（通信与信息系统专业论文）无线通信中差分空时分组码技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 空时编码( s t c ) 将信道编码技术与天线分集技术相结合，大幅度的增加了无 线通信系统的容量，为无线传输提供了分集增益和编码增益，并且能够提供远 高于传统单天线系统的频带利用率，为解决无线信道的带宽问题提供了一条新 的解决途径。差分空时码是一种适应未来通信快变衰落信道的空时编码，与一 般的空时码不同的是，它的译码不需要已知信道状态信息( c s i ) 。但要实现差 分空时编解码需要对编码矩阵提出约束条件，对传输的信号矩阵进行差分处理。 由于正交的空时分组码( s t b c ) 本身满足差分编码的约束条件，因此近几年关于 差分空时码的研究主要集中在差分空时分组码( d s t b c ) 上。 本文研究了d s t b c 的编译码原理，给出了d s t b c 的系数矢量集的设计准则， 分析了传统的d s t b c 的性能并给出了相应的仿真结果。针对两发射天线，改进 了传统的编译码方案中系数矢量映射，解决了星座扩展的问题，同时提供了编 码增益，仿真结果也显示了其优越性；对于四发射天线，在复信号调制时由于 传统的编码方案不满足系数矢量单位长度的设计准则，因此只适合实信号星座 调制，本文通过信号实虚部分离的方法，提出了改进的适合复信号星座调制的 编译码算法，并通过性能仿真验证了此方案的有效性。 最后，为了解决在频率选择性衰落信道下的分集问题，采用了空时编码与 正交频分复用( o f d m ) 相结合的技术，获得了频率分集，并消除了由于多径时延 引起的码间干扰。通过分析s t c - o f d m 系统在频率选择性衰落信道中的性能，并 提出了d s t b c - o f d m 系统结构，仿真结果表明该结构具有良好的性能，不仅可以 获得空间分集带来的分集增益，而且可以获得频率选择性衰落信道带来的分集 增益。 研究结果显示差分空时分组码在性能上比已知准确c s i 的相干检测方案要 差3 d b ，但在付出性能代价的同时，差分空时分组码在编译码端摆脱了对c s i 的依赖，因此有其特定的应用前景。 关键词空时编码；差分空时分组码；星座扩展；正交频分复用 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s tr a c t s p a c e t i m ec o d i n g ( s t c ) c o m b i n e s c h a n n e lc o d i n gw i t ha n t e n n ad i v e r s i t y , w h i c h c a ni n c r e a s et h ec a p a c i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n da c h i e v ed i v e r s i t y g a i na n dc o d i n gg a i n t h et e c h n i q u ec a ni m p r o v et h eb a n d w i d t he f f i c i e n c yo f t r a d i t i o n a ls i n g l e - a n t e n n as y s t e m s ，a n dp r o v i d en e ws o l u t i o n st ot h ep r o b l e mo f l i m i t e dc h a n n e lb a n d w i d t hi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n d i f f e r e n t i a l s p a c e t i m e c o d i n g ( d s t c ) i ss u i t a b l ef o rt h ef u t u r ec o m m u n i c a t i o nu n d e rr a p i df a d i n gc h a n n e l s c o m p a r e d 、枷t ho t h e rs t ct e c h n o l o g y , t h ed e c o d i n gd o e sn o tn e e dt h ep e r f e c t c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) t h et r a n s m i t t e dm a t r i c e sm u s ts a t i s f ys o m e r e s t r i c t i o nf o rt h e p r o c e s s i o no fd i f f e r e n t i a le n c o d i n ga n dd e c o d i n g s i n c et h e o r t h o g o n a ls p a c e - t i m eb l o c kc o d e s ( s t b c ) s a t i s f yu