（通信与信息系统专业论文）分布式空时码研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 f 舢删川f | j f f 舢j f f 舢删舢 fy 17 5 5 1 3 “9 ” 学科、专业： 工 学通信与信息系统 研究方向： 壁边通焦鱼垂垡垫盔 题目：分布式空时码研究 指导教师：杨龙祥 英文题目：r e s e a r c ho nd i s t r i b u t e ds p a c e - t i m ec o d e 主题词：空时编码；协同通信；分布式空时码；多输入多输出技术。 k e y w o r d ：s p a c e - t i m ec o d i n g ；c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ；d i s t r i b u t e d s p a c e t i m ec o d e ；m i m o o-粤。一卜|ip；ot戋_夸乒 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘。要。 为了满足人们对无线多媒体通信业务不断增长的需要，下一代无线通信系统需要提供 更高的传输速率和更可靠的传输性能。另一方面，未来无线通信网络将是一个支持多种无 线通信系统的异构通信网络，利用增设基站的方法来提高无线网络覆盖率将会大大提高无 线通信的成本。这样在有限的频谱资源上，如何高效地增加系统容量，并且保证信息可靠 地传输已经迫在眉睫。在此情况下可以采用m i m o 、空时编码以及协同通信技术作为下一代 无线通信的关键技术。本论文以协同通信系统中的分布式空时编码技术为研究对象，对分 布式空时码方案设计和性能分析展开了较为深入的研究。 本文首先研究了m i m o 技术和空时编码，接着对协同通信技术和分布式空时编码进行 了研究，详细研究了分布式空时编码的准则，最后详细研究了分布式l d 码、分布式亲和 正交空时码和分布式差分空时码三种面向协同通信系统的分布式空时编码方案。在文章 中，对分布式系统和共址m i m o ( c o l o c m e dm i m o ) 系统进行仿真比较，并对三种分布式空时 码编码方案的b e r 性能进行了仿真比较。可以看出，共址m i m o 系统优于分布式系统， 在三种分布式空时码编码方案中，分布式l d 空时码最好，其次是分布式亲和正交空时码， 最后是分布式差分空时码。但是，这三种分布式空时编码方案都获得相同的分集增益。 惫 ， ； ， 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 a b s t r a c t i no r d e rt om e e tp e o p l e sg r o w i n gd e m a n d so nw i r e l e s sm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n s e r v i c e s ，t h en e x tg 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 ss h o u l db ea b l et op r o v i d eh i g h e r t r a n s m i s s i o nd a t ar a t ea n dm o r er e l i a b l et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e o nt h eo t h e rh a n d ，t h en e x t g 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 r s t e m sw i l lb eah e t e r o g e n e o u sn e t w o r kw h i c hs h o u l d s u p p o r tm u l t i p l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s f o r t h ea m b i t i o u st h r o u g h p u ta n dc o v e r a g e r e q u i r e m e n t so ft h ef u t u r es y s t e m s ，ad r a s t i ci n c r e a s ei nt h en u m b e ro fb a s es t a t i o n sd o e sn o t s e e me c o n o m i c a l l yi u s t i f i