（通信与信息系统专业论文）mimo中的空时编码技术研究.pdf

摘要 摘要 m i m o ( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ，多输入多输出系统) 泛指采用多发射、多接 收天线的无线通信系统，它可以在有限的频谱资源、不增加发射功率前提下，以 较小的系统复杂度换来性能的大幅提升，因此m i m o 技术成为当今无线通信研究 的热点，也是未来无线通信的发展趋势。 空时编码技术是m i m o 中的关键技术，能够改善系统的b e r 性能、实现数 据高速传输。b l a s t 空时复用技术属于空时编码技术的一个分支，充分利用多径 信道的容量，是真正可以实现频谱高效利用的新一代无线通信技术。大名鼎鼎的 t u r b o 码因其逼近香农限的性能，自1 9 9 3 年提出以来一直是信道编码技术的研究 热点。迭代译码的思想也被广泛采纳，很多被人们疏漏的编码方案也因此被重新 研究，并取得了优异的性能，如乘积码和l d p c 码。由于b l a s t 系统的高速传 输需要建立在可靠通信的前提下，所以b l a s t 与这些性能优异的信道编码级联 的通信系统理所当然的成为热门课题。传统的b l a s t 检测技术和译码判决分离 的系统，由于不能充分利用软信息，所以误码性能较差。受t c m 技术的启发， 联合检测技术越来越广泛的在收端被用来恢复原始信息，并给系统性能带来可观 的提升。论文讨论了v - b l a s t 的多种检测技术，包括m l ( m a x i m u ml i k e l i h o o d , 最 大似然) 算法、z f ( z e r of o r c i n g ，迫零) 算法、m m s e ( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r , 最小均方误差) 算法、i i c ( i t e r a t i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l i n g ，迭代干扰消除) 算法，还 有s d ( s p h e r ed e c o d i n g ，球译码) 算法和软输出s d 算法等。基于栅格理论的s d 算 法是一种次优算法，在保证接近m l 算法性能的同时，降低检测复杂度；软输出 s d 算法通过在球形域保留多个栅格点来计算接收矢量的软信息，从而避免了硬 判决s d 中软信息的丢失，改善系统性能。重点研究了采用i j d d ( i t e r a t i v ej o i n t d e t e c t i o na n dd e c o d i n g ，联合迭代检测译码) 的t u r b o 和v - b l a s t 级联系统，将软 输出s d 检测和t u r b o 的迭代m a p 译码相结合，实现了较传统的检测判决分离系 统更优的性能。 空时编码的另一个分支以取得分集增益为目的，包括s t t c ( 空时格码) 和 s t b c ( 空时块码) 。s t t c 将网格编码技术( t c m ) 与发射分集技术相结合，可以获 得满分集增益和编码增益，抗衰落性能最优，但s t t c 好码搜索较困难，译码复 杂度也较高。s t b c 作为性能与复杂度折中的一种编码方案，利用正交设计原理， 可以在保证满分集增益的同时大大降低译码复杂度，它的译码仅为简单的线性合 并。论文简单讨论了s t t c 、s t b c 编译码的基本理论，并对一些简单的空时码级 联系统进行了研究。s t t c 、s t b c 与b l a s t 的级联系统，也是研究的热门课题。 i l m i m o 中的空时编码技术研究 关键词：m i m o ，空时编码，v - b l a s t ，t u r b o ，s d m a p 联合迭代检测译码 a b s t r a c t a b s t r a c t i i i m i m o ( m u l t i - i n p u tm u l t i o u t p u t ) r e f e r st oa n yw 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 a d o p t i n gm u l t i - t r a n s m i ta n t e n n a sa n dm u l t i - r e c e i v ea n t e n n a s i tc a ng r e a t l ye n h a n c e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mp e r f o r m a n c ew i t hal i t t l em o r es y s t e mc o m p l e x i t y , r e q u i r i n gn o m o r ef r e q u e n c yb a n da n dh i g h e rt r a n s m i tp o w e r d u et ot h e s ea d