（通信与信息系统专业论文）stbc+mimoofdm系统降低papr技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 多输入多输出( m 1 m o ) 和正交频分复用( o f d m ) 结合形成的 m i m o o f d m 技术，不仅可以实现高速率、大容量的传输，而且有很好的抗 噪声、干扰和多径的能力，从而成为4 g 的核心技术。论文对空时分组码 ( s t b c ) m i m o o f d m 系统的峰均功率比( p a p i r ) 问题进行研究，并利用 m a t l a b 进行了仿真和验证。 论文阐述了m i m o o f d m 的基本原理、空时码的准则及分类，对各种 空时码进行了介绍，研究了空时分组码和差分空时分组码，特别是引入冗余 的差分空时分组码( p a d s t b c ) ，并对各编码进行仿真。同时对s t b c m i m o - o f d m 系统的性能进行了研究和仿真。 然后对m i m o - o f d m 系统的p a p r 进行分析，介绍了降低p a p r 的方 法。研究了利用并行的选择映射法( c s u ) 降低p a ir 的方法，在此基础 上针对边带信息的处理研究了改进的方法，并针对s t b cm i m o - o f d m 进行 仿真验证，结果表明此方法是有效、可行的。 最后利用并行的部分传输序列( c - p t s ) 降低p a p r ，针对旋转因子的 选取复杂度太大的闯题，提出了改进的算法。同样进行了仿真验证，结果表 明改进后的算法能以极小的性能代价换取复杂度的大大降低。 论文中经过改进的c s l m 和c - p t s 方法，可以有效地降低s t b c m i m o o f d m 系统的p a p r ，作者希望能为加快m i m o - o f d m 技术的实用 做些有用的工作。 关键词：多输入多输出；正交频分复用；空时分组码：峰均功率比 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a sm ec o m b i n a t i o no fm 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 ( m i m o ) a n do r t 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 ) m i m 0 0 f d mn o to n l yi n c r e a s e st h e s y s t e mc a p a c i t yw i t hh i g hs p e e dt r a n s m i s s i o n , b u ta l s om k e st h es y s t e mt o l e r a n c eo f n o i s e 。i n t e r f e r e n c e m u l t i - p a t hf a d i n gi m p r o v eg r e a t l y ，t h u si t sak e yt e c h n i q u ef o r4 g p a p e rs t u t h 髓t e c h n i q u e st or e d u c ep e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) o fs p a c e - t i m e b l o c kc o d e ( s t s c ) m i m o - o f d m a n ds i m u l a t i o n sa r ed o n ei nm a t l a b p r i n c i p l eo f m i m o - o f d m s p a c e - t i m ec o d i n gr u l e s & t y p e sa r ei n t r o d u c e di n t h eb e g i n n i n g s t b c d i f f e r e n t i a ls t b c ( d s t b c ) a r ea n a l y z e di nd e t a i l ， r e d u n d a n c yi n t r o d u c e dd i f f e r e n t i a ls t b c ( r i - d s t b c ) i ss t u d i e ds p e c i a l l y , a n d v a r i o u sc o d e s 黜s i m u l a t e d p e r f o r m a n c eo fs t b cm i m o - 0 f d mi ss t u d i e da n d s i m u l a t e di np a r t i c u l a r t h e np a p ro f m i m o o f d mi sa n a l y z e d , a n dt h em e t h o d so f p a p rr e d u c t i o n a r ed e s c r i b e d i nw h i c h , c o n c u r r e n ts e l e c t