（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统信道估计方法的研究及其在ieee+80216a协议中的应用.pdf

南京邮电学院硕士论文 摘要 摘要 f 交频分复用( 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 ，o f d m ) 技 术支持高速数据传输、并且具有抗多径信道干扰以及频谱利用率高等优点。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 ) 技术由于能有效利用多径 衰落，巨大地提高系统容量和频带利用率因此这二者的结合也必将成为下一代 移动通信系统的核，心技术之一。信道估计是相干检测的m i m o o f d m 系统的重要组 成部分。本文主要研究了m i m o o f d m 系统的信道估计方法，将其应用于i e e e 8 0 2 1 6 a 系统中，寻求适用的、性能优良且实现简单的信道估计器。 论文首先介绍了0 f d m 系统的基本原理及其实现，给出了o f d m 的系统组成及 系统模型。接下来，详细研究了空时分组码特别是币交空时分组码的编解码算法， 并研究了i e e e8 0 2 1 6 a 协议中推荐的空时分组编码方案，将8 0 21 6 a 的频率选择 性慢衰落信道中o f d m 和空时分组码相结合。为了更好地提高系统性能，本文 对协议中的空时编码方案进行改进，提出将协议中所提出的单接收机两天线发送 分集的情况扩展到多发多收的情况。在多发多收的情况下，本文根据实际需要构 造合适的难交空时分组码，并采用最大似然算法进行检测。然后，简要地介绍了 宽带无线接入( b w a ) 协议8 0 2 1 6 a ，对相应的固定和移动环境下的无线信道进 行了讨论和建模，并根据协议中o f d m 方式物理层具体参数的定义及信道模型， 搭建了m i m o o f d m 系统软件仿真平台。之后，将最小二乘( l s ) 、线性最小均方 误差( l m m s e ) 及最大似然( m l ) 估计方法应用于m i m o o f d m 系统，并对其在s u i 一3 信道下的误比特率( b e r ) 及均方误差( m s e ) 性能分别进行了仿真，比较分析了 结果。 南京邮电学院硕卜论文 a b s t r a c t a b s t r a c t o n 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 ( o f d m ) h a sb e e nc o n s i d e r e da s t h ep r o m i s i n gt e c h n o i o g yd u et oi t sh i 曲r a t et r a n s m i s s i o nc a p a b i l i t yw “hh 谵h b a n d w i d t he 伍c i e n c ya n di t sr o b u s t n e s s t o m u l t i p 砒ld e l a y m u l “p l e i n p u t m u l t l p l e - o u t p u tt e c h n 0 1 0 9 yc a ni m p r o v et h ec o m m u n i c a t i o nc a p a c i t ya n dq u a l i t yo f m o b i l ew i r e l e s ss y s t e m sm i m o 一0 f d mh a sb e e nc o n s i d e r e da so n eo ft h ek e y t e c h n o l o g i e so fn e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s c h a n n e le s t i m a t i o n i sa ni m p o r t a n tp a nf o rm i m o o f d ms y s t e m sp e r f o 咖i n gc o h e r e n td e t e c t i o n i nt h i s t h e s i s ，w ef o c u so nt h es t u d yq fc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d si nm i m 0 - o f d m s y s t e m s ，a n d 印p l yt h e mt oi e e e8 0 2 16 am i m o - o f d ms y s t e m s ，s e e k i n ge s t i m a t o r s w i t hb e t t c rp e r f o r m a n c ea n dl o w e rc o m p l e x i t y f i r s t l yi nt 1 1 i st h e s i s ，t h eb a s i cp r i n c i p l ea t l dr e a l i z a t i o no f0 f d ms y s t e m sa r e i n