（通信与信息系统专业论文）分层空时编码技术研究及其在移动通信系统中的应用.pdf

摘要 空时处理技术能很好地结合时问处理技术和空间处理技术的特点，这是近年 柬信号处理领域关注的热点。由于空时处理的优势移动通信系统f 在采用它来 抵消系统干扰、改善处理增益、增加小区覆盖范围、减少发射功率、提高系统容 量。本论文研究空时处理技术在移动通信系统应用中的空时编码技术。空时编码 键指? j 用多天线分集发射时的信号设计技术，它可以获得最大化的传输卞时分集 增益。 本文首先介绍了空时编码技术产生的背景和现状以及目前吲际门一些研 究成果；然后介绍了空时信道、空时信号模型的建立；在此基础j ：，j i 体讨论了 分j 。； 。时鸽的编译码方案，提出了一种性能较好的最小均方误z 二拎测蜉沾，并刈 坤、f 1 ：的泽码方案进行了性能仿真和比较；然后研究了分层，跚r 5 九靴i 代移 z 山蛆信系统中的解决方案，提出了分层空时码在话音业务中的解决方案：最后提 出了目j 存在的问题，以及今后工作的方向。 一 ol7| 关键词：空时信道空时信号空时处理发射分集空时鳙鸫频谱利用率 分层空时码最小均方误差第三代移动通信系统 a b s t r a c t s p a c e t i m ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，w h i c hh a ss t r o n gp o i n t so f b o t ht i m ep r o c e s s i n g a n d s p a c ep r o c e s s i n g ，i s c o n s i d e r e da so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf i e l do fs i g n a l p r o c e s s i n g n o w a d a y s ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o n sa r er a p i d l yg r o w i n ga r o u n dt h ew o r l d a n dan u m b e ro ft e c h n i q u e sa r ee m p l o y e df o rc a n c e l i n gi n t e r f e r e n c e ，i m p r o v i n gg a i n ， e x t e n d i n gc o v e r a g e ，d e c r e a s i n g t r a n s m i t p o w e ra n di n c r e a s i n gc a p a c i t y i nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a m o n gt h e s et e c h n i q u e st h em o s t e x c i t i n ga n dp o t e n t i a l l yo n e i st h eu s eo fs p a c e - t i m e p r o c e s s i n g t h i s t h e s i s i n v e s t i g a t e s s o m e p r o b l e m s o f s p a c e - t i m ep r o c e s s i n g t h a t a p p l i e s t om o b i l ec o m m u n i c a t i o n sw i t h e m p h a s i s o n s p a c e t i n l ec o d et e c h n i q u e s s p a c e t i m ec o d ei s a s i g n a ld e s i g nt e c h n i q u ef o rt r a n s m i t d i xe r s i t yw i t ha n t e n n aa r r a y s ，a n dm a x i m i z e st h et r a n s m i td i v e r s i t yg a i n f i r s t l y , t h i st h e s i ss u m m a r i z e st h eb a c k g r o u n da n dc u r r e n ts t u d i e so fs p a c e t i m e c o d e i n t r o d u c e ss o m er e s e a r c hr e s u l t sa tp r e s e n td i s c u s s e di ni n t e r n a t i o n a lf i e l d s s e c o n d l y ，h o wt o b u i l dm o b i l ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e