v a n t a g e s ，m i m oi s t h ef o c u sn o w a d a y sa n da l s ot h et r e n di nf u t u r eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s p a c e - t i m ec o d i n g ，w h i c hi st h ek e yt e c h n i q u ef o rm i m o ，c a l lp r o v i d eb e t t e rb e r p e r f o r m a n c ea n dh i 曲l yi m p r o v et h e d a t a r a t i n g o fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s b l a s t ( b e ul a y e r e ds p a c et i m e ) ，w h i c hi sab r a n c ho fs t c ，i sak i n do fs p a c e - t i m e m u l t i p l e x i n gt e c h n i q u eu s i n gm u l t i p a t hf a d i n gt oh i g h l yi m p r o v et h ed a t ar a t i n ga n di s i n d e e dam e t h o dt oa c h i e v eah i g hf r e q u e n c ys p e c t r u me f f i c i e n c y s i n c ea d v a n c e di n 19 9 3 ，t u r b oc o d i n g ，w e l lk n o w nf o ri t sn e a rs h a n n o np e r f o r m a n c e ，h a sa l w a y sb e e n t h ef o c u so fc h a n n e lc o d i n gr e s e a r c h i t e r a t i v ed e c o d i n gi sa l s ow i d e l ya d o p t e d ，u s i n g w h i c ht oa c h i e v eb e t t e rp e r f o r m a n c e ，b yo t h e rc h a n n e lc o d e ss u c ha sl d p c ，t p ce t c d u et ot h ef a c tt h a th i g hd a t ar a t i n gi sb a s e do nr e l i a b l et r a n s m i s s i o n , b l a s ts y s t e m s c a s c a d e dw i mt h e s eh i g hp e r f o r m a n c ec h a n n e lc o d ei sd e e p l ys t u d i e d d e t e c t i n ga n d d e c o d i n gs e p a r a t e db l a s ts y s t e mi sa l w a y sp o o ri nb e rp e r f o r m a n c ef o ri t sl o s so f s o f ti n f o r m a t i o n s oi t e r a t i v ej o i n td e t e c t i o na n dd e c o d i n gt e c h n i q u ei su s e dm o r ea n d m o r et or e c o v e rt h eo r i g i n a li n f o r m a t i o n i nt h i sp a p e r , w ed i s c u s sv a r i e t i e so f d e t e c t i o nt e c h n i q u e sf o rv - b l a s t , s u c ha sm l ，z f ，m m s e ，c ，s d ，s o f ts d ，a n ds o o n s di sak i n do fs u b - o p t i m a ld e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nt r e l l i c et h e o r y , w h i c hc a n h i g h l y d e c r e a s et h ed e t e c t i o n c o m p l e x i t ya c h i e v i n g an e a r - m lp e r f o r m a n c e s o f t o u t p u ts dd e t e c t i o nc