t r o d u c e db r i e f ly a n dt h es y s t e mc o n s t r u c t i o na n ds y s t e mm o d e la r ed e s c r i b e d t h e n ， t h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n ga r i t h m e t i co fo r t h o g o n a ls t b ca n dt h es p a c e - t i m e c o d i n gs c h e m et h a th a sb e e nr e c o m m e n d e di ni e e e8 0 2 16 ap r o t o c 0 1i si n v e s t i g a t e d i ns t e a do fu s i n gt w t r a n s m i t t i n ga n t e n n a sa n do n er e c e j v i n ga n t e n n ap r o p o s e di n 8 0 2 16 ，a m u l t i i n p u ta n dm u l t i o u t p u ts c h e m ei ss u g g e s t e di n t h i st l l e s i s t h e o r t h o g o n a ls t b ci sc o n s t r u c t e da n dm a x i m u m - l i k e i i h o o da l g o r i t h mi su s e di nt h e n e ws c h e m e a f t e rt h a t ，b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ( b w a ) p r o t o c o li e e e8 0 2 1 6 ai s i n t r o d u c e d r e l e v a n tf i x e da n dm o b i l ew i r e l e s sc h a n n e l sa r ed i s c u s s e d s o n w a r e s i m u l a t i o np l a t f o r mi ss e tu pa c c o r d i n gt ot h eo f d mp a r a m e t e r sd e f i n e di nt h e p r o t o c 0 1 f i n a l ly ，w ea p p l yc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d ss u c ha sl e a s t - s q u a r e ( l s ) ， i i n e a rm i n i m u mm e a n s q u a r e de r r o r ( l m m s e ) a n dm a x i m u ml i k e l i h o o d ( m l ) t o m i m 0 o f d ms y s t e m ，w i t hs u i - 3c h a n n e lm o d e l c o m p a r i s o n so fb i te r r o rr a t e ( b e r ) a n dm e a ns q u a r ee r r o r ( m s e ) p e r f o r m a n c ea r eg i v e n ，a n dw ed r a ws o m e c o n c l u s i o n sa tt h ee n do ft h j st h e s i s 南京邮电学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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 含为获得南京邮电学院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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：妞日期：到 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授极 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名：日期： 南京邮也学院硕i ：论文结论 第一章绪论 由于传输媒质多径衰落和信道干扰使得在无线环境下进行可靠通信变得很 困难。为了改善其性能，除纠错编码和均衡等技术之外，还可以进一步开发空间 资源。在发送端和接收端，利用多个天线实现多发多收，这样就能实现高的通信 容量和频谱利用率，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。多天线发送技 术之一是空时编码技术，本质上是空问分集与时问分集技术的结合，而多天线另 一技术是天线阵列，可实现波束成形。本文研究空时编码技术在】e e e 8 0 2 1 6 a 中 应用。 