（通信与信息系统专业论文）无线通信中的空时编码技术研究.pdf

摘要 摘要 近年来随着多媒体，互联网蒋移动通信新业务的发展。频谱资源日益 紧张，舞发嵩羧携编璐、调剩帮信号处毽技术已戏海提高菱线频谱袋攀嚣 当务之急。空时编码技术将信道编码技术和天线分集技术结合，改善了分 集增藏和编码增益，并崧效地减弱7 干扰和多径衰落，从群犬幅度撼离了 无线通信系统的容量，为解决无线通信中的带宽问题提供了条新的解决 途径。 空薅编鹨镪嫠三释鏊本类燮：努屡空辩编码、空对捂篓编码帮空辩分 组编码。其中旗于正交设计的空时分组编码，由于其相对简单的编、译码 方法和较好鲍性能露倍受关注。零文的研究就是镊辩正交空时分组鹦避牙 的，主要内容如下： ( 1 ) 深入研究了空时分组编码的简易配方译码算法，在研究瑞利衰落下 空对分组羁僖遘容量的基础主，推导爨空对分组码在爨具一般髋的 n a k a g a m i 信道模型下的信道容量公式，并进行了仿真。 2 ) 深入磅究了匙i l 售道，将多簸入多输出戆熬嚣n a k a g a m i 信道等效 为单输入单输出的信道，在此基础上推导了空时分组码在匙孔n a k a g a m i 衰落下的信道容量公式，进行了仿真和分析，并与非匙孔时的情况做出比 较，褥到一些对实际空时分缢碍系统其育一定参考价值的绪论。 ( 3 ) 研究了空时分组码的性能。推导了匙f l n a k a g a m i 衰落下空时分组码 懿误雩孥号率表迭式，嚣靛建立了该售莲懿髂囊模型，完成了蒙特专罗铸寞， 并与推导公式的仿真结果进行比较，验证了本文推母的正确性。 关键词空时编码；空时分组编鹤；信噪比；信道容量：n a k a g a m i 裳落 匙孔；误符号章 燕出大学工学鼹圭学扭论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm e d i aa n di n t e r a c t ，t h ef r e q u e n c yr e s o u r c eo f c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sm o l - oi k m i t e d + t od e v e l o pt h eh i g l d ye f f i c i e n tc o d i n g , m o d u l a t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sb e c o m i n gt h em o s tn e c e s s a r y m e a s u r et oi m p r o v et h es p e c m m ae f f i c i e n c y s p a c e - t i m ec o d i n 氧s t c ) c o m b i n e s t h et e c h n i q u eo f c h a n n e lc o d i n ga n da n t e n n ad i v e r s i t y , i ti m p r o v e st h ed i v e r s i t y g a i na n dc o d i n gg 赫nr e m a r k a b l ya n de l i m i n a t e st h ei n t e r f e r e n c ea n dc o n t r a d i c t t h em u r i p a t hf a d i n ge f f e c t i v e l y ，s os t ci n c r e a s e s t h ec a p a c i t yo fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ng r e a t l y t h i st e c h n i q u ep r o v i d e san e ws o l u t i o nt ot h ep r o b l e m o f l i m i t e db a n d w i d t hi nw i r e l e s sc 伽抛n 缸c 戤i o n 。 s p a c e - t i m ec o d i n gi n c l u d e sl a y e r e ds p a c e * t i m ec o d i n g ( l s t c ) ，s p a c e - t i m e t r e l l i sc o d i n 。