la n ds p a c e - t i m e s i g n a l m o d e la r eg i v e n t h i r d l y , w ed i s c u s st h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n gm e t h o do fl a y e r e ds p a c e t i m ec o d e i nd e t a i l ，p r o v i d em m s ed e t e c t i o nm e t h o da n dc o m p a r et h r e ed e c o d i n gm e t h o d sb a s i n g o nt h e i rp e r f o r m a n c es i m u l a t i o nr e s u l t s t h i r d l y , w er e s e a r c ht h e s e t t l es c h e m eo f l a y e r e ds p a c e - t i m ec o d ei n3 g p p p r o v i d e i t sa p p l i c a t i o ni nv o i c es e r v i c e l a s t l y w ep r o v i d e s o r t i eq u e s t i o n sn e e dr e s o l v e da n dt h ed i r e c t i o no ff u t u r ew o r k k e y w o r d s ：s p a c e - t i m ec h a n n e l 、s p a c e - t i m es i g n a l 、s p a c e - t i m ep r o c e s s i n g 、t r a n s m i t d i v e r s i t y 、s p a c e t i m ec o d e 、s p e c t r a le f f i c i e n c y 、l a y e r e ds p a c e t i m e c o d e 、 m m s e 、3 g p p 第一章绪论 第一章绪论 本章第一节回顾了移动通信的发展历程，第二节介绍了移动通信中的一些关 键技术，第三节给出了本文的内容安排 现代社会已经步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输，即通信，起 着支撑其他技术的作用。由于人类社会生活对通信的需求越来越高，世界各国都 在致力于现代通信技术的丌发以及现代综合通信网的建设。 移动通信是现代通信技术中不可缺少的部分，通信的一方或双方在移动中实 脱通信，其中包括：移动台与移动台之间通信、移动台与固定台之f h j 通信、移动 台通过基站与移动台或固定台通信。移动台和基站之间是无线电通信链路。一个 典型的移动通信系统如图( 1 1 ) 所示【2 i ： h i 剑、 蛔 。 l 划 i ! l ( i i ) 典型移动通信系统组成 现代移动通信技术是- - 1 7 复杂的高新技术，不但集中了无线通信和有线通信 的最新技术成就，而且集中了网络技术和计算机技术的许多成果。个人通信是未 来移动通信的目标，主要目的是实现任何人在任何时间和任何地点与任何个人进 行的任何种类的信息交换引。 1 1 移动通信系统的发展 现代无线通信起源于1 9 世纪h e r t z 的电磁波辐射实验，从此，人们认t 到电 磁波和电磁能量是可以控制发射的。其后基于m a x w e l l 的电磁波方程组理论， m a r c o n i 完成了跨大西洋无线电通信从而证实了电波携带信息的能力。 但是，真f 的移动通信技术的发展应从2 0 世纪2 0 年代开始，其代表是工作 于2 m h z 的美国底特律警察局使用的专用移动通信( 车载) 系统。2 0 世纪3 0 年代 2 分层空时编码技术研究及其在移动通信系统中的应用 初，移动发射机出现。第二次世界大战也极大地促进了移动通信的发展，各国武 装部队都采用了大量的无线电通信系统。第二次世界大战结束后开始了建立公众 移动通信系统的阶段。到目前为止，移动通信经历了第一代模拟移动通信系统、 第二代数字移动通信系统，正在向第三代移动通信系统发展。 第一代移动通信系统是模拟系统，其典型代表有： 美国的a m p s 英固的t a c s 北欧的n m t 4 5 0 9 0 0 德国的c 4 5 0 9 0 0 闩本的n a m t s 第一代移动通信系统存在的主要问题是：各系统闻没有公共接口；频谱利用 率骶：无法t j 固定网向数字化推进的进程相适应。 由于第代模拟移动通信系统存在的缺陷和市场对移动通信容量的巨大需 求，8 0 年代初期，欧洲电信管理部门成立了一个被称为g s m ( 移动特别小组) 的 专题小组研究和发展泛欧各国统一的数字移动通信系统技术规范，即第二代数字 移动通信系统。g s m 于1 9 8 8 年确定了采用以t d m a 为多址技术的主要建议与实 施计划，班已成为世界上最大的移动通信网。 