n i t a r ym a t r i c e s ，m a n ys t u d i e s a b o u td i f f e r e n t i a ls t b ch a v eb e e np r o p o s e di nt h ep a s ty e a r s ， f i r s t l y , t h ee n c o d i n gp r i n c i p l eo fd s t b ci si n v e s t i g a t e d ，a n dt h ed e s i g nr u l e so f c o e f f i c i e n t sv e c t o rs e to fd s t b ca r eo b t a i n e d s e c o n d l y , t h ep e r f o r m a n c e so ft h e t r a d i t i o n a ld s t b ca r ea n a l y z e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s a ni m p r o v e dm e t h o do f t r a d i t i o n a ld s t b ci s p r o p o s e df o rt w ot r a n s m i ta n t e n n a s ，w h i c hs o l v e st h e c o n s t e l l a t i o ne x p a n s i o na n dp r o v i d e sac o d i n gg a i n ，a st h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e s h o w n s i n c et h et r a d i t i o n a ld s t b cb a s e do nc o m p l e xs i g n a lc o n s t e l l a t i o nd o e sn o t s a t i s f yt h ed e s i g nc r i t e r i ar u l e si nw h i c ht h ec o e f f i c i e n tv e c t o rm u s th a v eau n i t a r y l e n g t h ，i ti so n l ys u i t a b l ef o rr e a ls i g n a lc o n s t e l l a t i o nw i t hf o u rt r a n s m i ta n t e n n a s a n i m p r o v e da l g o r i t h mi sp r e s e n t e db yd i v i d i n gs i g n a l si n t or e a la n di m a g i n a r yp a r t s ， a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h i sa l g o r i t h m f i n a l l y , t h e c o m b i n a t i o no fd s t b ca n do r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) t e c h n i q u ei si n v e s t i g a t e dt os o l v et h ed i v e r s i t yp r o b l e mi na f r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l o f d mc a ng r e a t l ye l i m i n a t ei n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ( i s 0w h i c hi sc a u s e db yf a d i n gm u l t i p a t he f f e c t b yt h ep e r f o r m a n c e a n a l y s i so fs t c - o f d mi nf r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n g c h a n n e l s ，t h es t r u c t u r eo f d s t b c - o f d ms y s t e m si sp r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a td s t b c o f d m c a na c h i e v ef r e q u e n c yd i v e r s i t ya n ds p a c ed i v e r s i t y , a n dp e r f o r m sv e r yw e l l