（电子科学与技术专业论文）mimo系统检测算法研究及收发技术联合设计.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 法得到。仿真结果表明新的算法可以得到可靠的b e r 估计直至1 0 。 提出了一种基于统一置信传播( b p ) 检测的自适应m i m o 系统。首先描述 了由一系列分量检测器组成的b p 检测器。基于b p 检测器的统一结构，接着提出 了一种依据信道情况自适应的多速率m i m o 系统，可以取得最大系统吞吐量。使 用统一的b p 检测器，可以消除传统多模自适应m i m o 系统接收端的多种接收机模 块配置的复杂性。进一步的，b p 检测器由于算法复杂度与空时编码块长度成线性 关系，且能并行运算，具有低算法复杂度、低运算时延和不同数据率之间平滑切 换的优势。通过使用平均检测后信噪比切换机制，所述m i m o 系统能在空间相关 信道下选取合适的传输模式。 关键词多输入多输出，检测，收发机，自适应，高斯近似，高斯混合分布，置 信传播 a b s t r a c t m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ( m i m o ) t e c h n i q u eh a sa t t r a c t e dm a n yi n t e r e s t sd u et o i t s + h i g hs p e c t r ae f f i c i e n c y a n dt r a n s m i s s i o nc a p a c i t y i nb r o a d b a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s h o w e v e r , t h ed e s i g no fl o wc o m p l e x i t ys i g n a lp r o c e s s i n gs c h e m e s c a p a b l eo fs u p p o r t i n gd a t a r a t e sc l o s et ot h em i m oc a p a c i t yr e m a i n sam a j o r c h a l l e n g e i nt h i sd i s s e r t a t i o nw ed or e s e a r c ho nm i m 0d e t e c t i o na n dt r a n s c e i v e r d e s i g n t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ， p r o p o s ea no r d e r e dg r o u pi n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nf o rq u a s i - o r t h o g o n a ls p a c e t i m eb l o c k c o d e sb ys t u d y i n gt h ep o s td e t e c t i o ns i g n a l t o n o i s er a t i o ( s n r ) o ft r a n s m i t s y m b o l sa te a c hd e t e c t i o ns t e po fo r d e r e di n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ；p r o p o s eal o w c o m p l e x i t yd e t e c t i o ns c h e m e ，b a s e do ns e q u e n t i a l g a u s s i a na p p r o x i m a t i o n ( s g a ) ， c a l l e dm u l t i 1 e v e lm a p p i n gs g ad e t e c t i o n f o rm i m 0w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m sw i t hh i g h o r d e rq a m m o d u l a t i o n d u et ot h ep r o p e r t yo fh i g h - o r d e rq a m f o r m a t s ，t h en e ws c h e m ec a l c u l a t e st h es e q u e n c ew e i g h ti ns t e po ft w ob i t s ，r e s u l t i n gi n ac o m p l e x i t yr e d u c t i o nf r o me x p o n e n t i a lc o m p l e x i t yi nt h em o d u l a t i o no r d e rt ol i n e a r c o m p l e x i t y , c o m p a r e dt o b a s i cs g ad e t e c t i o n ；p r o p o s eab i d i r e c t i o n a ld e t e c t i o n m e t h o dt op r e