（通信与信息系统专业论文）无线通信中的空时分组码研究.pdf

摘要 摘要 近来，在无线通信系统中的收发两端同时使用多根天线的多入多出( m i m o ， 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 ) j 置信结构，具有系统容量大、频谱效率高等优点； 基于正交的多路子载波并行传输的正交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l 邱l e x i n g ) 技术，具有抗多径能力强、频谱效率高等优点，二者的结合， 即m i m o o f d m 技术，被认为是构建下一代移动通信系统的框架技术。 在众多技术中，基于正交理论设计的空时分组码( s t b c ，s p a c e t i m eb l o c kc o d e ) 因能开辟全部发射分集增益和编译码算法简单，而成为m m o o f d m 系统中的重 要编码技术。实际上通过本文的研究，发现其应用还可以体现在降低o f d m 系统 的峰平功率比( p a i r ，p e a k t o a v e r a g e p o w e r r a t i o ) 方面。 在上述背景下，本文以单载波，平坦衰落信道下的空时分组码为切入点，深 入分析了其编译码原理和在不同信道情况下的性能；以此为基础，后文展开了对 空时分组码在多载波，时间选择性和频率选择性衰落信道下的性能研究，通过理 论推导和充分的仿真，揭示了空时频分组码在时频选择性衰落信道中的性能变化 的根本原因；在以上对多载波系统中空时分组码的研究的过程中，作者发现了空 时分组码在降低系统峰平比方面应用的可行性，提出了一种降低峰平比的新方法。 本文提出的峰平比抑制方法主要基于空时频分组码的频率自由度，同时吸收 了从概率角度降低峰平比的思想，还保证了前述分析的多载波系统中的空时频分 组码结构不发生变化。理论分析以及作者的仿真说明，该方法的应用不仅可以取 得一定的抑制效果，而且不会因此造成系统性能上的恶化。 从空时分组码的发展来说，基于其性能的研究已日趋饱和，更多的研究都是 侧重于其编码结构改进后的性能讨论，而本文提出的开发空时频分组码的频率自 由度来降低峰平比的方法发掘了空时分组码在传统编码意义之外的特点，是探索 空时分组码其他应用方式的尝试。在实际的工程应用中，本方法由于复杂度不高， 抑制效果比较明显，因此也有一定的价值。 关键词：多入多出，空时分组码，分集，正交频分复用，峰平比 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , 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 ) s y s t e mw h i c ho r i g i n a t e sf r o mt h e e m p l o y m e n to fm u l t i p l ea n t e n n a sa tt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c h a sl a r g es y s t e mc a p a c i t y , h i s hs p e c t r a le f f i c i e n c y o nt h eo t h e rh a n d ，o r i h o g o n a l f 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 ) w h i c hb a s e so nt h eo r t h o g o n a lt r a n s m i s s i o n o fs u b c a r r i e r sa l s oh a ss o m eo b v i o u sm e r i t ss u c ha ss t r o n ga n t i m u l t i p a t ha b i l i t y , h i 血 s p e c t r a le 壤c i e n c y t h ec o m b i n a t i o no f t h et w ot e c h n i q u e sm i m o - 0 f d m h a sb e c o m e ah o t s p o tr e c e n t l ya n dr e g a r d e da sp r o m i s i n gt e c h n i q u ef o rf u t u r en e x t - g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s s p a c e - t i m eb l o c kc o d e s ( s t b c ) b a s e do no r t h o g o n a ld e s i g nh a sa t t r a c t se n o u g h a t t e n t i o i l si ni t