（通信与信息系统专业论文）空域复用mimo+mccdma系统上行链路仿真分析.pdf

中文摘要 在3 g 中c d m a 是最主要的技术，正交频分复用( o f d m ) 调制作为多载波 调制的代表，将是未来无线通信传输体制的关键技术，以多载波调制融合c d m a 技术构成多载波c d m a 系统必将是未来移动通信的重要发展方向之一。其中， m c c d m a 方案由于可以采用频域分集和优良的性能被认为是最具前景的方案， 也是未来移动通信系统最具竞争力的方案之一。多输入多输出( m i m o ) 技术能够 在不增加系统带宽和改变系统功率要求的情况下增加频谱效率，有效提高系统的 数据传输速率和信道容量。空域复用是m i m o 技术最重要的应用形式之一。m i m o 和传统的m c c d m a 技术相结合能很大程度地提升系统性能。因此，论文主要针 对空域复用m i m om c c d m a 系统上行链路的性能作了较全面的仿真分析。 论文提出了一种应用卷积码编码的空域复用m i m om c c d m a 系统上行链路 结构。链路发射端按v b l a s t 结构进行空时映射，接收机先将接收天线各子载波 上的信号进行v b l a s t 检测和多用户检测，然后进行解调和译码，从而检测出各 个用户的数据。 对上述v b l a s t - m c c d m a 上行链路，论文首先通过仿真，分析其在不同收 发天线数、不同扩频增益、分集阶数一定、不同带宽等情况下的性能，并给出了 采用b p s k 和q p s k 两种调制方式时系统平均误码率对用户数变化的仿真曲线图。 仿真结果表明，系统配置时应综合考虑多方面因素的影响，在保证一定通信质量 的情况下尽可能地增大数据传输速率。 随后在上述v b l a s t - m c c d m a 上行链路中应用自适应调制技术。自适应调 制的门限设定采用试验法。先设定需要的误码率门限，并以此为基础通过仿真结 果确定系统调制方式的转换门限。然后通过仿真，分别讨论了1 0 m h z 和4 0 m h z 两种带宽情况下，用户数固定和用户数变化时该自适应调制系统的性能。仿真结 果表明，自适应调制提高了系统的频谱效率。 论文最后还对分层空时码的性能进行了仿真分析。先讨论了分层空时码的发 送与接收模型，接着讨论了三种分层空时码v b l a s t 、d b l a s t 、d l i k e 的编码 原理及分层空时码基于m m s e 准则的有序串行干扰抵消( o s i c ) 检测算法，最后 通过仿真分析比较了v b l a s t 系统和d l i k e 系统在平坦瑞利快衰落和慢衰落两 种信道下的平均误码率性能。 关键词：多载波码分多址；多输入多输出；卷积码编码；v b l a s t 检测；多用户 检测；自适应调制；分层空时码 分类号：t n 9 2 9 5 3 3 i 匕塞交道叁堂硒堂位论室旦曼! 一! a bs t r a c t c d m ai sa l li m p o r t a n tt e c h n i q u ei n3 4a n do r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) m o d u l a t i o na st h er e p r e s e n t a t i v eo fm u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n w i l lb eak e yt e c h n i q u ei nf u t u r ew i r e l e s sc o m m u n c a t i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e m c o m b i n i n go f d ma n dc d m a t of o r mam u l t i c a r r i e rc d m as y s t e mi so n eo ft h e i m p o r t a n td e v e l o p i n gd i r e c t i o n s o ff u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n m c - c d m ai s c o n s i d e r e da st h em o s tp r o m i s i n gs c h e m eb e c a u s ei tc a na c h i e v ef r e q u e n c yd i v e r s i t y a n de x c e l l e n tp e r f o r m a n c e 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 ) c a ni n c r e a s e s p e c t r u me f f i c i e n c yw i t h o u ta d d i t i o n a lb a n d w i d t