（通信与信息系统专业论文）mimocpm的信道模型、空时编码和同步技术研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 摘要 人们对信息需求的增长与有限的可利用的频谱资源之间的矛盾，要求下一 代的通信系统必须具有更高的频谱效率，才能满足通信容量迅速增长的需求。 多输入多输出( m i m o ) 技术可以显著提高系统的频谱利用率、传输效率和性 能。在未来无线通信系统中具有良好的应用前景。连续相位调制( c p m ) 模式， 通过平滑符号间过渡相位来改善谱密度特性。它是一种性能优良的调制模式， 是各种新型移动通信、无线电台的主要调制模式之一。本文从m i m o 和c p m 的基本原理出发，针对m i m o c p m 系统的几项关键技术进行了探索与创新性 研究。 无线信道是影响传输系统数学模型和算法设计的关键因素。基于已有的理 论成果，本文给出了一种非线性相关信道模型的建模方法，从空间相关性着手， 采用经典的j a k e s 模型来生成衰落信号并结合非线性功放的特性，提出了非线 性m i m o 相关衰落系数矩阵的产生方法。另一方面，本文分析了2 天线正交空 时编码的c p m ( o s t - c p m ) 系统的最大似然序列检测算法( m l s d ) 在非线性 m i m o 相关信道中的性能特性。信道相关性对o s t - c p m 系统的影响与对空时 编码结合线性调制模式时的影响类似，它将导致o s t - c p m 系统m l s d 算法的 编码性能下降，但是分集增益不变，而且仍可达到满增益。当存在非线性失真 时，本文采用预失真电路来补偿非线性功放对o s t - c p m 系统m l s d 算法性能 的影响。由于c p m 信号的恒包络特性，非线性功放对o s t - c p m 系统的非相干 检测算法的编码性能基本没有影响。这也是m i m o c p m 系统优于多天线结合 线性调制模式系统的主要性能之一。 m i m o c p m 系统的另一个关键技术是空时编译码问题。利用c p m 信号的 r i m o l d i 分解思想，本文提出了两种空时编码c p m 系统的设计方法，空时编码 采用历域上的卷积编码和空时网格编码方式。这两种联合编码的c p m 系统不 仅适用于r c 和r e c 成形的全响应c p m 信号，而且适用于部分响应c p m 信号。 通过将空时编码与c p m 信号中的c p e 模块联合编码设计后，系统的整体编码 方式相当简单。虽然空时编码结合部分响应c p m 信号的s t c 2 r c c p m 系统比 全响应的s t c 1 r c ，c p m 性能略差，但是由于部分响应c p m 信号具有更高的频 谱利用率，因此在实际通信系统中具有更广的应用前景。针对o s t - c p m 系统， 本文又提出了一种适用于r c 以及r e c 成形的全响应c p m 信号的非相干检测 算法。在准静态衰落信道中，非相干检测算法的性能虽然比m l s d 算法的性能 略差，但是由于该算法不需要知道信道状态信息，因此具有实用价值。然而在 快r a y l e i g h 衰落信道中，当增加观察窗口长度时，非相干检测算法的性能急剧 恶化，这也是该算法的应用局限。 i i i 浙江大学博士学位论文摘要 同步是通信系统接收机工作的基础。针对m i m o c p m 系统，本文提出了 两种基于不同形式的训练序列的符号定时估计算法。两种符号定时同步算法均 不依赖于具体的空时码型，因此适用于任意的空时编码结合c p m 信号的 m i m o c p m 系统，具有很强的通用性。方法二较方法一具有更简单的结构、更 少的运算量、更广的应用范围以及更优的估计性能。空时网格编码c p m 系统在 非理想同步情况下采用方法二时的误帧率( f r a m ee r r o rr a t e ，f e r ) 性能下降 不大。但是，当衰落速度增加时，方法二的均方误差性能逐渐下降，因此该算 法不适用于快衰落的r a y l e i g h 信道。 关键字：连续相位调制，多输入多输出，非线性m i m o 相关信道，空时编译码， 非相干检测，符号定时同步 w 浙江大学博士学位论文摘要 a b s t r a c t t h eg r o w t hi nd e m a n df o ri n f o i i 1 a t i o na n dt h el i m i t e ds p e c t r u mr e s o u r c e so f a v a i l a b l ea r ei nt h ec o n f l i c t t h u st h er e q u i r e m e n t so ft h en e x tg e n e r a t i o no f c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sm u s th a v eh i g h e rs p e c t r u me f f i c i e n c yt om e e tr a p i d l y g r o w i n gd e m a n di n c o m m u n i c a t i o nc a p a c i t y 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 ) t e c h n o l o g y c a ns i g n i f i 。