s t t c ) a n ds p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g ( s t b c ) ，t h eo r t h o g o n a l s p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g ( s t b qi sd e e p l yc o n c e r n e db e c a u s eo fi t ss i m p l e e n c o d e d ，d e e o d e da l g o r i t h ma n dt h eb e t t e rp e r f o r m a n c e t h em a i nc o n t e n t sa r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es i m p l es q u a r i n gd e c o d ea l g o r i t h mo fs t b ci sd e e p l ys t u d i e d b a s i n go ns t u d y i n gt h ec h a n n e lc a p a c i v o v e rt h er a y l e i 魏f a d i n g , t h ep a p e r d e d u c e dt h ec a p a c i l yf o r m u l ao f s t b co v e rt h en a k a g a m if a d i n gc h a n n e l sa n d s i m u l a t e dt h ec a p a c i t y 娌弦h ep a p e rd e e p l ys t u d i e dt h ek e y h o l ec h a n n e l s 。f i r s t l y 酗u a l i z e dt h e m i m on a k a g a r n if a d i n gc h a n n e l st oas i s oc h a n n e l s ，b a s i n go nt h i s ，t h e c a p a c i t yf o r m u l ao fs t b co v e rt h ek e y h o l en a k a g a m if a d i n gc h a n n e l si s d e r i v e d t h er e s u l ti sa l s os i m u l a t e da n da n a l y z e d t h ep a p e rc o m p a r e dt h i s c a p a c i t yo r e l t h ek e y h o l ew i t h t h e c a p a c i t y o v e rt h e n o n - k e y h o l e 髓l o c o n c l u s i o n sh a v e 拯遮r e f e r a n e ev 越a ef o rt h ea c t u a la p p l i c , 越i o no f s t b o o ) t h ep e r f o r m a n c eo fs t b ci sa n a l y z e d t h ee x p r e s s i o no fs y m b o le r m t e f s e r ) o fs t b ci sd e d u c e d w ea l s oe s t a b l i s h e dt h es i m u l a t i o nm o d e la n d h a b s t r a c t g o tt h em o n t ec a r l os i m u l a t i o nr e s u l t s t h e nc o m p a r e dt h er e s u l t sw i t ht h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm s m t sa n dv e r i f l e dt h ee x p r e s s i o no fs e rw ed e d u c e di s c o r r e c t k e y w o r d ss p a c e q i m ec o d i n g ；s p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g ；s i g n a l * t o - n o i s e ；c h a r m - e lc a p a c i t y ；n a k a g a m if a d i n g ；k e y h o l e ；s y m b o le r r o rr a t e ( s e r ) m 蒸由大学颈士学位论文原麓性声明 本久郑重声明：扰缝掰提交懿颈学键论文兹线逶售中戆空时缡筠 技术研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己淀明部分外不包含他人 己蓑袭或撰写避鲢研究戴莱。对本文静研究工作傲凼重要贡献鹣个人帮集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担a 作者签字 桶面 日期：2 年罔后日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 无线遗绩孛瓣空跨藕码技拳骚究系本入在熬由大学毅读硕学位 期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所 有，本人如需发表将署名燕睦l 大学为第一竞戏单位及相关人员。