（通信与信息系统专业论文）多天线系统中信号发射方案与检测技术研究.pdf

摘要 摘要 多入多, q 4 , ( m i m o ) 通信系统通过在发射端和接收端设计多个天线，能最大程度 地利用无线信道的信道容量，实现高速可靠通信。正交频分复用( o f d m ) 技术能够 有效地对抗多径传播引起的频率选择性衰落，将频率选择性衰落信道转化为平坦 衰落信道。将m i m o 技术和o f d m 技术结合起来构成的m i m o o f d m 系统充分 发挥了二者的优势，具有非常实际的意义。本文在上述的m i m o 系统以及 m i m o o f d m 系统的基础上，研究了接收端的检测技术和发射端的预编码技术。 对于m i m o 系统中接收端的检测技术虽然已经相当的成熟，但是基于快衰落 信道下已编码的m i m o o f d m 系统中的软输出检测算法还缺乏研究。本论文的第 三章针对现有的大多数带信道编码的系统，在原有的检测算法基础上研究了四种 不同检测算法的软输出算法，包括联合最大似然检测，简化最大似然检测，迫零 检测以及判决反馈检测，并对其中的判决反馈检测算法提出了抑制错误传播的改 进算法。 本论文第四章研究了通过在接收端进行实际的信道估计和噪声方差估计，发 射端如何利用反馈回来的信道信息和噪声方差信息进行自适应的功率分配以获得 系统误码率性能的提高。研究了等功率分配、等s n r 功率分配以及拉格朗日功率 分配三种功率分配方案下系统的误码率性能差异。通过研究发现，拉格朗日功率 分配算法性能最优，等s n r 功率分配算法算法简单且性能与拉格朗日功率分配算 法十分接近且算法简单，具有很大的实用价值。二者相对于等功率分配算法都有 相当的性能提升，因此当拉格朗日功率分配算法出现分配盲点时，可以联合等s n r 功率分配算法进一步改善性能。在强相关信道下，仅通过功率分配不足以改善此 时严重恶化的误码率性能，此时通过选择部分发射天线并且在已选的部分发射天 线上有效分配功率能够提高发射天线上的信噪比，最终获得更大的性能增益。 在第五章研究了发射端未知信道状态信息时，基于空频码的循环延迟分集技 术的预编码发射方案。该方案通过在多天线的o f d m 调制信号中引入不同的循环 延迟，增加了信道的频率选择性，提高了频率分集增益，能够很大程度的改善系 统的误码率性能。并分析比较了该发射方案和3 g p p 提案中c d dp r e c o d i n g 的循环 延迟分集方案的性能差异。最后通过仿真验证了基于空频码的循环延迟分集发射 摘要 方案选择合适的循环延迟，可以达到逼近经典的a l a m o u t i 空时编码方案的分集增 益，实现简单且不受发射天线数的限制。 关键词：多入多出，功率分配，天线选择，循环延迟分集，信号检测 i i a b s t r a c t a b s t r a c t b ys e t t i n gm u l t i p l ea n t e n n a s i nt r a n s m i t t e ra n d o rr e c e i v e r , t h em u l t i i n p u t m u l t i o u t p u t ( m i m o ) s y s t e mc a ne x p l o i tt h eb e s tc h a n n e lc a p a c i t ya n d r e a l i z eh i 曲r a t e a n dr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n o r t h o g o n a lf r e q u e n c y - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i sa f i n et e c h n i q u et om i t i g a t et h ee f f e c to ff r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n g t h e r e f o r e ，t h e m i m o o f d ms y s t e m , w h i c ht a k e sa d v a n t a g eo ft h e s et w ot e c h n i q u e s ，h a sav e r y p r o m i s i n gp r o s p e c t t h i st h e s i sm a i n l yi n v e s t i g a t e st h ed e t e c t i o nt e c h n i q u e sa n dt h e p r e - c o d i n gt e c h n i q u e si nt h em i m os y s t e ma n dm i m o o f d ms y s t e m a l t h o u g ht h ed e t e c t i o na l g o r i t h m si nm i m os y s t e m sh