牟n t l y i m p r o v et h es y s t e ms p e c t r u me f f i c i e n c y , t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya n dp e r f o lm a n c e i nt h ef u t u r ei tw i l lh a v eg o o dp r o s p e c t si n w 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 c o n t i n u o u sp h a s em o d u l a t i o n ( c p m ) i m p r o v e st h e p r o p e r t i e so fs p e c t r a ld e n s i t yb yf f m o o t h i n gt h et r a n s i t i o np h a s eb e t w e e ns y m b o l s i t i sam o d eo fg o o dp e r f o r m a n c e ，a n di so n eo ft h em a i nm o d u l a t i o nm o d e so fa v a r i e t yo fn e w m o b i l ec o m m u n i c a t i o na n dw i r e l e s sr a d i o i nt h i st h e s i s ，b a s e do nt h e b a s i cp r i n c i p l eo fm i m oa n dc p m ，an u m b e ro fk e yt e c h n o l o g i e so fm i m o - c p m s y s t e m sa r ei n d e p t hi n v e s t i g a t e df r o mt h e o r e t i c a la s p e c t s t h ei m p a c to fw i r e l e s sc h a n n e li sak e yf a c t o ri nam a t h e m a t i c a lm o d e la n d a l g o r i t h md e s i g no ft r a n s m i s s i o ns y s t e m b a s e do nt h ee x i s t i n gt h e o r e t i c a lr e s u l t s ， t h em o d e l i n gm e t h o do ft h en o n - l i n e a ra n dc o r r e l a t e dc h a n n e li sg i v e n i ts t a r t sf r o m t h es p a t i a lc o r r e l a t i o n ，a n dt h e nu s e st h ec l a s s i cj a k e sm o d e lt og e n e r a t et h ef a d i n g s i g n a l si nc o m b i n a t i o nw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o n - l i n e a rp o w e ra m p l i f i e r a g e n e r a t i n gm e t h o do ft h ec o e f f i c i e n tm a t r i xo fan o n l i n e a ra n dc o r r e l a t e dm i m o f a d i n gi sp r o p o s e d o nt h eo t h e rh a n d , t h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e d ， o f2 一a n t e n n ao r t h o g o n a ls p a c e t i m ec o d e dc p m ( o s t - c p m ) s y s t e mf o rm a x i m u m l i k e l i h o o ds e q u e n c ed e t e c t i o na l g o r i t h m ( m l s d ) i nt h en o n l i n e a ra n dc o r r e c t e d m i m oc h a n n e l t h ei m p a c to fc h a n n e lc o r