（通信与信息系统专业论文）高速无线局域网中mimo技术的研究.pdf

捅要 目前无线局域网( w l a n ) 是一个十分热门的课题，发展十分迅速。无线局 域网中速率较低的技术已经相当成熟了。比如i e e e 8 0 2 1 l 和i e e e 8 0 2 1 l b 中的 i m b p s 、2 m b p s 、5 5 m b p s 以及l1 m b p s 等速率的产品。但是随着社会需求的不断 增长，要求人们能够发展一种速率更高。支持的业务种类更多的w l a n 技术。 i e e e 8 0 2 1 l a 能提供的传输速率高达5 4 m b p s ，其中最重要的一点就是采用了正交 频分复用( o f d m ) 调制技术。这种调制技术的最大的好处就是将高速的数据流， 变换成并行的低速数据流，减小了数据带宽，从而可将无线环境中的多径衰落( 频 率选择性率落) 转换成平坦衰落。但是靠单纯的o f d m 来抗多径是远远不够的，将 无线局域网中的高速调制技术0 f o m 和h i 哟技术相结合就可以有效地抗多径衰 落，改善系统性能。 m i m o _ 0 f 嗍系统有三种基本形式，即s t b c - o f 蹦、s f b c o f i ) m 、v b l a s t o f d m 系 统。本文首先简单介绍了0 f d m 系统的基本原理以及它对抗多径的基本原理，然后 在此基础上分别对三种m i m o o f d m 系统的基本工作原理，码子设计以及相应的信 号检测算法进行了研究，同时对他们的系统性能进行了分析和仿真，得出了有用 的结论，这对以后高速无线局域网产品的开发和应用都有很大的指导作用。 关键词：正交频分服用无线局域网多输入多输出空时分组码空频分组码 a b s t r a c t w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) i sav e r yp o p u l a rt o p i ca tp r e s e n t i ti s d e v e l o p i n gr a p i d l y ，a n dt h et e c h n o l o g yo fl o w - r a t ei nw l a n h a sb e e nv e r ym a t u r e t h e r ea r em a n yp r o d u c t sa v a i l a b l ea tt h er a t eo fl m b p s ，2 m b p s ，5 5 m b p s ，1 1 m b p s u s i n gt h ei e e e s 0 2 1 1a n di e e e 8 0 2 1 l bs t a n d a r d b u tw i t ht h ec o n t i n u o u si n c r e a s eo f s o c i a ld e m a n d ，i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o paw l a n t e c h n o l o g yt h a tc a ns u p p o r th i g h e r r a t ea n dm o r es e r v i c e s t h ei e e e 8 0 2 1l as t a n d a r dc a l ls u p p l yt h et r a n s m i tr a t eu pt o 5 4 m b p s t h em o s ti m p o r t a n tr e 3 s o ni s t h eu s eo fo f d m t e c h n o l o g y a n dt h em o s t a d v a n t a g eo fo f d m i st h a ti tc a nc o n v e r th i g h - r a t ed a t as t r e a mi n t ot h el o w - r a t ea n d r e d u c ed a t ab a n d w i d t hs ot h a tm u l t i - p a t h - f a d i n gc a l lb et r a n s f o r m e di n t of l a tf a d i n gi n w i r e l e s sc i r c u m s t a n c e b u ti ti sn o te n o u g hf o ras i m p l eo f d ms y s t e mt or e s i s t m u l t i - p a t h f a d i n g t h em u l t i p a t h - f a d i n gc a nb er e s i s t e de f f i c i e n t l ya n ds y s t e m se l l o r b i tr a t ep e r f o r m a n c ec a nh ei m p r o