v e n te r r o rp r o p a g a t i o nb a s e do ng a u s s i a na p p r o x i m a t i o na l g o r i t h mf o r m i m os y s t e m s i nt h en e wm e t h o d ，t r a n s m i t t e ds y m b o l sa r ee s t i m a t e di np a r a l l e lb o t h i ns e q u e n t i a lo r d e ra n di n v e r s eo r d e r , a n dt h en u m b e ro fs e a r c h i n gp a t h si sd e t e r m i n e d b yc o m p a r i n g t h er e s u l t so fb i d i r e c t i o n a ld e t e c t i o n ，w h i c hc a np r e v e n te r r o r p r o p a g a t i o nw i t hr e d u c e dc o m p l e x i t y t t l en o v e la l g o r i t h mc a nb ee x e c u t e da t l o w d e l a yb e c a u s eo fp a r a l l e lc o m p u t i n g ，a n ds h o w sg o o dp e r f o r m a n c ea tl o wc o m p l e x i t y ； p r o p o s eak i n do fm i m 0 o f d m1 沁r b 0t r a n s c e i v e rw i t hg o o dp e r f o r m a n c e t os u p p r e s s t h ec o a n t e n n ai n t e r f e r e n c e ( c a i ) i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h ep r o p o s e ds c h e m e r e a c h e sg o o dt r a d e o f fa m o n gt h ed a t ar a t e ，t r a n s m i td i v e r s i t y ，a n ds y s t e mp e r f o r m a n c e b yu s i n gt u r b oi t e r a t i v ep r o c e s s i n g b a s e do n p r e d e s i g n e dp a t t e r nm a p p i n gf o r m u l t i s t r e a mm i m oo f d m a tt h et r a n s m i t t e r ，p r e d e s i g n e ds y m b o l m a p p i n gp a t t e m i su s e df o re a c ht r a n s m i ta n t e n n a a tt h er e c e i v e r , at w 0 一s t a g ed e t e c t o rr e c e i v e r , i n c l u d i n gm m s ei ns t a g eo n ea n dm a p i n s t a g et w o ，p e r f o r m st w os u c c e s s i v e d e c i s i o n s ，a c h i e v e db yam a x i m u map o s t - p r o b a b i l i t y ( m a p ) d e t e c t o ra n das o f t - i n p u t s o f t o u t p u t ( s i s o ) c h a n n e ld e c o d e rt h r o u g ha ni t e r a t i v ep r o c e s s a te a c hi t e r a t i o n ， e x t r i n s i ci n f o r m a t i o ni se x c h a n g e db e t w e e nt h ed e t e c t o ra n dt h ed e c o d e r p r o p o s ear e l i a b i l i t ya s s e s s m e n t ( r a ) f o rm i m 0d e t e c t i o na tt h er e c e i v e r , w h i c hc a na s s e s sw h e t h e rt h eo u t p u to fm i m od e t e c t i o ni sr e l i a b l eo rn o t f i r s t ，a n 塑望奎兰堕圭堂篁丝奎 垒! 竺! 