（通信与信息系统专业论文）时变信道下空时编码技术的研究.pdf

摘要 随着无线通信的快速发展，各种类型的业务对无线信道容量的要求也越来越 高，而多输入多输出( m 订0 ，m l l l t i p l e i i l p u tm l l l t i p l e o m p u t ) 技术在不增加频谱 宽度和发送能量的情况下可以显著提高信道容量。当无线信道快速变化以致信道 估计困难时，不需要信道状态信息就可以译码的酉空时码具有了极大的优势。因 此，时变信道下的酉空时码技术的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。 论文首先研究了空时分组码及其译码方法，将匹配滤波译码方法进一步推广 到多维空时分组码系统，给出了匹配滤波器的构造方法。然后针对实际无线信道 中的时变问题，论文重点对酉空时码展开了研究。在分析现有酉空时码方案的基 础上，提出了一种改进的酉空时编译码方案，通过设计发射信号矩阵将最大似然 译码简化为最大欧氏距离译码，大大降低了译码复杂度；此外还推导了该方案在 瑞利衰落下的信道容量下界。为了进一步将提出的酉空时编译码方案应用于实际 无线通信系统，论文对3 g p p 提出的空问信道模型进行了建模，给出m i m 0 o f d m 系统中空时分组码( s t b c 0 f d m ) 以及酉空时码( u s t c o f d m ) 的编译码方法， 并通过仿真验证了s t b c o f d m 和u s t o f d m 两种系统的有效性，分析了角度 扩展、天线间距、终端移动速度等参数对u s l o f d m 系统性能的影响。 关键词：多输入多输出空时分组码酉空时码空间信道模型正交频分复用 a b s t r a c t a st h ew i r e l e s st e l e c o l n m u i l i c a t i o ni sd e v e l o p i l l gr a p i d l y t h ed e m a n do fd 啪n e l c a p a c 毋i i la l lk i i l d so fs c r 、，i c e s i sb c c o i l l i l 坞h i 曲e r 1 1 1 et c c l l n i q u eo fm m o ( m u l t i p l c - i n p l i tm u l t i p l e o u t p u t ) c a ni n c f e a t l l ec h 锄e lc a p a c i t yg r e a n y 嘶t h o m a d d i t i o n a lf b q u e n c ys o u r c e sa l l d 仃螂m i tp o w e r w h e nt h ed 埘m e lc h a l l g e sr 印i d l y ，i t i sh a r d l yt 0e s t i i n a ：c cc s ic o r r e c t l y i nt l l i sc 鹊e ，瑚i t a r ys p a c e t i i n ec o d cw i l i c hc a i l d c c o d e 、) l r i m o u tc s ih 舔a 伊e a ta d v a m a g e t h e r e f o r e ，n l ef e a r c ho nu l l i t a 巧s p a c e - t i l n e c o d e 血t i m e v a r y i i l gc h 锄e lh 嬲i m p o r t a n t t l l e o r e t i c n a 1 1 dp r a c t i c a lv a l l l e f 妇l y ，s p a c e t i i n eb l o c kc o d e sa r ei i l 仃o d i l c c di nt 1 1 i sp a p e r 1 1 1 em e t h o do f m a t ( 湘c df i l t e ri se x t e n d e di m ot l l em u n i d i m e l l s i o n a ls p a c e - t i l n eb l o c kc o d cs y s t e m t h ec o n s 咖c t i o nm 砒o do f m a t c h e df i l t e ri sa l s o 百v 吼s e c o n d l y ，i nt e r 娜o fm e t i i n e - v a r ) r i i l gp r o b l e mi i lt h ep r a c t i c a lw i r c l e s sc h a i l i l e l ，s t i l d i e sa r em a i l l l yc o n d u c t e d o n u n i t a r ) ，s p a c e t