（通信与信息系统专业论文）mimombofdm+uwb系统编、解码方案研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 本文首先在传统o f d m 基础上，介绍了m b o f d mu w b 系统的框架结构，其次在o f d m 系统空时编解码方案的基础上提出了基于m b o f d mu w b 系统的优化解码方案，并提出了基 于跳频的m b o f d mu w b 系统的空时频编码方案，主要分析了s t f 编码的m b o f d mu w b 系 统的分集增益和系统性能，得出的结论得到了仿真结果的验证。最后通过仿真得出空时编码 的m i m o m b o f d mu w b 系统在标准u w b 信道模型下，联合使用信道编码和空时编码时性能 比不使用信道编码的系统性能要好，在信噪比较小的情况下，c m 2 ，c m 3 信道下系统性能相当。 在c m 4 信道条件下，系统性能相对最差，在c m l 信道条件下，系统性能相对最好。 s t c m b o f d mu w b 系统可获得的最大分集增益为收发天线数和可分离的多径信道数的乘 积。文中基于普通空时编码的新的解码方案及其实现方式降低了系统和算法的复杂度。空时 频编码的m 1 m o m b o f d mu w b 系统利用跳频技术，在空时编码的基础上，进一步挖掘了系 统的频域分集增益。不考虑信道的时域相关性，s t f m b o f d mu w b 系统可达到的最大分集 增益为联合编码的o f d m 符号块数，收发天线数和可分离的多径数的乘积。系统在n a k a g a m i m 衰落条件下，所得的分集增益大小与m 无关，与瑞利衰落条件下所得的分集增益几乎相同。利 用跳频技术，对空域，时域，频域联合编码，充分挖掘了系统的空域，时域，频域的分集增 益，分集增益大大提高，系统性能大大提高。 南京邮电大学硕：e 研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，a c c o r d i n gt ot h ei e e e 8 0 2 15 3 as t a n d a r d ，w ep r o p o s eag e n e r a lf r a m e w o r k f o rt h em b - o f d mu w b s y s t e ma f t e ri n t r o d u c i n gt h et r a d i t i o n a lo f d m m i m oi sa p p l i e di n m b o f d mu w b s y s t e ma n da no p t i m i z e ds p a c e - t i m ed e c o d i n gs c h e m ei sp r o p o s e d t h e n s t fc o d i n gs c h e m eb a s e do n1 j r e q u e n c yh o p p i n gi sd i s c u s s e di nm b o f d mu w b s y s t e m n e x t t h es y s t e md i v e r s i t yg a i na n dp e r f o r m a n c eo ft h es t fc o d e dm b - o f d mu w bs y s t e mi s a n a l y z e da n dt h ec o n c l u s i o ni s i na c c o r d a n c ew i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h e n ，t h r o u g h s i m u l a t i o n ，w ed i s c o v e rt h a tu n d e rt h es t a n d a r du w bc h a n n e lm o d e l ，c h a n n e lc o d e d s t - m b - o f d mu w b s y s t e mh a st h eb e s tp e r f o r m a n c e w h e ns n r i sl o w e r , t h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mu n d e rc m 2a n dc m 3d o e s n tv a r ym u c h t h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mu n d e rc m 4 i st h ew o r s tw h i l eu n d e rc m1i st h eb e s t t h em a x i m u ma c h i e v a b l ed i v e r s i t yg a i no ft h e s t c - m b o f d muw bs y s t e mi st