a v e b e e nb r o a d l yr e s e a r c h e d ， t h es o f t - o u t p u td e t e c t i o na l g o r i t h mi nc o d e dm i m o - o f d ms y s t e mu n d e rf a s tf a d i n g c h a n n e li ss t i l la l lo p e nq u e s t i o n i nc h a p e r3 ，f o u rs o f t - o u t p u td e t e c t i o na l g o r i t h m sa r e i n v e s t i g a t e d ，i n c l u d i n gj o i n tm a x i m u m l i k e l i h o o d d e t e c t i o n ，s i m p l e m a x i m u m l i k d i h o o dd e t e c t i o n ，d e c i s i o nf e e d b a c kd e t e c t i o na n dz e r of o r c i n g d e t e c t i o n f u r t h e r m o r e ，a ni m p r o v e da l g o r i t h mo fd e c i s i o nf e e d b a c kd e t e c t i o ni sp r o p o s e d ，w h i c h c a ns u p p r e s st h ee r r o rp r o p a g a t i o n c h a p t e r4i n v e s t i g a t e st h ep r e - c o d i n gt e c h n i q u e s ，i n c l u d i n gt h ep o w e ra l l o c a t i o n t e c h n i q u ea n dt h ea n t e n n as e l e c t i o nt e c h n i q u ew i t hc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o ni nt h e t r a n s m i t t e r ( c s i t ) t h r e ed i f f e r e n t t r a n s m i tp o w e ra l l o c a t i o n ( t p a ) s c h e m e s ， i n c l u d i n ge q u a lp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m e ，e q u a ls n rp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m ea n d l a g r a n g ep o w e ra l l o c a t i o ns c h e m e ，a r es t u d i e da n dc o m p a r e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tl a g r a n g ep o w e ra l l o c a t i o ns c h e m eh a st h eb e s tp e r f o r m a n c e h o w e v e r , i th a st h e h i 曲e s tc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y e q u a ls n rp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m ec a na p p r o a c h t h es a m ep e r f o r m a n c eo ft h el a g r a n g es c h e m eb u th a sl o w e rc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y f u r t h e r m o r e ，b o t ht h et w os c h e m e sh a v eb e t t e rp e r f o r m a n c e t h a ne q u a lp o w e ra l l o c a t i o n s c h e m e i nt h es t r o n gc o r r e l a t i v ec h a n n e l ，o n l yp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m ec a n n o ti m p r o v e t h ed e t