（通信与信息系统专业论文）mimoofdm技术研究及其在tdscdma系统中的应用.pdf

摘要 摘要 随着无线通信业务需求的高速增长，无线通信技术的发展也日新月异。多入多 出( m i m o ) 技术、正交频分复用( o f d m ) 技术成为3 g 及未来移动通信系统中的 关键技术。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，这 样能在不增加系统带宽的情况下增加频率效率。o f d m 通过将频率选择性多径衰落 信道在频域内转换成平坦信道，从而减小了多径衰落的影响。t d s c d m a 是由中国 无线通信化标准组织( c w t s ) 提出并得到i t u 通过的3 g 无线通信标准。t d s c d m a 的长期演进( l t e ) 系统通过采用m i m o 和o f d m 技术，使得3 g 演进系统能够提 供数倍于3 g 系统的峰值速率。本文的目标就是研究m i m o o f d m 关键技术，并分 析其在l t e 中的应用。 本文的主要工作包括以下几个部分： 研究空时m i m o 信道环境，并建立符合3 g p p 标准的信道模型，为后续 研究提供一个合理的仿真平台。 研究空时编码技术，重点研究空时分层码( b l a s t ) 的不同检测算法和 空时分组码( s t b c ) 的不同编码矩阵。 研究m i m o 和o f d m 结合的系统模型，并基于该模型分析b l a s t 、s t b c 以及循环延迟分集( c d d ) 技术。 根据t d s c d m a 系统l t e 的标准，分析其中采用的m i m o 和o f d m 技 术。对于发射分集的m i m o 方案，当发射天线数为2 时，提出了空频分 组码( s f b c ) ，该编码矩阵与空时分组码的编码矩阵完全相同，只是资源 分配方式不同；当发射天线数为4 时，提出了空频分组码( s f b c ) 与频率 切换发射分集( f s t d ) 相结合的方案，使编码矩阵不仅满足正交性且码率r 为1 。对于空间复用的m i m o 方案，提出了b l a s t 与c d d 相结合的方案。 并根据l t e 发送端的处理过程和特点提出了接收端的算法解决方案。 关键词：多入多出，循环延迟分集，正交频分复用，l t e a b s t r a c t a b s t r a c t w i 也t h ef a s ti n c r e a s eo ft h e r e q u i r e m e n t o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h e d e v e l o p m e n t o ft h e t e c h n o l o g yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i s c h a n g i n gq u i c k l y 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 ) t e c h n o l o g ya n do r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) a l et h ek e yt e c h n o l o g yo f3 gs y s t e ma n dt h e f u t u r em o b i l e c 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 ya l l o w sm o r et h a no n ei n f o r m a t i o ns t r e a mt o b ec a r r i e ds i m u l t a n e o u s l yo ni n d e p e n d e n tp a r a l l e lc h a n n e l si nt h es p a c e ，t h u si tc a n i n c r e a s et h es p e c t r u me f f i c i e n c yu n d e rt h es t a n d i n gb a n d w i d t h o f d mt e c h n o l o g yc a n d e c r e a s et h ei n f l u e n c eo ft h em u l t i - p a t hc h a n n e lb yt r a n s f o r m i n gf r e q u e n c y - s e l e c t i v e f a d i n gc h a n n e li n t o f i a tf a d i n gc h a n n e li n 