o m p u t e st h es o f ti n f o r m a t i o no ft h er e c e i v e dv e c t o rb y r e s e r v i n gs o m es m a l l w e i g h tt r e l l i c ep o i n t si n t h eg i v e ns p h e r et oi m p r o v es y s t e m p e r f o r m a n c e f i n a l l yw ef o c u so nt h ei j d ds y s t e mo ft u r b oc a s c a d e dw i t hv - b l a s t , u s i n gs o f t - s dd e t e c t i o na n di t e r a t i v em a pd e c o d i n g i na d d i t i o n ，w es i m u l a t eat p c ， v - b l a s tc a s c a d e ds y s t e ma sar e f e r e n c e t h eo t h e rb r a n c ho fs p a c e - t i m ec o d i n g ，s t t ca n ds t b c ，a i m sa ta c h i e v i n gd i v e r s i t y g a i n s t t ci s t h ec o m b i n a t i o no ft c ma n dt r a n s m i s s i o nd i v e r s i t y , a c h i e v i n gf u l l d i v e r s i t yg a i na n dh i g hc o d i n gg a i nb u tw i t hh i g hc o d es e a r c h i n ga n dd e c o d i n g c o m p l e x i t y w es i m p l yi n t r o d u c et h eb a s i cp r i n c i p l e so fs t t c ，s t b cc o d i n ga n d d e c o d i n g t h e ns t t c ，s t b ca n db l a s t c a s c a d e ds y s t e m sa r es t u d i e d i v m i m o 中的空时编码技术研究 k e y w o r d s ：m i m os p a c e - t i m ec o d e v - b l a s tt u r b os d - m a pi j d d 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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；也不包含为获得西安电子科技大学或其它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做了明确的说 明并表示了谢意。 萎芟薹墨? 牮不实之处，本人言翥二塞琴差羔兰罗。 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布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论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文 本人签名： 导师签名： 年解密后适用e 嘉l 酗 期碰! z ：2 ：z 日期4 知车 第一章绪论 第一章绪论 无线通信的飞速发展给人们的工作、生活带来极大的便利。为实现任何时间、 任何地点、向任何人提供可靠、快速、低成本的通信，为在有限的频谱资源下提 供更优质的服务，新技术的探索永不止步! 1 1 研究背景 自上世纪6 0 年代末美国贝尔实验室提出蜂窝系统理论，短短几十年间，移动 通信技术已历经数次更新，从最初的第一代发展到目前正在商用化的第三代，第 四代的研究也已起步。 以北美的a m p s 、欧洲的t a c s 、日本的n r t 为代表的第一代移动通信系统 主要采用模拟技术和频分多址技术，虽然取得了成功但也存在许多缺点，如频带 利用率不高、容量有限、保密性差等。 第二代移动通信系统( 2 g ) 主要采用数字的时分多址和码分多址，以欧洲的 g s m 、美国的i s 9 5 、日本的p d c 为代表。第二代系统可以提供语音业务和低速 数据业务，语音质量和保密性大大提高，对漫游的支持也得以改进，但第二代系 统的带宽有限，限制了数据业务的应用，不能满足多媒体业务的需求。为改善2 g 系统的低速数据业务，出现一些向第三代移动通信系统( 3 g ) 过度的中间技术 ( 2 5 g ) ，如g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e s ，通用分组无线电业务) 、 e d g e ( e n h a n c e dd a t a r a t ef o rg s me v o l u t i o n ，增强数据速率技术) 、c d m al x 等。 