v e di fw ec o m b i n eo f d m ，ah i g h - r a t em o d u l a t i o n t e c h n o l o g y , w i m m i m o t h em i m o - o f d m s y s t e mh a st h r e es t y l e ss u c ha ss t b c - o f d m s f b c 0 f d m a n dv l b a s o f d m f i r s t l y t h eb a s i c p r i n c i p l e o fo f d ma n di t s a n t i - m u l t i p a t h - f a d i n ga r eb r i e f l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e nb a s i n g o nt h i sp o i n t ，w e r e s e a r c h e dt h eb a s i cp r i n c i p l e ，t h ec o d ed e s i g n i n ga n dt h ea l g o r i t h mo ft h es i g n a l d e t e c t i o no ft h r e em i m o - o f d m s y s t e m s a tt h es a m et i m e ，t h e i rp e r f o r m a n c e sw e r e a n a l y z e da n ds i m u l a t e d t h eu s e f u lr e s u l t sw e r eg o t a l lo ft h e s ew i l lp l a yag r e a t g u i d i n g r o l ei nt h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o n i nt h ef i e l do fw l a n k e y w o r d ：o f d m w l a nm i m os t b cs f b c 第一章绪论 第一章绪论 目前，无线局域网( w l a n ) 是一个十分热门的课题，发展十分迅速，无线局 域网中速率较低的技术产品已经相当成熟，比如i e e e 8 0 2 1 1 和i e e e 8 0 2 1 1 b 中的 1 m b p s 、2 m b p s 、5 5 m b p s 以及1 1 m b p s 等速率的产品。但是随着社会需求的不断 增长，已有的技术产品所能提供的鼹务种类，传输速率等还远远不2 满足人们的 需求。这就要求人们能够发展一种速率更高，支持的业务种类更多的w l a n 技术。 i e e e 8 0 2 “a 能提供的传输速率高达5 4 m b p s ，其中最重要的一点就是采用了正交 频分服用( o f d m ) 调制技术。这种调制技术的最大的好处就是将高速的数据流， 变换成并行的低速数据流，减小数据带宽，将无线环境中的多径衰落( 频率选择 性率落) 转换成平坦衰落。o f d m 技术有一定的对抗多径衰落的能力，但靠单纯 的o f d m 技术来对抗多径效应是不够的，将它与分柴技术结合起来，可以更好的 对抗多径衰落。这里我们所说的分集技术就是指发射分集和接牧分集，将这两种 分集技术结合起来的系统就是m i m o ( 多输入多输出) 系统，本文的重点就是研 究m i m o , o f d m 系统原理和性能分析。下面简单介绍一些相关的背景知识。 1 1 无线局域网的发展 为了让各种w l a n 技术能够被广为接受和使用，这些技术必须要建立一种业 界标准，以确保各厂商生产的设备都能具有兼容性与稳定性。这些标准是由i e e e ( 电器电子工程师协会t h ei n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 所制 定的，最早的标准i e e e8 0 2 1 l 是在1 9 9 7 年提出，初期的标准制定了在r f 射频频 段2 4 g h z 上的运用，并且提供了i m b p s , 2 m b p s 和许多基础信号传输方式与服务 的传输速率规格。目前1 m b p s 和2 m b p s 的w l a n 技术和产品已相当成熟，整个 系统的实现成本也正逐渐下降。但与以太网( 1 0 m b p s ) 相比，w l a n 较慢的数据传 输速率成了其进步发展的瓶颈。为此，i e e eg r o u p 接着在1 9 9 9 年9 月又相继推 出了新的高速标准8 0 2 i l b 和8 0 2 1 l a 两个新标准。后来于2 0 0 3 年6 月中旬正式通 过了相当于翦二者的混合标准8 0 2 1 l g ，使得w l a n 的发展速度又向前迈进了一 大步。i e e e 8 0 2 1 l a 和i e e e8 0 2 1 l b 标准分别为5 8 g h z 和2 , 4 g h z 频段做定义。 