a b l e w i t l lt h el i m i t e ds p e c t r u mr e s o u r c e s ，h o wt oe 街e i e n t l yi n c r e a s e t h es y s t e mc a p a c i t ya n dt oe n s u r er e l i a b l et r a n s m i s s i o no fi n f o r m a t i o ni sp r e t t yu r g e n t i ns u c h s i t u a t i o n s ，w ec a nu s em i m 0 ，s p a c e - t i m ec o d i n g ，a sw e l la sc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e sa sk e yt e c h n o l o g i e sf o rt h en e x tg 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 s i nt h i s t h e s i s ，w es t u d yt h ed i s t r i b u t e ds p a c e t i m ec o d ei nc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，a n d m a i n l yf o c u so nt h ed e s i g no ft h ed i s t r i b u t e ds p a c e - t i m ec o d ea n dt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so f t h ed i s t r i b u t e ds p a c e - t i m ec o d e i nt h i st h e s i s ，w ef i r s ts t u d ym i m ot e c h n o l o g ya n ds p a c e - t i m ec o d i n g , t h e ni n v e s t i g a t e c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dd i s t r i b u t e ds p a c e - t i m ec o d i n g ks t u d yt h ed e s i g n o ft h ed i s t r i b u t e ds p a c e - t i m ec o d ei nd e t a i la l s o ，f i n a l l yw es t u d yt h r e et y p e so fd i s t r i b u t e d s p a c e t i m ec o d i n gs c h e m e si nd e t a i l ：d i s t r i b u t e dl ds p a c e - t i m ec o d e ，d i s t r i b u t e da m i c a b l e o r t h o g o n a ls p a c e - t i m ec o d ea n dd i s t r i b u t e dd i f f e r e n t i a ls p a c e - t i m ec o d e 、c o m p a r ed i s t r i b u t e d s y s t e m sw i t hc o l o e a t e d 删0s y s t e ma n ds i m u l a t et h r e ek i n d so fd i s t r i b u t e ds p a c e - t i m ec o d i n g s c h e m e s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc o l o c a t e dm i m 0s y s t e mi sb e t t e rt h a nd i s t r i b u t e ds y s t e m s a m o n g t h e s et h r e ek i n d so fd i s t r i b u t e ds p a c e - t i m ec o d i n gs c h e m e s ，d i s t r i b u t e dl ds p a c e - t i m e c o d eg e t st h eb e s tp e r f o r