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北京邮电大学硕十学位论文空时编码协作分集 空时编码协作分集 摘要 随着移动通信技术的发展，传统的蜂窝网络技术在容量、覆盖和成 本方面面临一系列的局限性，主要有：系统容量、小区边缘、室内覆盖等 三方面问题。在无线通信系统中，多天线技术可以提供空间复用和分集增 益，是对抗衰落的有效的技术。在m i m o 基础上发展起来的各种空时码， 综合了空间分集和时间分集的特点，可以同时提供分集增益和编码增益， 空时码还可以获得很高的频带利用率。空时码包括空时格码，空时分层码， 空时分组码等。 本文作者在研究生攻读期间，一直研究协作分集技术，尤其是协作分 集当中的空时编码技术，而空时编码给协作分集系统所带来的性能提升就 有很大的研究意思。当在协作分集中加入空时编码，给系统的误码率，误 帧率，以及中断概率的性能都得到了很大提升，使无线信号的性能得到提 高。 作者在这篇论文中的工作内容和成果如下： 1 对l t e 中的中继、协作分集，以及空时编码等方面进行了较系 统的学习研究； 2 根据空时编码和协作分集的特点，提出了空时编码和协作分集 相结合的空时编码协作分集的新算法，并对比不同的通信系 统，通过计算机仿真分析了其性能； 3 研究了在多跳通信系统下的空时编码协作分集，提出了相应的 方案，对平衰落以及瑞利选择性衰落信道条件下的空时编码进 行了研究，通过仿真进行分析比较，得到了一些初步结论，对 今后的研究有一定的参考价值。 关键词：l t e 中继空时编码协作分集多跳 i i 北京邮电大学硕士学位论文空时编码协作分集 s p a c e t i 匝c o d e dc o o p e r a t i o nd i v e r s i t y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，t r a d i t i o n a l c e l l u l a rn e t w o r kt e c h n i q u eh a sas e r i e so fl i m i t a t i o n si nc a p a c i t y , c o v e r a g ea n d c o s t s t h e r ea r et h r e em a i np r o b l e m s ：s y s t e mc a p a c i t y , t h ee d g eo fd i s t r i c t ， i n d o o rc o v e r a g e i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，b e c a u s em u l t i - a n t e n n a t e c h n i q u ec a np r o v i d e ss p a c em u l t i p l e xa n dd i v e r s i t yg a i n ，i ti st h ee f f e c t i v e t e c h n i q u et oe l i m i n a t et h ei m p a c to fa r e n u a t i o n av a r i e t yo fs p a c e t i m ec o d e d e v e l o p e do nt h eb a s i so fm i m os y s t e m ，c o m b i n e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs p a c e d i v e r s i t ya n dt i m ed i v e r s i t y , c a np r o v i d et h ed i v e r s i t yg a i na n dc o d i n gg a i n s p a c e t i m ec o d ec a na l s op r o v i d eh i g hb a n d w i d t he f f i c i e n c y s p a c e - - t i m ec o d e s i n c l u d es t t c ，l a y e r e ds p a c e t i m ec o d ea n ds p a c e t i m eb l o c kc o d e s im a i n l ys t u d yo nc o o p e r a t i o nd i v e r s i t yr e s e a r c hd u r i n gp o s tg r a d u a t et i m e ， e s p e c i a l l yo nt h es p a c e - t i m ec o d et e c h n i q u ei nc o o p e r a t i o nd i v e r