（通信与信息系统专业论文）mimo系统中的空时编码研究.pdf

摘要 摘要 在未来的移动通信系统中，人们对通信业务的追求将从单纯的语音业务扩展到包 括视频、图像在内的大数据量、高速率的多媒体业务，这种高速无线数据接入业务与 用户数量的迅速增长，需要更高速率、更大容量的无线链路的支持。然而单纯以增加 带宽、功率的方式来扩展信道容量是不切实际的。多输入多输出( m i m o ) 技术是无 线通信领域的重大突破，它利用空间中增加的无线传输信道，在发送端和接收端采用 多天线( 或天线阵列) 同时发送信号。由于各发射天线同时发送的信号占用同一个频 带，所以并未增加带宽，因而能够成倍的提高系统的容量和频谱利用率，被公认为是 无线通信技术的未来发展趋势。空时编码技术是一种建立在m i m o 技术的基础上来 提高系统频带利用率的编码技术，在不同天线发送的信号间引入了时域和空域相关， 可在不增加带宽和发送功率的情况下，极大地提高信息传输速率和改善信息传输性 能，因而为实现高速可靠的无线数据通信提供了一条新的解决途径。 本论文的主要工作如下： l 、介绍了无线衰落信道模型、分集技术，同时介绍了空时编码的系统模型，以 及平坦衰落信道下的空时编码设计准则； 2 、深入研究了正交和准正交空时分组编码的编译码算法，通过仿真曲线比较了 各种方案的性能； 3 、详细阐述了代数空时码，引入分层空时编码的思想，提出了一种高速率全分 集的分层块空时码，并通过仿真结果对其进行了性能分析； 4 、针对分层块空时码译码较复杂的特点，又提出了一种改进的编码方案以及简 化的译码算法，最后对不同的方案进行了性能仿真和比较。 关键词：多输入多输出；发射分集；空时分组编码：分层块空时码 ab s t r a c t a b s t r a c t i nt h ef u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h ec o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n t sw i l l e x p a n df r o ms i m p l ev o i c eb u s i n e s st oh i g hr a t em u l t i m e d i ab u s i n e s si n c l u d i n gv i d e o ， i m a g e t h e r ei sa l li n c r e a s i n gc a p a c i t yd e m a n df o rh i g hs p e e dw i r e l e s sd a t aa c c e s ss y s t e m w i t hc o n t i n u ei n c r e a s i n go f t h ea m o u n to fs u b s c r i b e r s i tm a yn o tb ee f f i c i e n to re v e n p r a c t i c a b l et oe x p a n dt h ec h a n n e lc a p a c i t yb yp u r e l yi n c r e a s i n gt h eb a n d w i d t ha n dt h e t r a n s m i t p o w e r d u et ot h el i m i t a t i o no ft h e s p e c t r u mr e s o u r c e s 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 ( m i m o ) t e c h n o l o g yi sas i g n i f i c a n tb r e a k t h r o u g hi nt h ea r e ao fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n m i m os y s t e m su s em o r ec h a n n e l ss u p p l i e db ym u l t i p l ea n t e n n a s ( a n t e n n a a r r a y ) a tt h et r a n s m i t t e ra n dt h er e c e i v e r a l lt h es i g n a l st r a n s m i t t e df r o md i f f e r e n ta n t e n n a s u s et h es a m ef r e q u e n c yb a n d w i d t h ，s oi tc a ng r e a t l yi n c r e a s et h ec a p a c i t ya n df r e q u e n c y e f f i c i e n c yo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m m i m ot e c h n o l o g yi sk n o w na st h ef u t u r et r e i l do