第二代移动通信系统存在的主要问题是：没有统一的国际标准；频谱利用率 较低：不能满足移动通信容量的巨大要求：不能提供高速数据业务：不能有效地 支持i n t e r n e t 业务。 1 9 9 2 年，美国q u a l c o m m 公司首次提出了c d m a 技术，成为第三代无线个人 通信系统的空中接口方案。第三代移动通信系统( 简称3 g p p ) 是使用2 0 0 0 m h z 3 - 右频段、提供业务速率高达2 0 0 0 k b p s 、计划在2 0 0 0 年左右试运行的全球移动通信 系统【4 j ，与第二代系统相比应有如下特点吼 系统的国际性，提供全球无缝覆盖和漫游，世界范围设计的高度一致性； 业务的多样性，提供话音、数据和多媒体业务，车载通信速率为1 4 4 k b p s ， 步行通信速率为3 8 4 k b p s ，室内通信速率为2 m b p s ； 高质量的业务，满足通信质量能达到与固定网相比拟的高质量业务要求： 高度的灵活性，按需分配带宽，支持大范围、可变速率的信息传送： 频谱利用率高，通信容量大： 袖珍、多频、多模、通用移动终端； 第一章绪论 3 满足通信个人化的要求； 系统初始配置能充分利用第二代系统设备和设施，随后实现平滑升级： 低费用，包括设备和服务两方面。 目前世界上的各大电信公司都在加紧开发相应标准的系统设备，以期占领 巨大的移动通信市场，我国也将第三代移动通信设备的产业化列为国家十五重点 发展计划。 1 2 移动通信关键技术 1 2 1 多址技术 存移动通信环境的电波覆盖区域内，如何在用户之问分享公共传输媒质，即 硼牢、时间、空日j 和码形，是多址技术要解决的问题。根据对不同资源的利用情 况产生了四种基本多址技术n 如图( 1 2 ) 所示： 频率 频率 ( a ) f d m a 时问 频率 时间 编码 ( b ) t d m a( c ) c d m a 幽( 1 2 ) 不同的多址技术 时f e l j 频分多址( f d m a ) ：给定频谱按一定要求分成若干部分，每个用户通信 时占用其中之一。所有第一代系统都采用f d m a 。 时分多址( t d m a ) ：将连续时间段分为若干段，叫做时隙，每个用户通 信时占用个周期内所有分配频谱的部分时间。第二代系统中的g s m 、 i s 5 4 1 3 6 、j d c 和美国第三代系统中的u w c 1 3 6 采用t d m a 码分多址( c d m a ) ：每个用户在通信时占用所有频谱和所有时| 日j ，但不 同用户具有不同的正交码形。第二代系统中的i s 9 5 和第三代系统中的 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 采用c d m a 。 空分多址( s d m a ) ：每个用户在通信时，可以占用所有频谱、所有或部 分时间、所有或部分码形，但只占用特定空间( 方向) 。空分多址技术的 !分层空时编码技术研究及其在移动通信系统中的应用 应用还不成熟，有待于深入研究与实验。 1 2 2 信号处理技术 移动通信中的信号处理技术主要包括调制解调技术、信道估计技术、信号检 测技术、信道编译码技术、信道均衡技术、分集技术、智能天线技术和空时处理 技术等。 调制解调技术 在移动通信系统中，调制包括数据调制、扩频调制和载波( 射频) 调制【7 1 。数 掘调制的目的是将码元映射到调制符号上。扩频调制是专用于c d m a 移动通信系 统的扩频技术，它利用扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。载波调制 就是通常意义的调制技术。 信道估计技术 信道估h 技术是对移动通信信道的冲击响应( 抽头系数) 和信号的参数进行 估计，以供接收机解调或检测使用。信道一般被看作一个线性或非线性系统，用 f i r 、 i r 滤波器描述这个系统这样对滤波器的冲击响应估计可以完全得到信道 的特性。一般需估计的信号参数主要有信号相位、信号幅度、信号到达迟延、信 号到达方向。估计的方法分为非盲估计技术和盲估计技术。非盲估计技术利用训 练序列或导频序列进行估计，包括线性估计技术( 线性估计、最小均方误筹 ( m m s e ) 估计) 和非线性估计技术( 决策反馈( d f ) 估计、最大似然序列( m l s ) 估计) 。盲估计技术一般基于信道或信号的某种结构进行估计，包括时间结构( 如 常模( c m ) 、有限字符( f a ) 、循环平稳) 、空问结构( 如方向流形矢量、窄问分 布) 、空时结构等。 信号舱测技术 信号检测技术是接收端对噪声与干扰环境中的有用信号进行提取或区分的技 术。c d m a 移动通信系统中的信号检测包括单用户检测( s u d ) 和多用户检测 ( m u d ) 。由于移动通信系统是一个多用户系统，仅利用单个用户信息不能实现最 佳检测，因而不能有效地抗多用户于扰和远近效应。在第三代移动通信系统主流 标准中都采用多用户检测技术【5 】，它将各用户间的互相关性作为参量考虑进来，充 分利用整个系统的信息，性能较单用户检测好，特别是能有效地抗多用户干扰和 远近效应。 