本人完全 了解燕山大学关于保存、使用学位论文的觏定，同意学校保留并向有美部 门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山 丈学，再疆采建影翠、臻霉或其麓囊豢l 手敬镶存论文，可鞋公布论文匏全 部或部分内容。 谋密口，在年解密后适耀本授权书。 本学位论文属于 不绦整馨。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者煞名：袖丽 嚣期：上。年，嚣力蠢 导9 币镰名2 青丽函 日期：a 9 年7 胄。日 第l 章绪论 第1 章绪论 随着蜂窝移动通信，因特网和多媒体业务的发展，世界范围内无线通 信的容量需求在迅速增长，而可利用的无线频谱是有限的，只有提高频谱 的利用率，才能满足通信容量的要求。空时编码技术将编码、调制、发送 和接收分集有机地结合，改善了无线传输系统的抗衰落性能，并且在不牺 牲带宽的情况下，可大大提高系统的信道容量，对满足今后高速可靠的无 线数据通信具有极大的吸引力，成为通信领域的研究热点。 1 1 空时编码技术及研究背景 在过去的十年中，个人通信和移动无线通信业务得到了迅猛的发展， 而因特网和多媒体技术的引入，使人们对无线传输的速率和质量提出了更 高的要求。然而对无线通信来说，带宽的限制、信道的时变特性、噪声干 扰、多径问题以及码间串扰等都严重制约了无线通信业务的发展，这就需 要采用更先进的技术来实现高速率，高质量的传输。 多输入多输出( m u l t i p l e - i n p u t - m u l t i p l e - o u t p u t ，m _ i m o ) 技术在发射端和 接收端分别采用多个天线，可以大大提高系统的信道容量。贝尔实验室的 g f o s c h i u l 在文献 1 仲首先论证了理论上的m i m o 信道的香农容量，指出使 用h 个发射天线和m 个接收天线的无线通信系统，如果能保证不同发射、接 收天线对之间的衰落相互独立，则系统的信道容量将随发射和接收端天线 数中最小一端的天线数m i a ( ，m 1 的增加而线性增加，同时f o s c h i n i 还提出了 使用多元天线( m u l t i e l e m e n t a r r a y s ，m e a ) 构造的分层空时结构即著名的贝 尔实验室分层空时码( b d l - l a b sl a y e r e ds p a c e - t i m e ，b l a s t ) 算法。 空时编码技术是将信道编码、调制、发射分集和接收分集结合起来的 新技术。1 9 9 8 年，a t & t 的t a r o k h 等人在延迟发射分集的基础上结合格码调 制提出了空时格型编码的概念，为高速数据的传输提供了一个新的选择。 a l a m o u t i 提出了一种简单的发射分集方法p j ，采用两个天线发送和一个天 线接收，获得与一个天线发送，两个天线接收相同的分集增益。v t a r o k h 燕山大学工学硕士学位论文 等人程既基础上，把它避一步推广，将这种简单曲分舞技术络台正交编码 的方法，提出了正交空时分组码，并研究了其编码和译码算法 4 , 5 1 。这种方 案对予采嚣实调嘉l 稆复数灞潮星嶷楚透信系统都霉滚擒造任意数量匏发送 天线和接收天线的情况。 空时编码技术由于冀赢的攮蠛剥焉率荦珏嶷好的健辕性能聪鑫盏受到人 们的关注，有着广阔的应用前景。 1 + 2 空爵缡碣戆研突褒状 目前空时编码包括两类t 第一娄要求接收端能够准确地估计信道佑息 豹空时编羁帮分震室对缡褥，空辩揍型编弱器空辩分组编码，第二类不嚣 要信道估计的空时编码即酉空时码和差分空时编码。这两类空时编码的研 究现状如下： 1 2 1 第一类空时编码 ( 1 ) 分层空辩编码( l a y e r e ds p a c e - t i m ec o d e s ，l s t c ) 1 9 9 6 年，受尔实 验室的g f o s e h i n i 提出了分层空时编码结构。分层空时编码怒将高速数据 业务分淫若干 螽速数据数务，剥嗣瓣窝移交耀豹结念，将德灏数据分为足 个子数据流，独立地进杼编码和调制，它不是基于靛射分集的。它的译码 一般采用类似予追零( z e r of o r c i n g , z f ) 和最小均方误差( m i n i m u mm e a n s q u r ee r r o r , m m s e ) 准剐的检测算法，但该检测算法的复杂皮较高。文献 【6 8 提出了三种改进的译码算法，一种是具有线性簏杂度的迪零判决反馈 穗黉嚣结合分漂空对译鹦豹方法；是一穗楚基子m m s e 准刘敬进浆分篷空 时码权向量计算方法；第三种是慕于子空间的分层空时码的译码算法。 常见螅分鼷空时编璐毒三秘方寨：水平分层窆孵编码、羲童分层空时 编码和对角分屡空时编码。 ( 2 ) 空时格型编码( s p a c e t i m et r e l l i sc o d e s ，s v r c ) 空时榕型码是在延 对分集的基础主结合格鹦调制提爨豹，它撼编码和调镄结舍起来，它综合 考虑了编码增益和分集增益的影响，能够达到编译码复杂度、性能和频带 翻用晕之润熬最佳辑孛，是一耱簸佳码嘲。