竺! a n a l y t i c a lf o r m u l ao ft h er e l i a b i l i t ya s s e s s m e n ti sd e r i v e dt oa s s e s st h er e l i a b i l i t yo ft h e r e c e i v e r s o u t p u t ，as i m p l i f i e dr e l i a b i l i t y a s s e s s m e n ti sa l s op r o p o s e da n da c o m p l e x i t y r e d u c e dm e t h o di s f u r t h e rg i v e nb ya d j u s t i n gt h et h r e s h o l do fr e l i a b i l i t y a s s e s s m e n t ，w i t hs o m ep o t e n t i a lp e r f o r m a n c el o s sc o m p a r e dt ot h eo r i g i n a lm e t h o d n e x tw ed e v e l o pac o m b i n e dd e t e c t o rw i t hs i m p l er e c e i v e r , a d v a n c e dr e c e i v e ra n d r e l i a b i l i t ya s s e s s m e n tm o d u l ea sf o l l o w s ：11t h ei n i t i a le s t i m a t eo ft r a n s m i ts y m b o l si s o b t a i n e db yt h es i m p l er e c e i v e r , a s s e s s e db yr ai nt h er e l i a b i l i t ya s s e s s m e n tm o d u l e ；2 ) i ft h ee s t i m a t es a t i s f i e st h er a w ec o n s i d e rt h ee s t i m a t ea st h ef i n a lr e s u l t ；o t h e r w i s e ， t h ee s t i m a t ew i l lb et h r o u g ht h ea d v a n c e dr e c e i v e rf o rf u r t h e ri m p r o v e m e n t p r o p o s eam o r ea c c u r a t ea p p r o x i m a t i o nf o rl - v a l h es o f to u t p u to ft h e s y s t e m a t i cb i t sb yu s i n gg a u s s i a nm i x t u r ed i s t r i b u t i o n ( g m d ) i n s t e a do fg a u s s i a n d i s t r i b u t i o n ，t oo b t a i nm o r er e l i a b l eb i te r r o rr a t e ( b e r ) p r e d i c t i o n so ft u r b oc o d e s b a s e do ne x t r i n s i ci n f o r m a t i o nt r a n s f e rc h a r t p a r a m e t e r sp e r t a i n i n gt og m da r e e s t i m a t e dv i at h ee x p e c t a t i o nm a x i m i z a t i o n ( e m ) a l g o r i t h m n u m e r i c a li l l u s t r a t i o n s d e m o n s t r a t et h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dc a no b t a i nr e l i a b l eb e rp r e d i c t i o n so ft u r b o c o d e sd o w nt o1 0 一 p r o p o s ea na d a p t i v em i m os y s t e mb a s e do nt h eu n i f i e db e l i e fp r o p a g a t i o n ( b nd e t e c t i o n ab pd e t e c t o rc o m p o s e do fas e r i a lo fc o m p o n e n td e t e c t o r si sf i r s t p r e s e n t e d w i t hau n i f i e dd e s i g no ft h eb pd e t e c t o r , am u l t i r a t em i m os y s t e m a d a p t i v et oc h a n n e lv a r i a t i o n si st h e nd e v e l o p e d ，w h i c ha i m sa ta c h i e v i n gt h em a x i m a l t h r o u g h p u tp e r f o r