i v em a p p i n g ( c - s l m ) t od e c r e a s ep a ir i ss t u d i e d , a n dt h e ni m p r o v e dm e t h o df o rt h ep r o c e s s i n go fs i d ei n f o r m a t i o ni s p r e s e n t e d , s i m u l a t i o ni sd o n ef o rs t b c - m 蹦o o f d m a n dt h er e s u l t ss h o wt h a t t h ei m p r o v e dm e t h o di sf e a s i b l ea n de f f i c i e n t c o n c u r r e n tp a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e s ( c - it s ) i se x p l o i t e dt od e c r e a s ep a i r t o o ，a n di m p r o v e da l g o r i t h mf o rt h es e l e c t i o no fw e i g h t i n gf a c t o r si sp r o p o s e d s i m u l a t i o ni sd o n ea sw e l l ，a n di t sp r o v e dt h a tn e wa l g o r i t h md e c r e a s e st h e c o m p u t i n gc o m p l e x i t yg r e a t l ya tt h ee x p e n s eo f l i t t l ed e g r a d a t i o no f p e r f o r m a n c e t h ei m p r o v e dc s l ma n dc - p t sm e t h o d ss t u d i e di nt h ep a p e r , a r ee f f i c i e n tt o r e d u c ep a p ro f s t b c 田o - o f d m a n dt h ea u t h o rh o p e st h ep a p e rw a su s e f u l f o rt h ep r a c t i c a l i t yo f m i m o - o f d m k e yw o r d s ：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 ) ；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 t i p l e x i n g ( o f d m ) ；s p a c 舡t i m eb l o c kc o d s t b c ) ； p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a i r ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 随着物理科学和材料科学的飞速发展，移动通信技术也得到了 长足的发展，第一代模拟通信及第二代数字通信给我们现代生活提 供了极大的方便，但随着人们对生活质量要求的不断提高，它们已 经不能满足人们的新的需要。于是要求呼之欲出的第三代( 3 g ) 移 动通信和未来的第四代系统( 4 g ) 除了能提供现有的各种移动电话 业务，还要为高速移动的用户提供宽带数据接入服务，比如高速率 的宽带多媒体业务，高质量的话音、分组数据业务以及实时的视频 传输。由于未来无线通信具有宽带、移动和多业务的特点，要实现 信息的宽带无线传输，我们面临着恶劣的无线传输信道带来的挑战。 1 1 研究背景与意义 现代移动通信中日益增加的语音业务、数据业务和宽带i n t e r n e t 业务，在传输速率、性能和系统业务容量等方面对无线通信系统提 出了更高的要求。为了达到这个目的，仅靠利用更多的频谱资源是 不够的，采用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 ) 多天线发送和接 收结构，充分利用空间分集的手段在空间域上获得更大的信道容量 增益，可以满足高传输速率、高传输性能和高系统业务容量的要求。 m i m o 系统在一定程度上可以利用传播中的多径分量，也就是说 m i m o 可以对抗多径衰落，但是对于频率选择性的衰落，m i m o 系 统无能为力，所以要寻找另外的方法。 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 n m u l t i p l e x i n g ) 技术把高速数据流分散到多个正交的子载波上传输，相 当于把频率选择性衰落信道划为多个并行的平坦衰落信道，从而使 子载波上符号速率大幅度降低，符号持续时间大大加长，具有很好 的抗多径传播和频率选择性衰落的能力。o f d m 相对于一般的多载 波传输的不同之处是它允许子载波频谱部分混迭，只要满足子载波 间相互正交就可以从混迭的子载波上分离出数据信息，其频谱效率 大大提高，因而也是一种高效的调制方式。 