r e l a t i o no nt h eo s t - c p ms y s t e mi s s i m i l a rw i t ht h a to ns p a c e - t i m ec o d i n gc o m b i n e dw i t hal i n e a rm o d u l m i o nm o d e i t w i l ll e a dt op e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o no fm l s da l g o r i t h mf o ro s t - c p ms y s t e m ，b u t h a v et h es a m ed i v e r s i t yg a i n ，a n dc a na t t a i nf u l ld i v e r s i t yg a i n w h e nt h en o n l i n e a r d i s t o r t i o ne x i s t s ，ap r e d i s t o r t i o nc i r c u i ti sa p p l i e dt oc o m p e n s a t et h ei m p a c to f n o n - l i n e a rp o w e ra m p l i f i e ro nt h em l s da l g o r i t h mo fo s t - c p ms y s t e m s 。t h e r ei s l i t t l ee f f e c to fl i o n - - l i n e a rp o w e ra m p l i f i e ro ne n c o d i n gp e r f o r m a n c eo fn o n - c o h e r e n t d e t e c t i o na l g o r i t h mf o ro s t - c p ms y s t e m , d u et ot h ec h a r a c t e r i s t i co fc o n s t a n t e n v e l o p eo fc p ms i g n a l s t h i si so n eo ft h em a i na d v a n t a g e so fm i m o c p m s y s t e m st h a nm u l t i a n t e n n as y s t e m sc o m b i n e dw i t hl i n e a rm o d u l a t i o nm o d e s a n o t h e rk e yt e c h n o l o g ym i m o c p ms y s t e mi st h ei s s u eo fs p a c e - t i m e e n c o d i n ga n dd e c o d i n g i nt h i sp a p e r , t w od e s i g nm e t h o d so fs p a c e t i m ec o d e dc p m v 浙江大学博士学位论文 摘要 s y s t e m sa r ep r o p o s e d ，b a s e do nr i m o l d id e c o m p o s i t i o no fc p ms i g n a l s a n dt h e s p a c e - t i m ec o d i n gc o u l db e 勿- d o m a i n e dc o n v o l u t i o n a lc o d i n ga n ds p a c e t i m e t r e l l i sc o d i n g b o t ht h ej o i n tc o d e dc p ms y s t e m sa r ea p p l i c a b l en o to n l yt or ca n d r e cs h a p e df u l lr e s p o n s ec p ms i g n a l s ，b u ta l s ot op a r t i a lr e s p o n s ec p ms i g n a l s t h eo v e r a l le n c o d i n gs y s t e mc o u l db eq u i t es i m p l et h r o u g hj o i n tc o d i n gd e s i g no f t h es p a c e t i m ec o d i n ga n dc p em o d u l eo fc p ms i g n a l s a l t h o u g ht h ep e r f o r m a n c e o ft h es t c - 2 r c - c p ms y s t e mi ss l i g h t l yw o r s et h a nt h a to ft h es t c 1r c - c p m s y s