（通信与信息系统专业论文）wimax系统中多天线空时编码技术的研究.pdf

摘要 近年来，无线通信发展极为迅速，涌现了一大批无线通信新技术并广泛应用。 宽带无线通信由于集宽带和无线于一身更是取得了突飞猛进的发展，已经成为未 来无线通信的主要发展趋势。w i 作为“最后一公里”宽带无线接入技术， 基于o f d m 技术能够抗多径干扰，具有高接入速率，并且支持多天线、空时编 码等高频谱效率的物理层技术，能实现信道容量和传输效率的较大提升，因此受 到越来越广泛的重视。本文用m a t l a b 作为仿真工具，深入研究了w i 系统 中采用的多天线空时编码技术，主要完成了以下工作： 1 ) 详细介绍了w i 的物理层规范、m l m o 的系统模型和信道容量的计 算、空时分组编码器和多天线技术，加深了对w 系统及其所应用 的多天线技术的理解。 2 ) 基于8 0 2 1 6 2 0 0 4 协议的w l e s s m a n o f d m 规范，给出了w i m a 系统框图，并用m a a b 搭建了w i m a x 系统平台，对不同信道、不同带 宽和不同调制方式下的w i 系统性能进行了仿真。 3 ) 详细分析了m i m o 能取得信道容量增益的原因，给出了平均分配功率和 注水法分配功率下的m i m o 信道容量的计算方法。并用m a t l a b 仿真不 同天线数的m i m o 信道容量，以及采用平均分配功率法和注水法的不同 影响。 4 ) 对最简单的空时分组码一舢锄0 u t i 编码进行了仿真，详细分析了空时 分组码能够取得分集增益的原因，并扩展到多发多收天线的空时编码， 用m a t l a b 仿真它们的性能。 5 ) 在之前搭建好的w i m a x 系统平台上，应用多天线空时编码技术。并在 系统平台上对趾锄o u t i 、两发两收、多发单收和多发多收的空时编码方 案进行仿真，分析了w i 系统中多天线空时编码的性能。 关键词：宽带无线通信w i 眦多天线空时分组编码 a b s t r a c t i i lf e s e my e a r s ，w i t l lt h ed i e v e l o p m e n to fr e s e a r c ho nw i r e l e s sc o m m 1 i c a l i o 玛 m a n yn e wt e c h o n o l o g i e sa 托w i d e l y 印p l i e di nd i 疏彻1 ta r e 嬲w i d eb 柚dw h i 髓s c o m m i m i c a t i o nt e c h n o l o g i e se s p e c i a l l ye m e r g ew i t l la 瑚i p i ds p e c d 锄dg i 劲伽y b e c o m em a i n 仃e n do fm t i l r ew i r e l e s sc o m m 珊：l i c a t i o 玛b e c a u s eo fi t s 硫e 霉a t e d w i d e b 卸da n dw i r e l e s s a st 1 1 e “l a s tm i l e ”w i d e b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g y ， w j m a xb e c o m et h ef o c u so fc 0 n 皿e r c i a la p p l i c a t i o n ，d u et 0i t sa n t i m u l 缸pa _ m ，h i g h a c c e s sr a t e 锄di t s 跚p p o n so fn 眦l t i - 锄t 1 1 n a s 锄ds p a c et i m ec o d i n g ，s o 鹳t 0p r o m o t c t 1 1 ec a p a c i 够a n dr a t e i n 血i st h e s i sw er c s e a r c ho nt h ew i m a x s y s t e ma p p l i e dw i t l l m u l t i 一咖嬲趾ds p a c e 血n ec 0 d i l l gu s i n gm a t l a b 缌s i n m l a t i o nt o o l ，a n df m a l l y f i n i s h 也ef o l l o w 她w o r k ： 1 ) i n t r o d u c ep h y s i c a ll a y e ro fw m 似，m o d e lo fm i m os y s t e m ，也e c o m p u t i n go fm i m oc 印a c i t ) ，s p a c et i m ec o d c r 粕dm u l 6 - 咖a si nd e t a i l s ， w 1 1 i c hd e 印衄t 1 1 e 蚰d 咖d i i l go fw i m a x s y s t