i m ec o d c o nt 1 1 eb a s i so f 蚰l d i e so np r e s c n tl l n i t a r ys p a c e t i m ec o d e s c h c m e s ，趾i i i l p r o v c de n c o d i n ga n dd e c o d i n gs c h e m ef o rl | i 】j t a 】叮s p a c c t i l l l ec o d ei s p r o p o d b yd e s i 皿i i l gt h e 仃柚s m i ts i 印a lm 撕x ，m a ) 【i m 啪l i k e l i h o o dd e c o d i n ga t 协e 托c c i v e fc 锄b es i m p l i f i e dt om a x i m 啪e u c l i d e a i ld i g t a n c ed e c o d i n g t h a tc o m p l e ) ( i 够 f o rd e c o d i i l gi sr e d u c e dg r e a t l y t h el o w e rb o l l n do ft l l ec a p a c 酊f o r 让屺p r o p o s e d s c h 锄ei i lr a y l e i 曲c h a n i l e l i sa l s od e d u c e d f i n a l l y ，i no r d e rt 0 印p l yt h ep r e s e m e d u i l i t a r ys p a c e t i i l l ee n c o d i n ga n dd e c o d i n gs c h e i n et op r a c 五c a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e i n ，t h es p a t i a lc h 锄e lm o d e ip u tf o r 啪r db y3 g p pi sc o m 仃u c t 甜n ec n c o d 吨 a i l dd e c o d i l l gm e t h o do fs p a c e m eb l o c kc o d e ( s t b c 一0 f d m ) 锄d u i l i t a | ys p a c e t i i i l e c o d e ( u s t c 0 f d m ) i nm i m o 一0 f d mi sp r o p o s e d n l ev a l i d 时o ft h et w oh n d so f s y s t e i i l ，s t b c 一0 f d ma i l du s t c o f d m ，i sa l s ov e r i f i e db ys i i i l u l a t i o n 1 1 1 ei n l p a c to f d i 丘毫r e n tc h a 加e lp a r a m e t e r s ，s u c h 勰锄g l es p r e a d ，孤t e n n ae l e m e n ts p a c i n ga n dt h e s p e e do f t 明n i l l a lo nu s t c 0 f d ms y s t e mp c r f o r m 锄c ei sa l s oa n a l y z e d k e y w o r d s ：m i m os p a c e - t i m eb l o c kc o d e su n i t a r ys p a c e - t i m ec o d e ss p a t i a i c h a n n e im o d do f d m 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：兰整至 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) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：兰整至 导师签名：盘丝垒 日期兰塑：! ! i 日期墨! ! 墅：厶：； 第一章绪论 第一章绪论 当今世界已进入了飞速发展的信息时代，信息产业已成为国民经济的主导产 业，通信则成为信息产业中发展最为迅速，进步最快的行业。移动通信技术由于 给人们的生活工作带来很大的方便，因而移动通信系统自其商用之日起便得到了 迅速的发展，并在现代通信中占着越来越重要的地位。移动通信系统正快速地向 包括数据、语音、图像的综合宽带多媒体方向发展，人们对通信质量、通信速度 和通信内容也都提出了新的要求。