f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y s p a c e t i m ec o d i n g ( s t c ) t e c h n o l o g yi sac o d i n g t e c h n o l o g y t oi n c r e a s et h e s p e c t r u me f f i c i e n c yb a s e do nt h em i m os y s t e m s s t c i n t r o d u c e st h ec o r r e l a t i o n si nb o t h t i m ea n ds p a c ed o m a i n sw h e n s i g n a l sa r et r a n s m i t t e db y d i f f e r e n ta n t e n n a s ，w h i c hc a ng r e a t l ye n h a n c et h ed a t at r a n s m i s s i o nr a t ea n di m p r o v et h e p e r f o r m a n c e w i t h o u tb a n d w i d t he x p a n s i o no rt r a n s m i tp o w e ra u g m e n t t h u st h e s p a c e - t i m ec o d i n gi s i n t e n d e dt op r o v i d ean e ws o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo fl i m i t e d b a n d w i d t h t h em a i np o i n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 i n t r o d u c et h ew i r e l e s sf a d i n gc h a n n e lm o d e l ，d i v e r s i t yt e c h n i q u e ，a n dt h e m o d e lo fs p a c e t i m ec o d i n gt e c h n i q u e ，a sw e l la st h ed e s i g nc r i t e r i o no v e rt h e f i a tf a d i n gc h a n n e l 2 s t u d yt h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n ga l g o r i t h m so f o r t h o g o n a l a n d q u a s i o r t h o g o n a ls p a c e t i m e b l o c kc o d e sj n d e t a i l ，a n dc o m p a r et h e p e r f o r m a n c eo ft h ec o d i n gs c h e m e st h r o u g hs i m u l a t i o n s 3 r e v i e wt h ed i a g o n a la l g e b r a i cs p a c e - t i m eb l o c kc o d ei nd e t a i l i n t r o d u c et h e t h o u g h to fl a y e rs p a c e - t i m ec o d i n g ，w ep r e s e n tah i g hr a t ef u l ld i v e r s i t y s p a c e t i m eb l o c kc o d es c h e m ec a l l e di ta sl a y e r e db l o c ks p a c e t i m ec o d e ，a n d a n a l y z et h ep e r f o r m a n c et h r o u g ht h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n 4 c o n s i d e r i n gt h ec o m p l e x i t y o fd e c o d i n ga l g o r i t h mf o rt h e l a y e r e db l o c k s p a c e t i m ec o d e ，w ep r e s e n ta ni m p m v e m e ms c h e m ea n dt h es i m p l i f i e d d e c o d i n ga l g o r i t h m i nt h ee n dw ec o m p a r et h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n t s c h