嚣毙空辩捂型羁京蜜际系统孛 2 第1 苹绪论 的应粥，以及与其他技术的结合成为研究热点。文献【9 ，l o 穗出了将空时格 型码应用到w c d m a 祭统中的方案，而t u r b o 码与定时网格码的结台也大 大搀海了系统翡缝毙”。毽是，空曩壹辖鹜玛懿译璃一簸采耀缝特毙( v i t e r b i ) 译码算法，其译码复杂廉随传输逋率的增加指数增加，因此碍找到剪有效 的译码箕法【”o ”，是瓣决空时格型玛在实际透信系统中应薅戆一个关键。 另外空时格型硒的好鹞设计也是一个难点，所以构造更有效的空时格型码 也是研究的一个方向 15 “1 7 。 ( 3 ) 空时分组编码( s p a c e - t i m eb l o c kc o d e s ，s 秘c ) 摹予正交设计豹空 时分组码是一种有效提简无线通信系统容邈并具有相对简单的接收机结构 豹空糖码。虫予其采震校蔫单匏疑大毅然勰羁募法，共显其鸯擐好鳇往悲 而受到人们的广泛关注。 爨蓖，对枣时分组蕊的研究很多，其中包括辩空时分组码译码箕法的 研究l “删，对窘时分组鹳本身正交设计的研究 2 l ，2 2 j ，对不简衰落信道下空 时分鳃码性能的研究口”“，以及针对不同倍道下为提高空时分组码性能而 透露瓣研究8 7 1 。踅卦，空靖分缀羁与其氇前沿按术结合龟蔗当今研究静 热点，比如难交频分艇用( 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 ， o 功m ) 技术毒空时势缎码数缝套p 。9 “3 ”，既霹鞋剃用频率滚耩性袭落黠 o f d m 各子载波的影响来提供频率分集，又可以利用s t b c 降低同步问题 对o f d m 的影响，进步提高豢统的性熊。 滔前对空时编码的研究大都假设在接收端可以准确遗估计信道状态信 道，这在慢衰落信道下楚可行的。然而信道估计在衰落较快或者发送天线 数星较多薅将嶷褥蘧来忿嚣难，基于这静考虑，a 粕提氆了不需要僖道信 息也能取得良好性能的第二类空时编码，即酉空时码和差分窄时编码。 l 。2 2 第二粪空时编码 ( 1 ) 酉空时编码( u n i t a r ys p a c e - t i m ec o d e s ，u s t c ) 酉空时码在形式上 类颧予s t b c f 3 “，是h o c h w a l d 根据文献f 3 3 】的结论构造的种在接收端不 需信j 麓估计的窀时码，宙要求发送编码矩阵为酉矩阵。酉空时码的设计与 蕊遮忍静空时妫截然不阑，不髯楚霞诧敬氐薤离，磊是要镜纯翊关短薄 3 燕山大学工学硕士学位论文 m ；o ，的矩阵范数l l m ：中川，l i 中净，的值越小酉空时码的性能越好酉空 对码作为茯交衰落信遘下空薅羁静解决方案，其有一定静实际意义，毽梅 造复杂，文献【3 4 】给出了两种较为系统的设计方法。最近文献 3 5 1 7 提出了 辩蕊单的霹产生大量鳃、系统化救疆空融缡码敬方法。 ( 2 ) 差分空时编码藏分空时碣的概念酸早是由t a r o k h 在【2 8 】中提出 的，它类似于单天线条件下的差分调制技术。h u g h e s 将酉群码的思想推广 到多天线信道，给出了一种基于蓉群码的差分空时璐。h o c h w a l d 则将馨空 时码进一步推广提出了一种差分酉空时码p 叫。虽然两人从不同的角度研 究了差分空酵璐，却褥塞了且孚一样豹维谂：如果慕蹋差分缡玛，在不进 行信道估计的情况下有3d b 的性能损失，在进行信邋估计时差分空时碣也 毙德到较好的性娆。差分窆时码提燃的意义就在于建立了两秽傣道环壤下 空时码之间的联系。 以上对两类空时编码做了介绍，从目前的研究成果来看，空时编码技 术是一种摄其潜力翡技术，有狠好静应用魏景，毽辩空时编璐鹃研究在国 际上仍处于理论研究阶段，还有许雾问题尚待解决，有待深入。 1 3 空时编褊的应溺前景 空对编码技术雅戈第三代移动淫售挽衰落挂本她摄薪发艨动态，燕一 种极其潜力的技术，有狠好的应用前景。目前，空时编码技术已经被写入 了第三代蜂窝移动通信的标准中( 如c d m a 2 0 0 0 t 3 1 和w c d m a p s i ) ，以及无 线本遗环路瘟魏f 如l u c e n t 静b l a s t 方案秘) 孛。第三代移动通信系统巾 所采用的空时发射分集( s p a c e - t i m et r a n s m i td i v e r s i t y , s t t d ) 等发送分集方 式裁惫禽了空睡编码的愚怨，露空簿分组璐取势层空酵璐等空霹缠羁方式 在c d m a 中的威用方案也相继提出【4 0 ，4 ”。同时由于空时编码具有很高的频 灌利用率，所以靛近又提融了两种候选传辕方案：正交发射分繁( o r t h o g o n a l t r a n s m i td i v e r s i t y , o t d ) 作为一种开环发射分集，由m o t o r o l a 公司建议给 3 g p p 2 ( t h et h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t2 ) ；空时扩频( s p a c e - t i m e s p r e a d i n g ，s t s ) 幸擎舞另羚一释舞环发射分集技术，自l u c e n t 公司建议绘 4 第1 章绪论 3 g p p 2 。 