ha n dp o w e rr e q u i r e m e n t s ，t h u si t c a n g r e a t l yi m p r o v ed a t ar a t ea n dc h a n n e lc a p a c i t y a i r s p a c em u l t i p l e x i n gi so n e o ft h em o s t i m p o r t a n tf o r m so fm i m oa p p l i c a t i o n a p p l y i n gm i m ot e c h n i q u ei n c o n v e n t i o n a l m c c d m as c h e m et of o r mm i m om c c d m as y s t e mw i l lg r e a t l ye n h a n c et h es y s t e m p e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，w ef o c u so n ac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h es i m u l m i o nf o rt 1 1 e u p l i n ko fa i r s p a c em u l t i p l e x i n gm i m om c - c d m as y s t e mi nt h i st h e s i s a nu p l i n ks t r u c t u r eo fa i r s p a c em u l t i p l e x i n gm i m om c c d m as y s t e mw i t h c o n v o l u t i o nc o d e di sp r o p o s e di n t h i sp a p e r t h el i n kt r a n s m i t t e rc o m p l e t e st h e s p a c e - t i m em a p p i n ga c c o r d i n gt o v b l a s ts t r u c t u r e ，a tt h er e c e i v e r , v b l a s t d e t e c t i o na n dm u l t i u s e rd e t e c t i o na r eu s e dt od e t e c ts i g n a l so ne a c hs u b - c a r r i e r , a n d d e m o d u l a t i o na n dd e c o d e da r ef o l l o w e dt og e te a c hu s e r sd a t a 、m t l ld i f f e r e n tt r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n ga n t e n n a s ，d i f f e r e n ts p r e a d i n gg a i n ，a c e r t a i nd i v e r s i t yo r d e ra n dd i f f e r e n tb a n d w i d t h ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mg i v e n a b o v ei sa n a l y z e db ys i m u l a t i o nf i r s t ，a n dt h es i m u l a t i o nc u r v e so fa v e r a g eb i te r r o r r a t e ( b e r ) v e r s eu s e r si nt h es y s t e mw i t hb p s ka n dq p s km o d u l a t i o na r eg i v e n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc o n f i g u r a t i o ns h o u l dc o n s i d e rv a r i o u sf a c t o r st o p u r s u et h ep o s s i b l ed a t ar a t eo nc o n d i t i o nt h a te n s u r ea c e r t a i nc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y t h e l l ，a d a p t i v em o d u l a t i o nt e c h n i q u e sa r ea p p l i e dt o t h eu p l i n ks t r u c t u r