h ep r o d u c to ft h en u m b e ro ft r a n s m i t t i n ga n t e n n a s ，r e c e i v i n g a n t e n n a sa n dt h en u m b e ro ft h em u l t i - p a t hc o m p o n e n t s t h ec o m p l e x i t yo ft h es y s t e ma n d a l g o r i t h mh a sb e e nl o w e db yt h en e wd e c o d i n gs c h e m ep r o p o s e d o nt h eb a s i so ft h e s t c - m b - o f d mu w b s y s t e m ，t oc a l c u l a t et h ed i v e r s i t yg a i no ft h es t f m b o f d mu w b s y s t e m ，t h en u m b e ro fj o i n t l ye n c o d e do f d ms y m b o l si sm u l t i p l i e d u n d e rt h en a k a g a m i m c h a n n e l ，t h ef a d i n gp a r a m e t e rma l m o s td o e s n ta f f e c tt h ed i v e r s i t yg a i n t h ed i v e r s i t yg a i n u n d e rn a k a g a m i mc h a n n e li sa l m o s tt h es a m ea st h ed i v e r s i t yg a i nu n d e rr a y l e i g hf a d i n g c h a n n e l t h ee m p l o y m e n to fs t fc o d i n ga n db a n dh o p p i n gt e c h n i q u e si sa b l et oi n c r e a s et h e d i v e r s i t yo r d e rs i g n i f i c a n t l y , t h e r e b yc o n s i d e r a b l yi m p r o v i n gs y s t e mp e r f o r m a n c e 南京邮电大学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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：嵫 日期：塑壁! 竺：! i 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： 握坚幽导师签名： 日期： 鲨查：生：嗲 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业： 工学通信与信息系统 研究方向： 移动通信与无线技术 作 者：三塑王级研究生张晓娟指导教师杨龙祥 题目：m i m o m b o f d mu w b 系统编、解码方案研究 英文题目：as t u d yo nm u l t i b a n dm i m o o f d mu l t r a w i d e b a n ds y s t e me s p e c i a l l yo nc o d i n ga n dd e c o d i n g s c h e m e 主题词： k e y w o r d s ： m b o f d mu w bm i m 0 空时频编码分集增益 m b o f d mu w bm i m o s p a c e - t i m e f r e q u e n c yc o d e 空时编码 s p a c e t i m ec o d e d i v e r s i t yg a i n 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 超宽带( u l t r aw i d eb a n d ，u w b ) 短距离无线通信越来越显示出其重要性，u w b 是一 种短距离的无线通讯方式，在1 0 米的范围以内，数据的传输速率至少可以达到1 0 0 m b p s 。 超宽带( u w b ) 通信技术具有高速率、高性能、低功耗、低成本、抗多径衰落、易数字化等 诸多优点。这种通讯方式比较适合在家庭内部使用，市场应用前景非常广阔。在因特网、 多媒体和无线通信技术融合的今天，它是实现小范围内无缝覆盖的无线多媒体传输需求的 热门技术手段，被视为新一代无线局域网物理层标准技术。 1 1 超宽带通信概述 如果一个信号的带宽相对于载波频率或者中心频率来说比较宽，也就是说相对带宽很 大，就是u w b 信号。