在频率选择性衰落信道中，将o f d m 技术应用于m i m o 通信系 统将减小宽带高速率传输的符号间干扰，进一步提高系统性能。两 种技术结合形成的m i m o o f d m 系统l l 】通过在传输系统中采用阵列 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 天线实现空间分集，利用时间、频率和空间三种分集技术，使无线 系统对噪声干扰多径的容限大大增强。这也是本论文研究综合使用 两种关键技术，即多输入多输出( m i m o ) 天线和正交频分复用( o f d m ) 调制结合的m i m o o f d m 系统的主要原因。但是m i m 0 o f d m 系统 也存在着很多制约其实用的不利因素，比如高峰均功率比。 所以，本课题的研究具有理论意义和应用价值。 1 2 国内外的研究现状 目前，世界各国都在积极对m i m o 0 f d m 技术展开研究。但主 要是集中在编码和信道估计方面，而对于p a p r 的研究很少。 在m i m o 系统的研究之中，f o s c h i n i 等 3 6 1 提出了m i m o 系统 的重要分层空时码( l s t c 。l a y e r e ds p a c e t i m ec o d i n g ) ，同时 f o s c h i n i 等【36 】证明了瑞利衰落下多天线系统的容量将随着天线个数 的增加( 发射天线数与接收天线数中的最小数目) 呈线性增加，这个 结论为多天线系统的研究指出了方向。随后d a s h a l ls h i u ，j o s e p h m k a h n 等在分层空时码上做了很多工作。1 9 9 8 年w o l n i a n s k y ， f o s c h i n i ，g o l d e n ，和u a l e n z u e l a 提出一种分层空时码的系统模型： 垂直贝尔实验室分层空时码( v b l a s t ，v e r t i c a l b e l ll a y e r e ds p a c e t i m e ) ，这种结构具有极高频谱利用率，理想情况下可以达到 2 0 4 0 b i t s s h z 香农的容量公式解决点到点的通信，而b l a s t 的 理论解决组到组的通信，它又给香农的容量公式增加了一维，即空 间。当噪声和干扰比较严重的时候，就可以利用空间来消除这些干 扰和噪声。随着v b l a s t 系统的出现，人们对m i m 0 系统尤其是 对子集空时码系统的研究进入了一个崭新的时期。 利用多个接收天线取得的接收分集增益改善系统性能是一个已 经普遍应用的方法，而近几年的研究表明利用多个发射天线同样可 以取得相同的效果早期的发射分集只是采用发送码元( 或序列) 的线 性变换达到分集的效果，v t a r o k h 等在1 9 9 8 年提出的空时网格码 ( s t t c 。s p a c e t i m et r e l l i s cc o d e ) 将发射分集带入了新的研究领域， 在取得分集增益的基础上，还获得了一定的编码增益。 1 9 9 8 年，a t & t 的a l a m o u t i 提出了一种利用两个发射天线的传 输分集方案，从而揭开了分组空时码( s t b c ：s p a c e t i m eb l o c kc o d e ) 研究的序幕。虽然该方案的性能比s t t c 略有下降，但译码复杂度 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 要比s t t c 小得多。它能获取完全的分集增益，充分的利用了所能 利用的信道容量，并且接收端的最大似然( m l ) 接收算法可用简单的 线性处理实现。它的性能与单发双收、采用最大比率接收合并( m r c ) 的系统性能接近。1 9 9 9 年，t a r o k h 等人进一步研究了这种方案，发 现这种方案的简单性主要是由于发射端发射的复码字矩阵是正交矩 阵他们推广了这种方案，使之能够在任意发射天线数目的无线系 统上应用。但是其正交性决定了当发射天线数目大于2 并采用复信 号调制时，系统的频率利用率无法达到最大 第一个将这两者相结合的系统是d a g r a w a l 等人提出的。后来 b e nl u 等人也做了进一步的探讨文献的研究主要集中在空时网格 码( s t t c ) 与o f d m 相结合方面的研究。然而，由于其译码过于复 杂，限制了其在实际中的应用 国内m i m o o f d m 技术的研究处于起步阶段，北京邮电大学， 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室，东南大学移动通 信国家重点实验室等都在对这一技术进行追踪研究。 目前m i m 0 技术的应用领域还主要是在固定无线接入，这方面 领先的是美国的r a z e 和i o s p a n 公司。