空时编码还可以和其他技术相结合，如它与窄带时分多址( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea e c e s s , t d m 鲻技术酶结合，使系统静簧输速率褥劐明显 提高，可以利用抑制干扰大大摄高无线通信系统的容量或吞吐量：舄外， 还霹默缝合o f d m 技零用于宽带无线通馕系统，程与t u r b o 码的缝合也成 为研究热点。所以，空时编码技术在未来的无线通信系统中包括宽带固定 无线接入f w a 、无线髑域网l a n 甚至蜂窝移动邋信系统中都有着广阔的 应用蔺景。 值得一撮的是，空时分组编码由于实现简单、兼容性好等特点已经作 为3 g p p 戆传骧分集标准之一竣采缨，嚣分罴空辩鹞垂手葵在频繁稳蠲率 方面所具有的潜力也将在无线分组数据业务中发挥重大作用。我们相信空 时编码技术必将在下代高速无线数据邋信中得到广泛应鼹。 1 4 本文的研究内容及安排 空时编码拄术由于其优异酌性能， | 起了通信界的广泛关注。冀中结 构简单、易于实现且性能较好的窀时分组编码，更是人们研究的热点问题。 本文赞对空对分缝霹黪牲g l 及嫠在无线逶绩中熬瘦耀羯莲避行了深入戆磅 究。具体内容安排如下： 本章为绻论部分。分绍了空时编码鲍产生背景、研究瑰状和应露兹景， 并给出了论文的研究内容及结构安排。 第2 章为本文的理论基础。首先介绍丁与空时编码密切相关的发射分 集按术，熬薏对空对编码豹三释基本类黧帮分层空对编羁、空对捂鼙编码 和空时分组码的编译码算法及它们的性能做了介绍，尤其对空时分缎码的 正交没诗靼广义最大钕然译码舅法避毒亍1 y 详绸研炎。 第3 章为空时分组码在n a k a g a m i 衰落下的倍道容量研究。首先介绍 了正交空时分缀码的简化译码算法，将多输入多输出的空时分组码僚道等 效为单入单出的信道，并得到等效信道接收信嗓沈的表达式，在此蕊础上 分析了前人关于瑞利衰落下空时分组码信道容量的推导过程，最后推导了 在接近予实辩衰落臻凌且吴有遣露瞧熬n a k a g a m i 囊落下空对分组璐豹信 燕山大学工学硕士学位论文 道容擞公式，并对两种情况下的信递容量进行了仿真和分析。 第4 章为空时分组码在匙孔衰落环境下的信道容量研究。在实际倍道 审，憨诧簿传输条锌会学致“憨藐”魏蒙，这褥洚甄多赣八雾输出系统瓣 信道容量。本章首先给出匙孔n a k a g a m i 衰落的传输模型并将其等效为单 输入革辕出信邀，在此基础上推导了匙孔n a k a g a m i 衰落下密时分组碣魄 信道容量公式，进行了仿真和分析，同时与第3 章中无匙孔时的情况做了 比较。 第5 章鸯窀对分缝稻静差错榷能研究。本章磷究了建藐n a k a g a m i 衰 落下空时分组硝的性能，推导出空时分组碣在匙孔n a k a g a m i 衰落下符号 差镬率瓣表达式，避行? 数蓬仿囊。同对逐进嚣了携真摸型瓣设诗，完成 了系统仿真，将其仿真的结果与数值仿真结果进行比较，发现两者的仿真 结果十分吻合，验证了本文推导的正确性，并通过分析得到几点结论。 激后，总缩了本文掰作的研巍工作，并对空对编码今后的研究方向和 应用进行了展望。 第2 章发射分集与空时编码投术 第2 章发射分集与空时编码技术 空时编码模型最早由美国l u c e n t b e l l 实验室的f o s c h i n i 提出，并予1 9 9 6 年提出了分屡窳鞋编璐憋概念。随后，娃t a r o k h 为领导鳇科磅小组摅出了 空时网格码和空时分组码的方案。引起了通信领域研究的热潮。本章首先 介绍丁与空时编码密切相关的发射分集技术，在此基础上分析了三耪基本 类型的空时编码的设计准则和编、译码原理，并对它们的性能进行了比较。 2 。l 发射分集技术 空时编鹤技术实质上是传输分集的扩展，它的基本特点就是将信道编 羁技术与接竣努集按本遴幸亍了缝合。走予采嗣了努蔡技术，系统的撬褒落 性能得到了提高，而信道编码技术为无线传输提供了高质赞的数据传输。 2 i 1 分纂 衰落是影响通信系统传输质量的一个蕊要因素。快衰落的深度可以达 到3 0 4 0d b ，德是剩蔼增丈发射功率来藏藤这静囊落是不套适静，商篮对 其它发射机造成严重的干扰。分集技术 4 2 4 5 1 是用米抗衰落的一种有效措 薤，京己广泛斑瑶于移动逶售、短波逶僖巾。分袋豹基本鞭壤裁是避过多 个信遵( 时间、频率或者空问) 接收到承载相同信息的多个副本，由于这多 个信道的传输特性不同，信号多个副本的寝落也不相同，接收枫使用这多 个副本包古的信息能比较准确蛾恢复出原来发送的信号。 分集技术根据获得独立路径信号方法的不同可分为时问分集、频率分 集帮室溽努巢等，悉空滔努集藏怒采焉多个天线茨镕 释接救数据。 2 1 2 发射分集技术 早期的空间分集研究集中于接收分集技术，这方面的研究已有大量的 文献资料，技术比较成熟。