第三代移动通信系统( 3 g ) 针对第二代系统的不足，期望利用高带宽提供高速 数据服务。依据不同的应用环境，3 g 支持1 4 4 k b p s - 2 m b p s 的数据速率，支持分 组数据业务，具有更高的频谱效率和服务质量。以美国的c d m a 2 0 0 0 、欧洲的 w c d m a 、中国的t d s c d m a 为代表，目前3 g 处于大规模商用阶段。 为满足人们对更高速多媒体业务的需求，后三代第四代移动通信系统 ( b 3 g 4 g ) 的研究也已起步。b 3 g 4 g 系统能满足如下需求：支持全口高速分组数 据传输，数据速率可达数十数百m b p s ；支持终端的高移动性，移动速度高达数 百k m h ；支持高传输质量，数据业务误码率低于1 0 由；提供高频谱利用率，高达 l o b p s h z ；提高功率效率，发射功率可降低l o d b 以上；有效支持在用户数据速率、 用户容量、服务质量和移动速度等方面的大动态范围的变化。 此外，以i e e e 8 0 2 系列标准为代表的固定半固定无线接入系统也得到迅猛发 展，例如8 0 2 1 i ( w l a n ，w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ，无线局域网) 、8 0 2 1 5 ( w p a n ， w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k , 无线个域网) 、8 0 2 16 ( w m a n ，w i r e l e s s m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ，无线城域网) 以及8 0 2 2 0 ( m b w a ，m o b i l eb r a n d b o a r d 2 m i m o 中的空时编码技术研究 w i r e l e s s a c c e s s ，移动宽带无线接入) 。与传统移动通信网相比，8 0 2 系列标准还只 是无线接入网，网络结构相对简单，但这也使得8 0 2 系列能更快的将无线通信的 新技术纳入到标准中并实现商用化。目前就终端速率而言，8 0 2 系列已经走在移 动通信网的前面。 从无线通信的发展脉络可以看到，不论是传统的移动通信网，还是8 0 2 1 1 系 列无线接入标准，无线通信技术在朝着高速率、高可靠性、高移动性、大区域覆 盖、低成本的方向发展。随着i n t e m e t 的迅猛发展，人们甚至期望在高移动性下 享受到高速多媒体业务，这对无线通信系统提出更加苛刻的要求。而传统的单输 入单输出系统( s i s o ) 信道容量有限、频谱利用率低，很难在有限的频谱资源下满 足未来高速无线通信的需求，多输入多输出系统( m i m o ) 应运而生。m i m o 作为 未来无线通信中的关键技术，可以有效抑制多径衰落、扩展信道容量、大幅提升 数据速率和传输可靠性、提高频谱利用率和系统容量、降低成本。 空时编码是m i m o 技术的重要研究内容，也是当今无线通信领域研究的热 点。目前，国内外对空时编码的研究可以分为两类，一类是以空时格码( s t t c ， s p a c e t i m et r e l l i sc o d e ) 、空时块码( s t b c ，s p a c e t i m eb l o c kc o d e ) 为代表的发射 分集技术，通过在空域、时域引入编码冗余，有效克服多径衰落，改善误码性能； 另一类则是以b l a s t ( b e l ll a y e r e ds p a c et i m e ，贝尔实验室分层空时结构) 为代表 的空间复用技术，能够成倍提升数据传输速率，配合适当的信道外码，可以取得 速率与可靠性的良好折中。 根据收发天线的数量，无线通信系统可分为s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 、 s i m o ( s i n g l e i n p u tm u l t i o u t p u t ) 、m i s o ( m u l t i - i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 、 m i m o ( m u l t i i n p u tm u l t i - o u t p u t ) 。 s i s o 系统a w g n 信道的信道容量由香农公式给出： c = w l o g ( 1 + s 忉式( 1 1 ) 其中w 表示信道带宽，s n 表示接收端的信噪比。相对信道带宽w 作归一化， 可得频谱利用率： r = l o g ( 1 + s )式( 1 2 ) 式( 2 1 ) 公式确定了a w g n 信道中进行可靠通信的上限速率。 