（通信与信息系统专业论文）块衰落信道中的空时编码技术的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 由于无线信道的时变性使得其传输特性随时间而不断的发生变化。但在有 些情况下，若基站与移动台之间几乎没有相对移动，可认为一定时间内信道基 本保持不变，在这段时间内的连续符号遭受的衰落是相同的，这就是块衰落模 型( b l o c kf a d i n gm o d e l ) 。 多输入多输出( m i m o ) 技术是无线移动通信领域的重大突破，是新一代 移动通信系统必须采用的关键技术。贝尔实验室分层空时码( b l a s t ) 就是基 于这样的技术而产生的。b l a s t 由于可以实现较高的数据速率和链路的可靠 性，从而被广泛研究。本文基于块衰落模型，研究了v - b l a s t 和t u r b o b l a s t 结构以及其相应的检测算法。 作为目前最具代表性的一种b l a s t 结构，v - b l a s t 因为具有最大的数据 传输能力而被3 g p p 等标准所采用，因此也成为了近来研究的一个热点。本文 在详细分析了原v - b l a s t 系统检测算法的基础上，通过采用q r 分解方案，提 出了一种改进的基于迭代的检测算法，较好的提高了v - b l a s t 系统的检测性 能。 d b l a s t 由于存在边界损耗而对传输的数据有着严重影响。v - b l a s t 虽 然克服了这一缺点，但它并没有利用到发送分集技术。t u r b o b l a s t 结合了 t u r b o 迭代检测技术，同时改进了d b l a s t 的空时结构，在传输速率和误码率 方面都取得了重大的突破。本文在研究现有的t u r b o b l a s t 系统基础上，对其 空时结构和检测模型进行改进，仿真结果显示新的改进方案具有良好的性能。 关键宇：块衰落模型：m i m o ；贝尔实验室分层空时码；t u r b o - b l a s t 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h et i m ev a r i a t i o n ，t h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s s c h a n n e l c h a n g e sc o n t i n u o u s l y 、析t l lt i m e h o w e v e r , w h e nt h e r ei s n or e l a t i v e m o v e m e n tb e t w e e nt h eb a s es t a t i o na n dt h em o b i l es t a t i o n ，t h ec h a n n e lk e e p s u n c h a n g e df o rac e r t a i np e r i o do ft i m e a n da l lt h ec o n t i n u o u ss y m b o l sd u r i n gt h i s p e r i o ds u f f e rf r o mt h es a m ef a d i n g ，w h i c hi sc a l l e db l o c kf a d i n gm o d e l 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 ) t e c h n o l o g yi sag r e a tb r e a k t h r o u g hi n w 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 ，a n di th a sb e c o m eak e yt e c h n o l o g yf o rt h en e w g e n e r a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h eb e l ll a bl a y e r e ds p a c e t i m e c o d e ( b l a s t ) i sj u s tb a s e do nt h i st e c h n o l o g y w i t ht h ep r o p e r t i e so fh i g h e rd a t a r a t ea n db e t t e rl i n kr e l i a b i l i t y , b l a s th a sn o wb e e ni n t e r e s t e db yr e s e a r c h e r sa l l o v e rt h ew o r l d t m sp a p e rs t u d i e so nt h es t r u c t u r eo fv - b l a s ta n dt u r b o - b l a s t i n c l u d i n gt h e i rc o r r e s p o n