美国a g e r e 系统公司目前成 功开发了最高传输速度为1 6 2 m b i t s 的无线l a n 技术，这种技术 是在收发两端使用阵列天线的m i m o o f d m 技术，该系统使用3 对收发天线，每对收发天线可以实现5 4 m b i t s ，这是目前 m i m o o f d m 技术所表现出的强大的应用潜力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 e s 0 2 1 6 系列则是以 m i m o o f d m 技术为核心 目前，世界各国和各大电信厂商都已经开展了对新一代移动通 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 率和可靠性等方面的巨大潜力，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 1 3 本文的研究内容 本文主要对s t b c m i m o o f d m 技术的p a p r 问题进行了研究， 并基于m a t l a b 平台进行仿真。主要内容如下： ( 1 ) 对无线信道传播特性进行分析研究m i m o 和o f d m 的原 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 理，并对它们结合形成的m i m o o f d m 技术进行系统地分析。 ( 2 ) 对空时编码做了描述，主要分析了其中的空时分组码。通过 对a l a m o u t i 双天线方案的分析，研究了正交空时分组码和差分空时 分组码，重点研究了引入冗余的差分空时分组码，对各种空时码的 性能进行了仿真。接着对空时分组码在频率选择性衰落信道下与 o f d m 的结合，即s t b c m i m o o f d m 系统的性能进行了研究仿真。 ( 3 ) 对m i m o o f d m 系统的峰均功率比p a p r 进行了分析，介绍 了降低p a p r 的方法研究了基于选择映射法( s l m ) 减小p a p r 的 方法一一并行的选择映射法( c s l m ) ，在此基础上针对边带信息的 处理研究了改进的方法，并针对s t b c m i m o o f d m 系统对其可行 性和有效性进行了仿真验证 ( 4 ) 研究了基于部分传输序列( p t s ) 降低p a p r 的方法一一并 行的p t s ( c p t s ) ，针对旋转因子的选取问题，提出了改进的降低 复杂度的次优算法，同样在最后基于m a t l a b 平台针对s t b c m i m o o f d m 系统对新算法进行了仿真验证，并对两种改进的算法进行了 比较 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章m i m o o f d m 系统分析 无线通信系统的性能主要是受到移动无线信道的制约，而移动无 线信道是现代通信系统中最复杂的信道，它不像有线信道那样固定 并具有可预见性，而是具有极度的随机性和时变性移动无线信道 的主要特征是多径传输，多径传输是由于无线传播环境的影响，在 电波的传播路径上产生了反射、绕射和散射，这样当电波传输到移 动台的天线时，信号不是单一路径来的，而是多个路径来的多信号 的叠加1 5 1 因为电波通过各个路径的传输距离不同，所以各电波到达 接收机的时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端 叠加，有时同相叠加而增强，有时则是反相叠加而减弱。这样接收 的信号幅度将急剧变化，即产生了所谓的多径衰落叠加衰落将严 重的影响信号的传输质量，所以研究多径衰落对移动通信技术显得 尤为重要。本章将首先分析无线信道的特性，接着分别介绍o f d m 和m i m o 技术，最后对m i m o o f d m 系统和其关键技术及信道模型 进行详细的分析。 2 1 无线信道传播特性 信号在无线通信信道中传播时会经历衰落，衰落深度可达3 0 d b 。信道 衰落主要分三种：电波在自由空间内传播，由于移动台和基站距离变大而产 生的传播损耗称为大尺度衰落；由于传播环境的地形起伏，建筑物和其它障 碍物对地波的阻塞或遮蔽而引发的衰落称为中尺度衰落；无线电波在空间传 播会存在反射、绕射、衍射等造成信号经过多条路径到达接收端，且每个信 号分量的延迟、衰落和相位都不同，因此接收端多个信号叠加时造成同相增 加，异相减小的现象，称为小尺度衰落小尺度衰落引起无线信号在经过短 时间或短距离传播后其幅度快速衰落，而中尺度和大尺度衰落此时可以认为 不变，本文将主要讨论小尺度衰落。 无线信道的多径导致小尺度衰落效应，主要表现在：经过短距离或短时 间后信号的强度急剧变化；在不同径信号上，存在时变的多普勒频移引起的 随机频率调制；多径传播时延引起的扩展( 回音) 。 1 多径时延扩展和相干带宽 多径传播信道中由于反射及反射物的存在导致发射波到达接收机时形 成在时间、空间上相互区别的多个无线电波。不同多径成分具有的随机相位 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 和幅度引起信号强度波动，导致小尺度衰落，信号失真等现象。多径传播常 常延长信号基带部分到达接收机所用时问，并产生码间干扰引起信号模糊。 多径信道的冲激响应可以表示为： 、 h ( t ，f ) = r k ( t ) 8 ( r 吖t ) ( 2 1 ) i 其中万( ) 为狄拉克一6 函数，q 为第七径的延迟时间，由于载体的移动性，以( f ) 为各径相互独立的均值为零的广义平稳窄带高斯复过程。