m a n c e t h eu s a g eo ft h eu n i f i e db p d e t e c t o re l i m i n a t e st h em u l t i p l e d e t e c t o rm o d u l e sa tt h er e c e i v e ri nc o n v e n t i o n a lm u l t i - m o d ea d a p t i v em i m os y s t e m s f u r t h e r , t h el i n e a rc o m p l e x i t yt os p a c et i m eb l o c kl e n g t ha n dp a r a l l e lo p e r a t i o no ft h e u n i f i e db pd e t e c t i o np r o v i d et h ea d v a n t a g e so fl o wc o m p l e x i t y , l o wd e t e c t i o nd e l a y a n ds m o o t hs w i t c h i n gb e t w e e nd i f f e r e n td a t ar a t e s w i t ht h ea v e r a g ep o s t - d e t e c t i o n s n rb a s e ds w i t c h i n gm e c h a n i s m ，t h ep r o p o s e da d a p t i v em i m of r a m e w o r ka d a p t i v e l y c h o o s e st h ea p p r o p r i a t er a t ef o rt h et r a n s m i s s i o ni np r e s e n c eo fs p a t i a lc o e l a t i o n k e y w o r d sm u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ，d e t e c t i o n ，t r a n s c e i v e r , a d a p t i v e ，g a u s s i a n a p p r o x i m a t i o n ，g a u s s i a nm i x t u r ed i s t r i b u t i o n ，b e l i e fp r o p a g a t i o n 浙江大学博士学位论文图表目录 图表目录 l l 多天线系统信道模型2 1 2 多天线系统信道容量( n t = n r = m ) 一4 1 3v - b l a s t 发射端结构7 1 42 天线正交空时分组码8 1 5 空时网格码编码器结构1 0 1 6 发射天线为2 ，调制方式为q p s k ，生存路径m = l 的m 算法译码过程1 6 1 7t u r b o b l a s t 发送结构示意图1 8 1 8t u r b o b l a s t 迭代解码示意图19 1 - 9s t - b i c m 编码示意图2 0 l l0s t - b i c m 迭代解码示意图2 0 l 1 1b i c m 迭代解码e x i t 图2l l 一1 2p a r c 系统发射机示意图2 3 l l3p g r c 系统发射机示意图2 4 1 14s v a p 系统发射机示意图2 5 2 1d s t t d 发射方案2 8 2 2d s t t d 系统z f ，o s i c 和o g i c 检测的b e r 性能3 3 2 3 多天线系统编码系统模型。3 4 2 4 多级映射q a m 星座图3 7 2 5 多级映射树形搜索示例。删除的路径没有显示3 9 2 - 6 未编码4 8m i m o 系统接收机算法b e r 性能4 0 2 7 编码4 8m i m o 系统接收机算法b e r 性能4 l 2 - 8 双向自适应算法的译码过程4 4 2 - 9 多天线系统中各种译码算法性能比较4 5 2 一l0m i m o o f d m 系统框图4 6 2 11 空频编码模块4 7 2 12o o c 空频编码模块4 8 2 13o o c 交织器和检测顺序4 8 2 一l4 二阶t u r b o 检测结构4 9 2 1 5p a 信道、移动速度为3 k m h 的b e r 性能5 2 2 1 6p b 信道、移动速度为3 k m h 的b e r 性能5 3 2 一1 7v a 信道、移动速度为1 2 0 k m h 的b e r 性能5 3 2 18 带有功率分配的m i m o 系统5 5 2 1 94 一q a m4 x 4m i m o 系统v s e r 性能6 l 2 2 04 一q a m6 x 6 m 1 m o 系统v s e r 性能6 l 2 214 一q a m4 6m i m o 系统v s e r 性能6 2 2 2 216 一q a m6 x 6m i m o 系统v s e r 性能6 2 3 1 自由度为2 、非中心参数为1 、5 、9 、2 0 时c s d 和n c s d 的p d f 曲线6 9 3 - 2 自山度为4 、非中心参数为l 、5 、9 、2 0 时c s d 和n c s d 的p d f 曲线7 0 3 - 3 自由度为6 、非中心参数为1 、5 、9 、2 0 时c s