d i n gd e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h eb l o c kf a d i n gm o d e l a st h er e p r e s e n to ft h eb l a s ts t r u c t u r ea tp r e s e n t ，v o b l a s t ，w i t hl a r g e s td a t a t r a n s m i s s i o nc a p a b i l i t i e s ，h a sb e e na d o p t e db y3 g p ps t a n d a r de t c a n di sa l s oq u i t e i n t e r e s t e db yr e s e a r c h e r s t h i sp a p e ra n a l y z e so ft h eo r i g i n a ld e t e c t i o na l g o r i t h mo f v - b l a s t , a n dp r o p o s e sa ni m p r o v e di t e r a t i v ed e t e c t i o na l g o r i t h mb yu s i n gt h eq r d e c o m p o s i t i o ns c h e m e o u rn e wa l g o r i t h mi m p r o v e st h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c eo f t h ev - b l a s ts y s t e m i nd b l a s t t h et r a n s m i s s i o nd a t ah a sb e e ns e r i o u s l ya f f e c t e db e c a u s eo ft h e b o u n d a r yw a s t a g e v - b l a s to v e r c o m e st h i sd e f e c t ，b u ti ts i l l ld o e sn o tu t i l i z et h e t e c h n o l o g yo ft r a n s m i td i v e r s i t y t u r b o - b l a s tm a k e su s eo ft h ei t e r a t i v ed e t e c t i o n t e c h n o l o g yo ft u r b oa n di m p r o v e st h es p a c e t i m es t r u c t u r eo fd - b l a s ta l o n g w i t h t r a n s m i s s i o nr a t ea n db i te r r o rr a t e t h i sp a p e ri m p r o v e st h es p a c e - t i m es t r u c t u r ea n d d e t e c t i o nm o d e lo f 眦o b l a s t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e ws c h e m e h a sg o o dp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：b l o c kf a d i n gm o d e l ，m i m o ，b l a s t , t u r b o - b l a s t 西南交通大学曲南父逋大莩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅私 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据摩 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密z 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：鬼黝指导老师签名：学位论文作者签名：抛黝指导老师签名： 日期：洲年5 闫趵日 日期： 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已香 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要仓l j 新点如下： 1 、针对v - b l a s t 系统的检测方案进行研究。详细分析了几种传统的检测方 案并进行仿真比较；在此基础上提出了一种基于q r 分解的改进迭代检测方案， 新的方案不仅降低了检测的复杂度，同时在仿真中也表现出了良好的性能。 