丘e q u e n c y t d s c d m aw a sp r o p o s e db y c w t sa n dh a dg a i n e di t u sa g r e e m e n tt om a k ei tb e c o m eo n eo ft h e3 gw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s n l el o n gt e r me v o l u t i o no ft d s c d m am a k e st h ep e a k s p e e dm u l t i p l et i m e so f t h e3 gb yu s i n gm i m o a n do f d m t h eo b j e c to ft h i sd i s s e r t a t i o ni st od or e s e a r c ho nm i m o o f d ma n da n a l y z et h e a p p l i c a t i o no f t h e mi nl t e s y s t e m t h em a i nc o n t r i b u t i o i l sa n di n n o v a t i o n si nt h ed i s s e r t a t i o na r e t h ee n v i r o n m e n to fm i m oc h a n n e l si ss t u d i e dd e e p l ya n dt h ec h a n n e lm o d e l t h a ti sc o r r e s p o n d i n gt o3g p ps t a n d a r di sb u i l t n l e a l g o r i t h m so fs p a c e - t i m ec o d i n ga l es t u d i e d ，a n dt h ed i f f e r e n td e t e c t i v e a l g o r i t h m so fb l a s ta n dd i f f e r e n tc o d i n gm a t r i xo fs t b ca r es t u d i e d d e e p l y t h em i m o - o f d m s y s t e mm o d e li ss t u d i e d ，a n di nw h i c hb l a s t , s t b ca n d c d da l ea n a l y z e d b a s e do nt h es t a n d a r do fl 1 忑，m i m oa n do f d ma r ea n a l y z e d f o rm i m o s c h e m eo ft r a n s m i td i v e r s i t y , f o rt r a n s m i s s i o no nt w oa n t e n n ap o r r t s ，s f b ci s p r o p o s e d ，w h i c ht h ec o d i n gm a t r i ci st h es a m ea ss t b c ，b u tt h er e s o u r c e a l l o c a t i o ni sd i f f e r e n t f o rt r a n s m i s s i o no nf o u ra n t e n n ap o r t s ，t h ec o m b i n a t i o n o fs f b ca n df s t di sp r o p o s e d ，w h i c ht h er o w so ft h ec o d i n gm a t r i xa l e o r t h o g o n a l a n dc o d er a t ere q u a l s1 f o rm i m os c h e m eo fs p a t i a l m u l t i p l e x i n g ，an e ws c h e m eo ft h ec o m b i n a t i o no fb l a s ta n dc d di s p r o p o s e d t h e a r i t h m e t i cr e s o l v e n to fr e c e i v ei sp r o p o s e db a s e do nt h e p r o c e s s i n go f t r a n s m i s s i o na n dt h ef e a t u r eo fl t e k e y w o r d ：m i m oc