（通信与信息系统专业论文）mimo系统的空时编码技术研究.pdf

1 j c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g r e s e a r c ho ns p a c e - t i m e c o d i n g t e c h n o l o g y o fm i m o s y s t e m s c a n d i d a t e ：l e it i n g s u p e r v i s o r ：p r o f x i eh o n g a c a d e m i cd e g r e e a p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s d a t eo f s u b m i s s i o n ：m a r c h , 2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h , 2 010 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者( 签字) ：寓程 日期： 伽f d 年弓月f5 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囤在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：隧 日期： 功j 奄年弓月日 导师( 签字) ：砑于争 1 1 ) 年；j e l li 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 近年来，无线通信技术飞速发展，如何高效地利用有限的通信资源来提 供可靠性高、传输速率快的移动通信业务已经成为无线通信发展的焦点所在。 m i m o 技术的空间资源利用率高，有效对抗无线信道衰落的影响，提高通信 系统的信道容量和频谱利用率。空时编码是获得m i m o 通信系统这些好处的 一个行之有效的方法，该编码方法将信道编码、调制、发送和接收分集有机 地结合起来，有效地提高了系统的传输性能。虽然m i m o 空时编码系统性能 优良，但受到移动端体积和功率等的限制，不能设置多接收天线，协作分集 技术很好的解决了这一问题。 本文首先介绍了移动通信的发展历史和现状以及m i m o 空时编码技术， 在分析了正交和准正交空时分组码的编译码方案及误比特率特性的基础上， 针对正交编码方案在频性衰落信道下分集增益和误比特率性能不理想的问 题，对其进行改进。理论研究和仿真结果均表明，该改进方法在频率选择性 衰落信道下也能得到较高的分集增益和误比特率性能。 其次研究了不需要信道估计的差分空时编译码方案。由于无线衰落信道 的通信环境比较复杂，导致信道估计困难，较为有效的方法就是采用差分编 码。然而大部分差分编译码方案都是基于时间选择性衰落信道或频率选择性 衰落信道设计的，针对这一问题，本文详细研究了应用于时间频率双选择性 衰落信道的差分编译码方案，理论研究显示该方案能够获得最大的联合空间、 多径以及多普勒分集增益，仿真结果进一步证实了理论研究的正确性。 最后将差分空时编译码方案与协作分集技术相结合，提出了差分空时协 作分集融合算法。协作分集技术使单天线的移动终端共享彼此的天线，从而 构成了虚拟的m i m o 多天线系统，为m i m o 技术走向实用提供了一条新的 途径。 关键词：m i m o ：空时分组码；时间反转：差分空时编码；协作分集 哈尔滨工程大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h em a j o rd r i v e rf o rb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sh a sb e e nr e l i a b l e h i 曲- d a t a r a t es e r v i c e s t h i s ，t o g e t h e rw i t ht h es c a r c i t yo fb a n d w i d t hr e s o u r c e s ， m o t i v a t e sr e s e a r c ht o w a r dd e v e l o p i n ge f f i c i e n tc o d i n ga n dm o d u l a t i o ns c h e m e s m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e o u t p u ts y s t e m s ，w h i c hd e p l o ym u l t i p l ea n t e n