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多天线系统中基于全速率宅时分组码的分集性能研究 摘要 在未来民用领域，新一代宽带无线业务如高清晰度无线视频会议、无线 虚拟现实等业务，要求系统提供高达几百兆每秒的数据速率即2 5 0 倍 u m t s ( u n i v e r s a lm o b il et e l e p h o n es y s t e m ) 的最大数据速率，在其他特殊领 域如军用，深空通信等，越来越强调异构群体的互连互通，这必然导致通信 业务的急剧增加，同时无线通信环境存在多径衰落，多普勒频移和信道快速 时变等许多不利因素，移动通信可使用的频谱资源也相当有限，为解决这些 问题，传统的无线通信技术已很难满足人们在民用和军用等领域对无线移动 通信需求的急剧增长。 m i m 0 ( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ) 采用多发多收技术，可以充分利用 短波信道的多径效应，各天线使用同频段传输，有效地提高了频谱利用率与 传输的可靠性，是未来提升短波通信数据传输能力的主要技术。空时编码则 是一种能充分利用m i m o 系统信道容量的实用技术，空时编码在不同天线发 送的信号间引入了时域和空域相关，可在不增加信号带宽和发送功率的情况 下，有效地提高信息传输速率，改善信息传输性能。本文以提高短波远程通 信传输速率与可靠性为应用背景，重点研究了m i m o 系统中的全速率正交空 时编码和天线选择技术，主要工作及创新点如下： 提出了一种新的基于准正交空时分组码特殊结构的传输方法，并据此 方法进一步优化了准正交空时分组码中断概率上界和下界。该方法通过d u ( 对角酋) 分解推导出4 天线情况下改进的表达式，在接收端可以解耦不同 天线上的信号，由于采用了d u 分解，该算法在接收端可以采用线性解耦恢复 信号，从而将传统的非线性检测方法转变为使用线性最大似然方法检测信号， 仿真结果证明本文算法和传统方法一样能够获得信道中断概率性能，但在译 码复杂度方面本文算法具有明显优势。 通过对准正交空时分组码编码矩阵的分析，构造了两种新的编码矩 阵( n d l 编码和n d 2 编码) ，该编码矩阵与t b h 和j a f a r k h a n i 特征矩阵有相似 行列式，特征矩阵相关值也和t b h 和j a f a r k h a n i 有相似位置，只是n d 2 编 码在译码时存在码间干扰问题，本文针对这一问题提出了一种优化调制方法 消除了干扰，仿真结果显示本文构造的两种编码与t b h 和j a f a r k h a n i 编码具 有相似性能，而且优化的n d 2 编码在信噪比为8 d b 时误码性能有一个数量 级的提高。 哈尔滨下程大学博士学何论文 im_ 提出了一种基于星座旋转分组技术的低复杂度准正交空时分组码译 码方法。本文从q 0 一s t b c 联合译码出发，提出将编码矩阵的分布矩阵进行线 性变换后分组，各个不同组中的分布矩阵与其他组的成员正交，以此优化分 集增益，利用这种分组原则，本文提出了一种新的线性传输方法来降低 q o - s t b c 译码复杂度，该方法在联合检测时既能获得较大的分集增益，同时 具有较低的译码复杂度，仿真结果显示本文提出的方法获得全分集的同时所 需译码符号数量减少到i 2 。 提出一种解耦函数的球译码转换方法。本文通过对解耦函数的欧基 里德范数转换，将解耦函数转换成两个独立的欧基里得范数形式，从而将球 译码方法独立应用到两个译码函数；在准正交码低复杂度译码方面，本文将 球译码方法应用到准正交空时分组码，在复域内提出一种基于重新排序的更 好搜索算法，该算法通过优化球半径迭代过程，加快了信号矢量搜索速度， 仿真结果显示1 6 p s k 调制时本文算法所需浮点运算量降低了大约4 0 。 针对无线多输入多输出分集系统提出了一种四天线发送的全速率扩 展空时分组码( e o s t b c ) ，分析了该编码特征矩阵和系统传输函数；根据该分 组码特点提出一种基于双比特反馈的分集增益自适应控制方法，该方法利用 信道状态信息( c s i ) ，采用天线选择接收，不仅能实现全速率和发送信号的 全分集，而且提高了m i m o 系统的分集性能；提出一种新的天线选择方法，该 方法根据扩展空时分组传输函数特点选择优化的天线子集，在获得分集增益 的前提下能取得更好的误码性能，在b e r 为1 0 。5 时，两者之间的性能增益大 概有4 d b 差异。 