e m et h r o u g hc o m p u t e rs i mu l a t i o n k e y w 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 ；d i v e r s i t yt e c h n i q u e ；s p a c e t i m eb l o c kc o d e ； l a y e r e db l o c ks p a c e t i m ec o d e 主要符号表 主要符号表 标量a 矢量口 矩阵4 复共轭 转置 共轭转置 实部和虚部 x 的以2 为底的对数 矩阵的秩 矩阵的行列式 计算表达式中的模值 矢量的欧几旱德范数；矩阵的范数 矩阵的k r o n e c k e r 积 对矩阵x 的矢量化运算 将向量x 生成对角矩阵 n x n 维的单位矩阵 m n 维的零矩阵 对表达式中的所有随机变量求期望 v l l 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：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 包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中做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，本人承担一切的法律责任。 本人签名：盗三玺壁 西安邮电学院 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安邮电学院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西安邮电学院。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电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文全部或部分内容编入有关数据库进行检索，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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的 文章一律署名单位为西安邮电学院。 本人签名： 导师签名： 穗凌雁日期：2 1 1 墨年上月旦日 日期：芝! 年二上月兰日 第一章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 在过去的十年中，移动无线通信业务得到了迅猛的发展，经历了第一代模拟移动 通信、第二代数字移动通信技术和即将投入商用的第三代移动通信技术。人们对无线 方式随时随地接入i n t e m e t 获取信息产生了越来越迫切的需求，即从最初的收发 e m a i l ，到进行网页浏览、获取多媒体信息及其它多种业务，但现有的移动通信系统 仅可以提供以话音和数据业务为特征的基本移动业务。因此，未来的移动通信系统正 从以话音业务为主向以i p 接入和多媒体业务为主的方向发展，为广大用户提供更丰 富的业务种类、更广阔的覆盖范围以及更快捷的接入方式，即将桌面多媒体网络服务 推向移动用户。未来的移动应用不仅需要在移动业务方面进一步拓宽，而且应用的场 合( 如陆地、空中、海上、城市、农村等) 也将变得无处不在，其目标就是实现真正 意义上的“个人通信 ，即任何人在任何地方可以与其他任何人以任何方式通信。具 体的讲，未来通信技术和业务发展的一大趋势就是构建宽带化、大容量、全业务、智 能化的宽带无线通信系统，以满足人们对高速无线数据传输的需求。 然而在无线移动通信中，信道特性十分复杂，无线传输系统常常需要工作于建筑 群落或室内这样地形地物较为复杂的环境中，信号的接收受到反射、绕射、散射、阴 影效应以及多普勒效应等的影响，从而产生多种衰落现象，严重制约了无线通信业务 的发剧1 1 。理论上，功率控制是抵抗信道衰落的最佳方法。如果发射端预先知道信道 条件，那么在发射端可以对信号进行预失真处理，以此来抵消衰落带来的影响。但是 这种方法需要发射机有较大的动态范围；另外因为无线信道是时变的，所以发射端很 难预先知道信道的条件，因此在大多数散射环境中，对于功率和带宽受限的系统，采 用天线分集方法是降低衰落环境下传输误码率的最好方法【2 j 。 在第三代乃至后三代的移动通信系统中，大量的高速率数据业务使下行链路的负 担越来越重。传统的天线分集是在接收端采用多根天线实现接收分集，并采用合并技 术来获得好的信号质量，例如r a k e 接收机。但由于移动台尺寸受限，采用接收天线 分集技术较为困难，而且在移动台实现接收分集代价高昂，增加了用户的设备成本。 从理论与实际应用中都发现相同阶数的发射分集和接收分集具有相同的分集增益。因 此为了适应第三代移动通信系统的要求，在发射端采用基于发射分集的空时编码技术 就是有效提高无线频谱利用率的重要方案之一。 1 2 m o 与空时编码技术 为了支持高速率的无线数据业务，一般的方法有增加带宽、提高发射功率等。在 西安邮电学院硕士学位论文 频谱资源日趋紧张的今天，系统带宽的增加无疑是有限的。