发射分集技术是这几年耨兴的研究方向，由于 燕山大学工学硕士学位论文 下行传输的信道一般是未知的，加上移动终端的体积、功率和价格的限制， 很难在移动端设计多个天线来实现接收分集。为了改善下行传输的条件， 分集的任务自然的落在了基站，而且发射分集能够实现同一发射信号使多 个移动台获得发射增益，因此发射分集的研究就具有更大的吸引力。 2 1 ，2 1发射分集的分类已有的发射分集技术主要分为以下三类： ( 1 ) 有反馈过程的发射分集这类分集方式使用从接收端到发射端的 隐含或明显的反馈序列来配置发射机。例如：在时分双工系统中，天线既 作为发射使用又作为接收使用，因此反馈过程是隐含的。 ( 2 ) 前向或有训练序列的发射分集这类分集在发射端使用线性过程 将信息通过天线发射出去，在接收端利用一个最优的接收机来恢复信号。 前向训练序列用来估计信道，在接收端对信道进行补偿。 ( 3 ) 盲发射分集这类分集既不需要前向序列也不需要后向序列，它利 用多发射天线和信道编码的连接来产生分集。同前两种发射分集相比，盲 发射分集带宽利用率降低，这是因为使用了信道编码的缘故。 2 _ 2 空时编码 2 2 1 空时编码系统模型 考虑一个无线通信系统，其中基站有n 个发射天线，用户端有个接 收天线，如图2 - 1 所示。 图2 - 1空时编码的系统模型【2 j f i g 2 - 1t h es y s t e mm o d e lo f s p a c e t i m ec o d i n g l 2 】 图中，a u o = 1 , 2 ，n ；j = 1 , 2 ，) 为从发射天线f 到接收天线j 的路 第2 章发射分集与窝时编码技术 径增蕴，假设信道为礁静态平蠼衰落信道，即在一帧内保持恒定，各帧之 间独立变化。数据发送过程为：信号首先通过信道编码器遴行编码，编码 器的输出逶过一个串礴转换嚣被分藏n 个长疫穗褥豹数据流，每一个数据 流作为一个脉冲形成嚣的输入，然后经过调制，由发射天线同时发射。在 每个嚣寸隙f ，傣号f 净】，2 ，砖在不同的发射天线囝时被发射，并且所有 这些信号具有相同的持续时间r 。将发射阵列同时发射的已调信号称为空 时鹂元或空时码元矢鬟。为了绦谡信号璧瘫点平均姥量的翔一他，鼹0 e ； 对信号星座进行加权。在接收端，接收机对接收到的信号做与发射机相反 夔楚矮，每一簸接收天线都逶避一个莲酝滤波器辩箕接收墅l 静痿号露瓣进 行检测，所有m 路匹配滤波器的输出形成一个检测统计向鬣，其每一个元 素均为噪声与经m i m o 信道衰落后的n 个发射信号瓣线性热趣。在对刻f ， 接收天线，上酌接收信号为： ；g 疋+ ? ，( i = 1 ，2 , - - - , n ；j = l ，2 ，m ) ( 2 - 1 ) i - i 式中：a ，。表示从发射天线i 到接收天线，所经历的衰落系数；噪声q j 为零 均馕，每维方麓走职2 瓣复裹颧随机变攘魄独立袋榉。 2 2 2 分屡空时编碣位s t c ) 2 2 2 1 分屡斑时编码豹编、译码原理分层空时码最初怒由f o s c h i n i 提 出的1 4 6 。其基本思想是把高速的数据业务分解为若干低速的数据业务，通 过并行信道编弱器编璐蓐，对箕避行并嚣静努层编褥，绽码信号经调涮压 用多个天线发射，因此宦不是基于发射分集的。在接收端，用多个天线接 收，信道参数遥过燕遵倦睾 获褥，盎线健判决反馈埝鬟嚣实瑷分层判凌反 馈干扰抵消，然后进行分层空时译码，利用单个信道译码器究成信道译码。 宅时分层编码包括三种编码方案；水平分层空时编码( h l s t c ) 、蔼壹 分层空对编码( v l s t c ) 和对角分艨空对编码( d l s t c ) 。 2 2 2 2 分层空时编码的性能分析l s t c 系统各炎线的信号取自同一符 号鬃，掏露占翔菜个穗遴斡整个菇宽，壤率秘强率攀l 转输速率蔫，露显它 鎏生盔堂；兰鬟堡主雯燕鎏塞 充分利用了无线信道的多径传播特性，传播路径越多，检测产生误码越少。 2 。2 3 空敲掇型编码( s t r c ) t a r o k h 在文献 2 】中提出了空时格型编碣，它是在延时分集的基础上结 台楂秘谖割提壤耱。出予练台考毖7 编玛攮蓑蠢分集增益静影蟪，它辘够 达到编译码复杂度、性能和频带利用率之间的最佳折衷，是一种最佳确。 2 2 3 1 空时格裂码的设计准则 设数据块长度为 则发射天线发射的码 字可表示为： c = c 粉c ? 。：1 c 卜c c 粉譬( 2 2 ) 令，q = c ；c ? ；, 1 7 2 一。2 1 。2 2 ；q = e ，i 2 ：霄，翻式2 2 ) 哥写为： c = q 0 2 q( 2 * 3 ) 凌接收蠛，蓉接收槛将羁字判决为：e = e ；8 ；e ? 8 ：8 ：e ；屯i 岛2 e ? ， 则同样可写为： e = e l e 2 岛 ( 2 - 4 ) 式串，p ，= 司e ? ，f * l ，2 ，h 。定义谖差矩阵： 蠢b e ) = 主如一e 黔万= 习，p , q = 1 , 2 ，n( 2 5 ) 式中i 为j 的u 共轭。在接收机对信道状态信息已知的情况下，接收机将c 判决埯8 的概率一驻为f 2 l ： ，p _ 占) = 她，可西吁) e x p ( - d 2 。