如果无和厶分别是能量功率谱密度( e s d ) 的下限频率和上限频率， 那么中心频率为+ t 膨，相对带宽的定义为能量带宽和中心频率的比值，表示为： 槲带孝2 酗 如果相对带宽大于0 2 0 0 2 5 ，该信号即为u w b 信号。下限频率无和上限频率厶不 需要有严格的定义。f c c 将3 1 g h z 到1 0 6 g h z 的频带向u w b 开放，为了避免对其他现 有系统造成干扰，同时对其辐射功率作出了相应的限制，要求各向同性辐射功率( e q u i v a l e n t i s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r ，e i r p ) 限制在_ 4 1 3 d b m h z 一下。u w b 技术在无线通信领域中 越来越受到重视，成为无线通信领域关注的热点之一。特别是在w p a n 无线传输技术中， 超宽带已经成为最具有竞争力的热门技术之一【1 1 。 由香农信道容量公式c = b - 。g ：( + 彘 知道增大通信系统容量有两种实现方法：一 是通过增加信号功率，二是增大传输带宽。u w b 技术就是通过增大传输带宽来增大系统 的容量，以获得非常高的传输速率的。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 2 超宽带通信技术分类 目前u w b 有两大标准：一种是冲激无线电( i m p u l s er a d i o ) ，一种是多频带o f d m ( m b o f d mu w b ) 1 脉冲无线电( i ru w b ) “冲激无线电技术 ( i m p u l s er a d i o ，简写为i r ) 是发射超宽带信号最常用和最传统的 方法，即发射时域上很短的脉冲。u w b 信号的时间宽度为纳秒级的或者亚纳秒级的。这种 脉冲传输技术的特点是，通过对非常窄( 往往小于i n s ) 的脉冲信号进行调制，以获得非常 宽的传输数据。通常u w b 的信号模型为： s ，：艺乃w ( f j r + ) = “ 其中，w ( f ) 表示发送的单周期脉冲，d ，、乃分别表示脉冲的幅度和重复的周期，脉冲 ， 宽度t 远小于脉冲之间的品均重复间隔l 。信息数据符号对脉冲进行调制的方式有多种： 脉冲位置调制( p p m ) 和脉冲幅度调制( p 枷) 在多址接入方式上，有跳时扩频( t h s s ) 和直接序列扩频( d s s s ) 两种方式可选。跳时超宽带( t h u w b ，t i m e h o p p i n gu w b ) 就是用伪随机码或伪随机噪声( p n ) 对数据符号进行编码后，引起脉冲在时间轴上的偏移。 直接序列超宽带( d s u w b ，d i r e c t s e q u e n c eu w b ) 就是编码后的数据符号对基本的脉 冲的幅度进行调制。而在第三代移动通信系统中( 欧洲和日本的u m t s i m t 2 0 0 0 ) 中，d s s s 作为基本的无线接入技术被采用，d s s s 方案受到研究人员的重视，d s u w b 成为主要的 i r u w b 方案。 2 多频带( m b o f d mu w b ) 方式 m b o f d mu w b 方案已成为m b o a 联盟事实上的标准。在此基础上提出的时频交织 m b o f d mu w b 方式，与传统o f d m 有很多相似之处，又符合f c c 关于u w b 的定义， 具有u w b 的特点，是一种新的u w b 通信实现方式，使得m b o f d mu w b 芯片得到了 越来越多厂商的支持和应用。本文第二章将详细介绍m b o f d mu w b 系统。m b o f d m u w b 系统具有以下优点： 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 ) 抗多径、捕获多径信号的能力强。借助循环前缀克服多径信道引入的时延扩展，用 结构较简单的接收机，就能在高度多径环境中捕获到更多信号，电路简单、成本低、功耗 低，电池可支持移动设备长时间连续使用。 2 ) 频谱灵活性强、共存性好。u w b 使用无需授权频段，确保不会对授权频段设备产 生干扰。m b o f d m - u w b 信号是由a d 转换器产生，可用软件动态地打开或关闭某些 特定频段，使其符合本地规定，这有助于在不同国家内采用m b o f d m 系统。 3 ) 设计复杂度低，上市快。传统o f d m 系统较复杂，m b t f i o f d m 系统经过专门 设计，只采用q p s k 调制，降低了i f f t 和f f t 实现复杂度以及对a d c 和d a c 的分辨率 要求。模拟前端电路甚至总体结构的设计，易于用9 0n mc m o s 实现，缩短了产品投放市 场的时间。 4 ) 安全机制建立方便。可建立一个嵌入式、始终处于“丌通”状态的安全架构，在协议 栈的一些层次上提供安全性和隐私机制，确保无线技术所需的强壮性和对用户的透明度。 