另一方面，与点对点通信 时“增加发射功率即可提高传输速率”不同，在点对多点的无线通信系统中，提高发 射功率对增加系统的吞吐率作用并不大，这是因为在增加发射机功率的同时，它对其 他接收机( 非目标接收机) 的干扰也随之增大。因此无线通信需要解决的一个大难题 就是在不增加系统带宽和发射功率的自订提下提高系统的频谱利用率。在众多的信号处 理技术中，m i m o 技术被普遍认为是下一代移动通信系统采用的关键技术。 1 2 1m i m o 技术 任何一个无线通信系统，只要在发射端和接收端均采用多个天线或天线阵列，就 构成一个无线m i m o 系统1 3 j 。m i m o 技术充分利用了空间资源，并结合时问、频率 等资源，将以前的一个一维系统变成二维、三维或更高维数的系统。虽然其物理特性 和数学模型都变得更为复杂，不过多维系统也提供了更多解决问题的思想和方法。 m i m o 技术大致可以分为两类：发射接收分集和空间复用。传统的多天线多被 用来增加分集度从而克服信道衰落。携带相同信息的信号通过不同的天线被发送出 去，在接收端可以获得发送符号多个独立衰落的副本，从而可以提高接收的可靠性。 举例来说，在慢瑞利衰落信道中，使用l 根发射天线j ，根接收天线，发送信号通过， 个不同的路径。如果各个天线之间的衰落是独立的，就可以获得最大的分集增益m ， 当，越大时其误比特率性能越接近无衰落信道的系统性能。对于发射分集技术来说， 同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有f 根发射天线v ，根接 收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得 的最大分集增益为，。分集技术主要用来对抗信道衰落，然而m i m o 信道中的衰 落特性可以通过提供额外的信息来增加通信中的自由度。从本质上来讲，如果每对发 射接收天线之间的衰落是独立的，那么可以产生多个并行的子信道。如果在这些并行 的子信道上传输不同的信息流，可以提高传输数据速率，这被称为空间复用。因而使 用m i m o 技术可以使无线通信系统的信息容量得到显著地提高，已经证明，对于具 有多根发射天线和接收天线，且接收机端己知独立平坦衰落信道的系统而言，信息容 量随收、发天线数目的最小值呈线性增长。 m i m o 系统的核心思想是空时信号处理，这样的系统也可以认为是智能天线的一 种扩展应用。m i m o 系统的关键特性在于将以前被认为是无线通信不利因素的多径传 播变为有利因素，有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输 速率。m i m o 系统能大幅度提升无线通信系统的性能却无需以额外频谱带宽为代价 ( 仅仅是复杂性的增加) 是其成功之根本。近年来与多天线相关的信道建模、信息论 和编码理论、信号处理算法、天线设计以及固定无线接入和移动蜂窝系统设计等方面 都取得了进展。 我们将m i m o 技术的好处总结如下： 2 第一章绪论 阵列增益：阵列增益是指接收机通过相干合并多个接收信号而使获得的平 均信噪比得以提高。在发射机不知信道信息的情况下，m i m o 系统可以获 得的阵列增益与接首天线数成正比。 分集增益：分集技术是用来对抗衰落的。 复用增益：在采用空间复用方案的m i m o 系统中，可以在不增加发射功率 的情况下，使信道容量成倍增加。 1 2 2 空时编码技术 随着第三代移动通信系统标准的出台，发射分集技术受到了空前重视，多种发射 分集技术【4 】被纳入标准当中。北美c d m a 2 0 0 0 标准采用的两种发射分集技术分别是 空时扩展( s t s ) 和正交发射分集( o t d ) t 5 1 。在欧洲的w c d m a 标准中，前向链路发射 分集分为开环发射分集和闭环发射分集，其中开环发射分集采用空时发射分集 ( s t t d ) ，闭环发射分集采用闭环模式- - ( c l l ) 和闭环模式- - ( c l 2 ) 。传统的发射分集技 术并不能满足带宽或发射速率的要求，因此要想在不损失带宽和发射速率的前提下， 实现系统的全空间分集增益，应该采用分集与编码相结合的方法，于是a t & t 实验 室的t a r o k h 等人提出了空时编码【6 1 ( s t c ) 的概念。s t c 技术被认为是m i m o 系统以 及发射分集研究进程中的一个重要里程碑。 使用空时编码是达到或接近m i m o 无线信道容量的一种可行、有效的方法【6 。引。 近几年来，许多机构都在研究基于m i m o 系统的空时编码技术。多天线系统和空时 编码相结合是空间资源利用技术的发展方向，可以认为是一种高级的分集技术。研究 表明，空时编码的最大特点就是将编码技术和阵列技术有机的结合在_ 一起，实现了空 分多址，从而提高了系统的抗衰落性能。空时编码技术利用衰落信道的多径特点、以 及发射分集和接收分集来提供高速率、高质量的数据传输。与不使用空时编码的编码 系统相比，空时编码可以在不牺牲带宽的情况下获得更高的编码增益，提高了系统的 抗干扰和噪声能力，特别是在无线通信系统的下行( 基站到移动端) 传输中，空时编 码的应用将移动端的设计负担转移到了基站。因此，空时编码技术被越来越多地应用 于提供高速率数据传输业务中。