t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a td s t b cp e r f o r m sa b o u t3 d bw o r s et h a n c o h e r e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ll 页 d e t e c t i o nw h i c hk n o w st h ec o r r e c tc s i i nt h em e a n t i m eo fp a y i n gc o s t si nc a p a c i t y , d s t b cg e t sr i do ft h er e l i a n c eu p o nt h ec s ia n dh a v eas p e c i f i c a p p l i c a t i o n b a c k g r o u n d k e yw o r d s ：s p a c e t i m ec o d i n g ；d i f f e r e n t i a ls p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ；c o n s t e l l a t i o n e x p a n s i o n ；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 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在5 年解密后适用本授权书； 2 不保密彭适用本授权书。 学位论文作者签名：峦瞻 日期：砂。乒年午月f 日 指导教师签名： 艺t 宠1 廖一一一 日期： d 2 年毕月7 日 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 它个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个 人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 针对两发射天线的差分空时分组码，改进了传统的系数矢量映射， 解决了星座扩展的问题，同时采用维特比译码提供了编码增益；当 采用四发射天线时通过信号实虚部分离的方法改进并给出了适合 复信号星座调制的编译码算法，最后通过仿真验证了方案的优越性 和有效性。 ( 2 ) 通过采用差分空时分组码与正交频分复用( o f d m ) 相结合的技术解 决了在频率选择性衰落信道下的分集问题，仿真分析了不同多径、 衰减和时延对其性能的影响，结果表明该结构具有良好的性能。 学位论文作者签名：廖陷 日期：b e 了年年月f j 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 现代无线移动通信已从模拟通信发展到了数字移动通信阶段，并且正朝着 个人通信这一更高级阶段发展。未来移动通信的目标是，能在任何时间、任何 地点、向任何人提供快速可靠的通信服务。 随着各式各样的无线和数据业务不断出现，无线资源变得越来越紧张，如 何更高效地利用有限的通信资源成为无线通信新技术发展的焦点所在。近年来， m i m o 技术由于能较大幅度地提高频带利用率，被视为未来无线移动通信系统 的关键技术之一。本文主要研究m i m o 通信系统中空时编码的有关问题。 本章首先介绍了论文的研究背景，然后介绍空时编码的研究现状和进展， 最后介绍了本论文的内容安排。 1 1 研究背景 现代无线通信起源于1 9 世纪h e r t z 的电磁波辐射试验，真正的移动通信技 术的发展应从2 0 世纪2 0 年代开始，到目前为止移动通信经历了从第一代模拟 移动通信系统，第二代数字移动通信系统g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ) ，正 在向第三代( t h e3 r dg e n e r a t i o n ) 移动通信系统以及后3 g 、4 g 发展。 第一代移动通信系统( 1 g ) 出现于2 0 世纪8 0 年代早期，主要采用的是模拟 技术和频分多址( f d m a ，f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s ) 技术。但由于受到 模拟信号传输带宽所限以及各类通信系统制式不统一，不能进行移动通信的长 途漫游，所以1 g 只能是一种区域性的移动通信系统。 第二代移动通信系统( 2 0 ) 起源于9 0 年代初期，主要采用数字式的时分多址 ( t d m a ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s ) 技术和码分多址( c d m a ，c o d ed i v i s i o n m u l t i p l e xa c c e s s ) 技术。第二代移动通信系统主要为支持话音和低速率的数据业 务而设计，但随着人们对通信业务范围和业务速率要求不断提高，它将很难满 足新的业务需求。 