e ma n di t sm u l t i 一锄皿鹤 锄ds p e t i m e c o d i n g ： 2 )f i g l l 陀o u t 也em o d c lo fw i m a xs y s t 锄b 船c d0 n 也e8 0 2 16 - 2 0 0 4w l e s s m a n - o f d ms p e c i f i c a t i o n b u i l dt h ep l a 仃0 n no fw i m a x s y s t e mu s i n g m a t l a b 如ds i m u l a t et l l ep e r f b 衄锄c eo fw i m a xs y s t 锄w i 血d i f j 陆e n t c h a n n e lm o d e l s b a n d w i d n l sa n dm o ( 1 u l a t i o n s 3 )a n a l y 趵t h e 佗勰o nw h ym i m oc 锄g c tc 印a c 时g a i n 锄dg i v e 也em e t h o d s o fc o m p u 血gt h em i m oc 印a c 时w i 也w a t e r f i l l i n g 觚da v e m g ea l l 0 c a t i 0 i lo f p o w c r u m a t l a bt 0s i m u l a t em i m oc 印a c i t yw i 也d i s t i n c ta n 勺衄嬲，蚰d w i n ld i f f e r e n tp o w e ra l l o c a t i o n ：w a 旭r f i l l i n g 锄da v 盯a g ea l l o c a t i o n 4 ) s i m u l a t c 也e s i n l p l e s ts p a c et i m ec o d i i l g 一a l 锄o u t ic o d i n g ，a n da n a l y z e 也e 舔w h ys p a c et i r i l ec o d 洫gc 眦g e td i v e 塔时g a i n e x p dt h es p a c et i m e c o 幽g t 0m u l t i - 眦l s m i tm u l t i - r e c e i v e 觚n l n 勰，a n dm a k es i m u l a t i o 璐 5 )a p p l yt h em u l t i - 肌n m a sa n ds p a c et i m ec o d i i l gt e c l l n o l o g yi 1 1t h eb u i l t p l a t f 0 眦o fw i m a x s i m u l a t e 也ep e 墒咖锄c eo fw i 议w i 也a l 锄o u t i ，2 吮l s m i t2r e c e i v e ，m u l t i p l e 仃a n s m i ts i i l g l er e c e i v e 锄dm u l t i p l e 艄m s m i t m u l t i p l er e c c i v e ，a i l da tl 路t 肌a l y z et i i er e s u l t s l ( e yw o r d s ：w i d e b 觚dw i r e l e s sc o m m u l l j c a t i o 玛晰议，m u l t i p l ea n 廿l n 勰， s p a c e 陆n ec o d i n g 第一章绪论 第一章绪论 自1 0 0 多年前马可尼第一次发射无线电信号穿过英吉利海峡以来，无线通信 实现了从无到有、从简单到复杂、从奢侈到普遍的巨大发展，直到今天其已经成 为人们生活、企业运作和国家发展不可或缺的工具。尤其是当无线通信作为个人 通信的工具以来，在经历了第一代、第二代和正在推广的第三代移动通信系统， 其发展更是日新月异，涌现了一大批无线通信新技术。如无线接入网技术有 w i m a x 、w i f i 、3 g 、l t e 等：无线组网技术有m e s h 、a dh o c 和传感器网络技 术；无线通信物理层技术有o f d m 、m l m o 、智能天线、自适应天线技术等；还 有像超宽带技术( i n 釉) 、软件无线电、认知无线电等新近兴起的技术。 1 1 几种无线通信新技术简介 1 1 1 无线城域网技术一w i m a x 上世纪9 0 年代，宽带无线接入技术迅速发展，但是没有全球统一的标准成 为其发展瓶颈。虽然之前用于宽带无线接入的8 0 2 1 l ( w i f i ) 技术获得较大成功， 但是其应用范围主要局限与室内，室外应用存在着带宽、用户数和通信距离受限 制等缺点。基于这种情况，1 9 9 9 年电气电子工程师协会( m e e ) 成立了8 0 2 1 6 工作组专门研究宽带无线接入标准，解决“最后一公里”的宽带无线接入问题， 研究制定出8 0 2 1 6 协议【l 】。