关键词：短波通信系统；无线衰落信道；多输入多输出系统；空时编码； 信道容量；球检测；信道状态信息 多天线系统中基于伞速率空时分组码的分集性能研究 一i - a b s t r a c t i nt h ef u t u r ec i v i lf i e l d , a d v a n c e m e n to fs o c i e t ya n di m p r o v e m e n to f p e o p l e ss t a n d a r do fl i v i n g ，n e wg e n e r a t i o 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 sa r e e x p e c t e dt op r o v i d eh i g h e rt r a n s m i s s i o nr a t e ，o f f e rb e t t e rq u a l i t ya n ds u p p o r t f a s t e rm o v i n gt e r m i n a l s t h em o s te f f e c tw a yt om e e ts u c hr e q u i r e m e n t si st h e m i m o t e c h n o l o g y , w h i c hd e p l o y sm u l t i p l ea n t e n n a sa tt r a n s m i t t e ra n d o rr e c e i v e r r e c e n tr e s e a r c hi ni n f o r m a t i o nt h e o r yh a ss h o w nt h a tl a r g e rg a i n si nt h ec a p a c i t y o fc h a n n e l sa r ef e a s i b l ei nm i m o s y s t e m s t om a k ef u l lu s eo ft h ec a p a c i t yo f m i m oc h a n n e l s ，s p a c e - t i m ec o d i n gi sas e to fp r a c t i c a ls i g n a lt e c h n i q u e sw h e n t h e r ei sn oc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s oa tt h et r a n s m i t t e r s p a c e t i m ec o d i n g 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 ns i g n a l sa r e t r a n s m i t t e db yd 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 n r a t ea n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c ew 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 r a u g m e n t t h i sd i s s e r t a t i o nc o n c e n t r a t e so nt h en o o r t h o g o n a ls p a c e - t i m ec o d e s a n da n t e n n as e l e c t i o nt e c h n o l o g yf o rm i m o s y s t e m s ，a n di ti n c l u d e s ： q s t b cs y s t e mf o rt h ec a s eo ff o u rt r a n s m i ta n do n er e c e i v ea n t e n n a s w a sp r o p o s e dt h ed i s s e r t a t i o ng e n e r a l i z et h e s er e s u l t st o2 nt r a n s m i ta n da n a r b i t r a r yn u m b e ro fr e c e i v ea n t e n n a s f u r t h e r m o r e ，t h ed i s s e r t a t i o nd e r i v e sa n a n a l y t i c a ll o w e rh o u n df o rt h ef r a c t i o no fo u t a g ep r o b a b i l i t ya c h i e v e dw i t h q s t b c a nu p p e rb o u n di sa l s op r o p o s e d ，t h ed i s s e r t a t i o nd e r i v e sa n a l y t i c a l e x p r e s s i o n sf o rt h ec a s eo ff o u rt r a n s m i t t i n ga n t e n n