可以看到，传统s i s o 系统( s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ，单输入单输出) 受限于 信道容量，难以实现高速数据传输，频谱利用率低，已成为无线通信发展的瓶颈。 而多天线系统在不增加带宽和发射功率的前提下，能够成倍提升信道容量，收发 端均采用多天线时更可以使信道容量随天线数线性增加，大幅提高数据速率和传 输可靠性，增加频带利用率，降低通信成本。因此，多天线技术是未来无线通信 第一章绪论 3 中主流技术。多天线技术可分为m i m o 技术和天线阵列技术两类。 m i m o ( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ，多输入多输出) 广义上指任何利用多发射、多接 收天线进行无线传输的技术，当天线间距足够大( d 2 2 ) ，各发射天线到各接收 天线间的信号传输近似独立，可进行空间发射分集或空间复用并行传输；若天线 间距很近，各发射天线到各接收天线的信号传输是相关的，系统利用多天线合成 波束的方向性改善系统性能，则此种多天线属于天线阵列范畴，如智能天线技术。 1 9 9 5 年，t e l a t a r 首次推导了在高斯噪声存在时多个发射天线系统的容量表达 式1 1 1 。f o s c h i n i 和g a n s 于1 9 9 8 年推导出准静态衰落信道的截止容量【2 1 。1 9 9 6 年， f o s c h i n i 提出b l a s t ( b e l ll a y e r e ds p a c et i m e ，分层空时码) 空时复用结构，利用 多天线信道间的不相关，在各天线上传送不同的信息，在试验室中实现了 2 0 砌s h z 以上的频谱利用率【3 1 。1 9 9 8 年t a r o k h 将t c m ( t r e l l i sc o d i n ga n d m o d u l a t i o n , 网格编码调制) 与发射分集相结合提出s t t c ( s p a c e t i m et r e l l i sc o d e ， 空时格码) 理论，阐明了构造准静态瑞利衰落信道下满分集增益和高编码增益 s t t c 的系列准则【4 1 。由于s t t c 译码复杂度很高，且随发射天线数和调制阶数指 数增加，1 9 9 8 年a l a m o u t i 基于正交设计理论提出s t b c ( s p a c e - t i m eb l o c kc o d e ， 空时分组码) ，能够保证在获得满分集增益的前提下，译码复杂度仅为简单的线性 合并【5 1 。1 9 9 9 年，t a r o k h 等拓展了空时分组编码理论，构造了多根发射天线数的 正交s t b c t 6 1 。这些工作引起了人们的极大关注，并使得m i m o 的研究工作得到 了迅速发展。 1 2 研究内容 图1 1 列出目前m i m o 研究工作的几个重点： 1 ) 容量分析 m i m o 信道的容量分析基于矩阵论和统计理论等多门学科，是一项十分复杂 的工作。信道容量与多种因素相关，例如，不同信道条件下的信道容量有很大差 异，与收发端确知c s i ( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，信道状态信息) 的程度也有很大 关系，此外，干扰对信道容量的影响，多用户系统中的信道容量分析等都是需要 认真考虑的问题。文献【7 给出m i m o 系统的容量几个定义：o u t a g ec a p a c i t y 定义 适用于快衰落信道，它表示信道容量小于等于某一速率的概率，称这一速率为x 的截止容量；e r g o d i cc a p a c i t y 定义适用于慢衰落信道，表示无线信道的平均的互 信息量；d e t e r m i n i s t i cc a p a c i t y 是指当发端知道信道信息时的系统容量，这是一个 链路可达到的最大容量。 2 ) 信道建模 m i m o 系统对信道建模提出了新的要求，传统s i s o 系统中的信道模型无法 4 m i m o 中的空时编码技术研究 描述天线间的相关性，建立一个合适的信道模型是进行m i m o 技术研究的首要问 题。目前人们所做的研究中介绍了许多信道模型，主要分为三大类：基于几何分 布的信道模型；基于统计分布的信道模型；基于测量的信道模型【8 】。比较被常用 的是3 g p p2 5 9 9 6 中规定的建模方法，通过到达角、角度扩展、角度功率谱、天 线间距等因素来确定了收发天线间的相关性。信道测量也分为不同的信道环境， 例如中心城区、地下隧道、不同的载频处，宽带系统等。 关于性能与传播的研究 信道建模 多维信道估计技术 利用场测量的容量估计 f 容量分析 基于信息理论的性能研究 信道相关性的影响 【 ； f b l a s t 关于信号处理的研究 空鐾蓊襄案案 【 ； 一一 实篡用 3 ) 信号处理技术的研究 新的空时发射方案层出不穷。d b l a s t 可以获得满分集，但译码复杂度太高 而且有译码延迟【9 】；文献【1 0 】提出的伪正交s t b c 实现了一些正交设计所不能满足 的满速率发射；不需要信道估计的酉空时码【1 l 】、差分空时码f 1 2 】是研究的热点；文 献 1 3 】研究的空时t u r b o 码可以更好的挖掘编码增益和空时域上的分集增益。 