随着技术的发展和需求的提高，协议经过了不断的改 进，形成了包含多个协议标准的协议簇。如8 0 2 1 6 2 0 0 4 协议是在原来基础上增 加支持m i m o 和o f d m 技术，工作在低频段，适用于非视距传输；8 0 2 1 6 c - 2 0 0 5 协议既能工作在高频段用于视距传输，又能工作在低频段用于非视距传输，而最 大的特点在于它增加了对用户移动性的支持【2 】。为了促进技术的完善和市场的拓 展，世界知名通信企业联合发起了世界微波接入互操作性( w o r l di n t e r o p e m b i l i 锣 f o rm i c m w a v ea c c 鹤s ，w i m a x ) 论坛，用于推广8 0 2 1 6 协议标准。w i m a x 技 术的出现，极大地推动了宽带无线接入技术的发展，并且随着它的不断成熟和完 善，w i m a x 技术一定能在宽带无线通信市场占据重要地位【l 】。 第一章绪论 1 1 2m i m o o f d m 技术 o f d m 技术是无线通信物理层最重要的技术之一，虽然其广泛应用较晚( 上 个世纪末) ，但是它的思想早在1 9 6 6 就由r o b e r tw c h 姐g 提出【3 1 。o f d m 技术 是由多载波调制( m c m ) 发展而来，他们的主要区别为o f d m 的各个子载波之 间是正交的，这样，可以用f f t 来实现o f d m 。但是在当时的很长一段时间， 实现f f t 的设备较复杂，并且发射机、接收机振荡器的稳定性和射频功率放大 器的线性要求等都制约着o f d m 的发展。直到2 0 世纪8 0 年代，大规模集成电 路的发展突破了o f d m 技术在实际应用中的瓶颈，其开始逐步应用于宽带数据 通信，如数字音频广播( d a b ) 、高清晰度数字电视( h d t v ) 、宽带无线接入 网等。o f d m 技术的主要优点是在发射端将高速数据转换为低速数据，减小多 径时延的扩散，从而大大增强抗多径干扰的能力。并且它使用正交的子载波作为 子信道，大大提高了频谱利用率。缺点在于其对同步要求很高，微小的频偏和相 位噪声都会破坏子载波之间的正交性。此为，o f d m 信号的峰值一平均功率比 ( p a p r ) 较大，这会影响射频放大器的效率。从技术角度来看，目前3 g 主要 以c d m a 为核心技术，而在今后的l 1 e 、w i 等无线接入系统中将是o f d m 的舞台。 多输入多输出( m i m o ) 的概念最早由s a l z 在1 9 8 5 年就提出【4 】，该文章提出 了多输入多输出在有线通信中的应用。之后j kw i n t e 稿对该文章进行扩充【5 】， 扩展至无线通信领域的应用，证明了可以通过多发射、接收天线来同时传输多个 信息流，从而拉开了对m i m o 技术研究的序幕。之后贝尔实验室的研究人员 t e l a t 盯e 和f o s 蛳j 在m i m o 无线系统中做出了开创性的工作，证明了m i m o 无线系统蕴含着巨大的信道容量，更是将m i m o 技术的研究推向了高潮。经过 世界诸多研究机构、大公司的多年研究，m i m o 技术目前无论在学术领域还是在 商业应用领域都取得了巨大的成果，并不断朝着大规模实用化方向发展。如i t u 和3 g p p 在制定的3 g 和b 3 g 移动通信有关标准中均使用m i m o 技术【6 】【7 1 ： i e e e 8 0 2 1 l n 标准草案的无线局域网中也支持m i m o 技术的应用【8 】；i e e e 8 0 2 1 6 技术的一系列协议标准都是基于m i m o 和o f d m 技术。虽然m i m o 技术也存在 某些缺点，如多天线成本较高，不利于大规模推广。但是其蕴含巨大容量的优势 足以超过其缺点而得到广泛应用。 之所以将o f d m 和m i m o 技术放在一起是因为它们优势互补，天生就是一 对。首先，最初提出的m i m o 技术的主要应用是平坦衰落信道。但是实际信道 会是频率选择性信道。要是m i m o 技术能在宽带信道内同样适用，就必须克服 频率选择性衰落。而最优的方法是应用o f d m 技术，降低信号速率，把频率选 2 第一章绪论 择性信道转化成平坦衰落信道【9 】；其次，o f d m 技术将频率选择性衰落信道转化 成平坦衰落信道是通过降低信号速率，将高速信号通过串并转换得到低速率信号 而进行传输，这样势必造成系统较低的传输速率。而m i m o 技术能在空间中产 生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样又有效的提高了系统传输速率【1 0 】。 因此，m i m o 和o f d m 技术相结合的m i m o o f d m 技术具有巨大的优势。而且 在m i m o o f d m 系统中加入适当的数字信号处理算法还能更好的增加系统的稳 定性【】。 1 1 3 无线组网技术m e s h 无线m e s h 网络【1 2 】( w h l e s sm e s hn e t 、) i r o r l 唱) 也称为无线网格网、无线网状 网，是一种新型的宽带无线网络技术，是一种高容量、高速率的分布式网络。