m a n c e ，a n dd i s t r i b u t e da m i c a b l eo r t h o g o n a ls p a c e - t i m ec o d ei sw o r s e t h a nd i s t n b u t e dl ds p c 船- t i m e 仪成a n df i n a l l yd i s t r i b u t e dd i f f e r e n t i a ls p a c e t i m ec o d ei sw o l s t o fa 1 1 h o w e v e r , t h e s et h r e ek i n d so fd i s t r i b u t e ds p a c e - t i m ec o d i n gs e h e r n e sh a v et h es a m e d i v e r s i t yg a i n h 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t ：i l 目录i l l 第一章绪论l 1 1 无线通信领域的关键技术l 1 2 论文的主要安排3 第二章m i m o 技术与空时编码4 2 1m i h i o 技术4 2 1 1mim 0 无线通信系统4 2 1 2 _ i 系统信道容量8 2 2 空时编码9 2 2 1 空时编码的分类9 2 2 2 空时编码设计准则1 2 2 3 本章小结1 6 第三章协同通信1 7 3 1协同通信概述1 7 3 2 协同通信的中继协议 3 2 1 放大前传( f ) 2 1 3 2 2 译码前传( 胙) 兹 3 3 协同通信系统的容量。2 3 3 3 协同通信系统容量2 3 3 3 2 f 系统的容量2 5 3 3 3d f 系统的容量2 6 3 4 本章小结2 7 第四章分布式空时编码2 8 4 1 概述2 8 4 2 分布式空时分组码2 8 4 3 相二fd s t b c 3 0 4 4 非相干d s t b c 3 l 4 5 差分d s t b c 3 2 4 6 分布式空时分组码签名向量集的设计3 3 4 6 1 分布式衰落因子丘3 3 4 6 2 最优的签名矢量3 4 4 6 3 梯度集合( i 删3 4 4 7 分布式空时码与共址m i i o 系统的性能比较3 6 4 8 本章小结。3 6 第五章分布式空时码的性能分析3 7 5 1 分布式l d 空时码3 7 n i 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 5 1 1 系统模型3 7 5 1 2 分布式l d 空时码的设计3 9 5 1 3 译码。4 0 5 1 4 仿真结果。4 l 5 2 分布式亲和正交空时码 4 3 5 2 1 系统模型。4 3 5 2 2 亲和正交设计4 3 5 2 3 符号差错率的分析4 6 5 2 4 性能仿真4 8 5 3 分布式差分空时码4 8 5 3 1 系统模型4 9 5 3 2 两中继的分布式差分空时编码5 0 5 3 3 多中继的分布式差分空时编码5 3 5 3 4 一些分布式差分空时码5 5 5 3 4 1aia m o u ti 码5 5 5 3 4 1s p ( 2 ) 码。 5 4 分布式空时码方案的性能分析 5 6 5 8 5 5 本章小结5 8 第六章论文总结 6 1 论文工作总结 6 2 i 作展望 致谢 参考文献 5 9 t ；t 6 l 作者攻读硕士学位期间发表的论文 i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 下一代无线通信系统将向高传输速率和高移动性发展，如后三代( b 3 g ) 或 第四代( 4 g ) 移动通信系统，可以提供的数据传输速率高达1 0 0 m b i t s ，甚至更高， 同时也应该满足移动速度高达2 5 0 k n d h 的高速移动环境下的可靠传输。这样在有 限的频谱资源上，如何高效地增加系统容量，并且保证信息可靠地传输已经迫在 眉睫。在此情况下可以采用m i m 0 、空时编码以及协同通信技术作为下一代无线 通信的关键技术。本文的研究内容主要集中在协同通信系统中，对一些分布式空 时码方案进行了系统的研究，并且对这些方案进行了性能仿真。 1 1 无线通信领域的关键技术 当前无线通信研究领域内的一些关键热点技术包括：多输入多输出( m i m o ) 技术，空时编码( s r c ) 技术，协同通信技术以及分布式空时编码技术。 多输入多输出( m i m 0 ) 技术 1 是未来宽带无线通信的关键技术，是实现充 分利用空间资源的以及提高频谱效率的一个重要手段。传统的无线通信系统是利 用一个发射天线和个接收天线的通信系统，即单输入单输出( s i s 0 ) 天线系统， s i s 0 天线系统在信道容量上具有不可突破的瓶颈，香农容量的限制。