这两组新的标准也定义了i e e e8 0 2 1 l a 中5 m b p s ，l1 m b p s 到5 4 m b p s 速率的新物 理层。在这些现有的无线局域网标准中，i e e e s 0 2 1 l a 提供的传输速率可达5 4 m b p s ， 它是高速无线局域网中标准之。它扩充了标准的物理层，规定该层使用5 g h z 的 频带，频段是5 1 5 5 2 5 ，5 2 5 5 3 5 和5 7 2 5 5 8 2 5g h z 频带，其物理层的吞吐量分 高速无线局域网中m i m o 技术的研究 为6 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 、5 4 m b p s 。8 0 2 1 1 a 在5 g h z 频段采用正交频分复用 o f d m 调制技术来传输数据，代替了8 0 2 1 l b 中的d s s s ( 直接序列扩频) 技术。 o f d m 技术可帮助提高数据传输速率和改进信号质量，并可克服无线信道环境中 的多经效应带来的干扰。可以说o f d m 调制技术的应用，为实现高速的无线局域 网提供了必要条件。 为了进一步提升无线局域网中的数据传输速率，实现有线和无线局域网的无 缝结合，i e e e 成立了8 0 2 1 i n 工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标准， 该工作小组与2 0 0 3 年9 月召开首次会议，确定了i e e e 8 0 2 1 i n 的目标。该标准的 数据传输速率将提高到1 0 8 m b p s ，最高可达3 2 0 m b p s 。该标准的核心技术之一就 是m i m o o f d m 技术。该标准预计一两年之后推出，成为正式的标准。下面将分 析o f d m 技术的基本理论。 1 2i e e e s 0 2 1 l a 中0 f d m 技术的基本理论 o f g m 是一种新的高效的多载波调制技术，它能够有效地对抗多径传播，使受 到干扰的信号能够可靠地接收，由于现代数字信号处理技术( d s p ) 和超大规模集 成电路地迅速发展，最初实现o f 蹦技术的障碍，如庞大的复数运算和高速存储器 等已不复存在，同时快速傅立叶算法也避免了并行数据传输所需的正弦波发生器 组和相关解调器组，使该技术的实现费用更趋实际。因此这一项技术在近几年得 到广泛的普及。 1 2 10 f d m 的基本原理 正交频分复用( 0 f d m ) 是一种令人感兴趣的多载波调制方式，它用减少和消除码 间干扰( i s i ) 的影响来克服信道的频率选择性衰落。 设基带调制器的带宽为8 ，码元调制速率为胄，码元周期为f ，且信道的最大 延迟扩展m t 。o f d m 韵原理是将原信号分割为m 个子信号，分割后码元速率为 最= 蜀m 。周期疋= 胁，。，然后用l ；1 个子信号分别调制m 个相互正交的予载波。由 于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较大的频谱效率。由于多径效应带来的 码间串扰的作用，在接收端的予载波之间不能够保持良好的正交状态，故应在发 送前在码元间插入保护阏隔6 i 且要求6 最大时延扩展z x m ，这就能保证所有时 延小于6 的多径信号将不会延伸到下一个码元周期，因而有效地消除了码间串扰。 为了保持码子之间的正交性，插入保护间隔以插入循环前缀的方式实现。 在传统的多载波调制系统中，各子带的频谱是完全分开的，但是o f d m 系统 中各子载波之间的频谱相互重叠，在接收端利用载波之间的正交性分离数据。 笫一章绪论 1 2 2o f d m 的数学表示 o f d m 调制信号的数学表达形式为： d ( o = d ( n ) e x p ( j 2 n f t ) t 【o ，卅 ( 1 1 ) 这里d ( n ) 是第n 个调制码元，丁是码元周期t 加保护间隔6 ( 芦6 - i - t ) 。各子载 波的频率为 工= 厶+ 九i ( 1 - 2 ) 这里 为最低予载波频率。由于一个o f d m 符号是将m 个串并变换之后并行传 输出去，所以o f d m 码元周期是原始数据周期的m 倍，即t = m t 。，当不考虑保 护间隔时，则由( 1 一1 ) 、( 1 - 2 ) 可得： 肿) - 【篓m ) e x p ( 尝砌2 虬圳2 稚 ( 1 吲 式中x ( t ) 为复等效基带信号 村一j 1 群 x ( t ) _ 丢烈帅烈瑶螂 “4 ) 对x ( t ) 进行抽样，其抽样速率为l ，即= k t ，则有： m - i x ( ) = n = 0 d 伽) c x p ( j m n k ) o 七( 材一1 ) ( 1 5 ) 田【l 一5 ) 甄j 以皙出：x t k ) 。x ( t i ) 伶好是d ( n j 鲋仅罱教俘立叶燹殃。所以0 f d m 调制可用i f f r 来实现t 相应的接收端解调则可用f f t 来完成。 