t e m ，t h es t c 2 r c c p ms y s t e mw i l lh a v ew i d e ra p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h e a c t u a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，d u et oh i g h e rs p e c t r u me f f i c i e n c yo fp a r t i a lr e s p o n s e c p ms i g n a l s a ni m p r o v e dn o n - c o h e r e n td e t e c t i o na l g o r i t h mf o ro s t - c p ms y s t e m i sp r o p o s e d ，w h i c hi sm a i n l ya p p l i e dt or ca n dr e cs h a p e df u l lr e s p o n s ec p m s i g n a l s t h ep e r f o r m a n c eo ft h en o n c o h e r e n td e t e c t i o na l g o r i t h mi ss l i g h t l yw o r s e t h a nt h a to ft h em l s da l g o r i t h mo v e rq u a s i - s t a t i cf a d i n gc h a n n e l s h o w e v e rt h e n o n - c o h e r e n ta l g o r i t h md o e sn o tn e e dt ok n o wt h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，i th a s m o r ep r a c t i c a lv a l u e s i nf a s tr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l s ，w h e nt h el e n g t ho f o b s e r v a t i o nw i n d o wi n c r e a s e s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h en o n - c o h e r e n td e t e c t i o n a l g o r i t h md e g r a d e sr a p i d l y , w h i c h i st h ea p p l i c a t i o nl i m i t a t i o n so ft h i sa l g o r i t h m s y n c h r o n i z a t i o ni st h eb a s i so ft h er e c e i v e ro fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t w o s y m b o lt i m i n ge s t i m a t i o na l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d ，b a s e do nd i f f e r e n tf o r m so f t r a i n i n gs e q u e n c e s t h et w os y m b o lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m s d on o t d e p e n do nt h es p e c i f i ct y p e so fs p a c e - t i m ec o d e s ，t h u si ti sa p p l i e dt om i m o c p m s y s t e m so fa n ys p a c e - t i m ec o d i n gc o m b i n e dw i t hc p ms i g n a l s t h es e c o n dm e t h o d h a sas i m p l e rs t r u c t u r e ，l e s sc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , ab r o a d e r r a n g eo f a p p l i c a t i o n sa n db e t t e re s t i m a t i o np e r f o r m a n c et h a nt h ef i r s tm e t h o d t h ef r a m e e r r o rr a t e ( f e r ) p e r f o r m a n c eo fs p