而m i m 0 能 够在不占用额外频谱带宽和发射功率的条件下，成倍地提高系统容量，频谱利用 率也有极大地提高。目前理论已经证明应用m i m o 技术能极大地提高无线通信系 统的性能和容量。贝尔实验室率先对m i m 0 系统的信道容量进行深入分析，并提 出了贝尔实验室分层空时算法( b l a s t ) ，其适用于诸如室内无线局域网( w l a n ) ， 固定无线接入网，建筑物间的无线通信。研究表明在平均信噪比为2 4 - - 3 4 d b 时，b l a s t 系统的频谱利用率可达到2 0 - - 4 0 b p s h z 。 空时编码( s t c ) 技术 2 是在瑞利和莱斯信道中的一种高容量的无线通信手 段。空时编码的空间特性带来了发射端的天线分集，同时还可以采用传统的接收 端天线分集。而空时编码的时间特性保证了分集效果，同时又不降低系统的数据 传输速率。空时编码系统采用了多个发射天线，一个或多个接收天线，并且假设 信道是平坦瑞利衰落的。数据首先经过信道编码，编码后的数据经过一个串并转 换器，转换成m 个数据流，每个数据流都经过脉冲整形后进行调制并从其对应的 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 天线发射出去。在具有多个发射和接收天线的系统中，空时编码是一种将空域和 时域相结合的新的编码和信号处理技术。由于空时编码通过在不同天线发送的信 号间引入了时域和空域相关，因此，能较好地利用由多发送多接收天线构成的 m i m o 系统所提供的传输分集合自由度，可在不增加带宽和发送功率的情况下提 高信息传输速率，改善信息传输性能。 协同通信( c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ) 3 在目前的无线通信系统中有多 种应用，包括协同m i m o 、多用户协同等。为了使那些天线数目受限的用户也能 获得m i m o 增益，提出了协同m i m o 的概念，它是通过虚拟天线阵列而使得用户能 获得空间分集增益。协同通信技术是在多用户通信环境中，使用单根天线的各临 近移动用户可按照一定方式共享彼此的天线协同发送，从而产生一种类似多天线 发送的虚拟环境，获得空间分集增益，提高系统的传输性能。作为一种分布式虚 拟多天线传输技术，协同通信技术融合了分集技术与中继传输技术的优势，在不 增加天线数量的基础上，可在传统通信网络中实现并获得多天线与多跳传输的性 能增益。 分布式空时编码( d i s t r i b u t e ds t c ) 4 不同于传统m i m o 系统的空时编码， 它是在采用协同分集的分布式系统中将空时编码引入。传统的空时编码是对同一 终端上的多根天线发射的信号进行编码后再发送至接收端，而分布式空时编码在 所有中继接收到发射端发来的信号后，对所有的中继同时发射到接收端的信号进 行空时编码，从而获得协同分集增益，极大地提高了系统的性能。在无线中继网 络中，协作能够带来协作分集，其分为两个阶段，第一阶段首先由源节点向各中 继节点广播出发送的信息，第二阶段是由中继节点放大并转发( a f ) 或解码并转发 ( d f ) 收到的信号到目标节点。a f 只是简单的放大并转发信号并不作任何解码或者 解调的处理，d f 在再次发送前解码并解调。分布式空时码( d s t c ) 可以在第二阶 段中使用从而能够有效利用带宽和能量。在拥有大量中继节点的协作网络中，中 继节点是处于活动( a c t i v e ) 或非活动状态的，这要取决于是否参与转发。此外， 还决定于中继节点之间的协作程度，要区分不同的d s t c 方法，在合作d s t c 编码中， 协作节点是知道它们的协作伙伴，目前已经存在的为同位置多天线系统而设计的 s t b c 是可以直接使用。然而在很多情况下，非合作d s t 编码方案中，协作节点是 不需要知道它们的伙伴节点情况的。例如利用非合作d s t 编码，在第一阶段使用 2 南京邮电大学硕上研究生学位论文第一章绪论 c r c 校验，第二阶段使用d f ，那么仅仅是未知节点子集的先验概率就可以正确的 解码并转发。分布式空时分组码 1 2 ( d i s t r i b u t e ds p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ， d s t b c ) 之所以被认为适合应用在非合作的编码方案中，是因为n 个中继节点中 的每一个单独节点都具有单天线和唯一的签名矢量。每个活动节点传输的信号是 一个t n 。的信息承载s t b c 矩阵，这个矩阵所有节点都是一样的。如果从n 。个节 点活动，那么可以达到的分集顺序为d _ m i l l n 。，n 。) 。