s i t y w h e na d d s p a c e t i m ec o d ei n t oc o o p e r a t i o nd i v e r s i t y , t h es y s t e mb e r ，f e ra n do u t a g e p r o b a b i l i t yh a v eb e e ng r e a t l ye n h a n c e d ，a n dt h ew i r e l e s ss i g n a lp e r f o r m a n c ei s i m p r o v e d i l l 北京邮电大学硕：t 学位论文空时编码协作分集 t h e w o r kc o n t e n t sa n dr e s u l t so ft h ew r i t e ra r ea sf o l l o w s ： 1 s t u d ya n dr e s e a r c ht h ek n o w l e d g eo fl t e ，r e l a ya n dc o o p e r a t i v e d i v e r s i t y 2 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so fs p a c e t i m ec o d ea n dc o o p e r a t i o n d i v e r s i t y , ia d o p ts p a c e t i m ec o d e dc o o p e r a t i o nd i v e r s i t ya l g o r i t h m c o m b i n e dt h es p a c e t i m ec o d ea n dc o o p e r a t i o nd i v e r s i t y 3 d or e s e a r c hi n s p a c e t i m ec o d e dc o o p e r a t i o nd i v e r s i t y u n d e r m u l t i h o pc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n ds e tu pt h ec o r r e s p o n d i n g s c e n a r i oa n dr e s e a r c ht h e s p a c e - t i m ec o d ei n f i a t f a d i n ga n d r a y l e i g hs e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fi ti n t h i sp a p e rp r o v i d ev a l u a b l er e f e r e n c ef o rt h ef u t u r er e s e a r c h k e yw o r d s ：l t e ，r e l a y , s p a c e - t i m ec o d i n g ，c o o p e r a t i o nd i v e r s i t y , m u l t i - h o p i v 北京邮电人学硕士学位论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：二叫终瑗d 耻日期：2 逝埠l 参扯 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：翌聋矗煅日期：逾互互! i 导师签名： 北京邮电大学硕士学位论文空时编码协作分集 1 1 课题背景 第一章绪论 3 g p p 长期演进( l t e ：l o n gt e r me v o l u t i o n ) 项目是近两年来3 g p p 启动的最大 的新技术研发项目，这种以o f d m f d m a 为核心的技术可以被看作“准4 g ”技术。 3 g p pl t e 项目的主要性能目标包括：在2 0 m h z 频谱带宽能够提供下行1 0 0 m b p s 、 上行5 0 m b p s 的峰值速率；改善小区边缘用户的性能：提高小区容量；降低系统 延迟，用户平面内部单向传输时延低于5 m s ，控制平面从睡眠状态到激活状态迁 移时间低于5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于l o o m s ；支持1 0 0 k m 半径的小区覆盖；能够为3 5 0 k m h 高速移动用户提供 1 0 0 k b p s 的接入服务；支 持成对或非成对频谱，并可灵活配置1 2 5m h z 到2 0 m h z 多种带宽。其中，中继 技术是其研究的一个方向。 在传统的蜂窝网络中，基站与移动台之间的无线连接是直接的无线连接，也就是 采用“单跳 的概念。