a c e t i m et r e l l i sc o d e dc p m ( s t t c - c p m ) s y s t e m d e c r e a s e sal i t t l ei nc a s eo fn o n - i d e a ls y n c h r o n i z a t i o nw h e nt h es e c o n dt i m i n g a l g o r i t h mi se m p l o y e d h o w e v e r , w h e nt h ef a d i n gr a t ei n c r e a s e s ，t h em e a n s q u a r e e r r o rp e r f o r m a n c eo ft h es e c o n dm e t h o dg r a d u a l l yd e c r e a s e d c o n s e q u e n t l yt h i s a l g o r i t h md o e sn o ta p p l yt ot h er a y l e i g hf a s tf a d i n gc h a n n e l s k e y w o r d s ：c o n t i n u e sp h a s em o d u l a t i o n ( c p m ) ，m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) ，n o n - l i n e a rm i m o c o r r e l a t e dc h a n n e l s ，s p a c e t i m ee n c o d e ra n dd e c o d e r , n o n c o h e r e n td e t e c t i o n , s y m b o lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n v i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他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作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：夕也曼两签字日期：弘灼7 年6 月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：影也曼丽 导师签名：触厶吻 签字日期：矽叩年易月9e t签字日期：们7 年石 月9e t | 浙江大学博士学位论文致谢 致谢 本文是在导师仇佩亮教授和赵民建老师的悉心指导下完成的。首先我要衷 心感谢仇佩亮教授对于我的指导。仇老师渊博的学识，认真严谨的治学态度以 及温婉宽容的处事风格，让我在学习和生活的各方面受益匪浅。同时仇老师一 直引导我关注行业内的最新动态，使我的视野得到了扩展，对相关领域的研究 有了更深入的认识，也使我的博士学位论文得以顺利完成。在此还要深深感谢 我的第二导师赵民建老师，赵老师丰富的科研经验、勤奋执着的治学风格、忘 我的工作态度以及朋友般的真诚，对我整个博士生涯产生了深刻的影响，让我 受教良多并且受益终身。此外赵老师给我创造了一个良好的学习、实践和研究 的环境和氛围，使我在理论方面以及科研实践上得到了很大的收获。谨此表达 对两位导师衷心的感激和最崇高的敬意。 同时要感谢这五年来给予我支持、帮助和鼓励的其他老师们，他们包括浙 江大学信息与通信工程研究所的李式巨老师、陈文正老师、黄爱苹老师、张朝 阳老师、谢磊老师、陈惠芳老师、余官定博士后和钟杰博士后。还要感谢和我 一起学习工作过同学们，他们包括已毕业的陈沪东博士、宋征卫博士、陈杰博 士、徐明霞博士、张屹硕士、程鑫豪硕士、瞿逢重硕士、吕峻硕士、陈晨硕士、 胡晨光硕士、董传文硕士、戚永豪硕士、戴建玮硕士、许峰硕士、夏淑婷硕士、 冯艳蓉硕士、万溢萍硕士、来彦鸣硕士、王婷婷硕士、金晓东硕士、王志雄硕 士、王姗姗硕士、徐亮硕士、周鹏宇硕士、蔡斌硕士、田津硕士、俞晨晟硕士、 李曼硕士、林科硕士、赵辉硕士、周侨硕士、张迪硕士，正在攻读博士学位的 杨志敏、雷鸣、李立言、郑雅敏、黄慧，以及正在攻读硕士学位的林键、杨丽 萍、付涛、徐鲁威、王勇松、彭岑、侯维玮。还要感谢室友赵廷玉博士、郎婷 婷博士和郗丽萍硕士在生活上对我的帮助与照顾，以及其他所有帮助和关爱我 的朋友们。 最后我要把深深的谢意献给我的家人，是他们在生活和学习上给了我最无 私的关爱和支持，倾心付出而不求回报。衷心感谢家人的宽容、理解、鼓励和 支持! 特别要感谢我的母亲张根美女士，在经历家庭变故的最困难时刻，她的坚 强和信心给了我勇气，让我能安心学术，顺利完成在浙江大学博士阶段五年的 学业。 沈文丽 2 0 0 9 年4 月于美丽的求是园 浙江大学博士学位论文绪论 1 绪论 本章1 1 节首先介绍了移动通信的发展历史，包括m i m o 技术的以及c p m 技术的发展历程以及研究现状；1 2 节介绍了信道建模理论的发展状况；在1 3 节中给出了m i m o c p m 技术的提出以及其现阶段的主要研究成果；最后1 4 节是本文的内容安排以及主要研究成果。 