e r i o r a t i v eb e rp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，w ei n v e s t i g a t et h ej o i n ts c h e m eo fp o w e r a l l o c a t i o nt e c h n i q u ea n da n t e n n as e l e c t i o nt e c h n i q u e b ys e l e c t i n gp a r t i a la n t e n n a sa t i a b s t r a c t t h et r a n s m i t t e r , t h ee f f e c t i v es n ro ft h et r a n s m i t t i n ga n t e n n a si si n c r e a s e da n dt h e p e r f o r m a n c e w i l lb e i m p r o v e d c h a p e r5i n v e s t i g a t e st h ep r e - c o d i n gs c h e m ew h i c hc o m b i n e ss p a c e - - f r e q u e n c y c o d i n ga n dc y c l i cd e l a yd i v e r s i t yt e c h n o l o g y ( s f c - c d d ) w i t h o u tc s i t i no r d e rt o i n c r e a s et h ef r e q u e n c ys e l e c t i v i t yo ft h ec h a n n e l ，t h i ss c h e m ei n t r o d u c e sd i f f e r e n tc y c l i c d e l a y si n t ot h eo f d ms y m b o l s i nt h i sa p p r o a c h ，t h ef r e q u e n c yd i v e r s i t yg a i na n dt h e b e rp e r f o r m a n c eo ft h i ss c h e m ec o u l db eg r e a t l yi m p r o v e d f u r t h e r m o r e ，w ea n a l y s e a n dc o m p a r es f c - c d ds c h e m ea n dt h ec d dp r e - - c o d i n gs c h e m ep r o p o s e di n3 g p p l t ep r o p o s a l s s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h es f c c d d s c h e m ei sm u c hb e t t e rt h a nc d dp r e - c o d i n gs c h e m e i tc a na l m o s ta p p r o a c ht h e p e r f o r m a n c eo fc l a s s i c a la l a m o u t is p a c e - t i m ec o d i n gt e c h n i q u e h o w e v e r , c o m p a r e d w i t ht h ea l a m o u t is p a c e - t i m ec o d i n g , t h es f c c d ds c h e m ei sn o tl i m i t e db yt h e n u m b e ro ft r a n s m i ta n t e n n a sa n dc a nb er e a l i z e ds i m p l y k e yw o r d s ：m i m o ，p o w e ra l l o c a t i o n ，a n t e n n as e l e c t i o n , c d d ，d e t e c t i o na l g o r i t h m i v 缩略语 3 g p p 3 g p p 2 缩略语 3 一g e n e r a t i o np a r t n e rp r o j e c t 第三代合作伙伴计划 3 耐g e n e r a t i o np a r t n e rp r o j e c t2 第三代合作伙伴计划2 a w g na d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e 加性高斯白噪声 b e rb i te r r o rr a t e b l a s tb e l ll a b sl a y e r e