1 1 空时编码与多天线正交频分复用技术 当前空时编码( s t c ) 技术在无线通信领域引起了广泛关注，空时编码的概念 是基于w i n t e r s 在2 0 世纪8 0 年代中期所做的关于天线分集对于无线通信容量的 重要性的丌创性工作 1 。9 0 年代s t a n f o r d 的r a l e i g h 和c i o f f i 、瑞士a s c o m 的w it t n e b e n 进一步奠定了空时码的基础；最近几年来，l u c e n tl a b s 的f o s c h i n i 和g a n s ，a t t 的t a r o k h 及其同事们在这方面作了关键性工作，率先提出了空时 编码的概念。空时编码的有效工作需要在发射和接收端使用多个天线，空时编码 同时利用时问和空问两维来构造码字，有效抵消衰落，提高功率效率。需要说明 的是，空时编码技术因为属于分集的范畴，在多散射体的多径情况下应用，天线 阳j 距应适当拉丌以保证空b j 信道与信道削的相互独立性。 o f d m ( 币交频分复用) 技术实际上是m c m ( m u l t i c a r r j e rm o d u l a t i o n ，多 载波调制) 的一种 3 。其主要思想是：将信道分成若干萨交子信道，将高速数 据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。正交信号可 以通过接收端采用相关技术柬分丌，这样可以减少子信道之阳j 的相互干扰( i c i ) 。 每个子信道上的信号带宽小于信道的相干带宽因此每个子信道上可以看成平坦 性衰落，从而可咀消除符号| 日j 干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带 宽的小部分，信道均衡变得相对容易。可见，o f d m 技术能够有效对抗多径干 扰与频率选择性衰落，并具有频谱利用率高，成本偏低等优点。随着高速无线局 域网和第四代移动通信概念的提出，o f d m 技术已成为继c d m a 后的技术热点， 南京邮电学院硕士论文绪论 并可能成为4 g 主要的调制标准。 不过o f d m 提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在o f d m 的基础上合理开 发空间资源，也就是多天线o f d m 【4 】，可以提供更高的数据传输速率。另外o f d m 由于码率降低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时 延小于保护间隔，所以系统不受码问干扰的困扰。 在实际中，许多无线信道是频率选择性衰落的，空时编码的设计将变得非常 复杂，而o f d m 技术可将频选衰落信道分成许多并行的平衰落信道，这将降低空 时编码的复杂度。将空时编码技术和0 f d m 技术结合在一起，充分发挥各自的 性能特点，从而提高系统的总体性能。并且，0 f d m 系统加空时编码技术能在不增 大发射功率和不扩展频带前提下实现高速数据传输，是空间资源利用的结果，这 必将有效地满足未来无线移动通信对高数据率传输的要求。 1 2 空时分组码的提出 1 9 9 6 年g j f o s c h i n i 提出了在无线通信中采用多元天线构造的分层空时 结构，1 9 9 8 年v t a r o k h 等人在此启发下，首先提出空时码( s t c ) 的概念，信 号在时间和空间域上都引入了编码，这就称为空时码。 空时编码方案结合了信道编码和多发送天线，通过空时编码后的数据被串并 转换成n 个数据流，每一路数掘流经脉冲形成、调制，然后通过n 个天线同时发 送到无线空间。在接收端，可以用单一天线，也可以用多个天线进行接收，每一 个接收天线接收到的是n 个发送信号与干扰噪声线性的叠加，然后通过最大似然 检测的方法，f 确地识别出发送信号。空时译码算法和信道估计技术结合以获得 分集增益和编码增益。 空时码可分为分层空时编码( b l a s t ) 、空肘格形码( s t t c ) 和空时分组码 ( s t b c ) 。v t a r o k h 提出的空时格形码由格状编码调制实现。空时格形码的优 点是性能较好，抗衰落能力较强，缺点是编码时搜索好码比较困难，译码过程也 比较复杂。 1 9 9 8 年，a l a m o u t i 首次提出了使用两个天线发射的空时分组码 5 ，该方案 可以获得最大分集增益和最大传输速率，是一种简单而有效的编码方案。t a r o k h 等人运用正交设计理论将 l a m o u t i 方案推广到多个发射天线的情况 6 ，7 。证明 了对于复信号，可以同时获得最大分集增益和最大传输速率的正交设计仅在发射 南京邮电学院硕 。论文绕论 天线数等于2 时存在，而当发射天线数大于2 时则不存在。为此，一些文献中提 出了准正交或非正交空时分组码 8 ，9 。它们以牺牲正交性和部分分集增益为代 价来获得更高的传输速率。但由于编码的非正交在检测矩阵中引入了白干扰项， 使得接收端不能实现线性解码。 根据j 下交设计理论的s t b c 无时间冗余，不能获得编码增益，却具有较低的 译码复杂度，利用最大似然译码算法即可，而且还可能得到最大的发射分集增益。 空时分组码可以实现与最大比合并( m r c ) 接收机相同的性能。 