2 、将t u r b o 码与v - b l a s t 系统相结合，并提出一种改进的检测模型，仿真 结果显示新的检测模型在性能上有一定提高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 科学技术的飞速发展给人们的生活带来了日新月异的变化，通信技术的进 步更是对社会文明产生了深刻的影响。移动通信不但集中了无线通信和有线通 信的最新技术成就，而且集中了网络传输和计算机科学等很多技术成果。现代 无线移动通信已经从模拟通信发展到了数字移动通信阶段，并且正朝着个人通 信这一更高阶段快速发展。未来移动通信的目标是：能在任何时间、任何地点、 向任何人提供快速可靠的通信服务。 随着各式各样的无线和数据业务的不断涌现，通信资源如频谱资源变得越 来越紧张，如何更高效的利用有限的通信资源成为无线通信新技术发展的焦点 所在。近年来，多天线技术在解决未来无线网络密集性业务容量瓶颈的新技术 中，显得非常突出，被视为无线移动通信系统的关键技术之一。 1 1 移动通信系统概况 移动通信由最初的第一代模拟移动通信系统、第二代数字移动通信系统发 展到了目前各国在积极研发的第三代宽带数字移动通信系统，现在正朝着大系 统容量、高服务质量、多业务( 话音、图像、数据等) 支持的方向前进。未来 的移动通信系统，即第四代移动通信系统的概念现在也已出现 6 】。 北美的a m p s 、欧洲的t a c s 、德国的c 4 5 0 以及日本的n t t 等系统是第 一代模拟移动通信系统的代表。由于模拟系统的容量小，频谱利用率低，保密 性能差以及不同系统不能兼容等不足，促使人们研制出以欧洲的g s m 系统、美 国的i s 5 4 和i s 一9 5 、日本的p d c 等系统为代表的第二代数字移动通信系统。第 二代数字移动通信系统能提供数字话音通信，以及电路交换的低速数据通信， 改善了第一代系统存在的不足。但是，第二代数字移动通信系统在很多方面仍 然没有实现人们最初的目标，比如统一的全球标准，同时也由于技术的发展和 人们对于系统传输能力的要求越来越高，每秒几千比特的数据传输能力已经不 能满足用户对于高速率数据传输的需要，这些需要都是高速率移动通信系统发 展的动力。在此情况下，具有9 6 1 5 0 k b p s 传输能力的通用分组无线电业务 ( g p r s ，g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e s ) 系统和3 8 4 k b p s 传输能力的增强数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 速率技术( e d g e ，e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n ) 开始出现，并成为 向第三代移动通信系统过渡的中间技术。 随着社会发展和技术进步，国际间的交流合作日益频繁，人们希望移动通 信系统能像固定公共网一样提供将话音、图像、数据等综合在一起的交互式多 媒体业务，这是目前正在营运的第二代移动通信系统所不能满足的。因此，第 三代移动通信系统的研发工作正积极展开。在提交给i t u 的关于第三代数字移 动通信系统的各种方案中，欧洲提出的基于g s m 系统的w c d m a 、北美提出 的基于i s 9 5 的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 将是主流技术，采用码 分多址的空中接口标准已基本达成共识。第三代移动通信系统要实现下列目标 【5 】 8 ： 全球普及和全球无缝漫游的系统 具有支持多媒体业务的能力。i t u 规定的第三代移动通信无线传输技术 要求在快速移动环境，最高速率达1 4 4 k b p s ：室外到室内或步行环境， 最高速率达3 8 4 k b p s ：室内环境，最高速率达2 m b p s 高频谱效率 更好的传输质量。未来的移动通信系统使得传输质量达到或者接近有线 系统的传输质量 增加分组交换业务 增加非对称传输模式 其它还有例如低成本、高保密性、便于向第四代过渡演进等特点 然而，第三代移动通信系统距离人类“不论何时，不论何地都能与任何人 交流任何信息”的个人通信愿望仍有较大距离。因此，近年来一些学者又提出 了未来移动通信系统的新构想第四代移动通信系统的概念【6 】。一些大学和 公司已经开展了对第四代移动通信系统的研究。比较有规模的是欧洲的b r a i n 计划，该计划是英国电信、法国电信、诺基亚、爱立信、西门子、伦敦大学国 王学院等合作进行的，以欧洲为主。另外还有日本n t td o c o m o 移动通信公 司以及美国a t & t 公司也在开展第四代移动通信系统的研究。然而，有关第四 代移动通信系统的观点目前还处于各抒己见的阶段，没有形成具体的标准。 尽管如此，未来移动通信系统比第三代移动通信系统更加接近个人通信的 要求，以下的一些关于下一代移动通信系统的技术特征已经得到较为广泛的认 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 可 2 l 】： 高数据速率 大系统容量 高频段传输 支持各种新的多媒体业务 支持下一代i n t e r n e t 与固定公共网，与专用网的“无缝 连接 下一代移动通信系统希望支持2 0 m b p s 的传输速率 6 】。