o f d m 韵系统框图如下： 囱 幽i 1o f d m 系统框图 以上框图中的编码和解码实际上是映射和解映射的过程，可以是b p s k q p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m 等等，具体的选择，可根据实际要求和性能来决定。 高速无线局域网中m i m o 技术的研究 1 2 3o f d m 系统的抗多径原理 发展可靠的高速移动通信系统的主要挑战是克服移动通信信道不容忽视的有 害影响。不像高斯白噪声信道，移动通信信道要遭受多径，即传输信号到达接收 端，要通过多个传播路径。有多径传播造成的两个主要影响是多径衰落和信道响 应的频率选择性，即频率选择性衰落。下面分析o f d m 技术将频率选择性衰落信 道转化成平坦衰落信道的基本原理。 参照图1 1 ，设x ( u ) 表示符号周期为，。的输入系列，串并变换器将m 个连续 的数据符号变成数据向量，即x ( n ) = f x ( 枷) x ( n m + 1 )x ( n m + m 一1 ) 】7 ， 予块的周期是m t 。假设块的大小盯为偶数，事实上，m 一般是2 的数次幂以 便于在调制和解调中有效利用i f f t ( f f t ) 。设z ( n ，k ) 表示第 个数据符号的第k 个分量，即x ( n ，k ) = x ( n m + 七) ，k = o 1 ， 升1 ，x ( n ，k ) 也被看成是第n 个子块第k 个子载波传输的数据符号。数据符号向量弼彬可以表示成：x ( n 卜时伽，叫x ( n ，l j x ( n , m - 1 ) 】7 ，由于数据符号向量弼彬是通过m 点i f f t 变换调制成o f d m 符号x 例， x ( n ) = 【x ( n ，0 ) x ( n ，1 ) x ( n ，m 1 ) 】t 其中 枷) = 击m 善- i 抛，) e x p ( j 警) o 继m l ( h ) i d f t 输出的长为o 的循环扩展被加到x 向) 上作为保护间隔，一般指的是循环前缀， 带有循环前缀的向量是x f f n ) = 状犯髟一g ) x ( n , x i ，“o ) x ( n , m 一 姐7 ，向量 一( 疗) 扩展的分组周期为( m + g ) t ，通过频率选择性信道传输。 设多径信遭数为l ，为了避免o f d m 符号间的干扰，保护间隔的长度应满足 g ，假设在整个扩展的分组间隔内信道状态信息保持不变，接收的信号向量r 倒 只是x s ( 一) 和 例的线性卷积，即r 例= x 2 ( h ) ，这里表示线性卷积， 厅；【 m 撕印h ( n m ；l ，h ( n m ；l l 刀7 。这里h ( n m ；o 表示第月个o f d m 符号期间第 i 条路径的信道冲击响应。在接收端，首先从接收到的信号向量中去掉保护间隔 形成向量y 例= 【，以q ，以g + l j r m 足+ g + 1 j r 。很明显，x 2 ( ) 是由x 倒的循 环扩展构成，则向量y 倒是工例和 阳的循环卷积。解调器对y 俐执行k 点的d f t 变换，以获得解调向量埽出 w ) = 击篆y ( n , 1 ) e x p ( - j 警) o 揪m - l “1 ) d f t 的一个重要性质就是时域的循环卷积导致频域的相乘，则解调的信号向 量为： “”) = h ( n ) x ( n ) + z ( n ) ( 1 - 8 ) 第一章鲜 论 这里娜叫是以信道冲击响应 的傅立叶变换为对角元素的对角矩阵，z ( n ) 是信道 噪声的d f t 。由于h ( n ) 是对角的，则子信道可以完全分离，第k 个对角元素。( n ) 可被看成是由下式给出的第k 个子载波的复信道增益： 州垆嘶= 击和) e x p ( - j 警) i o 螂m l ( 1 _ 9 ) 解调符号用复信道增益可表示为： r ( n ，k ) = a ( n ，七) x ( 九，k ) + z ( n ，t ) ，0 k k l ( 1 1 0 ) 除了噪声分量以外，解调符号是复信道增益a ( n ，k ) 与相应符号j ，f 疆缈的乘积， 这样带有循环前缀的o f d m 将频率选择性衰落信道转化成m 个平坦衰落的子信 道。这些平坦衰落子信道提供了一个有效的平台，在上面，那些为平坦衰落信道 产生的大量的空时处理技术被扩展到频率选择性衰落信道中。 1 2 4o f d i 存在的问题和解决方法 在无线环境中，信号的传输都会经过多条路径到达接收端，尤其是室内环境下， 由于信号的反射，折射和散射，这种现象更为严重。上面讲述的o f d m 技术虽然 可以将频率选择性信道转化成平坦衰落的信道，但是要对抗多径衰落，单凭这一 点是不够的。对抗多径的最好方法是分集技术，因此，将o f d m 和分集技术结合 起来可以更好地抗无线信道中的多径干扰。本文中用到的分集技术指的就是利用 多个发射天线和多个接受天线即m i m o ( 多输入多输出) 技术，再加上一定的空 时码( s t c ) 和空频码( s f c ) 技术，将空间分集和时间分集或频率分集结合起来， 以改善系统性能。这就是本文重点要研究的内容。 1 3 论文各章节安排 前面介绍了本课题相关的一些背景知识，以及提出该课题的原因。