（通信与信息系统专业论文）多天线全速率协作中继方案研究.pdf

摘要 摘要 f r i ll ii i rif l ll l l i ii if y 2114 9 3 7 由于移动用户终端受到体积、能量等各种条件的限制，传统的m i m o ( 多 输入多输出) 技术在发展过程中出现了瓶颈效应。然而随着通信技术的不断发 展与创新，协作通信作为一种新技术的提出，有效的解决了上述问题。 协作通信通过将中继信道引入源端与目的端之间，从而构造一个虚拟 m i m o 信道来获取协作分集，并有效抵抗信道衰落，提高系统吞吐量。因此协 作通信己成为未来无线通信重点研究的对象。但是在协作通信中，空时编码 ( s p a c e - t i m ec o d i n g ，s t c ) 或空频编码( s p a c e - f r e q u e n c yc o d i n g ，s f c ) 的选择，中 继节点转发方式的确定，系统传输速率、误码性能、复杂度这三者的平衡全都 是急需解决的关键问题。 本论文首先从通信基础识入手，综述了o f d m ( 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 ，o f d m ) 知识和分集技术的分类及接收：随后着重研究了不 同协议( 主要是a m p l i f ya n df o r w a r d ，a f 或d e c o d ea n df o r w a r d ，d f ) 下的无线协 作模型，分析了各自的特性和优势；最后基于两跳的协作通信模型并对中继节 点采取放大转发协议，设计出一种多天线全速率协作中继传输方案。该方案为 了提高系统容量和空间分集增益，将源端和目的端设计为多天线状态；为了更 好的实现全分集增益，将全速率全分集( f d f r ：f u l ld i v e r s i t yf u l lr a t e ) 技术应 用于源端；为了获得更多频率分集，将循环延迟分集( c d d ：c y c l i cd e l a y d i v e r s i t y ) 技术应用于中继节点。本文通过将这两种技术与多天线情形有机结 合，提出该方案。仿真结果证明，所提方案不仅能实现全速率传输以及获取全 分集增益，且该方案比单天线全速率协作中继方案误码性能更佳，因此具有良 好的实用价值。 关键词：协作通信：多天线；全速率；全速率全分集空时码；循环延迟分集 a b s t r a c t d u et ot h er e s t r i c t i o no fm o b i l eu s e rt e r m i n a li nt e r mo fv o l u m e ，e n e d g ya n d o t h e rc o n d i t i o n ，t h et r a d i t i o n a lm i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) t e c h n o l o g y h a st h eb o t t l e n e c ke f f e c ti nt h ed e v e l o p m e n t h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ec o n t i n u o u s d e v e l o p m e n t a n di n n o v a t i o no f c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o na san e wt e c h n o l o g ys o l v e st h e a f o r e m e n t i o n e d p r o b l e m s e f f e c t i v e l y c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nc o n s t r u c t s av i r t u a l m i m o ( m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ) c h a n n e lt h r o u g ht h ei n t r o d u c t i o no ft h er e l a yc h a n n e lb e t w e e nt h e s o u r c ea n dt h ed e s t i n a t i o ni no r d e rt oo b t a i nt h ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t yg a i n ，r e s i s tt h e c h a n n e lf a d i n ga n di m p r o v es y s t e mt h r o u g h p u te f f e c t i v e l y t h e r e f o r e ，c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o nh a sb e c o m et h ef o c u so nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni nt h ef u t u r e b u t i nc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ，t h ep r