在本文中，都假设 对各径功率的和进行了归一化处理，即； e 1 n ( 叫2 j = l ( 2 2 ) t 并认为n ( f ) 具有经典多普勒谱，其谱密度为： 弓= l a t o ， i ，| b ，则 接收信号为频率选择性衰落。 2 多普勒扩展和相干时间 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 时延扩展和相干带宽是用于描述本地信道时间色散特性的两个参数。然 而它们并未提供描述信道时变特性的信息。这种时变特性或是由移动台相对 于基站相对移动引起的，或是由信道路径中物体的运动引起的。多普勒扩展 和相干时间就是描述小尺度衰落内信道时变特征的两个参数。 多普勒扩展占b 是谱展宽的测量值，这个谱展宽是无线信道的时间变化 率的一种。多普勒扩展被定义为一个频率范围。当发射信号为频率为而的正 弦信号时，接收信号多普勒谱在西啦和五 啦范围内存在分量，其中五 是多普勒频移。普展宽依赖于五，西与载波频率工，移动台相对基站的移动 速度，移动台运动方向和散射波入射方向夹角口有关： 厶= 二二c o “口) ( 2 - 6 ) 其中c 为光速。若基带信号带宽远大于曰。，则在接收端可忽略多普勒扩展。 相干时间耳是多普勒扩展在时域的表示，用于在时域描述信道的时变 特性，它与多普勒频率成反比，如果时间相干函数值定义大于o 5 ，相干时 间近似为： * 丽9 ( 2 - 7 ) 其中厶为最大多普勒频移。信道相干时间越大，信道变化越慢；信道相干时 间越小，信道变化越快，因此信号参数与信道参数决定了不同的发送信号将 经历不同类型的衰落。 2 2o f d m 技术分析 近年来，由于d s p 技术的飞速发展，o f d m 作为一种可以有效 消除码间干扰( i s i ，i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 的高速传输技术，引起 了广泛关注，已经成功地应用于a d s l 、w l a n 等系统中，它可以 有效地消除信号多径传播所造成的i s i 现象，在移动通信中的应用是 大势所趋，将成为3 g 以后的关键技术 2 2 1o f d m 基本原理 o f d m 的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到速率相 对较低的若干个频率子信道中进行传输。而各个子信道是相互正交的，接收 机就是依靠这种正交性来解调o f d m 信号的。一个o f d m 系统的基本模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 如图2 1 所示。 且，一 富 e j 2 。厅 并 蔓，扣 + 转 换 e j 2 - i f 纽一 并 由 转 换 图2 1o f d m 系统基本模型图 f i g 2 1 m o d e lo fo f d mt e c h n i q u e 一个o f d m 符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号， 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k 表示子信道的个数，t 表示o f d m 符号的宽度， d ，a = o ，l ，k 1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，正是第0 个子载 波的载波频率，r e c t ( t ) = l ，h 兰t 2 ，则从t = f ，开始的o f d m 符号可以 表示为： 幽rf j ( f ) = d i r e c t ( t 一一专- ) e ) 【p u 2 万；o f i ) ) t js f + 丁 ( 2 - 8 ) m o s ( t ) = ot f + f j 其中实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际 中可以分别与相应子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，构成最终的子 信道信号和合成的o f d m 符号【5 1 。图2 3 给出了o f d m 系统基本模 型，其中正= 正+ i t 然后，将接收到的同相和正交矢量映射回数 据信息，完成子载波解调。 从式2 1 可以看出，o f d m 调制可以用离散付氏逆变换( i d f t ， i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 来实现【4 6 1 ，同样在接收端，o f d m 解调可以使用离散付氏变换( d f t , d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 来实 现，而d f t i d f t 又可以采用更加方便快捷的快速付氏变换 ( f f t i f f t ，f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 来 实现。i f f t 交换与i d f t 变换的作用相同，只是有更高的计算效率， 所以适用于所有的应用系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 2 循环前缀结构 f i g 2 2 s t r u c t u r eo fc p 为了最大限度的消除符号问干扰( i s i ) ，通常还要在o f d m 符号 之间插入保护间隔，而且该保护间隔长度l 一般要大于无线信道的 最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成 干扰。