d do f d ml t e 图形目录 图形目录 图2 1 散射环境下的天线阵列6 图2 2m i m o 信道抽头延时模型7 图3 1 分层空时码模型l l 图3 2 分层空时码向量编码器示意图1 2 图3 3h - b l a s t 1 2 图3 4d - b l a s t 1 2 图3 5v - b l a s t 1 2 图3 6t x 为2 r x 为2 的不同b l a s t 编：译码算法在c a s e 4 信道中的误比特率性能 1 5 图3 7t x 为4 r x 为4 的不同b l a s t 编、译码算法在c a s e 4 信道中的误比特率性能 1 6 图3 8a l a m o u t i 的s t b c 编码器原理框图1 7 图3 9a l m o u t i 2 发1 收空时分组码方案1 8 图3 1 0 接收天线数为l 的l b i t s h z 的s t b c 在c a s e 4 信道中的误比特率性能2 3 图3 1 l 不同接收天线数的s t b c 在c a s e 4 信道中的误比特率性能2 4 图4 1 传统f d m 多载波调制与o f d m 频谱利用率的比较2 5 图4 2o f d m 系统基本模型框图2 6 图4 3s t c o f d m 系统发送端结构图2 9 图4 4b l a s t 以及b l a s t - o f d m 的误比特率性能3 0 图4 5s t b c 以及s t b c o f d m 的误比特率性能3 0 图4 6 循环移位分集发送框图3 l 图4 7 循环延迟分集发送框图3 l 图4 8b l a s t 、c d d 以及s t b c 的误比特率性能3 3 图5 1 帧结构3 6 图5 2 下行资源格结构j 3 7 图5 3 下行物理信道处理过程3 7 图5 4 基于空间复用的发送信号处理过程4 4 图5 5 基于空间复用的接收信号处理过程4 4 图5 6 基于发射分集的发送信号处理过程4 5 、 图5 7 基于发射分集的接收信号处理过程4 5 图5 8c a s e l 且移动台运动速度为3 k m h 的环境下m 1 和s e 算法的误比特率性 能4 7 图5 9c a s e 2 且移动台运动速度为1 2 0 k m h 的环境下m 1 和m m s e 算法的误比特率 性能4 7 图5 1 0c a s e 3 且移动台运动速度为3 0 k m h 的环境下m 1 和m m s e 算法的误比特率 性能4 8 图5 11c a s e 4 且移动台运动速度为3 k m h 的环境下m l 和m m s e 算法的误比特率性 能4 8 图5 1 2c a s e l 且移动台运动速度为3 k m h 的环境下的误比特率性能4 9 图5 1 3c a s e 2 且移动台运动速度为1 2 0 k m h 的环境下的误比特率性能5 0 图5 1 4c a s e 3 且移动台运动速度为3 0 k m h 的环境下的误比特率性能5 0 图5 1 5c a s e 4 且移动台运动速度为3 k m h 的环境下的误比特率性能5 1 图5 1 6c a s e l 且移动台运动速度为3 k m h 的环境下的误比特率性能5 2 图5 1 7c a s e 2 且移动台运动速度为1 2 0 k m h 的环境下的误比特率性能5 3 图5 1 8c a s e 3 且移动台运动速度为3 0 k m h 的环境下的误比特率性能5 3 图5 1 9c a s e 4 且移动台运动速度为3 k m h 的环境下的误比特率性能5 3 图5 2 0c a s e l 且移动台运动速度为3 k m h 的环境下的误块率性能5 4 图5 2 1c a s e 2 且移动台运动速度为1 2 0 k m h 的环境下的误块率性能5 5 图5 2 2c a s e 3 且移动台运动速度为3 0 k m h 的环境下的误块率性能5 5 图5 2 3c a s e 4 且移动台运动速度为3 k m h 的环境下的误块率性能5 6 表格目录 表格目录 表2 1 多径衰落信道的分类5 表2 2 多径衰落下的传播环境9 表5 1 基于空间复用的码字到层的映射3 8 表5 2 基于发射分集的码字到层的映射3 8 表5 3 零时延和短时延c d d 4 0 表5 4 长时延的c d d 4 0 表5 5 下行传输带宽与器的对应关系4 5 表5 6 物理资源块参数4 5 表a 1 两个天线口发送信号的码书6 5 表a 2 四个天线口发送信号的码书。6 5 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究背景 在无线信道环境中有效、可靠地传输数据是无线通信技术的目标和要求。由于 众多服务内容对数据传输速率的要求越来越高，无线频谱资源严重不足这一问题日 益突显出来，成为制约无线通信事业发展的瓶颈。在提高频谱利用率的同时，要求 新的无线通信技术能够适应更加恶劣的信道，克服各种不利的影响。