n a sa tb o t h e n d so ft h ew i r e l e s sl i n k ，e x p l o r et h ee x t r as p a t i a ld i m e n s i o n ，t os i g n i f i c a n t l y i n c r e a s et h es p e c t r a le f f i c i e n c y , a n dt o i m p r o v et h e l i n kr e l i a b i l i t yr e l a t i v et o s i n g l ea n t e n n as y s t e m s i th a sb e e nw i d e l ya c k n o w l e d g e dt h a t t h e s p a c e t i m e c o d i n gt e c h n i q u e sc a l le f f e c t i v e l ye x p l o i tt h es p a t i a ld i v e r s i t yc r e a t e db ym u l t i p l e t r a n s m i ta n t e n n a s a l t h o u g ht h ep e r f o r m a n c eo fm i m os p a c e - t i m ec o d i n gs y s t e m i sf i n e ，l i m i t e db ym o v a b l et e r m i n a t i o n sv o l u m ea n dp o w e r , i tc o u l dn o te s t a b l i s h t h em u l t i r e c e i v i n ga n t e n n a , b u tc o o p e r a t i o nd i v e r s i t yt e c h n o l o g ys o l v et h i s p r o b l e m f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ed e v e l o p i n gh i s t o r ya n dt h ep r e s e n ts i t u a t i o n o fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sa sw e l la sm i m os p a c e t i m ec o d i n gt e c h n o l o g y , o n t h eb a s i so fa n a l y z e dt h ec o d ea n de n c o d e ds c h e m ea n db e rp r o p e r t yo fo s t b c a n dq o s t b c ，w em a k et h ei m p r o v e m e n tt oi ta b o u tt h ed i v e r s i t yg a i na n db e r p r o p e r t yo fo s t b c i sn o ti d e a lu n d e rt h ef r e q u e n c ys e l e c t i v i t yf a d i n gc h a n n e l t h ef u n d a m e n t a lr e s e a r c ha n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h i sc o r r e c t i v e m e t h o dc a l la l s oo b t a i nt h eh i g hd i v e r s i t yg a i na n db e rp r o p e r t yu n d e rt h e f r e q u e n c ys e l e c t i v i t yf a d i n gc h a n n e l s e c o n d l y , s t u d i e dt h ed i f f e r e n t i a ls p a c e t i m ec o d i n gw h i c hc i r c u m v e n t st h e n e e df o rc h a n n e le s t i m a t i o n i ns o m ec a s e s ，i ti sd i f f i c u l tt oe s t i m a t et h ec h a n n e l s ， t