码，使得它晌 中国科学技术大学硕f 一学位论支 多天线系统中扩展编码技术研究第一常争速率宁时编码技术 空时编码速率达到以。我俐采用发射天线为m ( m = 2 n ， = 3 ，4 ) ，接收天线为( 2 ) 的多天线系统结合空时分绢编码和v 一8 l a s t ，使得它的空时编码速率为全速率，其结构框 图如图2 6 所示： 其中 图2 8m 发射天线和接收天线的空时分组编码和v - b l a s t 结合系统框图 以八发射天线的系统为例，即m = 4 ，则必速率的四发射天线空时分组编码矩阵为 工 一是 一毛 一t 葺 一而 一南 一丘 0 2 z 1一z 4 一毛 工2 工 五 一马 接收信号矩阵为 露= 中丽科学技术丈学硕f 一学位论文 z 2 j 3 - - x 4 矗 上3 一t 上l t 一毛 玉 s ，= = ( 曰，只】 x sx 6x 1x s 一心0 5一乓与 一x 1x sx sx 6 一毛一j ， x s x 61 1x s 一气0 5一乓 一x x x sx 6 一x 4 一x 1x 6z s +d ( 2 2 0 ) 鼻如如风兜靠斯取 1 t。吃一气 多无线系统中靠。襞编码技术研究纂一章争速率窄时编码技术 日。= 托鼻 。 趣一皇 矗4 一岛 岛一垃矗如 也一也 一矗 耳乓丘 琏 一耳硝 一碍 噬 一啊 一舛琏 e乓噬一茸 h ，=为信道矩阵，o 为高斯白噪声 矩阵。 以一个八发射天线，两个接收天线的系统为例接收信号信道矩阵为 y = 吲 q tq ：1 l h ：h ：2 j ( 2 2 1 ) 其中墨，r ：分别具有式( 2 2 0 ) 的形式，只，日：( 其中f = 1 , 2 ) 也具有式( 2 2 0 ) 中日。，h ： 的形式，if 标表示不同的接收天线的信道矩阵。 计算h ”日得： g = 日8 h 2 毳i ：! 主：h 鼻e 2 + 碟噩2 。：。， h - r 4 d 。 1 f h , h 2 h , 2 + h 墨h n l 丑“p ：j 其中，n = 2 ( t ，1 2 + i 啊：1 2 + i 啊，1 2 + l ；1 2 + i 。1 2 + f 。1 2 + l 岛，f + i 如。1 2 ) p ：= 2 ( i 红；1 2 + i 啊。1 2 + i 矗，r + i 。t 2 + i 也，1 2 + i k 。1 2 + l 魑，j 2 + i k t 2 ) b = 日i e ：+ 日：日：。为四维矩阵，为四维单位阵。 对接收信号做空时分组解码处理： z = “，r( 2 ，2 4 ) 考虑b b ”= b ”b ，可以得到： = 爹甜- b 嗣 z s ， 按照v - b l a s t 的检测算法，对式( 2 2 2 ) 的空时分组解码结果进行判决检测，依次迭代得 到原始发送数据。 中同科学技术大学硕卜学位论文 墙旃魄以，墙j廓版m岛墙以a坞珞j地m 嚏咄吨岛珥碍觑缘岛魄鸬。忽岛风 1，1j d 廿 r l s j s 占 s s s s 多无线系统中扩展编码技术研究 第一鼋伞速章卒时编码技术 f 面分析这种全速率方案的性能，我1 对此方案进行系统仿真并与其它方案进行比较。 这里采用z f 检测的空时分绍码和v - b l a s t 结合的方案，a b b a 空时编码方案及两天线接收的 最犬比台并方案，假设备天线闻信道独立同分布备子信道服从瑞利平坦馒衰落：甩f ， r ) 表示m 发射天线和接收天线的多天线系统：数字调制采用b p s k ：接收方具有完全的信道 信息。仿真结果如图27 所示； 口( 1x 2 ) 最大比合并i - o 口x 2 ) 空时分组码v 日l a s t 结合 ： ht 嘧 ( 8 x 2 ) a b b a 空时编码口= f ) 一；斟一 t 、1 n 孓i 南 年蓦珞 、目 日 = ；x ；塞 ：i 。：；。 * 、 、_ 、 茁 g 一 t 平均信嗓比 图2 7 空时分组码和v - b l a s t 结合编码与a b b a 空时编码性能比较图 从图2 7 可以知道，在保证发送信息速率的情况f ，多发射天线系统都取得了比单发射 天线系统更好的性能增益。在发送端采用同样多的发射天线，接收端采用相同多的接收天线 的情况下a b b a 空时编码的性能优于空时分组码和v - b l a s t 结合的空时编码系统性能。这说 明空时分组码和v - b l a s t 结合的空时编码系统中，两组空时分组编码的码间干扰过犬，导致 信号干扰噪声比f 降的程度大_ fa b b a 空时编码系统编码过程中引入的码间干扰。 2 4小结 本章主要讲述全速率空时编码技术的研究。首先介绍了空时分组编码的原理两发射天 线空时分绢编码的构造及接收端检测方法。并给出系统空时编码全速率的定义。由丁，发射天 线犬于2 个时空时分组编码会降低发送信息速率，对构造及解码简单的全速率空时编码系 统的设计将是多天线系统研究的热点之。 本章讨论_ 基于两发射天线扩展的全速率谁j e 交空时分组编码及基f 空时分组编码和 b l a s t 结合的全速率空时编码的殴计原理，给出了它们的构造及性能仿真分析，基f 两发射 天线扩展的全速率方案e 上两发射天线空时分组码为基元，在多天线上进行扩展，主要育a b b a 空时编码及 】a m o u t i 扩展空时编码两者具有相同的性能，主要在丁- 构造方法上的区删，由 中国科学技术大学硕l ：学位论立= 诺蟪羞隧 多天线系统中扩展编码技术研究第，窜争速率窄时编码技术 了二这种窀时编码引入了码问干扰，不同的接收端检测方法决定r 不同的性能增益。一一般的线 性方法有迫零( z f ) 检测及最