这种编码方式对于不需要 知道中继节点状态的a d h o c ，传感器网络和无线传感器网络都能够有很大的帮助， 而且d s t b c 的解码运算复杂度和现有s t b c 是一样的。 1 2 论文的主要安排 在参阅了大量中英文文献的基础上，本文对面向协同通信系统已有的分布式 空时码的方案进行了研究分析，并对各种方案进行了性能分析和仿真。本文的章 节安捧如下： 第一章介绍当前无线通信研究领域的关键技术 第二章研究m i m o 技术和空时编码 第三章研究协同通信技术，主要讲了两种不同的分集协议，并分析协同通 信系统的性能，主要从系统容量方面入手，对协同分集的两种方案进行了比较 第四章研究分布式空时码技术，对分布式空时分组码( d s t b c ) 以及分布 式空时分组码的设计进行了较为详细的研究，并且和共址m i m o 系统的性能进 行了比较 第五章详细研究了三种面向协同通信系统的分布式空时码编码方案，并用 m a l l ，a b 对方案进行了分析和比较 第六章对全文工作的总结和展望 3 m i m o 无线传输技术是通信领域的一项重要技术突破，它能在不增加带宽与 功率的情况下成倍地提高无线通信系统的容量和频谱效率，因此迅速崛起成为新 一代无线通信系统中的关键技术之一。然而迄今为止，统无线通信技术对信号的 频域、时域与码域信息的利用已达到一个前所未有的高度，仍然难以满足未来 无线互联网多媒体通信的需求。可幸的是，信号空域信息的探索为解决这些问题 带来了新思路，如应用天线分集技术与智能天线技术，最终演进到的多输入多 输出( m i m o ) 天线技术，m i m o 技术应了未来无线通信技术发展的要求，近年来 得到迅猛的发展。 m i 啪技术是指在发射端通过多个发射天线传送信号，在接收端使用多个接 收天线接收信号的无线通信技术，目前理论已经证明应用m i m o 技术能极大地提 高无线通信系统的性能和容量。贝尔实验室率先对m i m o 系统的信道容量进行深 入分析，并提出了贝尔实验室分层空时算法( b l a s t ) ，其适用于诸如室内无线 局域网( r l a n ) ， 固定无线接入网，建筑物间的无线通信。研究表明在平均信 噪比为2 4 - - 3 4 d b 时，b l a s t 系统的频谱利用率可达到2 0 - - 4 0 b p s h z 。 2 1 1mim 0 无线通信系统 传统无线通信系统采用一个发射天线和一个接收天线，称作单入单出 ( s i s o ) 系统。s i s o 系统在信道容量上具有一个不可突破的瓶颈一一香农容量限 制，不管采用何种调制、编码策略，无线信道总是给通信工程作了这个实际 的物理限制。传统通信理论一直将多径传播视为信号传输的一种不利因素，因 具有不同延时的多径信号副本相叠加会产生破坏性干扰，使链路性能不稳定。为 对抗移动通信中的多径衰落、提高链路的稳定性，人们提出了天线分集技术， 而联合应用天线分集与时间分集，还能获得空间维与时间维的分集效益，因此从 传统单天线系统向多天线系统演进是无线通信发展的趋势。m i m o 无线通信技术 源于天线分集技术与智能天线技术它是多入单出( m i s o ) 与单入多出( s i m o ) 技 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o 技术与空时编码 术的结合，具有两者的特征。m i m o 系统在发端与收端均采用多天线单元，运用 先进的无线传输与信号处理技术，利用无线信道的多径传播，因势利导，开发空 间资源，建立空间并行传输通道，在不增加带宽与发射功率的情况下，成倍提 高无线通信的质量与数据速率堪称现代通信领域的重要技术突破。 考虑如图3 1 所示的由n 根发射天线和m 根接收天线构成的无线m i m o 系统。 发射端的天线阵列上的发射信号表示为： s ( f ) = 【s l ( f ) ，s 2 ( 矿) ，s ( f ) 】r ( 2 1 ) 式中，岛( ，) 表示由第i 根发射天线在时刻t 上发射的信号 同理在接收端天线阵列上的接收信号为： r ( t ) = 1 ( f ) ，眨( f ) ，( f ) 】r ( 3 2 ， 式中( r ) 表示在时刻t 上，第就根接收天线上的接收信号 绽码 调制 钷隧 图2 - 1n 个发射天线、m 个接收天线的m i m o 系统模型 ( 1 ) 非频率选择性衰落 在非频率选择性衰落( 平坦) 衰落信道下，由于各对天线间从第i 个发射 天线到第j 个接收天线之间的子信道可以用复信道衰落系数j i l 疗( 1 i n ，1 j m ) 表示，因此一个n 发m 收的m i m o 信道，可以用一个m x n 维的复矩阵h 来 表示： 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m | m o 技术与空时编码 排曩h i 2 每 。