由于u w b 系统具有一系列特点，比如处理增益高，多径分辨能力强，定位精度高， 传输速率高，系统容量大，穿透能力强，发射功率小，隐蔽性好，体积小、功耗低等等， 可以与其它的通信系统共享频率资源，u w b 通信技术得到广泛的关注，在短距离和超短 距离无线通信等领域拥有巨大的潜在市场。 1 3u w b 应用前景 早期的u w b 技术主要应用在军事领域，自从2 0 0 2 年2 月美国联邦通信委员会( f c c ) 批准超宽带技术可用于民用产品以来，超宽带无线技术以其数据传输速率高，发射功率小 等特点，受到企业的关注。 w p a n 技术主要的目的就是将电子设备之间的连线替换成无线连接，使家庭或办公室 中的各种设备之间的信息交换更加方便、灵活和快捷。m b o f d mu w b 技术又是实现 w p a n 的最佳选择之一，因此，m b o f d mu w b 技术在数字化无线家庭网络、数字化办 公室、个人便携设备和军事等诸多领域都有着广阔的发展和应用前景。 m b t f i o f d m 时频交织技术是u w b 通信中一种新的实现方式，以它独特的优势， 将会促进m b o f d mu w b 芯片的商业化和产品化进程，使得m b o f d mu w b 方案得到 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 了越来越多厂商的支持与应用，从而有希望成为w p a n 物理层的标准技术。该技术仍处于 起步阶段，市场潜力巨大，发展前景广阔。我国应该抓住国际上u w b 的研发热潮，积极 参与国际标准化活动，根据具有自主知识产权的技术制定我国的相关标准，积极开拓u w b 技术的产业化道路。 1 4 论文出发点 传统的u w b 单频带系统，由于在射频、实际电路设计以及接收机等方面的复杂度较大， 而m b o f d mu w b 方案突显出其优势，本文对m b o f d mu w b 系统作了简要介绍，为了 满足短距离内更高数据速率的要求，更加充分地利用空间优势以及多径分集，在系统中结 合了m i m o 技术，本文主要研究在m i m o m b o f d mu w b 系统中不同s t 和s t f 编码方案对 系统性能的影响。 1 4 论文构架 本论文主要是对物理层基于m b o f d mu w b 实现方式下并结合了多输入多输出天线 技术的超宽带系统进行研究。本论文结构安排如下：第一章绪论，概述了超宽带技术以及 本论文所研究课题的出发点；第二章简要介绍m b o f d mu w b 系统，包括i e e e8 0 2 1 5 3 a 物理层参数、系统收发端结构；第三章在传统o f d m 空时编码方案及其实现基础上，介绍 了m b o f d mu w b 系统的空时编码方案和空时频编码方案；第四章介绍了信道模型和相 应的接收端解码方案；第五章通过计算，详细分析了n a k a g a m i m 衰落下，分别独立衰落 信道和相关衰落信道下，采用s t f 编码的m i m o m b o f d mu w b 系统的性能；第六章在 u w b 标准信道模型下，对空时编码的m i m o m b o f d mu w b 系统进行仿真，比较了不 同信道，不同编码方式下的系统性能；接着，在n a k a g a m i m 信道模型下，对空时频编码 的m i m o m b o f d mu w b 系统进行仿真，比较了不同的编码组合方式，不同的跳频速率， 不同的联合编码的符号块数等情况下的系统性能；第七章是结论和进一步的研究建议。 4 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章m i m o m b o f d mu w b 系统综述 第二章m i m o m b o f d mu w b 系统综述 在未来的宽带无线通信中，面临着两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带宽效率。 o f d m 技术通过将频率选择性多径衰落信道在转变成平坦衰落的信道，减小了多径衰落的 影响。m i m o 技术能够在空间产生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样就有效的增 大了系统的传输速率，即由m i m o 提供的空间复用技术能够在不增加系统带宽的情况下增 加频谱效率。将o f d m 和m i m o 两种技术相结合，就能达到两种效果：一种是系统很高的传 输速率，另一种是通过分集达到的很强的可靠性。 2 1o f d m 技术概述 o f d m 是一种特殊的多载波传输方案，可以把它看成一种调制技术，也可以看成是一 种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干子比特流，每个子数据流将具较低的比特速 率，用低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，就构成多个低速率符号 并行发送的传输系统。正交频分复用是对多载波调带 j ( m c m ，m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ) 的一 种改进。