h em o r ee f f e c t i v em e t h o di st ou s et h ed i f f e r e n t i a ls p a c e - t i m ec o d i n g h o w e v e r , m o s td i f f e r e n t i a lc o d i n gs c h e m e sa r ed e s i g n e do n l yf o rt i m e - s e l e c t i v ec h a n n e l so r i 哈尔溟t 程大学硕十学位论文 o n l yf o r 丘e q u e n c y - s e l e c t i v ec h a n n e l s i nv i e wo ft h i sp r o b l e m ，t h i sa r t i c l e r e s e a r c h e di nd e t a i la b o u td i f f e r e n t i a ls p a c e - t i m ec o d i n gu n d e rd o u b l es e l e c t i v i t y f a d i n gc h a n n e l n et h e o r e t i c a lr e s e a r c hd e m o n s t r a t e dt h a t t h i sm e t h o dc o u l d o b t a i nt h e g r e a t e s tu n i o ns p a c e m u l t i p a t ha n dt h ed o p p l e rd i v e r s i t yg a i n ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l tf u r t h e rc o n f i r m e dt h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r e t i c a lr e s e a r c h f i n a l l y , t h ed i f f e r e n t i a ls p a c e t i m ec o d i n ga n dd e c o d i n gp r o g r a m sa n d c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yc o m b i n i n gt e c h n i q u e sp r o p o s e dd i f f e r e n t i a ls p a c e t i m e c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yf u s i o na l g o r i t h m c o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya n t e n n at e c h n o l o g y e n a b l e ss i n g l e - a n t e n n am o b i l et e r m i n a l st os h a r ew i t h e a c ho t h e r , s oa st o c o n s t i t u t eav i r t u a lm i m om u l t i a n t e n n as y s t e m ，m i m ot e c h n o l o g yt o w a r du t i l i t y p r o v i d e san e ww a y k e yw o r d s ：m i m o ；s p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g ；t i m er e v e r s a l ：d i f f e r e n t i a l s p a c e - t i m ec o d i n g ；c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 移动通信的发展历史和现状1 1 2m i m o 技术概述3 1 3 空时编码概述4 1 3 1 空时分层码5 1 3 2 空时网格码5 1 3 3 空时分组码。