o b l e ma b o u tt h ec h o i c ei nd i f f e r e n ts p a c e - t i m e o rs p a c e - f r e q u e n c yc o d e s ，t h ed e t e r m i n a t i o no ft h ew a yo fr e l a yf o r w a r d i n ga n dt h e b a l a n c eo ft r a n s m i s s i o nr a t e ，b i te r r o rp e r f o r m a n c e ，t h ec o m p l e x i t yf o rt h es y s t e m n e e d st ob es o l v e d f i r s t l yt h eb a s i ck n o w l e d g eo fc o m m u n i c a t i o nh a sb e e ni n t r o d u c e d , i n c l u d i n g t h eo f d m ( 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 ) t e c h n i q u ea n dt h e s u m m a r i z a t i o no ft h ec l a s s i f i c a t i o no fd i v e r s i t yt e c h n o l o g ya n dt h ef o r m so ft h e r e c e i v e d c o m b i n a t i o n s e c o n d l y , t h ec o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o nm o d e lw i t h d i f f e r e n tp r o t o c o l s ( a m p l i f ya n df o r w a r do rd e c o d ea n df o r w a r d ) h a sb e e n r e s e a r c h e d t h e i rr e s p e c t i v ec h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e sa l s oh a v eb e e na n a l y z e d l a s t l y , at r a n s m i s s i o ns c h e m eo ff u l lr a t ec o o p e r a t i v er e l a yw h i c hi sa d o p t e db yt h e a fp r o t o c o lw i t hm u l t i a n t e n n ai s p r o p o s e df o rt h ec o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n m o d e lb a s e do nt w o - h o pi nt h i st h e s i s i no r d e rt oi n c r e a s es y s t e mc a p a c i t ya n d s p a c ed i v e r s i t yg a i n , t h e s o u r c ea n dt h ed e s t i n a t i o nh a v et h em u l t i - a n t e n n a r e s p e c t i v e l y i no r d e rt oa c h i e v et h e f u l ld i v e r s i t y , t h ef u l l d i v e r s i t yf u l l r a t e t e c h n i q u eh a sb e e na p p l i e dt ot h es o r r c e i no r d e rt oo b t a i nm o r ef r e q u e n c yd i v e r s i t y , a b s t r a c t t h ec y c l i cd e l a yd i v e r s i t yt e c h n i q u eh a sb e e na p p l i e dt ot h er e l a y t h es c h e m e c o m b i n e st h et w ok i n d so ft e c h n i q u ew i t ht h em u l t i a n t e n n a t h es i m u l a t i o nr e s u l t s h o w st h a tt h es c h e m ec a na c h i e v ef u l lr a t et r a n s m i s s i o na n do b t a i nt h ef u l ld i v e r s i t y g a i n ，b u ta l s oh a v eb e t t e rb e rp e r f o r m a n c et h a nt h e f u l l 。