d s p a c e - t i m e c d d c y c l i cd e l a yd i v e r s i t y c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c e s s c p c y c l i cp r e f i x d - - b l a s t d i a g o n a l - b e l ll a b sl a y e r e ds p a c e - t i m e d f f f t d e c i s i o nf e e d b a c k f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m h - b l a s th o r i z o n t a l b e l ll a b sl a y e r e ds p a c e - t i m e i f f t j m l l l r l s l s t c m i m o m l i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f 0 1 t n j o i n tm a ) 【i m u m l i k e l i h o o d l o g - l i k e l i h o o dr a t i o l e a s ts q u a r e s l a y e r e ds p a c e - t i m ec o d i n g m u l t i - i n p u tm u l t i - o u t p u t m a x i m u ml i k e l i h o o d x 误码率 贝尔实验室分层空时码 循环延迟分集 码分多址 循环前缀 对角贝尔实验室分层空 时码 判决反馈 快速傅立叶变换 水平贝尔实验室分层空 时码 快速傅立叶逆变换 联合最大似然 对数似然比 最4 , - 乘 分层空时码 多输入多输出 最大似然 缩略语 m m s e m r c n m s e o f d m 0 s u c q a m q p s k s f b c s f c s i n r s m l s n r s t b c s t t c s u c 硎 m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r m a x i m u mr a t i oc o m b i n a t i o n 最小均方误差 最大比合并 n o r m a l i z e dm e a ns q u a r ee r r o r归一化均方误差 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 i n g 正交频分复用 o r d e r e ds u c c e s s i v ec a n c e l l a t i o n排序干扰抵消 q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n正交幅度调制 q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g s p a c e f r e q u e n c yb l o c kc o d i n g s p a c ef r e q u e n c yc o d i n g s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o s i m p l em a x i m u m - l i k e l i h o o d s i g n a lt on o i s er a t i o s p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g s p a c e - t i m et r e l l i sc o d i n g s u c c e s s i v ec a n c e l l a t i o n t r a n s m i tp o w e ra l l o c a t i o n v - b l a s tv e r t i c a l - b e l ll a b sl a y e r e ds p a c e - t i m e z f z m s g z e r of o r c i n g z e r om e a nc o m p l e xg a u s s i a n x i 正交相移键控 空频块码 空频码 信干噪比 简化最大似然 信噪比 空时块码 空时格码 连续干扰抵消 发送功率分配 垂直贝尔实验室分层空 时码 迫零 零均值复高斯 数学符号表 【】 】+ 【】h 盯 h ( ：，i ) h ( f ，：) i 1 1 i | e ( ) a r g m a x a r g1 1 h n 数学符号表 复参量的共轭 矩阵的m o o r e - p e n r o s e 广义逆 矩阵或向量的共轭转置 矩阵或向量的转置 矩阵h 的第i 列 矩阵的第研于 单位矩阵 