6 1 3 4 差分空时编码7 1 4 协作分集概述7 1 5 本文研究内容及组织结构8 第2 章无线衰落信道1 0 2 1 弓l 言1 0 2 2 无线衰落信道的基本特征1 0 2 2 1 信号传播方式1 0 2 2 2 信道衰落1 1 2 3m i m o 无线衰落信道模型1 2 2 3 1 平坦衰落信道模型1 3 2 3 2 频率选择性衰落信道模型1 6 2 3 3 时间选择性衰落信道模型1 8 2 3 4 时间频率双选择性衰落信道模型1 9 2 4 本章小结2 0 第3 章空时分组码2 1 3 1 概述2 1 3 2 空时分组码2 1 3 2 1a l a m o u t i 空时编码2 1 3 2 2 正交空时分组编码2 5 3 。2 3 准正交空时分组编码2 7 哈尔滨t 程大学硕士学1 1 ) = 论文 3 3 改进的准正交空时分组码2 9 3 3 1 编码方案3 0 3 3 2 译码方案3 1 3 3 3 仿真与分析3 2 3 4 本章小结3 3 第4 章差分空时编码3 4 4 1 差分空时编码3 4 4 1 1 差分空时码的编码3 4 4 1 2 差分空时码的译码3 5 4 1 3 性能仿真与分析。3 7 4 2 时间频率双选择性衰落信道下的差分空时编码3 8 4 2 1 系统模型3 9 4 2 2 双选衰落信道下的差分编译码方案4 0 4 2 3 仿真分析4 5 4 3 本章小结4 7 第5 章差分空时协作分集技术4 8 5 1 协作分集基本原理4 9 5 2 编码协作模式的工作原理5 0 5 3 双选衰落信道下差分编码与协作分集融合算法5 1 5 3 1 融合算法的编码方案一5 1 5 3 2 融合算法的译码方案。5 3 5 3 3 仿真分析5 5 5 4 本章小结5 9 j ； i 论6 ( ) 参考文献。6 2 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 2 致谢一6 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论弟i 草箔化 1 1 移动通信的发展历史和现状 移动通信是通信领域中最具活力和发展前途的通信方式之一，是当今信 息社会中最具个性化特征的通信手段。它的发展和普及改变了社会，改变了 人类的生活方式，让人们领略到了现代化与信息化的气息。 顾名思义，移动通信最主要的本质特色是“移动”，就是说这类通信有别 于传统的静态固定式通信，而是一种动态的通信方式。传统的固定式通信又 称为有线通信，其终端固定在某一地点，线路采用固定不动的全封闭式传输 线，网络只适用于固定的有线交换网，其信道容量大、传输质量高，但缺乏 动态性，不能适应现代快节奏的生活需求。针对上述缺点，无线通信应运而 生。 移动通信是在无线通信的一重信道动态特性的基础上引入第二重用户的 移动性发展起来的。在移动通信中，终端是移动的，传输线路是随终端的移 动而动态分配无线链路，网络是动态型交换网络。这种二重的动态性导致系 统更加复杂，性能较有线通信差很多。对移动通信各方面性能的提高，以及 进一步引入业务类型动态选择性这第三重动态性，成为移动通信发展的方向 和动力。2 0 世纪8 0 年代以来，无线移动通信得到了前所未有的发展，发展 速度和进步程度惊人。自我国引入模拟式( t a c s ) 移动通信网，经过3 0 年 左右的发展，我国现已拥有6 亿以上的移动通信用户，是固话用户的2 倍， 。成为全球头号移动用户大国。我国的第一代移动通信t a c s 系统目前已完成 其历史任务而被淘汰；第二代移动通信g s m 系统是全球第一，规模最大、 用户最多，c d m a 系统目前也是数一数二的，并即将成为全球第一m ；第三 代移动通信目前已经处于初步运营阶段。 第一代移动通信系统开始于二十世纪七十年代到八十年代初期，采用模 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 拟f m 技术进行语音传输，各呼叫占用不用的频率，并通过f d m a 来共享可 用频谱。具有代表性的系统有：美国和澳大利亚的先进移动电话系统( a m p s ) ， 欧洲的全接入通信系统( t a c s ) ，日本的电话与电报系统( n t 0 等 2 1 。第一代移 动通信系统是采用频率调制的模拟通信系统，提供的服务仅为语音通信。第 一代移动通信系统包括移动台、基站和移动交换中心，由移动交换中心完成 对整个移动交换中心覆盖区域的管理、维护以及提供与其他移动交换中心或 者公用电话网络的接口。尽管第一代移动通信系统在当时发展迅速，但是仍 存在许多问题，如：频率利用率低，系统容量小；不能提供高速数据业务服 务；保密性差；移动设备成本高，体积大等【3 1 4 1 1 5 1 6 l 。 第二代移动通信系统兴起于二十世纪九十年代，是完全的系统，采用 t d m a 或c d m a 作为多址接入技术。与第一代模拟系统相比，数字技术使 得多个用户能够更大程度地共享基站的硬件，并提供更大的容量。主要的代 表系统有：欧洲全球移动通信系统g s m ，北美的i s 5 1 和i s 9 5 ，日本的p d c 。 