d 和n c s d 的p d f 曲线7 0 3 4 由简单接收机、可靠度评估准则和复杂接收机组成的混合接收机结构7 4 3 - 54 x 4q p s km i m o 系统中使用可靠度评估、简化的可靠度评估以及门限可调的可 i v 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 浙江大学博士学位论文图表目录 靠度评估的混合接收机、m m s e 接收机以及o s i c 接收机的b e r 性能，可调整的门限值 设为1 0 和2 0 7 5 图3 - 6 可靠度评估、简化的可靠度评估以及门限可调的可靠度评估的效率，其中实线 为仿真结果，虚线为( 3 2 0 ) 给出的理论结果，可调整的门限值设为1 0 和2 0 7 6 图3 74 x 4q p s km i m o 系统中使用门限可调的可靠度评估的混合接收机、m m s e 接收 机以及q r d m 接收机的b e r 性能，可调整的门限值设为6 ，8 ，1 0 和2 0 7 7 图3 8m m s e 、m l 、m m s e c m l 和m m s e c l m l 的b e r 性能7 9 图3 - 9m m s e c m l 运行c m l 接收机的概率。7 9 图3 1 0m l 、m m s e c m l 、m m s e c l m l 检测搜索的平均符号向量数目8 0 图4 1t u r b o 码的迭代译码8 2 图4 2 生成矩阵为g = ( 0 3 7 ，0 2 5 ) 、信噪比为0 3 d b 、编码长度为l e 5 的e x i t 图8 5 图4 3 生成矩阵为g = ( 0 3 7 ，0 2 5 ) 、信噪比为0 3 d b 、编码长度为l e 5 、两个译码器结构 一样的t u r b o 码译码器e x i t 图以及仿真得到的收敛轨迹一8 5 图4 4m m s e s i c 迭代检测的e x i t 图8 6 图4 5a p p 迭代检测的e x i t 图8 6 图4 6m m s e s i c 和a p p 迭代检测的e x i t 图性能对比8 7 图4 7 不同假设条件下输出对数似然比的累计分布8 9 图4 8 使用不同预测方案时对于第2 个译码器5 次迭代的b e r 性能9 1 图4 - 9 使用不同方案时对于第1 个译码器6 次迭代的b e r 性能9 l 图4 1 0e b n o = 0 4 d b 时不同近似方法下第2 个译码器5 次迭代后输出对数似然比和输 入假设为先验条件下仿真数据的累积分布9 4 图4 1l 图4 1 0 的局部放大图9 5 图4 1 2 采用不同近似方法第1 个译码器6 次迭代b e r 性能和仿真得到的b e r 性能对比 9 1 ； 图5 1 自适应b pm i m o 系统发送机和接收机9 9 图5 2 发射结构例示一10 1 图5 3 置信传播检测器示意图一10 2 图5 4 外信息转移示意图一1 0 2 图5 5 编码矩阵为p l 时b pm i m o 系统b e r 性能1 0 7 图5 - 6 编码矩阵为p 1 时b p 检测与m m s e 检测算法复杂度比较一1 0 7 图5 7 自适应b pm i m o 系统吞吐量性能1 0 8 图5 - 8 自适应m i m o 系统在卢k = 肛。= 0 9 时吞吐量性能，模式切换机制为平均接收信 噪比、吞吐量上边界以及平均检测信噪比1 1 3 图5 - 9 白适应m i m o 系统在以= n ，= 0 9 下使用平均检测信噪比切换以及吞吐量上 边界切换时吞吐量仿真结果和解析结果对比11 4 表2 1b i d a g a ( m = 4 ) 算法在各个信噪比条件下平均搜索的径数一4 5 表3 1 混合接收机中q r d 。m 接收机运行的概率7 7 表4 一l 在不同信噪比条件下输出对数似然比的方差和均值8 9 表5 一l 自适应b pm i m o 系统仿真参数1 0 6 表5 2q p s k 调制高斯信道下针对表5 1 发送符号块对应编码长度的t u r b o 码f e r 性能 11 4 v 浙江大学博士学位论文 第l 章绪论 第1 章绪论 本文的主要工作是多天线系统检测算法研究以及收发机联合设计。本文的结 构如下：第1 章是背景介绍，主要介绍了多输入多输出技术相关技术，包括多输 入多输出技术简介、空时码结构、m i m o 系统一般检测算法、t u r b om i m o 以及 m i m o o f d m 技术；第2 章主要是基于多天线系统检测算法所做的创新；第3 章 提出了一种可靠度评估准则，并提出一种混合接收机结构，这部分工作不再关注 于多天线检测算法本身，而是通过评估不同算法的可靠度，从而提出一种更加有 效的检测技术；第4 章提出使用混合高斯分布来分析基于外信息转移( e x t r i n s i c i n f o r m a t i o nt r a n s f e r ：e x i t ) 图的外信息输出，从而用来分析迭代行为，用于对 t u r b om i m o 的研究；第5 章提出了一种基于置信传播的自适应m i m o 系统，并 提出了一种空间相关性存在的条件下的模式切换准则，具有检测模块统一、算法 复杂度低的优势。第6 章对本文的工作进行了总结和展望。 1 1 多输入多输出技术 随着无线业务的普及和进一步发展，在保证服务质量( q o s ) 的前提下尽可 能提高数据传输速率成为下一代无线通信的核心问题。1 9 9 5 年t e l a t a r 研究表明 多输入多输出( m i m o ) 系统可以线性增加信道容量【l 】，这使得m i m o 技术成 为下一代无线通信中的关键技术。