a s f u r t h e r m o r e ，b yu t i l i z i n g t h es p e c i a ls t r u c t u r eo ft h eq s t b can e wt r a n s m i ts t r a t e g yi sp r o p o s e d ，w h i c h d e c o u p l e st 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 si no r d e rt od e t e c tt h e s y m b o l ss e p a r a t e l yw i t ha l i n e a rm l - d e t e c t o rr a t h e rt h a nj o i n td e t e c t i o n g e n e r a l i z es o m eo ft h e i rc h a r a c t e r sa n dd e r i v es e v e r a ln e wp a t t e r n st o e n r i c ht h ef a m i l yo fq u a s i o r t h o g o n a ls t b c an e wl o w e rc o m p l e x c i 哆q o - s t b c d e c o d i n ga l g o r i t h m b a s e do nc rt e c h n o l o g yi s p r o p o s e d , w h i c h u s e s g r o u p - c o n s t r a i n e d l i n e a r t r a n s f o r m a t i o n ( g c l t ) a sam e a nt oo p t i m i s et h e d i v e r s i t ya n dc o d i n gg a i n so faq o s t b c ，c o m p a r e dw i t hq o s t b cw i t h c o n s t e l l a t i o nr o t a t i o n ( c r ) ，q o s t b cw i t hg c l tr e q u i r e so n l yh a l ft h en u m b e r o fs y m b o l sf o rj o i n td e t e c t i o n , h e n c el o w e rm a x i m u m l i k e l i h o o d d e c o d i n g 哈尔滨t 稃大学博十学位论文 c o m p l e x i t y l o wc o m p l e x i t ys p h e r e d e c o d i n gm e t h o do fd e c o u p l e df u n c t i o n si s p r e s e n t e d n es da l g o r i t h mf i n d st h es h o r t e s tv e c t o ri nt h es e n s eo fe u c l i d e a n n o r mw i t h i nt h es p h e r e ，h o w e v e r ，t h ed e c o u p l e dm e t r i cf u n c t i o n si nt h ed e t e c t i o n o fq u a s i o r t h o g o n a ls p a c e - t i m eb l o c kc o d e sa l en o ti nt h er e q u i r e de u c l i d e a n n o r mf o r m a t i nt h i sl e t t e r ，t h em lm e t r i co fq u a s i - o r t h o g o n a ls p a c e - t i m eb l o c k c o d e si sw r i r e ni n t ot w oi n d e p e n d e n te u c l i d e a nn o r m s ，t h u ss dc a nb ea p p l i e dt o e a c hf u n c t i o n i n d e p e n d e n t l y t h e d e s s e r t a t i o n p r e s e n t s a s p h e r ed e c o d i n g a l g o r i t h mw h i c hf m d sam e t h o do fs e a r c h i n gn e wv e c t o ri nas p h e r er a d i u s