还有一大类关于m i m o 系统中预编码技术的研究。文献 1 4 】 1 5 开始了在 m i m o 信道中关于多维星座旋转的先驱工作；文献 1 6 】提出了设计l d c ( l i n e a r d i s p e r s i o nc o d e s ，线性疏散码) 的信息理论工具，设计目标是最大化各态历经的容 量，但这一设计准则在码长有限时的容量没有保障；在基于数论理论的空时编码 设计中，g o l d e n 编码以在保证满复用增益的清况下获得最大的分集增益，但必须 要对不同的调制方式作不同的设计，而且目前只找到了关于q p s k 调制的最佳设 计【l 刀；另外，空时信号调制必须与纠错编码相结合才能获得信息理论意义上的最 优性能；文献 1 8 】考虑了带有空时编码的比特交织编码调隹j l j ( b i ti n t e r l e a v e dc o d e d m o d u l a t i o n sf o rs p a c e t i m ec o d i n g ，s t - b i c m ) 方案，在基于g e n i s 条件下的预编码 第一章绪论 器设计中，获得了接近最优的m l 性能。这些预编码方案是针对于各态历经的信 道设计，它们更多从发端信号的统计特性和星座分布的角度来考虑，不会随着信 道的变化而变化。还有一个分支的预编码方案是针对短期稳定的信道所设计的， 为了适应信道的变化，预编码器也在变化。这类预编码器的设计存在很多种准则， 如b e r 最小化、最小的s n r 最大化、均方误差最小化、最小的奇异值最大化、 容量最大化等，文献【1 9 】给出了一套基于m m s e 检测假设下预编码器设计的完整 的理论体系，囊括了几乎所有基于均方误差、s n r 、信道容量和b e r 的各种准则， 将这些目标函数分为凸函数和凹函数两大类，并分别给出了两类的预编码矩阵的 统一形式。 在多用户m i m o 系统中，d p c ( d i r t yp a p e rc o d e ) 被用在广播信道，虽然其能 够充分利用多个用户的信道信息，但发端复杂度太高，所以又出现了次优的z f b e a mf o r m i n g 方案【2 们，它们实际上都是为了预先把多用户干扰消除掉。 在接收端，m i m o 系统的信道估计算法基本上沿用了单天线系统中的方法， 但同时也要为多个发射天线设计正交的导频序列以便可以在码域、时域或频域进 行区分，均衡技术研究不多，b l a s t 检侧技术的内容第三章会详细讨论。 4 ) 系统方面 除去时频资源外，m i m o 技术为系统配置了空域资源，使得系统设计更加灵 活。多个发射天线可以进行子集选捌2 ， 行分配，使有限的资源得到最优的利用。 有限的发射功率在较为有效的子集上进 自适应编码调制的意义也不是仅局限于 时间上随着信道的变化来调整编码调制方案，而且在不同的天线或数据流上也可 以进行调整。系统中h a r q 的运用，也促进了更广义的空时编码方案的出现，可 以将两次传输的数据进行了空时分组编码。此外，当多天线的距离足够大，就出 现分布式m i m o 、协同m i m o 等概念。 目前，对m i m o 技术的研究工作已经进入了一个相对成熟的阶段，在h s d p a ， 3 gl t e 和i e e e8 0 2 1 6 e 等系统的标准中都己经纳入了多种m i m o 方案。 1 3 主要工作 论文详细研究了m i m o 系统关键技术空时编码及其译码算法，包括s t t c 、 s t b c 编译码算法，b l a s t 空时复用方案及多种检测技术；研究了性能优异的信 道编码技术t u r b o 码与t p c 码及其迭代译码思想，比较了t u r b o 码与t p c 码彼此 的优劣；最后重点研究了t u r b ov - b l a s t 级联系统的译码算法，提出了创新性的 软判决s d 算法和t u r b o 迭代译码相结合的联合判决译码( i y d d ，i t e r a t i v ej o i n t d e t e c t i o na n dd e c o d i n g ) 算法，采用理论与仿真相结合的方法分析了两种编码级联 系统，对彼此的性能做了比较。 6 m i m o 中的空时编码技术研究 论文内容安排如下： 第二章介绍了m i m o 技术基础理论，包括移动信道参数分析、信道容量计算、 m i m o 关键技术的研究，为论文后续研究工作打下基础； 第三章是对m i m o 中的空时编码技术基础理论的研究，包括s t t c ，s t b c 编 译码方案和准则，介绍了相关领域当今的一些最新研究成果，重点研究v - b l a s t 系统的多种信号检测技术，包括最优和一些热门的次优算法； 第四章介绍了信道编码技术中的研究热点t u r b o 码的编译码基本原理，并将 传统的t u r b o 卷积码与t u r b o 分组码做比较： 第五章是论文的研究重点，考察了t u r b o 和v - b l a s t 级联系统，从建模、 原理分析到最后的计算机仿真，图文并茂的系统论述了采用软判决s d 算法和迭 代m a p 算法相结合的i j d d 的级联系统的性能。 