这就使未来的 宽带无线通信系统面临两个最严峻的挑战：带宽效率和多径衰落。 将m i m o 与o f d m 技术相结合形成m i m o - o f d m 系统，在解决这两个问题的领域， 有相当突出的表现，成为无线通信技术研究的热点之一【1 2 1 1 3 。m i m o o f d m 技术已 逐渐被中短距离无线通信系统所采用，包括i e e e 8 0 2 1 l n 无线局域网( w l a n ) 【4 】、 w i m a x 5 j 等，实现了较好的性能。 t o s c d m a 是我国第一个拥有自主知识产权的国际通信标准，它采用时分双工 ( t d d ) ，将智能天线、软件无线电和联合检测等先进技术有机地结合在一起，形成一 种有效的t d d c d m a 方式。随着t d - s c d m a 的发展，为了满足用户日益增长对高速分 组数据业务的需求，3 g p p 在r 5 引入了h s d p a 技术【6 】【7 1 ，在r 6 引入了h s u p a 技术1 8 】【9 】， 使上、下行链路的传输速率和吞吐量得到了很大提高。 随着w i b l a x 等宽带无线通信技术的快速发展，为了保证3 g 系统持续演进的竞争 力，3 g p p 从2 0 0 4 年1 1 月开始着手规划t d - s c d m a 演进的第三阶段，即长期演进( l t e ) 技术【l0 。l t e 的目标是增大蜂窝通信系统的覆盖范围和容量，提高吞吐量，降低成 本并减少服务时延，同时改善服务质量，为用户提供使用无线通信系统时新的体验 和感受。l t e 采用的b 3 g 新技术中的重要内容，就是m i m o 技术和o f d m 技术。 1 2m i m o 概述 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，借助多根发射与接收天线所 提供的多路并行信道以改善通信质量，可以通过各个发送天线间的联合编码获得分 集增益，从而提高可靠性，也可以通过空间复用获得成倍增长的信道容量【1 1 】【1 2 】【1 3 】。 m i m o 系统在收、发端采用多元天线阵，或依靠发送和接收分集，利用多径效应， 为接收机提供多个具有不相关衰落特性的信号的复本，改善在衰落无线通信环境中 传输的误码性能，典型应用是a l a m o u t i 编码【1 4 l ：或通过多入多出系统创造的多个 并行空间信道独立地传输信息，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，典型例子是分层空时码b l a s t 1 5 】。 重庆邮电大学硕士论文 近年来，人们已从各个角度对m i m o 系统进行了大量的研究。例如，在各种信 道状态下m i m o 系统的容量问趔1 6 】【1 7 】【1 8 】，包括相关信道、频率选择性衰落信道、 瑞利衰落信道等：m i m o 系统的均衡问题【1 9 1 ；m i m o 系统中的空时处理技术【2 0 】； m i m o 系统的调制技术等2 1 i 。 、 1 3o f d m 概述 o f d m ( 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 ) 技术具有频谱效率高、 带宽扩展性强、抗多径衰落并且保持较高的传输速率的潜力和优势，同时由于它采 用了离散傅立叶变换，大大降低了接收机的实现复杂度，成为下一代移动通信中一 种非常有竞争力的物理层技术【2 2 1 。 o f d m 技术将信道分成多个正交子信道，把高速串行数据流分成多路低速的数据 流，调制到各个子信道上并行传输。尽管在无线信道中，总的信道存在频率选择性 衰落，但在各个子信道上相对平坦，各子信道可以独立地调制和传输，提高频谱利 用率；o f d m 特有的保护间隔，一般大于信道的时延扩展，从而消除符号间干扰( i s i ) 。 自2 0 世纪八十年代中期，随着欧洲在数字音频广播d a b ( d i g i t a la u d i o b r o a d c a s t i n g ) 2 3 】方案中采用o f d m ，o f d m 开始受到关注并得到广泛应用，接着数字 视频广播d v b t ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 【2 4 1 ，基于i e e e8 0 2 1 l a 2 5 】【2 6 】和 h i p e r l a n 2 的w l a n 标准，以及有线电话网上基于现有铜双绞线的非对称高比特数字 用户线技术a d s l 中也应用了o f d m 技术。w m a n 标准i e e e8 0 2 1 6 ，以及w w a n 标准提 案i e e e8 0 2 2 0 也使用o f d m 作为物理层接入方案。 