eo ft h e v b l a s t - m c c d m as y s t e m t h et h r e s h o l d so fa d a p t i v em o d u l a t i o n a r es e tb y s i m u l a t i o n t h eb e rt h r e s h o l d si nd e m a n da r es e t t l e df i r s t ，a st h eb a s i sf o rd e t e r m i n i n g t h ec o n v e r s i o nt h r e s h o l d so fm o d u l a t i o nt y p e so ft h es y s t e ma c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o n r e s u l t s a n dt h e n t h ep e r f o r m a n c eo fa d a p t i v em o d u l a t i o nb a s e dv b l a s t - m c c d m a s y s t e mf o rag i v e nu s e rn u m b e ra n dv a r i a t i o nu s e r sa r ed i s c u s s e di nt w oc a s e s ：10m h z a n d4 0m h zb a n d w i d t h s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea d a p t i v em o d u l a t i o ni m p r o v e s t h es p e c t r u me f f i c i e n c yo ft h es y s t e m f i n a l l y , t h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so fl a y e r e ds p a c e t i m ec o d e ( l s t c ) i sa l s o d i s c u s s e di n t h i st h e s i s t h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rs t r u c t u r e so fl s t cs y s t e ma r e d e s c r i b e d ，t h e nt h ep a p e rd i s c u s st h ec o d i n gt h e o r yo fv b l a s t d b l a s t ，d l i k e s t r u c t u r e sa n dt h ed e t e c t i o na l g o r i t h mo fo r d e r l ys e r i a li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( o s i c ) b a s e do nm m s ec r i t e r i a t h ec o m p a r i s o no ft h ea v e r a g eb e rp e r f o r m a n c eb e t w e e n v b l a s ta n dd l i k es y s t e mi nr a y l e i g hf a s ta n ds l o wf a d i n gc h a n n e le n v i r o n m e n ti s a n a l y z e db ys i m u l a t i o n k e y w o r d s ：m c c d m a ；m i m 0 ；c o n v o l u t i o ne n c o d e ；v b l a s td e t e c t i o n ； m u l t i u s e rd e t e c t i o n ；a d a p t i v em o d u l a t i o n ；l s t c c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 3 3 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：晏作叙 签字日期：硼3 年6 月1 2 1 = i 刷噬各柞 签字日期：矽霹年占月f 拍 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名：殳砟敏 签字日期： 硼年6 月z n 致谢 本论文的工作是在我的导师杨维教授的悉心指导下完成的，杨维教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来杨维 老师对我的关心和指导。 