随着移动通信技术的发展，传统的蜂窝网络技术在容量、覆盖 和成本方面面临一系列的局限性，主要有三方面的问题：第一，由于移动用户的数量 高速增长，移动数据业务量不断增长，因此带来的问题是系统容量问题，即在有限的 频谱资源中支持尽可能多的用户。第二，基站发射的信号随着用户与基站之间的距离 增加而不断衰减，当用户位于小区边缘时，由于信号强度较弱，用户能够接收的数据 业务传输速率也变小，即产生无线数据业务中的小区边缘问题，这成为进一步提高数 据业务服务质量的关键因素。第三，室内覆盖问题也是数据业务发展的瓶颈。当来自 室外的无线信号穿透墙壁时，会产生很大的衰减，使用户获得的服务质量下降。因此， 在传统蜂窝网络中引入无线中继。 无线中继的基本思想是使用中继节点r s 将基站的信号重新处理后再发送出去。 从传输策略来分，中继共有四种不同的传输策略，分别为：d f d e c o d ea n df o r w a r d ； a f a m p l i f ya n df o r w a r d ；c f c o m p r e s sa n df o r w a r d ；其中d f 又可分为r d f ( r e g e n e r a t i v e d e c o d ea n df o r w a r d ) 及n d f ( n o n r e g e n e r t i v ed e c o d ea n df o r w a r d ) 。r d f 为当中继能 够可靠及正确接收到发送端发送的信息后，中继将信息解码，并通过与源端相同的编 码方式重新编码后将消息发送出去。n d f 与r d f 不同的是，中继采用与发送节点不 北京邮电大学硕士学位论文 空时编码协作分集 同的编码方式编码，并将消息发送出去。a f 模式是中继将接收到的信号放大后即进 行传输。而c f 模式是由中继将源端的信息进行压缩后再传送。若考虑单用户的容量， a f 及c f 比d f 能够提供更好的系统性能。系统可以采用双工、半双工方式( t d d 、 f d d ) ，t d d 方式采用时隙的分配，中继、基站采用不同的时隙进行传输。而f d d 则采 用不同的频带( 信道) 进行传输。 为了解决m i m o 技术的应用所遇到的问题，一种新的空域分集技术协作分集 应运而生。协作分集技术允许散布在网络中的终端作为中继节点转发接收到的信息， 通过属于不同终端的天线之间的协作，构成分布式虚拟天线阵列来获取空间分集，从 而提高无限通信系统的传输可靠性。协作分集不需要终端配备多根天线，克服了发送 端由于受体积、工艺等多方面限制无法安装多根天线的困难。本文将对l t e 当中加入 中继的协作分集技术当中的空时编码进行研究。 1 2 论文结构 本文共分为五章： 第一章：简要介绍论文的课题背景和作者在课题工作中所完成的主要任务： 第二章：对空时编码相关技术做简要介绍： 第三章：研究了空时编码技术及其相关检测算法； 第四章：研究了空时编码协作分集的方案，并对不同的通信系统进行了性能比 较，提出了在多跳通信系统下空时编码协作分集，并对其性能进行了分析； 最后一部分是结束语和参考文献。 2 北京邮电大学硕十学位论文窄时编码协作分集 2 1l t e 介绍 第二章空时编码相关技术概述 l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，长期演进) 项目是3 g 的演进，l t e 并非人们普遍 误解的4 g 技术，而是3 g 与4 g 技术之间的一个过渡，是3 9 g 的全球标准，它改进 并增强了3 g 的空中接入技术，采用o f d m 和m i m o 作为其无线网络演进的唯一标 准。在2 0 m h z 频谱带宽下能够提供下行1 0 0 m b i t s s 与上行5 0 m b i t s s 的峰值速率。改 善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。 2 2 中继技术介绍 2 2 - 1 中继技术的概念 在传统的蜂窝网络中，基站与移动台之间的无线连接是直接的无线连接，也就是 采用“单跳”的概念。随着移动通信技术的发展，一种新的无线网络技术逐渐浮现。 这种技术在基站与移动台之间增加了一个或多个“中继节点 ，负责将无线信号做一 次或者多次转发。也就是说，无线信号要经过“多跳”才能到达移动台。这就是中继 ( r e l a y ) 技术。 2 2 2 传统的蜂窝网络技术缺点 l 、伴随着移动通信的用户量和业务量的不断增长，随之而来的是容量问题，即 在有限的频谱资源中要支持尽可能多的用户。在传统蜂窝网络中，如果运营商所拥有 的频谱资源数量有限，就只能通过小区分裂来增加容量。但是，考虑到基站的站址以 及小区之问的干扰问题，小区分裂不可能无限制的进行。用小区分裂的方法提高容量 有一定的限制。 北京邮电大学硕十学位论文空时编码协作分集 2 、无线数据服务中的小区边缘问题。当用户位于小区边缘时，由于信号强度比 较弱，用户能够享受到的数据业务传输速率也变得很小。也就是，它是进一步提高数 据业务服务质量的关键因素。 