它 不同于传统的无线网络，可以看成是a dh o c 网络发展而来，发挥了其优势但又 不同于前者。首先，a dh o c 网络中所有节点地位平等，而无线m e s h 网中至少有 一个中心网关与有线网络( 一般i n t 锄e t ) 相连：其次，a dh o c 网络主要目标是 维持网络节点的移动性，其功耗也必须考虑。而无线m e s h 网络目的是提供高吞 吐量的无线宽带接入、覆盖。 与传统的无线网络技术相比，无线m e s h 网络的优势在于它是动态自组织 ( l o r g 孤i z c d ) 、自配置( s e l c 0 n f i 删) 的。这使得网络易于维护，鲁棒性 增强，且易于扩展。另外使用最新的无线电技术，如多天线接口、智能天线等， 能大大提高网络的容量和性能。而且，在m e s h 网中的网关和网桥，能和现有的 各种无线网络连接，如无线传感器网络、w i f i 、w i 等。总的来说，无线 m e s h 网络具有以下优点： 增强的可靠性：在删s 中，无线路由器为发送端和接收端提供多条路径， 当最优路径连接失败时，启用次优路径。这样就不会出现由于网络某条链路 断连而无法传输数据的情况。 低的安装成本：现有提供无线接入的方法主要是基于、i f i 技术，由于接入 节点( a p s ) 传输范围的有限，要使用大量a p s 来保证覆盖范围，而每个a p s 都要通过光纤和i n t 咖c t 主干网相连，成本很高。而洲s 由于采用多跳方 式传输，只要很少的a p s 就实现很大的覆盖，成本大大降低。 大的覆盖范围：现有基于8 0 2 1 1 无线局域网的传输速率已达到3 4 m b p s ，但 是离a p s 越远的终端能达到的速率越低，这样限制了其覆盖范围。而、胁仆j s 采用多跳、多信道技术，即使长距离通信，速率也不会发生明显的下降。 3 第一章绪论 自动网络连接：若新的节点要加入网络，网络能和节点自动建立并保持连接， 建立完连接后，新的节点能找到通往a p s 的最佳路径。整个网络的拓扑结构也 会自动更新。 1 1 4 认知无线电技术 现在应用的无线通信技术都必须遵循同定的频谱分配政策，即某种技术需要 工作在某一频段内而不能超出，否则会同其它通信技术相干扰。频段的分配和管 理由政府专门机构执行。这在一定程度上解决了通信技术之间的干扰问题，但是， 由于无线通信技术的飞速发展，频谱资源日趋紧张，已经没有充足的频谱资源提 供给新技术。这一矛盾已经或必将成为制约无线通信发展的瓶颈，如何充分挖掘 频谱资源、提高频谱利用率已经成为一大研究热点。经研究发现，如今采用的固 定频谱分配政策严重地浪费了频谱资源：某些时刻或某些地区，大部分被分配的 频谱段只有零星地被利用，这些频段有大量时间空闲却不能被其它技术所利用。 传统的频谱政策受到挑战，新的技术应运而生认知无线电【1 3 】。它所采用的动 态频谱接入技术( d s a ) ，解决了传统的固定频谱分配政策的问题。认知无线电 技术提供一种“机会主义 的方法提供频谱资源，它允许通信时采用最好的可利 用频段，而不必局限于某一固定频段。总的来说，认知无线电的主要功能有： 频谱检测。检测未用频谱段；在不产生有害干扰的情况下和其它用户共 享频谱。 频率管理。能捕捉到最好的频谱提供给用户满足其通信需要，并对它们 进行管理。 频谱移动性。在通信正在进行时时，如果需要切换频谱，能够实现无缝 通信。 频谱共享。在共存的各个用户之间，提供完善的频谱调度方法，实现各 个用户之间的协调性和公平性。 实际上认知无线电的主要特征有两点。一是能实现无线电环境的检测。这种 功能不仅仅是简单地检测某个频段地功率值，而是要对整个无线电环境各频段的 时间、空间利用变化进行检测。二是自动配置。认知无线电技术根据检测到的无 线电环境信息，能够进行动态的自我调整和配置。 认知无线电技术虽然目前还处于实验研究阶段，未有大规模推广应用，但是 其先进的技术和理念毫无疑问将在下一代无线网络技术中占用重要地位。 虽然无线通信的新技术日益增多，思想与方法也多种多样，但是他们的提出 和发展始终是离不开以下几个目标： 4 第一章绪论 宽带化 用户的需求是没有极限的，从而对技术的要求也是没有极限。任何时候都存 在这样的矛盾：当前宽带技术的发展难以满足用户对款待技术的需求，正是这一 矛盾促使各种新的宽带技术的创新，从而使无线通信技术日益宽带化。 频谱利用率的提高 任何一个通信系统或通信技术好坏的评价指标可以用信道容量来衡量，通常 提高无线信道容量有3 种方法： 1 ) 设置更多的基站 2 ) 拓宽已使用的频带 3 ) 提高频谱利用率 设置更多的基站意味着增加较大的成本，而频谱资源现阶段已经十分紧张， 故前两种方法都不是提高信道容量的有效且可持续的方法。这样必须通过提高频 谱利用率来增加系统容量。像m i m o 、o f d m 和认知无线电技术等，都是能提 高频谱利用率的。 节省功率 虽然目前只有像无线传感器网络( w s n ) 这种不带电源线而通过电池供电的 网络技术会考虑功率节省问题，但是随着人类社会发展方式的转变，对环境的保 护和资源的消耗提出了更严格的要求，功耗问题必然是未来无线技术发展所必需 着重考虑的问题。 