在这个部分我们介绍m i m o 信道容量以及它带 来的增益。 1 1 1 信道容量 实际的多天线系统无线信道为频率选择性衰落的信道，多径信道的存在以及 其它天线信号的干扰，使得多天线系统时域均衡算法会非常复杂。所以对于一般 研究的多天线系统，往往会结合多载波技术和多天线技术，比如8 0 2 1 6 e 中的 m i m o o f d m 技术，以及3 g p p 长期演化( l o n gt e r me v o l u t i o n ：l t e ) 中的p a r c 浙江大学博士学位论文第l 章绪论 ( p e r - a n t e n n ar a t ec o n t r 0 1 ) 技术【2 】，天线信号可以在频域上可以进行简单的均 衡。在一般的多天线技术研究文献中，都假设信道为瑞利平坦衰落。尽管这种信 道模型在实际无线通信系统中并不适用，但是这种假设能有效的应用于多载波系 统中。因此这里主要介绍信道为瑞利平坦衰落模型的情况。对于m i m o o f d m 系统以及m i m o 多径系统，会在以后的章节予以部分讨论。 典型的，考虑一个n r m 空间复用m i m o 系统( 其中，n r n t ) ，在每一个 时刻，个天线发送的符号向量表示为s = 【s ，s m r ( 其中，上标7 1 表示转置) ， 符号采用相同的调制方式，调制星座图表示为a = a l ，0 2 ，a m ) ，m 个接收天线 收到的符号向量表示为y = 眦，j ，脚r 。同时假设信道为平坦衰落信道，表示为 h ，多天线系统传输模型如图卜1 所示，可以得到发送信号和接收信号的关系： y = 蜃s + n 其中h 中的元素为第个发送天线和第f 个接收天线之间的复信道参数，且有 = 口+ j f l ( 1 2 ) 其中盯和分别为均值为0 ，方差为0 5 的高斯分布。n 为n rx l 的高斯复噪声向 量，均值为0 ，方差为0 l 。 t r a n s m i t t e l 图1 1多天线系统信道模型 2 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 对于( 2 1 ) 给出的信道模型，m i m o 系统的信道容量在【1 】中给出： c = l 。g z d e t ( i 脚+ 去h r ) ( 1 - 3 ) 其中r 。为发送向量协方差矩阵。如果发射机没有任何信道信息，【1 】中证明s 为独立同分布是最优的，此时 c _ 1 0 9 2 d e t ( i 肿+ 嘉h h ) ( 1 - 4 ) 如果发射机完全已知信道信息可以对信道矩阵进行奇异值分解，利用注水算 法对发射信号进行功率分配，以达到最大的系统容量。对此，【1 】和【3 】都进 行了比较详尽的描述。 当信道为随机矩阵时，m i m o 系统的容量也是随机值，通常用遍历容量和中 断容量来描述。对于瑞利衰落情况，h 的元素为独立的零均值复高斯随机变量， 具有相互独立的实部和虚部，元素的相位服从均匀分布，幅度服从瑞利分布。 随机信道m i m o 系统的遍历容量可以表示为： c = e c 冲 l 0 9 2 d e t ( 1 u r + 嗍e j 眠 m 5 ， 当发射端信道信息未知时，进行等功率发射，容量公式为： 酷e 9 2 ( 刽 lf _ lj ( 1 - 6 ) 其中p = 巨o 为每个接收天线上总的信噪比，五为h h h 的第f 个特征值。如图 1 2 所示，多天线系统信道容量大体上与天线数目成线性关系。 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 一m = 1 + m = 2 卜m 。3 pm2 | r 。 。 r 。 厂 r ， 一 ， _ 一- _ ， ，_ ， 乏p ， _ _ _ _ _一 i i s n r c 1 8 ) 图1 - 2 多天线系统信道容量( n t = n r = m ) 在【1 】中证明，接收端天线数增加带来的容量增益可以等效为发射端天线数 增加带来的容量增益，即： c o ，n r ，乓) 2 c ( n r ，1 ，n r 最)( 1 - 7 ) 其中c o 的三个参数分别代表发送端天线数、接收端天线数和发射功率。这个结 论表明接收端天线数的增益可以通过增加发送端天线数和提高发射功率来代替。 当发射端已知信道信息时，发射端通过注水算法进行功率分配， 啪降：等叫 m 8 ， 另外，信道的中断容量c 删，。满足下式： p ( c 巳细) = g 4 ( 1 9 ) 寄乏hiq一参一u盘嚣x爱叠蠡 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 c o 帅表示通信系统能够保证以( 10 0 一g ) 概率大于这个容量值。如果发射端已知 信道信息，在相同的中断概率下可以提高系统的中断容量。 1 1 2 分集增益 在无线信道中信号衰落随机变化。分集技术为无线链路中抗衰落的一种有效 的手段。它采用在多个独立衰落信道( 时域、频域或空域) 中传输信号。空间分 集比时间分集以及频域分集的优势在于它不需要占用额外的时间片或者频带。如 果一个发送信号通过n tx n r 个互相独立的m i m o 信道传输，接收端可以得到m x n r 阶的分集。使用空时编码技术可以在发送端不知道信道状况的情况下尽可能 的利用空间分集【4 1 0 】。 使用误帧率( f r a m ee r r o rr a t i o ：f e r ) 作为接收端信噪比s n r 的函数，空 间分集可以表示为【1 1 】 。