sa p p l i c 鲥o n si nm i m 0 o f d ms t ，s t e m sf o ri t sf u l ld i v e r s i t ye x p l o i t i n g a n dl o wc o d i n g d e c o d i n gc o m p l e x i t y t l l e s ea p p l i c a t i o n si n c l u d en o to n l ys y s t e m p e r f o r m a n c ei m p r o v e m a n t b u ta l s or e d u c t i o no ft h ep e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o i n m m o 一0 f d m s y s t e m s u n d e rt h e s eb a c k g r o u n d s ，t h i sp 即e rf i r s ts t u d i e ss p a c e t i m eb l o c kc o d e su n d e rt h e s i n 9 1 ec a r r i e r , f l a tf a d i n gs i t u a t i o n ，d i s c u s s e st h ee n c o d i n g d e c o d i n gp r i n c i p l ea n di t s p e r f o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n tc h a n n e l s t h c n t l l ea u t h o rf o c a s e do nt h ep e r f o r m a n c eo f s p a c e - t i m ec o d e su n d e rt i m es e l e c t i v ea n df r e q u e n c ys e l e c t i v ec h a n n e l s ，u n c o v e r e dt h e f u n d a m e n t a lc a u s eo fh o wm a x i m u md o p p l e rs h i f ta n dp o w e rd e l a yp r o f i l ei n f l u e n c e s t h ep e r f o f i n a n c eo fs p a c e - t i m ec o d e s l r o u l g hd e d u c t i o na n ds i m u l a t i o n f i n a l l y , t h e a u t h o rf i n dt h ef e a s i b i l i t yo f a p p l y i n gs p a c e - t i m eb l o c k c o d e si nt h er e d u c t i o no f p e a kt o a v e r a g ep o w e rr a t i oi no f d ms y s t e m s t h u sp r o p o s e dan e w 队p rr e d u c t i o nm e t h o d t h em e t h o dp r o p o s e di n t h i sp 8 d e rm a i n l yb a s e so nt h ef r e q u e n c yf r e e d o m e x p l o i t a t i o n , a s s i m i l a t e sc o n v e n t i o n a lp a p rr e d u c t i o nt h o u g h tf r o mp r o b a b i l i t yv i e w , m e a n w h i l e i tg u a r a n t e e st h es t r u c t u r eo fs p a c e t i m e f r e q u e n c yb l o c kc o d e si nm u l t i p l e c a r r i e r ss y s t e m t h ea n a l y s e sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss u g g e s tt h a tt h em e t h o dn o to n l y a c h i e v e ss o m er e d u c t i o ne f f e c t s ，b u ta l s oh a sn op e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n to fs p a c e - t i m eb