1 4m i m 0 o f d m 概述 m i m o 、o f d m 系统组合是非常有必要的。在高速宽带无线通信系统中，多径效应、 频率选择性衰落和带宽效率是信号传输过程中必须考虑的几个关键问题。多径效应 会引起信号的衰落，因而被视为有害因素。然而m i m o 系统是针对多径无线信道而产 生的，在一定程度上可以利用传播过程中产生的多径分量，多径效应对其影响并不 大，反而可以作为一个有利因素加以使用。但m i m o 对于频率选择性衰落仍然无法避 免，而解决频率选择性衰落问题恰恰是o f d m 的一个长处。 o f d m 技术实质上是一种多载波窄带调制，可以将宽带信道转化成若干个平坦的 窄带子信道，每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，所以每个子信道上的 频率选择性衰落可以看作是平坦性衰落。o f d m 被认为是第四代移动通信中的核心 技术，然而4 g 需要高的频谱利用率技术和高速传输技术，为了进一步提高系统传输 速率，使用o f d m 技术的无线通信网就必须增加载波的数量，而这种方法会造成系统 复杂度的增加，并增大系统的占用带宽。而m i m o 多天线技术能在不增加带宽的情况 第一章绪论 下，在每一个窄带平坦子信道上获得更大的信道容量，可以成倍地提高通信系统的 容量和频谱效率，是一种利用空间资源换取频谱资源的技术。 因此m i m o - o f d m 系统的提出是无线通信领域的重大突破，其频谱利用率高、信 号传输稳定、高传输速率等基本特性能够满足下一代无线传输网发展的要求。 m i m o - o f d m 系统内组合了多输入和多输出天线和正交频分复用调制两大关键技术。 这种系统通过空间复用技术可以提供更高的数据传输速率，又可以通过空时分集和 正交频分复用达到很强的可靠性和频谱利用率【2 7 1 。在先进的编码和自适应技术的支 持下，m i m o 和o f d m 的结合应用，成为了w i m a x 、l t e 等移动通信系统中的关键技术。 1 5 论文安排 本文主要研究m i m o - o f d m 技术及其在t d s c d m a 系统中的应用，全文共分为六章， 具体安排如下： 第二章分析了移动通信信道的主要传播特性和m i m o 信道的基本理论，然后根 据3 g p p 标准中m i m o 信道模型标准进行信道建模，这是全文分析和仿真工作的基础。 第三章研究了m i m o 关键技术之空时编码技术，对其中的b l a s t 和s t b c 的编、 译码原理进行了详细的理论推导，并对这两种空时编码方案进行了仿真分析。 第四章研究了o f d m 的基本原理，提出了m i m o 与o f d m 的结合方案，仿真分析 了该方案的性能。并对m i m o - o f d m 系统中的c d d 技术进行了理论推导和仿真分析。 第五章根据t d s c d m a 系统l t e 阶段的协议，推导了m i m o 与o f d m 的原理，并 与前面章节中阐述的原理进行比较，分析它们的异同点，然后提出了物理层实现的 算法解决方案，最后仿真分析了该接收方案的性能。 第六章总结全文，指出下一步要进行的工作。 童丞鱼至垒筮莹破主盗叁 一 一4 - 第二章m i m o 信道 第二章m i m o 信道 移动通信中信道特性制约着移动通信系统的性能，是整个通信系统的关键所 在。本章首先介绍移动通信信道的主要传播特性和m i m 0 信道的基本理论，然后根 据3 g p p 标准中m i m 0 信道模型标准进行信道建模，这是全文分析和仿真工作的基 础。、 2 1 无线衰落信道的传播特性 由于反射、散射和绕射等因素，使得发射机和接收机之间的信道是多径衰落信 道。假设发送信号的周期为不，则相应的信号带宽b 。= l 不。再假设多径时延扩展 为乙，多普勒扩展为厶，则信道相干时间t c = 1 f o ，相干带宽= 1 乙。根据信 号周期和信道相干时间，信号带宽和信道相干带宽之问的关系，可以将多径衰落信 道分为四种，如表2 1 ： 表2 1 多径衰落信道的分类 砭 t s ( 即厶 b s )乏 b s ) b s 乙) s s b c 频率选择性慢衰落频率选择性快衰落 ( 即r s 发端采用q p s k 信号作为信号源； 各发射天线上的功率相等； 发送天线间距离为4 2 ，接收天线间距为0 5 允： 接收端采用理想的信道估计值； 未使用信道编码，并且信号到达接收端时已达到了精准的同步； 分别采用h b l a s t 编码和v b l a s t 编码类型； 译码分别采用q r 算法、m m s e 算法和m m s e i c 算法； 信道环境按照表2 2 的多径衰落传播环境中c a s e 4 ( 移动台速度为3 k m h ) 给出的参数进行设置。 