于是容量更大、传输速率更高的b e y o n d3 g ( b 3 g ) 移动通信系统自然而然成为了研究的热点，其核心技术有m “0 ( 多输 入多输出，m u l t i p l eh l p u tm u l t i p l e0 u 咖t ) 和o f d m ( 正交频分复用，o n l l o g o n a l f r e q u e n c yd i “s i o nm u l t i p l “i n g ) 等。 空时编码技术作为m i m 0 系统中常用的一种信道编码技术，得到了广泛的关 注与研究。m i m o 系统中常用的空时分组码、分层空时码和空时格码译码时需要 接收端已知信道状态信息。但是，当无线信道变化很快以致信道估计很困难时， 不需要信道状态信息就可以译码的酉空时码就具有极大的优势。因此，时变信道 下的酉空时码技术的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。在评价各种编码 技术的性能时，一个接近实际情况的m i m 0 无线信道模型是不可缺少的。目前更 多采用的是简单的高斯信道和r a y l e i 曲信道，它们建模都比较简单，只描述了信 道某一方面的特性，相对于实际的无线信道更为理想化。m i m o 无线信道的建模 也一直是研究的热点。因此，本文在研究空时分组码的基础上，重点研究了时变 信道下的酉空时编码技术，并将其进一步扩展到空间信道模型( s c m ，s p a t i a l c h 黝e lm o d e l ) 下的m i m o o f d m 系统中。 本章首先简单介绍了移动通信技术的发展；然后介绍了m i m o 系统和空时编 码技术、o f d m 技术以及移动信道；最后给出了论文的主要工作和章节安排。 1 1 移动通信技术的发展 自从美国贝尔实验室提出蜂窝组网理论之后，并随着7 0 年代高度可靠、小型 化晶体射频电路的发展，移动通信进入了一个快速发展的时期。随着移动通信的 发展和用户数量的增加以及用户对业务多样性的要求，传统蜂窝网络的容量以及 单一的话音业务服务已经满足不了这种发展的需要，因此就需要新技术的出现来 解决目前移动通信发展中遇到的问题。向用户提供种类更多、速度更快、质量更 好的服务，己成为未来移动通信系统的发展目标和方向。经历了只能提供模拟话 2 时变信道下空时编码技术的研究 音业务的第一代移动通信系统( 1 g ) 后，目前发展比较成熟且应用广泛的第二代 移动通信系统( 2 g ) 的代表是g s m 和l s 9 5 。第二代移动通信系统的进步在于实 现了语音的数字化，并且接入方式也发生了变化，分别用时分多址接入和码分多 址接入取代了第一代的频分多址接入，码分多址接入同时也成为了第三代移动通 信系统( 3 g ) 的接入方式，这些方面的技术改进一方面提高了话音的服务质量另 一方面也提高了系统的用户容量。 第一代移动通信系统提供的业务只有话音业务，而到了2 g 除了支持话音业务 外还支持一些低速率的数据业务，如g s m 系统可以提供2 4 9 6 k b p s 以及1 4 4 k b p s 的分组数据业务，它的演进技术g p r s 可以提供1 4 4 k b p s 的分组交换数据业务。 i s 9 5 的c d m a 系统能够提供可变速率接入，它的最高速率分别可以达到9 6 k b p s 和1 4 4 k b p s 。2 g 是无线通信发展很快的一个阶段，同时由于市场和技术的驱动在 全球的发展非常之快，移动用户的数量增加和业务多样性的需求，使得现存的网 络已经满足不了这种需要，必须对网络进行进一步的改进。3 g 的发展在一定程度 上可以缓解现有的一些问题，如速率方面它有了一些提高，并且也提供了多媒体 业务。3 g 除了以前系统提供的服务外还能够提供无线h l t e m e t 业务和多媒体的业 务，在业务的服务范围中已经从单一的话音业务发展到多媒体的业务( 语音、数据、 图像) 。目前国际上3 g 有三种主流的无线传输方案分别是欧洲和日本提出的 w c d m a 、北美提出的c d m a 2 0 0 0 和中国的t d s c d m a 。 由于用户对移动通信系统的速率要求越来越高，而3 g 系统也只能提供m b p s 量级的传输速率，不能满足用户的实际需求。因此，在3 g 系统还没有大规模投入 商用的情况下，国内外移动通信领域的专家已经在进行后3 g 移动通信系统的研 究，也就是所谓的b 3 g 。它的目标是峰值传输速率在用户高速移动时可以达到 1 0 0 m b p s ，在用户静止或低速移动时峰值传输速率可达到1 g b p s 。为了实现新一代 无线通信的目标，关键因素之一需要在物理层采用更加高速的无线传输技术，而 且还必须寻找提高频谱利用率的解决方案。在众多的信号处理技术中，最引人注 目的是m “o 和0 f d m 技术，普遍认为m i m o 和o f d m 技术将是新一代移动通 信系统必须采用的关键技术。 1 2m i m o 和空时编码技术 传统的单发单收( s i s o ，s i n 甜ei n p u ts i n 誊eo u t p u t ) 系统中，采用t 1 l r b 0 码或 l d p c ( 低密度校验码，l 0 wd e n s 时p a r i t yc o d e s ) 已经使信道容量逼近香农限， 想要进一步提高频谱利用率只有采用m d d 0 系统。