它的特点是各子载波相互正交，如图2 1 所示，扩频调制后的频谱可以相互重叠， 不但减小了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。选择o f d m 的一个主要原因 是o f d m 系统能够很好地对抗频率选择性衰落和窄带干扰。在单载波系统中，一次衰落或 者干扰会导致整个链路失效，但在多载波系统中，某一时刻只会有小部分的子信道受到深 度衰落的影响。 图2 1 正交频分复用信号的频谱示意图 正交频分复用的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较 低的若干个正交子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号周期会相对增加，这样可以 减轻多径衰落信道的时间弥散性造成的影响。在o f d m 符号之间插入保护间隔，保护间隔 5 南京邮电大学颈士研究生学位论文第二章m i m o m b o f d mu w b 系统综述 应大于无线信道的最大时延扩展，可以最大限度地消除出于多径效应引起的符号闻干扰 ( i s i ) 。一般都采用循环前缀作为僳护闯隔，避免由多径效应引起的信遂间的干扰( i c i ) 。 匿2 2 为o f d m 系统框匿。 数 据 调 割 数 据 解 调 串 并 变 换 并 串 变 换 逆 f f t 变 换 f f t 变 换 捶 保 护 阕 隔 去 保 护 间 隔 并 串 变 换 串 并 变 换 d a 变 换 氏 d 变 换 图2 2 正交频分复用( 0 f d 醚) 系统原理框图 信 避 o f d m 系统的个重要优点就是可数剃矮快速僖立时变换实现调制稻解调，从蔼可以 大大降低系统实现的复杂度。一个o f d m 符号之内包含多个经过调制的子载波合成的信 号，其中每个子载波都可以受到相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 符号的调制。 如果n 表示子信道的个数，t 表示o f d m 符号盼宽度( 持续时闻髑期) ，碡i = o , i ，2 ，n - i 是分配给每个子信道的数据符号，f op e g ；蝴0 含子载波的载波频率，r e c t ( t ) = l ，l 哇么 从于= t 开始的 符号可以表示为：s o f d m s o ) = r e 丢z j - 聍c ，( f 一一三 e 羔p 歹2 庀( 矗+ 手 ( f 一) k f g 以+ z 。2 ，) s 和) = o ，f a t 丁+ t 采用复等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，其中的实部和虚部分别对应于o f d m 符号的露穗帮正交分量，图2 3 是。f d m 系统基本模型原理框霉，图中z = z 牛髟。 s 蠢) = 害矗，已甜( r 一一三l e x p l j 2 万；一如) ，g ，+ r s ) = 筑ta t t + t , 6 ( 2 2 ) 南京邮电大学硕士影 究生学位论文第二章m i m o - m b o f d mu w b 系统综述 图2 3o f d m 系统基本模型原理框黧 o f d m 的子载波闻是正交的，各子载波间满足条件2 3 ： 专知0 - 2 z 圹。囊毗2 矾慨譬z 主： ( 2 - 3 ) 对第j 个子载波进行解调，然后在时间长度t 内进行积分，因为z 一工+ 矿r 可以得到： 匆= ；r e x p c _ ，2 砺( f t ”n 丢- ! 吐e x p ( ，2 顽o _ 气眦 = 亍1 去n - i zf * r e x p ( j 2 嚣孚h 归 = d j 。j 。 一。 ( 2 4 ) 对于n 比较大的系统，o f d m 复等效基带信号可以采用离散傅立时变换( i d f t ) 方 法来实现，假设式2 - 2 中的2 0 ，并且忽略矩形函数，对信号s ( f ) 以的速率抽样，即 令t = k t n ( 尼= o ，1 ，一1 ) 可以得至0 ： 一) = 丢n - i 抽p ( 歹警) 胚老一t ( 2 5 ) 可以看出，等效为对4 的i d f t 运算，同样在接收端，为了恢复出原始的数据符号4 丽对瓯进雩亍逆变换，即d f t 运算得到： 了 南京邮电火学硕士研究生学位论文第二章m i m o m b o f d mu w b 系统综述 z s k exp(一，警l7tf，0 。靠 ( 2 7 ) 式2 7 中s ( t ) 是具有单位能量的基本脉冲信号，周期为i ，重复周期为t ( 瓦t ) ；n 是蹒频腺冲序歹l 的脉冲个数；删信号奎- n 个酾组成，周麓为乏哦t ；每个短脉冲调制在 不同的频率c ( n ) 疋，l 乏为跳频分辨率，乃z ； c ( n ) 是一个取值范圈为 o ，l ， n 1 的有序序列，整个脉冲序列选择一组正交频率进行调$ 8 t 4 1 。 o f d m 信号的基本要求是各载波间的发送信号彼此正交。m b 。o f d mu w b 系统就是利 用跳频序y i j p ( t ) 来设计彼此正交或近似正交的发送信号的。