信道编译码与交织技术 信道编译码技术利用信息冗余来降低数字移动通信系统的误码率，从而提高 了传输的可靠性i sj 。交织技术本质上是一种时i l 日j 分集技术。为对付长的突发错误影 第一章绪论 晌，信道编码技术般与交织技术相结合，交织的深度应大于信道相干时间。现 在，信道编码技术与交织技术已成为移动通信系统不可缺少的抗干扰措施，第二 代移动通信系统都采用卷积编码与v i t e r b i 译码技术，码率为圭或 ，约束长度为5 zj 或9 。第三代移动通信系统中继续采用卷积编码与v i t e r b i 译码技术，但码率要求 与约束长度要求均提高，对于服务质量要求较高的高速数据业务用性能接近 s h a n n o n 限的t u r b o 码技术。另外奇偶校验( c r c ) 也是移动通信系统常采用的 种信道编码技术，主要用于保护重要的信息位和物理层测试。 信道均衡技术 信道均衡主要通过接收端的均衡器产生与信道相反的特性，用柬抵消信道的 时变多径传播引起的码日j 串扰( i s i ) ，即通过均衡器消除信道的频率和时间选择特 。盹p 。出于要求均衡器特性能够适应信道特性的变化，因此一般称信遁均横为自适 应均衡。自适应均横适合于信号不可分离多径的条件下，迟延扩展远大予符号持 续时问的情况。自适应均横技术一般分为频域均横和时域均衡。时域均横技术主 要有基于训练序列的自适应均衡、判决反馈自适应均衡、盲自适应均衡j 种实现 方案。第代模拟移动通信系统采用频域均衡技术，第二代以t d m a 为多址技术 的数字移动通信系统中采用基于训练序列的自适应时域均衡、判决反馈自适应均 衡技术。但是，由于d s c d m a 系统中i s i 的影响很小，所以，在以c d m a 为多 址技术的第三代移动通信系统中没有采用自适应均衡技术。 分集技术 分集技术是一种重要的抗衰落与干扰的技术，它利用多条信号路径能够传输 相同信息，且具有近似相等的平均信号强度和相互独立衰落特性的特点，在接收 端对信号进行适当的合并，以便太大降低多径衰落的影响，从而改善传输的可靠 性【i l 。分集技术包括分集发射和分集接收。分集发射技术主要有延迟分集发射、证 交分集发射、时间交换的分集发射和空时编码技术等。其中，正交分集发射与时 问交换的分集发射在第三代移动通信系统标准中被采用【9 l 。分集发射不仅能抗衰 落，也能利用多天线发射特点极大地提高传输速率或容量。分集接收技术按分集 的目的有宏分集和微分集。宏分集用于抗慢衰落，微分集用于抗快衰落。根据分 集方式的不同，可分为空间分集( 含角度分集、极化分集) 、频率分集、时间分集 ( 含多径分集) ，在下一章中，我们将进一步比较这几种分集方式。 智能天线技术 智能天线( s a ) 是一种抗多径衰落和多用户干扰的、成倍增加系统容量的新 技术。它利用各个移动用户的空问特性差异，将同频率或同时隙或同码道的信号 l ：= 分丌，从而提高系统容量【i 。 !分层空时编码技术研究及其在移动通信系统中的应用 空时处理技术 现在的移动通信系统主要用时间域信号处理技术智能天线与阵列信号处理 是空间域信号处理技术。时间域处理技术不能有效的消除同道干扰( c c i ) ，而空 间域处理技术一般都要求窄带假设( 即信号经过阵列长度所需的时间应远小于信 号相干时间) 和同时激活的用户数不超过阵元数。于是，人们考虑将空间域处理 和时问域处理结合起柬，由此产生了空时处理技术i “1 。利用这一技术能很好地结 合时f b j 处理和空间处理各自的特点，改善阵列增益和分集增益，有效地消除干扰 和抗多径衰落从而提高系统容量，是近年来通信领域与信号处理领域共同关注 的热点。空时处理技术与前面提到的信号处理技术结合，形成空时处理技术的主 要研究方向，即宅时估计、空时检测、空时编码、空时均衡、空时分集、空时波 束成型等。 1 3 内容安排 本文主要讨论了分层空时编码技术及其在移动通信系统中的应用，内容安排 如下： 第二：章 ：要介绍了空时编码技术产生的背景，以及国际上关于该技术的一些 研究成果和存在的问题。 第三章主要介绍了空时信道模型的建立以及空时信号的产生。 第四章重点介绍了分层空时码的编译码方法，通过对原有检测算法的分析， 提出了一种基于最小均方误差原则的改进的检测算法，并与现有的算法进行了比 较。另外还分析比较了两种不同分层方式的空时码的性能。 第血章重点讨论了分层空时码在3 g p p 中的应用，提出了其在话音业务中的解 决方案，并介绍了其在数据分组业务中的解决方案。 第六章概括性地总结了全文的主要结论，并指出了需要进一步研究的问题和 需要做的工作。 第二章空时编码技术 第二章空时编码技术 7 本章主要介绍国际上关于空时编码的一些研究成果以及存在的问题。第一节 介绍空时码产生的背景，第二节介绍网格空时码，第三节介绍分组空时码，第四 节介绍级连空时码，而分层空时码作为本文的重点，将在第四章中讨论。 2 1 背景 在无线移动通信中，信道特性十分复杂。载有信息的信号电磁波在无线信道 传输过程中要经过反射、折射、散射、阴影效应、多普勒效应、多径效应等作用， 从而产生多种衰落现象，严重影响了移动通信的性能。同时，由于近年来移动用 户的增多，以及人们对移动通信业务的追求已从单纯的语音业务扩展到多媒体业 务，频谱资源就显得r 趋紧张。