高速率业务和用户 数量的激增使得对频谱的需求量急剧增加，而频谱资源却是有限的，因此追求 尽可能高的频谱利用率成为无线通信倍受关注的课题。 1 2 空时编码技术的发展及其分类 由于多输入多输出系统( m i m o ，m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ) 和空时编 码技术在提高无线通信系统容量及频谱利用率上的巨大潜力，人们普遍认为该 技术是新一代无线通信系统所必须采用的关键技术，因而是当前研究的热点。 m i m o 技术的特点在于它利用多径效应而不是试图对抗它，并将传统智能天线 中的向量信道转化为矩阵信道。目前，各国学者对于m i m o 的理论、性能、算 法和实现等各方面均广泛地进行着研究。传统m i m o 方案的设计目标可以分为 两大类【9 】：空间复用系统和空间分集系统。对此，f o s c h i n i 和t a r o l d a 等人做了 大量开拓性工作，使无线通信朝其极限性能逼近的方向迈出了一大步。纯 b l a s t 系统将只能提供复用增益，纯空时编码系统只能提供分集增益。不同的 系统设计可以带来不同性能增益的折衷【1 1 】【2 2 】。一般地，所有的m i m o 系统均 可视为具有不同分集增益和复用增益折衷的系统。 空时编码【1 l 】是适合于多天线发送与接收的一种编码方案。它综合了空间分 集和时间分集的优点，同时提供分集增益和编码增益，能够获得远远高于传统 单天线系统的频带利用率。目前对空时编码的研究主要是向两个方向发展：一 种是基于发送分集的空时分组码( s t b c ，s p a c e t i m eb l o c kc o d e ) 和空时网格 码( s t t c ，s p a c e t i m et r e l l i sc o d e ) ；另一种是分层空时码( l s t ，l a y e r e d s p a c e t i m ec o d e ) ，也称为b l a s t ( b e l ll a b o r a t o r yl a y e r e ds p a c e - t i m e 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 s t r u c t u r e ) ，今后我们对l s t 和b l a s t 不加区别，认为是一回事，但注意实际 上这二者还是有区别的。b l a s t 是贝尔实验室研发的【l 】，他们于1 9 9 6 年就提 出了空时编码的框架，并于1 9 9 8 年研制出了贝尔实验室分层空时编码系统 b l a s t 。该系统利用了无线信道的多径传播特性来达到提高传输速率的目的； 而朗讯实验室提出的空时网格码【2 4 】是在延时分集的基础上提出的，主要利用信 道编码和多天线阵列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。这种空时编码以网格编码调制为基 础，具有很高的编码增益和分集增益，能够有效地抗衰落并抑制干扰与噪声， 但其缺点是编译码复杂，在天线数目较多和发送速率较高时，接收机的结构变 得极其复杂而难以实现。在此基础上又出现了各种方案，其中包括与r s 码级联 的级联空时编码 9 】、在多层编码调制基础上的空时编码、空时分组码以及与阵 列处理结合的空时编码方案。由于s t t c 的编译码比较复杂，美国c a n d e n c e 公 司的研究人员提出了一种基于正交设计的空时编码，即空时分组码。虽然它的 性能比s t t c 略差，但由于其译码方法简单，很快便引起了通信界的广泛关注。 以上三种空时编码中，由于分层空时码的频谱效率最高，特别适合未来的 宽带无线系统，因而是最为有前途的编码方式之一。它最初由f o s c h i n i 提出【1 】， 其基本原理是将输入的信息比特流分解成多路比特流，并独立地进行编码、调 制，映射到多个发送天线上。在发送端，这些码元共享相同的载波频率 ( f d m a t d m a ) 或相同的扩展码( c d m a ) 。在接收端，采用特殊的处理技术， 将这些同时到达接收天线的信号分离，然后送到相应的译码器。分层空时码的 实现方法很简单，发送端将信源信息分成几部分经编码后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【4 】。 b l a s t 区别于其他空时编码的关键在于怎样设计在何时、从哪个天线发送已编 码的符号序列。根据这一点b l a s t 可分为三类，分别为：水平分层空时码 ( h b l a s t ) 、垂直分层空时码( v - b l a s t ) 和对角分层空时码( d b l a s t ) 。 最早提出的是对角分层空时码( d b l a s t ) 【1 6 】，虽然它具有较好的空时特性 和层次结构，但由于有n ( n 一1 ) 2 比特的传输冗余，而且译码太复杂而显得不太 实用。随后提出了水平分层空时码( h b l a s t ) 【1 6 】和垂直分层空时码 ( v - b l a s t ) j 3 。虽然水平分层空时码的译码简单，但其空时特性太差；相比之 下，垂直分层空时码要比水平分层空时码的性能好的多，而译码复杂度不大， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 因此得到广泛应用。