空时分组码可以应用到很多地方，本文的重点就是研究空时分组码在 8 0 2 1 6 a 宽带无线接入协议中的应用，这在下面的章节中将详细阐述。 1 - 3 本论文的组织结构 本文主要研究了分组空时码及其在8 0 2 1 6 a 协议中的o f d m 系统中的应用， 并且提出了改进方案，进而研究m i m o 一0 f d m 系统的信道估计方法，进行了一系列 仿真。 论文具体内容安排如下： 第一章为绪论，阐述了空时码和多天线0 f d m 的概念和技术，并对分组空时 码的发展和优缺点做了简单的介绍。 第二章介绍了o f d m 和m i m o 技术的原理，分析了将m i m o 和o f d m 技术结合起 来的优点。 第三章介绍了几种不同的空时编码，重点分析了空时分组码，将频率选择性 慢衰落信道中8 0 2 1 6 ao f d m 和空时分组码相结合。并根据需要，对协议中的空 时编码方案进行了改进，将协议中所提出的单接收机两天线发送分集的情况扩展 到多发多收的情况。最后通过一系列仿真，将各种隋况进行比较，表明了改进方 案的优势。 第四章简要地介绍了8 0 2 1 6 a 标准，并对相应的信道模型进行了讨论，为文 中仿真平台的建立提供了基础。 第五章从导频信号的选择出发，着重研究了目前提出的一些导频辅助的信道 估计方法。 第六章将l s 、l m i m s e 及m l 等信道估计方法应用于8 0 2 1 6 am i m o _ o f d m 系统。 并对s u i 一3 信道下，这些信道估计方法的b e r 及m s e 性能分别进行了仿真。比较 南京邮 b 学院颂i j 论史结论 分析了结果。并得出了一些结论。 第七章总结全文并提出了下一步工作的展望。 在本论文中，上标( ) + ，( ) 7 ，( ) “分别表示复数的共轭、转置和共轭转置。 o 表示卷积。 南京邮电学院颤i ：论文 多天线o f d m 技术 第二章多天线o f d m 技术 新一代移动通信( b e y o n d3 g 4 g ) 将可以提供的数据传输速率高达 1 0 0 m b i t s ，甚至更高，支持的业务从语音到多媒体业务，包括实时的流媒体业 务。数据传输速率可以根据这些业务所需的速率不同动态调整。新代移动通信 的另个特点应是低成本。在有限的频谱资源上实现高速率和大容量，需要频谱 效率极高的技术。m i m 0 技术可充分丌发空间资源，利用多个天线实现多发多收， 在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以提高系统容量。o f d m 技 术是多载波传输的一种，其多载波之间相互正交，可以高效地利用频谱资源，另 外，o f d m 将总带宽分割为若干个窄带子载波可以有效地抵抗频率选择性衰落。 因此充分丌发这两种技术的潜力，将二者结合起来可以成为新一代移动通信核心 技术的解决方案，下面详细介绍这两种技术及其二者的结合方案。 2 10 f d m 技术 o f d m 由大量在频率上等问隔的子载波构成( 设共有n 个载波) ，各载波可用同 一种数字调制方法，或不同的载波使用不同的调制方法将高速串行数据分成多路 并行的低速数据，加以调制。所以0 f d m 实际上是一种并行调制，将符号周期延长 n 倍，从而提高了抗多径衰弱的抵抗能力。在传统的频分复用中，各载波的信号 频谱互不重叠，频带利用率较低。在o f d m 系统中，各子载波在整个符号周期上是 乖交的，即加于符号周期上的任何两个载波的乘积等于零因此各子载波信号频 谱可以互相重叠，大大提高了频带利用率。 图2 一l 所示为频分复用( f d m ) 信号频谱与( o f d m ) 信号频谱的比较。 0 ，加：正交囊分复用，d ：囊分蔓用 图2 一】f d m 竹v 额讲。j o f d m 竹叶频讲的比较 o f d m 的工作原理 1 0 ，1 1 ，如图2 2 ，输入数据信元，经过串并转换后，分 成多个并行的予数据流，在每个子数据流中的若干个比特分成一组，每组的数目 南京邮电学院硕l ：论义 多天线o f d m 技术 取决于对应子载波上的调制方式，如q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 等。并行的子数据信 元编码交织后进行i f f t 变换，将频域信号转换到时域，i f f t 块的输出是n 个时 域的样点再将尾部长为lp 的数据加到n 个样点前( 形成c p 即循环前缀) ，构 成循环扩展的o f d m 信元，因此，实际发送的o f d m 信元的长度为lp + n ，经过 并串转换后发射。接收端接收到的信号是时域信号，此信号经过串并转换后移 去c p ，如果c p 长度大于信道的记忆长度时，i s i 仅仅影响c p ，而不影响有用数 据，去掉c p 也就去掉了i s i 的影响。 发 收 f f l ：伙速傅、r 叫蹙 雯i f f t ：逆快速傅、：叶殳换 | 兰| 2 2 0 f d m l _ 仵燎理| 玺| 0 f d m 技术之所以越来越受关注，是因为o f d m 有很多独特的优点 1 2 ： ( 1 ) 频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近倍。这一点在频谱资源有限 的无线环境中很重要。