矩阵的f r o b e n i u s 范数 数学期望 表示随机变量服从某种分布 序列最大值对应的自变量参量 序列最小值对应的自变量参量 x i i 图目录 图目录 图2 1m i m o 系统框图5 图2 - 2a l a m o u t i 空时分组码系统框图8 图3 1 编码的a l a m o u t is t b c o f d m 系统1 8 图3 2a l a m o u t is t b c o f d m 系统的编码方案1 9 图3 3编码的a l a m o u t is t b c o f d m 系统的四种检测方法的性能比较2 3 图3 - 4s t b c o f d m 系统d f 检测算法的三种不同处理方法的性能比较2 4 图3 5 a l a m o u t is f b c o f d m 系统的编码方案2 4 图3 - 6 编码的s f b c o f d m 系统的四种检测方法的性能比较2 5 图3 7s f b c o f d m 系统d f 检测算法的三种不同处理方法的性能比较2 6 图4 _ 1信道估计和噪声方差估计下的自适应功率分配系统框图2 9 图4 2 信道估计的帧结构框图3 3 图4 - 3 归一化n m s e 3 3 图4 4 实际信道估计噪声方差估计下的z f o s u c 译码性能3 4 图4 5 实际信道估计噪声方差估计下的m m s e o s u c 译码性能3 4 图4 6 不同相关信道下的z f o s u c 译码性能比较3 6 图4 7 不同相关信道下的m m s e o s u c 译码性能比较3 6 图4 - 8带有限反馈的天线选择与功率分配v b l a s t 系统框图3 8 图4 9 信道相关度为p = 0 9 时发送端选择不同数目天线时的性能比较4 2 图4 - 1 0 信道相关度为p = o 。7 时发送端选择不同数目天线时的性能比较4 3 图4 - 1 1 信道相关度为p = 0 5 时发送端选择不同数目天线时的性能比较4 3 图4 - 1 2 信道相关度为p = 0 1 时发送端选择不同数目天线时的性能比较4 4 图4 1 3 几种天线选择方案的性能比较4 5 图5 1s f c c d d 的编码方案4 7 图5 2b p s k 调制时s f c c d d 方案与a l a m o u t i 方案的误码率性能比较5 3 图5 3q p s k 调制时s f c c d d 方案与a l a m o u t i 方案的误码率性能比较5 4 图5 4c d dp r e c o d i n g 方案与s f c c d d 方案的误码率性能比较5 7 v i 表目录 表目录 表2 1h b l a s t 编码方案6 表2 2d b l a s t 编码方案一7 表2 3v - b l a s t 编码方案7 表3 1m i m o o f d m 系统检测算法的仿真参数表2 2 表5 15 1 2 点f f t 时两根天线满分集延迟分量的选取5 2 表5 - 25 1 2 点f f t 时四根天线满分集延迟分量的选取5 2 表5 3s f c c d d 方案仿真参数表5 2 i x 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。据我所知，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作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 醺鱼! 逾日期：抛孑年岁月孑日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技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，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应遵守此规定) 日期：2 占年岁月g 日 第一章绪论 1 1 论文的研究背景和意义 第一章绪论 随着日益增长的语音业务、数据业务和宽带i n t e r a c t 业务等无线通信业务的需 求，对无线通信系统在数据传输速率、系统业务容量以及性能等方面提出了更高 的要求；而同时可以利用的频谱资源是有限的。如何利用有限的频谱资源来传输 更多的信息以满足未来移动通信的需求，成为了通信界研究的热点。在这种背景 下a t & tb e l l 实验室的学者在上世纪9 0 年代中后期提出了一种全新的通信系统结 构，即多入多出( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ，m i m o ) 的多天线通信系统【l 】o t e l a t a r 2 和f o s c h i n i 1 等人对加性高斯白噪声信道下m i m o 信道的信道容量的 研究表明，多天线技术可以使信道容量随着发送端和接收端的天线根数的较小值 近似呈线性增长。m i m o 通信系统通过在发射端和接收端设计多根天线，数据流 并行的由多个发射天线发送到空间信道后再由多个接收天线接收，由于各发射信 号占用同一频带，因而并未增加系统带宽。