本篇论文的第三章内容正是基于这一事实将重点探讨垂直 分层空时码的检测译码算法。 1 3 本文的主要工作及章节安排 本文主要研究了m i m o 通信系统中的空时编码技术。首先介绍了块衰落信 道模型，并针对三种不同的空时编码：空时分组码( s t b c ) 、空时网格码( s ，丌c ) 、 分层空时码( l s t ) 作了概括性描述；接着研究了空间复用技术的典型代表 b l a s t 系统的检测算法，对其传统的几种检测算法进行比较，重点讨论了 b l a s t 系统的迭代检测思想；然后介绍了在系统性能上极具优势的t u r b o 码， 并详细描述了其检测方案，从而引出了将t u r b o 码和空时编码相结合的 t u r b o b l a s t 系统；最后我们将现有的t u r b o b l a s t 检测方案进行改进，并取 得了理想的仿真结果。全文共分为六章，章节具体安排如下： 本章是这篇论文的第一章。首先简要阐述了无线通信技术的发展概况，以 及新一代无线移动通信系统的研究现状，并简要介绍了未来无线通信系统所要 实现的目标；接下来讨论了空时编码的研究进展：最后说明了本文框架，并以 这里的各章节内容概述作为本章的结束。 第二章回顾了空时编码技术的基本原理，对空时分组码、空时网格码、分 层空时码原理进行了系统的归纳和总结。 第三章首先针对未经信道编码的分层空时码系统，详细介绍了最大似然检 测算法、迫零检测算法和最小均方误差检测算法等三种主要的检测算法的原理 和实现步骤：接着通过仿真分析比较了不同算法的性能；在此基础上提出了一 种改进的基于q r 分解的迭代检测方案，通过仿真结果表明本文提出的改进算 法能够较好的提高系统性能。 第四章介绍了t u r b o 编译码，并重点介绍了m a p 算法和s o v a 算法，为第 五章的内容奠定了基础，同时通过实验仿真也分析了t u r b o 码的部分性能。 第五章针对级联信道编码的分层空时码系统，即t u r b o 。b l a s t 系统，给出 了一种基于t u r b o 迭代思想的检测译码算法，并对其检测方案提出改进。仿真 结果表明新的方案能够提高系统性能。 l第六章为总结与展望，总结全文的研究工作并对今后的研究方向进行展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章空时编码技术 空时编码技术的涉及范围很广，主要包括发送分集技术和空间复用技术。 其中的发送分集技术，指的是在不同的天线上发送包含同样信息的信号，从而 达到空间分集的效果，有很强的抗衰落能力，如空时分组码( s t b c ) 。空间复 用技术与发送分集技术不同，它在不同的天线上发送的是不同的信息，空间复 用技术真正体现了m i m o 系统容量提高的本质，贝尔实验室的b l a s t 是空间 复用技术的典型应用。下面我们就分别介绍一下三种主要的空时编码技术：空 时分组码( s t b c ) 、空时网格码( s t t c ) 和分层空时码( b l a s t ) 。 2 1 块衰落模型 无线信道的时变性常使得其传输特性随时间而不断地发生变化。但在有些 特殊情况下，如若基站与移动台之间几乎没有相对移动，可近似认为一定时间 内信道基本保持不变。这种在某一时间段内认为信道特性近似恒定的模型称之 为“块衰落模型 。这种模型对于无线传输技术的分析和设计是非常有利的， 线性空时码就是建立在这种块衰落假设的基础上的。 在无线传输系统中，如果移动台移动的速度较慢，信道的相干时间瓦就较 大，远大于符号持续时间z 。这时可以认为连续的尸个符号受到的衰落是相同， 换而言之，可假定信道增益在这连续尸个符号的持续时间内保持不变，而在下 一个连续p 个符号的持续时间内可变为另一恒定值，故从整个时间域来说，信 道增益还是呈现出了衰落的现象。由于每尸个受到相同衰落的连续符号组成了 一个“块”( b l o c k ) ，因此将这样的传输模型称为块衰落模型( b l o c kf a d i n gm o d e l ) 【2 3 。 图2 1 示意了个发送天线和m 个接收天线的多天线系统中的三个空时块， 每个块占用尸个符号的持续时间间隔，包含k 个发送的数据符号 h ( ，z ) ，j r ( n ) l ，每个数据符号都是来自某一有限星座中的复信号点。这些数 据符号经过一定规则的编码之后，在每个块中分别生成各自的空时编码矩阵 e c 肌尸，称为一个码字，其元素c ，。表示在第p ( p = l ，2 ，p ) 个时刻从第 i ( i = l ，2 ，1 个天线上发送的符号。三个块可以在时间上分割，也可以像o f d m 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 系统那样在频率上分割( 这种分割下，三就是o f d m 系统的子载波数目) 。块衰 落模型的基本关系式为： 匕= 以c ：+ z ：， 玎= l ，2 ，l ( 2 1 ) 其中匕c 肌p 为接收信号矩阵，q c 揪为块衰落信道矩阵，乙c 肌尸为噪 声及干扰信号矩阵。需要正确设计编码矩阵e ，才能得到实际系统想要获得的 分集增益、编码增益或者复用增益。 