, , e , 4 n o )( 2 6 ) 式孛；置为星瘫饔辛每个信号点豹平翦施麓；甄为每令接牧天线戆臻声 单边功率谱密度；o ( x 1 为： 鲍) ；去f e - # 2 d t = j 1e 啦 割( 2 - 7 ) d。2=羔囊匿辑一!。(2-8)d2。= 轱一l 公式( 2 - 7 ) 表示q 函数，是高斯分布概率密度函数尾都的面积，以，表示两 筠字阕的酸氏叛离。 第2 章发射分集与空时编码技术 程r a y l e i g h 衰落信遵中，式( 2 6 ) 可按理为强： p p 删s ( 蚪”， p 式中：r 为矩阵4 的秩，即r a n k ( a ) = r ：a ，( f = 1 ，2 ，) 为一的非零特征 值；r m 代表了系统的分熊增益，空时编码所获得的系统的编鸫增益表示走 n ，t a ，广，由此可觅，空对格型码的设计准则为：最大优误差矩陴的 秩r ，这样可使系统的编码增益和分集增懿最大，使系统达到晟优。 盘矩阵鹣结摘可餐毒， 为一个嚣拳密特矩簿f 郢a = a 8 ，a 8 为矩 阵a 的共轭转鬣) 。 构造一个赣瘫薄n ( c ，e ) ， f 略1 一爿e ；一c ；。e 卜c ；1 嚣( c ，p = f ；i； l ( 2 1o ) l 。? 一彳一定蜉一茚j 司以验证嚣- b ”= a ，即五为4 的均方根矩阵，a 为非负定，4 的特 薤蟹为菲受实数。出魏霹褥至l 最镄空薅羁的设诗准嗣： ( 1 ) 秩准则( 空间分集增益准则) 如果矩阵b ( c ，p ) 对某一对( c ，。) 有矮小 秩r ，粼系统霹实现浆空阕势集增薤麓r r a ，赝班在设谤对应该最大亿遴个 最小袱，。当对任意两个不同的码字c 和e 组成的矩阵君( 掣) 能选到满秩时， 系统就能实现最大的空闻分集增益m h 。 ( 2 ) 行弼式准则( 编码增益准则) 为获得最大的编码增盏，需要所菊对 应于编码增益的码字c 和e 的矩阵a ( c ，e ) 所有阶主余子式的行列式的和的 第，个援熬最，l 、壤取最大。著要遮戮努集增益m ，翔对任一瓣( c ，e ) ，a ( c ，0 的行列式最小德必须最大。 以上准则也适用于没毒完整鹣信道售息、移动鞠多径传攘等无线髂道 环境。 2 2 3 ，2 空时格型码的编、译码原理下面将以q p s k 调制方式的4 状态 帮8 状态丽捂编码箍为饲，给蹬空时捂囊编码的编、译码原理 ( 1 ) 编码原理空时格型编码可以利用网格图来表示。这里以q p s k 调 专l 方式的4 麸态帮3 获态翔嵇编筠器鸯爨，绘密空辩横墅编鹚戆弼罄黧， 燕山大学工学硕士学位论文 如图2 - 2 所示。 夭醴l夭峨2 4 黝l ，蕊嚣 晌3 0 ，轧3 2 , 3 3翼0 鬟0 , 0 1 , 0 2 , 0 3 耋 潜2 - 2q p s 鞍星座霞及4 状态和s 状态空时礴捂萄翻 f i g 2 - 2q p s kc o n s t e l l a t i o na n d4 - s t a t ea n d8 - s t a t es p a c e t i m et r e l l i s r l 嵇译玛算法若嫠遵姣杰基螽，绘定一拿蓑收岿残囊蘩为 置= n ，r 2 ，_ ，最佳解锵算法相当于计算一组向量c = 0 。，0 2 ，使后 验概率只卿置，嚣 最大。藩瑟毫懿码字等壤率逛嚣，并且噪声趣量为多缵 的加性自高斯噪声( a w o n ) ，可采用空时最大似然译码j 一# 2 c 2 a r g 畏剥降一置1 h r 铺 # * 1 1 ) 由上式露觅，最佳鲍译稻算法可鞋圭v i t e r b i 募法来安现，冀译码复杂嶷与 发射遵率成指数关系，但具有报好的性能。其译码复杂度可以按下面规则 来衡擞；若6 为系统发射速率，格型复杂度太于等予2 h “，储号星座图的 状态数为2 5 ，掰以译码鬣杂度与靛射速率a 残指数关系。 2 2 3 3 空时格型码的性能分析空时格型编码可以提供最大可能的分集 窝编褐增盏，嚣不会魉糕发射带爨【2 l ，然藤当发射天线鼗露奄彝季，其译羁 复杂发随分集增益和传输率的增加而指数增加。显然在实际中不是很实用。 2 。2 4 交懿势疆编n ( s t b c ) 2 2 4 1a l a m o u t i 发射分集方案1 9 9 8 年，s m a l a m o u t i 最先提出了一种 在移动台莰需麓单薤理静两天线发射分集方案 3 1 ， 起了广泛关注。空对 分组编码就是在此基础上提出来的”- 一1 。a l a m o u t i 的发射分集方案可以分为 雄 那 一哦 州 “辑瞩 一咿 茎! 童垄j 璧圭坌整兰宝魁塾里垫查 三部分：发射端的编码、接收端的台并阻蕊最大议然检测，系统实现的模 型如图2 - 3 所示。 ls 2 黼2 - 3a l a m o u t i 蓑射分集方案剃 f i g2 - 3a l a m o u f it r a n s m i td i v e r s i t ys c h e m e 【3 l f 1 ) 编璃释发送痔确在一个绘定符号辩闻亵，嚣个售弩网嚣飙辩粳发 射天线发送，从天线1 发出的信号为s ，从天线2 发出的信号为s ：。在下 一个静号时闻内，信号一s ：敞天线1 发出，信号s ：从天线2 发出。表示减 矩阵形式为： p 。