o f d m 信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱利 用率可以接近n y q u i s t 极限。 ( 2 ) 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强，由于o f d m 系统把数据分散到许多个 子载波上，大大降低了各子载波的符号速率，从而减弱多径传播的影响，若再通 过采用加循环前缀作为保护间隔的方法，甚至可以完全消除符号间干扰。 ( 3 ) 采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。通过选取各子信道的 每个符号的比特数以及分配给各子信道的功率，使系统总比特率最大。即要求各 子信道信息分配应遵循信息论中的“注水定理”，亦即优质信道多传送，较差信 道少传送，劣质信道不传送的原则 ( 4 ) 基于离散傅立叶变换( d f t ) 的0 f d m 有快速算法，0 f d m 采用i f f t 和f f t 来实 现调制和解调易用d s p 实现。 ( 5 ) 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大 南京邮电学院硕上论文 多天线o f d m 技术 于上行链路中的数据传输量。因此无论从用户高速数据传输业务的需求，还是从 无线通信自身来考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输。而o f d m 容易通过 使用不同数量的子信道柬实现上行和下行链路中不同的传输速率。 当然，o f d m 还存在一些缺点，如易受频率偏差的影响，存在较高的峰值平均 功率比( p a p r ) 等。 目前，o f d 结合空时编码、分集、干扰( 包括符号问干扰和邻道干扰) 抑制 以及智能天线技术，最大程度地提高物理层的可靠性。如再结合自适应编码以 及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术，性能可进一步优化。 2 2m i m o 技术 m i m o ( 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 ) 技术最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年 提出的，是第三代和未来移动通信系统实现高数据速率、高系统容量，提高传输 质量的重要途径。在第三代移动通信系统中，下行链路的容量构成了整个系统的 瓶颈。由于诸多业务对上下行链路容量要求的不对称性，尤其对下行容量有很高 的要求，如视频多媒体、下载等业务。在传输带宽一定的条件下，这无疑给第三 代移动通信系统提出了难题。但是如果在发送端和接收端都使用多天线( 即m i m o 系统) ，此时的信道容量将随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用 m i m 0 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频 谱利用率可以成倍地提高。 无线m i m o 信道与s i s o ( s i n 9 1 ei n p u ts i n 9 1 eo u t p u t ) 信道相比，有着惊人 的容量。这表明下行链路容量的瓶颈问题可以通过在基站和移动台都使用多元天 线阵列，即利用空问分集或空i 日j 相关的方式柬解决。采用这种传输方案，可以获 得线性增加的信道容量，而通常采用接收分集或者没有分集的s i s 0 系统的信道容 量是对数增加的。mr m 0 系统之所以可以获得如此高的带宽效率，是因为考虑在有 丰富的散射( 没有l o s ，l i n eo fs i g h t ) 的环境中，从不同天线发送的信号到达 接收端所经历的衰落是不相关的。 在室内，电磁环境较为复杂，多径效应、频率选择性衰落和其他干扰源的存 在使实现无线信道的高速数据传输比有线信道困难。通常多径效应会引起衰落， 被视为有害因素。然而研究结果表明，对于m i m 0 系统来说。多径效应可以作为一 个有利因素加以利用。m i m o 系统在发射端和接收端均采用多天线( 或阵列天线) 南京邮电学院硕f ：论文多天线o f d m 技术 和多信道。m i m o 的多输入多输出是针对多径无线信道来说的。图2 3 所示为m i m o 系统的原理图 1 3 。传输信息流s ( k ) 经过空时编码形成m 个信息子流c 。( k ) ， f - 1 m ，这m 个子流由m 个天线发射出去，经空间信道后由n 个接收天线接收， 多天线接收机利用先进的空时解码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现 最佳的处理。这m 个信息子流同时发送到信道。各发射信号占用同一频带，因而 并不增加带宽。若各发射接收天线问的通道响应独立，则m i m o 系统可以创造多个 并行空间信道，通过这些并行空间信道独立地传输信息，使得数据传输率得以提 高。可见，m i m o 将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现 高的通信容量和频谱利用率，这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对 消处理。 