0 块1 卜 p 图2 1 块衰落模型中的三个空时块 在本文中，如果没有特别说明，仿真信道均建立在块衰落模型基础上。 2 2 空时分组码 从空时编码发展的历史上说，a l a m o u t i 1 1 方案是能够为发送天线数为2 的 系统提供完全发送分集增益的第一种空时分组码。值得一提的是：虽然延迟分 集方案 9 】也能实现完全分集，但它们会引入符号间干扰，同时接收端需要复杂 的检测电路。后来t a r o k h 等人在a l a m o u t i 工作的基础上，将正交编码的方法推 广到一般化，提出了正交空时分组码( o r t h o g o n a ls p a c e t i m eb l o c kc o d e ) 【2 】 1 3 】。s t b c 将输入符号分组映射到空间域和时间域，产生正交序列，然后通 过不同的发送天线发送。它具有很低的译码复杂度，利用简单的最大似然译码 算法即可，而且还可以获得与最大比合并接收相同的分集增益。 2 2 1 空时分组码的编码 考虑发送端有个发送天线，接收端有肘个接收天线的m i m o 传输系统， ( i = 1 ，2 ，n ；j = 1 ，2 ，m ) 表示第i 个发送天线到第个接收天线的信道衰 落系数。假设经调制映射后生成的信息符号序列为( 五屯x k ) ，采用列正交编 码矩阵x 并按行发送，且x 满足正交性条件： x 片x = ( i x , 1 2 + x 2 1 2 + + l x 。1 2 ) 厶 ( 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 式中凡为阶单位矩阵。通常来说，如果在p 个周期内，若有k 个符号被发送 出去，则定义编码速率为r = 七p 。 为简单起见，这里以发送天线数为2 ，接收天线数为m 的系统为例，来给 出空时分组码的编码方法。2 x m 空时分组码的编码框图表示如下： 天线1 图2 2 空时分组码的编码框图 从信息源来的输入信息符号进入空时编码器后被分为两组，每组为两个符 号。在给定的符号周期r 内，每组中的两个符号同时从两个发送天线发送出去。 在第一个符号周期内，从发送天线1 上发送出去的是x l ，而同时从发送天线2 上发送出去的是而：在第二个符号周期内，信号一毫从发送天线1 上发送出去， 而同时i 从发送天线2 上发送出去，即编码矩阵为： x = 匕一刭 协3 ) 容易看出，矩阵x 是正交矩阵，也就是说，不同天线发送的信号向量是相互正 交的，这正好符合我们前面提到的正交发送分集的特征。而这种特性能够大大 简化译码的复杂度，并使系统获得最大的分集增益。 显然，对于上述的编码系统，编码速率r = k p = l 。令h ，和h 2 ， ( ，：1 ，2 ，m ) 分别表示从发送天线1 和天线2 到达同一接收天线的信道响应。 假设信道是准静态平坦衰落的，则在两个相邻符号间隔内，每个接收天线上的 所接收到的信号记为吒7 和0 ( ，= 1 ，2 ，m ) ，表示如下： = h l j x l + h 2 j x 2 + 耐 j = 1 ，2 一 ，d 、 r - h l j + h 2 j x ：+ ，= 1 ，2 ，m 其中，吖和甩：分别为接收天线，在f 时刻和f + 丁时刻的噪声信号。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 2 空时分组码的译码 f 面仍以2 个发送天线和m 个接收天线的系统简单举例 1 8 】，来介绍空时 分组码的译码方法。假设调制后选择的两个星座点分别为五和屯，那么这两个 星座符号就在，时刻分别由天线1 和天线2 同时发送出去；接着，在f + t 时刻， 信号一蔓和i 再次被天线1 和天线2 同时发送。若接收端可以准确地估计出信道 的衰落系数( i = l ，2 ；_ ，= 1 ，2 ，m ) 并采用最大似然译码准则，那么这就意味 着要从鼍和恐的所有可能值中选出一组使得下式( 2 5 ) 能够达到最小。 兰( i ，一无。，_ 一 ：，屯1 2 + l 杉+ 。，z 一办：，i 1 2 ) ( 2 5 ) 将上式展开整理可得： 兰( 1 1 ，1 2 + i 1 2 ) 一兰 ，巧。i + ( ，i ，) + l 。葺+ ，i ，巧：+ ( ，) 乃：而一形巧。屯 。- 1 。 7 一 。， ( 2 6 ) 一( ) 以。五十杉巧：一+ ( 0 ) + ：i 】+ ( i 五1 2 + l 屯1 2 ) 兰主l 纵1 2 去掉与毛和而无关的第一部分，并将余式分为以下两项 1 2 - 一兰 ，i ，巧。i + ( ，) 乃。五十彳巧：墨+ ( 杉) 嘭：i 】+ l _ 1 2 兰壹1 1 2 ( 2 7 ) 一兰 ，巧：+ ( ，) 乃：吃一形巧。屯一( 一) 乃。蔓】+ 1 1 2 兰壹i 1 2 ( 2 - 8 ) 可以看出式( 2 - 7 ) 仅与五有关，式( 2 8 ) 仅与恐有关。为了使式( 2 5 ) 达到 最小，等价于使式( 2 。7 ) 和式( 2 8 ) 分别达到最小，对两式配方整理得多j 1 2 - l 善( ，i 7 瓦+ c 杉，恐，) 一五| 2 + ( 一，+ 姜喜i 办盯f 2 i 而1 2 c 2 - 9 ， l 姜( 7 绣，+ c 衫，啊，) 一吃1 2 + ( 一+ 姜喜l 办扩1 2 i 吃1 2 c 2 - - 。) 