目前，空时编码体制已经被纳入到第三代移动通信 ( 3 g ) 的标准c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 9 】之中，它还被建议用于本地和广域无线分组 接入业务之中。 1 3 空时编码的研究现状 m i m o 技术最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的，7 0 年代有人提出将m i m o 技术 用于通信系统，但是对无线移动通信系统m i m o 技术产生巨大推动的奠基工作是在 9 0 年代中期由a t & tb e l l 实验室完成的【i o - 1 1 。1 9 9 5 年，b e l l 实验室的t e l a t a r 、f i s c h i n i 等人在基于瑞利衰落、信道周围有大量的散射体、从各发射天线到接收天线之间的信 西安邮电学院硕士学位论文 道衰落系数无关、且接收机己知信道信息的假设下，从理论上证明了信息容量随收、 发天线数目的最小值呈线性增长i 川。 空时编码的模型最早是由美国的l u c e n tb e l l 实验室提出的，并于1 9 9 6 年提出了 在无线通信中用多元天线构造的分层空时结构( l a s t ) 1 0 1 , 在此基础上他们丌发出 了b l a s t 试验系统，它的出现引起了电信界的广泛关注。按照空时编码适用信道环 境的不同，可以将已有空时编码方案分为两大类：一类要求接收端能够准确地估计信 道特性，如分层空时码、空时网格码和空时分组码：另一类不要求接收端进行信道估 计，如酉空时码【1 2 1 3 】和差分空时码【5 1 。本文主要讨论第一类空时编码技术，下面介 绍三种空时码的研究进展： 1 、分层空时编码( l a s t ) 分层空时编码技术【l o 】是利用时间和空间的结合，将信源数据分为几个子数据流， 独立的进行编码和调制，因此它不是基于发射分集，而是基于空| 间复用来提高系统的 频谱利用率。它的译码一般采用基于迫零( z f 和最小均方误差( m m s e ) 准则的 检测算法，由于检测算法的复杂度较高，人们又研究提出了几种简化的译码算法 1 6 - t 9 1 ： 一种是具有线性复杂度的迫零判决反馈均衡器结合分层空时译码的方法：另一种是基 于m m s e 准则改进的分层空时码权向量计算方法，以及对信道矩阵进行正交化q r 分解的检测方法。分层空时码的频带利用率最高，是目前己知的唯一一种可以使频带 利用率随着发射天线数线性增加的编码方式。但无法达到最大分集增益，性能相 对较差，而且要求接收天线数至少要等于发射天线数。 2 、空时网格码( s t t c ) 1 9 9 8 年，a t & t 实验室的t a r o k h 等人在分层空时结构的启发下，正式提出空时 编码的概念【6 】，并给出了空时编码的设计准则以及空时网格码的编译码方案。空时网 格码把差错控制编码、调制和发射分集结合起来，综合考虑了编码增益和分集增益的 影响，能够达到性能和频带利用率之间的最佳折衷。但是，空时网格码的译码一般采 用维特七t ( v i t e r b i ) 译码算法，当天线数目固定时其译码复杂度随传输速率的增加呈指 数增长，因此，寻找更有效的译码算法是解决空时网格码在实际通信系统中应用的一 个关键问题。 3 、空时分组码( s t b c l 为了克服空时网格码译码复杂的缺点，1 9 9 8 年a l a m o u t i 提出了一种简单的发射 分集方法【2 0 | ，使用两根天线发射一根天线接收，可获得与一根天线发射两根天线接 收相同的分集增益。这种编码体制可用简单的最大似然译码算法( m l ) 进行译码， 在接收端完全采用线性处理技术。v t a r o k h 等人在a l a m o u t i 方案的基础上，把它进 一步推广，提出了正交空时分组码( o s t b c ) ，并研究了其编码和译码算法f 2 1 2 2 1 。由 于这种提供全分集速率为l 的复正交设计仅存在于两根发射天线的系统中，因而寻找 更好的空时分组码已成为一个研究方向。目前常用的方法有两种，一种是j a f a r k h a n i 4 第一章绪论 等人提出的准正交空时分组码( q o s t b c ) 2 3 - 2 4 ，以牺牲一定的分集为代价来换取速 率的提高。为了使准正交码实现全分集，n s h a r m a 等人提出了一种星座图旋转技术 1 2 5 - 2 7 1 ；另一种是代数方法，在保证分集增益的前提下提高信息速率。d a m e n 等人在 2 0 0 2 年，提出了对角代数空时码( d a s t - b c ) 1 2 阳9 。他们利用调制分集方法，使得 产生的d a s t - b c 可用于任意发射天线数目的系统中，不仅可以获得全分集发送，而 且符号速率可以达到1 s y m s h z 。 由于空时分组码编译码算法相对简单、实用性强等特点，对其研究有很多，包括 对空时分组码的编译码算法及其性能的研究1 3 引、对空时分组码在不同衰落信道下的 性能研究【3 6 。9 1 、对准正交空时分组码编译码的研究【4 0 4 3 1 、以及空时分组码与宽带 o f d m 技术的结合( s t b c o f d m ) 4 4 - 4 8 】。