第三代移动通信系统( 3 g ) ，也称国际移动通信系统i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a l m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n 2 0 0 0 ) ，是正在全力开发的系统。i m t - 2 0 0 0 的目标是 全球统一频段，统一标准，全球无缝覆盖及漫游；以实现高服务质量，便于携 带，价格较低；可与各种移动通信系统融合，并适应多用户环境，包括室内、 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 室外、快速移动和卫星环境，实现车速环境1 4 4k b i t s 速率，步行环境3 8 4k b i t s 速率，室内环境2m b i t s 速率的无线多媒体通信。 目前，人们把目光投向b 3 g 或4 g 移动通信系统中，使其可容纳更多的用 户数、改善现有的通信质量、以及达到更高数据传输速率。然而，带宽的限制、 传播的能量衰减、信道的时变特性、多径衰落、噪声以及干扰等问题却严重制 约着无线通信业务的发展。通过采用更高的功率在发送端进行发射或者采用额 外的带宽来改善系统性能，在多径环境下是不切实际的，需要在不增加额外功 率和不牺牲带宽的情况下，有效地减少多径衰落对通信系统性能的影响。要想 解决这些问题，其中一个有效方法就是采用分集技术。 分集( d i v e r s i t y ) 技术是一项主要的抗衰落技术，它既研究如何充分利用传输 中的多径信号能量，以改善传输的可靠性，又研究利用信号的基本参量在时域、 频域和空域中，如何分散开又如何收集起来的技术。常用的分集技术有时间分 集( 基于多普勒扩展) ，频率分集( 基于时延扩展) 和空间分集( 基于多天线) 。无 线通信业务量激增造成的无线信道资源的紧缺，制约了时间分集和频率分集的 使用，因此空间分集便成为目前较为可行的解决方法。 空间分集按照实现的位置不同，可分为发射分集和接收分集。关于接收分 集的研究已有大量的文献资料，技术比较成熟，而发射分集则是这几年新兴的 研究方向【1 2 3 】。由于下行传输的信道一般是未知的，加之移动端的体积和功率 的限制，很难在移动端设计多个天线来实现接收分集，因此发射分集的研究就 具有重要的现实意义，尤其是多天线系统( m i m o ：m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 发射分集概念的提出给解决这一问题提供了全新的思路。 m i m o 技术结合信道编码技术，可以极大地提高通信系统的性能，这样就 导致了空时编码( s p a c e t i m ec o d i n g ) 技术的产生。空时编码技术利用多发射和 多接收天线，将发射分集技术和接收分集技术相结合，在各阵元的发射信号之 间引入时域和空域的相关，并且将信号处理技术与编码技术有机的结合在一起， 获得了很高的分集增益和编码增益，因而具有非常优异的性能，具有广阔的应 用前景。 1 2 空时编码研究现状与进展 空时编码的工作最初起源于2 0 世纪9 0 年代初期s t a n f o r d 的r a l e i g t h 和 c i o f f i 的工作以及瑞士a s c o m 的w i i t t n e b e n 2 4 l ，近期有突出工作的主要有 l u c e n tl a b 的f o s c h i n i 与g a n s 以及a t & t r e s e a r c hl a b s 的t a r o k h 等【5 ，6 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 空时编码的模型最早是由美国的l u c e n tb e l l 实验室提出的，并于1 9 9 6 年提 出了在无线通信中用多元天线( m e a ) 构造的分层空时结构i7 ，在此基础上他们 开发出了b l a s t 试验系统。随后，美国a t & t 实验室的vt a r o k h 在此启发下， 首先提出空时码【6 l ( s t c ：s p a c e t i m ec o d e ) 概念，信号在时间域和空间域上都 引入编码就称之为空时码。在文献 6 中用网格编码调制( t c m ) 构造了一些分集 度不高的空时码，称为空时网格码( s t r c ：s p a c e t i m et r e l l i s ec o d e ) 。后来， a l a m o u t i 发现了一种简单的发射分集技术一正交发射分集i 8 j ，在此分集技术中 他实际上采用了简单的正交分组编码，这在后来的文献 9 中被归纳为空时分组 码( s t b c ：s p a c e t h n eb l o c kc o d e ) 。这三种空时编码在解码时都假设接收端已 知信道状态信息( c s i ：c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) ，需要在接收端进行信道估计。 在信道相对符号速率变化缓慢的情况下，接收端可以通过发射端发送已知 的训练符号或导频序列来获得c s i 。但在发射天线数目较多或移动台高速移动 使信道衰落系数变化较快时，接收端就很难进行准确信道估计，有时甚至根本 无法估计。