空 时 编 码 c ( t )i ( 女) 天线阵 c ，( 女)r 肚) 空 时 解 码 s ( k ) ：传输信息流c ( k ) ：发送信息子流“k ) ：接收信息子流 图2 3m i m 0 系统的原理图 图2 4 则是一个基本的m i m o 的信道模型 1 4 ，采用m 个发送天线，n 个接 收天线，设 。为第f 个发送天线到第个接收天线之间的复信道增益( c h a n n e l g a i n ) 。为m 的信道矩阵。 向1 1 l n t x丫 鲰v 一 n尸 一 图2 4m i m 0 的信道模型 v陬、 l v ： l + 丫 棚r x l _ 南京邮电学院硕i 。论文 多天线o f d m 技术 h = 1 1啊2 2 l 2 2 啊。 2 h u h m2 h m v 利用m i m o 技术既可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低 误码率。前者是利用m i m 0 信道提供的空阳j 复用增益，后者是利用m i m o 信道提供的 空间分集增益。实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的b l a s t 算法、z f 算 法等。z f 算法简单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂度最优 的就是b l a s t 算法。该算法实际上是使用z f 算法加上干扰删除技术得出的。而目 前m i m o 技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有分层空时码、空 时分组码、空时格状码，具体的在下面的章节中加以详细介绍。 2 3m i m 0 与0 f d m 的结合 目前解决m i m o 系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有 一种是利用o f d m 。多数研究人员认为o f d m 技术是4 g 的核心技术，4 g 需要极高 频谱利用率的技术，而0 f d m 提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在o f d m 的基 础上合理丌发空间资源，也就是m i m o + 0 f d m 可以提供更高的数据传输速率。另 外o f d m 由于码率低和加入了时削保护川隔而具有极强的抗多径干扰能力。图2 5 和图2 6 给出多天线0 f d m 系统的方案 1 3 。 串井 橱刮竺雕f 幽2 5多天线0 f 嗍发送方案 南京哪f 乜学院颂l ：论殳霉天线0 f d m 技术 2 4 本章小结 图2 6 多天线0 f d m 接收方案 世界各国和各大电信厂商目前都已经开展了新一代移动通信系统的研究，而 且由于m i m o 和o f d m 在提高无线链路的传输速率和可靠性的巨大潜力，使得这两 种技术特别是二者的结合有望成为过渡到4 g 的潜在技术。因此这两种技术已经 成为目前4 g 研究的热点。 目前m r m 0 技术的应用领域还主要是在固定无线接入。i e e e8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l g 都是以o f d m 作为核心技术，而i e e e8 0 2 1 6 系列以m i m o + o f d m 技术为核心。因 此多天线o f d m 技术是本文研究的基础，本文所研究的空时分组码是应用在多天 线0 f d m 技术中的。 南京咖i 乜学院坷论文 窄时编码的研究 第三章空时编码的研究 在移动通信系统中，多径衰落是一个影响无线传输可靠性的非常重要的问 题。在大多数散射环境中，天线分集( 即空间分集) 是减小多径衰落的一种实用的、 有效的方法，因而在无线通信系统中被广泛采用。传统的天线分集的方法是使用 多个接收天线，也就是接收分集方法，这种方法适合于上行链路。在基站使用多 个发射天线的分集称为发射分集。随着对无线通信性能要求的提高，使用空时编 码的发射分集受到了格外的重视。 3 1 空时编码概述 空时编码在不同天线所发送的信号中引入时间和空间的相关性，从而不用牺 牲带宽，就可以为接收端提供不编码系统所没有的分集增益和编码增益。空时编 码的基本工作原理如下 1 5 ：从信源给出的信息数据流，到达空时编码器后，形 成同时从许多个发射天线上发射出去的矢量输出，称这些调制符号为空时符号 ( s t s ) 或者空时矢量符( s t v s ) 。空时编码的系统实现框图如图3 1 所示。 码。 l2 。0 q l 空时码字 i bo o j ，v 个发射l 个空时个接收 天线矢量符 天线 i 呈| 3 一l 市时编码系统实现框l 鳘| 码 散据 目前提出的空时编码方式主要有分层空时编码、空时格栅编码和空时分组编 南京帅i u 学院硕i 论文卒时编码的研究 3 1 1 分层空时编码 多伍匝h 圃 路 雹叵h 圃 分 解 器腰亘h 圃 发送端 空 _ 1 堡塑h 堡塑卜_ 时 复 信血堕h 曰 用 号 器 检 r 丽n r 郦 测 接收端 | 釜l3 一zb l a s t 编屿糸缓圈 贝尔实验室提出的分层空时编码( b l a s t ) ( 如图3 2 ) 是一种空时编码结构。 