3 、室内覆盖问题也是数据业务发展的瓶颈之一。对数据业务来说，大部分话务 量都集中在室内，来自室外的无线信号在穿透墙壁的时候，会产生很大的衰减，是用 户获得的服务质量下降。 在传统蜂窝网络中，一般是用微蜂窝或者直放站来解决上述问题。但微蜂窝往往 成本比较高，而直放站会带来干扰问题，增加小区规划的难度。由于中继技术具有提 高蜂窝网络的容量和覆盖能力，对中继技术的研究成为近年来国内外学者研究的热点 课题。 2 2 3 无线中继的分类 无线中继的基本思想是使用中继节点将基站的信号重新处理后再发送出去。用户 设备可以直接从基站( b s ) 接入网络，也可以从中继节点接入。经过中继节点的时候， 有可能经过一个中继节点，也可能经过多个中继节点。无线中继可以有下列几种分类 方法。 1 、按中继节点的能力分 中继节点可以分为高能力和低能力两种：低能力中继节点的处理过程很简单。例 如：中继节点只是接收信号，直接放大后发送给移动台。高能力中继节点处理一部分 媒体接入控制( m a c ) 层，甚至层3 以上的功能。具体采用何种方式取决于实际应 用的场景以及需要解决的问题。 2 、按中继节点的移动性可分为固定无线中继和可移动无线中继 固定无线中继是指中继节点和基站所构成的无线网络的拓扑结构是固定不变的。 也就是说，每个中继节点只负责转发特定基站的信号。固定无线中继有三种主要的应 用方式：( 1 ) 在小区的覆盖范围内，特别是在小区的边缘增加适当的中继节点，可 以改善小区边缘的覆盖，从而提高小区边缘的服务质量；( 2 ) 在原小区的覆盖范围 以外设置适当的中继节点，将来自基站得信号放大，从而扩大小区的覆盖范围。由于 中继节点的成本通常比基站的成本低，这种扩大覆盖范围的方式可以降低成本；( 3 ) 使用中继技术改善室内覆盖。通常，建筑物的墙壁等对无线信号有很强的屏蔽作用， 在建筑物的转角处设置适当的中继节点，负责转发信号，将大大改善室内覆盖情况。 这种方式也可以应用于其他难以用基站信号进行覆盖的地方，如地铁和隧道等。 可移动中继相对于固定无线中继来说适合一些更加特殊的应用场景。比如对高速 移动的列车进行覆盖，用户始终通过车上中继节点接入网络，而中继节点负责将信号 转发到铁路沿线的基站上。这样，当列车在行驶过程中，用户无需切换，切换只在中 4 北京邮电大学硕士学位论文字时编码协作分集 继节点和铁路沿线的基站之间进行。可移动中继还可应用于突发的话务量，如重大事 件的现场、群众集会等。可移动中继的另外一种应用是在用户较密集、传输环境复杂 的区域，利用数量众多的用户终端作为中继实现多空间分集、用户分集的增益。 2 2 4 无线中继的关键技术研究 作为一种新型的无线网络技术，中继技术很多关键技术还处于理论研究阶段。 1 、满足中继要求的帧结构 在中继系统中，由于增加了中继节点，一定会增加额外的时延，并且随着链路中 跳数的增加，资源也被大量占用，在帧结构中考虑资源的复用将使得帧结构更加灵活 和有效。帧格式的制定是在b 3 g 4 g 中引入中继技术的基础。 2 、中继节点的协作 在中继系统中，信号可以通过不同的中继节点到达用户终端，因此，通过中继节 点之间的协作，可以提供宏分集的效果。本文将对协作分集中的空时编码技术展开研 究讨论。 3 、中继网络的无线资源管理 包括中继链路的资源分配，中继网络的资源分配，采用o f d m a 方式的中继网络 的资源分配和调度这四个方面。 4 、频谱分配技术和中继的选择 一个妨碍使用中继技术的因素是要为b s r s ，r s m s 的传输分配资源。可以利 用未授权的频谱资源来建立多跳连路( 异构空中接口) ，但是这种方法使得系统结构 以及m s 和中继节点功能复杂。因此采用同构空口是一个更好的解决方案。由于中继 节点采用无线方式转发信号，所以中继节点和基站之间就存在着频率资源共用的问 题。因此，需要在基站和中继节点之间进行频谱分割和干扰协调。在多跳中继网络中 的频谱分配技术本质也是对多跳中继网络进行干扰分析。实现方式有多种，基于复用 划分，基于覆盖面积，基于频谱效率等。 5 、协作分集技术 协作分集技术是基于中继系统中多个中继之间，进行信号的协作，得到分集增益， 从而提高系统的性能。以下将对协作分集技术作详细的介绍。 实践经验表明，传统的蜂窝网络结构在进一步提高网络容量、改善覆盖和降低成 本方面遇到了很多限制。中继技术突破了传统的无线网络结构的限制，从而为进一步 改善移动通信网络的服务质量奠定了基础。 北京邮电大学硕士学位论文空时编码协作分集 2 3 协作分集技术介绍 协作分集技术可以通过在发射端发射多个信号样本，在接收端合并多个经历独立 衰落的信号样本，以对抗无线信道中的衰落。常见的分集方式主要有时间分集、频率 分集和空间分集，其中空间分集技术不需要占用额外的时间和频率资源，并且可以很 容易的和其他分集方式相结合，因而更具吸引力。 2 3 1 协作分集技术的基本思想 空间分集的基本思想是利用空间上分离的多个发射信号样本或多个接收信号样 本( 多个不相关的信道) 来对抗多径衰落。