因此，如何设计不需要信道估计的空时编码显得十分重要，酉空时 编码和差分空时编码就是根据这个要求提出的1 1 0 l 。酉空时编码( u s t c ：u n i t a r y s p a c e t i m ec o d e ) 在形式上类似于s t b c ，是h o c h w a l d 根据文献 1 1 的结论构造 的一种接收端不需信道估计的空时编码。差分空时编码的概念最早由t a r o k h 提 出【1 2 1 。h o c h w a l d 通过引入一类对角信号将酉空时编码的思想推广到多天线信 道，给出了种基于酉空时编码的差分空时编列1 3 j 。h u g h e s 提出了一种基于群 码的多天线差分调制方法1 1 4 j 。 目前空时编码根据是否已知信道状态信息( c s i ) 可以分为两类：即已知c s i 的空时码，未知c s i 的空时码，详细分类如图1 - 1 。 空时编码 赢憾黧瑟 未知c s i 的空时码 酉空时码( u s t c ) f 差分空时分组码( d s t b c ) 差分空时码 差分酉空时码( d u s t c ) i 差分群空时码( d o s r c ) 图卜l 空时编码分类 第一类空时编码：解码时需要确切知道c s i ，具体可分为下面三种： 分层空时编码( l s t c ：l a y e r e ds p a c e t i m ec o d i n g ) 技术 1 9 9 6 年，美国b e l l 实验室提出了分层空时编码的概念，并于1 9 9 8 年提出 t 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 了分层空时编码技术的框架1 7 1 ，在此基础上开发出了b l a s t ( b e l ll a y e r e d s p a c e t i m e ) 试验系统。这种系统的结构简单，易于实现。频带利用率随着发射 天线的增加线性增加。它所能达到的频带利用率和传输速率是单天线系统所无 法想象的，但其抗衰落性能不是很好。 空时网格编码( s t t c ：s p a c e t i m et r e l l i sc o d i n g ) 技术 a t & t 实验室的t a r o k h 等人提出的用于高速数据无线通信的空时网格编码 ( s t t c ) 技术同时利用了传输分集和信道编码技术【6 j 。这种空时编码以网格编码 调制为基础，具有很高的编码增益和分集增益。由于该编码方法的译码复杂度 将随着传输速率的增加而呈指数的增加。因此在进行高速率数据传输时，其译 码过程极其复杂，目前多用计算机搜索实现，这成为限制它在实际中应用的最大 障碍。 空时分组编码( s t b c ：s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ) 技术 由于空时网格编码的编译码比较复杂，美国的c a d e n c e 公司的研究人员提 出了一种基于正交设计的空时编码空时分组编码1 8 9 1 。在a l a m o u t i 的基础 上，t a r o k h 又提出了采用两个以上发射天线的空时分组码的编码方法【1 5 l 。与 a l a m o u t i 编码方法相同，t a r o k h 仍然采用正交设计的编码矩阵，这种编码方式 与空时网格码相比它不能获得编码增益，但可以获得最大的分集增益。虽然它 的性能比空时网格码的性能略差，但其构造容易，译码简单。 第二类空时编码：编解码时发射和接收端都不需已知c s i ，具体分为两种： 酉空时编码( u s t c ：u n i t a r ys p a c e - t i m ec 埘i n g ) 技术 酉空时编码是h o c h w a l d 构造的一种接收端不需信道估计的空时编码，要 求发送码矩阵为酉矩阵。酉空时编码作为快衰落信道下的一种空时编码解决方 案，因为好性能的酉空时编码需要大量的酉矩阵1 1 6 l ，如何更系统有效地解决这 一问题则是今后一个重要的研究方向。 差分空时编码( d s t b c ：d i f f e r e n t i a ls p a c e t i m ec o d i n g ) 技术 t a r o k h 提出一种简单的提供分集的发射方案，基本思想类似于单天线条件 下的差分调制技术【1 2 1 。h j a f a r k h a n i 和vt a r o k h 基于广义的正交空时分组编码 将此差分检测方案由两个发射天线推广至多个发射天线旧。差分空时编码与相 应的空时分组编码相比，性能上要差3 d b ，但它的最大优点是编译码都不需要 c s i ，在接收端也支持最大线性解码。 总的来说，空时编码降低了无线通信系统对多径衰落的敏感程度，在限定 总发射功率的情况下提高了信息传输的可靠性；在相同的码率前提下，又大大 提高了无线通信系统的传输效率，其频谱有效性可达到当前系统的3 - 4 倍，甚 至更高。此外，在蜂窝无线通信系统中采用空时编码调制技术，一方面允许系 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 统使用更大的复用系数，大大提高了系统容量；另一方面，采用空时编码调制 技术以后，只要在基站采用多天线发、多天线收，移动手机采用单天线发、单 天线收就可以很好地抵抗衰落。