在一个通信系统中，无论采用何种技术，其实都是一个权衡过程。例如无线 通信的宽带化过程中，必须对宽带技术的需求和成本做权衡；对某些宽带受限系 统，毫无疑问必须考虑使用提高频谱利用率的技术，而对于某些带宽足够的系统， 则不需要考虑这一问题，如光网络。应用何种通信技术，要根据通信系统、通信 业务的种类及应用场合来权衡决定。 1 2 课题研究的背景和意义 近年来，宽带无线通信由于集宽带和无线于一身而取得巨大发展。在上世纪 末期，宽带无线通信还处于萌芽起步阶段，那时发展迅速的是移动通信和宽带 互联网。随着这两项技术的发展和应用，越来越多的用户希望能将二者集于一身， 这样宽带无线通信迅速发展，到2 0 0 6 年有超过2 亿用户，如图1 1 所示【2 1 。并且 这种迅猛的趋势仍在继续。有关机构研究预计，到2 0 1 5 年，全球宽带无线通信 用户总数将超过2 0 亿【1 4 1 。而w i 技术就是宽带无线通信的成功应用。 第一章绪论 2 5 0 0 2 0 0 0 富1 5 0 0 c o 量1 。0 0 0 5 0 0 0 厂 | | 夕 1 l “ 夕p 9 2 9 4 9 6 9 8 0 0 0 2 。0 4 0 6 图1 1宽带无线通信发展趋势 w i m a x 技术是基于i e e e 8 0 2 1 6 工作组做的无线城域网标准的宽带无线接入 技术，目前形成了以8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 2 0 0 4 和8 0 2 1 6 e 为主的协议簇。w i 心具 有很多独特的优势，它不仅组网灵活，服务的扩展性很好，而且在以下方面也具 有独特的优势： ( 1 ) 支持o f d m 技术，抗多径干扰，在非视距环境下性能优越。 ( 2 ) 高接入速率，在2 0 带宽下，最高能实现7 4 m b p s 。 ( 3 ) 支持自适应编码技术，对于在变参信道传输的吞吐量有很大的提高。 ( 4 ) 移动w 批支持0 f d m a 技术，能显著提高频率分集和多用户分集， 显著增加系统容量。 ( 5 ) 支持多天线、波束集成、空时编码、空间复用等多天线技术，能有效 的提高系统容量和和频谱效率。 ( 6 ) 基于p 架构，和其他网络能很好的融合，符合将来网络口化的趋势。 虽然w i a m x 是宽带无线通信的技术标准之一，但是不是唯一的一种。最为 显著的还有第三代蜂窝通信系( 3 g ) 和基于8 0 2 1 l 协议的w i f i 系统。3 g 的主 要标准有t d s c d m a 、c d m a 和c d m a 2 0 0 0 这些3 g 技术提供几百k b p s 到几 兆b p s 的传输速率，这也是个人移动通信主要应用的标准技术。值得一提的是， 目前3 g p p 正致力于研究3 g 的改进标准：l t e ，其目标为达到下行1 0 0 m 上行 5 0 m 的传输速率。而l t e 要实现这一目标，需要基于o f d m o f d m a 和m i m o 技术。除了3 g 外，w i f i 也是应用于宽带无线接入系统的重要技术。目前基于 8 0 2 1l 吮的w i f i 系统能达到5 4 m b p s 的峰值速率，覆盖范围最多可达到几百米。 虽然3 种宽带无线接入技术各有自己有点，但是在解决“最后一公里”宽带无线 6 i s c o 兰一暑一 2aqu曲五，价弓c暑口2翟-olu一 0 0 0 o 鲫 懈 懈 懈 啪 咖 伽 姗 。 第+ 章绪论 接入问题上，w i m a x 更具优势。相对于3 g 技术来说，首先，3 g 系统只能利用 固定的带宽资源，而w i 眦技术应用的频谱范围为1 2 5 m h z 到2 0 m h z ，具有 灵活的可扩展性，以及能支持更高的峰值传输速率；其次，不论从平均吞吐量和 整个系统容量来说，w i m a x 系统都毕3 g 系统略胜一筹，这主要归功于w i m a x 的高传输速率和更高的频谱利用率；最后，基于o f d m 技术的w i 能更好 的应用m i m o 技术。目前业界已经存在一种观点：w i 将与3 g 形成竞争态 势，并最终取代3 g 。w i f i 与w i m a x 虽然同属于宽带无线接入范畴，但是， 在实际应用中，二者定位不同。w i f i 技术更多的应用到终端设备中，目前，市 面上有很多手机、笔记本电脑都有内建的w i f i 接口。但在以下方面，w i f i 不 如w i m a x 性能。首先，w i f i 的设计要求低功耗，这样就限制了通信距离，其 最远也只能到几百米，而w i m a x 设计成高功率，可覆盖几十千米；其次，w i f i 只能工作在不需要牌照的公用频段上，且其m a c 层是基于以太网的c s m c d 协议，扩展能力差，当用户增加时，由于碰撞的增加，吞吐量会明显的减小。而 8 0 2 1 6 的m a c 层能在一个射频信道内从一个用户扩展到数百个用户；最后， 8 0 2 1 l m a c 层的c s m c d 协议只适合数据业务的传输，不能保证业务的q o s 需求。