传统的空间分集技术通过在接收端和发射端 同时安置多个天线，形成多入多出( m i m o ) 信道结构，从而充分利用了空间资源，大 幅度提高了信道容量。然而，在很多场景下( 如手持终端的大小、成本和工艺等) ，这 种利用多天线结构的传统空间分集并不实用。 为了解决m i m o 技术的应用所遇到的问题，一种新的空域分集技术协作分 集应运而生。协作分集技术允许散布在网络中的终端作为中继节点转发接收到的信 息，通过属于不同终端的天线之间的协作，构成分布式虚拟天线阵列来获取空间分集， 从而提高无限通信系统的传输可靠性。协作分集不需要终端配备多根天线，克服了发 送端由于受体积、工艺等多方面限制无法安装多根天线的困难。 协作分集技术的最初思想源于m e u l e n 在上世纪六、七十年代提出的三终端( 源节 点、中转节点以及目的节点) 基本转发模型。自2 0 0 0 年以来，研究的侧重点主要考虑 在衰落信道下，转发带来的空间分集增益。协作分集技术允许无线网络中多个分布在 不同地理位置的终端之间进行协作，虽然这些终端均只配备单根天线，但仍然可利用 多条独立衰落信道获取空间分集的好处，从而有效对抗无线媒介中的多径传播所带来 的信号衰落。因为在一个多用户组成的无线网络中，单天线移动台之间共享它们的天 线，相当于通过分布式的传输和信号处理构建了一个虚拟的m i m o 系统。 6 北京邮电大学硕十学位论文空时编码协作分集 2 3 2 两用户协作原理图 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 图2 - 1 协作分集的基本过程 以蜂窝系统环境下两用户之间的协作为例，介绍一下协作分集的基本过程。小区 中的每个用户都有一个合作伙伴，互为伙伴的两个用户除了要传输自己的信息之外， 还要负责传输其合作伙伴的信息。如图2 1 所示，两个用户u s e r1 和u s e r2 互为合 作伙伴，u s e rl 除了要向基站( b s ) 传送，还要把从u s e r 2 接收到的信息发送给基站。 同时，u s e rl 的一部分信息也由u s e r 2 接收，并转发给基站。同时，u s e r1 的一部分 信息也由u s e r2 接收，并转发给基站。这样，u s e r1 和基站之间就产生两条独立衰落 路径：一条是u s e rl 与b s 之间的直接传输路径；另一条是u s e r1 ，u s e r2 与b s 之 间的间接传输路径。从本质上说，协作分集就是希望借助于合作伙伴的天线，与其自 身天线共同构造多发射天线，并通过模仿传统的多发射天线分级来获得空间分集增 益。如果在某个时段用户没有信息要传送，那么在没有协作时其资源只能闲置，而协 作分集则可以实现用户资源的充分利用。另外，在用户资源没有闲置时，用户既要传 送自己的信息，又要传送其合作伙伴的信息，会牺牲一部分自己的资源，但另一方面， 用户也通过协作分集利用了其合作伙伴的空域资源。只要合理的设计协作方案，完全 可以做到协作分集带来的增益大于其所付出的代价。综合来讲，协作分集可以更有效 的利用整个网络的资源，使网络性能更稳定。 2 3 3 协作分集机制 目前协作分集主要有：放大中继法( a m p l i f ya n df o r w a r d ) 、译码一中继法( d e c o d e a n df o r w a r d ) 与编码协作法( c o d e dc o o p e r a t i o n ) 。 1 、放大中继法( a f ) 放大中继法是一种简单的协作处理方法，即中继节点接收到加有噪声的源节点 7 、l-i， 向=舛 北京邮电大学硕十学位论文卒时编码协作分集 的信号后，将其值放大并转发给目的节点，而放大即为中继端的线性转换过程。该方 式将发送分为等间隔的两块来进行，一块用于源端的发送，另一块用于中继端的发送。 发送端的发送信号为：鼍【k 】k = 1 ，2 ，甩，中继的接收信号为：】：【k 】 k = l ，2 ，力。中继节点发送信号为： 墨h = 犀】： k - n ，k = n + l ，n + 2 $ oo ，2 n 其中，为满足功率约束，增益，的取值为( 2 ) ： 厂i 一 l - - - 瓦赢( 2 - 1 ) 其中，日，。为源和中继之间的衰落系数，本方案可以看作两个相互独立的发送者的重 复的传输，不同的是中继在发送时将自己的接收噪声也进行了放大。 目的节点以一定的准则合并从中继节点以及源节点接收到的两路独立的衰落信 号并对传输的比特进行最终判决。在这种方案中，虽然噪声也被放大了，但由于分集 的作用，最后检测结果的性能还是改善了。研究表明，在两个用户和高信噪比情况下， 该机制获得的分集阶数为2 。在放大中继机制中，如果用户间信道系数已知，就可以 进行最优译码，所以该机制必须进行必要的信道估计和信息交换。对该机制而言，另 一个挑战是对模拟信号进行抽样、放大和重传，但这种技术并不简单。总之，该机制 还是较简单的协作机制，方便分析，对进一步理解后面的协作通信系统非常有帮助。 2 、译码中继法( d f ) 译码中继法的思路是中继节点对从源节点接收到的信号进行判决检测，并将得 到的信息重新编码后发送给接收端。