为了增强 o f d m 系统在无线环境中抗多径的能力，可以将o f d m 技术和m i m 0 技术相结合， 构成m i m o o f d m 系统。m i m o o f d m 系统，根据不同的编码方式，可分为空时 码o f d m 系统，空频码o f d m 系统以及v b l a s t o f d m 系统。这里v b l a s t 由 贝尔实验室提出的v e r t i c a lb 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 垂直的贝尔实验室 分层空时码系统。本文中研究的空时、空频码主要指的是分组码，也就是说本文 主要研究空时分组码( s t b c ) o f d m 系统。空频分组码( s f b c ) o f d m 系统以 及v b l a s t - o f d m 系统。 后面各章的安排是这样的：第二章，m i m o o f d m 系统的分析研究，主要 高速无线局域网中m i m o 技术的研究 分析介绍了m i m o - - o f d m 系统的原理框图，信道、信号模型、以及他们涉及到 的关键技术，如分集技术和编码技术；第三章，s t b c o f d m 系统研究，这里主 要分析研究了系统中用到的s t c 技术( 主要是s t b c ) 的编码原理和解码算法， s t b c o f d m 系统的工作过程，并用m a t l a b 对其进行了性能分析，并给出了仿 真结果，得出了相关的有用结论：第四章，s f b c o f d m 系统研究，本章主要介绍 了s f c ( 主要是s f b c ) 的编码原理和解码算法，几种不同的空频码字的设计，研 究了s f b c o f d m 系统的原理，并用m a t l a b 对其进行了性能分析，并给出了仿 真结果，得出了相关的结论；第五章，v b l a s t - o f d m 系统研究，本章中，研究 了v b l a s t 系统和o f d m 系统结合的基本原理和信号检测算法，并用m a t l a b 对它的性能进行了仿真和比较同时还将以上几种m i m o o f d m 系统性能进行了 比较，得出了结论；第六章，结论。 第二章m i m o 系统分析研究 第二章m im o - o f d m 系统分析研究 第一章介绍了无线局域网中o f d m 系统的基本原理，虽然o f d m 对多径环境 有一定的抵抗能力，但是靠单纯的o f d m 来抵抗多径效应是不够的，m i m o 技术 的引入，提高了o f d m 抗多径干扰的能力。m i m o 技术和o f d m 系统的结合，即 构成m i m o o f d m 系统。 2 1m i m o - o f d m 系统的基本原理 2 1 1m i m o 系统简介 m i m o ( m u l t i - i n p u tm u l t i o u t p u t ) 系统就是在发射端和接收端都用多个天线的系 统。相应的，如果接收端有多个天线，而发射端只有一个天线，则叫做 m i s o ( m u l t i - i n p u ts i m p l e o u t p u t ) 系统：如果发射端多个天线，接收端只有一个天线， 则叫做s l m o ( s i m p l e i n p u tm u l t i o u t p u t ) 系绕- 并且，m i m o 系统用到的分集技术是 发射分集和接收分集；s i m o 用到的分集技术只有接收分集；m i s o 用到的分集技 术则只有发射分级。通常多径效应会引起衰落，被视为有害因素。然而m i m o 的 一个重要的特点就是可将多径传播视为一个有利因素加以利用，改善系统性能。 m i m o 可以利用随机衰落和多径时延扩展( 如果有的话) 来增加传输速率。无线 通信系统使用m i m o 技术，不需要增加额多 的频谱资源，只需硬件和系统复杂度 方面的增加，就会得到优良的系统性能。 下面是几种分集系统的简单框图： 1 m i s o ，即一个发射天线，多个接收天线： 圈2 im i s o 系统 2 s i m o ，即多个发射天线，一个接受收天线。 8 高速无线局域网中m i m o 技术的研究 图2 2s i m o 系统 3 m i m o ，即多个发射天线，多个接收天线。 图2 3m i m o 系统 2 1 2 m i m o o f d m 系统 m i m o o f d m 系统( 带空时编码) 的框图如下： 图2 4m i m o o f d m 系统框图 m i m o o f d m 系统就是在发射端使用多个发射天线，将输入数据经过一定的 空时编码( s t c ) 或者空频编码( s f c ) 之后，经o f d m 调制再从多个天线同时 发送出去。在接收端各个接收天线接收的信号送入信号检测器中，经过一定的信 号处理，检测出原始信号。其中的空时码和空频码的具体原理，在以后章节中介 绍。 上图2 4 中，输入数据指的是原始的比特流通过编码映射之后的数掘，输入数 第二章m i m o 系统分析研究 9 据通过串并变换之后进入空时编码器，空时编码之后的数据在各个天线上经过 o f d m 调制之后，同时发送出去，在接收端进行相反的操作( 逆操作) 即可。