第二章m i m o 理论基礁及其关键技术研究 7 第二章m i m o 理论基础及其关键技术研究 2 1 无线通信的信道特性 无线信道的特性非常复杂，无线电波传输过程中除产生传播损耗和阴影衰落 之外，还会受到诸如反射、衍射、散射、折射的作用产生多径衰落。传播损耗和 阴影衰落主要影响区域覆盖，而多径衰落则会严重影响信号传输质i t 2 2 】【2 3 】。 2 1 1无线信道的脉冲响威函数 无线信道具有随机时变特性：接收到的各多径分量的幅度、相位都随时间随 机变化，且多径的数量也是时交的。无线信道的等效低通脉冲响应可表示为： h ( t ，f ) = c t i ( t ) e - j a t t ) 谚( f q o 势 式( 2 一1 ) i = 1 其中，为t 时刻接收到的多径数量，磁) 、r i ( t ) 、韩( ) 分别为t 时刻第i 条多径分量产生的衰落系数、时延和相位延迟，无线信道的时域响应特性如图2 1 所示。 h b ( f ， 图2 1无线信道的等效低通脉冲响应模跫 2 1 2无线信道的相关参数 r ( 岛) 1 ) 时闯色散参数 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。当发射端发射个窄脉冲信 号时，由于存在多条不同的传播路径，且路径长度不样，则发送信号沿各个路 m i m o 中的空时编码技术研究 径达到接收天线的时间就不一样，使接收信号的持续时间比这个信号发送时的持 续时间增加，因此可看作是时间域色散。 时延扩展一般用时延功率谱( 分布) 、平均时延、均方根( r m s ，r o o tm e a ns q u a r e ) 时延三个参数来描述。时延功率谱用来描述各径的到达时间差，以及各径的相对 功率。根据实测，时延功率谱一般满足指数分布。平均时延f 和r m s 时延c r f 表示 时延扩展的程度，分别为延时功率谱的一阶矩和二阶矩的平方根，数学表达式为 一嚷2 p ( r i ) r i f 2 茸2 萤丽 式2 乏 其中，嘶为第i 条多径分量的衰减系数，p ( t ) 为时延为0 的多径分量的相对功率。 e 睦b g ( t + 黜剀专阳+ 淞m 皿垒c ( s n r ) 蛔) o r r = e 0 2 ) 一0 ) 2 式( 2 - 4 ) 其中， 嘶2 t 2p ( t ) t 2 以，卜专丁2 商 艰2 巧 时域色散的频域效果是信道的不同频率部分的响应不同，即具有频率选择性。 当信号带宽足够窄时，信号各频率分量经历几乎相同的衰落，信号传输基本不失 真；当信号带宽足够大时，信号各频率分量经历不同的衰落，即发生频率选择性 衰落，接收信号失真严重。描述信道频率选择性的参数是相干带宽尻，它表示包 络相关度为某一特定值时的信道带宽，通常认为当信号带宽大于相干带宽时发生 频率选择性衰落。口的大小与多径时延和包络相关度有关。当及定义为包络相关 度为0 5 和0 9 时，分别有 色2 壶 式( 2 。6 ) 眈壶 式( 2 - 7 ) 还有一种e 的简单计算方法，即用最大时延下面的倒数作为e ，即 e = 二 式( 2 8 ) f l 哪 并近似认为当符号周期t r e 时将发生时间选择性衰落。若将乙定义为信号包络相关度为0 5 时，有 乏土1 6 ，r f 式( 2 - 1 1 ) 有时也将乃简单的定义为 乏= 1 厶 式( 2 - 1 2 ) 依据信道的时间选择性，信道可分为快衰落和慢衰落两类。 3 ) 角度色散参数 由于移动台或基站周围的本地散射体以及远端散射体的散射，发射端的发射 角和接收端的到达角发生了展宽，即角度色散。角度色散的主要描述参数有平均 发射角或到达角秒、角度功率谱p ( e 1 和角度扩展。平均发射角或平均到达角为 移动台发射和接收电磁波与移动台运动方向之间的夹角。角度功率谱是指信号功 率谱密度在角度上的分布。研究表明角度功率谱一般为均匀分布、截短高斯分布 和截短拉普拉斯分布。角度扩展等于角度功率谱p ( 0 1 的二阶中心矩的平方根， 即 l o m i m o 中的空时编码技术研究 a = ( 秒一否) 2 p ( o ) a o l p ( 9 ) d p 式( 2 1 3 ) 其中 否：7 o p ( o ) d o 式( 2 1 4 ) lp ( o ) d o 角度扩展在空间域表现为m i m o 系统中不同位置的天线经历的衰落不同，即 空间选择性衰落，通常用相关距离砬来描述信道的空间选择性。皿定义为信道 冲激响应保证一定相关度的空间间隔。当天线间距离大于d ，时，将发生空间选择 性衰落。 依据信道的空间选择性，信道可分为标量信道和矢量信道两类。 2 1 3无线信道的统计特性 设信号x ( t ) 的带宽为职如果信道的频率响应日( f ；厂) 在带宽缈内变化很小， 此时信道就可称为频率非选择性衰落信道。