1 发射天线数为2 ，接收天线数为2 图3 6t x 为2 r x 为2 的不卮 b l a s t 编、译码算法在c a s e 4 信道中的误比特率性能 2 发射天线数为4 ，接收天线数为4 重庆邮电大学硕士论文 丘 山 o n s n r ( d b ) 图3 7t x 为4 r x 为4 的不同b l a s t 编、译码算法在c a s e 4 信道中的误比特率性能 3 仿真结果分析 图3 6 和图3 7 的仿真结果表明：未使用信道编码时，h b l a s t 的性能 与v b l a s t 的性能完全相同。 图3 6 和图3 7 的仿真结果表明：对于h b l a s t 编码或者v b l a s t 编码， m m s e 译码算法的性能优于q r 译码算法，而m m s e i c 译码算法的性能 优于m m s e 译码算法。因为q r 算法只消除了层间干扰，没有考虑噪声， 而且随着层数的增加，先检测出来的层的信息会影响后检测层信息的判 断，存在误码传播问题。m m s e 算法能大大削弱背景噪声，在发送天线 多时，m m s e 优于q r 的性能更加突出。m m s e i c 算法不仅能大大削弱 背景噪声，还能消除层间干扰，因此性能最佳。 由于q r 译码算法性能最差，因此在后续的仿真中不予采用。m m s e i c 算法虽然性能最好，但是这种算法将采用多次均衡，一次均衡就是一次 矩阵求逆运算，随着发射天线数的增加，该算法的复杂度呈非线性的增 加；当发射天线数为2 时，m m s e i c 的性能与m m s e 算法的性能接近， 因此在后续的仿真中采用m m s e 算法作为b l a s t 的译码算法。 3 2 基于发射分集的s t b c 空时编码 空时分组码( s t b c ) 技术是在发射分集的基础上发展起来的，作为一项新的 第三章m i m o 中的空时编码技术研究 空分多址技术，其最大的特点是将编码和天线阵技术有机结合，充分利用无线信 道的多径传播特性提高系统的抗衰落性能。与不使用空时编码的系统相比，空时 编码可以在不牺牲带宽的情况下获得更高的分集增益，提高系统抗干扰和抗衰落 的性能。对于空时分组码，核心的评价标准是提供发射分集和编码码元发射率。 发射天线的分集度取决于空时编码矩阵的设计方案，如要完全分集，则至少应保 证编码矩阵是满秩的。如果配置了多根接收天线，则总的分集度是发射天线数量 与接收天线数量的乘积。码元发射率是每单位码元周期内发射码元的个数。设计 空时编码的最一般的目的是在保持全分集发射的情况下，使码元发射率最大。 3 2 1 双发射天线 首先介绍a l a m o u t i 的s t b c l 3 6 1 编码器的原理，图3 8 显示了其原理框图。 a 1 x 1 = 【而一x 习 戤2 x 2 = k 对】 图3 8a l a m o u t i 的s t b c 编码器原理框图 假设调制器采用m 进制调制方案。在a l a m o u t i 空时编码中，首先调制每一组 m ( m = l o g ：m ) 个信息比特，然后在编码器的每一次编码操作中取两个调制符号 _ 和屯的一个分组，并根据如下给出的编码矩阵将它们映射到发射天线：电 x = 匕诩 编码器的输出在两个连续发射周期里从两根发射天线发射出去。这种方法既 在空间域又在时间域进行编码。在第一个发射周期中，信号而和而同时从天线l 和天线2 分别发射。在第二个发射周期中，信号一z 从天线1 发射，而i 从天线2 发射。分别用x 1 和x 2 来表示天线l 和天线2 上的发射序列，则： x1 = 【算。一j ；】 x2 = 【工2 工门 a l a m o u t i 方案的主要特征是两根发射天线的发射序列是正交的，也就是说， 序列x 1 和x 2 的内积为0 。即： x 1 ( x 2 ) = 一x ：一x ；x i = 0 式( 3 1 5 ) 假设接收端采用一根接收天线。a l a m o u t i 方案接收机的原理框图如图3 9 所 一 ， 不o 重庆邮电大学硕士论文 发 吃 7 丫噪声干扰 j 上 ，z l 。i 信道估计：l线性合并 f r i j 6 1 1 |1 | j j 5 z 红 对j r 砭 最大似然检测器 量。毫 图3 9a l m o u t i 2 发1 收空时分组码方案 在f 时刻从第一和第二根发射天线到接收天线的信道衰落系数分别用甄( t ) 和 h ，( f ) 表示。假定衰落系数在两个连续发射周期之间不变，则可以表示为： 红o ) = 啊o + t ) = 啊= l l i p 埘 式( 3 1 6 ) 晟2 ( f ) = h 2 0 + 丁) = h 2 = l h 2 p 7 吃式( 3 1 7 ) 式中，l h ，l 和b ( i = 1 ，2 ) 分别是发射天线i n 接收天线的幅度增益和相移，丁为持续 时间。 在接收天线端，两个连续符号周期中的接收信号可以表示为： = h , x l + h 2 x 2 + 以l 式( 3 1 8 ) r 2 = 一啊x ：+ 办2 x ；+ 玎2 式( 3 1 9 ) 其中和力：是均值为o 且功率谱密度为o 2 的独立复变量，分别表示f 时刻 和，+ 丁时刻上加性高斯白噪声的取样。 