冯锡生教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向冯锡生老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，乔喜梅、韩东升、范新越、林微、杨柳、周 青青、姚婧等同学对我论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感 激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 1 1 无线通信发展的现状与前景 2 0 世纪9 0 年代，以欧洲的全球移动通信系统( g s m ) 和美国的c d m ao n e ( i s 9 5 ) 为代表的第二代无线通信系统显著改善了通话质量，极大的增加了系统容量。为 了能够向用户提供更多的无线数据业务以及更高的无线数据传输速率，国际电信 联盟( i t u ) 于2 0 世纪9 0 年代后期提出了3 g 无线通信系统，目的是为世界各国的 无线通信系统制定统一标准。最终确定的3 g 标准有欧洲提出的基于g s m 的 w c d m a 、北美提出的基于i s 9 5 的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 。 然而3 g 系统的发展目前还存在很多局限性，有很多问题需要解决。3 g 系统在 通信容量与质量等方面的现状也与人们的期望尚有很大距离，存在局限性。另外， 3 g 一个很大的问题是将来的商业运行，一个最大的限制就是多个3 g 标准相互共存 而互相干扰。目前3 g 无线系统的缺陷已经基本解决并且其基站和移动台已经投入 生产，与此同时无线电委员会已经开始讨论所谓的超三代( b e y o n d3 g ) 或被称之 为第四代移动通信系统( 4 g ) 的设训。 第四代移动通信系统的研究现已成为国际性的研究热点，目前欧盟已把其列 入了“第六框架研究计划 ，并于2 0 0 3 年4 月2 4 日启动第一阶段的研究项目。我 国对第四代移动通信的研究工作也已经正式列入国家“十五 计划8 6 3 项目和具 有较高学术水平的国家自然科学基金项目。目前，从无线传输、系统、业务和网 络角度来看对新一代移动通信系统主要存在以下几点共识： ( 1 ) 采用新的频段，比如2 8 g h z ，乃至更高。 ( 2 ) 广泛用于各种电信环境的无线系统的总和，包括卫星、蜂窝、w l a n 等； 支持各种空中接口，并且可以与i n t e r n e t 直接联系在一起，组成一个统一的全球性 通信网络；是一种智能的、支持多种不同类型业务以及q o s 要求的、可进行移动 管理的完全融合无线移动和无线接入的全新网络体制的系统。 ( 3 ) 融合数字通信、数字音视频接收和i n t e m e t 接入的崭新无线多媒体系统； 支持全速i p 高速分组数据传输，传输速率应能达到1 0 0 m b p s ；开放的网络业务平 台，便于新业务的开发和加入，实现跨系统全球漫游和业务可携带性。 ( 4 ) 支持高的终端移动性和高的传输质量，并能够有效地支持在用户数据速 率、用户容量、服务质量和移动速度等方面大动态范围的变化。 ( 5 ) 终端信号处理应简单，支持可重载特性。 为了满足上述需求，未来b 3 g 移动通信系统需要在网络体系和系统架构等方 面具有全新的面貌，在信号处理关键技术和理论研究方面有所突破。 1 2b 3 g 移动通信系统中的先进技术 随着对高速数据以及多媒体业务需求的日益增长，现有技术频带利用率的有 限性成为制约宽带数据业务发展的瓶颈。未来移动通信系统迫切需要采用更加先 进的技术提高频谱利用率，提高传输速率和系统容量。在此背景之下，具有较高 频带利用率的技术成为b 3 g 移动通信系统中的关键技术，其中较为重要的有 o f d m 多载波技术、m i m o 多天线技术和链路自适应技术【1 1 。 1 2 1o f d m 技术概述 第三代移动通信以c d m a 为核心技术，主要利用其扩频增益、软容量等特点。 然而新一代移动通信系统要求信息传输速率达到上百兆，如果仍以单载波c d m a 为核一t b 技术，扩频增益和高速数据流之间将形成较大的矛盾；另一方面，单载波 传输在很高的传输速率下符号干扰比较严重，因而对均衡器、训练序列的长度和 设计等具有较高的要求，尤其是复杂度的提升使其难以实现。b 3 g 移动通信系统 要支持高速数据传输，首先必须要解决多径无线信道下传输的符号间干扰问题。 o f d m 以其频谱利用率高，抗频率选择性衰落能力强，适合高速数据传输等优点 成为研究热点技术。目前，o f d m 技术良好的性能使其在很多领域得到了广泛的 应用，但在移动通信系统中由于移动环境的复杂性，应用o f d m 技术以支持高速 数据传输，还有许多关键问题需要研究。 1 2 2m i m o 技术概述 f o s c h i n i 等人将香农信道容量c = b l o g ，( 1 + y ) ( 7 ，表示信道的信噪比，b 表示带 宽) 扩展到多天线系统，理论上证明了多天线技术通过引入空间资源来提高信息 传输效率的巨大能力。