1 1 移动通信的发展 1 1 1 移动通信的发展历史 移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生了。无线电报的发明应归功 于m a r c o n i ，他于1 8 9 5 年实现了2 公里的无线电信号传输。现代移动通信技术 的发展始于二十世纪2 0 年代，首先在短波几个频段上开发出专用移动通信系 统，其工作频率为2 m h z ，到4 0 年代提高到3 0 4 0 m h z ，可以认为这个阶段是 现代移动通信的起步阶段。4 0 年代中期至6 0 年代初期，公用移动通信业务开 始问世。1 9 4 6 年，了世界上第一个公用汽车电话网在圣路易斯城建成，称为“城 市系统”。6 0 年代中期至7 0 年代中期，美国推出了改进型移动电话系统( i m t s ) ， 使用1 5 0 m h z 和4 5 0 m h z 频段，这是移动通信系统改进与完善的阶段。7 0 年代 中期至8 0 年代中期是移动通信蓬勃发展时期，随着半导体技术、微电子技术和 计算机技术的发展，移动通信得到了迅猛发展和应用。1 9 7 1 年美国b e l l 实验室 的rf r e n k i e l 和j s e n g e l 提出了蜂窝网移动通信的概念。1 9 7 8 年底，美国贝 尔试验室研制成功先进移动电话系统( a m p s ) ，建成了世界上首个蜂窝状移动通 信网，大大提高了系统容量，使移动通信发展到一个新的水平。8 0 年代中期开 始是数字移动通信系统发展和成熟时期。第一代蜂窝移动通信网是模拟系统， 而到8 0 年代中期，欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网( g s m ) 的体系。随后， 美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。泛欧网g s m 于1 9 9 1 年7 月开 始投入商用，从此，移动通信技术如火如荼地发展起来。在短短二十多年中， 全球从第一代蜂窝移动通信网发展到第三代移动通信网，世界各国正在积极研 究第四代无线移动通信网。未来移动通信系统将提供全球性优质服务，真正实 现在任何时问、任何地点、向任何人提供通信服务这一移动通信的最高目标。 如图1 1 是第四代移动通信系统可能的技术，主要包括： b w i f ：宽带无线互联网论坛( b w i f ) 是建立和发展下一代固定无线标准的主 要组织。i e e e 产业标准和技术组织协会( i e e e i s t o ) 是这一论坛的管理机构。 浙江大学博士学位论文绪论 宽带无线技术主要基于矢量正交频分复用( v o f d m ) 技术和数据传输服务接口 规范( d o c s i s 协议) 。b w i f 的成立是迅速兴起的无线宽带市场的需求。通过 b w i f ，其成员可以建立产品路线图，从而降低产品成本，简化先进业务的部署， 并确保提供互操作的解决方案。该组织的主要成员包括a s i c 半导体公司、客 户端设备公司、系统集成公司、服务提供商以及射频生产商等。 m u i t i - a n t e n n a n o n m i m o m l s o p h y s i c a ll a y e rf o r4 g d s c d m a c s r t l e r 图1 1 第四代移动通信系统的发展 1 1 t d s c d m a 技术：时分同步码分多址( t i m e d i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m a ) 作 为中国向国际电联i m t 提出的i m t 2 0 0 0 第三代移动通信标准，以成为被国际 上广泛接受和认可的无线通信国际标准。它的主要设计目标是与现有的g s m 系 统相融合。其主要任务包括管理对称电路交换服务，如语音或视频，以及非对 称分组交换服务，如移动互联网数据流。t d s c d m a 标准引入了新的技术特性， 用以进一步提高系统的性能，其中主要包括：通过空中接口实现基站之间的同 步，终端定位功能，多天线输入输出技术，上行增强技术等。 h s d p a 技术：高速下行分组接入( h i g h s p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) 是一种 基于分组的数据服务，在带宽超过5 m h z 的w c d m a 下行链路中，其数据传输 速率可达8 1 0 m b s s ，而对于多输入多输出系统其可达2 0 m b s s 。h s d p a 的技 术方案包括主要自适应调制和编码( a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ，a m c ) 技术，m i m o 技术，混合自动请求( h y b r i d a u t o m a t i cr e q u e s t ，h a r q ) ，分组 调度功能，快速小区搜索，以及先进的接收器设计等。 尽管第四代移动通信技术有着比第三代移动通信更快的通信速度、更宽的 网络频谱、更加灵活等一系列优越性，但要真正实现，还面临着许多难题。 