第k 个用户发送的o f d m 信号可 以表示为 n - if 2 n v ( n ) t 五毒= p 章瓷歹2 确= s 擘一拜r 。乏e j 2 巅 ( 2 8 ) 1 0 妻室她垒奎兰堡圭堕窒生鲎垡堡奎笙三主竺! 坚旦：竺堡：竺1 2 翌望兰壁墨篓签堕 式2 8 中f o 为基本频率，不同用户的信息调制到不同的载波频率妩上，产生了不同的 频段。假设系统的发射信号用x ( t ) 表示，在不同的o f d m 载波上，用户采用的是b p s k 调制。 经过表达式的变形，式2 8 表示的系统可以被看作是传统的o f d m 系统在每一个不同的频段 采用的是跳频的方案。经过信息符号调制的m b o f d mu w b 信号形式为 x o ) ：n - i 酢五o 一，瓦) ：夕芝配p g 一，乃j 2 矗c f o ( ! 一吩) ( 2 9 ) 式2 9 中，表示在第惫个子载波上第，l 时隙发送的信息符号，声确定每比特平均发送 信号功率。不同子载波上的信号是满足o f d m 信号要求的正交性的。这在文献【8 】中已经作 了证明和详细的说明。 2 2 3 接收端信号及接收机结构 移动信道的主要特征就是多径干扰，尤其是在u w b 短距离无线通信系统中，信道的最 大时延扩展达2 0 0 n s 以上，可分辨多径数通常高达几十至上百条，多径干扰十分严重；但是 另一方面，多径干扰中又携带着有用的信息，可以加以利用，在适当的时候进行抽样、叠 加有用信息，实现r a k e 接收。如何避免多径干扰并且利用多径干扰的能量成了目前研究 的一个热点。目前已有多种实现方法：文献【6 】中使用快速跳频的方法，并配合r a k e 等技 术来提高系统性能；m b o a 联盟的提案则通过慢速跳频和频域分集提供增益改善性能【5 】； 使用多载波扩频的方法以及多径最大似然接收枫麴概念f 巧等。图2 6 所示的m b o f d mu w b 系统是基于快速跳频的方法，采用插入导频的同步技术来实现的，与发送端结构相对应示 意了m b o f d mu w b 信号接收端框图。 南京邮电人学颈士研究生学位论文 第二章m i m o m b o f d mu w b 系统综述 图2 6m b o f d m u w b 信号接收端框图 信道冲激响应用抽头延迟线滤波器的形式表示为 ，_ 二1 是) = a l d ( t - v i ) ( 2 1 0 ) 式中2 1 0 中l 是能分辨的多径路数，q 是信道第l 条路径的复包络，艿( ) 是单位冲击 函数。 瓤 为高斯自噪声，发送信号x 经过债道模型后的接收信号粥可表示为4 。 ，o ) ：办o ) 以) + 船o ) ：l - i 岛x ( f - - l 1 ) + 即( f ) ( 2 - 1 1 ) 1 = 0 将2 9 代入2 1 1 可得 ( 2 1 2 ) 图2 6 中 9 0 ) ：p 一_ ) ：n - i s 川一毛。鼍幽 ( 2 彤) 胁0 在接收端，子载波闻于扰几乎等于零，o f d m 各子载波之闻保持正交，所以m b o f d m u w b 系统可以利用正交频分多址接入技( 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 a c c e s s ， o f d m a ) 实现不同用户的多址接入。 1 2 、l ， 栉 + 吖 0蛳 弘 口 、l ，q 一 p 口 k 脚枷 疗 = 、l，o r 南京邮电大学谈上研究生学位论文第二章m i m o m b o f d mu w b 系统综述 2 3m i m o 技术 多入多出( m i m o ) 技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破，该技术能在不增加 带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。m i m o 技术是在发送端和接收端 采用多天线( 或天线阵列) 和多通道技术。由于各发射天线丽时发送的信号占用同一个频带， 因此带宽并没有增加。若各发射接收天线间的信道冲击响应独立，则m i m o 系统可以创造 多个并行空闻信道。通过这些并行空闻信道独立地传输信息，传输数据率必然增加。总之， m i m o 技术利用多副天线实现多发多收，充分利用空间资源，在不需要增加频谱资源和天 线发送功率的情况下，利用空间复用增益成倍提高信道容量；利用分集增益提高信道传输 的可靠性，降低误码率。对于频率选择性衰落信道，o f d m 提供了一种将频率选择性衰落 信道转换为平坦衰落的有效方法，可以将平坦衰落下的m i m o 各种方案直接应用到o f d m 系统的每个子载波上。因此，m i m o 技术和o f d m 技术联合考虑成为一种很自然的想法， 两种技术优势互补，可以为新_ 代移动通信系统提供一种新的技术方案。 2 4 本章小结 本章在传统o f d m 原理的基础上介绍了m b 。o f d mu w b 系统的框架结构，并且简要 介绍了m i m o 技术。m b o f d mu w b 技术采用时频交织技术，并利用循环前缀和保护间 隔技术，将m i m o 技术和m b o f d mu w b 技术相结合提高系统的性能。 