如果能够在接收机端完全恢复信道衰落系数7 1 1 和吃，那么译码器将采用它们 作为信道状态信息( c s i ) 。假定调制星座图中的所有信号都是等概率的，最大似然 译码器对所有可能的毫和岛值，从信号调制星座图中选择一对信号( 毫，岛) 使式 3 2 0 的距离量度最小。 。 将式3 1 8 和3 1 9 代入式3 2 0 ，最大似然译码可以表示为式3 2 1 。 第三章m i m o 中的空时编码技术研究 d 2 ( 吒，扛毫+ 魄文：) + d 2 ( 吒，一7 j l 箕+ 吃并) = i ，i 一毫一缟毫1 2 + i 眨+ 啊箕一红茸1 2 式( 3 2 0 ) ( 毫，岛) = a r g 。毛m 。南i n k c ( h 1 2 + l 吃f 2 1 ) ( 旧1 2 + i 是1 2 ) + d 2 ( 置，毫) + d 2 ( 五，岛) 产 式( 3 2 l ) 式中，c 为调制符号对( 毫，是) 的所有可能的集合，j i l 和是是通过合并接收信号和信 道状态信息构造产生的两个判决统计。统计结果可以表示为 墨= 舛+ 红弓式( 3 2 2 ) 墨= 绣，i 一向弓式( 3 2 3 ) 将式3 1 8 和3 1 9 代入式3 。2 2 和3 2 3 ，统计结果可以表示为 j i l = ( h 1 2 + i 吃f 2x i + 硝惕+ 吃呓式( 3 2 4 ) 五= ( 阮1 2 + i 吃1 2 ) 也一向呓+ 绣伟式( 3 2 5 ) 对于给定信道实现j f l l 和 1 2 而言，统计结果舅，( f = 1 ，2 ) l v l v 是x = 1 ，2 ) 的函数。 因此，可以将最大似然译码准则式3 2 1 分为对于_ 和x ：的两个独立译码算法，即 毫= a r g m 。i 。n ( 、l 1 2 + 蚶一1 ) 阱+ d 2 ( 墨，毫) 式( 3 2 6 ) 是= a r g m 。，。i 。n ( 、l h l1 2 + i 红1 2 一1 ) l 岛1 2 + d 2 ( 爰，是) 式( 3 2 7 ) 3 2 2 多发射天线 t a r o k h 等人在a l a m o u t i 码的基础上，把发射矩阵的正交设计进行一般化，推 广到多根发射天线，构成了正交空时分组到3 7 1 。正交空时分组码利用正交设计得 到空时分组码的发射码矩阵，其发射码矩阵各列相互正交，利用正交性这个特点 可以使得接收端的最大似然译码算法简化。并且这种具有正交性的空时分组编码 可以获得多根发射和接收天线所能提供的全部分集增益。 如何设计正交矩阵是空时分组码最根本的问题。由于调制星座有实信号星座 和复信号星座两种，故下面就实信号空时分组码设计和复信号空时分组码设计分 别进行讨论。 对于实信号，根据发射天线数的不同，有如下的正交设计( 下面分别是发射 天线为2 ，4 和8 时的编码矩阵) ： 重庆邮电大学硕士论文 x ：= 臣- - # x 8 ， x 4 = x lx 2一x 3一x 4 x 2x 1 x 4一x 3 x 3一x l x 2 x 4 ，x 3一x 2x 1 式( 3 2 9 ) 而一x 2一x 3一x 4一x 5一x 6一z 7一x 8 x 2而 x 3 x 4 一x 4x 3一x 6x 5x 8一x 7 x lx 2一x 7一x 8x 5x 6 x 4一x 3x 2 x 5x 6x 7 x l x 8 x 6一x 5x sx 7 x 7一x 8一x 5x 6 x 8x 7一x 6一x 5 一x 8 x 7一x 6x 5 x ix 2一x 3一x 4 x 2x lx 4一x 3 x 3一x 4 x lx 2 x 4x 3一x 2x l 式( 3 3 0 ) 以上都是基于方阵的实正交设计，构造比较困难，可将其推广到非方阵情况 中，即所谓的广义实正交设计矩阵( g e n e r a l i z e do r t h o g o n a ld e s i g n ) 。t a r o k h 等人找到了在，2 ， 信道环境按照表2 2 的多径衰落传播环境中c a s e 4 ( 移动台速度为3 k i n h ) 给出的参数进行设置； 发送端天线间距为4 允，接收端天线间距为o 5 a ； 各发射天线上的功率相等； 接收端采用理想的信道估计值； 未使用信道编码，并且信号到达接收端时已达到了精准的同步。 1 接收天线数为l ，发射天线数为1 、2 、3 、4 的l b i t s h z s t b c 的性能比较。 未编码的系统采用b p s k 调制；发射天线数为2 时，s t b c 采用码率为l 的码字 x ；和b p s k 调制；发射天线为3 和4 时，s t b c 分别采用码率为1 2 的码字x ；和x ：以 及q p s k 调制。 叱 山 图3 1 0 接收天线数为1 的1 b i t s h z 的s t b c 在c a s e 4 信道中的误比特率性能 2 发射天线数为2 ，接收天线数为1 、2 、3 、4 的s t b c 性能比较。 