空时编码正是由于它的这些优点，使得它自提 出以来，就得到了广泛关注，并被3 g p p 正式列入w c d m a 提案中，其下行 开环空时发射分集( s t r d ，s p a c e t i m et r a n s m i td i v e r s i t y ) 就是基于发射分集的 空时分组编码。而3 g p p 2 标准采用空时扩频( s t s ：s p a c e t i m es p r e a d i n g ) 、正交 发射分集( o t d ：o r t h o g o n a lt r a n s m i td i v e r s i t y ) 、分层空时结构( b l a s t ：b e l l l a y e r e ds p a c e t i m e ) 作为提高传输速率和传输质量的关键技术。从目前的研究 结果看，空时编码是一种极具潜力的技术，有着很好的应用前景。也必将成为 第四代移动通信系统中的关键技术。 目前，对空时编码的研究在国际上仍处于理论研究阶段，英、美一些国家 处于领先水平，从事该方向研究的机构主要有a t & t 、爱立信、加洲大学、斯 坦福大学等，同时我国在这方面的研究也取得了一些成果。由于空时编码是一 种问世不久的新技术，还有很多问题尚待解决。如何对空时编码进行更有效的 干扰抑制与编译码，如何使空时编码与其他技术有效地结合，在相关多径衰落 时延情况下怎样使空时编码更有效等许多问题，还有待继续深入地研究。 1 3 论文的组织结构 空时编码技术是研究未来无线移动通信的重要前沿。差分空时分组码作为 空时编码的一个分支，它适应于未来通信的快变衰落信道，与一般的空时码不 同的是，它的译码不需要c s i ，但仍能保持良好的译码性能，因此具有特定的应 用背景。针对目前存在的主要问题和发展方向，本论文在对国内外已有差分空 时分组编码方案分析的基础上，通过大量理论分析和仿真，对瑞利及频率选择 性衰落信道下的差分空时分组码进行了研究。本文的主要工作如下： l 、通过总结国内外已有的空时编码方案( 包括传统相干检测下的空时码、 酉空时码和差分空时码) ，对空时编码进行了分类，介绍了准静态衰落信道下空 时编码设计准则，分析了各种空时编码原理，对其优缺点进行了全面的分析， 主要对空时分组码进行了研究，并给出了其仿真性能分析。 2 、着重研究了传统的差分空时分组编译码原理，由于传统的两发射天线 d s t b c 在q p s k 调制时存在星座扩展问题，通过引入冗余改进了系数矢量映射， 解决了星座扩展问题，同时提供了一定的编码增益。传统四发射天线的d s t b c 由于在复信号星座调制时不满足系数矢量的单位长度设计准则，因此它只适用 于实信号星座调制，通过实虚部分离的方法给出了适合复信号星座调制的编译 码算法，通过仿真验证了它的有效性和可行性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 3 、研究了差分空时分组码在宽带0 f d m 系统中的应用，通过分析 s t c o f d m 系统在频率选择性衰落信道中的性能，并提出了d s t b c o f d m 系 统结构，仿真分析了不同多径、衰减和时延及典型的s u i 信道对其性能的影响， 结果表明该结构具有良好的性能，不仅可以获得空时分集带来的分集增益，而 且可以获得频率选择性衰落信道带来的分集增益。 论文共分为五部分，结构安排如下： 第一章为绪论部分，首先介绍了论文的研究背景、总结了空时编码的研究 现状和应用前景，最后给出了论文的结构安排及研究内容。 第二章主要对无线通信中信道的研究，介绍了移动信道的衰落特性，分析 了无线传播对信号的几种主要影响，研究了移动通信系统的典型多径衰落信道 模型。 第三章主要对空时编码的研究，首先对空时编码信道模型作了简要地阐述， 论述了空时编码的性能标准和设计准则即秩准则和行列式准则。重点分析了第 一类空时码( 包括分层空时码、空时网格码、空时分组码) 的系统组成、编译 码原理和性能，简要分析了各类空时编码技术的优缺点，尤其对空时分组码做 了较为详细的论述，并对其性能进行了仿真，为后边章节差分空时分组码做了 基础理论的准备，最后简要介绍了第二类空时码。 第四章着重研究了差分空时分组编译码原理并提出了改进的方案。由于传 统的两发射天线d s t b c 在q p s k 调制时存在星座扩展问题，通过引入冗余改进了 系数矢量映射，解决了星座扩展问题，同时提供了一定的编码增益。对于四发 射天线的d s t b c ，由于它仅仅只适用于实信号星座调制，通过实虚部分离的方法 给出了适于复信号星座调制的编译码算法，并通过仿真验证了此算法的有效性 和可行性。 第五章研究了差分空时分组码与正交频分复用( o f d m ) 相结合的技术，阐 述了o f d m 的基本原理，分析了s t c o f d m 系统在频率选择性衰落信道中的 性能，并提出了d s t b c - o f d m 系统结构，仿真并分析了在频率选择性信道下 的性能，结果表明该结构具有良好的性能，不仅可以获得空时分集带来的分集 增益，而且可以获得频率选择性衰落信道带来的分集增益。 