an e w b e t t e rs e a r c h i n gm e t h o db a s e do nr e - o r d e r e dv e c t o r si nc o m p l e xf i e l di sp r e s e n t t e d t h i sa p p r o a c ho p t i m i z e ss p h e r er a d i u si t e r a t i o n ，i n c r e a s e st h es e a r c h i n gs p e e do f s i g n a lv e c t o r i n t r o d u c i n ge x t e n d e do r t h o g o n a ls p a c e t i m eb l o c kc o d e sw i t hf o u r a n t e n n as e l e c t i o n s ，a n dp r o p o s i n gam i m od i v e r s i t ya d a p t i v ec o n t r o lm e t h o d b a s e do np a i rb i t sf e e d b a c ka c c o r d i n gt oe o - s t b cc h a r a c t e r i s t i c t h i sm e t h o d n o to n l yr e a l i z e saf u l lr a t ea n df u l ld i v e r s i t y , b u ta l s oi m p r o v et h em i m o d i v e r s i t yp e r f o r m a n c et h r o u g hc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) a n da n t e n n a s e l e c t i o n a d c a n e dm e t h o dt o s i m p l i f y3a n t e n n a ss y s t e ma n d4a n t e n n a s s y s t e mt oo n ei su s e dt ob ea v a i l a b l ej o i n td e t e c t i o n k e y w o r d s ：w 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 ，w i r e l e s sf a d i n gc h a n n e l 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 ts y s t e m s ，s p a c e t i m ec o d e ，c a p a c i t yo fc h a n n e l s ， s p h e r ed e t e c t i o n ，c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：枨：杉l 日期：沙9 年b y j - , 4 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ： 弓瓴i ，杉l l导师( 签字) ：弘巷锄 日期：沙矿) ) 年6 月订日如释厶月谚日 1 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 通信技术的发展日新月异，移动通信领域也发生了深刻变革。移动通信 得到迅猛发展的原因，除了用户需求迅速增加这一主要推动力之外，还有其 他几个方面技术所提供的条件。 首先，微电子技术在这一时期得到迅速发展，使得通信设备能够实现小 型化和微型化，其次，贝尔实验室提出的蜂窝网的概念形成了移动通信新体 制。蜂窝网，即所谓的小区制，由于实现了频率再用，大大提高了系统容量。 最后，大规模集成电路的发展促进了微处理器技术的日趋成熟和计算机技术 的迅猛发展，为大型通信网的管理与控制提供了技术手段。这一时期的移动 通信系统一般被称为第一代移动通信系统。 图l _ 1 无线通信技术发展模型 f i g u r o1 1 d e v e l o p m e n t m o d e lo f w i r e l e s s c o m m u m c a t i o n t e c h n o l o g y 随后，进入以g s m 通信系统和c d m a ( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 哈尔溟t 释大学博十学位论文 通信系统为代表的第二代移动通信系统。目前，人们正在发展第三代3 g 移 动通信系统，但是由于3 g 系统的核心网还没有完全脱离掉第二代移动通信 系统的核心网结构，普遍认为系统仅仅是一个从窄带向未来宽带无线通信系 统的过渡阶段。