m d “0 指的是在接收端和发送 端使用多天线结构，这种结构大大提高了m i m o 系统的数据传输速率，系统容量 和频谱利用效率，在很短时间内引起了广泛关注。根据信息理论，在理想情况下 第一章绪论 m n “0 系统的容量近似于随其天线的个数呈线性增长。与传统的s i s 0 系统相比， 在不增加频谱宽度和发送能量的情况下，m i m 0 系统的数据传输速率随着天线个 数的增加线性增长，其信道容量远远超过s i s o 系统所能提供的容量【l4 】。因此 m 订o 成为b 3 g 系统中无线通信关键技术研究的热点之一。 仅仅采用m “o 结构是不够的，还要和空时编码相结合才能获得多输入多输 出无线信道的容量。空时编码技术是一种专门针对多天线系统的编码技术，通过 编码使得在不同空间和时间上的发送信号产生时域和空间域的相关性。接收端利 用这一相关性对抗信道衰落，减少传输差错，并在不牺牲带宽的情况下获得发送 分集和功率增益【5 棚。空时编码有多种方案，如：空时分组码【9 彤】、空时格码【1 岳1 8 】、 分层空时码【1 9 啦】等，各自的侧重不同，但其核心都是利用m i m o 系统多个收发天 线之间形成的多径效果获得高的频谱效率和性能增益。 空时分组码、空时格码、分层空时码在译码时均需要接收端已知信道状态信 息( c s i ，c 1 1 a 彻e ls t a l ei n f b m l a t i o n ) 。如果信道变化缓慢，发射机可以发射导频序 列，这样接收机就可以对信道进行准确的估计。当信道变化很快，发射天线数很 多时，很难准确地估计信道。针对这种情况，h o c t i v 洲d 等人提出了一种新型的空 时编码技术酉空时码【2 3 2 5 】。酉空时码使用空间上相互正交的一组向量所构成 的空时矩阵作为传输信号，接收端在未知c s i 的情况下，可以利用发射信号向量 的正交特性进行最大似然译码。因此，在实际的时交信道下，当信道估计很困难 时，采用酉空时编码技术是一个很好的选择，这也是本论文重点研究的一个方面。 1 3o f d m 技术 o f d m 技术是b 3 g 移动通信系统中的核心技术之一，它是一种特殊的多载波 方案。其特点是各予载波相互正交，所以扩频调制后的频谱可以相互重叠，不但 减小了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率【2 ”。 由于信道传输特性不理想，各类无线和移动通信中普遍存在着符号间干扰 ( i s i ) 。克服符号间干扰的措施通常是采用自适应均衡器，但是在高速数字通信系 统中，为了保证克服i s i 往往要求均衡器的抽头数很大，尤其是在城市环境可能要 求均衡器的抽头数上百个。这样，必然大大增加了均衡器的复杂程度，使设备造 价和成本大大提高。于是能够有效消除符号间干扰、频谱利用率高的0 f d m 技术 得到广泛的采纳，以取代复杂而昂贵的自适应均衡器。目前，o f d m 技术己经成 功的应用于数字音频广播( d a b ，d i g i t a ia u d i ob r o a d c a s t i n g ) 、高清晰度电视 ( h d t v ，h i 面d e f i l l i t i o nt e l c v i s i o n ) 中。在高速无线局域网标准e e8 0 2 1 1 a 、 i e e e8 0 2 1 1 9 和固定宽带无线接入标准i e e e8 0 2 1 6 a 和i e e e8 0 2 1 6 b 中都采用了 o f d m 技术。 4 时变信道下空时编码技术的研究 第四代移动通信系统将是多功能集成的宽带移动通信系统。m i m o 和o f d m 作为b 3 g 的核心技术，m i m o 和0 f d m 相结合构成了宽带m i m o 系统，这在提 高无线链路的传输速率和可靠性方面具有巨大的潜力。o f d m 能够有效地对抗多 径传播引起的频率选择性衰落，而m n “o 技术能有效地提高系统的传输速率。本 文研究时变信道模型s c m 时，所采用的宽带系统就是m d 订o o f d m 系统。 1 4 移动信道 移动通信系统的性能主要受到移动信道制约。一些常用的描述移动信道特性 的参数有田2 9 】： 自由空间传播损耗与弥散：通常计算传播损耗的方法是建立不同场合下电 波传播预测模型，例如o k 啪啪模型、h a t a 模型、c o s t - 2 3 1 模型等。 阴影衰落：移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时，就构成接收天线处 场强的变化，从而引起衰落，称为阴影衰落，这种衰落的变化速率较慢。 多径衰落：电波传输时会遇到各种建筑物、树木、植被以及起伏的地形， 会引起电波的反射。这样到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是众多反 射波的合成。