r a t ec o o p e r a t i v er e l a y s c h e m ew i t ht h es i n g l e a n t e n n a s ot h es c h e m eh a sag r e a ta n dp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ；m u l t i - a n t e n n a ；f u l lr a t e ；f u l ld i v e r s i t y f u l lr a t es t c ；c y c l i cd e l a yd i v e r s i t y i i i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着数字技术的迅猛发展，人们早已进入高速的信息化时代，无线通信技 术已经被世界各国越来越多的专家学者关注和研究。由于无线通信业务需求的 爆炸式增长，现有的通信业务已无法满足当今丰富的数字化信息的迫切需要。 2 0 世纪中后期，大型i c 电路、微型电脑和交换技术先后进入个人领域， 随着它们逐步产量化的投入商用，加速了蜂窝模拟移动通信系统( 1 g ) 从概念 变为实际应用。2 0 世纪9 0 年代左右，通信领域出现了数字化、多媒体化等多 方向性发展的趋势，因此第二代移动通信系统( 2 ( 3 ) ，这一利用时分多址 ( t d m a ) 或码分多址( c d m ) 为主要技术的标准被提了出来。到了9 0 年代 中期，国际电信联盟( i t u ) 对第三代移动通信系统( 3 g ) 进行了研究，并确 定三个主要的无线接口标准：c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 、t d s c d m a ，这三个 标准在国内也已分别被中国电信、中国联通、中国移动所使用。而目前i t u 又开始进一步征集第四代移动通信系统( 4 g ) 的通信标准，新标准的数据传 输速率更快( 传输速率高达1 0 0 m b p s 至1 g b p s ) ，成本更低，性能更强，扩 展性更高。在通信业迅速发展的前提下，国际国内普遍认为通信市场具有 巨大的潜力和良好的发展空间，因此数据、语音、视频等众多业务也得以快 速发展和升级。新标准下的新系统必然有较高的系统容量，较强的抗干扰性能， 较低的功率损耗。新标准的提出无疑对无线设备的要求迸一步提高，设备的传 输可靠性、容量大小、设备尺寸、寿命长短等方面成为衡量其好坏的重要 参考标准。 近几年来，多输入多输出( m m o ) 技术在无线通信网络中的应用已成为 国内外学者研究的热点。由于m i m o 系统在分集增益和复用增益上体现优势， 因此有效的改善了系统性能。虽然学者们对m i m o 技术进行了深入研究并且也 取得了阶段性的成果【l 】，然而因为很多客观原因( 比如移动台尺寸比较小，难 以装置多根天线) ，所以在一定程度上制约了m i m o 技术的应用和延伸。无线 协作通信便在这种情形下被提出，协作通信的目的就是为了解决移动终端的缺 多天线全速率协作中继方案研究 陷，并且进一步取得分集增益和保证系统传输的可靠性，因而成为这几年来的 新热点f 2 】。 1 2 研究目的与意义 由于人们对信息的需求不断增长，无线通信网络在具备高速传输的同时还 要保证优良的可靠性和稳定性。考虑到无线频谱资源的匮乏，系统唯有提高频 谱的利用率才能保证在有限的容量里提高其各项性能指标。 无线网络的传播离不开无线信道，无线信道状况的好坏直接关系到无线通 信质量的优劣。由于空间中存在的物体均不同程度对电磁波产生反射、绕射、 散射等现象，所以电磁波的传播在历经一系列的衰落后，其功率必然损耗，其 传输数据时必然产生误码。无线信道这种随着时间和频率而变化的不稳定性促 使人们提出各种技术来解决这一问题。其中分集技术的提出及发展在无线通信 里起到了不可或缺的作用。 在深衰的无线信道中，仅仅通过增强功率或是改变天线尺寸、高度来保证 通信质量是不切实际的。然而提高分集技术来克服这一困难是确实可行的，其 中在提高空间分集这一方面，完全可以通过多输出多输入( m m o ) 技术来完 成。t e l a t a r 【3 】给出并分析了在衰落信道中m i m o 系统容量，在衰落信道情形下， 多个收发天线可以成倍的提高系统的容量和可靠性，同时降低系统的误码率。 随后基于m i m o 系统下的空时编码( s t c ) 技术被人们进一步研究并加以应用， 目的是为了在获得空间分集和时间分集增益，从而提高系统性能。但在现实的 无线网络中，m i m o 技术的应用面临很大考验。由于许多移动终端设备的要求 非常苛刻，所以大功率、高复杂度的硬件很难得以应用。安装较多天线实现发 送分集的办法受到了限制，m i m o 技术也因此进入了瓶颈。 为了解决m i m o 技术受限问题，若现实中的移动通信网络的接收端和发射 端只装备单根天线，无疑又限制了网络的系统容量，无论是传输速率还是误码 性能都无法得到本质的提高。无线传感器网络( w t r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n ) 的出现让人看到了新的希望和解决上述问题的可能性。w s n 作为一个低成本、 低功耗且具有分布式结构的多跳的自组织网络很好的避免了m i m o 技术产生的 相关问题，使无线网络通信稳定性和实用性得以提升。然而w s n 网络节点个 2 第一章绪论 数的约束导致无法大面积组网，且节点寿命短、信息处理能力弱、通信实时性 差等诸多疑难题依然没有得到根治。 随后的几年里，w s n 网络和a d h o e 网络继续被各国研究者关注和讨论， 并从中发现和拓展了许多新思路和新方案，这些思路方案的核心是：利用周边 一个或多个伙伴节点来协助源节点将信息传送给目的节点，这些伙伴节点在传 输自己信息的同时也帮助其他伙伴节点传输信息。