l o c kc o d e s ，t h er e s e a r c h o ni t s o e r f o r m a n c ea p p r o a c h e ss a t u r a t i o n ，a n d m o r es t u d i e s r e l y o nt h e p e r t o r m a n c e d i s c u s s i o no fs p a c e t i m ec o d e sw i t hm o d i f i e ds t m c t u r e ，t h e r e f o r e ，t h ep r o p o s e dm e t h o d w h i c he x t r a c t so t h e rm e r i t so t h e rt h a nc o d i n gg a i ni saf a v o r a b l ee x p l o r a t i o ni na p p l y i n g s p a c e t i m eb l o c kc o d e d d et o1 0 wc o m p l e x i t ya n do b v i o u sr e d u c t i o ne r i e c t s ，t h i s m e t h o da l s oh a ss o m ev a l u ei np r a c t i c a ls y s t e m s k e y w o r d 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 ，s p a c e t i m eb l o c kc o d e s ，d i v e r s i t y , 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 ，p e a kt oa v e r a g ep o w e r r a t i o i i 图目录 图目录 图3 1 理想信道估计时s t b c 的b e r - s n r 性能，b p s = i ：1 2 2 图3 。2 理想信道估计时s t b c 的b e r - s n r 性能，b p s = 2 ，n r = 1 2 2 图3 3 理想信道估计时s t b c 的b e l l - s n r 性能，b p s = 3 ，= 1 2 3 图3 - 4 理想信道估计时s t b c 的b e r - s n r 性能，8 p 弘1 ，n r = 2 2 3 图3 5 接收相关信道条件下g ，的b e r - s n r 性能，q p s k ，n r = 2 2 7 图3 - 6 发送相关信道条件下g ，的b e r - s n r 性能，q p s k ，n r = 2 2 8 图4 7s t f b c o f d m 系统框图3 0 图4 8 空时分组码g ，在不同时间选择性衰落信道下的性能3 6 图4 - 9 空频分组码g ，在不同时间选择性衰落信道下的性能3 7 图4 1 0 不同多谱勒频移下的不同o f d m 符号同一频点衰落示意图3 8 图4 - 11 不同多谱勒频移下的同一o f d m 符号内不同频点衰落示意图3 8 图4 1 2 空时分组码g 。在不同时间选择性衰落信道下的性能3 9 图4 1 3 空时分组码g ，在不同频率选择性衰落信道下的性能4 0 图4 1 4 空频分组码g ，在不同频率选择性衰落信道下的性能4 1 图4 1 5 不同信道下同一o f d m 符号的不同频点衰落变化示意图4 3 图4 1 6 不同信道下的不同o f d m 符号的同一频点衰落变化示意图4 3 图4 1 7 空频分组码g 。在不同频率选择性衰落信道下的性能4 4 图5 1 81 0 2 4 个子载波，1 6 q a m 的o f d m 系统峰平比示意图4 7 图5 一1 9 峰平比的互补累积分布函数( c c d f ) 表示方法示意图4 8 图5 2 0 部分传输序列法实现原理图一5 0 图5 2 1 空时分组码的三维结构及频点间数据交换示意图一5 1 图5 2 2 空频分组码的三维结构及频点间数据交换示意图5 2 图5 2 3s t b c o f d m 频率自由度法的p a p r 分布5 4 图5 2 4 采用开发频率自由度法后的空时分组码性能5 5 图5 2 5s f b c o f d m 频率自由度法的天线1 的p a p r 分布5 7 图5 2 6s f b c o f d m 系统频率自由度法的天线2 的p a p r 分布5 7 图5 2 7 采用开发频率自由度法后的空频分组码性能5 8 v 表目录 表目录 表3 - 1 理想信道估计下的空时分组码仿真参数2 l 表3 2 相关信道下的空时分组码仿真参数设置2 6 表4 3c o s t 2 0 7 车载信道功率延迟特征3 5 表4 - 4 功率延迟分布不同的信道设置4 0 表5 - 5 空时分组码频点数据交换备选信号表5 3 表5 - 6 空频分组码频点间数据交换备选信号表5 