采用q p s k 调制 重塞坚皇莶兰堡主笙壅一一 图3 1 1 不同接收天线数的s t b c 在c a s e 4 信道中的误比特率性能 4 仿真结果分析 图3 1 0 的仿真结果表明：使用相同的调制方式时，采用s t b c 编码的系 统性能比未采用s t b c 编码的系统性能好，且增加发射天线数可以显著 改善系统的性能，因为增加发射天线数时，系统获得的分集增益也将提 高。 图3 1 1 的仿真结果表明：使用相同的调制方式和相同的s t b c 编码矩阵 ， 时，增加接收天线数可以显著改善系统的性能，因为增加接收天线数时， 系统获得的分集增益也将提高。 3 3 小结 本章主要研究了m i m o 系统中空时编码技术之空时分层码和空时分组码。 从理论和仿真论证了多天线技术可以增加无线通信系统的容量，并改善无线 通信系统的性能，为空时编码技术用于o f d m 系统打下基础。 第四章m i m o o f d m 系统 第四章m i m o o f d m 系统 m i m o - o f d m 集中m i m o 与o f d m 技术的优势于一身：利用m i m o 技术，在不增加 带宽的条件下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，使得o f d m 无需由于增加 载波的数量而引起系统复杂度的增加和系统带宽的增大；这样，o f d m 可以满足当 今带宽受限和功率受限无线局域网系统越来越高的速率要求。利用o f d m 技术，把 频率选择性深衰落信道转变成多个子载波的平坦衰落信道，使得m i m o 在现实的宽 带无线通信中，也有了用武之地。 本章先对o f d m 的基本原理加以阐述，然后讨论m i m o - o f d m 系统的基本模型， 对m i m o o f d m 系统中空时编码的性能加以分析，然后仿真分析了m i m o - - o f d m 系统 中的循环延迟分集( c d d ) 技术，为下一章进行m i m o - o f d m 技术在t d s c d m a 系统 的应用做基础。 4 1o f d m 的基本原理 o f d m 是一种特殊的多载波调制方案，基本思想是将传输比特流分成多个子比 特流，再调制到不同的子载波上进行传输，且各子载波相互正交，提高了频谱利 用率，见图4 1 3 9 1 。 10 f d m 频率 图4 1 传统f d m 多载波调制与o f d m 频谱利用率的比较 由于子载波上的数据速率远小于总数据速率，各子信道的带宽也远小于系统总 带宽。选择子载波个数时，使每个子信道的带宽小于信道的相干带宽，这样每个 子信道所经历的衰落就相对平坦，从而使子信道上的码间干扰比较小。 o f d m 系统基本模型框图如图4 2 。 重庆邮电大学硕士论文 墅。长二 砧 # 筘p 玛拦尘蕃 p s s ，p 智 i 矿秘l 萨嘶 里峨叠一茹砰 图4 2o f d m 系统基本模型框图 一个o f d m 符号之内包含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。如果用表 示子载波的个数，t 表示o f d m 的符号周期，则第一个子载波的频率为正= 导+ z ( 0 刀n 一1 ) ，f 是第o 个子载波的载波频率，也即o f d m 信号的载波频率。s ( 玎) 是分配给每个子信道的数据符号，则从，= t 开始的等效基带信号的o f d m 符号可以 表示为： m ) = n - ! s ( 力) e x p j 2 n 争( f _ f j ) f 乱十r 式( 4 1 ) 其中s ( f ) 的实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相( i n p h a s e ) 和正交 ( q u a d r a t u r e p h a s e ) 分量，在实际系统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。 对于n 比较大的系统来说，式4 1 中的o f d m 复信号可以采用离散傅里叶逆变 换( i d f t ) 方法来实现，对式4 1 中复信号s ( f ) 以丁的速率进行抽样，即令 t = k t n ( 0 k n - 1 ) ，= 0 ，得至0 ： 瞅) ：s ( k t n ) ：羔跗) e x p ( j 警) o k n 一1 式( 4 2 ) n = o 可以看到，此时离散信号s ( k ) 等效于对发送信号s ( n ) 进行n 点的i d f t 运算。 i d f t 输出的每个数据符号s ( k ) 都是由所有子载波信号经过叠加而成的，即对连续 的多个子载波的叠加信号进行抽样得到的。在o f d m 系统的实际应用中，普遍采用 更加高效快捷的i f f