所以人们已经把更多的目光投向了b 3 g ，4 g 等移动通信系 统。而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 ) 技术正是未来b 3 g ，4 g 移动 通信系统中的一项关键技术，图1 1 显示了无线通信技术发展模型【卜2 1 。 国际电信联盟目前已开始研究制定系统标准，把移动通信系统同其他系 统如无线局域网结合起来，产生4 g 技术，2 0 1 0 年前使数据传输速率达到 1 0 0 m ，提供更有效的多种业务，实现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播、 电视卫星通信等的无缝衔接并相互兼容，具有更高的数据率和频谱利用率， 更高的安全性、智能性和灵活性，更高的传输质量和服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) ，4 g 系统应体现移动与无线接入网及网络不断融合的发展趋 势。因此4 g 系统应当是一个全i p 的网络，4 g 中的关键技术有调制技术、 软件无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，s d r ) 、m i m o 技术等。 m i m o 系统在无线通信链路的发射、接收两端都使用多个天线，在发送 端将用户的数据信息分成多路并行信号并引入编码关系，再分别由多个天线 同频段发送，接收方依靠特殊的编码方式与信号处理算法实现对发送信息的 恢复。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，实际上利用了多径随机衰落环境中电磁波散射所产生的空间选 择性，而并非象其它传统技术中那样极力地避免多径与随机衰涔3 1 。系统将 信道化解为若干并行的子信道，能够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，多个发射天线近距离同频、同时传输，理论上可以极 大地扩展频带利用率，提高传输速率，同时还可以增强通信系统的抗干扰、 抗衰落性能。由于该技术的诸多优越性能，因而被广泛认为将成为未来高速 无线接入系统的必选技术方案。 1 2 多天线编码技术 随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的严重不足已经日益成为遏制 无线通信事业的瓶颈，m i m o 技术在提高信道容量方面具有很大潜力，空时 编码是达到容量极限的有效方法。在多天线编码矩阵中，如果发射矩阵各列 正交，这样的空时码称为正交空时分组码，满足空时编码设计的秩准则，可 以获得最大分集增益的同时，其最大似然译码算法也非常简单，在正交空时分 组编码( o s t b c ) 中，编码矩阵中列向量彼此正交，译码复杂度相对于接收天 2 第一章绪论 线数日呈线性增长而非指数增长，然而当发射天线数目大于2 时，不存在满速 率的复正交设计h8 1 。针对这一问题，j a f a r k h a n i 等学者提出了准正交空时编 码，定义准正交空时分组码( q o s t b c ) 为一个t xn 维发射矩阵，在r 个时隙 内从个天线中发送k 个符号，发送矩阵的元素由0 ，五，+ x 2 ，+ x k 及其共 轭o ，i ，z ，戈= ，构成，若用，i = l ，2 n 表示发射矩阵的列向量，则任意 一个列向量k 仅与剩余列中的一个列向量v i , ( f ，) 相关，而与其它列向量正 交，编码效率为r = k t ，该编码各列部分正交，放宽了简单独立译码的条 件，以增加译码的复杂度来换取满速率传输。 1 3 多天线技术研究动态 为了适应现代通信技术的快速发展，许多新技术正在不断地被研究和应 用到移动通信中，主要包括自适应调制与编码技术，功率控制技术，信道编 码与均衡技术，多用户检测技术，码分多址技术，多载波通信技术以及包括 智能天线，空间分集和空间复用的多天线技术等，其中多天线技术由于具有 抑制干扰，抗衰落，增大覆盖范围和提高系统容量等优点，正受到越来越多 的关注，综观现代通信技术的发展历程，不难发现，愈来愈高的传输速率， 愈来愈宽的传输带宽，愈来愈先进的信号处理技术，愈来愈高的频带利用率 要求以及愈来愈严峻的成本考验已成为未来宽带移动通信系统必须面临的挑 战，为了有效地解决以上问题，选择适当的信号处理技术对于未来宽带移动 通信系统将至关重要，这也是信号处理技术与通信技术相结合，共同发展的 一种必然趋势。 图1 2 显示了m i m o 系统基本框图。在m i m o 系统理论及性能研究方面已 有一批文献，这些文献涉及相当广泛的内容。但是由于无线移动通信m i m o 信道是一个时变、非平稳多入多出系统，尚有大量问题需要研究。比如，各 文献大多假定信道为分段一恒定衰落信道，这对于宽带信号的4 g 系统及室外 快速移动系统来说是不够的，因此必须采用复杂的模型进行研究。