这就是协作分集的思想【4 】。 并由此产生了协作通信这一新的无线传输模型。 协作通信的思想就是在无线网络中的多个用户之间彼此共享天线以及网络 资源，从而形成“虚拟m i m o ，获取空间分集增益。随后为了使协作通信系统 能提高传输速率、保证传输稳定性、获得更多的分集增益，研究逐渐扩展到更 多的方面，例如功率分配【5 - 7 】【8 1 1 9 ，异步协作【l o - 1 2 1 ，分布式空时码【1 3 】【1 4 】都成为热 点问题。尤其是对于协作通信模型下的编码问题尤为突出，如何设计出一个合 理的空时或空频编码解决信息冗余，提高传输速率，在复杂度和系统性能之间 有较好的折衷和相互匹配成为关键和重点。本论文把无线协作通信系统作为研 究背景，深入剖析正交频分复用( o f d m ) 、全速率全分集( f d f r ) 和循环延 迟分集( c d d ) 等技术的基本原理，探究几个技术的融合点。 一方面全分集全速率空时码利用通过线性复数域编码解决了空时码中信息 冗余问题，又最大限度能取得分集增益。另一方面m i m o o f d m 系统下的循环 延迟分集技术的研究也较为成熟，该方法仅对发射端的各天线的o f d m 调制信 号中加入不同的循环延迟，增加了信道的延迟扩展，使其呈现更强的频域选择 性，而且不会使接收端的检测复杂度提高。随着在协作模型下两跳全速率协作 通信模式被提出，进一步研究出一种无线协作编码方案是十分必要的，而且此 方案需要考虑到发射端和接收端都是m i m o 的情况以及上述几种技术的结合。 1 3 国内外的研究现状 在过去这些年里，国内外大量的研究者已经对采用正交频分复用( o f d m ) 技术的多输入多输出系统( m i m o ) 进行了深入的研究，提出了多种不同的空 时频编码方案【1 5 】【1 6 1 。 在m i m o 系统下，d a m e n 等在基于数论原理的基础上第一次提出了2 天线 3 多天线全速率协作中继方案研究 模式下全速率全分集( f d f r ) 的空时码设计方案【1 7 】，随后文献【1 8 】【1 9 1 提出任意 天线数的f d f r 空时编码方法。在文献中，m a t 2 0 】【2 1 】在基于线性复数域( l i n e a r c o m p l e x - f i e l d ，l c f ) 编码原理提出了一种不同的f d f r 空时码设计方法，此 方案的优势在于适用任意数目的发射与接收天线，并在传输中拥有较强的抗衰 弱能力。之后b e l f i o r e t 2 2 l 运用差值码字矩阵行列式值恒定，设计出种全速率 全分集的空时码。这些f d f r 方案都在不同程度上避免信息冗余，提高了信息 传输速率。在m i m o o f d m 系统中，h u e b n e r 等1 2 3 提出的循环延迟分集的空频 编码方案主要讨论循环延迟量在不同编码调制方式下该如何进行选择，并对比 了a l a m o u t i 空时编码机制。z h a n g 等【2 4 】通过有机结合a l a m o u t i 编码与循环延迟 分集技术，增加了系统分集增益。m i m o 这一多天线技术结合a l a m o u t i 方案的 多天线预编码方案也可以达到改善系统性能，降低误码率。 随着协作通信模型的提出和建立，对协作通信系统的编码方案需要更进一 步的深入研究。z h a n g w e i 和l e t a i e t 五2 5 】将线性复数域编码应用与分布式空时编码 中，使这一技术在协作模型下得到良好的运用。近年来对循环延迟分集技术较 多，j i i l 等【2 6 】通过将c d d 协作模型与传统的分布空时编码比较，证明了当中继 数增加大于等于2 时，前者具有更高的稳定可靠性。s e u n g w o n 等【2 7 1 2 8 】运用了 卷积编码、比特交织等技术，对j u n 的成果进行了改进，提出更加实用的分布 式协作编码。但s e u n g w o n 的方案局限于中继节点和目的节点之间的编码且系 统模型传输速率不高。z h a n g t 2 9 】提出的全速率模型由于接收端是对全部参与预 编码的符号的联合检测，因而无论是编码还是检测的复杂度都非常高，严重制 约了传输的实时性。 总之，目前对协作通信中编码方案的研究虽刚刚起步，然而系统的速率、 性能、复杂度还没有得到一个很好的折衷。而o f d m 技术、f d f r 技术、c d d 技术、多天线技术的优势无论在m i m o 系统下还是协作通信模型下都显得尤为 突出，因此将上述技术有机结合，设计出一个有效的适用于协作通信模型下的 编码方案是今后课题和研究工作的关键。 1 4 研究工作和安排 本论文主要研究的是两跳协作通信下的系统模型和传输方案，总共分为六 4 第一章绪论 章，安排如下： 第一章概述本论文研究目的与意义，以及国内外的m i m o 系统下和协作通 信模型下的各种空时、空频编码方案的现状研究和对本文的主要研究工作安排。 第二章简要描述了无线信道的基础知识，分析了正交频分复用( o f d m ) 原 理并给出了实现过程的公式推导；随后介绍了协作通信中常见的几种分集技术和 合并技术，为能在后续章节的系统模型里应用提供了依据。 第三章讨论了m i m o 系统模型以及容量，并详细介绍了在几种在m i m o 系统下经典的空时码( s t c ) ，且分类讨论了各自优势、劣势；简单介绍了基于 m i m o o f d m 系统下的空频码( s f c ) ，阐述了其作用和原理，为后续循环延迟 分集的理解奠定基础。 