中继对发送端发送的消息的重新编码并不一定采 用与发送端相同的编码方案，解码和编码的过程是对接收信号的非线性变换，中继端 的解码操作可以降低接收噪声的影响，但是衰落带来的影响也会限制系统的性能。 与a f 相同，d f 中同样将发送分为等间隔的两块进行，中继节点的发送信号为 ( ) ： 墨【尼】= 考劈s 尼一咒】，后= 刀+ 1 n + 2 ，2 ，z ( 2 - 2 ) 其中，墨 k 】k = l ，2 ，z 为发送端的发送信号，中继通过自己的接收信号r 【k 】 k = 1 ，2 ，咒检测得到信号时s 【k 】，并将时s 【尼】进行重新编码。目的节点以一定的准则 合并从中继节点以及源节点接收到的两路独立的衰落信号并对传输的比特进行最终 判决。 北京邮电大学硕士学位论文空时编码协作分集 此过程性能的改善是通过在不同空间信息重传冗余信息得到的。无论采用何种编 码方式，重复编码或类似编码，都会带来分集增益，但获得的分集阶数为1 。 3 、编码协作法( c c ) 编码协作可以看作译码中继法的一种特殊情况，可分为两大类，编码协作和空时编 码协作。编码协作将信道编码和节点转发相结合，仅在自己的多址信道发射协作信息， 而空时编码协作中用户不仅在自己的多址信道而且在其协作用户的多址信道发射信 息。编码协作的工作原理是中继节点接收到的信号进行正确译码，再进行编码后转发 给目的节点。此过程通过编码对信号添加不同的冗余信息，获得空间和编码的双重冗 余、实现空域和码域的双重分集，从而改善系统性能。 9 北京邮电大学硕上学位论文字时编码协作分集 第三章空时编码的基本原理和技术描述 本章主要介绍空时编码的基本原理和概念，以及空时编码的各种应用方案。首先， 对空时编码的基本类型进行分析，包括块编码，分层空时码和空时格码，以及空时格 码的编码器结构。并重点对空时编码的检测算法进行分析和比较。 3 1 空时编码类型分析 在本论文中，作者研究协作分集中不同类型的空时编码的应用以及性能。以下将 逐一介绍。 3 1 1 空时块编码( s t b c ) 空时块编码最先是由a l a m o u t i 引入的。这种空时块编码的最大优势在于，采用 简单的最大似然译码准则，可以获得完全的天线增益。 空时块编码( s t b c ) 方案： 在这种编码方案中，每组m 比特信息首先调制为m = 2 ”进制符号。然后编码器 选取连续的两个符号，根据下述变换将其映射为发送信号矩阵。 广1 x ：lx l 叫2i( 3 1 ) l x 2五j 第一个协作用户发送信号矩阵的第一行，第二个协作用户发送信号矩阵的第二 行。编码器结构如图3 1 所示。 卧回一 广。_ 、 j 。枣 恻五- i 4 7 j7 户空l x 2 五- jj 。 图3 - 1a l a m o u t i 空时块编码器结构 1 0 北京邮电大学硕士学位论文宅时编码协作分集 由图可知，a l a m o u t i 空时编码是在空域和时域上进行编码。令协作用户1 和协作 用户2 的发送信号矢量分别为 z l = x , , - x ；i x 2 = t x ：，z 叫 ( 3 2 ) 这种空时编码的关键思想在于两个天线发送的信号矢量相互正交，即 x 1 ( 工2 ) 日= x l x ：- - x 2 + x 1 = 0 ( 3 3 ) 相应的，编码矩阵具有如下性质 jf再j，=l i 】1 1 21 i j f 2 1 2 i ：0 0 x , i + l x 2 l ：i = = ( 1 工j 1 2 i ，c ：1 2 ) 二( 3 4 ) l - j 。 式中，1 2 是2 2 的单位矩阵。 协作用户1 和2 的块衰落信道响应系数为 h l = l h i l e j a i , h 2 = i h 2 i e 岛 ( 3 - 5 ) 在接收端，相邻两个符号周期接收到的信号可以表示为 二三荔鬈嚣 协秒 式中，l l 和以：表示第一个符号和第二个符号的加性白高斯噪声样值。 3 1 2 分层空时码 分层空时码最早是由贝尔实验室的f o s c h i n i 等人提出的。他们最初提出的对角化 分层空时码可以达到m i m o 信道容量的下界。分层空时码的最大优点在于：允许采 用一维的处理方法对多维空间信号进行处理，因此极大的降低了译码复杂度。 1 、分层空时码( l s t ) 的分类和结构 分层空时码实际上描述了空时多维信号发送的结构，它可以和信道编码进行级 联。最简单的未编码分层空时码就是著名的v - b l a s t ，即垂直结构的分层空时码( v l s t ) ， 其编码方式如图3 2 。信息比特序列c 首先经过串并变换，得到并行的刀，个子码流， 每个码流可以看作一层信息，然后分别进行m 进制调制，得到调制符号 五i ，i = 1 , 2 ，n r ，最后发送到相应的天线上。 北京邮电大学硕十学位论文 窄时编码协作分集 图3 - 2v l s t 的结构 如果与编码器结合，可以得到各种结构的分层空时码。图3 3 和图3 4 给出了两 种水平分层空时码( h l s t ) 的结构。