不同路径反射波到达时间不同、相位也不同，不同相位的多个信号 在接收端迭加时，同相迭加信号增加，反相迭加信号减弱，这样接收信号的幅度 将急剧变化，产生多径衰落。多径衰落是移动信道特性中最具有特色的部分。 多径衰落的时域特征时延扩展，不同路径信号到达时间不同，时延扩展 可能会引起码间串扰。 多径衰落的频域特征相关带宽，是从均方时延扩展得出的一个确定关系 值。指一定频率范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性，如果频率间隔大于 此值，两个信号受信道影响大不相同。 信道的时变特性的描述多谱勒扩展和相干时间 多谱勒扩展：移动台的移动引起接收信号的附加频移，从而产生多谱勒扩展。 相关时间：多谱勒扩展在时域的表示，是信道冲激响应维持不变的时间间隔。 m i m 0 信道空间相关性的描述角度扩展和相关距离 角度扩展：与角度功率谱p ( p ) 有关，角度功率谱是信号功率谱密度在角度上 的分布。角度扩展是p ( 日) 的二阶中心矩的平方根。角度扩展越大，表明散射环境 越强，信号在空间的色散度越高，不同天线接收的信号间的相关性越小；相反， 表明散射环境越弱，信号在空间的色散度越低，不同天线接收的信号间的相关性 越大。 相关距离：信道冲激响应保证一定相关度的空间间隔。在相关距离内信号经历 的衰落有很大的相关性。如果天线元素间的空间距离比相关距离小很多，信道就 第一章绪论 是非空间选择性信道。 1 5 主要工作及章节安排 本文在研究空时编码技术的基础上，重点研究了时变信道下的空时编码技术 酉空时编码技术，提出了一种低复杂度的酉空时编译码方案，并对其进行了 容量分析；还将酉空时编译码技术推广到宽带无线通信系统m i m o o f d m ， 并将其应用到3 g p p 的s c m 信道模型中。论文的主要工作包括： 研究m n “o 系统中的空时编码技术，分析了空时分组码技术。在此基础上， 提出了一种基于匹配滤波的空时分组码译码方法，该方法在实际系统中易于实现， 并且具有和直接法相同的性能； 对酉空时码算法进行了基本理论学习，并在两种经典的酉空时编码方案的 基础上，提出了一种低复杂度的酉空时码方案，将最大似然译码简化为最大欧式 距离译码，大大降低了复杂度；此外，还推导了该方案在瑞利衰落信道中的信道 容量下界； 研究了3 g p p 提出的用于m i m o 系统的空间信道模型( s c m ，s p a t i a lc 1 1 a 衄e l m o d e l ) 娟2 5 9 9 6 标准，并在s p w 平台上进行了相应的模型搭建： 因为s c m 是针对宽带系统提出的信道模型，所以采用m i m o o f d m 技术。 研究了空时分组码以及所提出的酉空时码在m i m o o f d m 系统中的编译码方法， 重点研究了酉空时码o f d m ( u s t c o f d m ) 系统在s c m 信道下的性能，通过仿 真验证的其有效性，并仿真分析了终端移动性，角度扩展等参数对u s t c o f d m 系统的影响。 论文章节安排如下：第二章主要介绍了m i m 0 技术的基础，包括基本原理、 信号模型、容量计算，然后介绍了m i m o 系统中常用的几种空时编码技术：第三 章首先介绍了空时分组码的基本理论，然后提出了基于匹配滤波的空时分组码编 译码方法，并给出了仿真结果及性能分析；第四章分析了两种经典的酉空时编码 方案，在这两种方案的基础上提出了一种低复杂度的酉空时码方案，并推导了该 方案在瑞利衰落信道中的信道容量下界，最后对所提方案的误码性能以及信道容 量进行了仿真和分析比较；第五章首先阐述了空间信道模型以及市区宏小区环境 下的建模方法；然后介绍了m i m o o f d m 系统；接着将所提的酉空时方案推广到 m i m o o f d m 系统中；最后给出了仿真结果及性能分析；在论文最后对全文工作 进行了总结与展望。 第二章m i m o 技术及其容量分析 7 第二章m i m o 技术及其容量分析 当今m “o 技术被认为是无线通信中最有潜力的领域，因为在实际移动通信 环境中，不可避免的存在着丰富的散射和反射，对于其他传输技术来说，这些都 会对系统的有效性和可靠性造成十分严重影响，然而m 0 正是利用了这一特点， 将影响传统通信系统的多径效应变成了提高用户通信性能的有利因素，成倍的提 高传输效率。 2 1 1 系统概述 2 1m m 嗄o 系统模型 m “o 是指在通信链路的发送端与接收端均使用多个天线的传输系统，其基 本结构如图2 1 所示。输入的串行码流通过某种方式( 编码、调制、加权、映射) 转换成并行的多路子码流，通过不同的天线同时同频发送出去。接收端利用信道 传输特性与发送子码流之间一定的编码关系，对多路接收信号进行处理，从而分离 出几路发送子码流，最后转换成串行数据输出。 嘉 翁 娃 理 簿 矮 处 理 图2 1 m o 系统框图 和传统的s i s 0 系统相比，m i m o 系统具有以下优点： 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。 