l i 。m 1 0 1 9 ( f e r ( s n r ) ) ：一d o ( 1 - 1 o ) 姗一m l o g ( s n r ) 这里以为空间分集度，即为一个传输信号经过的独立的衰落信道数目。不难看出， 空间分集度越大，链路可靠性越高。 1 1 3 复用增益 m i m o 系统在不增加系统功率以及带宽的情况下提供了线性( m i n ( n r ，n t ) ) 容量增加，这种增益为复用增益，通过从不同天线上发送不同符号来实现，定义 为n = m i n ( n r ，a r t ) 。在富含散射的信道下，接收端能够分离出不同的发射符号， 从而产生容量的线性增加。 当接收端s n r 增加时，可以得到如下的渐近式【1 l 】 器 q 一昭 5 艇 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 其中c 单位为b p s h z 。这个公式证明，对于固定的，容量随着s n r 的对数值 线性增加。这也可以从图1 2 中得到证明。 1 1 4 阵列增益 阵列增益可以通过在接收端和发送端的协同合并，从而提高其平均接收信噪 比而获得。当发射端知道信道状态信息时，就可以根据不同的衰落系数使用不同 的权重发送不同的符号流。发送接收阵列增益需要在发送端和接收端同时知道信 道状态信息，并取决于发送和接收天线的数目。天线选择技术即是一种常见的阵 列增益方式【1 2 1 6 1 。通常接收端获知信道信息是容易的，而在发送端获知信道 信息则相对困难。 1 1 5 分集复用的折衷 使用固定的一种空时码格式，可以取得特定的分集增益和复用增益。实际上， 无法设计一种空时码格式，既可以取得分集度的最大化，又可以取得复用增益的 最大化。对于任何一种空时码格式，都是分集增益和复用增益的折衷【1 1 】。 对于瞬时变化的的m i m o 信道，要取得最优化的系统吞吐量，则需要使用不 同的空时码字格式。对于信道质量好的情况，使用复用增益大、分集增益小的码 字格式则可以同一时间、同一频带内传送更多的码流，而对于信道质量差的情况， 使用复用增益小、分集增益大的码字格式则可以在多个独立信道下发送同一信 号，保证链路质量。同样的，如果要采用多种码字格式的切换，则需要在发送端 知道信道信息，或者将码字格式信息通过反馈信道传输给发送端。 1 2 空时码结构 1 2 1 空时分层码 贝尔实验室分层空时结构( b l a s t ) 是b e l l 实验室的f o s c h i n i 提出的一种空 6 浙江大学博士学位论文 第l 章绪论 时编码方案。典型的垂直分层码如图1 3 所示 2 1 】，它将信源数据分为几个子数 据流，独立地进行编码、调制并且各自进行发送，因而它不是基于发射分集的。 在接收端对各个发送天线的数据进行检测( 如z f 、m m s e 、干扰抵消、球形译码、 m l 等检测算法) ，然后进行独立的解调和译码。分层空时编码根据发送端排列数 据的不同，又可以分为v - b l a s t 、d b l a s t 、h b l a s t 等【1 7 2 l 】，如果在接 收端用t u r b o 的迭代思想联合检测和译码，则又称为t - b l a s t 。由于分层空时编 码技术追求系统的最大复用效率，分集增益很低。 b e l l 实验室已经于1 9 9 8 年做出了b l a s t 系统的实验室模型v - b l a s t 系统 【1 7 1 ，收发两端相距1 2 米，所采用的天线阵模型是由半波振子组成的：接收端 有8 个天线振子，分布在直径为2 0 厘米左右的金属半球表面上，发射端有1 2 个 天线振子，分布在平面上。各振子间距为旯2 。系统载波频率为1 9 g h z ，带宽为 3 0 k h z ，传输信息率为2 4 3 k s y r n s ，采用不编码的1 6 q a m 。在室内无线环境下 所做的实验表明，在f e r 为o 0 1 时b l a s t 系统所需的信噪比为2 5 d b 。若用信 道编码结合，性能会有较大改善。 图1 3v - b l a s t 发射端结构 7 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 1 2 2 空时分组码 1 9 9 8 年，a l a m o u t i 提出了一种非常简单的发射分集技术正交空时分组码 ( s t b c ) 【4 】。正交空时分组码由于其简单的结构和良好的性能得到了广泛的 研究，如图1 4 。s t b c 实质上是将同一信息经过正交编码后从两根天线上发射出 去，两路信号由于具有正交性，接收端就能够将两路独立的信号区别出来，只需 要做简单的线性合并就可以获得分集增益。【6 】推广了a l a m o u t i 两天线发射结 构，基于正交设计的思想，研究了发射天线数多于两个时的正交空时分组编码的 构造。【2 2 】分析了o s t b c 的最大似然( m a x i m a ll i k e l i h o o d ：m l ) 译码及其性 能，o s t b c 的译码通过对接收信号简单的线性合并，对每一个发射符号分离开 来单独进行m l 译码，可以实现全分集。 图l 一42 天线正交空时分组码 nl = 秘l 一毒主】 t x2 = 拉2 篁f 1 但是，对于一个普通的复数信号星座，例如m - q a m 或m - p s k ，当发射天线 数目大于2 时，不存在编码速率为1 的正交空时分组码， 2 2 2 3 】给出了对于发 射天线数大于2 时正交空时分组码的编码速率上限。目前对于发射天线阵