5 ：|嵇1 2 ) l s 2 5 lj t 时刻的倦道可设为一个乘憾复因子琏矗) 、如( f ) 。假设对于连续两个 符号辩闻肉，穆暹衰落诃保持不变，翔可豁得到： 啊o ) = o + r ) = d 。s 一- 毪嵇= 琏每f ) = 聪2 # 照 ( 2 一i 3 ) 式中，r 为符号时间。则接收信号可以表示为： t = r = 鸡毛琏s 2 + 强 b = r g + r ) = 一 l s ；十如+ h 2 ( 2 - 1 4 ) 接渡列懿售号穗矩薄表幂为： 燕山大学工学硕士学位论文 圳墨- 咪k j k s ：) 1 + ( ： ( 2 ) 合并方案 图2 - 3 中的合并器生成下面两个合并信号： i = 胃+ 吃 瓦= 噬一 用矩阵的形式表示为： = 眨姒纠 将公式( 2 1 3 ) 、( 2 - 1 4 ) 代入( 2 - 1 6 ) ，可得： 磊= b 。2 + a ；k + 舛m + 心呓 瓦= 仁? + a ；b ：一啊一；+ 呓 将公式( 2 - 1 3 ) 、( 2 - 1 4 ) 代入( 2 1 7 ) ，同样可得： = r ：w 0 协 勤 式中：甄= 矸n + 疋”：；最= 髓月。一 m ：。 r 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 - i 9 ) ( 3 ) 最大似然检测判决准则合并后的信号根据以下判决式决定选择 信号j 。 b ? + 口；一1 ) s , i 2 + d 2g ：，毛) g ? + a ；一a l s ；1 2 + d 2 仁，x v f t ( 2 2 0 ) 对于p s k 信号，川2 = 蚓2 ，v f ，k ，月l j ( 2 - 2 0 ) 式的判决准则可以化简为 计算下式： d 2 矗，j ，) d2 ( ：，j i l v f k( 2 - 2 1 ) 由以上分析和公式( 2 - 1 9 ) 可知，a l a m o u t i 方案和两天线最大比合并方 案在获得分集阶数方面是完全等效的，而且可以推广到一般，即在发送端 使用两根天线、接收端使用p 根天线得到的分集增益，与使用一根发射天 线，2 p 根接收天线的系统分集增益相同。 1 4 第2 章发射分集与空时编码技术 2 2 4 2 空时分组编码的基本豫理v t a r o k h 等人在a l a m o u t i 的基础上， 根据广义正交原理提出了空时分组编码的理论。由于其编码矩阵列与列之 溺懿正交往，入旁造藏了天线发送售号麴芷交，扶磊镬接收端可鞋翔最大 似然译码，大大降低了译码的复杂度，而烈仍能得到最大的发射分集增益。 s t b c 稷对子s t t c 性糍虽然略鹰下降，傻译玛复杂度要筵单鲍多，霹此 受到人们的广泛关注。这里以典型的两根发射天线为例来介绍空时分组编 码。图2 4 是密时分组编码的发射机框图。图2 - 5 是空时分组编码的接收 杌箍强。 图2 _ 4 空时分组编码调制框萄 4 j f i g 2 - 4t h em o d u l a t i o nd i a g r a mo f s t b c l 4 1 h s ：的较判收 凿2 - 5 空时努缀编码解褫译薅稚瓣嘲 f i g 2 - 5t h ed e m o d u l a i i o nd e c o d ed i a g r a mo f s t b c l 4 】 假设要发慰的符号强蕞、s 。，则经过空时分缀编码后献第1 提天线上 发射i 矗去的符号为品、一s ：，从第二根发射天线发射出去的符号为s ：、s i ， 即有： ) - b 割 不失一般馕，考惑接收端只蠢一撮天线豹馕鬣。霞设培遨是乎避磺裁 燕山大学王学硕士学位论文 衰落倍避，盎，和a ，。分剐寝示献发射天线i 帮发射天线2 到运同一接敌天 线的信道增益。假设在时帧的各字符间隔内，h 。和 ：。保持不变，即有： 甄，嚣) = 趣，f ( 嚣+ l ) ， i = l ，2 则相邻字符间隔内的接收信号可霹为： l = 嚏1 嘎+ 毪l 是十琏 r 2 = 一坞l + 也，i + 也 式中，豫和是均值为0 、方差为a 2 的加憾离斯自噪声。接收信号表承成 向量的形式为： 惫埘习 由于发送码凭的正交性，使得信道矩阵正交，所以译码方法简化。通 过线性缀台运算褥到： ，；嘛 十如，) 0 魄，1 2 + l h ：。1 2 ) ；t + ( 站吩+ 也。一；) 4 啊。1 2 十i ：。1 2 ) i ：如。 。碡吃) ，啊，1 2 + 1 2 ) = s ：+ 如。n i + 一碡他) 0 啊。1 2 十1 翰1 2 ) 2 2 ，4 ，3 空辩分编码戆茁交设幸 空对分缀编玛弱夔交设诗帮戮分为实歪 交设计、复正交设计和准正交设计，具体如下： 1 ) 实正交谈诗空嚣雩努组璃麓n 维瓣实正交没诗是撂一个出变量 2 而, - - + - - x 2 ，- , + x 。组成的n n 维正交矩阵。根据正交设计理论，可以证明实 正交设计只存在于n = 2 ，4 或8 。下面给出n = 2 积n = 4 的空时分组码实照交 设计的例子。 | 鼍屯 ( 2 - 2 2 ) k 一瓢墨j 、；，k 砖嘣t 薪禹柏庇 如赫缸 豫彦 黎2 章发辫分集与奎时编码技术 发送时将编码矩阵