浙江大学博士学位论文 绪论 1 1 2m i m o 技术的发展历程 随着人们对信息需求的增长，要求移动通信系统不仅提供传统的语音业务， 而且还要提供各种数字、图像、音频和视频等多媒体业务，这些新业务的开展 要求下一代的无线通信系统必须能够提供更高的传输速率( 1 0 m b s 以上) 和更 好的传输性能，因此世界范围内对无线通信的容量需求在急速增长。但是，可 利用的频谱资源是有限的，下一代的通信系统必须具有更高的频谱效率才能满 足通信容量迅速增长的需求。 提高无线通信系统频谱效率的方法有两种：一种方法是通过采用更优良的 信道编码方法( 如t u r b o 码 2 】和低密度奇偶校验码( l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c k ， l d p c ) 3 4 】) 来尽可能逼近现有的单输入单输出( s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ， s i s o ) 天线接收系统的信道容量；另一种方法是在带宽不增加的前提下，利用 多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 技术来提高系统的信道 容量。在无线衰落环境中，要在有限带宽的情况下尽可能地逼近信道容量，技 术难度比较大，况且s i s o 系统本身的信道容量也有限，所以下一代无线通信 系统考虑更多的应该是利用m i m o 技术。通过增加发送和接收天线数目，可以 显著提高系统的频谱利用率、传输效率和性能 5 6 ，7 】。目前在无线通信领域，m i m o 技术是一个研究热点，在未来无线通信系统中具有良好的应用前景。国内外学 者对m i m o 技术研究主要集中在m i m o 天线系统及信道模型，m i m o 的理论 信道容量，空时编码和空时复用设计方法，m i m o o f d m 、m i m o b p s k q p s k 、 m i m o c d m a 等系统的同步、信道估计、检测问题。由于o f d m 在宽带无线 传输方面的优势，m i m o o f d m 相关技术更是研究重点。 图1 2m i m o 无线通信系统 如图1 2 所示m i m o 可以简单地看作是由多个天线发送多个天线接收的无 线通信系统。比特流在经过编码、调制和空时处理( 波束成形或空时编码) 后， 映射成不同的信息符号，从多个天线同时发射出去；在接收端用多个天线接收， 并进行相应的解调、解码及空时处理。 各国学者对于m i m o 的理论性能，算法和实现的各方面正广泛进行研究。 在m i m o 系统理论及性能研究方面已有大量的文献。m i m o 技术首先由t e l a t a 5 】 和f o s c h i n i 、g a n s 【6 7 】等人提出，并给出了多天线系统的理想性能，推导了在 m i m o 信道上传输的容量极限，强调m i m o 信道在理想传输条件下的潜在频谱 浙江大学博士学位论文绪论 利用率与天线数目呈线性关系。k i p e d e r s e n e 8 9 】、gb y e r s 1 0 】等人研究了m i m o 信道模型问题，特别是m i m o 相关信道模型及m i m o 系统在相关信道下的理 论性能 1 1 , 1 2 , 1 3 。b e l l 实验室研究了空时复用技术，提出了提高传输容量的 v - b l a s t ( b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e ) 6 。 采用空时编码( s p a c e t i m ec o d i n g ) 技术是达到或接近m i m o 信道容量的 一种可行的方法，其主要思想是，利用空间和时间上的编码，实现一定的空间 分集和时间分集，从而降低信道误码率，来提高系统的频谱利用率和编码性能。 延迟分集( d e l a yd i v e r s i t y ，d d ) 技术【1 4 】台e 实现完全发射分集，但是会引入符 号间干扰，而且接收端最大似然译码算法的复杂度随着发送天线数目的增加成 指数增长。a l a m o u t i 1 5 】提出了基于两发送天线的正交空时编码，这是一种简单 的双路分集传输结构，可以说a l a m o u t i 方案是为两发送天线系统提供完全发射 分集增益的第一种空时分组编码。vt a r o k h 等人将a l a m o u t i 的正交设计理论扩 展至任意发送天线数目的m i m o 系统，提出了正交空时分组码( o r t h o g o n a l s p a c et i m eb l o c kc o d i n g ，o s t b c ) 1 6 , 1 7 】。o s t b c 系统可以实现发送天线数目 确定的完全发射分集，并且与a l a m o u t i 方案一样可以利用对接收信号进行线性 处理而分离不同天线发送的信号，从而实现非常简单的最大似然译码算法。文 献【1 6 指出对于复信号，当发送天线数目大于2 时，不存在能实现完全发射分 集和全速率的正交空时分组码。