空间分集增益 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 时变信道下空时编码技术的研究 比较，m n “0 空间分集的最大优势在于不需要额外的时频资源开销。 空间复用增益 m m 0 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 ( ，) 线性增长，件为发送天线数，为接收天线数。该增益就是空间复用 增益，可以通过不同的天线传输相同的数据信息，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。分层空时码技术就是运用了 m o 系 统的这一优点实现的【1 9 2 2 】。 m i m 0 技术上的优势使其成为移动通信领域的研究热点，目前主要是想利用 它的高传输速率。业界也在研究几种热门技术的融合，如m i m o + o f d m 和 m d 讧o + c d m a 等。目前m i m o 与o f d m s c f d m a 技术的结合已用于3 g p p 的 i t e i t e a d v 孤c c d 系统中，现在许多知名公司正在推出m i m 0 + 0 f d m s c f d m a 的实现方案，哪些具体的实现方案或其中的关键技术会成为以后通信发展的主流 还是一个未知数，让我们拭目以待。 2 1 2 信道模型 根据衰落信号幅度所服从的不同的统计分布，可以建立如下两种经常用到的 移动信道模型【2 9 】： 高斯信道 高斯信道是最简单的信道模型，常指高斯白噪声信道( a w g n ) 。高斯白噪 声指在整个信道带宽范围内功率谱密度为常数，且衰落幅度服从高斯分布，其概 率密度函数为： p = 击e x p 【呼】 p ， 其中朋是z 的均值，仃2 是方差。高斯信道对于评价系统性能的上限有重要的 意义，对于实验中定量或定性地评价某种方案有重要的作用。 瑞利信道 当无线信道无法实现视距传输时，接收信号中无直射波分量，接收信号的每 一个多径分量的幅度是均值为o ，方差为盯2 的独立高斯随机变量。则接收信号的相 位服从( 一丌，万) 的均匀分布，幅度服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布，其概率密度函数为： p ( 加亭e x p 【一舌】( 垃o ) ( 2 - 2 ) 其中幅度的均值为万2 d ，方差为( 2 一石2 ) c r 2 。 论文后面的第三章、第四章研究空时分组码以及酉空时码技术时，均采用的 是瑞利信道，即信道衰落系数服从均值为0 ，方差为1 的复高斯分布。高斯信道和 第二章m “o 技术及其容量分析 9 瑞利信道模型都比较简单，高斯信道只考虑了噪声的影响，瑞利信道除了考虑了 噪声，同时还考虑了多径的影响。而实际的移动信道比较复杂，时变特性、阴影 衰落、终端移动、天线之间的相关性等方面的因素都会影响到系统的性能。后面 第五章我们将重点研究一种更合理的信道模型空间信道模型，模型的具体介 绍详见5 1 节。 2 1 3 信号模型 设发送天线数为吩，接收天线数为，则每个符号周期内的发送信号和接收 信号可以分别由向量x 与y 表示： x - ( 毛，屯，) 1 ( 2 3 ) y = ，儿，) 1 ( 2 4 ) 式( 2 3 ) 中表示第f 根天线的发射信号。假设总的发射功率是p ，且p 与发射 天线数目，z r 无关，则发射信号的协方差矩阵为： m = 二_ l 。 ( 2 5 ) 唧 其中，i 。是饰唧的单位阵。 由于在传输过程中还不可避免的存在噪声，这里设噪声向量n 为： n = ( m ，他，) 1 ( 2 。6 ) 噪声为加性高斯白噪声，每个分量珥o = 1 ，2 ，) 是独立同分布的均值为o ， 方差为仃：的高斯随机变量。并且在接收列向量y 的每一个元素都有相同的噪声功 率。 式( 2 - 4 ) 中咒代表第f 根接收天线上的信号，假定每个天线的总接收功率都等于 总发射功率，则每个接收天线上的平均信噪比为： s n r ：三( 2 7 ) 仃 信道传输矩阵用复矩阵h 描述： f 啊。1 h = l ；l 雕伊” ( 2 8 ) i k ，j h 中的任一元素 ，( f - 1 ，2 ，；产l ，2 ，唧) 表示第，个发射天线到第f 个接 收天线之间的信道衰落系数。 基于上述假设，接收信号向量可以由发射信号向量、信道传输矩阵以及噪声 信号向量表示为：y = h x + n 。 l o 时变信道下空时编码技术的研究 2 2 信道容量分析 m i m o 系统性能好坏最直接的反映就是信道容量的大小，m d “0 系统的信道 容量与收发端最小天线数目有关。本节讨论了m i m o 系统提高频谱效率的原理， 并对各种系统的信道容量进行了仿真比较。 2 2 1s i s o 信道容量 s i s o 是指只有一个发射天线一个接收天线的信道。假设平均发射功率为嚣， 则这时s i s o 信道容量可以表示为3 0 】： c = 晶 ，鼢毫，何；y ) j ( 2 - 9 ) 其中尹是信道中发射时单个信道码字的平均功率，e h 表示所有信道传输特性 的期望，实际上就是对信道传输特性在其概率分布上的平均。