6 v i 缩略语 缩略语 3 g p p3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t b e rb i te r r o r r a t e b l a s t b e l ll a y e r e ds p a c e - t i m ea r c h i t e c t u r e c o m p l e m e n t a r y c u m u l a t i v e c c d f d i s t r i b u t i o nf u n c t i o n c d m a c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c p c y c l i cp r e f i x c s ic h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d a b d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t d a s t d i a g o n a la l g e b r a i cs p a c et i m e d v b d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t f d m a f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s i s ii n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e m i m o m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t o f d m 器：鬻；：， f 诧9 u 。n 。y d i v i 8 i o n p d pp o w e rd e l a yp r o f i l e p t sp a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e q o s q u a l i t yo fs e r v i c e p t s p a r t i a lt r a n s m k s e q u e n c e s s f b c s p a c ef r e q u e n c yb l o c kc o d e s i s o s i n g l e - i n p u ts i n g l e o u t p u t s l ms e l e c tm a p p i n g s m s p a c em u l t i p l e x i n g v 3 g 伙伴项目 误比特率 贝尔分层空时码 累积概率分布函数 码分多址 循环前缀 信道状态信息 数字音频广播 对角代数空时 数字视频广播 频分多址 符号间干扰 多入多出 正交频分复用 功率延迟分布 部分传输序列 服务质量 部分传输序列 空频分组码 单入单出 选择映射 空间复用 缩略语 s n r s i g n a lt on o i s er a t i o 信号噪声比 s t t c s p a c et i m et r e l l i sc o d e 空时网格码 s t t d s p a c e - t i m et r a n s m i td i v e r s i t y 空时发射分集 t a s tt h r e a da l g e b r a i ds p a c et i m e 螺纹空时 t c mt r e l l i sc o d em o d u l a t i o n 网格码调制 t d m at i m ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s 时分多址 t st r e l l i ss h a p i _ n g网格成型 t s t dt i m es w i t c ht i m ed i v e r s i t y时域切换分集 w c d m aw i d e b a l l d c o d ed 1 v 1 8 i o n m u l f i p l e 宽带码分多址 a c c e s s v i l l 符号表 d i a g ( ，如，厶) e 【】 e x p ( ) 符号表 ，五， 为对角元的对角阵 数学期望 以e 为底的指数函数 模 复数、复向量或复矩阵的共轭 复向量或者复矩阵的转置 复向量或者复矩阵的转置共轭 求向量或矩阵的f r o b e n i u s 范数 求最大值 求最小值 求复数实部 求复数虚部 求l o 为底对数 求概率 开方分布 冲激函数 第一类零阶b e s s e l 函数 1 x y r广眩埘m小： 小 姒 蚕q_宕埘h矿j厶 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谓 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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：鱼煎 日期：上占年弓月e l 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：4 互盛导师签名： 日期：三卯f 年3 月fe l 第章引言 第一章引言 1 1 移动通信发展历程和现状 最近，全球蜂窝和个人通信系统接近指数曲线的发展，直接归功于7 0 年代 的新技术，现在只不过是发展更为成熟而已。