而8 0 2 1 6 有灵活的q 鸪机制，能为不同的业务提供不同的q o s 需求。综 上所述，w i m a x 在实现城域网通信，实现小区最后一公里接入具有其他无法比 拟的优势，这也正是选择其作为研究内容的原因之一。 此外，实验室对w i 蚴的研究有一定的技术积累。主要研究内容有w i 所支持的组网技术无线m e s h 网络和w i 的q o s 调度算法。这些研究的积累 对本课题的研究具有很大的借鉴和指导作用。 w i 系统最显著的特征之一是支持多天线和空时编码技术。多天线和空 时编码技术利用多信道传输的不相关性，利用编码技术形成编码的m l i m o 系统， 提供分集增益和编码增益，能较大的提高系统容量和传输性能。目前空肘编码的 主要研究方向有：( 1 ) 空时编码构造方法的研究；( 2 ) 空时编码与其他信道编 码方式如t 1 l m 码相结合的技术：( 3 ) 对空时编码在频率选择性衰落信道、快 变化以至各衰落路径相关的情况下的性能以及相应的改进；( 4 ) 空时编码和阵 列信号处理技术如波束形成技术和干扰抵消技术有机结合的研究：( 5 ) 空时编 码与宽带无线通信技术相结合的研究。将空时编码与一种标准技术相结合的研 究，既能使标准的应用更加完善，也能促进新技术的推广。正是基于此，本文选 择w i 眦系统中空时编码作为研究内容。 7 第一章绪论 1 3 本文内容及篇章安排 本文在介绍w i m a x 、多天线和空时分组码技术的基础上，通过用m a t l a b 的 仿真，得到了w i 眦系统性能受不同地形、带宽和调制方式的影响；m i m o 信道容量在不同天线数量和不同分配功率方法的变化情况；不同天线数量的空时 分组码性能；w i 眦系统采用多天线的空时分组码技术的性能。 本文共分为五章，除本章外，其它各章安排如下： 第二章首先简要介绍w i m a x 技术及其目前发展状况，然后详细介绍了 8 0 2 1 6 协议的物理层和m a c 层，重点分析了物理层。并给出了w i 系统组 成原理框图，根据原理框图用m a t l a b 来搭建，最后对w i m a x 系统采用不同信 道模型、不同带宽和不同调制方式的性能作出仿真，并分析仿真结果。 第三章首先分析了m i m o 系统的信道模型，并在此模型上应用奇异值分解法 分析m i m o 信道容量，对不同发射接收天线数、开环和闭环系统下不同功率分 配方式的信道容量做比较，并用m a t l a b 仿真。之后对空时分组编码尤其是 灿锄o u t i 编码做了详细介绍，并仿真得到了多天线空时编码的性能。 第四章是本文的重点，首先介绍了多天线技术的几种实现方式，并对其作出 权衡。然后在第一章建立的w i m a x 系统平台上，应用第二章阐述的多天线空时 编码技术，用m a t l a b 进行仿真，得到w i m a x 系统的多天线空时编码的性能。 第五章是对全文的总结和对以后研究方向的展望。 8 第二章基于8 0 2 1 6 协议的w i m a x 系统 第二章基于8 0 2 1 6 协议的w i m a x 系统 无线城域网泛指运营商在城市及郊区范围内提供多种业务的无线网络。作为 无线城域网的接入技术，w i m a x 是最有潜力的宽带无线接入技术之一。其无线 信号传输距离最远可达5 0 l ，网络覆盖范围是第三代蜂窝移动通信系统的1 0 倍【1 5 】。w i m a x 技术的主要优势包括： 1 ) 传输距离远。较少的基站能实现较大的覆盖，大大提高了网络的覆盖范 围。 2 ) 接入速率高。w i m a x 能提供高达7 0 m b i t s 的接入速率，是3 g 宽带速 率的3 0 倍，这一优势是由于采用o f d m 技术得到的。 3 ) 提供广泛的多媒体业务。w i m a x 有较好的可扩展性和安全性，从而能 够实现电信级的包括语言、数据和视频的多媒体通信服务。 w i m a x 技术是基于8 0 2 1 6 协议标准。标准对物理层和m a c 层作了详细的 规范。下面分别介绍8 0 2 1 6 协议的物理层和m a c 层规范【1 6 】。由于本课题研究 的重点在于物理层技术，因此对眦层的介绍较为简略。 2 1 正e e 8 0 2 1 6 物理层协议 m e e 8 0 2 1 6 协议簇包括8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 2 0 0 4 和8 0 2 1 6 e 2 0 0 5 多个协议。各 种不同的协议虽然有差别，但物理层规范基本一致。主要的物理层规范有： w i r e l e s s m b n s c ，w i r c l e s s m a n s c a ，w 打e l e s s m l 气n o f d m 和 w i i e l e s s m a n o f d m a ，具体如表2 1 所示。 由于本课题的研究内容为w i 系统中的空时编码o f d m 技术，故只对 o f d m 和空时编码的物理层规范进行介绍。虽然w 沁l 鹃s m a n o f d m a 同样支 持o f d m 和空时编码，但是目前还较少有成熟的o f d m a 技术芯片，大多数厂 商都倾向于采用0 f d m 方式作为w i m a x 接入系统的物理层技术方案。