1 3 南京l l l g t 毡大学硬士研究生学位论文 第三章m i m o m b o f d mu w b 发射儒譬的编码方案 第三章m i m o - m b o f d mi y f f b 发射信号的编码方案 o f d m 遴过将频率选择性多径衰落信道在频域蠢转换为平超衰落信道，减小了多径衰 落的影响，而m i m o 技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，在不增 加系统带宽的情况下增加频谱效率，有效地提高了系统的传输速率。将两种技术相结合， 就能实现很高的数据传输速率，通过分集实现很强的可靠性。在m i m o o f d m 系统中，空 时编解码i 1 2 棚1 是核心技术之一。只有通过空时编解码才能够恢复从各个接收天线上得到的 叠加信号，从而实现空间复用，增大数据传输率或者空闻分集所增加的系统可靠性。 传统的o f d m 系统在同一个频带上传输所有的信号，而m b ，o f d mu w b 系统，利用 时频交织技术在不同酶子带上传输信号，不同的o f d m 符号块可以在不同的子带上传输。 利用跳频技术可以对m b o f d mu w b 系统进行空时频( s t f ) 编码【2 6 a 1 1 以提高系统的性 能。 本章在m i m o o f d m 系统空时编码方案基础上，分橱了o f d m 空时编码方案的系统 实现，提出了适合在m b 。o f d mu w b 系统的空时编码方案及系统实现，并在此基础上进 一步提出基于跳频的m b o f d mu w b 系统的空时频( s t f ) 编码方案。 3 。1o f d m 系统的空时编码方案 誊曩斗删 发送的二进制序列经过信道编码和星座映射，然后空时编码后经发送天线发送。星座 映射时，假设采用的是m 进制的星座映射，每m 黼l o g ：m 个比特映射为一个星座点，即 1 4 童室堕塑奎兰壅羔坚窒兰兰堡丝茎 一 篓三雯坚! 麓竺塑翌翌坚竺邕堡叁鉴笙曼箜叁堡垄壅 个符号墨。假设一共要传输剧个符号，每n 个符号组成一个传输码字矢量，即该n 个符 号在一个o f d m 符号持续时间内同时传输，k 个矢量符号为：墨o = 1 ，2 ，k ) s = ，s ：胃，( 州) ； 岛= ，s 删，s ：川，( - 蚺 墨= 矗巾州，s ：鬈州，( 曲蹦 & = 川，s 2 川，如h ，s k n l 编码矩阵g 中的码字元素c ：o = 1 ，2 ，f ；p = l ，2 ，p ) 为矢量符号 ，是，& ) 及其 共轭的线性组合，c p ( i = l ，2 ，f ；p = 1 ，2 ，尸) 表示第p 时刻在第i 副发送天线上发送的矢 量符号。 每一个编码码字共使用了k 个矢量符号，每个矢量符号包含n 个符号，并且从避副 发送天线上完全发送这剧个符号共占用了p 个时间片，所以编码效率为尺= 圈，表示 单位时间内平均发送的调制符号的个数。 幽于编码矩阵列正交，且c ；o - - 1 ，2 ，m ；p = l ，2 ，p ) 为溉，岛，& 及其共轭的线性 组合，编码矩阵是一个多维矩阵，我们已经骧确箕物理意义，并且由空时编码的原理知编 码矩阵满足正交性，其中a 是一个常数，和码率有关，m 是单位矩阵，即： g g = 控1 2 + l l s , 1 1 24 - + l l s 足1 1 2 p 魑 ( 3 _ 1 ) 经过星座映射后信号是一个复向量，此时设计空时编码矩阵就是要设计复正交矩阵。 用正交矩阵构建的空时分组码可以获得最大的分集增益，并且在接收端可以运用极大似然 译码分解成独立的信号单独译码，降低了运算的复杂度，降低了系统实现的难度。编码矩 阵的设计对于空时编码来说显得尤为重要，当然这可以参照平衰落下的情况来设计。下面 举两个例子3 2 式和3 3 式是分别基予3 副和4 副发送天线【1 习设计的空时编码矩阵，是列 正交矩阵，且满足3 - i 条件。 1 5 南京郾电大学硕上研究生擎谴论文第三章m l m 。b 国粉mu w b 发射信鼙麓编码方案 h 3 = - 4 = s 一s 之s ： s js j 扼厄 s ；。s ； 涯压 s ts 2 一s ；s ： 罨 厄冱 s ；s ； ，一，一 22 ( 3 。2 ) ( 3 3 ) 不考虑由多径弓| 起的符号闻干扰i s i 和由时变性弓| 起的信道闻干扰i c i ，假设o f d m 系统采用n 个子载波，m 副发送天线，m 副接收天线，根据空时编码原理，每个 s t b c o f d m 符号应由n fp 个符号构成，p 表示时间维的，编码矩阵应该是一个p 行n f 列的矩阵。 因为m b o f d mu w b 系统的空时编码原理与o f d m 系统的原理基本相同，所以接下 来以2 副发送天线系统具体编码方案为例子讨论，重点考虑o f d m 系统中空时编码的原理 和实现：假设系统的输入序列为s = s 0 燕，s 2 ，s 2 ( m ) ，j 2 州j ，按照o f d m 子载波数进行 分组褥到序列矗，是 ，其中墨= - g o ，s 2 ，s 4 ，s 2 ( s - 0 ；，是= s 1 ，黾，s s ，s 2 ( n - o + l j ，根据a l a m o u t i 提出平衰落下的的2 副发送天线空时分组编码方案，以矢量为单位进行编码，然后分别调 制到不同的的予载波上进行o f d m 调制。 