一方面空时分组码具有相对简单的编译码 算法和较好的性能，另一方面o f d m 是一种高效的多载波调制技术，它能有效地对 抗多径衰落，将频率选择性信道转换为并行的频率非选择性衰落信道，故 s t b c o f d m 系统实际上就是将空时分组码运用在频率选择性衰落信道的一种方案， 同时由于o f d m 很适用于高速数据传输，所以在频率选择性信道情况下，用 s t b c o f d m 系统可提供更高容量、数据速率和频谱效率，从而获得更好的性能。 然而，空时分组编码主要是利用m i m o 信道提供的分集来获得高性能，并没有 利用m i m o 系统提供的复用增益，各码字存在编码冗余，因此它不是一个全码率系 统，其最高速率为1 s y m s h z 。为了综合利用m i m o 系统提供分集和复用的优点，将 分层空时编码的结构和空时分组编码的结构结合起来，s s u t h a h a r a n 将发射天线进行 了分组，提出了分组的空时分组码( g s t b c ) 系统【删，这种方案可以达到分集和码 率之间较好的折衷【5 0 j ，但仍存在频谱利用率受损的缺点。m a x i a o l i 等人基于线性复 域( l c f ) 编码的理论，提出了适用于任意发射和接收天线数目的全分集全码率( f d f r ) 空时编码方案i ”巧3 1 ，但是f d f r 编码方案的译码复杂度比较高，特别是当发射天线数 增加时，编码块的大小急剧增大，不利于高速译码器实现。因而如何降低译码复杂度 也是研究的一个热点m j 1 4 本文的主要工作 本文主要研究了在未来移动通信系统中非常具有潜力的技术之一空时编码 技术。本文的章节安排如下： 第一章，描述了空时编码技术的背景、研究现状及应用前景。 第二章，首先简单介绍了无线信道的特点、模型以及多径效应有关知识，并对无 线信道进行了简单的分类：为了克服移动信道的多径衰落，对工程中主要采用的分集 技术作了简单的说明。最后详细阐述了空时编码的系统模型及设计准则。 第三章，主要讨论了空时分组码，首先对a l a m o u t i 码进行了详细的分析；其次 阐述了基于全分集的正交空时分组码技术的系统结构、几种常用的码字结构、以及编 西安邮电学院硕士学位论文 译码方案：再次，为了达到最大的传输速率，还讨论了基于准f 交设计的空时分组码 的编译码算法，并讨论了旋转技术来弥补准正交码只能实现部分分集的缺点。同时通 过计算机仿真分析，得到了各种编码方案的优缺点。 第四章，研究了代数空时码，首先介绍了代数空时分组码( d a s t - b c ) 的编译 码方案，但d a s t - b c 主要是基于满发送分集度的角度设计的。为了综合利用m i m o 系统中空问复用增益和空间分集增益，本文结合分层空时码和代数空时分组码的思 想，提出了一种高速率的分层块空时( l b s t ) 分组码，这种空时分组码能够提供2 s y m s h z 的传输率，且可实现满发送分集度。针对译码复杂度高的问题，本文还给出 一种改进方案和简化的译码算法，同时通过仿真分析比较了各种编码方案的性能。 第五章，对全文进行了总结和展望。 6 第二章多径衰落信道和空时编码技术 第2 章多径衰落信道和空时编码技术 无线信道是移动通信的传输媒体，所有的信息都在这个信道中传输，因此，对信 道特性的研究对于通信系统的设计具有十分重要的意义。无线信道是最复杂的信道之 一，从发射端发送的信号在无线信道中经过反射、绕射和散射等多条路径到达接收端， 并且还伴有较强的随机性和时变性，故特别难于分析。无线m i m o 系统面对的是空 时无线信道，m i m o 空时信道并不能看作若干s i s o 信道的简单组合，各s i s o 信道 间存在不可避免的内在相关性，这更增加了无线m i m o 系统信道分析的难度。 使用空时编码( s t c ) 是达到或接近无线m i m o 系统容量的一种行之有效的方 法。这种采用多天线的编码技术在多根发射天线和各个时间周期的发射信号之间能够 产生空域和时域的相关性：空时相关性可以使接收机克服m i m o 信道衰落和减少误 码。空时编码系统可以在不牺牲带宽的情况下起到发射分集和功率增益的作用。本章 首先介绍了衰落信道模型和分集技术，以及分析了无线m i m o 系统的信道容量；其 次讨论了t a r o k h 提出的空时编码的系统模型、设计准则，为后续章节内容的介绍提 供了依据。 2 1 多径衰落信道模型 信道性能的好坏直接决定着人们通信的质量，因此要想在比较有限的频谱资源上 尽可能高质量、大容量地传输有用信息就要求我们必须十分清楚地了解信道的特性。 然后根据信道的特性采取一系列的抗干扰和抗衰落措施，来保证传输质量和传输容量 方面的要求。 2 1 1 多径传播 陆地移动信道的主要特征是多径传播。传播过程中会遇到很多建筑物、树木以及 起伏的地形，这些物理特征会引起能量的吸收和穿透以及电波的反射、散射及绕射等， 这样，移动通信信道是充满了反射波的传播环境。如果发射一个调制信号，那么该信 号的多个反射波就会从不同方向经过不同传播延迟到达接收天线。这些反射信号经空 中各处的接收天线接收后，根据其随机相位的不同，对接收信号叠加会起到加强或者 减弱的作用。这些多径分量的和就形成了一个空间变化的电磁波场。因此，移动单元 在这个多径场中移动时就可能接收到幅度和相位剧烈变化的信号。若周围物体在无线 信道中移动，即使静止不动的移动单元接收到的信号幅度也可能发生变化。这种由于 信道的时变多径特性引起的接收信号幅度上的波动称为信号衰落。 