通信技术的发达程度成为一个现代 国家发达程度的标志。目前商用移动通信系统的发展大致分为三个发展阶段，即 通常所说的第一代、第二代、第三代移动通信系统： 第一代移动通信系统( 1g ) 出现于2 0 世纪8 0 年代早期，主要采用的是模拟技术 和频分多址f f d m a ，f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s ) 技术。但由于受到模拟信 号传输带宽所限以及各类通信系统制式不统一，不能进行移动通信的长途漫游， 所以l g 只能是一种区域性的移动通信系统。 第二代移动通信系统( 2 g ) 起源于9 0 年代初期，主要采用数字式的时分多址 ( t d m a ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s ) 技术和码分多址( c d m a ，c o d ed i v i s i o n m u l t i p l e xa c c e s s ) 技术，它使用s i m 卡、轻小用户终端，目前世界上已有近6 亿个 用户。第二代移动通信系统主要为支持话音和低速率的数据业务而设计，但随着 人们对通信业务范围和业务速率要求不断提高，它将很难满足新的业务需求。 第三代移动通信系统( 3 g ) ，也称i m t 。2 0 0 0 ，是正在全力开发的系统，其最基 本的特征是采用智能信号处理技术，智能信号处理单元将成为基本功能模块，支 持话音和多媒体数据通信，它还可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业 务，例如高速数据、慢速图像与电视图像等。如w c d m a ( w i d e b a n d c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 的传输速率在用户静止时最大为2 m b p s 、在用户高速移动时最大支 持1 4 4 k b p s 。第三代移动通信系统也在逐步走向商用。 第三代移动通信系统是一代有能力彻底解决第一、二代移动通信系统主要弊 端的最选进的移动通信系统。第三代移动通信系统个突出特色就是，要在未来 移动通信系统中实现个人终端用户能够在全球范围内的任何时间、任何地点，与 任何人，一用任意方式、高质量地完成任何信息之间的移动通信与传输。可见第三 代移动通信系统十分重视个人在通信系统中的自主因素，突出了个人在通信系统 中的主要地位，所以又叫未来个人通信系统。 第1 页 电子科技大学硕士学位论文 但是，3 g 也存在如下的缺点：首先，3 g 共有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e xa e c e s s ) 三大标准， 它们之间不易互相兼容，因此3 g 不能实现真正意义上的个人通信和全球通信； 其次，3 g 的频谱效率较低，不能充分利用宝贵的频谱资源；再次，3 g 支持的业 务速率还不够高；等等。这些不足之处使得3 g 还不能适应未来移动通信的业务和 技术需求；业务种类多、系统容量大、频谱效率高、通信质量好。为了实现上述 目标，探索新技术就显得尤为重要，这其中建立在m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 应用之上的空时编码就已经成为了近来的研究热点。 1 2 m i m o 系统概述 m i m o ，就是网络数据通过多重切割之后，经过多重天线进行同步传送，由于 无线信号在传送的过程中，为了避免发生干扰，会走不同的反射或穿透路径，因 此到达接收端的时间不一致。为了避免数据不同步而无法重新组合，因此接收端 有多重天线接收，然后利用d s p 重新计算的方式，根据时间差的因素，将分开的 数据重新组合，然后传送出正确且快速的数据流。由于传送的数据经过分割传送， 不仅单数据流量降低，可延长传送距离，而且还拓展了天线接收范围，因此 m i m o 技术不仅可以加快既有无线网络频谱的数据传输速度，而且又不用额外占 用频谱，更重要的是，还能延长信号接收距离。 研究在无线通信系统中使用多天线技术以提升链路性能已有十分悠久的历 史。m a r c o n i 和其他的一些早期无线电技术工作者就曾研究过是用多个接收天线来 获得分集增益，并且，当时的研究还发现是用定向接收阵列天线能同时减小同信 道干扰。第二次世界大战后，雷达系统中阵列天线的研究和应用日趋活跃。