图3 5 给出了对角化分层空时码的结构。 图3 - 3h l s t 的一种结构 图3 4h l s t 的另一种结构 h l s t 的两种结构都要经过编码，调制和交织处理，所不同的是编码器和串并变 换的位置略有差别，他们的编码矩阵都可以表示为t x = _ x l 毫 彳 耳r 1 2 ( 3 - 7 ) l # ； 北京邮电大学硕士学位论文 空时编码协作分集 前述的h l s t 只利用了时域上的交织作用，如果采用空时二维交织，可以获得更 好的性能。这就是图3 5 所示的对角化分层空时码( d l s t ) 和螺旋分层空时码( t l s t ) 结构。 l编码器 调制器交织器 r l p 空间 一 交织 弋 r编码器 调制器交织器 图3 - 5d l s t 和t l s t 的一般结构 在d l s t 结构中，每一层的编码调制符号流沿着发送天线进行对角线分布，因此 得名。也就是说，从天线1 到天线刀r ，发送的符号之间进行了空时二维交织处理。以 r = 4 为例，这种处理可以分为两步，第一步处理，各层数据之间要引入相对时延， 对应的符号矩阵为 而1 吒1 0 彳 0 0 0 0 z ： 石? x ： 霉 t 0 x ： x ； 石： 霹 z x ： x ： x ： x ； x ； 霉 z 工； x ： 第二步处理，每个天线沿对角线发送符号，因此符号矩阵为 x i l0 02 2 2 0 z 00 ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) 由于d l s t 引入了空间交织，因此其性能要比v l s t 和h l s t 更好。但观察d l s t 的编码矩阵机构可知，由于在矩阵的左下方引入了一些0 ，导致码率或频谱效率小于 1 ，从而有一定损失，采用螺旋分层空时码。以n r = 4 为例，这种处理对应的符号阵 为 1 3 x ： x ； 右 x ： z ； z x ； x i 霉 石； x ； x ； 石： z x ； x ； x ； x ； x ； 工： x ： z ； z ； x ； z ； x ； ( 3 1 0 ) 霉霉霉 ，筋。勃，所 l 霹霉0 霹 矗0 o o ，鲰，鲰，凤。鲰# 霹霉g：，。弥t 霉，知，缸，舢。缸砖霉吐爰z爿彳0 矸 北京邮电大学硕上学位论文 空时编码协作分集 有编码结构可知，t l s t 的每一列实际上是原始符号矩阵的循环一位。通过循环 操作，引入了空间交织，并且数据速率没有损失。 分层空时码的译码有多种算法，比较优越的算法包括最大似然译码( m l d ) 算法 和各种简化算法，包括迫零( z f ) 算法，q r 分解算法和m m s e 算法。 3 1 3 空时格码( s t t c ) 空时块码能够获得分级增益，但不能提供编码增益。分层空时码能够极大地提高 系统的频谱效率，但它一般不能获得完全的分集增益。t a r o k h ，s e s h a d r i 和c a l d e r b a n k 首次提出将信道编码，调制及收发分集联合优化的思想，构造了空时格码( s t t c ) 。 s t t c 既可以获得完全的分集增益，又能获得非常大的编码增益，同时还能提高系统 的频谱效率。 1 、s t t c 信号模型 假设空时编码系统，发射端有n r 个天线，接收端有刀r 个天线。在t 时刻，送入 s t t c 编码器的二进制信息比特流为 c t = ( c ；，c ? ，c 7 ) ( 3 i i ) s t t c 编码器将m 个信息比特编码为p n r 个编码比特，送入m = 2 ”进制的线性调 制器，经过串并变换后，成为p 维的符号矢量 = ( 爿，# ，r r ) r ( 3 - 1 2 ) 这并行的刀，个输出同时送入对应的天线单元，就完成了s t t c 的编码工作。这 样整个s t t c 编码器的码率为r = m p n r 。s t t c 编码系统的结构如图3 - 6 所示。 图3 - 6s t t c 编码器结构 空 时 解 调 输出 信息流 令t 时刻第i 个天线的发送符号为、：酗，其中彩是归一化的调制信号，e 表示信号 1 4 北京邮电大学硕士学位论文 空时编码协作分集 能量，如前所述，在t 时刻符号序列萃j ，、：曩j ：l r 是同时发送的。在接收端，每个天 线上接收到的符号是，l r 个发送天线收到独立心到衰落后的线性叠加信号。令表示 接收端第j 个天线t 时刻接收到的信号。则该信号可以表示为 r , j ：艺t 辱f + 疗? ：1 ，2 ，f ：l ，2 ，( 3 - 1 3 ) 式中，m 是数据帧长，刀，( 后) 是复百高斯随机序列，均值为0 ，其实部与虚部的 方差为玩r 【r e ( ，l 州= 砌厂j i m ( 以川= 。2 。信道衰落系数表示t 时刻，从发送天线i 到接收天线j 的路径增益，i = 1 ，2 ，以r ，j = 1 ，2 ，玎矗。假设信道衰落为准静态衰落， 则信道响应为高斯随即过程，均值为0 ，方差为1 ，在一帧中衰落系数保持不变。 