多天线技术是在通信两端采用多天线处理的一种广泛称谓， 实际上，不同的多天线技术是通过不同的应用原理来提高系统性能的。 ( 1 ) 利用多天线直接形成信号的并行传输，例如v b l a s t ，带来频谱利用率 的提高，这类技术称为空间复用技术。 ( 2 ) 利用多天线发送和接收同一信号的不同拷贝获得多天线分集增益以提高 2 信噪比y ，进而提高频谱利用率，例如空间分集技术。 ( 3 ) 综合利用空间复用和空间分集，通过发送加权和接收加权形成多个信号 独立并行传输，获得成倍提高的频谱效率。 ( 4 ) 通过定向收发来提高功率效率，进而提高信噪比增益，从而获得较高频 谱效率，例如智能天线技术。 由此可见，多天线技术通过不同原理有效地改善系统了性能和频谱利用率， 进而还可以显著提高网络的覆盖范围和系统的可靠性，因此特别适用于互联网和 多媒体业务。近年来，智能天线、空间分集等技术已经广泛应用于无线通信领域， 以提高链路通信质量。 1 2 3 链路自适应技术概述 对于无线通信系统而言，其信道状况、业务类型、业务的分布会随时间、空 问的变化而变化，采用链路自适应技术可使系统更加灵活和智能地根据这些变化 自适应调整传输参数，在较好信道的情况下，提供高的传输速率，而在较差信道 的情况时，降低输出速率，改善抗干扰的鲁棒性；可供自适应选择的物理层传输 参数，包括发射功率水平、传输符号速率、交织参数、调制方式、信道编码，或 是以上参数的任意组合。随着系统可以利用的无线资源维数的增加，例如时间、 频率、空间、码字等，传输参数可以在多维资源上进行自适应调整，因而变得越 来越灵活。自适应的思想除了应用在物理层的无线传输链路之外，还被引入到媒 体接入层( m a c ) 以及无线资源管理( 洲) 等中，m a c 层自适应技术主要包 括链路适配技术和链路重传技术，自适应r r m 主要包括动态信道分配等。目前， 一些多层联合自适应的研究开始引起人们关注，以期获得系统整体资源的优化利 用。链路自适应技术已经成为无线通信研究和应用的热点技术，国外很多高校和 研究机构都致力于这方面的研究和开发。 o f d m 、m i m o 、链路自适应技术都能够提高频谱利用率和支持高速数据传输 速率，除此以外，高效的编码调制技术、先进的发送接收技术等都是b 3 g 4 g 研究 中的关键技术。 1 3 论文的主要内容和结构体系 为突破第三代移动通信( 3 g ) 核心技术的局限性，未来移动通信在理念与核 心技术上都将产生革命性的变革，使无线通信的频谱效率、容量和速率比之3 g 取 得突破性的提高，以满足人们对高速、动态无线业务不断增长的需求。 在3 g 中c d m a 是最主要的技术，多载波调制将是未来移动通信传输体制的 关键技术，以多载波调制融合c d m a 技术必将是未来移动通信的重要发展方向之 一。其中，m c c d m a 方案由于可以采用频率分集和优良的性能被认为是最具前 景的方案，也是未来移动通信系统最具竞争力的方案之一。 m i m o 理论是突破传统无线通信理论性能限的关键所在，将成为未来无线通 信理论的核心，m i m o 技术也将成为未来移动通信提高系统的容量、性能、服务 质量、频谱效率和覆盖范围的核心技术。空域复用是m i m o 技术的最重要应用形 式之一，它通过从不同的阵元传送独立的数字信号实现无线数据速率的成倍增加， 而在接收端又可获得联合的空、时、频分集增益。 基于上述背景，本文主要研究空域复用m i m om c c d m a 系统物理层链路仿 真及编码、自适应调制等技术，以提高系统的性能。本人的主要工作有以下几点： ( 1 ) 建立空域复用m i m om c c d m a 系统模型，将卷积码编码应用到该系统中， 通过仿真，分析比较了编码与未编码系统、不同带宽、不同扩频增益、不 同收发天线等情况下单用户和多用户系统的性能。 ( 2 ) 在不同带宽和不同用户数的情况下，通过仿真对上述系统中的自适应调制 技术进行研究。 ( 3 ) 通过仿真比较快衰落和慢衰落信道下v b l a s t 系统和d l i k e 系统的平均误 码率性能。 论文的结构安排如下。 一 全文共分为六章，第一章简要地介绍了无线通信发展的现状与前景以及b 3 g 移动通信系统中的先进技术，提出本文所要研究的课题。 第二章主要介绍了m c c d m a 通信系统的模型和检测合并技术、多天线m i m o 系统的主要特征、信道模型和系统容量等内容，作为以后各章研究的基础。 第三章主要通过仿真，分析编码与未编码、不同带宽、不同扩频增益、不同 收发天线、不同用户数等情况下，本文所提出的空域复用m i m om c c d m a 系统 物理层上行链路的性能。 第四章主要研究自适应调制在上述系统中的应用，通过仿真分析了1 0 m h z 和 4 0 m h z 两种带宽情况下，用户数固定和用户数变化时系统的自适应调制性能。 第五章主要研究分层空时码的性能，通过仿真分析和比较了v b l a s t 系统和 d l i k e 系统在快衰落和慢衰落两种信道条件下的平均误码率性能。 第六章是对论文工作的总结以及以后工作的展望。 4 2 空域复用m i m om c c d m a 通信技术 本章主要阐述m c c d m a 系统模型、接收机的检测合并技术和m i m o 系统的 主要特征、信道模型、容量等内容，作为以后几章分析的基础。 