2 0 世 纪7 0 年代，随着数字信号处理器件的出现，更为复杂的阵列天线系统和自适应数 字信号处理技术开始应用于军事领域的无线接收机，从而获得分集增益和减小干 扰。这些都对无线通信系统的相关研究起着极大的促进作用。 对无线移动通信系统多入多出技术产生巨大推动作用的工作则是9 0 年代由 a t t b e l l 实验室学者完成的。1 9 9 5 年t e l a d a r 给出了在衰落情况下m i m o 的容 量【1 l ；1 9 9 6 年f o s h i n i 给出了一种多入多出处理算法对角一贝尔实验室分层空 时一b l a s t ) 算法【2 】；1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了用于多入多出的空时码p j ；1 9 9 8 年w o l n i a n s k y 等人采用垂直一贝尔实验室分层空时( v b l a s t ) 算法h 建立了一 个m i m o 实验系统，在室内试验中达到了2 0 b p s i - i z 以上的频谱利用率，这频谱 第2 页 第一章引言 利用率在普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大关注，并使多入多 出的研究工作得到了迅速发展。 1 3 空时编码概述 无线通信中利用多个接收或发射天线的空间分集技术是抗信道衰落的有效措 施之一【5 】由于天线尺寸以及接收端设备花费等条件的限制，传统解决方法都是采 用在基站安放多个发送天线以获得分集增益。发射分集作为无线衰落信道中一种 对抗衰落的方法已经得到了深入的研究，它最吸引入的地方在于实现上相对简单和 基站架设多天线的可行性，而且这种费用还可以由数量众多的用户来共同分担。 f o s c h i n i 等人在对多输入天线、多输出天线信道容量研究的基础上，首先提出 了分层空时编码技术。分层空时码将信源数据分为若干子数据流，独立地进行编 码、调制，因而它不是基于发射分集的。它较适用于室内环境，不太适合应用于 室外移动环境，而且要求接收天线数不得少于发射天线数。在此基础上，h l a r n o u t i 提出了一种发送分集的实现方案【6 1 ：在发送端，信号经过简单的编码映射，然后经 过多副天线同时发送；在接收端已准确获知信道传输特性的情况下，采用一些简 单的信号处理技术，即可获得与等数目接收天线相同的分集增益。随后，t a r o k h 等人在a l a m o u t i 关于发射分集研究工作的基础上，将这种发送分集技术结合正交 设计理论，提出了空时分组编码技术【7 l ；将这种发送分集技术结合格状编码调制 ( t c m ，t r e l l i sc o d em o d u l a t i o n ) ，提出空时格状编码技术( s t t c ，s p a c e t i m et r l l i s c o d i n g ) ，上述两种方案统称为空时编码。 此后h a m i dj a f a r k h a n i 又针对空时分组码对大天线数( 大于2 ) 不存在满速率编 码方式的情况而提出了适用于大天线数的满速率准正交空时分组码j ，而提高速 率的代价则是牺牲了部分正交空时分组码能够获得的全分集增益；顺着这一思路 n m e s hs h a r m a 等人提出了用星座点旋转的方法来优化空时码字的最小距离的观点 9 1 ；随后l e ih e 等人又针对空时分组码的全分集和满速率不能同时在大天线数时 获得的缺点提出了基于非线性处理的改进编码方法【1 0 】，该方法在性能上随信噪比 的增长甚至要超过正交设计的空时分组码，牺牲的代价仍是复杂度的提高。 但是总的来说，空时编码降低了无线通信系统对多径衰落的敏感程度，在限 定总发射功率的情况下提高了信息传输的可靠性；在相同的码率前提下，又大大 提高了无线通信系统的传输效率，其频谱有效性可达到当前系统的3 - 4 倍，甚至更 高。此外，在蜂窝无线通信系统中采用空时编码调制技术，一方面允许系统使用 第3 页 第一章引言 利用率在普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大关注，并使多入多 出的研究工作得到了迅速发展。 1 3 空时编码概述 无线通信中利用多个接收或发射天线的空间分集技术是抗信道衰落的有效措 施之捌由于天线尺寸班及接收端设备花费等条件的限制，传统解决方法都是采 用在基站安放多个发送天线以获得分集增益。发射分集作为无线衰落信道中一种 对抗衰落的方法已经得到了深入的研究，它最吸引入的地方在于实现上相对简单和 基站架设多天线的可行性，而且这种费用还可以由数量众多的用户来共同分担。 f o s c h i n i 等人在对多输入天线、多输出天线信道容量研究的基础上，首先提出 了分层空时编码技术。分层空时码将信源数据分为若干子数据流，独立地进行编 码、调制，因而它不是基于发射分集的。它较适用于室内环境，不太适合应用于 室外移动环境，而且要求接收天线数不得少于发射天线数。