j a f a r k h a n i 1 8 】提出了一种全码率的准正交设计方 案，但是准正交空时分组编码( q u a s i o r t h o g o n a ls p a c et i m eb l o c kc o d i n g ) 系 统只能提供部分的发射分集增益。h e a t h 1 9 】提出了一种新的线性分散空时码 ( l i n e a rd i s p e r s i o ns p a c e t i m ec o d i n g ) ，该空时编码可以得到较好的遍历容量 和误码率性能，但采用最大似然方法译码的复杂度非常高。 空时分组编码可以通过简单的最大似然译码算法来实现最大可能的分集增 益，但是空时分组码不能提供编码增益，而且非全速率的空时分组编码可能引起 带宽扩展。因此，vt a r o k h 等人 2 0 , 2 1 , 2 2 3 3 , 2 4 提出了空时网格编码( s p a c e t i m et r e l l i s c o d e ，s t t c ) 技术，即网格状态的变化包含所传送的信息。文献 2 0 给出了在 慢衰落和快衰落信道中的网格编码设计准则，所有发送码字距离矩阵的最小秩决 定分集增益，而最小行列式决定编码增益，这样的编码准则可称之为秩和行列式 准则。该设计准则主要依据是提高系统的传输速率，最后提出了对数据率、分集 增益和编码复杂度三者进行最佳折中的网格编码结构。其设计的网格编码可称为 t a r o k b j s e s h a d r i c a l d e r b a n k ( t s c ) 编码。b a r o 等人 2 5 】提出了另一种空时网格编码， 可称为b a r o b a u c h h a n s m a n n ( b b h ) 编码。网格编码的秩准则表明要最大化码字 距离矩阵的最小秩，就需要能找到达到满秩的距离矩阵，但通常受限于编码的具 体结构。v u c e t i c 等人【2 6 , 2 7 , 2 8 , 2 9 , 3 0 , 3 1 1 研究了为可达最大分集增益的网格编码结构， 提出了另一种编码设计准则，并针对不同发送天线数目和调制方式给出了相应的 4 浙江大学博士学位论文绪论 编码结构。文献 2 9 推导了在独立r i c i a n 衰落信道中，s t t c 系统成对差错概率的 上界，并提出了在慢衰落和快衰落信道中新的编码设计准则。在慢衰落信道中， 当系统的发射分集增益小于4 时，编码性能由码字距离矩阵的最小秩和最小行列 式决定，而当分集增益达到或超过4 时，编码性能主要由最小平方欧几里德距离 来决定。文献 3 0 ，3 1 1 则根据秩和行列式准则以及欧几里德准则两种不同的编码设 计准则，提出了两种新的s t t c 4 p s k 和s t t c 8 p s k 的编码结构，并且适用于多 根发射天线的s t t c 系统。 o s t b c 和s t t c 是两种完全不同的编码方式，s a n d h u 等人【3 2 】对准静态平坦衰 落信道中的o s t b c 和s t t c 系统的性能进行了比较，在保持传输功率和频谱效率 一致的基础上给出了两种编码系统的误帧率( f r a m ee r r o rr a t e ，f e r ) 性能。 o s t b c 采用a l a m o u t i 编码，而s t t c 则采用g r i m m 3 3 1 和y a h 3 4 1 的网格编码方案， 并结合4 p s k 调制模式。文献【4 3 】则比较了o s t b c 和s t t c 在快衰落信道中的编码 性能。 此外还有空时t u r b o 网格编码( s p a c e t i m et u r b ot r e l l i sc o d i n g ，s tt u r b o t c ) 【3 5 1 ，差分空时分组编码( 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 e ，d s t b c ) 3 6 , 3 7 以及基于群码的空时调制【38 】和酉空时分组编码( u n i t a r ys p a c e t i m eb l o c k c o d e ) 【3 9 】等多种空时编码方案。 由于无线移动通信m i m o 信道是一个时变、非平稳多入多出系统，尚有大量 问题需要研究。比如说，各文献大多假设接收端具有理想的信道状态信息，但对 于宽带无线传输系统及室外快速移动系统来说，这样的假设显然是不成立的，为 此必须发送训练序列对接收机进行训练，接收端需要通过对训练序列的处理来进 行信道状态信息的估计 4 0 , 4 1 , 4 2 , 4 3 1 。若移动台移动速度过快，就使得训练时间太短， 这样快速信道估计或盲处理就成为重要的研究内容。 另外实验系统是m i m o 技术研究的重要一步。实际系统研究的一个重要问 题是在移动终端实现多天线和多路接收，学者们正大力进行这方面的研究。由 于移动终端设备要求体积小、重量轻、耗电小，因而还有大量工作要做。b e l l 实验室的b l a s t 系统是最早研制的m i m o 实验系统。通过实验对m i m o 移动 无线信道进行场测试】。实验测量了一4 x 4