若各发射接收天线间的信道冲激响应 独立，则m i m o 系统可以创造多个并行的空间子信道。通过这些并行空间子信道 独立地传输信息，数据率可以成倍提高，因此m i m o 系统能最大程度地开发无线 信道的信道容量，实现高速可靠通信。另外通过对m i m o 系统中多根发送天线上 的数据进行编码，得到空时分组码( s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ，s t b c ) 和空频分组码 ( s p a c e f r e q u e n c yb l o c kc o d i n g ) ，虽然对系统容量没有贡献，但是能够大大改善接 收端的译码性能及译码复杂度。正是基于这些原因，m i m o 系统已经在许多无线 通信系统中得到广泛应用。比如贝尔实验室的分层空时码( b e l ll a b sl a y e r e d s p a c e t i m e ，b l a s t ) 实验系统、3 g p p 的w c d m a 系统、3 g p p 2 的c d m a 2 0 0 0 系统、 无线城域网i e e e8 0 2 1 6 方案、无线局域网i e e e8 0 2 1 l n 方案以及正在制定的移动 宽带无线接入i e e e8 0 2 2 0 方案等均已采用或计划采用多天线技术【3 1 。 正交频分复用( 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 i n g ，o f d m ) 技术【4 】能够 有效地对抗多径传播引起的频率选择性衰落，将频率选择性衰落信道转化为平坦 衰落信道，成为新型高速无线通信系统的主要技术【5 1 。将m i m o 技术和o f d m 技 术结合起来，即构成m i m o o f d m 通信系统【6 】f 7 1 ，同时发挥了两者的优势又能弥 电子科技大学硕士学位论文 补m i m o 系统不能对抗信道频率选择性衰落的不足，已经成为第四代移动通信系 统最具竞争力的方案之一【6 】。 m i m o 系统中所采用的发射技术大多都是基于发射端未知信道条件来设计 的，因此对信道的利用不足。通过在接收端估计到信道系数反馈回发送端作相应 的调整，如对发送端的功率进行重新分配或者在多根发射天线里选择合适的部分 发射天线发射数据，都可以明显改善整个系统的误码率性能。即使发送端不知道 信道状态信息，类似于经典的a l a m o u t i 空时编码【8 】方案，研究了基于空频码的循 环延迟分集编码方案，以提高整个系统的误码率性能，而不受传统的空时编码方 案中发送天线根数的限制。同时m i m o o f d m 系统中最终能够提供的性能增益， 与接收机的检测算法有很大的关系，接收机检测算法的复杂度和性能决定了 m i m o 系统能否在实际中大规模的应用。因此，发射信号设计以及接收端的检测 算法研究是m i m o 系统中非常具有研究价值的两个重要方面。 1 2 论文的主要贡献 本论文主要研究了m i m o 系统中接收端的几种检测技术以及发送端的几种预 编码技术，对于已有的检测算法对其在新环境中的应用作了推广，同类的检测算 法做了性能分析比较，对于存在不足的预编码算法也作了改进。研究的成果主要 可以归结为以下几点： 对于s t b c o f d m 系统以及s f b c o f d m 系统中的四种常见检测算法给 出了在已编码系统快衰落信道下的软输出检测算法的推广，对于其中的判 决反馈检测算法提出了改进算法。 关于功率分配技术，研究了m i m o 系统中在发送端已知信道状态信息时， 如何进行功率分配以获取更好的性能，研究了几种分配算法的性能差异及 适用场景，当最优的拉格朗日功率分配算法存在不合理分配时需要结合次 优的等功率分配算法，避免不合理分配的出现，对整个系统的误码率性能 几乎不会造成损失。 关于天线选择技术，在强相关信道下，即使通过功率分配亦不足以改善恶 化的误码率性能，多根发送天线出现的强相关性不仅不能带来性能增益反 而还会降低单根天线的发送功率，此时通过选择部分发射天线能够获得更 大的性能增益，而且还能降低高频发射前端的昂贵费用。 2 第一章绪论 关于循环分集技术，主要研究了基于空频码的循环延迟分集发射方案的编 码方式和时延选择，比较了其与3 g p pl t e 提案中c d dp r e c o d i n g 的循环 延迟分集方案的性能差异，通过仿真可以发现选择合适的循环延迟量可以 获得近似于a l a m o u t i 空时编码的性能。 1 3 论文的主要研究工作及结构安排 本论文的主要目标是研究m i m o 无线通信系统中接收端的检测技术以及发送 端的预编码技术。在原有成熟的检测技术基础上研究了频率选择性快衰落信道下， 有信道编码的无线通信系统中的各种检测算法的软输出算法；研究了发送端的预 编码技术，包括在接收端通过信道估计和噪声方差估计后反馈回发送端进行的功 率分配技术，在强相关信道下，当功率分配技术误码率性能仍不能满足要求时进 行的天线选择技术，此外还研究了基于空频码的循环延迟分集技术。 