第二代移动通信系统采用数字调制技术和先进的呼叫处理技术及新的网络结 构1 5 ，1 。其系统结构在第一代的基础上增加了基站控制器或者功能类似的单元， 从而大大降低了移动交换中心的处理负担，使系统结构更为合理。与第一代 移动通信系统相比，第二代具有诸多优点【删：采用了数字调制技术，加密方 法灵活，加密性能好：提高了系统容量：可以提供除话音业务之外的多种业 务服务：除了采用分集技术外，还采用扩频、跳频、交织编码、自适应均衡 技术、纠错编码等技术进行抗干扰，因此抗衰落性能大大增强；具有更方便、 灵活的网管与控制功能1 4 l i s a l 。 第三代移动通信系统的标准化工作最早开始于欧洲的i m t 2 0 0 0 和北美 的c d m a - 2 0 0 0 ，前者采用宽带直接序列扩频码分多址( d s c d m a ) ，后者 采用多载波码分多址( m c c d m a ) 。第三代移动通信的主要目标为：在全 球形成统一的频率、统一的标准、实现全球漫游并且提高多种业务的服务【，l 。 国际电信联盟对第三代移动通信系统无线传输技术的要求为：室内信息传输 速率为2 m b s ，室外环境步行情况为3 8 4 k b s ，室外环境快速移动为1 4 4 k b s 。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 根据i m t 2 0 0 0 的要求，到目前为止，第三代移动通信系统存在三种方案， 即由中国大唐电信和西门子等公司提出的t d s c d m a ，由欧洲和日本支持的 w c d m a ，由美国提出的c d m a 2 0 0 0 。从上述三种方案可以看出，由于c d m a 系统具有相对于f d m a 、t d m a 系统更高的系统容量，所以c d m a 技术成 为第三代移动通信系统的主流技术1 4 1 5 1 t e l 。 1 2m i m 0 技术概述 传统的无线通信系统是采用一个发射天线和一个接收天线的通信系统， 即所谓的单输入单输出系统。s i s o 系统的信道容量受s h a n n o n 容量的限制， 然而随着移动通信业务和宽带数据业务的不断的增多和发展，无线频谱资源 变得越来越紧张，怎样才能更加高效地利用有限的通信资源成为无线通信技 术未来发展的关键问题。研究表明，使用多天线的m i m o 技术能够充分利用 空间资源，在不增加天线总的发射功率和系统带宽的情况下，有效对抗无线 衰落信道的影响，大大提高信道容量和频谱利用率。 在无线通信领域对m i m o 技术的研究源于对多个天线阵元空间分集的 性能研究。早在1 9 0 8 年马可尼就提出用多副接收天线来抵抗衰落，人们研究 发现，多副天线构成的接收阵列可以有效地克服无线蜂窝系统中的共道干扰。 二战后，对雷达系统中天线阵列的研究尤为活跃。到2 0 世纪7 0 年代，由于 军事上的原因，数字信号处理技术得到了快速发展，这使得更多关于天线阵 列研究的自适应信号处理技术的实现成为可能，从而进一步提高了分集性能， 降低了干扰。到2 0 世纪9 0 年代，人们发现使用多天线可以增加无线信道的 容量。1 9 9 5 年t e l a t a r 和1 9 9 8 年f o s c h i n i 对白高斯信道下多输入多输出天线 信道容量的研究表明m i m o 技术可以大大提高容量。在此基础上，f o s c h i n i 于1 9 9 6 年首先提出了分层空时编码技术。分层空时编码将信源数据分为若干 子数据流，独立进行编码、调制，频谱效率可达4 0 b p s h z ，但它较适用于窄带 系统和室内环境，不太适合应用于室外移动环境。基于此，a l a m o u t i 于1 9 9 8 年提出了一种发送分集方案：发送端，信号通过简单的编码映射后在n 副天 3 哈尔滨- t 程大学硕士学位论文 线上同时发送；接收端在假设已经准确获得信道状态信息的情况下，采用一 些简单的信号处理技术，便可以获得与m 副接收天线相同的分集增益。随后， t a r o k h 等人在a l a m o u t i 关于发送分集研究的基础之上，将正交编码与发送分 集技术相结合，提出了空时分组编码技术；将这种发送分集结合格状编码调 制技术，提出空时网格编码技术。采用2 副发送天线的空时网格编码，系统 的传输性能与f o s c h i n i 等人给出的中断容量仅差2 3 d b 。 从w i n t e r s 对无线通信系统空间分集与系统容量关系的讨论，到t e l a t a r 和f o s c h i n i 关于m i m o 信道容量的理论分析，这些研究奠定了m i m o 无线 通信的信息论理论基础。而b l a s t 的试验结果则从实践的角度证明了m i m o 能够在不占用额外频谱带宽的前提下，有效地提高信道容量。