而为了消除多径所造成的载波间干扰( i c i ) ，则需要在保护间 隔内填入循环前缀( c p c y c l i cp r e f i x ) 信号，循环前缀中的数据是一个 0 f d m 符号后端数据的复制，如图2 2 所示。 一个采用f f t 的完整的o f d m 系统结构框图如图2 3 所示。发 送端将被传输的数字信号转换成子载波幅度和相位的映射，并进行 快速离散傅里叶反变换( i f f t ) 将数据的频谱表达式变到时域上其 中，上半部分对应于发射机链路，下半部分对应于接收机链路由 于f f t 操作类似于i f f t ，因此发射机可以使用同一硬件设备。但是， 这种复杂性的节约意味着该收发机不能同时进行收发操作【l 7 ”】 图2 3o f d m 收发机框图 f i g 2 3 t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ro fo f d m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 在接收端进行与发送端相反的操作，将射频( r f , r a d i o f r e q u e n c y ) 信号与基带信号进行混频处理，并用f f t 变换分解频域 信号，子载波的幅度和相位被采集出来并转换回数字信号。i f f t 和 f f t 互为反变换，选择适当的变换将信号接收或发送。当信号独立 于系统时，f f t 变换和i f f t 变换可以被交替使用。 2 2 2o f d m 系统的优缺点 通过对o f d m 基本原理和模型的分析，我们可以得出o f d m 具 有以下优点： ( 1 ) 把高速率数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符 号持续长度相对增加，从而有效地减少由于无线信道的时间弥散所 带来的i s i ，减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均 衡器，而仅仅通过采用插入循环前缀的方法消除i s i 的不利影响。 ( 2 ) 由于各个子载波之间存在正交性，允许予信道的频谱相互重 叠，因此与常规的频分复用系统相比，o f d m 系统可以最大限度地 利用频谱资源。当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于 2 b a u d h z 。 ( 3 ) 各个子信道的正交调制和解调可以通过i d f t d f t 来实现。 在子载波数很大的系统中，可以通过采用f f t i f f t 实现。而随着 l s i 技术与d s p 技术的发展，i f f t 与f f t 都是非常容易实现的。 ( 4 ) o f d m 系统可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下 行链路中不同的传输速率，满足无线数据业务中非对称性的要求。 但是，o f d m 系统由于存在多个正交的子载波，而且其输出信 号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： ( 1 ) 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 道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信 号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致较大的峰值平均 功率比( p a p r ，p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 。这就对发射机内放大器 的线性动态范围提出了很高的要求，因此可能带来信号畸变，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，产 生干扰，使系统的性能恶化。 ( 2 ) 易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 它们之间的正交性提出了严格的要求。由于无线信道的时变性，在 传输过程中出现的无线信号频谱偏移或发射机与接收机本地振荡器 之间存在的频率偏差，都会使o f d m 系统子载波之间的正交性遭到 破坏，导致子信道间干扰( i c i ) 。 2 3m i m o 基本原理 m i m o 系统是一种将信号的空间域与时域处理相结合的技术方 案，空间域的处理实际上是利用了多径环境中的散射体所产生的不 同子信号流的非相关性而在接收端对不同的信号流进行分离。 接收机 图2 4m i m o 系统原理框图 f i g 2 4p r i n c i p l eo fm i m os y s t e m 从2 1 节的分析我们可以知道，多径会引起衰落，因而被视为有 害因素。然而研究结果表明，对m i m o 系统来说，多径可以作为一 个有利因素加以利用。