2 则接收的信号可以表示为： r = 册+ ( 2 4 ) ( 2 3 ) 式中，s 表示发射信号矩阵，r 表示接收信号矩阵，n 表示噪声矩阵。 ( 2 ) 频率选择性衰落 对于频率选择性衰落，接收的信号发射信号与信道的离散卷积： 工一l 尺( f ) = h ( k ) s ( t - k ) + n ( t ) ( 2 5 ) k = o 其中 日= 啊。i i f )j i l ：( ，) 囊o ) 如( ，) k o ) ( f ) ：；i：。： ，o ) ：( ，) o ) ( 2 6 ) 上述m i m o 信道模型可以看作是s i s o 信道模型的推广，主要的差别是该信道模型 的抽头系数不再是简单的标量，而是一个矩阵，矩阵的大小跟m i m o 系统两端所 使用的天线数有关。 和传统的单天线系统相比，m i m o 系统具有以下优点： ( 1 ) 阵列增益 由于m i m o 系统收发端使用阵列信号处理算法，以及相关合并技术，使得 接收信号的平均信噪比( s n r ) 得到了明显改善。该增益只能在诸发送端知道信 道信息的m i m o 系统中才可获得。在一些实际的m i m o 系统中，信道状态信息反 馈时可能存在一定的差错或实际的m i m o 信道变化太快，系统的发射端不能够获 得完美的信道状态信息。另一方面，需要反馈的信道状态信息量随着接收端天线 数目的增加而急剧增大，但在实际m i m o 系统中反向信道的容量有限，反馈的信 息太多将严重影响系统容量。此时，部分反馈信道状态信息或发射端部分知道信 道状态信息的m m o 收发技术更具有实际的应用价值，发射端部分知道信道态信 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m i m o 技术与空时编码 息的m i m o 系统成为m i m o 技术重要的研究方向。 ( 2 ) 空间分集增益 无线信号传输时，有意移动台的移动以及移动台周围环境的变化，使得多径 信号的功率随机变化，这就是衰落效应。分集是对抗无线信号衰落的有效手段， 它主要依靠相同信号通过多个独立衰落路径的传输，显然，多个路径同时经历衰 落的概率很低。与时间和频率分集相比较，m i m o 空间分集的最大优势在于不需 要额外的时频资源开销。如文中上一部分所示的m i m o 系统中，若不考虑复用， 将会有n m 条独立路径，接收机如果统一合并这些路径的信号，和s i s o 相比， m i m o 将获得n m 阶分集效果，接收机误码率性能将会得到显著提高。 ( 3 ) 空间复用增益 m i m o 能够在不增加发射功率或者频带资源的情况下，实现信道容量随 m i n n ，m ) 线形增长。该增益就是空间复用增益，可以实现通过不同的天线传输 不同的数据信息，即无线数据信号的多路并行传输，从而大大提高m i m o 系统 的信道容量。著名的b l a s t 结构就是将待发射的信息流分解为多路并行子流，对 各路独立地进行编码、调制与映射到其对应的发射天线上，在收端采用迫零或 迫零结合干扰消除等技术将多路子数据流分离。其实质是将单路高信噪比信道分 解为多路相互重叠的低信噪比信道并传输，达到空间复用的目的，从而提高频谱 利用率。 m i m o 技术已经成为无线通信领域的关键技术之一，经过近几年的持续发 展，m i m o 技术将越来越多地应用于各种无线通信系统。在无线宽带移动通信系 统方面，第3 代移动通信合作计划( 3 g p p ) 已经在标准中加入了m i m o 技术相关 的内容。b 3 g 和4 g 的系统中也将应用m i m o 技术。在无线宽带接入系统中，正在 制订中的8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 1 n 和8 0 2 2 0 等标准也采用了m i m o 技术。在其他无线 通信系统研究中，如超宽带( u w b ) 系统、感知无线电系统( c r ) ，都在考虑应 用m i m o 技术。在实际应用中，设计者不可能利用空间自由度( 天线数目) 来同 时获取m i m o 的全部优点，设计者可以根据实际应用场景的需要，灵活配置来挖 掘系统所需的优点。 未来无线通信系统需要更高的数据传输速率和更好的服务质量，因此需要系 统容量大幅度提高。在有限的无线频谱资源条件下，只有极大地提高频谱利用率 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o 技术与空时编码 才能使系统容量更高。采用多输入多输出( m i m o ) 天线技术可以满足要求。m i m o 技术是无线通信领域重大的技术突破，将成为未来无线宽带移动通信系统和无线 宽带接入系统的关键技术。 2 1 2 川m 0 系统信道容量 系统的信道容量就是在一定信噪比条件下能以任意低的差错率传输信息所能 达到的最大信息传输速率。