上述研究掀起 了近几年无线通信领域对m 1 m o 研究的热潮，也标志着m i m o 无线通信研 究的真正开始。从1 9 9 8 年开始，跟随着t e l a t a r 、f o s c h i n i 以及r a y l e i g h 等人 的脚步，国内外著名的无线通信研究机构和学者们对m i m o 技术开始了大量 的深入研究。总结近几年来关于m i m o 技术的研究，可以发现研究内容主要 包括以下四个方面：m i m o 衰落信道的测量的建模方法：m i m o 信道容量的 分析：基于m i m o 的空时编译码方法和m i m o 接收机的相关关键技术。 1 3 空时编码概述 空时编码是一种用于多发射天线的编码技术，使用空时编码是接近或达 到m i m o 无线信道容量的一种有效、可行的方法。该编码方案通过在多根发 射天线和发射信号的不同时间周期之间产生空域和时域的相关性，使得接收 机可以进行分集接收，以此来克服信道衰落的影响和减小发射误码率。相对 于空间未编码的通信系统而言，空时编码技术可以在不牺牲带宽的情况下达 到编码增益和分集增益的目的。空时编码在编码结构上有多种方法，包括空 时分组码、空时网格码和空时分层码等，所有这些编码方案的核心思想都是 使用多径能力来获得较高的频谱利用率和性能增益。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 1 空时分层码 美国贝尔实验室在1 9 9 6 年提出了分层空时编码的概念，1 9 9 8 年提出了 分层空时编码技术的框架并申请了专利，在此基础上开发出了b l a s t 试验 系统，后来就把这种结构的编码称为分层空时编码 9 1 t o l 。空时分层编码的基本 思想是将高速数据业务分为若干低速数据业务，通过普通的并行信道编码器 编码后，对其进行分层次的空时编码，调制后再送给多副天线发送，在接收 端，用多副天线进行分集接收。按发送端分路的不同方式可将空时分层码分 为对角分层空时编码、垂直分层空时编码和水平分层空时编码三种，其最大 的优点就是频带利用率随着发射天线数的增加线性增加1 3 l ，空时分层码所能 达到的传输速率和频带利用率是单天线系统所无法想象的，但是其抗衰落性 能不是很好，空时分层码适用于发射天线数和接收天线数较多的情况1 1 0 ! 。 1 3 2 空时网格码 1 9 9 8 年t a r o k h 等人在空时延迟分集和a l a m o u t i 发送分集方案等研究工 作的基础上，提出了空时网格编码( s t t c ) i n l 。这种空时码能够在不牺牲发射 带宽的情况下，以格型编码调制为基础来提供最大可能的分集增益和编码增 益。然而，空时网格码的译码却需要使用v i t e r b i 译码器的向量形式，当天线 数量固定时，译码复杂度随着发射速率的增大而呈指数增长，即使对较小的 传输速率，其相应的译码复杂度也较大，这是限制空时网格码在实际通信系 统中应用的关键问题。空时网格码的频带利用率不会随着天线个数的增加而 增加，这也是限制空时网格码实际应用的一个重要因素。此外，空时网格码 的好码设计也是一个难点，其关键在于如何确定编码器的状态转移图，在状 态数较大的情况下，好码的格型图设计十分困难，目前多用计算机搜索来完 成 s 1 1 1 0 j o 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 3 空时分组码 为了克服空时网格码译码复杂度高的问题，a l a m o u t i 于1 9 9 8 年发明了基 于两根发射天线的空时分组码( s t b c ) 1 t 1 ，这一编码方案后来被推广到任意数 量天线的情况。空时分组编码是将m l a m o u t i 发送分集方案与正交设计理论相 结合发展起来的一种编码方式，正交的空时分组码可以获得最大分集增益， 并且接收端采用极大似然译码可以将接收信号分解成各独立信号进行单独译 码，这样可以大大减少译码复杂度。空时分组码要求其码字矩阵中各天线发 射的信号之间相互正交，当采用实正交设计时，空时分组码的频带利用率可 以达到最大。但是当采用复正交设计时，只有当发射天线数为2 时的频带利 用率才能达到满速率，当发射天线数为其它时均会带来一定的频带利用率损 失。另外，空时分组码的编码增益仅与它所采用的信号星座图的结构有关， 可以认为它是以编码增益和部分频带利用率为代价来换取最大分集增益和较 低的编译码复杂度。由于空时分组码处理算法简单并可以获得满分集增益而 倍受关注，己进入3 g 协议的空时发送分集( s t m ) 就是一种空时分组码1 3 1 1 1 0 l 。 空时编码是最近几年来研究比较广泛的一项新技术，它在提高频谱利用 率等方面取得的可人成绩必将使得它在未来的移动通信系统中得到广泛应 用。表1 1 简单的比较了几种常见的空时编码的相关性能【廿1 。 