最后，总结了本论文所作的研究工作并对空时编码在今后的研究方向和应 用进行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章无线通信中的信道特征 信道是发射端和接收端之间传播媒介的总称，它是任何一个通信系统不可 或缺的组成部分。按传播媒介的不同，物理信道分为有线信道和无线信道两大 类。有线信道是平稳的和可预测的，而无线信道由于环境变化、时延扩展，使 得接收到的信号呈现随机分布特性，并且不易分析。 2 1 无线通信中的传输衰减 信号在自由空间中传播，受外界信道条件的影响很大。由于天气的变化、 建筑物和移动物体的遮挡、反射和散射作用以及移动台的运动造成的多普勒频 移的影响等造成信道的变化，使得信号在传播过程中主要受到自由路径损耗， 阴影衰落和多径衰落的影响1 1 8 , 1 9 刎。 2 1 1 路径损耗 路径损耗，又称衰耗，它是指电波在空间传播所产生的损耗，它反映了传 播在大尺度的空间( 数百米或数千米) 距离内接收信号电平平均值随发射一接收 距离而变化的特性，因此又叫做大尺度衰落。 路径损耗主要由平方率扩展、水气和叶群的吸收、地表反射等引起，它与 移动台到基站之间的距离有关。一个全向天线发送的无线电波在传输时是以球 面波的形式向四周扩散。所以当假设在自由空间中传播时，我们可以有： 三一( 4 万够c ) 2 ( 2 - 1 ) 代表路径损耗，d 代表收发端的距离，代表无线电波频率，c 代表光速。 2 1 2 阴影衰落损耗 由于在电波传输路径上受到传输环境中的地形起伏、建筑物遮蔽等的影响 而产生电磁场的阴影区，当手机通过不同的阴影区，就会引起信号中值较慢地 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 上下起伏，这种信号幅度的强弱变化现象称为阴影效应，由阴影效应而产生的 损耗称为阴影衰落损耗。它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值慢 变化特性，亦称慢衰落，又叫中等尺度衰落。由于慢衰落表示接收信号的长期 变化，所以又称长期衰落( 1 0 n g - t e r m f a d i n g ) 。 一般认为慢衰落符合对数正态分布( 1 0 9 n o r m a ld i s t r i b u t i o n ) ： p ”去唧 掣】 防2 ， 式中胁是信号场强中值( d b ) ，m 是m 的均值( d b ) ，盯为基于位置函数的标准方 差，随频率、天线高度和环境而变化，在市郊最大，在开阔地区最小，其值通 常在5 1 2 d b 。 2 1 3 多径衰落损耗 多径衰落由移动传播环境中的多径传输而引起的。由于移动体周围有许多 散射、反射和折射体( 如图2 1 所示，由发射端至移动接收端，a 为直射信号， b 为反射信号，c 为衍射信号，d 为散射信号) 引起信号的多径传输，使到达的 信号之间相互叠加，其合成信号幅度表现为快速的起伏变化，它反映小尺度范 围内( 数个或数十个波长) 内接收信号场强瞬时值的快速变化特性，因此又叫做 小尺度衰落。一般遵从r a y l e i g h ( 瑞利) 分布或r i c i a n ( 莱斯) 分布，其变化率 比慢衰落快，故称它为快衰落，由于快衰落表示接收信号的短期变化，所以又 称短期衰落( s h o r t t e r m f a d i n g ) 。 图2 1 多径衰落路径示意图 对于移动通信系统来说，路径衰落和多径效应对信号传输质量起决定作用。路 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 径衰落决定了系统的覆盖范围，而多径效应产生的多径衰落、多谱勒频移给传 输质量带来了很大的影响，需要采用相应的技术予以消除。因此，本章对无线 信道的研究主要集中在多径效应信道特性带来的影响上。 2 2 多径衰落信道 信道是发射端和接收端之间传输介质的总称。多径传播引起接收信号的幅 度、相位和到达时间的随机变化，同相叠加使信号增强，反相叠加使信号减弱。 从而导致接收信号幅度的剧烈变化以及接收信号在不同维的扩展( 频率、时间、 空间) ，产生所谓的多径衰落，严重影响信号的传输质量。根据接收信号受多径 影响导致接收信号产生时延扩展、多普勒扩展和角度扩展，相应地使快衰落信 道划分为频率、时间、空间选择性衰落1 2 1 捌。 2 2 1 频率选择性衰落 频率选择性衰落，即时延扩展，假设在发射端发射某一时间宽度极窄的信 号脉冲，在通过多径信道到达接收端时由于各信道时延的不同，接收的信号为 一串脉冲，即接收信号比原脉冲展宽了，如图2 2 所示。这种由于信道时延引 起的信号波形的展宽称为时延扩展。时延扩展产生频率选择性衰落。 止血 t o t 每t ，幸f ：i 专f 材 图2 - 2 多径信道时延的作用 设发射信号s ( f ) 经过m 个不同路径传输后到达接收端，接收信号为 ，( f ) 一善口t s ( t1 ) ( 2 3 ) 其中a ；为衰减系数，f ；为延时时间。 定义a t 为平均时延的均方根，则f 越大，时延扩展越严重；f 越小，时 延扩展越轻。时延扩展引起的频率选择性衰落用相干带宽描述。