这样，通过对式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) 分别进行最大似然检测就可以得到五和 屯，从而完成译码工作。 可以清楚地看到，空时分组码的本质是利用发送矩阵的正交性，在获得满 分集增益的同时还简化了译码的复杂度，具有实际的应用价值。当然，高码率 准i e 交的发送矩阵设计也是一大难点。文献【2 】证明，当发送天线数为任意刀值 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 的时候，若系统采用实星座映射，则必定存在编码速率为1 的发送矩阵x ( 其 行向量满足两两正交性) ：若系统采用复星座调制，则必定存在码率小于或等于 l 2 的发送矩阵g 。例如，对于实信号星座而言，我们给出发送天线数分别为4 和8 的全速率空时分组码的发送矩阵： 五= ( 2 1 1 ) 对于复信号星座而言，我们同样给出发送天线数分别为3 和4 的，码率为 1 2 的空时分组码的发送矩阵： g = 睢享 g 4 = 2 3 空时网格码 毛一屹一黾 而而毛 屯一毛 毛一叠 一而而一吒一毛 一黾而 毛毛 吃玛一五 一甄一吃一恐 一而 恐 而确 恐而一心而 而而一屯 一囊 一而 屯 而 ( 2 1 2 ) 空时分组码能够通过简单的译码算法实现最大可能的分集优势，由于它很 简单，因此非常吸引人。然而，空时分组码不能提供编码增益，同时非全速率 的空时分组码可能引入带宽扩展。本节介绍一种差错控制编码、调制、发送和 接收分集的联合设计，从而给出一种有效的信号发送方案一一空时网格码 黾砖吃5 k 屯吃q 峭 吣 黾吖 吣 恐五所鲰局膨崩缸藏崩彦形毙肠础乃所新所两厢巧 知崩 屈威力所所庇瓢砌彦薪崩崩岛厢两庇所以所 h崔飞_而屯而黾鸭飞 z t鼍_鸭k飞飞西 b色bb b 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 ( s t t c ，s p a c e t i m et r e l l i sc o d e ) ，它能够有效地克服多径衰落。 2 3 1 空时网格码的编码 空时网格码的编码结构与卷积格形码的结构类似，其核心部分是一个状态 编码器，输入的信息比特先映射成相应的星座符号，然后经过状态编码器的编 码，编码后的符号并行输出并由天线发送出去。这里，我们以8 状态、4 p s k 映 射的2 发2 收系统为例，简单地介绍一下空时网格码的编码方案。 该系统的编码过程用下面的状态转移图来表示： 0 0 ，0 1 ， 1 0 ，1 1 ， 2 0 ，2 l ， 3 0 ，3 l ， 2 2 ，2 3 ， 3 2 ，3 3 ， 0 2 ，0 3 ， 1 2 ，1 3 ， 0 2 ，0 3 1 2 ，1 3 2 2 ，2 3 3 2 ，3 3 2 0 ，2 1 3 0 ，3 l o o ， 0 1 1 0 ，1 1 图2 3 空时网格码网格图，4 p s k ，8 状态，2b i t j h z 如图2 3 所示，网格图上的点代表转移的状态点，从上到下分别是状态0 、 状态l 、状态7 。网格图左边的4 列分别代表输入0 、1 、2 、3 时的输出。 每一状态点都有4 条路径分别到下一个不同的状态，而究竟是哪一个状态点则 由输入的符号决定。假设编码从零状态开始，也就是从网格图的第一点开始， 输入的符号为j ( 0 s 3 ) ，则输出的信息就在状态o 左边对应的一行数中找 第s + 1 个数组，数组中的两个数就是两个天线的发送符号。在状态o 的4 条路 径中，从上往下数到第s + l 条路径，该路径所对应的端点就是下一个状态值。 接着以此类推，再由输入的符号决定下一组输出和状态。 例如，假设输入的是o o 、0 1 、1 0 、1 1 、1 1 、1 0 ，则根据以上编码方式，编 码的输出应该是： 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 0o1 o3l 0l21 30 其中第一行是第一个天线的输出，第二行是第二个天线的输出。 2 3 2 空时网格码的译码 由于空时网格码采用的是网格编码方法，因此接收端完全可以采用维特比 ( t e r b i ) 算法的思想来进行译码。 由于信道的状态信息可以通过在发送端发送训练序列或者导频符号，使得 接收端可以估计出相应的每一个发送天线到接收天线之间的信道响应。所以我 们假设在接收端可以准确地得到信道状态信息( i = 1 ，2 ，n ；j = l ，2 ，m ) ， 若在f 时刻第，个接收天线接收到的信号是，则转移分支与接收信号矢量的欧 式距离可以通过下式实现： min1 2 l 7 一爿l ( 2 - 1 3 ) = li i - i i v i t e r b i 算法是用于计算最小累计距离的。在选择累计度量最小的路径作为 译码器的输出时，首先对进入同一状态节点的分支计算出这些分支与接收信号 矢量间的欧式距离，选出具有最小欧式距离的分支，同时舍去其它分支。 2 4 分层空时码 分层空时编码技术的基本思想是对高速业务分接为若干低速业务，通过普 通的并行信道编码器编码后，对其进行分层的空时编码，调制后用多个天线发 送，其发送模型如图2 - 4 所示。 - q 信道编码器1 卜一一调制器i 分接分层 空时 1 ：n编码 - q 信道编码器 _ 一- q 调制籼l 天线1 天线 图2 4 分层空时码的发送模型 在接收端，用多个天线分集接收，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，然后进行分层空时译码，单个信道 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 译码器完成信道译码，其接收模型如图2 5 所示。 从分层空时码的接收模型可以看出每个接收天线上的接收信号是不同发送 天线信号的叠加，这有点类似于多址接入系统。多址接入系统中，每个用户接 收的信号除了有用信号外还有来自其它用户的多址干扰，需要消除多址干扰后 来得到有用信号；分层空时码需要消除其它天线上的信号干扰。但是两者之间 也有区别，多址接入研究的是多个用户间的通信，而分层空时码则针对单用户 的情况。多址接入系统中，通过给不同的用户分配不同的资源，且满足正交关 系，接收端可以利用这种正交关系来消除多址干扰。而分层空时码则是在同一 频率和时间上发送同一用户的信息，因此它的传输效率要高的多。 天线l 天线m 出 图2 5 分层空时码的接收模型 假设发送天线数为，接收天线数为m ，赡，表示的是发送天线 i ( f - 1 ，2 ，) 到接收天线( j f = 1 ，2 ，m ) 之间的信道衰落系数，鸟，是服从均 值为0 、方差为1 的高斯随机变量，所以有曩，为元素构成信道矩阵c 肌， 信道满足平坦瑞利块衰落模型。第- 个接收天线收到的信号记为 n ( ，= 1 ，2 ，m ) ，记列向量 ，x = 五 恐 ： x n ，z = z l z 2 ： z n ( 2 1 4 ) 分别为接收信号向量，、发送信号向量x 和噪声向量z ，乙( = 1 ，2 ，m ) 为每 个接收天线的加性高斯白噪声( a w g n ) ，则有 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 r = 咒y + z( 2 1 5 ) 研究表明，当接收天线数m 大于发送天线数时，其系统容量是与发送天 线数成正比例增长的【1 0 】： c n i 。g ：考p ) m ( 2 - 1 6 ) 其中，p 为每个接收天线的平均接收信噪比。 2 4 1 分层空时码的编码 分层空时码按发送端分路的不同方式可分为3 种：对角分层空时码 ( d b l a s t ) 、垂直分层空时码( v - b l a s t ) 和水平分层空时码( h b l a s t ) 。 为了便于描述，我们不妨以发送天线数为4 时为例，其它情形可以此类推得 到。假设各信道编码器的输出如图2 - 6 所示。 厂i 磊f 1 一c s t , c a t , c 3 t , c 2 t , d i ，c 0 1 1一 。 麴斗c 5 2 , c 4 2 , c 3 2 , c 2 2 皿貔 厂丽磊i j 。 嘏c 1 3 c 5 3 , c 4 3 , c 3 3 , c 1 3 ，粥i信道编码器3 卜+ - 一磊逸，粥 i一 i 信道编码器4卜一c 5 4 , c 4 4 , c 3 4 , c 2 a , c 1 4 ，d 碡 1j 图2 - 6 信道编码器的输出图示 对角分层空时码就是将并行信道编码器的输出按对角线进行空间编码，其 编码原理如图2 7 所示。由图中可知，为处理规范右下方的元素补为0 ，信道编 码器l 开始输出的个码元排列在第一条对角线上，信道编码器2 开始输出的 个码元排列在第2 条对角线上。一般来说，信道编码器f ( f _ 1 ，2 ，n ) 输出的 第批个码元排列在第f + ( 一1 ) n 条对角线上。编码后的码元按列由n 个天 线同时发送到信道( 信道编码器与发送天线的数量是相同的) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 c 8 1c 4 4 c 4 3 c 4 2c 4 1c 0 4 c 0 3 c 0 2c 0 1 至天线l c 5 4c 5 3c 5 2c 5 1c 1 4c 1 3c 1 2c 1 10 至天线2 c 6 3c 6 2c 6 1c 2 4c 2 3c 2 2c 2 100至天线3 c 7 2c 7 1c 3 4c 3 3c 3 2c 3 1 000 至天线4 图2 7 对角分层空时码原理 垂直分层空时码就是将并行信道编码器的输出按垂直方向进行空间编码， 其编码原理如图2 8 所示。由图中可知，信道编码器l 开始输出的个码元排 列在第一列，信道编码器2 开始输出的个码元排列在第二列。一般来说，信 道编码器f ( f = 1 ，2 ，) 输出的第批个码元排列在第f + u 一1 ) 列上。编码 后的码元按列由个天线同时发送到信道。 c 4 4c 4 3 c 4 2c 4 1c 0 4c 0 3c 0 2c 0 1 至天线1 c 5 4c 5 3c 5 2c 5 1c 1 4c 1 3c 1 2c 1 1 至天线2 c 6 4c 6 3 c 6 2c 6 1c 2 4c 2 3c 2 2c 2 1 至天线3 c 7 4