因此，在多径衰落、有限的发射功率和有限的带 宽等诸多因素的限制下，追求尽可能高的频谱利用率在今后若干年内将是一个充 满挑战的问题。这种挑战使得人们努力丌发高效的编码、调制以及信号处理技术 束提高无线频谱的效率。 j ：一章提到，分集是一种很好的抗衰落技术，主要有以下几种方式：时问分 集、频率分集、空间分集。 携带信息的符号在不同的时隙内重复发送，此时相邻的两时隙间距大于信道 的相关时间，或者采用纠错编码加交织，这样，信号将在时间域内引入冗余度， 实现时间分集【2j 。当信号以多载波方式发送时，相邻两载波间距大于信道相关带宽 a ，或以扩频方式发送时，信息将在频率域引入冗余度，此时可以实现频率分 集【2 】。这两种分集方法都是以牺牲频率利用率为代价来提高系统性能的。 使用多个发射天线和戚多个接收天线可以在不降低频率利用率条件下实现天 线分集【”。在发射端和或接收端安置多个天线，天线之间相隔足够远( 实际上在 基站天线相隔1 0 倍载波波长、在移动台天线相隔 倍载波波长即可口】) ，此时各天 2 线可以认为互不相关，从而在发射端与接收端之间构筑多条相互独立分卉j 的通道， 实现空间分集( 天线分集) 。 可以看出，在实现空间分集时信号既没有在时间域内引入冗余，又没有在 频率域内引入冗余，因此空自j 分集没有降低频带利用率，这对高速传输特别有利。 实际上，在多天线传输模式下，信号虽然在时间域和频率域上都没有引入冗余度， !分层空时编码技术研究及其在移动通信系统中的应用 但是信号被赋予了一定的空间结构，在空间域上引入了冗余因此提高了传输性 能。 空间分集又可分为接收分集和发射分集。如上所述，基站天线需要相隔1 0 倍 载波波长、移动台天线需要相隔i 倍载波波长以上才可以认为各天线互相独立，当 z 载频为9 0 0 m h ：和1 8 g h z 时，这两个距离分别为3 3 3 m 、o 1 6 7 m 和1 6 6 7 m 、o 0 8 3 m 1 4 1 。 随着微电子技术的发展，手机的重量越来越轻体积也越来越小。然而。在小小 的手机上，安装多个接收天线既不方便又昂贵。因此，基于多发射天线的发射分 集成为一种流行的分集方法，吸引了越来越多的注意。二十世纪七十年代， w i n t m e b e n 提出了一种既能达到较大的分集增益，又不会降低频带利用率的分集方 式一调制分集p j ，发射分集进入了一个新的发展阶段。 根据多天线瑞利信道的信道容量理谢”，在平坦瑞利衰落信道下有如下多天线 信道容量( 利用率) 公式： c = 门l o g ! fm s n r1 ( b s h z ) ( 2 1 ) 行 其中，”是发送天线数，一，是接收天线数，s n r 是信噪比。 如果在发射端和接收端同时使用多天线，那么这种多输入多输出( m 1 m o ) 系 统的内在信道并行性必然在提高整个系统容量的同时提高系统性能。如果接收端 可以准确地估计信道信息并保证不同发射、接收天线对之间的衰落相互独立， 由( 2 1 ) 式可知川，对于一个拥有”个发射天线和m 个接收天线的系统，能达到的信 道容量随着”的增加而线r 陛增加。也就是说，在其他条件都相同的前提下，多天线 系统的容量是单天线系统的”倍。于是，1 9 9 6 年g ，f o s c h i n i 在此基础上提出了 在无线通信中使用多元天线( m e a ) 构造的分层空时结构【8 1 ，后来v a h i d t a r o k h 在 此启发下，首先提出空时码( s p a c e t i m e c o d e s ，简称s t c ) 的概念，它综合丁空 | 日j 分集和时间分集的优点，同时提供分集增益和编码增益，能够获得远远高于传 统单天线系统的频带利用率。因此这一重大突破很快得到了人们的认同。 目前对空时编码的研究主要向两方面发展。一个是b e l l 实验室的b l a s t 系统 1 9 ，他们于1 9 9 6 年就提出了空时编码的框架，并于1 9 9 8 年研制出分层空时编码实 验室系统b l a s t ( b e l l l a y e r e ds p a c e t i m ec o d e ) ，该系统主要利用无线信道的多 径传播特性来达到提高传输速率的目的：另一个是l u c e n t 实验室在延时分集i 加1 的 基础上提出的网格空时码( s t c m ) 【引，浚系统主要利用多天线阵技术和信道编码 第二章空时编码技术 9 技术来提高系统的抗衰落性能，从而可以在低信噪比条件下利用多进制传输，以 达到提高传输速率的目的。在s t c m 的基础上，又出现了各种空时码方案，其中 包括与r s 码级联的级联空时码【、基于多层编码调制的空时码、分组空时码以及 与阵列处理结合的空时码【1 1 方案等。 2 2 网格空时码 多进制调制方式可以提高系统的传输速率但采用多进制以后，信号之间的 蒡别减小，要达到相同的误码率，多进制方式所需的信噪比要比二进制高。所以 f l _ f 丁订：信道衰减小时，j 可以考虑用更高频谱效率的调制方式以提高平均数据速 率：网格空时码( s t c m ) 就是利用了发射分集与信道编码的结合束提高系统的抗 衰落性能，从而可以利用多进制调制方式提高系统的传输速率。 