第一章首先介绍了本论文的研究背景，其次主要介绍了本论文的主要贡献以 及论文的结构安排。 第二章介绍了多天线技术理论基础，包括无线信道特性，然后介绍了m i m o 系统模型，最后介绍了常见的空时编码技术，包括空时分组码和分层空时码。 第三章首先介绍了m i m o 系统中常见的几种检测算法，在此基础上研究了快 衰落信道下已编码的m i m o o f d m 系统包括s t b c o f d m 系统和s f b c o f d m 系 统中的几种检测算法的软输出算法及其改进算法，最后给出了性能仿真分析。 第四章研究了m i m o 系统中在发送端己知信道状态信息时，如何进行功率分 配以获取更好的性能，研究了几种功率分配算法的性能差异及适用场景，并对发 射端采用功率分配时接收端的检测技术做了相应的调整。但是在强相关信道下， 仅仅通过功率分配不足以改善恶化的误码率性能，此时通过选择部分发射天线能 够获得更大的性能增益，最后给出了性能仿真分析。 第五章研究了在频率选择性不足的信道下如何利用基于空频码的循环延迟分 集发射方案来提高整个m i m o o f d m 系统的频率分集增益以改善误码率性能，继 而给出了在3 g p pl t e 中提案中给出的c d dp r e c o d i n g 循环延迟分集方案，对于这 两种方案的性能作了理论分析和仿真比较。 第六章对全文进行了总结，并对下一步还需要做的工作提出了建议。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章多天线技术基本理论 作为研究无线通信系统的基础本章首先简要介绍移动通信的信道特点，在此 基础上给出了本文主要研究的m i m o 系统模型。多天线技术从本质上来说是一种 空时编码技术，它通过多根天线为无线通信系统提供了空间分集增益和空间复用 增益。据此我们介绍了基于提高传输质量的空时分组码和基于提高数据传输率的 分层空时码两种最主要的空时编码技术。最后介绍了m i m o 系统中常见的几种译 码算法。 2 1 无线信道特性 无线信道的电波传播特性【9 】【1 0 】包括在无线移动通信信道中电波传播的快衰落 与慢衰落、多径衰落和多普勒频移，它是研究无线通信系统的基础。本节主要讨 论无线信道的几种衰落和几种效应。 无线移动通信信道的衰落特性是由长期慢衰落和短期快衰落效应来表征的。 忽略热噪声时，接收机接收的信号可以表示为 r ( t ) = m ( t ) xr o ( t ) ( 2 - 1 ) 其中，m ( t 1 表示长期慢衰落，即本地平均或对数正态衰落分量，其幅度是对数正 态功率密度函数；r o ( f ) 表示短期快衰落，即多径或瑞利衰落分量。 长期慢衰落是由信道路径上的固定障碍物如建筑物、山丘、树林等的阴影引 起的，衰减特性一般服从d 1 律分布，平均信号衰落和关于平均衰落的变化具有对 数正态分布的特性。利用不同测试环境下的移动通信信道的长期慢衰落中值计算 公式，可以计算出移动通信系统的业务覆盖区域。从无线系统工程的角度看，传 播的衰落主要影响到无线区域的覆盖范围。 短期快衰落是由移动台的运动和地点的变化而产生的。其中，多径引起时间 扩散，使信号产生符号间干扰；运动引起多普勒效应，使得信号相位发生变化。 不同的测试环境有不同的短期快衰落特性。由于多径衰落严重影响信号传输质量， 并且是不可避免的，只能采用抗衰落技术来减少其影响。 4 第二章多天线技术基本理论 移动无线信道是弥散信道。电波通过移动无线信道后，信号在时域上或在频 域上都会产生弥撒，本来分开的波形在时间上或在频谱上会产生交叠，使信号产 生衰落失真。 多径效应在时域上引起信号的时延扩展，使得接收信号的信号分量展宽，相 应的在频域上规定了相关带宽。当信号带宽大于相关带宽时就会发生频率选择性 衰落。多径效应产生的衰落是频率选择性衰落。 多普勒效应在频域上引起信号的频谱扩展，使得接收信号的信号分量产生多 普勒频展，相应的在时域上规定了相关时间。当信号持续时间大于相关时间时就 会发生时间选择性衰落。多普勒效应产生的衰落是时间选择性衰落。 2 2m i m o 系统模型 考虑发射天线数为坼，接收天线数心的m i m o 系统，每根接收天线收到 的信号都是m r 根发送天线发射的信号经过空间信道后在时域和频域上相互叠加 的多路信号之和。其系统模型如图2 1 所示。 膨r 根 接 收 天 线 图2 im i m o 系统框图 乃，表示的是发送天线i ( i = l ，2 ，m t ) 到接收天线j ( j = 1 ，2 ，m 足) 之间的信 道衰落系数，以所有乃f 为元素构成信道矩阵h c m j 州r 。其信号模型可以描述 y = 净 陋2 ， 5 l l ；l l j 坼根发送天线 电子科技大学硕士学位论文 其中y 是接收到的m 胄1 维的信号矢量，h 是m 詹x m r 维的信道矩阵，s 是维m r x l 的发送信号矢量，n 是m 矗x l 维的零均值复高斯随机噪声矢量，其协方差矩阵为 o i m 。 2 3 空时编码技术 2 3 1 分层空时码 贝尔实验室的f o s c h i n i 于1 9 9 6 年提出的分层空时码( l a y e r e ds p a c e t i m e c o d i n g , l s t c ) 是最早提出的空时编码方案【l 。