文献 8 1 8 在这方面进行了研究，即对信道为频率选择性衰落和移动台快速移动情况进 行研究。而且，在基本文献中，均假定接收机精确已知多径信道参数，为此， 必须发送训练序列对接收机进行训练。但是若移动台移动速度过快，就使得 训练时间太短，这样快速信道估计或盲处理就成为重要的研究内容。 3 哈尔滨下稃大学博十学位论文 发射天接收天 j 输入比特 j 空时处理 i j 1 j - 空时处理 ； l 图1 2m i m o 系统基本框图 f i g u r e1 2 b a s i cf r a m eo f m i m os y s t e m 另外实验系统是m i m o 技术研究的重要一步。实际系统研究的一个重要问 题是在移动终端实现多天线和多路接收，文献 1 9 2 0 等进行了这方面的研 究。由于移动终端设备要求体积小、重量轻、耗电小，因而还有大量工作要 做，目前各大公司均在研制实验系统。 实际上多输入多输出( m i m o ) 技术由来已久，在7 0 年代有人提出将多入 多出技术用于通信系统，但是对无线移动通信系统多入多出技术产生巨大推 动的奠基工作则是9 0 年代由a t & tb e l l 实验室学者完成的。1 9 9 5 年t e l a d a r 给出了在衰落情况下的m i m o 容量；1 9 9 6 年f o s h i n i a 给出了一种多入多出处 理算法一对角一贝尔实验室分层空时( d i a g o n a l - b e l ll a b o r a t o r yl a y e r e ds p a c e t i m e ，d b l a s t ) 算法；1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了用于多入多出的空时码；1 9 9 8 年w o l n i a n s k y 等人采用垂直一贝尔实验室分层空时( v e r t i c a l b e l l l a b o r a t o r yl a y e r e ds p a c et i m e ，v _ b l a s t ) 算法建立了一个m i m o 实验系统，在 室内试验中达到了2 0b i t s h z 以上的频谱利用率，这一频谱利用率在普通 系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大注意，并使得多入多出的研 究工作得到了迅速发展。 b e l l 实验室的b l a s t 系统是最早研制的m i m 0 实验系统。该系统工作频 率为1 9g h z ，发射8 天线，接收1 2 天线，采用d - b l a s t 算法，频谱利用率 达到了2 5 9b i t s ( h z s ) ，但该系统仅对窄带信号和室内环境进行了研究， 对于在3 g 、4 g 应用尚有相当大距离。在发送端和接收端各设置多重天线，可 以提供空间分集效应，克服电波衰落的不良影响。这是因为安排恰当的多副 天线提供多个空间信道，不会全部同时受到衰落乜1 铂3 。在上述具体实验系统 4 第一章绪论 iii i _ 中，每一基台各设置2 副发送天线和3 副接收天线，而每一用户终端各设置 1 副发送天线和3 副接收天线，即下行通路设置2 3 天线、上行通路设置1 3 天线。这样与“单输入单输出天线”s i s o ( s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 相比， 传输上取得了l o 2 0 d b 的好处，相应地加大了系统容量。而且，基台的两副 发送天线在必要时可以用来传输不同的数据信号，用户传送的数据速率可以 加倍。 朗讯科技的贝尔实验室分层的空时技术是移动通信方面领先的m i m o 应 用技术，是其智能天线的进一步发展。b l a s t 技术就其原理而言，是利用每 对发送和接收天线上信号特有的“空间标识 ，在接收端对其进行“恢 复”泓 勰1 。利用b l a s t 技术，如同在原有频段上建立了多个互不干扰、并行 的子信道，并利用先进的多用户检测技术，同时准确高效地传送用户数据， 其结果是极大提高前向和反向链路容量。b l a s t 技术证明，在天线发送和接 收端同时采用多天线阵，更能够充分利用多径传播，达到“变废为宝”的效 果，提高系统容量。理论研究业已证明，采用b l a s t 技术，系统频谱效率可 以随天线个数成线性增长，也就是说，只要允许增加天线个数，系统容量就 能够得到不断提升。这也充分证明b l a s t 技术有着非常大的潜力。鉴于对于 无线通信理论的突出贡献，b l a s t 技术获得了2 0 0 2 年度美国t h o m a se d i s o n ( 爱迪生) 发明奖。2 0 0 2 年1 0 月，世界上第一颗b l a s t 芯片在朗讯公司贝 尔实验室问世，贝尔实验室研究小组设计小组宣布推出了业内第一款结合了 贝尔实验室l a y e r e ds p a c et i m e ( b l a s t ) m i m o 技术的芯片，这一芯片支持 最高4 4 的天线布局，可处理的最高数据速率达到1 9 2 m b p s 。