s t c m 是在延时分集和多进制网格码调制( m t c m ) 的基础上提出的。 延时分集的方案是由s e s h a d r i 和w i n t e r s 提出来的2 i ，其结构如图( 21 ) ： 幽( 2 1 ) 延时分集方案 它是调制分集的一个特例。受延时分集的启发，t a r o k h 从信道编码的角度重新考 查了延时分集，认为如果选择合适的信道编码方案，不仅可以得到较高的分集增 益和编码增益而且不会降低系统的频带利用率。后来，他又发现m t c m 在衰落 信道中有良好的分集潜力。于是，他把两方面结合起来，采用延时分集的思想， 重新制定m t c m 的映射规则以适应多天线传播，从而产生了s t c m i 。 2 2 1 编码方案 s t c m 的结构如图( 2 2 ) 所示： 设计一个好的s t c m 码的关键是如何决定状态转移图。t a r o k h 按照误码率最 小的原则假设接收端能够准确估计信道特性，在准平稳( 即信道特性在一帧内 是稳定的，而从一帧到另一帧随机变化) 平坦瑞利慢衰落条件下推出了s t c m 的 设计准则。同时他证明了即使存在估计误差时s t c m 码依然有效，而且还证明 l o 分层空时编码技术研究及其在移动通信系统中的应用 了上述设计准则对存在多径传播的各种平坦衰落信道( 包括多径平坦慢衰落、平 坦快衰落和多径平坦快衰落) 依然适用。 图( 2 2 ) s t c m 编码方案 设计准则： 设系统柯”个发射天线，m 个接收天线，则在空鲥中有n m 个子信道，认为这g m 个信道是相口独立的。c 是发射信号矢量，是接收信号矢量，d ，是第i 个发射天 线到第j 个接收天线的信道衰落因子，是一帧的长度。 设天线的发射信号为： c = q i c 。ir c ? c ；r ? c h c j ( 2 - 2 ) 其中，r i o = i _ 2 i = 1 2 ，t ) 表示第k 个时隙、第f 条天线发射的信号。 接收端判定为 ( 2 - 3 ) 其中，e j o = 1 ! 一n ；k = l ，2 ，1 ) 表示接收端判定为第个时隙、第i 条天线发射的信 可得信号矩阵为： 8 ( c ，p ) e l c 1 ， p i c i 。2 一q e ；一c ； a ( c ，p ) = b ( c ，e ) b ( c ，e ) 其中，b ( c ，p ) 是b ( c ，e ) 的厄米特矩阵。 s t c m 码的性能与( 2 4 ) 式、( 2 - 5 ) 式所示的两个矩阵关系密切。 成对错误概率公式为： ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) p g 一+ e k ，j _ 1 2 。嗡- ，：1 ，2 ，棚) r i e x p ( - f 2 ，一- ，e 如：巨，4 “) ( 2 - 6 ) ，= i 第二章空时编码技术 化简得： 加啦卉( n 。x p ( 一章) ) ( 2 ，) p t 斗e ) 兀( 兀一e 一 ) ) ( 2 7 ) j 。1 ，_ 1 1 + 生一 1 + 尘一且 4 n o 4 o 。 其中， ，是a ( c ，p ) 的特征值，k 。，是路径衰落因子口。的均值。 在瑞利衰落信道下，k ，= 0 ，成对错误概率公式变为： 1 1 尸( 【斗p ) i 可一 f 丌0 + ，e a 4 n 。) “n r ( 列4 。) r 【2 - 8 ) r r i 其中， ， ! ，是a 的所有，xr 阶主子式的和，矩阵爿( c ，e ) 的秩与b ( c ，p ) 的秩相等。 秩准则【1 3 1 若要达到最大的分集增益m ，集合 ( 日( a p ) lc e c ) 中的每一个b ( c ，e ) 必颂 是满秩的，若最小秩为，则分集增益最大可达r m 。 行歹u 式准贝0 1 1 3 】 若系统的分集为r m ，计算集合扭( c ，e ) lc ，e c 中每个a ( c ，p ) = b ( c ，e ) b ( c ，p ) 的所有。，阶的主代数余子式的行列式的和的，次跟得到集合如。_ ：_ ，) 1 的最 小值决定编码增益，r 是( c ，e ) = b ( c ，e ) b ( c ，e ) 的秩， ，i = l ，2 ，- ，j 是a ( c c ) 的特征 值。鼽 ： ，) 的最小值决定系统的编码增益，所以要尽量使这个最小值达到 最大。 按照这两个准则就可以构造s t c m 的状态转移图。 假设一：2 ，m ：1 ，只要设计的状态转移图满足下面两个条件，就可以满足对 秩的要求： 1 、从同一状态出发的分支标号的第二个符号不同； 2 、进入同一状念的分支标号的第一个符号不同。 按照上述两个原则可以设计出不同状态转移图，对每种转移图计算其行列 式的值，从中选择一个最小行列式值最大的方案，就可得到最佳s t c m 的编码方 案。 堡分层空时编码技术研究及其在移动通信系统中的应用 当编码器的状态数比较多时，真正按照秩准则和行列式准则设计网格图是比 较困难的。因此，寻找比较简单的设计s t c m 的状态转移圈的方法是一个比较有 趣的研究方向。 