1 9 4 8 年香农研究了s i s o 系统带限噪声信道中的可靠 通信问题，提出了s i s o 系统信道容量c 的基本公式，即： c = l 0 9 2 ( 1 + p l h l 2 ) b i t s s h z ( 2 7 ) 式中h 为归一化的复信道增益，p 为接收端的信噪比( s n r ) 。由上式可知，当信 噪比高的时候，p 每增加3 d b ，容量就会增加i b i t s h z 。 对于s i s o 系统，其信道容量为： c ；1 0 9 2 ( 1 + p m 时) b i t s j 勉 ( 2 8 ) 式中， 为第i 个接收天线和发射天线间归一化的复信道增益，m 为接收天线的 个数。由式( 2 8 ) 可以看出，s i s o 系统的容量随着接收天线个数的增加按对数 关系增长。 对于m i s o 系统，其信道容量为： c = b g ：( 1 + 号善i 赡1 2 ) 6 触，s 舷 ( 2 9 ) 式中，曩为第i 个接收天线和发射天线间归一化的复信道增益，n 为发射天线的 个数。由式( 2 9 ) 可以看出，m i s o 系统的容量随着发射天线个数的增加按对数 关系增长。 而对于m i m o 系统，信道容量可分为以下两种情况讨论： ( 1 ) 发射端已知信道状态信息 当发射端已知信道状态信息( c s i ) 时，即对于已知的信道矩阵h ，设r a n k ( h ) - - - r ，则矩阵h h h 有r 个非零特征根：五o = 1 ，2 ，) 。由于h 为m x n 的矩 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m i m o 技术与空时编码 阵，显然有r _ m i n n ，m ) 。根据“注水规则”( w a r t e r f i l l i n gr u l e ) ，将总发 射功率分配到各个子信道中，第i 个信道中分配的发射功率为 只：( 刁一与+ ( 2 1 0 ) 似 式中( 国) + 表示m a x ( c o ，0 ) ，7 的选取满足功率约束 m 只1 ( 2 1 1 ) i = l 此时，m i m o 信道容量为： c = l 0 9 2 【l + p ( 五玎一】b i t s h z ( 2 1 2 ) 1 = 1- , ( 2 ) 发射端未知信道状态信息而接收端已知信道状态信息 对于分配有n 个发射天线、m 个接收天线的m i m o 信道，发射端在不知道传 输信道状态信息的条件下，如果信道的幅度固定，则信道容量可以表示为： c = l 0 9 2 d e t ( 1 l + p q ) b i t s h z ( 2 1 3 ) 式中，l i n 为m 和n 中的最小数，矩阵q 的定义如下： 9 = 学等二：亿m 当系数的幅度随机变化时，m i m o 的信道容量为一随机变量，此时可用平均信道 容量或个人太历经信道容量来度量： c = 以l 。9 2 d e t ( , + n q ) b i t l j i t z ( 2 1 5 ) 2 2 空时编码 2 2 1 空时编码的分类 对无线m i m o 系统信道容量研究的成果表明，在发射端或接收端使用多根天 线可以极大地增加系统的信道容量。为了在信息传输中充分利用和尽可能接近无 线m i m o 系统的信道容量，人们很自然地将s i s o 系统中比较成熟的各种编码技术 推广到m m o 系统，因而空时编码应运而生。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o 技术与空时编码 在具有多个发射和接收天线的系统中，空时编码是一种将空域和时域相结合 的新的编码和信号处理技术。由于空时编码通过在不同天线发送的信号间引入了 时域和空域相关，因此，能较好地利用由多发送多接收天线构成的m l m o 系统所 提供的传输分集合自由度，可在不增加带宽和发送功率的情况下提高信息传输速 率，改善信息传输性能。空时编码技术按照接收端是否需要知道信道状态信息可 以分为两大类： 第l 类空时编码：译码时接收端需要确切知道信道状态信息( c s i ) ( 1 )分层空时码( l s t c ) ，分层空时码又俗称贝尔实验室分层空时结构 ( b l a s t ) ，是由贝尔实验室在1 9 9 8 年提出的一种利用多根发射天线实现数据流 的多路并行无线传输的方法。b l a s t 的特点是系统结构简单，易于实现，频带利 用率随着发射天线数目的增加而线性增加，它所能达到的传输速率是单天线系统 无法想象的。分层空时码通过一维信号处理多维信号，一般适于接收天线多余发 射天线数目的无线m i m o 系统。