m i m o 系统在通信的收发双方分别使用一组 阵列天线，在发送端将一个用户的数据信息分成多路并行信号，并 分别由多个天线元同时、同频段发送；接收端依靠特殊的编码方式 与信号处理过程实现子信号流的分离，最后将恢复出的子信号流合 并为原有的发送串行信号。由于m i m o 系统将信道视为多个并行的 子信道，在不需要额外带宽的情况下实现近距离的频谱资源重复利 用，理论上可以极大的扩展利用率，提高无线传输速率，同时还增 强了通信系统的抗干扰、抗衰落性能。图2 4 是有个发送天线和 材个接收天线的m i m o 系统框图。 m i m o 系统的研究主要侧重两方面的功用：分集增益和复用增 益分集指多天线系统除了可包括原单天线系统中广泛使用的时间 分集和频率分集外，还有利用多天线收发的空间分集分集增益可 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 以提高系统的功率效率，即在接收相同误码率的情况下，减少发送 功率；或者在相同发送功率的情况下，误码率降低。提供分集增益 的m i m o 系统主要指各种空时编码。而复用增益的典型代表是各种 b l a s t 算法，利用发端不同的天线同时发送几路不同的数据，收端 采用特定的信号处理算法来恢复发送数据。这样相当于收发端有几 个并行的信道在同时工作，提高了频谱效率以上两种方案的主要 目标都是为了使频带利用率最大化也有同时追求分集增益和复用 增益的m i m o 系统设计，但是分集和复用会存在折中，分集的提高 会导致复用降低，反之亦然。 2 4m i m o o f d m 技术分析 m i m o o f d m 技术通过在o f d m 传输系统中使用阵列天线实现 空间分集，提高信号质量。由于联合使用时间、空间、频率三种分 集技术，使无线通信系统对噪声、干扰、多经的容限大大增加。发 送和接收框图如图2 5 所示 由 并 叫簧h 紊h 嚣园蓁篇门t 肿h 鬻h 粪 图2 5m i m o o f d m 系统发送和接收框图 f i g 2 5t r a n s m i t i n g r e c e i v i n gp r i n c i p l eo fm i m o o f d m 在发送端和接收端设置多副天线，输入的比特流经串并变换为 多个分支，每个分支都进行o f d m 处理，即经过编码、交织、映射、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 插入保护间隔、i f f t 变换、加循环前缀等过程，经天线发送到无线 信道；接收端进行与发射端相反的数据处理过程，如去循环前缀、 f f t 、解码，同时还进行信道估计、定时、同步、m i m o 检测等来恢 复原来的信号。 2 4 1m i m o o f d m 关键技术 从前面对m i m o o f d m 系统的分析和结构图，我们可以看到， m i m 0 o f d m 系统实现的关键技术主要是空时空频编解码，信道估 计、系统同步、p a p r 抑制，各部分占用系统资源的整合等。 对m i m o 系统来说，空时编解码是毋庸置疑的核心技术之一。 只有通过空时编解码才能够恢复从各个天线上得到的叠加的信号 也只有空时编解码才能够实现空间复用来增大数据率或者空间分集 来增加系统的可靠性。m i m o o f d m 系统来说，因为o f d m 存在频 率分集，所以可以进行空频编解码。本文主要是对空时编解码中的 分组空时码进行研究。 m i m o 系统能够增加信道容量或者传输可靠性的根本原理在于 信道的多样性，使得不同接收天线对收到的信号不同。空时编解码 一般要建立在信道信息已知的前提下信道估计的重要性要比一般 传统的无线调制解调系统中要重要的多在m i m o - o f d m 系统中， 由于o f d m 是正交频分复用的，信道由子信道组成，因此信道估计 要细分到子信道，是实现的重点也是难点。 在m i m o 系统中，由于发射天线的增加导致发射信号不但要受 到与传统单天线系统中相同的各种干扰的影响，还存在天线间干扰。 因此，m i m o 系统中的同步问题比单天线系统中要困难得多，许多 用于单天线系统的同步方法不能直接用于m i m o 系统。现在对于 m i m o o f d m 系统同步的研究还不是很多。 从o f d m 原理的分析中可以看出高p a p r 是o f d m 系统固有的 问题，因此在m i m o o f d m 系统中，也存在p a p r 过高的问题虽 然对于o f d m 的p a p r 问题研究的很多，但是对于m i m 0 o f d m 系 统的p a p r 抑制研究却是很少。本文在第四张和第五章针对空时编 码o f d m 的p a p r 问题进行了研究和仿真 一个完整的m i m o o f d m 系统的实现需要以上各个部分，每部 分都需要系统资源的额外开销。每个部分都不是独立的，对一个系 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 统整体来说必须对每个部分占用的资源进行整合，尽量重复利用， 使得占用的系统开销最少。并且，每一个部分的性能是和它所占用 的资源是有关系的，系统整体的性能要求各部分性能可以做到协调， 不要出现瓶颈。 2 4 2m i m o o f d m 信道模型 要研究m i m o o f d m ，必须要有好的信道模型对真正的无线 通信系统而言，发送信号经过无线移动信道后，除产生时延扩展外， 还受到多普勒频移的影响，用固定抽头系数的信道模型并不能完全 反映无线信道的特点，而且当m i m o 0 f d m 系统在高速的移动环境 下时，多普勒频移对误码率的影响更严重因此本文还考虑了多普 勒扩展的统计特性。