另外，当信号星座图一定时s t c m 的频带利用率只与所采取的调制阶数有关， 而不能随着天线个数的增多而进一步提高这是限制s t c m 应用的一个最重要因 素。因此，如何能提高s t c m 的频带利用率和传输速率是一个非常重要的研究课 颢。 2 2 2 译码方案 对s t c m 的译码是在网格图上利用向量v i t e r b i 译码进行的。 假设接收端已准确知道路径衰落因子a l t - i = 】2 , - - - , 塌j = 】，2 ，是接收天线 ，在，时刻收到的信号，则对应于状态转移标号为g j 9 7 g ? 的路径度量由下式给出： f” 2 - 一口。g ? ( 2 9 ) j = i = l 利用v i t e r b i 算法就可以找出最小路径。 s t c m 的抗衰落性能比较好：当采用两个发射天线、一个接收天线时，若帧 错误概率为o 1 ，为达到2 b i t s 肥的频带利用率，采用6 4 状态的4 p s k 所需信噪比 为6 2 d b ，理论值是4 5 d b 左右，二者相差仅为1 7 d b 。 2 3 分组空时码 4 l a m o u t i 州曾经提出了一种利用两个发射天线的传输分集方案，虽然该方案的 性能比s t c m 略有下降但编码复杂度要比s t c m 小的多。t a r o k h 受a l a m o u t i 的 启发利用f 交设计的原理寻找类似的采用多个发射天线的编码方案。r a d o n 证明 了只有当”= 2 , 4 ，8 时，实方阵f 交设计才存在，t a r o k h 把r a d o n 的结论引伸到非方 阵f 交没计和复一交设计中，提出了一般正交设计的理论，并利用这些理论构造 了分组空时码( s t b c ) i t s 6 1 。 s t b c 的系统结构o g 图( 2 3 ) 所示： 如果信号星座图的大小为2 发射天线的个数为”，接收天线的个数为m 希 第二章空时编码技术 望达到的分集增益为l t m 。分组空时码编码器将输入的n bb i t s 信息映射成星座图中 的”个信号点s ，s ，一，s 。，然后利用这”个信号点构造正交设计矩阵c 。矩阵c 中的 元素经”个发射天线在”个时隙内发射出去，其中第f 列对应第i 个发射天线，第i 行 在第f 个时隙内同时发送出。 匣型，毒 幽( 2 - 3 ) s t b c 系统结构圈 按诈交设计理论构造的分组空时码的抗衰落性能比s t c m 稍差，但它的最大 分集能力与s t c m 相同。由于s t b c 的正交结构使得其最优译码方法非常简单， 即线性最大似然译码，只需对接收信号进行简单的线性处理就可以恢复信号。 分组空时码的不足之处是它的频带利用率有时不能达到最大。采用一般实f 交设计时，分组空时码的频带利用率可以达到最大，而采用复f 交设计时，只有 在”= 2 时，频带利用率可达最大，对于其他值，频带利用率只等于最大值的一半， 孔：，一3 4 时可达最大值的三。因此，寻找频带利用率较高的分组空时码编码方案是 4 今后义一重要的研究方向。 2 4 级联空时码 经过模拟发现，大约8 0 的帧错误是由1 个或2 个符号错误引起的，9 0 是由4 个或更少些的符号错误引起的，所以可在s t c m 前级联一个速率较高的外码来 减少错误概率，于是出现了级联空时码。 绒联空时码主要用于改进i s - 1 3 6 移动通信系统。 下面简单讨论缴联空时码的编译码过程，假设收发两端都使用两条天线。其 编译码方框图如图( 2 4 ) 、图( 2 5 ) 所示： 图( 24 ) 级联空时码的发射机结构 在发射端，从信源发出的信号经r s 和s t c m 编码后分成两部分，每部分经 坐分层空时编码技术研究及其在移动通信系统中的应用 一逐码元的分组交织处理以增加其抗突发错误的能力，然后经过脉冲形成电路和 调制器发射出去。突发形成电路主要是在码序列中加入正交的导引序列和训练序 列用于定时和信道估计。 图( 2 5 ) 级联空时码的接收机结构 在接收端，每个接收天线收到的信号是所有发射信号的线性组合经匹配滤 波器后分成两部分：一部分是对应导引序列和训练序列的抽样值，这些抽样值用 于估计对应于导引序列和训练序列的信道特性值，接收机根据这些估计值，利用 精心设计的内插滤波器得到整个突发的准确的信道特性估计值；另一部分是所传 送信息的抽样值。信道特性估计值和信息经解交织后被送入s t c m 码译码器和r s 码译码器。 级联空时码的抗衰落性能比不级联的s t c m 要好，经模拟发现【刀：采用级联 的空时码比甲独用空时码有3 4 d b 的增益。为检测级联空时码的抗延时特性，对 级联空时码在市区和丘陵地区的信道模型下的特性进行了模拟，发现：在市区环 境下，级联空时码的性能下降不超过i d b ；而在丘陵地区，级联空时码的性能下降 十分厉害。因此，级联空时码如果要用于空间中传播路径较多、时延较大的环境， 接收端必须使用专门设计的合适的多信道均衡器这也是今后研究的一个重要方 向。 当采用1 6 q a m 的级联空时码时，系统最大的传输速率可达7 4 4 k b j ，虽然还 无法真币满足无线接入的要求( 室内要求2 协s ，室外要求6 4 - - 1 4 4 k b s ) 但相 对于传统的无线通信系统而言，其速率和陛能都有了很大的提高。 