假设m 个发射天线，n 个接收天线的系统，分层空时结构 1 6 首先将原始信息比 特分解成m 个并行的数掘流( 称为层) 送入不同的编码器，信道编码是分组编码 或卷积编码。再将编码器的输出进行调制信号映射。输出的m 路调制信号进行空 间域和时间域的信号构造。根据构造的方式的不同可分为对角结构( d b l a s t ： d i a g o n a lb l a s t ) 和垂直结构( v b l a s t ：v e r t i c a 卜b l a s t ) 1 7 ，所有的数据 在同一个频段内传输，所以带宽效率非常高。接收机则使用个波束形成空间分 离器( 迫零准则或最小均方误差准则) 来分离不同的编码数据流，然后将数据送 入不同的解码器，解码器的输出再重新组合建立原始的信息比特流。这样，无线 通信中不可避免的多径，反而提供了并行的信道，提高了数掘传输速率。与通常 的系统相反，越多的多径信道，就能传输越高的数据速率。 需要指出的是如果不使用信道编码，单纯分层空时结构并没有在空间域和时 间域形成编码冗余度。 3 1 2 空时格栅编码 格彤编蚂 支之缀 爨 解 调 器 息比特 输出 幽3 3s t t c 编蚪系统幽 空时格栅编码( s p a c e t i m et r e l l i sc o d e s ) ( 如图3 3 ) 将发射分集和信 1 2 - 南京邮1 u 学院坝i 论殳 窄时编码的研究 道编码调制( t c m ：t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ) 相结合的编码方式，最初是由 a t t 实验室的t a r o k h 等人提出 2 ，它能够充分利用多发送天线的空间分集和 信道编码及交织的时间分集，提高频带利用率。 包如：0 00 1 乜也：i ol i 6 1 6 2 ：2 02 l 岛6 2 ：3 03 1 0 2 0 3 1 2 1 3 2 2 2 3 3 23 3 输入： o l232 2 天线l ：00 l23 2 灭线2 ：0 l23 2 2 | 芏i3 4 偌栅峭骊蚂小总| 墨| 空时格栅编码原理可以用格栅图束表示。以q p s k 调制4 状态空时格形码为 例，假定使用两根发射天线。图3 4 画出了s t t c 的q p s k 星座图和格栅图表示。 6 乱分别表示从两个天线发射出去的字符。 具体编码过程如下：设编码器初始状念为o ，输入字符为( 0 1 ，1 0 ，1 1 ，1 0 ，l o ) 。 由于编码器初始状态为0 ，发送的第一个比特为1 ，从格栅图看出，这对应于格 栅图中从状态o 出发的第2 条线，下一时刻的状态转移到了1 ，编码器的输出是 左边的0 1 ，也就是说，天线l 发送o ，天线2 发送1 ；发射的第二个比特为2 ， 这对应于格栅图中从状态1 出发的第三条线，编码器的输出是左边的1 2 ，即天 线l 发送1 ，天线2 发送2 ；发射的第三个比特为3 ，这对应于格栅图中从状念2 出发的第四条线，编码器的输出是左边的2 3 ，即天线1 发送2 ，天线2 发送3 ， 依次类推，可以得到( 叭，1 2 ，2 3 ，3 2 ，2 2 ) 天线l 上的发送符号为：( 0l232 ) 天线2 上的发送符号为：( 12322 ) s t t c 建立了空域( 发送天线) 中的信号和时域( 连续时问) 中的信号的内 在联系提供最大可能的分集增益和编码增益，不会牺牲发射带宽。接收机是基 于信道衰落系数估计和m l ( m a x i m u m “k e l i h o o d ) 的v i t e r b i 译码或者是最大后 验概率m a p 译码，当天线数目固定时，译码复杂度随发射速率呈指数增加，显 得不太实用。为了克服空时格栅译码过于复杂的缺陷a l a m o u t i 于1 9 9 8 年发明 了使用两个天线发射的空时分组编码。 3 1 3 空时分组编码 为了减少s t t c 译码的指数复杂度，a 1 a m o u t i 5 提出了一个简单的发送分集 1 3 - 南京邮f u 学院坝l ：论窄时编码的研究 方案。s t b c 把输入符号的分组映射到空域和时域，产生正交序列，通过不同的 发送天线发送。它具有很低的译码复杂度，利用传统的最大似然译码算法即可译 码，这种算法基于线性处理。而且还可以获得与最大比合并接收( m a x i m a lr a t i o c 0 m b i n e ，m r c ) 相同的分集增益。因此，它易于在基站上实现。 星座图映射 o s t b c 编码器 j k “r 翻 l c 2 c ij 图3 5s t b c 编码结构图 图3 5 是一个使用两个发射天线的s t b c 的发射分集系统。空时分组编码器 的输入字符即信息源被分为两组，每组为两个字符。在第一个字符时间内，每组 的两个字符 c 。c2 同时从两个天线发送。在下一个字符时间内，信号 一c ：+ c + 同时从两个天线发出。 输入空时编码器的字符首先被两两分为一组。s t b c 采用正交理论设计，编 码矩阵为： c = 鬈 t ， l c 2 c ij 满足c c ”= 巩，式中y = 川2 + + h l2 ，而，。是单位阵。 s t b c 提供较为简单的方式获得发送分集，不牺牲带宽，不用大量复杂的运 算，允许简单的信号编码译码处理。s t b c 可以提高数据在无线应用中的速率和 容量，这就是它在第三代移动通信系统中越来越重要的原因。