表1 1 基本空时码的简单比较 空时分层码空时网格码空时分组码 发射分集不基于发射分集基于发射分集 基于发射分集 信道环境一般为室内环境无特别限制无特别限制 接收分集接收天线数不少于发射天线数无特别限制无特别限制 译码复杂度 中 高 低 性能优劣对角空时分层码最好好有限 从上表可以看出，在三种编码方式中，空时格型码的性能最好，但是其 译码复杂度最高，随着分集度和传输速率的增加而成指数增长；空时分层码 哈尔滨工程大学硕士学伊论文 由于不是基于发射分集，在解码中没有共享其它层的信息来实现联合预测， 因此性能较差；空时分组码的接收端采用线性处理技术，与空时格型码相比 较，空时分组码在性能上有一定的损失，但其译码复杂度比空时格型码要小 得多，发射天线数与传输速率都不会对其译码复杂度造成大的影响。因此， 空时分组码由于其具有相对简单的接收机结构而很适用于当前和未来的第四 代移动通信系统的高速下行信道【1 4 l 。 1 3 4 差分空时编码 前面讨论的空时编码都需要知道较为准确的信道状态信息，然而在某些 环境下，接收端进行信道估计会非常困难，有时甚至根本无法估计。因此， 如何设计不需要信道估计也能取得良好误码性能的空时编码显得十分重要， 差分空时编码就是根据这个要求提出的空时码。 差分空时码的基本思想类似于单天线条件下的差分调制技术，它基于 a l a m o u t i 的发射分集方案，发射端和接收端都不需要知道c s i ，编码也很简 单，在接收端解码也有很低的复杂度。采用无信道估计差分编码，比进行信 道估计的情况下有3 d b 的性能损失。差分空时码提出的意义就在于它建立了 两种信道环境下空时码之间的联系。 1 4 协作分集概述 尽管m i m o 多天线技术具有明显的优势，并已逐渐被新一代无线通信系 统的主流协议所采纳，但仍然存在问题。具体地讲，现有的多天线都设置在 基站端，而移动终端则很难安置多天线 1 习l m i ，这主要有两方面的原因：第一， 移动终端对体积、质量和功耗的要求远比基站苛刻得多：第二，理想的m i m o 多天线系统要求相邻天线之间的间距要远大于电波波长，并且多个收发天线 之间的传输信道是独立的( 或至少是不相关的) ，而移动终端由于体积限制， 根本无法做到这一点。为此，人们一方面提出了等效天线阵和穿戴式天线的 概念，另一方面则致力于研究相关信道下的信号设计。然而，这些解决办法 7 哈尔滨工程大学硕1 = 学位论文 |i i 收效甚微，实际可获得的信道容量比理想值大打折扣，理想的m i m o 多天线 技术在实践中举步维艰。 协作分集的思想可以追溯到中继信道，在中继信道中，有三个节点：发 射节点、接收节点和中继节点。发射节点发送信号：中继节点接收发射节点 发送的信号，对接收到的信道进行某种处理后发送出去；接收节点既接收发 射节点发送的信号，也接收中继节点发送的信号，因而接收节点能接收到发 射节点所发送信号的多个副本，这样就实现了发送分集。 s e n d o n a r i s 等提出的一种空域分集技术协作分集，使单天线的移动 终端也可以实现空域分集和m i m o 传输。它的基本思路是系统中的每个移动 终端都有一个或多个合作伙伴，合作伙伴之间有责任在传输自己信息的同时， 帮助其伙伴传输信息。这样，每个终端在传输信息的过程中既利用了自己又 利用了合作伙伴的空间信道，从而获取了一定的空间分集增益。现有的研究 结果表明，在平衰落环境下，协作分集可以扩大系统容量，提高网络服务质 量，改善系统性能。由于协作分集中的合作伙伴共享彼此的天线，从而构成 了虚拟的m i m o 多天线系统，从这个意义上讲，协作分集为m i m o 多天线 技术走向实用提供了一条新的途径。 1 5 本文研究内容及组织结构 无线通信中信道的衰落特性使得传输信号的性能急剧下降，m i m o 技术 能够充分利用空间资源，有效对抗无线信道衰落的影响，大大提高信道容量 和频谱利用率。空时编码是一种用于多发射天线的编码技术，使用空时编码 是接近或达到m i m o 无线信道容量的一种有效、可行的方法。本文主要工作 是研究时间频率双选择性衰落信道下的差分空时编码技术，并提出了差分空 时编码和协作分集技术相结合的融合算法。 针对上述主要研究内容，将论文结构安排如下： 第1 章绪论。概述了移动通信的发展历史和现状，对m i m o 技术进行了 简单的介绍，空时编码作为m i m o 系统的关键技术之一，对其三种比较基本 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的编码类型进行性能对比概括。 第2 章无线衰落信道。首先研究了无线衰落信道的基本特征，然后逐一 对平坦衰落信道、频率选择性衰落信道、时间选择性衰落信道的时间频率双 选择性衰落信道的数学模型进行归纳整理和分析，作为后续章节对空时编码 研究的信道环境基础。 第3 章空时分组码。