第三章空时信道模型的建立 第三章空时信道模型的建立 本章重点介绍了空时信道模型的建立，第一节讨论一般空时信道模型，第二 节讨论瑞利信道仿真模型，第三节讨论3 g p p 条件下的信道仿真模型。 移动通信信道环境是移动通信首先要遇到的问题也是无线信道中最为复杂 的信道。研究移动通信信道就是要搞清楚无线电信号在移动信道中可能发生的变 化和发生这些变化的原因。具体移动通信系统的设计、设备开发、网络舰划需要 考虑载波频段、传播坏境、移动速度、传播的信号形式以及信道上下行方向等方 面的问题。这罩，为了空时处理的需要，我们主要强调空时信道。 3 1 空时信道模型 本文主要讨论发射端和接收端均使用多条天线的点对点通信系统。我们把发 射端有 条天线，接收端有m 条天线的多天线系统称为0 ，肌) 系统。其信道模型如 图( 3 1 ) 所示【1 1 ： 1 1 ( 3 1 ) 空时信道模犁示意图 空时编码器将编码后的信息比特分为刀个子数据流，由力条天线同时发射出 去，从而产生一个i 1 行( 可能是半无限长) 的码字矩阵c 。c 的第女行第r 列元 素记为c ：，表示在时隙f 出第根天线发射的信号。第，根接收天线在时隙r 接收 到的信号记为一，是所有发射信号c ：，七= o ，l ，”一l 和白噪声分量v ：叠加的结果。 发射天线k 和接收天线f 之间在f 时刻的增益记为 ，。 定义向量c ，= g ：，c ：，c ? ) 。，o = ，一，) 。，v ，= ( v ：，v ；，一吖，以及矩 阵，( ，t ) = ：“。因此，在空时信道中，“，m ) 多天线系统的离散时问输入输出关 系可用向量表达为： 6 分层空时编码技术研究及其在移动通信系统中的应用 r r = hr cr + v f( 3 1 ) 其中信道增益 ：“是以0 为均值，1 为方差的复高斯随机变量。噪声分量是独立 同分布( i i d ) 的复高斯随机变量，其均值为0 ，方差为n o 。( 一个均值为f ，方 差为盯! 的实高斯随机变量记为0 ，盯2 ) 。一个方差为盯2 的复高斯随机变量 协鼢：膏( 0 科肌x 与y 独立同分布于( o 譬 ) o 得。 3 2 瑞利信道仿真模型 本文中的瑞利信道模型为s u z u k i 统计模型。 根掘文献b 的结论可知，瑞利过程可以通过对一个窄带复高斯随机过程取模获 假设“o ) 和，- ：( ，) 是两个互不相关的实高斯过程其均值均为0 即 e 缸，( ，) = 巩= 0 ，且方差相等，即v a r 妇，( ，) = a ；= a j ，其中i = l ，2a 则窄带复高斯 随机过程0 ) 为： 一( ，) = 0 ) + 舡! ( ，) 由( 3 - 2 ) 式知，瑞利过程乳) 为： ( 3 - 2 ) 下面讨论高斯过程“( ，) 的产生。 根据文献【3 1 的结论，高斯噪声可近似等效为有限个具有不同相位分布的正弦函 数的和。我们用五，( ，) 表示鸬( ，) 的近似值则有： 声，( ，) ：量钆c 。( 2 巧，+ 。) ，：l ，2 ( 3 4 ) 其中， r 表示产生第f 个高斯过程所需要的f 弦函数的个数；c 。是d 叩p l e r 系数 表示第一个正弦函数的实分量因子：，。被称为相应的离散d o 即l e r 频率；e 。，被称 第三章空时信道模型的建立 为d o p p l e r 相位，表示在( 0 2 ”) 的范围内均匀分布的随机相位变量。 由以上分析可得出服从瑞利分布的随机变量的产生过程如图( 3 2 ) 所示 c c o s 【2 矿t + 目 g 执 2 艰二t + 口 c o s 1 2 一。t + 8 5 1 2 矾t + 占 5 1 2 旺t + p ( 7 0 5 1 2 月旷、t + 8 二、 l 笙l ( 3 2 ) 瑞利分布随机变域的产生示意图 下面讨论( 3 4 ) 式中各参数的选取。 根据【4 l 中的结论，o 。的值在每次仿真运行过程中产生，事先只需要确定参数 屯和，的值并保持不变。其方法有四种：m e d ( m e t h o do f e q u a l d i s t a n c e s ) 、m e a ( m e t h o d o f e q u a l a r e a s ) 、m c m ( m o a t e c a r i o m e t h o d ) 和m s e m ( m e a r is q u a r e e d r m e l h o d ) 。这里我们采用m e d 方法。 定义d o p p l e r 频率，。为： ； f 。= 冬胁一1 ) ，h = l ，2 ，n ， ( 3 - 5 ) 其中，j ，= 。一_ ，：。，h = 2 ，3 ，- ，n ， 【3 - 6 ) 表示两个临近的离散d o p p l e r 频率之间的差值是等距的【5 】，因此称为“等距离法”。 当采用j a k e s 功率谱密度时，根据文献州中的结论，取z = 等所以有： z 户景( 2 h 1 ) ( 3 - 7 ) 其中月：i 2 v ，i ：1 , 2 。 1 8 分层空时编码技术研究及其在移动通信系统中的