这时，信道容量就 是在信道发射功率的约束下，所有输入和输出统计分布中所能达到的最大互信息 量。如果发送端的每个信道码元用s 表示，则平均功率p 就可以表示为： p = e ( h 2 ) s 弓 ( 2 - 1 0 ) 由式( 2 9 ) 知，s i s 0 的信道容量可以用下式表示，其中啊。是复信道随机增益： c = 磊 l o g ：( 1 + p l 红，1 2 ) ( 2 1 1 ) p 表示接收端的平均信噪比。如果h ，i 服从瑞利分布，则h 。1 2 服从自由度为2 的z 2 分布，上式就可以写为： c = 瓦 l o g ：( 1 + 筋；) ( 2 1 2 ) 2 2 2m i m o 信道容量 发射功率限制是只的随机m m 信道容量可以表示为： r、 c = 点h k 劂蔬，( x ；y j q j 3 ) 其中o = 三( 珏8 ) 为发射信号向量的协方差矩阵。由互信息量与熵之间的关系及x 与相互独立有： 堆；y ) 2 ( y ) 一厅 j i ) = 厅 ) 一 ( h x + n l x )( 2 1 4 ) = ( y ) 一矗( n l x ) = 矗( y ) 一矗( n ) 、。 其中矗( ) 表示连续随机变量的微分熵。 。 根据相对熵最大化理论，对于给定的序列来说，要使熵最大该序列必须服从 第二章m d d o 技术及其容量分析 正态分布。因此当y 服从正态分布时，对于均值为0 ，协方差矩阵是k 的实高斯 向量y r “来说，其微分熵最大值等于o 5 l o g ：( ( 2 ，r p ) “d e t k ) ；对于协方差矩阵 是k 的复高斯向量y c 来说，微分熵最大值为l o g ：d e t ( 丌p k ) 。假设发射向量i 服从理想正态分布，则接收复向量y 的协方差矩阵可以写为： e y y ” = e ( 1 i x + n ) ( h x + n ) 8 = h ”h ” + e n n ” ( 2 1 5 ) ：h m h ”+ k 一：k 4 + k 一 式中的上标d 和h 分布表示期望部分和噪声部分，随机m “o 信道最大互信息量 就可以由下式给出： ，= ( y ) 一 ( n ) = l 0 9 2 = l 0 9 2 = l 0 9 2 = 1 0 9 2 = 1 0 9 2 d e t ( 万e ( + k “) ) 山g a e t ( ，r 羽) d e t ( 一+ k ”) 山g ： d e t ( k ”) a e t ( ( n k ”) ( 叫) 一硷- 1 6 ) a e t ( k 4 ( k ”) 一 ) a e t ( h 佃”( k ”) - 1 ) 一 琳譬帮 乃 = 磊 。 d c t ( - 。+ 嚣h h ”) 。 时变信道下空时编码技术的研究 c = 岛 。g ： d e t ( 一h + 詈e a e ”) ) c 2 - s ， 设h h 8 的特征值为 r ( 卢l ，2 ，乒，j 是h 的秩) ，则可以将信道容量公式 进一步改写为： c = 晶阻9 2 ( 1 + 詈 ) c = 晶j l o g ：l1 + 詈 ii ( 2 - 1 9 ) j 1 1 、吁l 式( 2 1 9 ) 表示，可以将m i m o 信道视作七个互不相关的并行子信道。由上述分 析可以看出，m i m o 链路的信道容量很大程度上取决于h 的秩乜矩阵的秩表明 了矩阵中的最大无关向量组中向量的个数，而实际上在系统模型中假设的存在多 个散射体的多经传播环境中，一般只要两个接收天线之间的距离超过j ；l 2 时就可 以认为这两个天线接收到的信号具有独立的衰落特性。因此由式( 2 1 9 ) 可以看出 m n 订0 系统正是利用多径传播引起不同接收天线接收到的信号的不相关性来提高 系统容量。 2 3 信道容量比较 对s i s o ( 1 1 ) 、s i m o ( 1 6 ，1 根发射天线6 根接收天线) 、m i m o ( 3 3 ) 及 m i m 0 ( 6 6 ) 链路的信道容量进行仿真分析比较。各种链路的信道容量如图2 2 所 示。由于信道是随机变化的，这里计算的是平均信道容量。 室 至 暮 栅 籀 妲 8 n r ( d 日) 图2 2 信道容量比较 第二章m i m o 技术及其容量分析 从图2 2 可以看出，在信噪比较高时( 例如2 0 d b ) ，3 3 m i m 0 信道容量基本 上是s i s 0 信道容量的3 倍，6 6 m i m 0 信道容量是3 3 m i m 0 信道容量的2 倍。 当天线数目较多时，m i m 0 信道容量随着天线数目的增大而线性增大，也就是说 m i m o 可以在不增加带宽和发射功率的情况下成倍的提高信道容量。而s i s o 和 s d d o 系统的信道容量则是成对数增长。因此，m i m o 系统在提高信道容量方面明 显的比s i s 0 和s i m 0 系统具有优势。 2 4 空时编码技术 仅仅采用m i m o 结构是不够的，还要和空时编码技术结合才能获得m i m o 无 线信道的容量。