o f d m 调制的基本原理在第一章已经介绍过了。 2 2m i m o - o f d m 的信道模型 论文要讨论的重点是无线局域网中的m i m o o f d m 系统，所以下面要讨论的 信道模型也是在这种环境中的信道模型。无线局域网的应用环境一般是小范围的 无线环境，更多的是室内环境，由于室内具有很多的反射、折射路径，因此在接 收端接收的信号一般都是原始发送信号经过多条路径传播之后的信号的叠加，这 就是通常所说的多径效应。这种传播信道也叫多径信道。下面首先介绍一般的多 径信道的基本模型，然后再介绍m i m o 系统中的多径信道模型。 2 2 i 多径信遴模型 多径衰落信道的时变脉冲响应可由文献【l 一3 】推导出。考虑传输带通信号 的情形： j = r e y 聊) ( 2 1 ) 这里工是复基带信号，工是载波频率，假设多径衰落信道是由离散的衰落路径组 成，接收的带通信号为： r ( f ) = r e y ( t ) e 口_ ) ( 2 2 ) 这里接收的复基带信号y ( t ) f l ：l 下式给出： y ( f ) = 口。( t ) e x p 一2 玎【( 正+ 蠢( f ) ) r ，( f ) 一蠢o ) 】) x o l ( f ) ) + 叩( r ) ( 2 3 ) 这里a 。( f ) 和l ( f ) 分别是第n 条传播路径的时变衰落因子和传播时延，r k t ) 是信 道噪声，在第n 条路径上，由于接收端的运动引入的多普勒频移是： l ( f ) = ，c o s 吼( t ) ( 2 4 ) 这罩厶= v ，丸是最大多普勒频移，v 是接收端移动速度，a 。是波长，以( f ) 是第r l 条路径的入射角，与移动接收机的速度向量相关。接收的复基带信号可以被写为： y o ) = 芝：n 。( ，) e 。旭x ( f l o ) ) + 印( f ) ( 2 5 ) 这里以( f ) 是与第n 条多径分量相关的时变相位，且 丸( ，) = 2 疗 ( 正+ 一( f ) ) l ( f ) 一矗( f ) 】( 2 - 6 ) 由( 2 5 ) ，等效的复基带信道可由时变的脉冲响应来建模： 矗( f ；r ) ；口。( f ) p m 万( f l ( r ) ) ( 2 7 ) 1 0 高速无线局域嘲中m i m o 技术的研究 这里 ( f ，r ) 表示信道在时刻t 对在时刻t f 加入的冲击的响应。 由于在室内，移动台的移动范围和速率都会很小，因此本文中不考虑由于多 普勒效应引起的频率偏移。因此多径衰落的幅度服从瑞利分布( 或莱斯分布) ，相位 服从均匀分布。在有主径存在的无线环境中，其幅度是服从莱斯分布的，否则就 是瑞利分布。一般在室内几乎不可能存在主径，所以一般是瑞利分布。本文就是 在这种环境下进行讨论的。设。，表示某一时刻，条路径的信道冲击响应，则日。， 是均值为零，方差为盯，2 的复高斯随机变量，即h 。，c n ( 0 ，d ，2 ) ，也就是月。，的 实部和虚部都满足n ( 0 ，o - 2 2 ) 。 2 2 。2 m i m o 系统的信道模型 考虑有m 个发射天线，n 个按收天线的情况。我们可以认为每一对收发天线 之间的信道都是多径信遒，并且设信道多径数为l ，则m i m o 系统中， ( ，= o ，l ，l 一1 ) 表示m i m o 系统中第f 条路径的信道冲击响应矩阵。h ，c ， 则( h ，) 。表示某一时刻第，条路径在第i 条接收天线、第j 条发射天线之间的增益。 它包括各个天线之间的多径衰落，以及收发天线之间的相关系数，即： h = r h w ( s ) 7 其中r = r ”2r “2 ，黔( s “2 ) ( s “2 ) 分别表示接收、发射天线的相关矩阵，日。则是 上节提到的复高斯随机变量，它是由多径效应引起的。为了简化讨论可以假设 收发天线之间的相关矩阵r = l 。s = l ，则有：h j = 日。 频域的传输函数为： l - i h ( 七) = 啊p 叩“”，( k = o 1 m - 1 ) i = 0 这里h o t ) c 表示第k 个予载波上的信道传输函数矩阵，可以看出，硒司其实是 凰的m 点傅立叶变换。 后面将介绍的各种m i m o o f d m 系统都是假设信道参数已知的情况下进行 的，同时引入准静态的观念，即认为信道传输函数在传输一个子数据块期间不变。 2 3m i m 0 系统信号模型 现在考虑有厶个发射天线、三，个接收天线的多天线通信系统。假设只有接收 端知道信道状态信息，发送端有一个信道编码，它从信源接收输入数据，输出一+ 个带有较高冗余、适于接收端纠错处理的编码流。输出的编码流被调制，并被分 第二章m m o 系统分析研究 配到上，个天线上。从每个发射天线发出的信息是同时和同步的，因此在每个天线 上接收至0 的信号是，个受白噪声干扰和乘性的符号间干扰衰落影响的信号叠加。 在接收端，天线，在时刻t 接收到的信号0 n 为： l 川一il “) _ 厄芝艺口j u s 卫+ 九；n ( 2 8 ) = 0i - l 这里b 是每个发射符号的能量，口 n 是传输天线i 到接收天线，在第，条路径 上的复高斯路径增益；。