2 1m c c d m a 通信系统 在m c c d m a 方案中，发送端是使用特定的扩频码对原始信号在频域内进行 扩频，即码元符号中与扩频码的不同码片相对应的各个部分，通过o f d m 不同的 子载波被调制发送出去【2 1 。 2 1 1m c c d m a 系统模型 m c - c d m a 的信号调制示意图如图2 1 所示，调制方式采用b p s k ，子载波数 为c ，为表示简单，假设子载波数和扩频增益g 相同，即c = g 。子载波间隔为 鹭= l i t b 。 d o 0 女据流 复制 口( f ) i 1 n c 频率 ( f ) 图2 - 1m c - c d m a 系统调制框图 f i g u r e2 - 1t h em o d u l a t i o nb l o c kd i a g r a mo fm c c d m as y s t e m 第k 个用户的发送信号可以表示为 s 毛c ：艺兰吼( f ) 巳僻( 川瓦) c 。s 2 尢( f 0 + t a f ) f ( 2 - 1 ) 接收 c o s ( 2 # f 。f ) 饥 p f 一 p f 卜- v 厶 p f 卜一+ 图2 - 2m c - c d m a 系统接收框图 f i g u r e2 - 2t h er e c e i v i n gb l o c kd i a g r a mo fm c - c d m as y s t e m p 。( f ) 为脉冲波形，定义如下： 舭) ：譬二掣( 2 - 2 ) 只( ) 2 1 0 ；其他) 在m c c d m a 接收端，频域接收的信号被合并，因而接收端总能利用分布在 频域的所有接收信号的能量，这被认为是m c c d m a 方案的主要优点之一。然而 该系统在经过频率选择性衰落信道的过程中，子载波可能有不同的幅度和不同的 相移，因而可能导致用户间正交性的破坏。图2 2 给出了第k 个用户的m c c d m a 接收框图，在经过串并变换之后，第，个子载波被乘以增益吼来合并散布在不同频 域的接收信号。 最后，判决变量给出如下 n c 取= 吼，y t f _ l ( 2 3 ) y t2 乙z k ，l a k c k ，+ 吩( 2 - 4 ) k = l 其中，y t 和是第，个子载波接收信号经过下变频和子载波频率同步之后的复基带 分量和加性高斯白噪声。z 。，是第k 个用户第，个子载波信号的复包络。 m c c d m a 将原始数据在频域上扩频来获得频率分集的效果，其接收机的检 测合并技术将对系统的性能有重要的影响。下面将着重介绍m c c d m a 系统的几 种接收合并算法。 6 2 1 2m c c d m a 检测合并技术 在m c c d m a 系统中合并各路径信号的基本方案有四种，分别为恢复j 下交性 合并( o r c ) 、等增益合并( e g c ) 、最大比合并( m r c ) 和最小均方差合并( m m s e c ) 。 由上- d , 节可知，g 。，是第k 用户第，路子载波需要乘的加权因子，包含用户扩频码 信息和相应的信道信息。假定第k 用户第，路子载波上的数据经历的信道为h 。， 对于不同的合并方式，吼，的确定如下【3 1 ( 为了简便，省略抽样时间序号i ) 。 正交恢复合并( o r c ) ：j 下交恢复合并的原则是在接收机端纠j 下信道的相位和幅 度衰落，恢复不同扩频序列之间的正交性。 吼，= q ，( ，) i 也，i ( 2 - 5 ) 第k 个用户的判决变量是 d k = g k + 兰笔钵 ( 2 6 ) 扣1 1 月i ，l 由式( 2 5 ) ，( 2 6 ) 可知，接收到的信号乘以信道频率响应的倒数，解扩后可以 恢复原始数据，理论上这样处理能完全消除多址干扰的影响。但是当i 巩，l 较小时， 这样处理会导致噪声的过度放大，从而严重影响误码率的性能。因此，尽管o r c 可以恢复扩频序列的正交性，但是噪声带来的负面影响是不可忽略的。 等增益合并( e g c ) ：等增益合并是将每路载波上的信号进行相位纠正后再迭 加，在加权的时候每路子载波上的权重相等。 = q ，( 吼，) 阻，l ( 2 7 ) 第k 个用户的判决变量是 岫。眠i = ii + 兰i = 1 舒 口8 ) q = 芝i 巩小一芝生擀 ( 2 8 ) l ，i 从以上的判决变量表达式中可以看到，等增益合并只对信道的相位偏移进行 了修正，没有对子信道的幅度衰落进行任何处理，因此等增益合并对噪声项没有 额外放大的作用；但是对于遭受到深衰落的子信道，这种合并方式会削弱输出的 信号分量，从而降低判决时刻的信噪比，影响接收机的性能。 最大比合并( m r c ) ：最大比合并就是使信号在输入判决器前具有最大的信噪 比，以获得最佳的性能。其原则就是幅度衰减小的子信道对应的加权系数大，相 反，幅度衰减大的子信道对应的加权系数小，因此最大比合并的增益因子为： q “= q ，( 吼，) ( 2 9 ) 第k 个用户的判决变量是 皿- - a , - ti 以。