下面重点描述基于上述编码方案的系统具体实现，如图3 1 所示 3 1 ，输入 冬。，s ，s ：，s ：( _ ，) ，s ：州 经两个符号一组，串并变换后分配到n 个编码器上，。，岛 到编码 器1 ， s 2 , s 3 到编码器2 ，秘：( 州) ，j 2 - l 到编码器n ，各个编码器编码后再经过o f d m 调制得到序列，第i 副发送天线在第p 个时刻发送的o f d m 的各个子豢 c ， ， ，j i ，e l 为 & ，0 。1 ，2 ；i = l ，2 ) ，s z 。：= 赋l ，墨，2 = 一墨l ，可以得到s ，= s ，s 。：= s 2 ，编码矩阵g 1 6 击荛2 纽血 击羔2魏霭龅而黼瓣艘溢糍燮瀵 南窳邮电大学硕士研究生学链论文 ” 第三鼙m i m o 。m b - o f d mu w b 发射信弓的编码方案 g = rs 【一墨 是 一- s ，。 研j k 图3 1 空时编码的o f d m 系统系统实现框图 表3 1s t b c o f d m 系统的发射编码方案 ( 3 4 ) 天线1 各个子载波调制符号天线2 各个子载波调制符号 第l 时隙 s 1 k ，s ：，s ：( 川) js ：b ，岛，j ，s ：( 州一 第2 时隙 是 1 - j ? ，一西，一s ；，一s ；一。卜。j岛 2 ；，s ；，s ：，s ；( 川) 该编码方案通过交织器和s t b c 矢量编码器级联实现，系统的复杂度不会增加。假设 信道是准静止状态的，在一个o f d m 符号持续时间内信道是保持不变的，并且假设信道估 计准确，假设不同的发送、接收天线对之间互不相关，相互独立。因为o f d m 调制不同的 子载波之间互相正交，所以接收端可以将各子载波信号完全分离后再分别对各子载波进行 独立的译码。空时编码的编码矩阵满足正交的条件，所以在用极大似然解码的时算法复杂 度大大降低。 3 2m b o f d mu w b 系统的空时编码方案 m b o f d mu w b 系统的空时编码和传统o f d m 系统的空时编码原理基本相同，在此 就不作过多描述。信道的干扰有乘性干扰和加性干扰，m i m o 系统亦如此，假设m i m o 每 对发送天线和接收天线的信道互不相关，可以看成多个信道，同样也存在乘性干扰和加性 干扰。 1 7 南意邮电大学硕士研究童学位论文第三章m i m o - m b o f d mu w b 发射倍口i 的编码方案 空时编码的m i m o 0 f d m 系统中，利用了空间分集和时间分集，m i m 0 系统利用了 发送分集和接收分集。根据m i m o 系统的信道特点，分别以2 副发送天线l 副接收天线系 统和2 副发送天线2 副接收天线 4 7 l 为例，空时编码的m b o f d mu w l 3 i 系统的发射端的结 构框图分别如图3 2 和图3 3 所示。 卷积串空 瓣f f 零 k编码 并时 和 变 编 交织 换码 _ i 篇f 喇卜 图3 2 空时编码的m b o f d mu w b 系统发射端结构框图 图3 2 所示的是m b o f d mu w b 系统采用2 副发送天线和1 副接收天线时的发送端 的结构框墨，两副发送天线到接收端的天线间存在两独立的信道，信道时域的冲激响应分 别为和h ：，信号经过两独立的信道后进行了合并处理后到达了接收天线端。 卷积 寤 空 一腊嘲h 。艇 编码并时 和 变 编 一攀萨。点名 r 交织 换码 图3 3 空时编码m b 。o f d mu w b 系统2 发2 收的发射端结构框图 蚕3 3 所示的是m b o f d mu w b 系统采用2 副发送天线翻2 副接收天线时酶发送 端的结构框图，两副发送天线和两副接收天线间的信道时域的冲激响应分别为 焉。，瓴：，h 2 。h 2 2 ，两副发送天线的信号经过两独立的信道蔚经过了合并处理后分别到达了接 收天线端。 3 3m b o f d mu w - b 系统的空时频编码方案 根据i e e e8 0 2 。1 5 。3 aw p a n 标准对m b o f d mu w b 系统的规定l 蚓，第二章中也已经 介绍过，将u w b 的可用的7 5 g h z 频率范围被划分成多个子带，每子带带宽至少5 0 0 m h z 。 1 8 堕塞箜皇奎鲎堡圭笙塞生兰竺鎏塞 ： 苎三塞坚! 坚竺：憋里兰三至坚! 翌堡鳖墅笪量箜麴堡查鲞 m b o f d mu w b 系统利用时频交织技术( t f i ) 在不同的子带上传输信号，o f d m 符号块可 以在不同的子带上传输跳频是频率在不同的子带问切换。在对空域和时域编码的基础上， 利用跳频技术可以对t f i m b - o f d mu w b 系统加入频域的编码，即空时频( s t f ) 编码， 提高系统的性能。 图3 4s t f 编码的m b o f d mu w b 系统发射漩的结构框图 以一个m 副发送天线，副接收天线m b o f d mu w b 系统4 9 1 为例讨论m b 。o f d m u w b 系统的空时频