在此基础上，a l a m o u t i 提出了一种发送分集的实现方寨【6 】：在发送端，信号经过简单的编码映射，然后经 过多副天线同时发送：在接收端己准确获知信道传输特性的情况下，采用一些简 单的信号处理技术，即可获得与等数目接收天线相同的分集增益。随后，t a r a k h 等人在a l a m o u t i 关于发射分集研究工作的基础上，将这种发送分集技术结合正交 设计理论，提出了空时分组编码技术1 7 j ：将这种发送分集技术结合格状编码调制 ( t c m ，t r e l l i sc o d em o d u l a t i o n ) ，提出空时格状编码技术( s t t c ，s p a c e t i m et r l l i s c o d i n g ) 。上述两种方案统称为空时编码。 此质h a r a i dj a f a r k h a n i 又针对空时分组码对大天线数( 大于2 ) 不存在满速率编 码方式的情况而提出了适用于人天线数的满速率准正交空时分组码【8 】，而提高速 率的代价则是牺牲了部分正交空时分组码能够获得的全分集增益；顺着这一思路 n a r e s hs h a m l a 等人提出了用星座点旋转的方法来优化空时码字的最小距离的观点 1 9 ：随后l e ih e 等人又针对空时分组码的全分集和满速率不能同时在大天线数时 获得的缺点提出了基于非线性处理的改进编码方法i l ，该方法在性能上随信噪比 的增长甚至要超过正交设计的空时分组码，牺牲的代价仍是复杂度的提高。 但是总的来说，空时编码降低了无线通信系统对多径衰落的敏感程度，在限 定总发射功率的情况下提高了信息传输的可靠性；在相同的码率前提下，又大大 提高了无线通信系统的传输效率，其频谱有效性可达到当前系统的3 - 4 倍，甚至更 高。此外，在蜂窝无线通信系统中采用空时编码调制技术，一方面允许系统使用 高。此外，在蜂窝无线通信系统中采用空时编码调制技术，一方面允许系统使用 第3 页 电子科技大学硕士学位论文 更大的复用系数，大大提高了系统容量；另一方面，采用空时编码调制技术以后， 只要在基站采用多天线发、多天线收，移动手机采用单天线发、单天线收就可以 很好地抵抗衰落。 空时编码正是由于它的这些优点，使得它自提出以来，就得到了广泛关注并 被3 g p p 正式列入w c d m a 提案中，下行开环发射分集共有两种：空时发射分集 ( s t t d ，s p a c e - t i m et r a n s m i td i v e r s i t y ) 和时域切换时间分集( t s t d ，t i m es w i t c h t i m ed i v e r s i t y ) ，其中的s t t d 技术即为基于发射分集的空时分组编码。 而空时格状码在最初t a r o k h 提案的基础上也得到了广泛的研究【1 1 卜 1 3 1 ，该方案 由于考虑了前后输入的关联，所以它除了可以获得分集增益外还可以获得一定的 编码增益，因此，它比空时分组码具有更好的性能。但是，对于发射天线数固定 的空时格状码而言，其译码复杂度与发射数据速率成指数关系，所以目前其应用 并不广泛。 1 4o f d m 概述 新一代移动通信与第三代移动通信系统相比将会提供更高的数据传输速率， 更低的成本。达到高速率低成本的一个技术前提就是高频谱效率的技术，从而可 以在有限的频谱上提供更高的传输速率和系统容量，o f d m 就是这样的技术， o f d m 的特点在于它将无线通信传输信号分割成了多个子载波进行传输，而每个 子载波由于仅仅携带了很小一部分的数据负载，这样o f d m 技术就能利用更长的 符号周期，从而使通信传输信号更不容易受到多径传输的干扰或者其他外界的特 殊干扰。数码地面波电视播放以及高速无线l a ni e e e8 0 2 1 l a 都预定采用这项新 技术。 o f d m 的重要性不仅仅在于它是i e e e8 0 2 1l a 等其它高性能无线技术的基础， 更重要的是o f d m 技术与传统的相关技术相比存在以下优势：把高速率数据流通 过串并转换，使每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而可以有效地减 小符号间干扰；子载波之间的正交性使得系统的频谱利用率高；各子信遵的调制 解调可以通过i f f t 和f f t 来实现；易于其他接入方法结合使用构成 o f d m a ( 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 ga c c e s s ) 系统等。 但是o f d m 系统内由于有多个正交的子载波，而且其输出信号也是多个子信 道的叠加。因此与单载波系统相比，存在如下缺点：存在较高的峰值平均功率比， 多载波系统的输出是多个子信道的叠加，因此如果多个信号的相位一致，那么所 第4 页 第一章引言 得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，出现较大的峰值平均 功率比，这就对发射机内放大器的线形提出了高要求，否则会带来信号畸变，使 信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏，使性能恶化；另 外一个缺点就是易受频率偏差的影响。 