这罩我们仅以两个 发射天线编码的情况来说明，s t b c 可被推广到多个天线中应用。 3 2 空时编码的比较 分层空时码和基于发射分集的空时码在空间分集增益、频谱效率、译码性能、 译码复杂度、最适于何种信道环境和对接收天线的要求等方面都有所不同。 因为分层空时码不是基于发射分集的，所以它并不能利用多发射天线提供额 外的空间分集增益；空时格栅码和基于m 交理论的空时分组码都可以利用发射分 南京邮电学院颂十：论文窀时编码的研究 集提供额外的空间分集增益，而且通过设计可以使采用n 个发射天线和m 个接收 天线的系统实现最大的空| l b j 分集增益n m 。 分层空时码和空时分组码的译码复杂度都比空时格栅码低，虽然空时格栅码 的译码复杂度较高，但是它可以实现性能与译码复杂度( 仅根据格栅图中状念数 作为衡量标准) 之间的最佳平衡。 分层空时码对信道环境的要求一般为室内环境：而基于发射分集的空时码对 信道环境无特别要求。 分层空时码对接收天线的要求时其数目不少于发射天线的数目；而基于发射 分集的空时码对接收天线也无特别要求。 由于空时格栅考虑了前后输入的关联，所以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，它比空时分组码应具有更好的性能。但是，对于发 射天线数固定的空时格栅编码而言，其译码复杂度与发射数据的速率成指数关 系。而根据正交设计理论的空时分组码无时叫冗余，不能获得编码增益，却具有 较低的译码复杂度，利用最大似然译码算法即可，而且还可能得到最大的发射分 集增益。空时分组码可以实现与最大比合并( m r c ) 接收机相同的性能。 总之，上述3 种空时编码各有其优缺点，我们可以根据特定的条件选择合适 的编码，在8 0 2 1 6 a 协议中所提到是空时分组码，所以本文重点对空时分组码进 行研究。 3 3 空时分组码的编码 3 3 1 传输模式 空时编码是将空i i 白j 域上的发射分集和时间域上的信道编码相结合的联合编 码技术。空时分组编码( s t b c ) 方案是空时编码技术的一种，可以提供满分集增 益提高带宽效率，增强系统性能。这罩首先介绍一下空时分组码的传输模式。 考虑一个无线通信系统，有n 个发射天线，m 个接收天线。在每个时隙t ， 信号一，f = l ，2 ，竹，被n 个发射天线同时发送。假设到达不同接收天线的信号经 历独立的衰落，接收天线接收的信号是来自n 个发射天线的衰落信号与噪声的叠 加，衰落在长度为l 的帧内保持不变，在帧与帧之间随机变化( 即准静态平坦衰 南京邮电学院硕士论文 窄时编码的研究 落) 。相关系数a j ，是第i 个发射天线到第j 个接收天线的路径增益，它的每 一维服从均值为0 ，方差为o j 的独立复高斯随机变量。那么在时刻t ，在第j 个接收天线接收的信号为f l = q ，c + 彬 ( 3 2 ) 仁l 其中噪声变量研。为每一维服从均值为o ，方差为1 2 s n r 的独立复高斯随机过程。 假设存在一个最佳的信道模型，则帧长为1 的一组码字c f c c ? c ：c ；。知c j c 御 要按照某种规则来设计，以使接收端的估计判断矩阵( 下式) 的和最小 7 。 ，卅ln1 2 阿一q ，l ( 3 - 3 ) f _ l = l ，= i 3 3 2 基于正交理论的分组空时码的实正交设计 3 3 2 1 简单的实正交设计 一个以c ，c ：，矗为基本变量的简单实i f 交设计被定义为具有如下特点的一 个矩阵：该矩阵是一个n 的方阵；该矩阵的元素形式为：o ，托，巳，气；该矩 阵的第一行可以不失一般性得被假定为q ，c ：，c 。 相应的空时分组编码器将每n 个调制符号映射为一个如上述月”的实j 下交 矩阵，矩阵中处于同一行的信号将从n 个天线被同时发射矩阵中处于同一列的 信号将在n 个连续的时隙例从同一个天线被发射。这种简单的实正交设计能够实 现最大的空间分集增益n m 。 文献 1 9 中指出：在实现最大空削分集增益n m 的同时，如果调制星座具有2 6 个元素，那么基于发射分集的空时编码方案可能获得的最大的比特数据率是b b i t s 。因为空时分组编码方案中的码符号全是由信息比特构成，所以可以说： 空时分组编码方案可能获得的最大的符号数掘率是ls y m b o l s 。显然，简单实 币交设计都能够实现最大的数据率。 考虑到在发射端应用线性处理技术的可能性，一个以c ，c ：，巳为基本变量 的简单的线性处理实正交设计被定义为具有如下特点的一个月n 的矩阵e ：矩阵 e 的元素为变量c 。，岛，巳的实线性组合；e 7 = d ，d 是一个对角矩阵，其对角 线上的第( f ，f ) 个元素为( 和卜咖；+ 十以) ，系数吖，疋，为严格的正整数。 南京邮i 也学院硕i 。论j ：( = 空时编码的研究 3 321 推广的实正交设计 定义推广的实j 下交设计如下：当系统采用实数调制星座时，空时分组码的编 码器将每k 个实信号c ，( _ l ，女) 映射为个p n 的正交矩阵g ，矩阵g 的元 素形式为：o 奶，蝇，q 。矩阵g 中处于同一行的信号将从n 个天线被同时发射， 矩阵g 中处于同一列的信号将在p 个连续的时隙里从同一个天线被发射。根据文 献 1 9 中对t h e o r e m 3 2 1 的证明可知这种诈交设计可以实现最大的空间分集增 益n m 。 f