分层空时编码将信源数据分为若干 子数据流，独立的进行编码、调制，频谱效率可以达到4 0 b p s h z ，但它较适用于 窄带系统和室内环境，不太适用于室外移动环境【1 2 】【1 3 】。分层空时码是频带利用率 随着发射天线数线性增加的编码方式。根据编码和调制输出的符号映射到发送天 线的方法不同以及编码的有无，可以将分层空时码分为三类：水平分层空时码 ( h o f i z o n t m b e l ll a b sl a y e r e ds p a c e - t i m e ，h b l a s t ) 、对角分层空时码 ( d i a g o n m b e l ll a b sl a y e r e ds p a c e - t i m e ，d b l a s t ) 和垂直分层空时码( v e r t i c a l b e l l l a b sl a y e r e ds p a c e t i m e ，v - b l a s t ) 。 对于h b l a s t ，输入比特流经过串并转换后现在时域内进行编码调制，然后 第f 路编码和调制模块输出的符号恒定地由第i 根天线发射出去。如下表2 1 所示。 表2 1h - b l a s t 编码方案 天线1 l591 3 天线2 261 01 4 天线3 371 l1 5 天线4 48 1 21 6 在d b l a s t 方案中，源数据流按照发送天线数目变换为几个子数据流后，每 个子数据流再分别进行编码，然后将m 路编码与调制模块输出的符号循环地通过 m 根天线发射出去，形成了有规律的对角线，如下表2 2 所示。因此每个数据流在 空间和时间上都进行了分配。d b l a s t 技术虽然具有更高的频谱利用率，但由于 其结构过于复杂，难以实际应用，目前已少有研究。 6 第二章多天线技术基本理论 表2 2d - b l a s t 编码方案 天线112341 71 81 9 天线2 56782 0 2 1 天线3 一一 91 01 l1 22 5 天线4一 一一 1 3 1 4 1 51 6 v - b l a s t 与h b l a s t 不同的是，编码与调制模块并不对比特流进行编码， 即高速源信息流仅仅经过串并转换后，就直接从对应的各发射天线发射出去，如 下表2 3 所示。v - b l a s t 系统的编码很简单，它的复杂度主要集中在解码上。 表2 3v b l a s t 编码方案 天线1 1 2 34 天线2 5 6 78 天线3 91 01l1 2 天线4 1 31 41 51 6 作为一种最具代表性的m i m o 系统，v - b l a s t 系统以其简单实用的结构和极 高的频谱利用率而受到人们广泛的关注。有关v - b l a s t 系统的检测技术将在下一 节作详细介绍。 2 3 2 空时分组码 a l a m o u t i 于1 9 9 8 年首先提出了简单的针对两个发射天线的发射分集方案【8 】， 然后t a r o k h 等人应用正交编码理论将其推广到任意根发送天线的情况【1 4 】【1 5 】【1 6 】，形 成了空时分组编码技术。s t b c 技术把待传输的符号分组映射到空间域和时间域， 通过构造正交结构，使得在接收端利用简单的线性最大似然译码算法即可恢复发 送符号，算法简单而且还可以获得与最大比合并( m a x i m u mr a t i oc o m b i n a t i o n , m _ r c ) 接收技术相同的分集增益。两根发射天线的空时分组码的系统框图如下图 2 2 所示。 7 电子科技大学硕士学位论文 矗，j ，j r v 菇，而 i 啊 - j 叫信道估计l 乏： 最 大 啊 似 然 1r 1r 检 测 叫合并lo i 0 ： 图2 - 2a l a m o u f i 空时分组码系统框图 这里我们先讨论经典的a l a m o u f i 空时编码的两发一收系统模型。如上图所示， 这是一种简单的双路分集传输结构。该编码方案通过一种简单的最大似然译码算 法实现了满分集增益。 在a l a m o u f i 空时编码中，编码器在每一次操作中取已调符号五和恐作为一个 分组，并根据式( 2 3 ) 所给出的编码矩阵将他们映射到发射天线： x = 旺；+ 仁3 ， 编码器的输出在两个连续发射周期里从两根发射天线发射出去。在第一个发 射周期中，信号五和而同时从天线1 和天线2 分别发射；在第二个发射周期中， 信号一z 和z 分别从两根天线发射出去。很显然这种发射方案既在空间又在时间上 进行了编码。分别用z 1 和x 2 表示天线1 和天线2 的发送序列。则 t 2 暨，蔓1 ( 2 - 4 ) x 2 = 吃，玉】 、 所以a l a m o u t i 空时编码方案的主要特点是两根发射天线的发送序列正交，即 满足 x 1 枣x 2 = x , x 2 - x 2 + 五= 0 ( 2 - 5 ) 接收端采用最大似然译码，t 时刻和t + t 时刻的接收信号分别用和吒表示， 则在两个连续符号周期中的接收