f + q ，( 4 j ) n t ( 2 1 0 ) 7 根据估计到的信道参数，可认为幅度衰落较少的子信道受到噪声的影响较小， 因此增益因子j 下比于衰落的幅度，衰落小的子信道的加权大于衰落大的子信道的 加权，这样，能在合并输出时获得最大的信噪比。旦用户数较多时，这种合并 方式会加剧不同的扩频序列之问非正交所带来的干扰。 最小均方差合并( m m s e c ) 最小均方差合并可以有效的控制噪声和用户之问 的干扰。它所使用的准则是使合并模块期望输出值和实际输出值之问的均方误差 最小化。在下行链路中，所得到的对应第，个子载波上的增益因子为： q “= 嚷，( 峨，) ( k l 风+ ) ( 2 1 1 ) 上式中，k 为系统用户数，吒为噪声功率。当l 。，i 较小时，由于考虑到噪声 功率，可以避免噪声的过度放大；当1 日。，l 较大时，增益因子和信号幅度包络的倒 数( 风，) l 风斤大致成正比，有利于恢复扩频序列之问的正交性，减少多址干扰。 2 2m i m o 系统 m i m o 技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，其核心思想是空 时信号处理，即在原来时间维的基础上，通过使用多副天线来增加空间维，从而 实现多维信号处理，获得空域复用增益或空间分集增益。由于各发射天线同时发 送的信号占用同一个频带，所以并未增加带宽，因而能够成倍的提高系统的容量 和频谱利用率。 广义的m i m o 技术主要包括发射分集技术和空域复用技术【4 】。其中发射分集 技术指的是在不同的天线上发射包含同样信息的信号( 信号形式可能并不相同) ， 从而达到空间分集的效果。发射分集主要是空时码技术。空域复用技术指的是在 不同的天线上发射的不同的信息，真正体现了m i m o 系统容量提高的本质。贝尔 实验室提出的垂直分层空时结构( l a s t ) 就是空域复用技术的典型应用。 2 2 1m i m o 系统主要特征 m i m o 系统将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现 高的通信容量和频谱利用率。m i m o 系统的主要特础5 1 如下。 ( 1 ) 信道容量。贝尔实验室的学者t d a t 一6 1 和f o s c h i l l i 【7 1 从信息论的角度对高 斯噪声下多发送多接收天线系统信道容量的研究表明，在假设各天线互相独立的 条件下，多天线技术可以大大增加无线通信系统的容量。这些增加的容量可以用 8 来提高信息传输速率，也可以通过增加信息冗余度来提高通信系统的传输可靠性 能，或者在两者之间取得一个合理的折衷。 ( 2 ) 空域复用提高频谱利用率。在关于信道容量研究的基础上，f o s c h i n i 等 人提出了分层空时结构( l a y e r e ds p a c e t i m e a r c h i t e c t u r e ) 【6 】【7 】，建立了b l a s t 多 天线实验室，并获得了2 0 - - 4 0 b p s h z 的频谱利用率【6 】。这种空域复用系统在发送端 没有分集作用，实际上是自由度受限的【6 】，较适用于高信噪比的情况，它追求的是 速率的极大化。 ( 3 ) 利用发送分集提高系统的传输性能。基于发送分集的空时编码技术主要 包括空时分组编码和空时网格编码两大类。空时分组码只能获得分集增益，但由 于编译码简单、易于实现而受到广泛关注，并已被3 g p pw c d m a 等标准采纳； 空时网格编码可以同时获得分集增益和编码增益，但其译码复杂度也很高。 ( 4 ) 空域复用与发送分集的折衷。空域复用技术通过增加系统自由度，追求 的是频谱效率的极大化，但却并不适于低信噪比环境；发送分集技术追求的是分 集增益的极大化，但有可能导致速率的损失。因此，m i m o 系统需要在编码处理 中得到的分集好处与复用得到的速率好处之间进行折衷考虑，根据不同的目标要 求，采取相应的传输方案。 2 2 2m i m o 系统信道模型 单径情况下m i m o 无线通信系统结构如图2 3 所示，各对天线间的子信道可以 等效成一个服从瑞利衰落的子信道。 图2 - 3m i m o 系统框图 f i g u r e2 - 3t h eb l o c kd i a g r a mo fm i m os y s t e m 考虑mx n 天线配置的m i m o 信道，单径情况下的基带接收信号可以表示为 y ( n ) = l t ( n ) s ( n ) + w ( n ) ( 2 1 2 ) 其中，y ( n ) 是n 时刻的维接收信号向量，s ( n ) 是m 维的发送信号向量，w ( n ) 是 维的高斯噪声向量，h ( 刀) 是n x m 维的信道衰落系数矩阵，具体构成如下 9 f ，h i 。( 刀) 盔：( ，z ) h ( 甩) = i 1 力办2 2 船 ： h 。( 刀) h n 2n ) 办删( 刀 ( 2 1 3 ) 其中，( 甩) 是第个发射天线到第f 个接收天线间的复信道系数，各元素之间相互 独立，乃，( 玎) 采用不同的随机分布时会产生不同的信道统计模型，本文的研究基于 瑞利衰落信道模型。 