接收信号，( f ) 为 ，( f ) = = h ( t ；r ) x ( t r ) d r = i = h ( t ；f ) x ( f ) e i 2 彬矽 h ( t ；0 ) rx ( f ) e j 2 矽矽t f f ( t ) x ( t ) 式( 2 - 15 ) 由上式可以看出，在频率非选择性信道下，信号所受信道的幅度和相位衰减是一 致的。对应的条件可简化为w 0 式( 2 1 8 ) 其中q = e ( r 2 ) ，这样的信道衰落就称之为瑞利衰落( r a y l e i g hf a d i n g ) ，在 绝大数情形下我们仅仅考虑这种信道衰落类型。 2 ) 如果信道中存在直通分量( l o s ) ，除了这个直通分量外，其它跟瑞利衰落 一样，这样的衰落类型就称为莱斯衰落( r i c ef a d i n g ) ，此时幅度r 的分布 为： b ( ，) = 矿re - ( r 2 + s z ) 2 s 2 厶( 式( 2 - 1 9 ) 式中s 2 表示信道直通分量的功率，万2 表示衰落成分的功率( o 均值高斯变 量的方差) 。当s 2 为零时，即信道没有直通分量，式( 2 1 9 ) 可以化简为瑞 利衰落的式( 2 1 8 ) 。 3 ) 上面式( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 给出了两种极端情形，即不存在直通分量和存在直 通分量的情形。还有一种介于这两者之间的衰落形式，称为n a k a g a m i 衰 落，此时幅度r 服从下面的n a k a g a m i m 分布： 最( ，) = 矗杀( 三) 2 ”k 一m ，o 式( 2 - 2 0 ) 式中q 如式( 2 1 8 ) 中所定义，r ( ) 为伽玛函数，m 由下式决定： m = q 2 e ( r 2 一q ) 2 】式( 2 - 2 1 ) 2 2m i m o 信道建模 m i m o 系统模型如图2 3 所示。 1 2 m i m o 中的空时编码技术研究 图2 3 m 发n 收m i m o 系统模型 上节有关多径信道的研究仅针对s i s o 系统，基于分立式多天线技术的m i m o 系统，各发射天线到各接收天线的信道仍具有随机时变、时延扩散特点。本文对 m i m o 信道的建模基于简化的j a k e s 模型，讨论如下： 2 2 1准静态平坦衰落m i m o 信道的简化j a k e s 模型 在准静态平坦衰落信道环境下，一帧中的所有发送符号所经受的信道增益为 常数，不同帧所经受的信道增益相互独立，且同服从均值为0 、实部和虚部方差 均为0 5 的复高斯分布。设一帧内第f 根发送天线到第，根接收天线的信道增益为 ，则 = n o 朋口，( o ，l 压) + j 毒刀。删口，( o ，1 压) 式( 2 - 2 2 ) 其中，n o r m a l ( 1 表示正态分布。 设n r x l 维发送符号向量x ，则准静态平坦衰落信道下的m i m o 信道矩阵可表 示为 则接收信号为： h = r = 凰+ 力 其中，为n 足x l 维接收向量，n 为n 足x l 维加性噪声。 式( 2 2 3 ) 式( 2 2 4 ) h m协；伽 址坳；”缸砌； 第二章m i m o 理论基础及其关键技术研究 1 3 2 2 2 频率选择性衰落m i m o 信道的抽头延迟线模型 文献 6 8 】给出了频率选择性衰落s i s o 信道的抽头延迟线模型，如图2 2 所 示。设信号带宽为形，信道相关带宽为e ，频率选择性衰落信道下有w 鼠。 接收到的各多径分量可以1 w 的时间间隔( 抽头间隔) 分辨出来，设可分辨的路径 数为三，则三- - l t w j + i ，其中，【z j 表示对x 取整，乙为最大时延扩展。则频 率选择性衰落信道下的接收信号可表示为 ，( f ) = 红( r ) c ( f - 刀形) + 疗( f ) 式( 2 - 2 5 ) 其中，c ( t ) 为发送基带信号，刀( ，) 为加性噪声。 基于上述抽头延迟线模型，也可对频率选择性衰落m i m o 信道建模：对各发 射天线到各接收天线的信道采用上述抽头延迟线模型建模，对抽头延迟线模型中 的每一径采用简化的j a k e s 模型建模。 2 3m i m o 信息论基础 式( 1 1 ) 的香农公式是基于a w g n 信道推导的信道容量，多径衰落信道下s i s o 系统归一化的信道容量为： c = 1 。g ( 1 + p i h l 2 ) ( b p s h z ) 式( 2 - 2 6 ) 其中，p 为接收端信噪比，日为归一化的信道冲击响应，在多径信道下服从归一 化的复高斯分布，均值为0 ，每维方差为0 5 。 m i m o 信道容量的推导基于准静态平坦衰落信道假设，并假定收端已确知理 想的信道状态信息( c s i ) 。 1 ) 确定性信道容量 当h 时不变时，m i m o 信道容量是确定的，由下式给出【2 4 】 c 乩s a e t 卜+ - 寿oh r 日刁 郁功， 其中r = e ( c c ) ，_ 为单位阵。当发端各天线功率相等时，r = f l 坼l _ i 即， 此时信道容量可化为 c 乩g d e t h + 仰p - - - l “h h h ) 1 4 m i m o 中的空时编码技术研究 = 籼i = 1 ( + 去0 五2 靴8 ，