针对o f d m 系统过高峰平比的问题，各国的专家和学者作了大量的抑制峰平 比研究，提出了基于信号畸变技术、信号扰码技术和信号空间扩展技术等降低 o f d m 系统峰平比的方法。 最简单的抑制技术就使幅度削减【1 4 1 ，即将输入信号超过预置门限的包络部分 进行削减，由此会产生削波噪声，对此，可以采用诸如滤波等方法进行处理；编 码也可以用于抑制峰平比，最简单的思想就是遍历所有可能的编码码字，从中找 出峰平比低的码字进行传输，但是该方法受限于遍历搜索的计算量【1 5 】；部分传输 序列法和选择映射法则是通过构造多个与原序列具有相同信息的备选序列来达到 概率上降低峰平比的目的c 1 6 1 d t ；交织抑制峰平比的方法，其原理类似选择性映射， 只是它采用的是交织的方式来构造序列“s l ；话音保留技术“9 1 ( t r , t o n er e s e r v a t i o n ) 通过添加一个由发射信号所决定的时域信号来达到降低峰平比的目的，该时域信 号可以在收端去除；此外还有话音扩展【l 别( t i ，t o n ei n j e c t i o n ) 技术，该方法扩展了 星座的尺寸，从而使得同样一个数据符号可以用更多的表示方法来表示，以此获 得从概率上降低峰平比所需要的自由度。 上述方法都是应用于s i s o o f d m 系统的方法，在m i m o - o f d m 系统中的应 用能够还处于探索阶段，因此，本文尝试结合空时分组码来提出m i m o - o f d m 系 统中的峰平比抑制方案。 1 5 课题来源和本文所做工作 本课题来源于教研室与d o c o m o 公司合作的项目。 本文重点研究了新一代移动通信系统中的空时分组编码技术，本文的其余部 分内容及安排如下： 第二章对将要应用空时分组码的准静止信道以及时变多径信道进行了描述。 第三章对单载波系统中空时分组编码技术进行了原理分析，针对不同环境建 立了空时分组编码的模型，在理论分析其性能的基础上通过仿真进行了验证。 第5 页 电子科技大学硕士学位论文 第四章结合当前应用广泛的多载波o f d m 系统，对空时，频分组码在复杂的时 变多径信道中的性能进行了分析，通过推导找出了多径信道中影响空时频分组码 性能的根本原因，最后通过仿真完成了验证。 第五章针对m i m o o f d m 系统存在的峰平比过高问题，通过提炼s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l eo u t p u t ) 系统中部分传输序列抑制算法的思想，提出了可以结合空时频 分组编码应用于m i m o 的方案，该方案不仅能获得有效的抑制效果，还能够保证 空时频分组码本身在m i m o o f d m 系统中的结构，不损失性能，最后的仿真结果 验证了该方案的可行性和有效性。 第6 页 第二章空时编码应用的信道模型 第二章空时编码应用的信道模型 2 1 引言 在当代通信中，用户总是希望无线通信的服务质量和数据传输速率快速增长， 因此对于研究人员来说，怎样通过无线信道这个“狭窄”的管道来满足上述要求 就成为了巨大的挑战。作为能够提高服务质量和提高数据传输率的空时编码技术， 其对信道的依赖更是明显，因此有必要对空时编码所应用的信道特别是下面对其 性能的讨论中涉及的信道进行描述。 2 2 准静止信道模型 在通常针对空时编码的信道模型中，有一类信道模型称为准静止平坦衰落信 道【3 1 ，是研究所有空时码的基本信道，它指的是信道是频率非选择性的，即没有 时延扩展的存在，同时信道保持在一个码块内不变，而在两个码块之间发生变化。 整个空时编码系统的传输模型可以做如下描述：假定系统发射天线数为仰， 接收天线数为，则整个传输过程在每一个传输时刻f 可以用如下的m i m o 的信 号模型给出【2 0 】： 席- r t = f 兰丑瓯+ n t ( 2 - 1 ) 上式中各符号说明如下： ( 1 ) e 为一个采样周期内唧个发射天线发射信号的总平均能量，即采样周期 为1 秒时发射信号的总平均功率； ( 2 ) x 。= 爿，# ，妒 7 ，为一唧维的发射信号列向量； ( 3 ) l = 1 ，r ，i 妇 7 ，为- - n r 维接收信号列向量 ( 4 ) h 为信道矩阵，由下式表示 第7 页 电子科技大学硕士学位论文 h s 。- 曩： 啊。 嘎-z 吃。 - 。：。 ( 2 - 2 ) 其中 。( i - - 1 ，2 ，r r ，j = l ，2 ，脚) 为独立复高斯随机变量，均值为0 ，方 差为1 ； ( 5 ) n 。= 珥，喝，tj t ，为一维加性复白高斯噪声向量，且均值为0 ，方差 为0 。 2 - 3 多径信道 与其他通信信道相比，无线信道是较为复杂的一种。无线电波传播的主要方 式是空间波，从发射机发出的无线电波在传播路径上受到周围环境中地形地物的 作用，产生绕射、反射或透射。这样，到达接收机时将是从多条路径来的多个信 号的叠加。多径传播引起接收信号的幅度、相位和到达时间的随机变化，同相叠