b l a s t 根据信号构造方式的不同可以分为对角结 构( d _ 明a s t ) 和垂直结构( v b l a s t ) ，d - b l a s t 接收端的检测复杂度高，但性 能较好；而v - b l a s t 检测复杂度低，较为实用。 ( 2 ) 空时网格编码，空时网格编码( s i r c ) 是将无线m i m o 系统中的调制器和 空时编码器两个模块联合考虑，采用差错控制编码、调制与发送分集相结合，在 空间域和时间域进行联合编码的方式。s t t c 能够在不增加系统带宽的前提下得 到最大可能的分集增益和编码增益，从而提高信息传输质量。下图1 1 所示为基 于q p s k 调制的4 状态转移图。s t t c 不同于其他t c m 编码方法，它的每一条状态 转移分支上分配有两个q p s k 符号，分别经由两根天线同时发送出去。 若采用有2 6 个信号点的星座图，在保证最大分集增益前提下s t t c 可以达到 的频带利用率最大为bb i t s h z ；但空时网格码最大的缺点是译码必须采用 v it e r b i 译码算法，其译码复杂度随分集阶数r 和频带利用率b 按指数增长，即 使对于较小的r 和b ，相应的译码复杂度也会很大，因此，对于高速率信息传输 的系统显得不实用；其次，对于任意数目的发射天线，空时格码的设计十分困难， 对特定发射天线数的m i m o 系统空时格码的设计一般借助计算机搜索的方法来完 成 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m i m o 技术与空时编码 o l 舵0 3 111 21 3 2 12 22 3 3l3 23 3 图2 2 基于q p s k 调制的s t t c 状态转移图 ( 3 )空时分组编码( s t b c ) ，空时分组码( s t b c ) 将无线m i m o 系统中调制器 输出的一定数目的符号编码为一个空时码码字矩阵，合理设计的空时分组码除能 提供一定的发送分集度。s t b c 通常可通过对输入符号进行复数域中的线性处理 而完成，因此，利用这一。线性一性质，采用低复杂度的检测方法就能检测出发 送符号。特别是当s t b c 的码字矩阵满足正交设计时，例如a l a m o u t i 于1 9 9 8 年 提出的两发射天线的发射分集方案，该方案在接收端采用的就是线性复杂度的最 大似然( 札) 译码。t a r o k h 等人在a l a m o u t i 的基础上提出了正交空时分组码 ( o s t b c ) ，把输入符号映射到空域和时域，产生正交序列，通过不同的发射天线 发送。s t b c 在保有低复杂度的线性儿译码算法的同时，还可以获得最大比合并 接收相同的分集增益。但是采用复正交设计的s t b c 仅限两个发射天线时才可以 获得满速率，随着发射天线数目的增加，所获得的最大速率仅为满速率的3 4 ， 为了进一步提高s t b c 的传输速率，j a f a r k h a n i 等人分别在各自的文献中提出了 基于准正交设计的空时分组码( q o s t b c ) 。q o s t b c 虽然可以获得满速率，但是不 能获得满分集增益，为了提高q o s t b c 的分集增益，s h a r m a 等人提出了将发射调 制信号的星座图旋转的方法，s u 和x i a 等人经过严格的数学推导，得到了不同 调制方式下的最优星座图旋转角度。另外的，为了达到满分集增益和全速率的编 码方法是以牺牲线性的m l 译码为代价的，即预编码的空时编码，如d a m e n 提出 的线性代数空时编码( t a s t ) ，g i a n n a k i s 等人提出的线性复域空时编码 ( l c f s t c ) 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m i m o 技术与空时编码 第2 类空时编码：译码时接收端无需知道c s i 的，它可以有效的解决由于移 动终端的快速运动或信道衰落条件快速变化，所造成的难以准确估计信道或准确 准确估计信道的代价很高的状况。如t a r o k h 等人提出的基于正交设计的差分空 时分组码( d s t c ) 。h u g h e s 和h o c h w a l d 等人利用酉矩阵的特性，提出了差分酉 空时编码( d u s t c ) 的方法，其型号星座不再是复平面上的点集合，而是由具有 酉特性的复矩阵构成的群。它的差分译码尽管具有指数复杂度，但其发射端仅有 确定的若干个发射模式，因而发射机的设计简单；同时发射信号的基带表示具有 恒模的特性，可降低前端放大器的设计，以减小发射机的成本。 2 2 2 空时编码设计准则 t a r o k h 假设接收端能够准确地估计信道特性，按照误码最小的原则在准静 态平坦瑞利衰落条件下推出了s t c 的设计准则。同时也证明了即时存在信道估 计误差时s t c 码依然有效，而且上述设计准则