移动信道的多径环境所引起的多径衰落，可以从时问和空间两个方面来描述和测 量。从空间角度来看，沿移动台移动方向，接收信号的幅度随着距离变动而衰减。其 7 西安邮电学院硕士学位论文 中，本地反射物所引起的多径效应呈现较快的幅度变化，其局部均值为随距离增加而 起伏下降的曲线，反映了地形起伏所引起的衰落以及空间扩散损耗。从时域角度来看， 各个路径的长度不同，因而信号到达的时间就不同。这样，如果从基站发送一个脉冲 信号，则接收信号中不仅包含该脉冲，而且还包含它的各个时延信号，这等效于接收 端收到一个较宽的脉冲。这种由于多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度扩展的现 象，称为时延扩展。扩展的时间可以用第一个到达的信号至最后一个到达的信号之间 的时间来测量。 一般来说，模拟移动系统中主要考虑多径效应引起的接收信号幅度的变化，而数 字移动系统中主要考虑多径效应所引起的脉冲信号的时延扩展。这是因为，时延扩展 将引起码问串扰，严重影响数字信号的传输质量。多径包括视距路径和非视距路径两 种： ( 1 ) 视距路径( l o s ，l i n e o f - s i g h t ) ：接收机和发射机之间的直接路径。 ( 2 ) 非视距路径( n l o s ，n o n 1 i n e o f - s i g h t ) ：经过反射到达的路径。 无线传播信道中的许多物理因素都会影响衰落，主要有：传播路径、移动台的速 度，周围物体的速度和信号的发射带宽。 2 1 2 选择。陛衰落 由于移动通信信道的多径、移动台的运动和不同的散射环境，使得移动信道在时 间上、频率上和角度上造成了色散。因而信号经过信道后分别形成了频率选择性衰落、 时间选择性衰落和空间选择性衰落，也分别产生了时延扩展、多普勒扩展和角度扩展。 1 、时间选择性衰落( 频率色散) 由于移动台与基站之间的相对运动或信道路径中物体的运动，将会出现多普勒频 移现象，也就是频率色散，从而引起多普勒扩展，使得信道是时变的，这种信道具有 时间选择性衰落。时问选择性衰落会造成信号失真，这是因为发送信号还在传输的过 程中，传输信道的特征已经发生了变化。多普勒扩展可以用信道的相干时间表征，相 干时间就是信道冲激响应处于一定相关度的最大时间问隔。在相关时f 刚内，信号经历 的衰落具有很大的相关性。在移动通信中，相干时间z 由下式给出： 瓦2 万1 ( 2 1 ) 其中：厶= 丝c o s 护表示多普勒频移，矽为运动方向与入射波的央角，v 是车辆运动 的速度，c 是光的传播速度，f 为载波频率。如式( 2 1 ) 所述，相干时间与多普勒扩展 成反比。它是信道随时间变化快慢的个量度：相干时间越大，信道随时白j 变化越慢； 反之，相干时| 1 日】越小，信道随时问变化越快。根据发送信号与信道变化快慢的程度， 时间选择性衰落可分为快衰落和慢衰落。 2 、频率选择性衰落( 时间色散) 8 第二章多径衰落信道和空时编码技术 时间色散和频率选择性都是由于不同时延的多径信号叠加所产生的效果，依赖于 发射机、接收机和周围的物理环境之间的几何关系。这两种效应是同时出现的，只是 表现的形式不同，时间色散体现在时域，频率选择性体现在频域。时间色散就是把发 射端的一个信号沿时间轴展开，使接收信号的持续时间比这个信号发送时的持续时间 长。而频率选择性是指对发送的信号进行滤波，使信号中的不同频率的分量衰落幅度 不一样。在频率上很接近的分量，它们的衰落也很接近，而在频率上相隔很远的分量， 它们的衰落相差很大。 由于信号波形的展宽是由信道的时延引起的，所以我们称之为时延扩展。时延扩 展引起的衰落与频率有关，这种衰落称为频率选择性衰落，并且可以用相关带宽来描 述。相关带宽表示信道在两个频移处的频率响应保持强相关情况下的最大的频率差。 在工程应用中，相关带宽可用下式估算： 巨= 去 ( 2 2 ) 其中，为时延扩展。若移动无线信道在比发射信号带宽大的多的带宽内具有不变的 增益和线性相位响应，则接收信号的频率选择性衰落称为平坦衰落。在平坦衰落里， 信道的多径结构可以使发射信号的谱特性在接收端得到保持，但是由于多径引起的信 道增益的扰动，接收信号的强度是随时间变化的。相反，如果发射信号的带宽比信道 相干带宽大，那么频率间隔大于相干带宽的发射信号的频谱成份是独立衰落的。由于 各种频谱成份之间的关系与发射信号不同，因此接收信号的频谱会失真。对于宽带系 统发射信号通常会发生“频率选择性衰落”，从而产生码问干扰。 3 、空间选择性衰落( 角度色散) 由于无线通信中移动台和基站周围的散射环境不同，使得多天线系统中不同位置 的天线经历的衰落不同，从而产生角度色散，即空间选择性衰落。因此，随着智能天 线和m i m o 系统的引入，信道信息从原来的二维时间、频率，扩展到包含时间、 频率、空间的三维信息，充分利用了诸如到达角( a o a ) 之类的空间角度信息。因 此，与单天线的研究不同，在对多天线系统的研究中，不仅需要了解无线信道的衰落、 时延等变量的统计特性，还需要了解一些参数如到达角度和离开角度等，正是由于这 些角度因素引发了空间选择性衰落。角度扩展和相干距离就是描述空间选择性衰落的 两个主要参数。相干距离口定义为两根天线上的信道响应保持强相关时的最大空间 距离。 砬= 蕊0 1 面8 7 ( 2 3 ) 其中，为角度扩展，矽为来波到达角。