该技术用于 移动通信，b l a s t 芯片使终端能够在3 g 移动网络中接收每秒1 9 2 兆比特的 数据，现在，朗讯科技已经开始将此b l a s t 芯片应用到其f l e x e n to n e b t s 家族的系列基站中，同时还计划授权终端制造商使用该b l a s t 芯片，以提高 无线3 g 数据终端支持高速数据接入的能力。 2 0 0 3 年8 月，a i r g on e t w o r k s 推出了a g n l 0 0w i f i 芯片组，并称其是 世界上第一款集成了多入多出( m i m o ) 技术的批量上市产品。a g n l 0 0 使用该公 司的多天线传输和接收技术，将现在w i - f i 速率提高到每信道1 0 8 f o p s ，同 时保持与所有常用w i f i 标准的兼容性。该产品集成两片芯片，包括一片 b a s e b a n d m a c 芯片( a g n i o o b b ) 和一片r f 芯片( a g n i o o r f ) ，采用一种可伸缩 结构，使制造商可以只使用一片r f 芯片实现单天线系统，或增加其他r f 芯 片提升性能。该芯片支持所有的8 0 2 1l a 、b 和g 模式，包含i e e e8 0 2 1 1 工作组推出最新标准( 包括t g i 安全和t g e 质量的服务功能) 啪1 。a i r g o 的芯 哈尔滨下稃大学博十学俯论文 一i _ 片组和目前的w i - f i 标准兼容，支持8 0 2 1 l a ，b 和g 模式，使用三个5 g h z 和三个2 4 g h z 天线，使用a i r g o 芯片组的无线设备可以和以前的8 0 2 1 1 设 备通讯，甚至可以在以5 4 m b p s 的速度和8 0 2 儿a 设备通讯的同时还可以以 1 0 8 m b p s 的速度和h i r g o 的设备通讯。 1 4 论文章节内容 本论文得到了预研基金项目“数据传输与综合新技术研究 ( 编号： 2 0 0 6 y g 0 0 i 0 0 1 0 ) 的资助。“扩展正交空时分组码多天线系统性能研究 和 “低复杂度准正交空时分组码译码性能研究 分别是项目中所承担工作的一 部分，本文的主要内容属于作者在参与这些课题研究当中所取得的成果。 本文的第一章是绪论。介绍了论文的研究背景，对多输入多输出( m i m o ) 技术理论及应用研究作了概述，最后给出了论文的选题和研究内容。 第二章研究了随机信道系数情况下m i m o 系统的平均容量和中断容量。 首先从信息理论角度出发推导了平坦衰落信道q o s t b c 的平均容量公式， 根据公式进一步分析了平均容量和接收天线数、信噪比的关系。接着分析了 q o s t b c 中断概率，包括中断概率上下界的近似计算表达式，在推导中断概 率时采用了一种改进的传输模型和译码方法，该算法根据q o s t b c 编码的 特点将传输模型等效为两个线性解耦函数，这样不仅可以方便的在接收端采 用线性方法译码，而且可以简化译码复杂度，通常空时码译码方法可分为线 性译码和非线性译码方法，线性译码方法是一种次优化算法，但仿真结果证 明采用线性最大似然译码能取得非线性译码方法相似的性能。 第三章分析了典型的准正交j a f a r k h a n i 和t b h 编码性能。首先分析了 j a f a r k h a n i 和t b h 编码的特征矩阵和编码性能关系，然后提出了两种新的编 码矩阵。构造的q o s t b c 编码特征矩阵具有和j a f a r k h a n i 和t b h 编码相似 的元素位置分布。在分析编码时，通过比较特征矩阵的行列式，理论上论证 了不同编码的性能。但是采用成对译码方法时，新的设计矩阵中相关性导致 相邻符号的干扰，本章提出采用改进的调制方式优化函数值，从而提高了编 码性能。接收端有多种译码算法，本章采用常规的最大似然算法，本章对 j a f a r k h a n i 和t b h 编码及其他两种编码误码性能分别作了比较，仿真结果证 明优化后的编码明显好于未优化时的性能，同时仿真结果也论证了不同矩阵 性能与特征值矩阵具有紧密联系。 第四章分析了星座旋转技术和解耦技术在准正交空时分组码中的应用。 提出了一种新的基于星座旋转技术的低复杂度q o s t b c 译码方法。引入星 6 第一章绪论 一i | 1i|i 一 座旋转技术町提高q o s t b c 编码的分集增益，但由于星座图变得更加复杂， 因而增加了译码难度，本论文从q o s t b c 联合译码出发，提出将编码矩阵 的分布矩阵进行分组，各个不同组中的分布矩阵与其他组的成员正交。利用 这种分组原则，构造了一种新的线性传输方法来优化q o s t b c 编码，首先 根据准正交编码系统分析了星座旋转对q o s t b c 译码复杂度的影响，星座 旋转技术最重要的是旋转角度，本论文针对旋转角度提出了一种基于分组的 线性变换( g c l t ) 方法，并推导出反映编码性能的重要参数，随后我们优化 了该参数并和没有采用星座旋转技术的q o s t b c 编码系统比较，仿真结果 显示了本章算法的优越性。