首先介绍空时编码的编译码方法，然后简单分析了 正交和准正交空时分组码的编译码方案，最后针对正交空时分组码在频率选 择性衰落信道下分集增益和误比特率性能不理想的问题，对现有的时间反转 正交空时码和准正交空时分组码进行改进，使得改进的准正交空时分组码在 频率选择性衰落信道下也能得到较高的分集增益和误比特率性能。 第4 章差分空时编码。在某些情况下信道估计非常困难，因此本章中主 要研究了差分空时编译码方案。然而，大多差分编译码方案都是仅基于时间 选择性衰落m i m o 信道或者仅基于频率选择性衰落m i m o 信道设计的，对 于双选择性衰落m i m o 信道下的差分方案研究较少，针对这一问题，在本章 的后半部分基于双选择性衰落信道的基扩展模型，主要研究了应用于时间 频率双选择性衰落m i m o 信道的差分编译码方案。 第5 章差分空时协作分集技术。本章中将前面详细研究的差分编码与协 作分集技术相结合，提出了差分空时编码和协作分集技术的融合编译码算法， 在更接近实际传输条件的双选衰落信道环境下使系统性能在信道容量、误码 率等方面得n t 提高，最后通过计算机仿真进一步验证了理论研究的正确性。 9 哈尔滨下程大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章无线衰落信道 无线通信系统主要是借助于无线电波在空中或水中等媒介传播来实现无 线通信的，其性能主要受无线信道的影响和制约。与有线通信不同，无线通 信系统的发射机和接收机之间的传播路径非常复杂，从简单的室内传播到远 距离的室外传播，会遭遇到各种各样复杂的障碍物。由于无线信道具有很大 的随机性，甚至移动台的移动速度都会对信号的衰减产生影响，所以对无线 信道的分析十分困难。为了提高无线通信系统的传输效率和质量，仔细研究 无线信道的传输特点是必要的前提。 2 2 无线衰落信道的基本特征 无线信道是指发射机和接收机之间的传输介质，是通信系统的重要组成 部分。在无线通信中，由于信道的复杂性，发射出去的信号在传输过程中经 过若干次反射、折射、散射和衍射，产生了阴影效应、多径效应和多普勒效 应，带来了各种不同的衰落和扩展，加上一些未知的干扰因素，严重影响着 信号的正确接收。 2 2 1 信号传播方式 在无线移动通信中，都是基于电磁波在空间传播来实现信息传输的，直 射、反射、折射和散射是四种最基本的信号传播途径。 1 、直射：电磁波的直线传输，在无线通信中这种情况很少单独发生。 2 、反射：电磁波在传输时遇到尺寸远大于射频载波波长的光滑表面时， 会出现反射现象。图2 1 为信号传播的直射和反射示意图。 3 、折射：信号经过障碍物的边界时，经折射绕过障碍物而到达目的地， 1 0 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 信号经折射后衰减很大。 4 、散射：信号在传输过程中遇到大的粗糙表面或者尺寸与射频载波波长 相当的表面时，其能量会发生散射。散射是城市通信中最重要的一种传播方 式。 静i e 物体反射波 2 2 2 信道衰落 图2 1 信号传播方式示意图 信道衰落是指无线信号在传输过程中所经受的传播损耗，其表现形式为 接收信号的电平在时间、空间或频率的某个区域内围绕平均值波动。根据不 同区间范围内信道对信号的作用可将衰落归纳为三类： 自由空间的路径损失：主要由平方律扩展、水气和叶群的吸收、地表反 射等引起，它与距离有关。对快速移动的用户而言，平均路径损失变化非常 慢。 慢衰落( 大尺度衰落) ：慢衰落是指接受信号的场强在长时间内的变化比 较缓慢，阴影衰落是一种典型的慢衰落。 快衰落( 小尺度衰落) ：电磁波在传播过程中受到各种障碍物的反射、散 射和吸收，使得接收到的电磁波除了直射波外，还有各种反射波和折射波。 此外，由于移动台的快速移动而产生的驻波现象以及多普勒效应造成的频率 偏移，以上诸多原因使得接收信号的场强在振幅和相位上随时间急剧变化， 其中随时间急剧变化的部分就是快衰落。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 a 已 瓣 蚤 咖 逛 距离( 对数) 图2 2 衰落信号的路径损失、慢衰落与快衰落 由图2 2 可以看出，平均接收功率在大距离范围内发生了波动，接收功 率在短距离范围内发生了大幅波动即小尺度衰落。实际上，无线信号经过短 时间或短距传播后其幅度快速衰落，所以大尺度路径损耗的影响可以忽略不 计。因此，本论文主要研究的无线信道模型是小尺度衰落信道模型【l 哪。 2 3m i m 0 无线衰落信道模型 如图2 3 所示的m i m o 系统，假设基站有坼根天线，移动台有心根天 线，基站的天线阵列信号可以表示为 x o ) 一【五o ) ，屯o ) ，x n r0 ) r 其中薯g ) 为移动台第f 根天线端1 3 的信号。同理，移动台的天线阵列信号为 y ( t ) 一【y x (