假设发送端和接收端各有和m 个天线，它将 提供多个空间信道，而不会全部同时受到衰落的影响。 无线移动信道一般利用时变的信道冲激响应h ( r ；t ) 表示，j ( f ；厶) 是h ( r ；f ) 对t 的傅立叶变换，即 j ( f ；f o ) = ih ( r ；t ) e - j 2 4 d d t ( 2 - 9 ) 式中，f 为时延，厂d 为多普勒频移通常，当信道不相关的传输路 径条数足够多时，无线移动信道被看作一个高斯广义平稳非相关散 射( g w s s u s ) 模型的随机过程。于是，利用j ( f ；f o ) 的二位自相关 函数来描述该信道特性： 置( f ，f ；f o ，f o ) = 研j ( f ；f o ) s ( r 。；厶) 】 ( 2 - 1 0 ) 式中，s + 为j 共轭，有无线移动信道的广义平稳和非相关散射特性， 上式可以简化为： 置( f ，f ；f o ，f o ) ；艿( 厶一厶) 艿( f f 。) p a r ；厂d ) ( 2 - 1 1 ) 式中，p a r ；f o ) 为散射函数，j ( 厶一厶) 和1 ，( 2 - - f 。) 是冲击函数这样， ( f ；厶) 完全表征了无线移动信道的特性，它提供了信道平均功率输 出的度量。由于具有时延扩展和多普勒扩展的信道冲击响应可以进 一步表示为： p h ( r ；t ) = 熙专善e - 1 * o ) 8 ( t - 9 1 ) ( 2 - 1 2 ) 则信道可看作p 条不相关的路径组成，且o 。( f ) = 2 z ( 正+ i o ) 。第露条 路径的随机相位丸服从【o ，2 万】内的均匀分布，在g w s s u s 假设下，厶 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 和f 的联合概率密度p ( f ；f o ) 和( f ；f o ) 成正比。假设厂d 和f 相互独立， 则p ( f ；厶) 可表示成多普勒功率普p 魄) 和时延功率普p ( f ) 的乘积，即 只( f ；厶) p ( f ；厶) = p ( 厶) p ( f ) ( 2 - 1 3 ) 利用蒙特卡罗方法，根据p 魄) 和p ( f ) 产生大量的随机数厶。和 f ，带入公式( 2 - 1 1 ) 即可得到连续时问下的g w s s u s 信道。为便 于仿真，用离散模型描述g w s s u s 信道，把发送滤波器、信道、接 收滤波器以及采样结合在一起，用系数可变的有限抽头数的滤波器 表示，以一个符号周期作为抽头之间的间隔。整个系统在t 时刻的冲 击响应表示为： h m a ( r ；t ) = ( f ；f ) + g ( r ) + n ( f ) ( 2 - 1 4 ) 其中，g 。，( f ) = g ( r ) g + ( _ f ) ，弹( f ) = n ( r ) g ( 一f ) ，表示卷积，g 为 g 的共轭，g ( f ) 、h ( r ；t ) 、g ( 一f ) 分别为发送滤波器、信道以及接收滤 波器的冲激响应。再用一个滤波器等效信道时，可忽略加性噪声弹( f ) 的影响，则上式简化为： p ；f ) = h ( r ；t ) g w ( f ) ( 2 - 1 5 ) 当t = k t ，对( f ；f ) 以r 为周期进行采，得到一组复数，并作为此刻 滤波器的一组抽头系数： 以= h ( n t ；k t ) = 艘去善e j ( o , 2 s v f f ) g ( n t _ f j ) ，一= ，一l ( 2 1 6 ) 其中，“：是第j i r 时刻第一抽头的系数，所为滤波器抽头总数，当 f 仨 o ，( p 1 ) r 】时，h 。a ( r ；k t ) = o ，此时，整个传输过程即可等效为时 变的离散时间模型。 为了便于仿真，我们在后面的研究中，假设在一个符号传输期 间，随机信道矩阵元素保持不变，但在传输下一个符号时，信道矩 阵元素要发生随机变化 2 5 本章小结 本章首先对移动无线信道特性进行了分析和建模，接着对 o f d m 原理进行了介绍，对其优缺点进行了分析，这些优缺点也将 影响到m i m o o f d m 。然后对m i m o 技术进行了分析，最后对 m i m o o f d m 技术进行了研究，包括其关键技术和信道模型这些 为本文后面的研究做好了准备工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第3 章空时分组码技术仿真研究 本章首先介绍空时编码准则和类型，对分层空时码和网格空时 码进行仿真。然后研究空时分组码( s t b c ) 编译码方法，重点对差 分空时分组码及改进的引入冗余后的差分空时分组码( r i d s t b c ) 进行了分析研究，并对其性能进行仿真。 3 1 空时编码准则及类型 空时编码技术理论研究表明，它具有非常优异的性能：有效地补 偿了信道的衰减、不牺牲带宽，增加了系统的容量、有效地抑制了 噪声和干扰，并获得了很高的分集增益和编码增益。空时编码技术 大致可分为三类：分层空时编码，网格空时码和空时分组码。本节 将对其中的分层空码和网格空时码进行分析并给出仿真结果。 3