是信道脉冲响应的长度；s ；o 是第i 个天线在时刻t 传输 的符号，九j ”是接收天线j 在时刻t 收到的高斯白噪声的采样点，噪声采样点是独 立的均值为零，每维的方差为n ，2 的复高斯随机变量，假设不同的路径增益是统计 独立的，衰落模型主要考虑准静态的瑞利衰落过程，这时，在一个码字期间，复 衰落增益保持不变，但是在不同的码字之间是变化的。 2 4 分集技术 移动无线信道会遭受多径衰落，在深衰落期间，它将严重削弱接收信号，严重 削弱的信号不可能在接收端可靠地被检测到，除非在接收端有同样信息的更大幅 度的副本。为接收端提供信号副本就叫做“分集”，并且它是在衰落环境中改善无 线通信性能可靠性最有效的方法。任何分集技术成功的关键是信息柬信号的副本 经历独立的衰落过程。常常用在无线通信系统中的三种主要的分集形式是时域分 集，频域分集和空间分集。可以将不同的分集技术结合起来，改善无线系统的性 能。 时域分集是以时问冗余的形式提供信息的时域副本，这种分集技术，当信道是 时间选择性时最有效。时域分集通过将存储器引入到传输符号流中来执行，最典 型的是通过信道编码或者交织。既然时域分集依赖存储器，那么它的有效性依靠 衰落信道楣对于系统约束时延的相关时间。一般来说，时域分集可以被展开为动 态信道和约束时延不太严厉的系统。 频率分集以频率冗余的形式提供信息的频域副本，这种分集技术，当信道是频 率选择性时最有效。当有效传输带宽很大，以致在不同子带上的信号副本在频域 上相隔一定的间隔。从而经历了独立的衰落时，就可以用频率分集。 空间分集是以空间冗余的形式，即在接收端或发送端使用多个、间隔足够大的 天线来提供信息副本。跟时域分集和频率分集不同，它们会引起数据速率的降低 和带宽的扩张，而空间分集能够在不损失任何带宽效率的情况下执行。空间分集 常常在时域或频率分集不合适的情况下使用，比如说在衰落信道是非选择性的或 者保持数据速率或带宽效率是首要考虑时的情况下。配置空间分集主要的考虑是 高速无线局域网中m i m o 技术的研究 物理大小和附加天线的成本。 2 5m i m o o f d m 中的空时码和空频码 m i m o 系统用到的最典型的分集技术就是空间分集，当然不仅仅只有空问分 集，m i m o 首先通过空时编码器( 参见图2 4 ) 或空频编码器将信号编码之后，再 在多个天线上发送出去。空时编码实际上是将时间分集和空间分集结合起来，而 空频编码则是将频率分集和空间分集结合起来，这样可以极大地改善系统性能。 后面我们还会简单地介绍空时频编码技术，它则是将空间分集、时间分集、频率 分集三者结合起来的成功的例子。 2 5 1 空时编码( s t c ) 技术 空时编码技术【4 6 】主要有空时分组码和空时网格码两种。所谓空时网格 码利用的是网格编码技术进行编码，在接收端采用维特比译码算法进行译码，由 于维特比译码算法比较麻烦，具体的解码过程可以参考有关文献【7 】，这里不再 赘述。在1 4 1 中推导了空时码予的设计规则。 设传输码予萨d c ；o l n c 2 1f 2 2 c n c f i c 2f ? ，这里n 是发射天线数。，表示发送一 个数据块所用的时间汉设在传输c 时，接受端判决为e = e ，1 q 2 0 i n p ：i f 2 2 e ；p ，i 巳2 一。 b ( c ，e ) = 反一c ： e ? - c ? e ? 一c ? ： t e ；一c ； 吒 e ；一q 2 e ；一c ； ： 8 ；c ： e j c j e 卜c ； e 卜c ? ( 2 9 ) 4 僻砂= 口向叫嚣似砂，且爿r c ，纠的秩与曰矗砂的秩相等，设为r ，又设a ( c ，e ) 的非 零特征值为 ，厶，a ，。则在慢衰落环境中，当发射端发射的信号码字为c ，而接 收端接收的码子为e 的概率为： 即_ 邮( 焘 - r ( b ( e , e ) ) nr ( 嚣矿( 2 - - 1 0 ) 这里r 以e ) ) 表示矩阵b 以印的秩，则称r 似纠x n 为码字可获得的分级增 益，而丌 “被称为编码增益。e ，是发射信号的平均功率，n 。是噪声的平均 功率。 则慢衰落信道中，空时码的设计规则为【4 l 【1 8 1 ： 第二章m i m o 系统分析研究 1 秩准则：为了获得最大的分集增益聊l ( m 是发射天线数，行是接收天 线数) ，矩阵b ( c ，一对于任何码字c 和e 都必须是满秩，如果b 以叫在不 同的码字集上有最小的秩，则可获得的分集是，m 。 2 行列式准则：如果以上条件满足，为了获得最大的编码增益，则a 以一 在所有不同码字c , e 上的行列式的最小值必须最大。 空时分组码，利用码字的正交设计原理【5 】，将输入信号编码成相互正交的 码字，在接收端，再利用最大似然检测算法，解码出原始信号。由于码字之间的 正交性，在接受端检测信号时，只需做简单的线性运算即可，这种算法实现起来 比较简单，本文用到的空时编码方法就是基于这种设计原理设计的。 