因此， 本文主要研究的物理层规范为w l e s s m a n o f d m 。 9 第二章基于8 0 2 1 6 协议的、m m a x 系统 表2 18 0 2 1 6 协议物理层规范 2 1 1o f d m 符号描述 r、 m e p 肛七娶排靴吲 协。， s ( f ) = r e 缈坼q p 业础叭卜毛 、 l 七= 埘耐2 l 。17 的数据，它代表了q a m 星座图上的一个点。i 耐为所使用的子载波个数。 l o 第二章基于8 0 2 1 6 协议的w i m a x 系统 n f 盯 n 婚硪 抽样因子刀 g = 循环前缀有用时间 较低频率处的保护子载波数 较高频率处的保护子载波数 保护子载波的频率编号 导频载波的频率编号 z 5 6 2 0 0 信道带宽为1 7 5 m h z 的整数倍时，以= 8 7 信道带宽为1 5 m h z 的整数倍时，拧= 8 6 7 5 信道带宽为1 2 5 m h z 的整数倍时，以= 1 4 4 1 2 5 信道带宽为2 7 5 m h z 的整数倍时，刀= 3 1 6 2 7 5 信道带宽为2 0 m h z 的整数倍时，刀= 5 7 5 0 对于其他信道带宽值，刀= 8 7 l 4 ，l 8 ，l 1 6 ，1 3 2 2 8 2 7 - 1 2 8 ，1 2 7 ，一1 0 l 1 0 l ，1 0 2 ，1 2 7 8 8 。6 3 ，3 8 。1 3 。1 3 。6 3 。8 8 2 1 2 信道编码 信道编码过程包括三个部分：随机化操作、f e c 编码和交织。 1 随机化操作 对于分配的每个上下行数据块( 频域为子信道，时域为o f d m 符号) ，随 机化操作独立进行。若传输数据块的大小与随机化数据块大小不等，则在传输数 据块后面加1 。随机化只应用于信息化比特，不应用于前导码。 当有新的数据分配到达，在数据块随机化之前，随机器中的移位寄存器会被 初始化。伪随机二进制序列生成多项式为l + 工1 4 + 一5 。把将要发送的数据与伪随 机序列进行异或，得到新的伪随机序列。 在下行链路，每帧开始部分对随机器使用序列1 0 0 1 0 1 0 l 0 0 0 0 0 0 0 进行初始化。 在突发# l 的开始不会再被重新设置。上下行随机器的初始化过程如图2 1 和图 2 2 所示。 第二章基于8 0 2 1 6 协议的w i m a x 系统 b s i d m s b 熙 d i u c 6 3 i6 21 6 ll6 0il s b m s b i6 1 4 1 6 1 3 l6 l2 i6 l l lli 1 l6 8 ；6 7i6 6 l6 5ili6 3l6 2i6 li6 0il s b b s i d m s b l6 3i6 2i6 ll6 0 图2 1下行随机器初始化过程 u l u cf 绡吖沧佣小1 瞻 习百网 m s b l 6 1 4 1 6 1 3 1 6 12 1 6 l l i li l i 蛔1 6 7 l6 6 l6 51 1l6 3l6 21 6 ii6 0l l s b 图2 2 上行随机器初始化过程 2 f e c 编码 在w h e l e s s m a n o f d m 规范中，上下行链路必须支持的f e c 编码方式是r s 外码和速率可兼容的卷积内码的级联。b t c 和c t c 编码方式为可选方式。在用 ：+ 户请求接入网络的过程中，以及在f c h 突发中，必须一直使用r s 1 2 速率卷积 编码。但在子信道化的情况下，只使用l 2 速率的卷积编码。数据经过第一个 r s 编码器之后，将通过一个末尾为0 的卷积编码器。 3 交织 所有编码后的数据都要经过交织，交织块的大小对应于分配的每个子信道中 每个o f d m 符号中的编码比特数o 。交织过程一般包括两步：第一步将相邻 的编码比特映射到非相邻的子载波上；第二步将相邻编码比特交替映射到星座图 上不太重要和比较重要的比特上。以避免长时间传输低可靠性的比特。 设o 为每个子载波上的编码比特数，对于b p s k 、q p s k 、1 6 - q a m 、6 4 q a m 分别为l 、2 、4 和6 。令s = 韶f ，( 2 ) ，在一个比特的传输块中，七表示 第一次变换前编码比特的序号，坍。表示第一次变换后第二次变换前编码比特的 序号，五表示第二次变换后的编码比特的序号。 则第一次变换公式为： = ( 1 2 ) 1 2 + 加d ，( 七1 2 ) ，七2 0 ，l 一l ( 2 - 2 ) 第二次变换公式为： = j b d ，( 肌 j ) + ( 朋t + c 晒一酗d ，( 1 2 m c 呐) ) m d 。) ，_ ，= o ，l 乞舾一l ( 2 - 3 ) 1 2 第二章基于8 0 2 1 6 协议的w i m a x 系统 对于解交织器，同样包含两次变换。用，表示第一次变换之前的接收比特编 号，朋，表示第一次变换以后第二次变换之前的比特编号，七，表示第二次变换之 后的比特编号。 第一次反变换公式为： = j 。