定义相干带宽 1 2 3 l ： b , f f i v - 面1 ( 2 - 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 相干带宽表示信道在两个频移处的频率响应保持强相关情况下的最大频率 差。对于传输信道，相干带宽越小，时延扩展越大，则相干带宽与信号带宽的 比越小，信号的相关性变差，信道的频率选择性越强，呈频率选择性衰落。相 反，相干带宽越大，时延扩展越小相干带宽与信号带宽的比越大，信号的相关 性很好，信道的频率选择性越弱，衰落特性平坦。即： 若b a r ，则接收信号为平坦衰落； 若b ， b 或者t _ 工_ + “ 露 挥置 k j 一， 品l 其中，h 。为t 时刻第加个发送天线与第刀个接收天线之间的衰落因子，k 为t 时 刻从第聊根天线发出的符号，为t 时刻第疗根接收天线上受到的加性高斯噪 声。将( 3 - 2 ) 式写成矩阵形式( 即t 时刻的接收矩阵) ： rt 冠y + ( 3 3 ) 其中：尺一“，r ：, - - - , r l - ) r ，x “，屯9 x s t r ) 7 ，= 国，7 ：，7 ) r 信道传输矩阵h - h l lh 1 2 h 2 1h 荭 h 。1h 。2 在接收端通过信道估计若完全已知信道响应，采用最大似然检测的方法来 解调。发射机没有关于信道的任何信息，在接收端，依据假定的接收序列和真 实接收序列之间的平方欧几里德距离计算判决度量 工| , 一s -1 2 善新一渺叫 浯4 ， 译码器选择具有最小判决度量的码字作为输出。 坼，： 竹 啊允。 k 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 3 2 空时编码的设计准则 衡量空时编码性能的参数有两个：一是采用多发射天线和多接收天线所得 到的分集增益，分集增益是相同差错概率时的空间分集系统相对于无分集系统 的功率增益的近似量度，它决定误码率曲线随信噪比增加而下降的速率：二是编 码所得到的编码增益，编码增益是相同分集增益和相同差错概率时的编码系统 相对于无编码系统的功率增益的量度，它决定误码率曲线的水平偏移程度。针对 这两个参数及相关理论分析，可得在准静态条件下空时码的设计准则1 6 ，z 7 1 。 首先，假设每根天线上的发射数据帧长为l 个符号。将发射序列按矩阵排 列如下，定义为n ，x l 的空时码字矩阵 x - 【x l , x 2 ，工卜 工： z ? ： x ? ( 3 - 5 ) 其中，第i 行的工- 瞳，x ：，z ：】是从第i 根发射天线发射的数据序列，第t 列的 t w ，z ? ，x ? r 】是时n t 的空时符号。 以个时隙内的数据符号为一帧来考虑，假设发送矩阵为x ，接收端已知 理想的c s i ，则接收端利用最大似然检测误判发送矩阵为j 的条件成对错误概 率为： 删，2 1 h ) s j le x p - _ 淞，j ) 彘 - 6 ) 其中层。为星座图中每个信号点的平均能量，。为每个接收天线上的噪声的 单边功率谱密度，d ：僻，j ) 是两个空时码字之间的欧氏距离，并且有 d ：- | p ( j x ) 9 2 - 砉薹i 耋 ；。 ：一工；) f 2 c 3 7 ) 我们定义码字差别矩 b ( x ，膏) 为 b ( x ，x ) - x x 一 石：- k ：x ：- i ： 工：- ；c ： z ? - ；c ?工；- $ c ；工：一戈： ； 工一j 工；r 一量x ：r j ：7 ( 3 - 8 ) 同时构造一个n ，xn ，的码字距离矩阵a ( x ，膏) ，定义为 a ( x ，j ) 一曰( x ，j ) b h ( x ，膏) ( 3 9 ) 显而易见，a ( x ，膏) 是非负定h e r m i t i a n 矩阵，所以彳似，j ) 的所有疗，个特 t ；砖 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 征值 o - 1 , 2 ，以，) 均为非负的实数。因此根据矩阵特征分解理论知，必然存 在酉矩阵v 和实对角矩阵，满足 v a ( x ，2 ) v 一( 3 - 1 0 ) 矩阵y 的行如。，y ：，y 。 是矩阵名僻，j ) 的特征矢量，构成丹，维矢量空间上 的完全正交基。矩阵的对角元素是矩阵a ( x ，j ) 的特征值 苫0 ，i 1 , 2 ，n ，。 则对角矩阵可以表示为 a i i g 0 0 a 2 00 0 0 ； ( 3 一1 1 ) 假设j i i ，一q 2 ，h 胁) ，则( 3 7 ) 可改写为 ( z ，j ) - 荟矗j a ( x ，j ) 矗芦- 乏艺五f 芦j ，f ( 3 1 2 ) 其中“h ；屹，且表示矢量的内积。将式( 3 - 1 2 ) 代入( 3 - 6 ) 可得 聃舢) s 刊1 一萋跏，嘉 ( 3 1 3 ) 设k 7 陋o 柚) ，e ( j i ) ，e ( 胁) ) r ，e q ) 为 的复均值。由于| i i “为相互独立 的复高斯随机变量，且v 是酉矩阵，t v ! , 1 1 2 ，一，v 。， 为n 维矢量空f q 上的完全正交 基，所以声“也是相互独立的复高斯随机变量，且均值为ks e ，双边方差为0 5 ， 令k 乒一陋( p ，) i - 沁卜匕i 。，则l 卢，i 服从独立的r i c i a n 分布，其概率密度为 p 4 叫)