空时编码的基本理论是由1 缸o k l l 、s e s l l a d r i 和c a l d e r b a n k 于1 9 9 8 年提出的【3 l 】。t a r o k h 等人认为，如果在发射端采用适合多天线传输的编码技术， 同时在接收端进行相应的信号处理技术，能获得很大的性能增益，这样就能够实 现数据的高速传输。这一编码技术实质上是时间和空间上的二维编码，因此被称 为“空时码”。 常用的空时编码技术可以分为分层空时码，空时格码和空时分组码几种类型： 分层空时码【1 9 2 2 】 分层空时码是1 9 9 6 年由贝尔实验室的f o s c h i n i 提出的最早的一种空时编码模 型。它将信源分为几个子数据流，独立地进行编码调制，利用信道的空间特性来 提高频谱利用率，即采用m “o 实现并行数据传输的结构，它能提高无线链路容 量2 0 3 0 倍。在接收端采用干扰相消和干扰抑制的方法解调。一般可以将其分为两 类，d i b l a s t ( 对角分层空时码) 和v b l a s t ( 垂直分层空时码) 。分层空时码 最大的优点是能取得很高的频谱利用率，但它不提供分集增益，抗衰落能力差， 不适用于衰落复杂多变的室外环境。 空时格码【1 6 。1 8 】 朗讯实验室的t a r o k h 于1 9 9 s 年提出了基于发射分集的空时码概念，这种空时 码以网格编码调制为基础，称为空时格码。空时格码是将网格编码调制模型扩展 到了空间范围，用格形结构使向量调制在某个特定的时间进行，接收端采用维特 比译码。空时格码能够同时获得分集增益和编码增益，在慢衰落环境下具有接近 m i m 0 信道容量的性能。它的不足之处是随着信息传输速率的增加，接收端译码 复杂度成指数增长。 空时分组码5 】 同时c a d e n c e 公司的研究人员a l a m o u t i 提出了一种基于正交设计的空时分组 码。t a r o l d l 等人在舢锄o u t i 的理论基础上又对空时分组编码理论进行了进一步的 推广。空时分组码可以同时获得发送和接收分集增益，由于它的正交性，使编码 1 4时变信道下空时编码技术的研究 系统简单易于实现，但正是由于它的正交性，带来较大的信道容量损失，其损失 程度随编码率的减小而增大，随收发天线数的增大而增大。它的最大不足之处是 不能提高系统传输速率，且天线数目大于2 时，不存在编码速率为1 的复正交编 码矩阵。后面3 1 节将详细介绍空时分组码的基本原理。 空时分组码、分层空时码以及空时格码译码时，均需要接收端已知信道状态 信息。如果信道变化缓慢，发射机可以发射导频序列，这样接收机就可以对信道 进行准确的估计。当信道变化很快，发射天线数很多时，很难准确地估计信道。 例如：移动终端工作在1 9 g h z 的频段。发射符号速率为3 0 k h z ，如果终端移动速 度为6 0 k n l m ，相干时间的数量级为5 0 1 0 0 个符号。如果采用m i m o 系统，每一 对收发天线之间需要5 个导频符号，对于4 1 系统，就需要2 0 个导频符号。欧 洲第三代蜂窝通信的标准里火车的速度达5 0 0 虹妇，此时相干时间不到2 0 个符号， 这样接收端要准确地估计出信道状态信息就变得不可能了。针对这种情况， h o c n 砌d 等人提出了一种新型的空时编码技术酉空时码彩】。酉空时码使用 空间上相互正交的一组向量所构成的空时矩阵作为传输信号，接收端在未知c s i 的情况下，可以利用发射信号向量的正交特性进行最大似然译码。不同于传统意 义上的空时信号星座，酉空时信号星座不再是针对信号之间的欧氏距离进行优化， 而是要优化信号之间的相关性，使信号之间的相关性越小越好。因此，在实际的 时变信道下，当信道估计很困难时，采用酉空时编码技术是一个很好的选择，这 也是本论文重点研究的一个方面。 2 5 本章小结 本章首先介绍了m 玎订0 系统的基本模型，对m i m o 系统的信道容量进行了分 析，并对不同的m n 讧o 系统信道容量进行了仿真比较。仿真结果表明天线数目较 多时，m 订0 信道容量随着天线数目的增加而线性增大，也就是说 m 0 可以在 不增加带宽和发射功率的情况下成倍的提高信道容量。然后介绍了m m o 系统中 常用的几种空时编码技术，分析了各自的优缺点。其中编译码比较简单的空时分 组码以及更适用于时变信道的酉空时码技术是本论文后面研究的重点。 第三章匹配滤波法空时分组码技术研究 第三章匹配滤波法空时分组码技术研究 a l 锄o u t i 首先提出了使用两副发射天线的简单空时分组码系统【9 】，在灿锄o u t i 理论的基础上，t a r o l ( h 等人提出了任意副发射天线时空时分组码的编码方法【m 1 1 j 。 空时分组码编码和译码比较简单，是最常用的一种空时编码技术，也是后续章节 研究酉空时码的基础。 3 1 1 发射矩阵的设计 3 1 空时分组码基本原理 假设空时分组码系统的发射天线数为，接收天线数为m ， 。( 扛l ，= 1 m ) 表示第f 副发射天线到第，副接收天线的