2 2 3 m i m o 系统容量 文献 j 对m i m o 系统容量进行了推导，假定接收机完全知道信道状态。单输入 - 黜( s i s o ) 平坦衰落信道的容量由下式给出： 一 1 0 9 2 ( + 剀b 池 亿 将式( 2 - 1 4 ) 推广到高斯模型控制的多输入多输出( m i m 0 ) 的平坦衰落信道，可 得m i m o 信道的遍历容量为 c ：e 1 0 9 2 攀装产) b 池 亿均 并满足约束条件： m r a s xt r ( r s ) 尸 ( 2 1 6 ) 上式中p 是常数发送功率。式( 2 1 5 ) 的期望是对随机信道矩阵h 求解得到的，且 ( ) 表示h e n i l i t i a l l 转置；r 。和r w 分别表示传输信号向量s 和信道噪声向量w 的 相关矩阵，在高斯模型中其定义如下： r s = e s s h = o r 2 1m ，r w = e w w h = o - 2 im ( 2 - 1 7 ) 上式中，1 肘是mx m 单位矩阵。平均信噪比p 定义如下： pm 蘸 p = 丁= _ = 产 ( 2 - 1 8 ) 吒吒 、 将式( 2 1 7 ) 矛1 1 ( 2 - 1 8 ) 代入式( 2 1 5 ) 中并化简，可写成如下形式： c = e 1 0 9 2 d e t ( i 肘+ 苦h h ，”b ，池 p 柳 式( 2 1 9 ) 定义了m i m o 平坦衰落信道的遍历容量，该公式被称为高斯m i m o 信 l o 刀 聆 m 肘 厄玩 3 空域复用m i m om c c d m a 系统上行链路性能仿真分析 3 1 概述 许多研究表明，m i m o 技术能够在不增加带宽和发射天线功率的情况下，有 效地利用随机衰落和多径传播来成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率【9 】【1 0 】。其 中，贝尔实验室的v b l a s t 是空域复用技术的典型应用。利用v b l a s t 技术，如 同在原有频段上建立了多个互不干扰、并行的子信道，其结果是极大提高系统的 容量。 m c c d m a 由于可以采用频率分集和优良的性能被认为是多载波三种方案中 最具前景的方案，也是未来移动通信系统最具竞争力的方案之一。将m i m o 技术 与m c c d m a 方案相结合，构成空域复用m i m om c c d m a 系统，将在很大程度 上提高系统的性能和容量。 信号在信道传输，要遭受加性高斯白噪声的干扰，传输时延、抖动等电路因 素影响，以及外界其他干扰，尤其是无线信道存在多径衰落和外界有意或无意的 侵扰，因此使传输信号会受到某种程度的损伤。如果在系统中采用信道编码，则 可以减少误符号概率，改善系统性能，使系统更好地满足接收质量要求。卷积码 就是这样一种信道编码，它顺次或者连续处理短快长的信息，其输出符号不仅依 赖当前的输入符号，还依赖以前的输入和( 或) 输出【l 。或者说，编码器是个时 序电路或者有限状态机，其译码可以使用软判决v i t e r b i 译码。目前应用最广泛的 卷积编码是n a s a ( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n ) 标准码。 为此，本章提出卷积码编码、空域复用m i m om c c d m a 系统物理层上行链 路结构。该系统有效地结合了编码、调制以及分集技术，在获得频率分集增益的 同时，也可获得一定的编码增益。本章最后通过仿真，比较了编码系统相对于未 编码系统的性能改善，并重点分析了编码系统在不同收发天线数、不同扩频增益、 相同分集阶数、不同带宽等情况下的性能，给出了采用b p s k 和q p s k 两种调制 方式时系统平均误码率对用户数变化的仿真曲线图。 3 2 空域复用m i m om c c d m a 系统上行链路 空域复用m i m om c c d m a 系统上行链路的发射端按v b l a s t 结构进行空时 映射，接收端采用v b l a s t 检测、多用户检测算法和软判决v i t e r b i 译码。本节主 要讨论其链路模型和接收机的检测译码算法。 3 2 1v b l a s t - m c c d m a 系统上行链路模型 假设系统有k 个用户，每个用户有m 根发射天线，基站有根接收天线。基 站第n 根接收天线上接收的信号如图3 1 所示。在发送端，第k 个用户的数据b 。首 先经过卷积编码器，得到编码后的数据a 。这里选用n a s a 标准码，即6 记忆l 2 率的卷积码编码器，生成器为( 1 7 1 ，1 3 3 ) 。a 再经过调制器映射为q p s k 符号( 这 里假定选择的调制方式为q p s k ) 。为了提高带宽利用率，实现更高速率传输，这 里先将q p s k 符号分成子数据块，每个数据块分成m 组，每组有s 个符号，第k 个 用户第m 组的第s 个符号表示为。同一组的s 个符号将使用同样的扩频码扩频。 m 个组先进行串并变换成为m 路信号，每组中的s 个符号经过串并变换后用扩频 增益为g 的沃尔什码扩频，映射到s g = m 个正交