令t 时刻接收信号矢量为 噪声矢量为 信道响应矩阵为 = ( 一，r , 2 ，r t ) r n ，= ( n l ，刀? ，垆) r h t = 口i l口i 2 口i 即 口；。l口：，2 口；晰 ：。 ： 口：。，l 口幺。2口：。册 则t 时刻系统的矢量表示形式为 2h f x t + 玎f ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 则信道响应矩阵的统计特性满足e ( q ) = o ，e ( h t h 夕) = l ，j 竹表示，z r 阶单位矩 阵，h 表示共轭转置。噪声矢量的统计特性满足e ( ，z ，) = o ，e ( n ，n t ) = 0 ，即。 如果去掉时问下标，则接收信号的总体矢量形式为 r ：扣e - f h x + n ( 3 1 8 ) 式中，z r 厂维接收信号矩阵r = ( ，吃，) ，表示一帧的接收数据；刀r ， 维发送信号矩阵x = ( ，x ：，) ，表示一帧的发送数据；，l 足( ，z7 以) 维信道响应 矩阵日= ( h ，日：，日叶) ，表示一帧时间内的信道响应；力r n s 维噪声矩阵 北京邮电大学硕士学位论文 窄时编码协作分集 = ( 玎1 ，n 2 ，刀，) 。 2 、s t t c 编码器结构 前面介绍了s t t c 系统的信号模型，下面详细描述s t t c 编码器的一般结构。 s t t c 编码器实际上是定义在有限域上的卷积编码器。对于刀下个发送天线，采用m p s k 调制的s t t c 编码器。 编码器输入的信息比特流c 可以表示为 c = ( c o ，c l ，一，c t ，) ( 3 - 1 9 ) 式中，c f 表示t 时刻的m = l o g ：m 比特矢量 c ，= ( c ；，c ? ，c ，) ( 3 - 2 0 ) 编码器将输入比特流映射为m p s k 调制符号流，可以表示为 x = ( x 0 ，而，) ( 3 - 2 1 ) 式中，表示t 时刻的符号矢量，即 = ( z ，# ，妒) r ( 3 - 2 2 ) 如图3 7 所示，s t t c 编码器由移位寄存器，模m 乘法器和加法器等运算单元构 成。m 个比特流c ic 2 ，c ”送入编码器的一组m 个移位寄存器中，第k 个输入比特流 c = ( c ；，c ；2 ，c ，) ，( 七= 1 , 2 ，研) ，送入第k 个移位寄存器中，然后与相应的编码器 抽头系数相乘，所有乘法器对应的结果模m 求和，得到编码器的输出符号流 z = ( x 1 ，x 2 ，z 竹) 。m 组抽头系数可以表示为 9 1 = 【( g ：p g0 ，1 ：，g j 晰) ，( g ：1 ，g i ：，g i 却) ，( g j ，。，g 1 ：，g j ，竹) 】 9 2 = 【( g 主。，g 盖：，g 主却) ，( g i ：。，g 。2 ，：，g i 嘶) ，( g v 2 ：，。，g 竞，：，g 乏，却) 】 i g ”= m 。，g 爱：，g 磊，) ，( g 嚣，g ，9 0 ，) ，m 。，。，g z ，：，g , - ，竹) 】 ( 3 2 3 ) 式中，抽头系数g 羔， 0 , 1 ，m - 1 , k = 1 , 2 ，删，j = l ，2 ，v i ，i = 1 ，2 ，z r ，屹 是第k 个编码分支的记忆长度。 由此，t 时刻第i 个天线编码期的输出符号彩可以表示为 1 6 北京邮电火学硕士学位论文 空时编码协作分集 肌 h 誓i = g 羔，4 - m o d m ，i = 1 ，2 ，刀， k = l7 - - 0 编码器中移位寄存器的总数则为 v = z v 。 k = l 则s t t c 编码器对应的t r e l l i s 状态数为2 ”。 ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) 上述的抽头系数组合实际上就是卷积编码器的生成多项式系数。一般地，s t t c 编码器可以用生成多项式描述，即 h 钟( d ) = g 乞d 7 = g o k , ，+ 9 0 d + + g 支，d m o d m y = o k = 1 , 2 ，朋，i = 1 , 2 ，刀r 则s t t c 编码器对应的多项式生成矩阵可以表示为 g ( d ) = 3 2 空时编码译码算法 g ? ( d ) g ：( d ) 磷，( d ) 研( d )g ；( d g ：( d ) g ，( d ) g ? ( d g 三( d ) ( 3 2 6 ) ( 3 - 2 7 ) 空时编码具有多种译码算法，最优算法是最大似然译码( m l d ) 算法。同时还有 许多简化算法，常用的简化算法包括迫零( z f ) 算法，q r 分解算法及m m s e 算法。 以下将逐一介绍。 3 2 1 最大似然译码( m l d ) 算法 假设接收机可以获得理想信道估计，则最大似然译码算法要求在信号星座图上最 小化如下的欧式距离度量 d 2 ( 1 ，矗毛+ 办z 曼z ) + 矗2