由此看出，相干距离与角度扩展和来波到达 角有关。在天线的到达角相同的情况下，角度扩展越大，不同天线接收到的信号之间 的相关性就越小，信号的空问选择性就越严重，反之亦然。同样，在角度扩展相同的 9 西安邮电学院硕士学位论文 情况下，信号的到达角越大，天线之间的相关性越大；到达角越小，天线之间的相关 性就越小。因此，只要两根天线的1 自j 隔大于相干距离，就可以认为接收信号经受的是 不相关衰落。一般在建筑物密集的城镇区域中，角度扩展往往较大，因此从空间分集 中可以获得有效的增益。这通常与使用方向波束形成相矛盾，因为方向波束形成一般 要求较低的角度扩展，以便使天线具有良好的方向选择性能。 以上，介绍了造成移动信道的频率选择性衰落、时间选择性衰落和空间选择性衰 落的各种原因，以及它们对应的三组参数。在此，我们进行一个总结，如表2 1 所示： 表2 1 信道特征 信道选择性信道扩展相关度量参数 频率选抒性时延扩展相关带宽 时间选择性多酱勒扩展相关时间 空间选择性角度扩展相关距离 2 1 3 多径衰落的统计模型 正是由于无线移动信道的多径现象，使得接收信号的包络呈现随机性，研究表明， 包络一般服从瑞利分布、莱斯分布。在移动无线信道中，瑞利衰落分布用于描述平坦 衰落信号或独立多径分量包络的时变统计特性的一种衰落类型；莱斯衰落分布是在瑞 利衰落的基础上，存在一条直射路径的影响而造成的。瑞利分布和莱斯分布常用来描 述从多径信道接收的信号的统计起伏性。还有种n a k a g a m i 分布，是一种具有参数 朋的分布，参数m 取不同的值对应不同的分布，因此它更具有广泛性。 1 、瑞利( r a y l e i g h ) 衰落 在典型的陆地移动无线信道中，假设直射波被阻断，且移动单元只能接收到反射 波。根据中心极限定理，当反射波的数量比较大时，接收信号是均值为0 、方差为盯2 的互不相关的高斯随机过程。因此，任意时刻的接收信号包络，服从r a y l e i g h 概率分 布，其概率密度函数( p d f ) 为： p ( r ) = g 。_ 幻2 ( ，o ) ( 2 4 ) 仃 r a y l e i g h 分布随机变量的均值( 用m ，表示) 和方差( 用仃；表示) 可以表示为： 竹= 仔c r 2 ，一= ( 2 一甜矿 ( 2 5 ) 2 、莱斯( r i c i a n ) 衰落 在有些传播环境中存在直射路径，由于该路径信号的强度往往比其它路径信号的 强度大很多，这时接收信号的包络将不再是r a y l e i g h 分布，而变成r i c i a n 分布，接 收信号是均值为( 参数是直射波的最高幅值) 、方差为盯2 的互不相关的高斯随机 i o 第二章多径衰落信道和空时编码技术 胁砉e x p ( 等m 。， 眨6 ， 其中州炉薹簪为。阶第一类修正b e s s e l 函数。定义用于描述r i c i a n 分布的 参数莱斯因子k 为主信号的功率和多径分量方差之比，即：k = 2 2 0 - 2 ，它能够 完全确定r i c i a n 分布。当不存在直射路径( 即= o ) ，则r i c i a n 概率密度函数式( 2 6 ) 退化为r a y l e i g h 概率密度函数式( 2 4 ) 。因此，瑞利分布是莱斯分布的一个特例。 3 、n a k a g a m i 衰落 另一种常用的表征通过多径信道传输的信号的统计特性的分布是n a k a g a m i - m 分 布，该分布的p d f p = 志( 2 州p m 小 亿7 ， 其中，q 定义为：q ；e ( r 2 ) ，参数m 定义为矩的比值，称为衰落参数： 一南m 争 ( 2 8 ) 肛河2 i 旺8 2 2 分集技术 在无线移动通信中，使用分集技术来减小多径衰落的影响，并且在不增加发射功 率或牺牲通信带宽的情况下提高传输的可靠性。分集是在接收端需要接收发射信号的 多个样本信号，每个接收信号携带相同的信息，但在衰落统计特性上具有较小的相关 性。分集的基本思想是：如果要利用信号的两个或多个独立样本，那么这些样本将以 不相关的模式衰落，例如，一些信号的样本可能严重衰落，而另一些则衰减的较少。 这就意味着所有样本信号同时低于给定门限电平的概率要比任何一单个信号低于给 定门限值的概率小的多。分集有两重含义：一是分散技术，即如何得到多个携带同一 信息的、统计独立的衰落信号，分为三个主要类别：时间分集，频率分集和空间分集。 二是合并技术，即如何把收到的多个统计独立的衰落信号进行适当的合并，从而降低 衰落的影响，改善系统性能。常用的合并方法有选择合并、切换合并、等增益合并和 最大比合并。下面我们将对几釉主要的分集技术进行讨论。 2 2 1 时间分集 在时间分集中，使用不同的时隙发送相同的信息，接收机端可以收到不相干的衰 落信号。所需的最小时间间隔要大于或等于信道的相干时间以保证衰落的独立性。相 干时间是信道衰落过程相干的时间周期的统计测量值。在数字通信中，通常使用差错 西安邮电学院硕士学位论文 控制编码结合交织技术来实现时间分集。在这种情况下，发射信号的副本通常以时域 冗余的形式到达接收端。由时间交织提供发射信号副本之白j 的时间间隔，从而在译码 器的输入端得到独立的衰落。因为时间交织会产生译码延迟，因此该技术般在信道 相关时间小的快衰落环境中比较有效。但对于慢衰落而言，交织大可能会引起太大的 译码延迟。这对时延敏感的