同时本章还对译码复杂度进行研究，通过组准则 确定的准正交编码在联合译码时不仅缩小了搜索符号集合，而且获得了传统 q o s t b c 编码的性能，仿真结果也论证了结论的正确性。 第五章针对准正交空时分组码最大似然译码问题提出了一种改进的球译 码方法。在描述算法之前，首先推导了解耦函数的欧基罩德范数转化实现球 形译码公式，该公式能够将最大似然问题转换为通用球形译码的表达式，从 而避免了非欧氏空间上不能直接应用球形译码问题。目前针对球形译码主要 有两种分析方法：一种是在实域内对信号进行解码，如果为复信号，一般将 其分解为实数域内进行，这样计算量相当大。还有一种是在复数域内对信号 进行译码，但目前使用大部分方法在向量重新排序以及球内点搜索方面的效 率并不高，本章提出的算法基于复数域提出的一种基于重新排序的更好搜索 算法，该算法通过优化球半径迭代，加快了信号矢量搜索速度，算法的基本 思想是采用单返回值和函数排序的方法，使搜索的范围减小，模块处理速度 增加，因此提高了运算效率，经过和其他方法的比较，仿真结果显示在计算 量方面本章提出的方法具有更大的优势，很大程度提高了译码效率。 第六章研究了空时分组码和天线选择结合技术。首先提出了一种四天线 发送的全速率扩展空时分组码( e o s t b c ) ，并根据该分组码特点提出一种基 于双比特反馈的分集增益自适应控制方法。该方法在空时码送到天线上前加 入两个控制因子，并通过传输系统函数推导出系统传输性能和因子的关系， 分析结果显示：通过接收端得到的信道状态信息( c s i ) 改变因子值为l 或一 1 ，可以有效提高系统的分集性能，该方法本质上采用天线选择技术来选择最 好的信道进行信号传输，同时，根据发送矩阵不同形式，本章将四天线和三 天线系统综合到一起考虑，只是在反馈比特上有所不同。由于编码矩阵采用 扩展正交编码，不仅实现了全速率和发送信号的全分集，而且提高了m i m o 系统的分集性能。仿真结果显示：采用扩展空时分组码的反馈系统不仅在性 7 哈尔滨t 稃大学博十学何论文 能上优于传统的反馈控制系统，而且采用天线选择时，能够在性能上有4 d b 的提高。 第七章为全文总结，概括了本文的主要研究成果及创新之处，指出了进 一步开展研究的方向。 8 第章m i m o 系统模型及准正交空时分组码信道容r 鼠分析 第二章m i m o 系统模型及准正交空时分组码信道 容量分析 2 1 引言 m i m o 本质上是基于空间复用的技术，空间复用可以提供更高的容量， 具体是指通过一个以上的天线并行发送独立的多组数据流，数据流之间可以 引入相关性，这样多组数据流在时间和空间上就具有某种内在关系，设编码 矩阵为： - c l g ：i ； 【- o c f茚1 ；il c p x 吩 ，l 0 茚j 可以看出一个码字共有尸时刻，并按行由力，副天线同时发送，即在第一 时刻发送第一行，第二个时刻发送第二行，依次类推，在第p 时刻发送第p 行，总共需要p 时刻才完成一个码字发送。可见，矩阵的每一列符号实际上 是由同一副天线在不同时刻发送的，每一个编码码字共使用了k 符号，并且 从副天线上完全发送这k 符号共占用了尸时间片，故可定义空时分组码的 编码效率为r = k p ，它表示单位时间片内平均发送的调制符号的个数。空时 分组码具有简单的译码形式，同时能获得分集增益，所以具有更高的实际应 用价值，但正交空时分组码在发射天线数目大于2 时不能满足速率为l 的全 速率发送，准正交空时分组码( q u a s io r t h o g o n a ls p a c e t i m eb l o c kc o d e ， q o s t b c ) 就是针对正交空时分组码这个问题提出来的，它能够实现空时编 码速率为l ，同时能获得一定的分集增益。 传统的单天线s i s o 系统要受到香农容量的限制，通过采用先进的编码 技术如t u r b o 码和低密度奇偶校验码可以使通信容量接近香农容量极限。不 断增长的通信业务需要更大的信道容量，然而信道容量的提高不能通过增加 发射功率和信号带宽来获得。面对有限的频率资源，只有显著提高频带利用 率才能满足这一要求。采用多天线发射和多天线接收的m i m o 技术突破了香 农容量的限制，可使频带利用率得到成倍的提高。贝尔实验室的f o s c h i n i 提 出了采用空间复用技术的d b l a s t 试验系统，使无线链接的容量提高了2 0 到3 0 倍。随后在1 9 9 8 年他与g a n s 在文献 3 0 】中从信息论的角度推导了m i m o 9 哈尔滨t 程大学博十学何论文 系统的信道容量公式，在理论上论证了m i m o 技术町以获得超过香农容量限 制的信道容量，并且大信噪比时m i m o 信道容量与收发天线数目的最小值成 正比。 文献【3 0 对信道系数确定时m i m o 系统容量进行了研究，主要从两个方 面分析了m i