伽，( _ 厶) + ( - ，+ 加d ，( 1 2 ) ) m o d ( ，) ，2 0 ，l 一l ( 2 - 4 ) 第二次反变换公式为： 巧= 1 2 一( 一1 ) 加d ，( 1 2 聊，) ，j = o ，1 一1 ( 2 - 5 ) 4 调制 在w l e s s m a n o f d m 规范中，调制部分包括数据调制、导频调制、指明 调制编码方式的r a t e 。下面分别介绍它们。 数据调制 在完成比特交织之后，数据要进行星座映射。在规范中，系统可以支持b p s k 、 格雷映射的q p s k 、1 6 q m 和6 4 q m 等调制方式。对于免授权频道，“q a m 是可选方式。上下行链路都支持自适应调制编码，其中下行链路支持每种分配数 据块对应的调制编码方式，上行链路则根据来自b s 的m a c 突发配置消息来支 持s s 的不同调制方式。 数据经过星座映射之后，根据频偏序号按递增顺序调制到所分配的数据子载 波上，即星座映射后的第一个符号会被调制到频率偏移值最低的子载波上。 导频调制 为组成一个符号，导频子载波会插入到每个数据突发中，并根据它们在 o f d m 符号中的载波位置来进行调制。第j | 个o f d m 符号的导频调制值从序列 中得到，该序列是有生成多项式工1 1 + ，+ l 的伪随机序列产生。伪随机序列的产 生器如图2 3 所示。 m s b l 躅 d l ：1lillllll ll u l ：i o l 0 l0lolol 图2 - 3 伪随机序列产生器 第二章基于8 0 2 1 6 协议的、m m a x 系统 在下行链路方向，七表示该符号相对于下行子帧的开始的符号编码；在上行 方向，七表示该符号相对于突发开始的符号编号。不管上行还是下行，前导的第 一个符号都表示为七= 0 。从图2 3 可知，在下行链路方向，在下行方向会产生序 列l l l l l l l l l l l 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 l o 。 r a t ai d 编码 r 她i d 表示的是紧跟在f c h 之后的第一个下行突发所使用的调制和编码方 式，其值与调制和编码方式的对应如表2 3 所示。 表2 3r a t a i d 与调制方式和编码方式对应表 2 1 3 帧结构 w h i e s s m a n - o f d m 规范支持基于帧的传输。规范使用的帧有两种：点对多 点( p m p ) 网络结构下的帧，和网格( m e s h ) 网络结构下的帧。无线m e s h 网络 在第一章做了简要介绍，作为一种新兴技术目前还没有大规模的商业应用。这里 只介绍p m p 网络结构下的帧结构。 一个完整的帧包括上行子帧和下行子帧，下行子帧由一个下行物理层p d u 组成。上行链路子帧则包含用于初始调整和带宽请求的多个竞争时隙，和一个或 多个上行物理层p d u 。 由图中可以看到，一个下行子帧由前导、帧控制头和多个下行突发构成。上 行子帧则包含多个竞争时隙和物理层p d u 。物理层p d u 又由前导和上行突发构 成。对于前导、帧控制头和突发的具体内容在此不详述，具体内容参考文献 1 6 】。 第二章基于8 0 2 1 6 协议的、m m a x 系统 2 2i e e e 8 0 2 1 6m a c 层协议 为了保证有效的传输介质共享机制，和物理层一样，i e e e 8 0 2 1 6 的m a c 层 也支持p m p 和m e s h 两种网络拓扑结构。在此，只介绍p m p 结构的m a c 层。 m a c 层所传送的业务包括语音、数据、i p 连接和v o i p 等，因此m a c 需要 既支持连续型业务，又支持突发型业务。m a c 层最显著的特点是面向连接，为 了将服务映射到s s 并映射到不同级别的q o s ，所有数据通信都基于连接，包括 无连接的业务，也将映射到连接上。对于连接上所传送的不同服务类别，m a c 层有不同的带宽分配方式。主要包括主动授予( u g s ) 、实时轮训( n p s ) 、增 强的实时轮询( e n p s ) 等。 u g s 算法 u g s 算法适合于周期性产生固定大小数据包的业务，b s ( 基站) 周期性的 给s s ( 用户) 授予固定大小带宽，分配的带宽要足够传输语音包。双方在初始 化阶段已经协商好授予带宽的大小和周期。这样，由于不需要s s 的带宽请求过 程，其m a c 开销和接入延时达到最小。但是这种算法不适合于恨、釉v o p 业务，因为这种业务传输的是可变速率的语音流，固定大小的带宽分配会浪费资 源；并且在s i l 即c e 期间没有数据包传输，周期性固定大小带宽的分配导致资源 的大量浪费。两种模式之间的切换包括d s c r e q 和d s c a c k 两个过程，这会 产生附加的接入延时和额外开销。 n p s 算法 n p s 算法是为支持周期性产生可变大小数据包的实时业务，b s 根据s s 的带 宽请求( b r ：b 锄d w i d 也姻u 鼯t ) 来授予带宽( g r 缸t ) ，并且带宽分配的大小 要足够传输s s 的带宽请求。由于b s 是按s s 的需求授予带宽，所以和u g s 算 法相比