2 5 2 空频编码( s f c ) 技术 这样一种编码技术实际上是在空间和频域上对信号进行编码，它和空时编码 技术不同的是，空时编码是在时间域上对信号进行编码，而空频编码是在频率域 上对信号进行编码，其它的原理两者差不多。对于空频码字的设计规则很多文献 都讨论过【8 一1 2 】，这里我们也还是利用码字正交设计原理，将输入信号在空间 和频率上进行正交设计，在接收端，采用的解码算法依然最大似然检测算法。 m i m o o f d m 系统中，之所以会目l 入空频码的概念，是因为我们这里讨论的所有 的系统都是基于0 f d m 技术上的，而o f d m 是将输入信号调制到不同的子载波上 进行传输的，也就是说它是一个多载波传输系统，所以这里本身就已经引入了频 率域。 2 5 3 空时频编码( s t f c ) 技术 空时频编码技术则是将以上两种技术结合起来的一种技术。它是在空间、时 域和频域三维方向上对信号进行编码，接收端对信号进行解码，这样做的好处是 不仅能获得空间分集，还能获得一定的时间、频率分集，对改善系统性能有一定 的帮助【1 3 】。这种编码的基本思想是：首先将系统划分成比较小规模的s t f 系统 集，然后在每一个子s t f 系统( 也叫g s t f ) 上构造空时频码子，这样它可以获得 最大的分集和编码增益，而解码的复杂性却不是很高。 下面几章将分别介绍引入以上几种编码技术的m i m o o f d m 系统。 第三章s t b c - o f d m 系统研究 第三章s t b c - 0 f d m 系统研究 前面已经讲述了关于空时分组码( s t b c ) 的一些基本情况，s t b c 的设计是 基于正交设计原理来设计的，下面将详细介绍它的编码原理和解码方法。 3 1 空时码字的正交设计 3 i 1 基于h r 理论的实正交设计 大小为n 的实正交设计码字是一个n x n 的正交矩阵，其中各项是五， x 2 ，的其中之一。在数学上正交设计中的阔鼯被称作h u r w i t z - r a d o n 问 题，并且在上个世纪初就被r j i d o n 完全解决。实际上，当且仅当n = 2 , 4 ，8 时，正交 设计的码字才存在【5 l 。 绘定一个歪交竣诗码字o ，人们可以通过取消某一列来获得另一个正交设计 码字，其中第一行的所有项都是正数，通过将各列排序，在不失一般性的情况下， 可以假设o 具有这种性质即：o 的第一行是，x ：，x n a 举例来说： 一个2 x 2 的实正交设计的例子是【5 、1 4 ： f ，：卜x 2 ( 3 1 ) l x 2一， 而4 4 的正交设计是： 炙。 8 8 的证交设计是： 缸2 一 一x 2 一 一x 一工5 一k x 一 一x l 一 一x 2 一 一x - x 2 工l x 4 一工3 屯 一工j 而 x 2 h 毛 一x 2 x ( 3 2 ) ( 3 3 ) 黾_吖以b。置 b q吖b吖而也 鼍-一叫。吖 矗吖屯_。_吖也h毛吖吖屯 叠孔叫南叫也吖 1 6 高速无线局域网中m i m o 技术的研究 从以上例子可以看出，实正交设计码子的基本结构就是 ( a 曰匀( 3 - - 4 ) 这里a ，b 可以是规模较小的正交码字也可以是某个数据。同时还可以看出，以上 设计的码字各列或各行之间都是正交的。 这里顺便介绍一下编码速率的概念，假设一个码字中包含疗个不同的符号， 传输这个码字所花费的时间是t ，则这个码字的编码速率为：r = n k 。根据这个定 义，则以上码字的编码速率是最高的，等于1 ，因此也叫全速码字。 3 1 2 推广的实正交设计 由于以上的h r 矩阵的正交设计只能是方阵，这样以来应用在传输分集上 的局限性就报大，因为实际中天线数不止是2 ，4 ，8 ，也可能是3 ，5 ，6 ，7 等。 这里将介绍的就是一种更一般的实正交设计，这种新的简单的传输机制，不仅适 用于任何数目的传输天线系统，而且把h - r 理论推广到非方阵中，这时的码字只 有各列之间保持正交。 这里介绍的几种码字是在解码时延上是最佳，而且编码速率等于1 的码字。 如3 个发射天线时的码子为： 炙= x l x 2 一x 3 一x 5 个发射天线时的码子为： f s = 工l x 2 一屯 一工 一x s 一扎 一x ， 一x e 而 一x d 一 奶 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 当然按照这种正交原理构造出来的码字并不是唯一的，比如说当发射天线数 为3 时，还可以构造出另一种妈字： 如岛黾一吖吖吖 h吖也-_吖如b札吖q吖如 靶朋 椰 砧 第三章s t b c o f d m 系统研究 白= x lx 2x 3 f 4z 3一2 0 2 一o l z 3一x 4 一一 该码字也满足各列之间的正交性，所以说构造出来的这种码字也是满足条件的， 对于天线数为5 ，7 等其它的情况时，构造的码字也不止一个。 3 1 3 复正交码字设计 以上描述的实正交码字设计是对应于实信号星座的，比如说b p s k 调制，但 是很多调制中的信号星座都是复数的，如q p s k 。8 q a m ，1 6 q a m ，6 4 q a m 等等。所 以有必要介绍一下复正交码字的设计。 我们定义一个大小为n 的复正