第四章为解决m i m o 系统的局限性而分析了中继协作通信模型，并讨论其 中几种重要的协作通信协议，重点研究了固定放大转发协议( a f ) 和固定译码 转发协议( d f ) 各自的特点，并进行了对比；同时简要的介绍了其他几种协作 策略，为第五章中继节点选择合适的转发协议提供了依据。 第五章运用基于线性复数域( l i n e a rc o m p l e x f i e l d ，l c f ) 预编码的全速 率全分集( f d f r ) 技术，弥补了正交空时编码( s t ) 冗余度过高的缺陷；运 用循环延迟分集( c d d ) 技术，达到了加强信道的频率选择性并获得空间和频 域分集，提高系统性能的效果；运用多天线技术于源端和目的端，大大提高了 系统容量和空间分集增益。将这几种技术有机结合，应用于全速率协作中继模 型，最后对系统模型进行仿真和性能分析。 第六章对论文所做的工作进行总结，并就将来进一步研究方向和切入点进 行了展望。 5 多天线全速率协作中继方案研究 第二章无线通信基础 无线通信( w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ) 是利用电磁波信号可以在自由空间中传 播的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展最快、 应用最广的就是无线通信技术。 无线通信技术的发展离不开众多技术，尤其是数字信号处理技术起到了不 可或缺的作用。在m i m o 技术中，利用数字信号处理技术可对多径传送的信号 进行形成和合并，提高接收信号的质量和传输速率。 2 1 正交频分复用( o f d m ) 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 ，o f d m ) 是一种 类多载波并行调制的体制。拥有以下特点：( 1 ) 各路子载波的已调信号频谱中 部分为重叠，目的是提高频率利用率以及传输速率；( 2 ) 各路已调信号严格正 交，因此接收端可以完全地分离各路信号；( 3 ) 每路子载波的调制全部是多进 制调制；( 4 ) 根据各子载波处信道特性的好坏不同，其相应的调制制度也不同。 如今o f d m 已广泛用于非对称数字用户环路( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e r l i n e ，a d s l ) 、高清电视( h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ，h d t v ) 、无线局域网 ( w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k s ，a n ) 等领域，同样也成为第四代移动通信 标准( 4 g ) 。 o f d m 利用一系列正交子载波实现数据的高速传输，用串并转换的方法将 串行数据流转换成并行的o f d m 符号，从而在每个子载波上调制，是一种高效 的并行数据传输方案。由于宽带无线通信系统中的信道呈现频率选择性，因此 而产生的符号( 码) 间串扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 严重影响了系统性 能。o f d m 这种应对技术通过插入保护间隔来减少i s i 和子信道间的干扰，降 低了均衡器的复杂度，提高了频谱效率，并且有效对抗多径传播。 6 第二章无线通信基础 星座 映射 匿b r e - - - d i a c 7 匕叫五 五一 r 一 f f t 4卜 f 臣a 、 j i m 书 - - - d a c 刮龟h a d cp 舻 书无 抠扎 f 丌 臣口 黯、 叫龟h 仙cp争 图2 1o f d m 收发系统框图 图2 1 表示o f d m 系统框图。待发送的符号为 五) = ，经过串并变换和星 座映射器，得到了路的并行码，瓦为码元周期，五为后路子载波的频率，则 路子信号之和表示为： 对，= 以取样： 7 ( 2 1 ) 多天线全速率协作中继方案研究 一1 s ) = 以g 口砒嘎 取厂= l l n t ，则五= 矿= k n z , 可得出： ( 2 2 ) ( 2 3 ) 在实际应用中，o f d m 可以用快速傅立叶变换( f f t ) 技术来实现。反快速傅 里叶变换( i f f t ) 和快速傅里叶变换( f f t ) 为反离散傅里叶变换( i d f t ) 和 离散傅里叶变换( d f t ) 之快速硬件实现。 o f d m 缺点主要有两个：( 1 ) 对信道产生的频率偏移以及相位噪声敏感度 较高；( 2 ) 信号峰值功率和平均功率的比值数值较大，从而降低射频功率放大器 的功率。 2 2 无线信道中的分集 无线信道由于传播媒介带来的不利因素，比如噪声，衰减，损失和干扰。 然而随着需求日益增大，无线信道自然将面临许多新挑战。增加信道的编码纠 错能力，降低传输速率，使用更加精密的探测器等许多解决方案虽然有效，然 而对于许多现实路径的实现，这样的手段远远达不到要求。 整体链路的可靠性通过在源和目的端提供多径传输，每个路径的衰落过程 尽可能的独立其他过程。m i m o ( 多发多收) 系统中每一个子信道都会存在着 空间、时间和频率这三类选择性衰落，其形成的原因都可以归结为多径传播【3 引。 基站附近建筑物和其他物体发射而形成的干扰信号导致空间选择性衰落：快速 移动台附近物体反射而引起的干扰产生时间选择性衰落；高大建筑物与远处山 丘的反射使得信号在时域产生了扩散，因此无线信道呈现频率选择性衰落。 解决各种衰落效应问题可采用一定方式的编码和分集技术。编码最简单形 式类似重复编码，多个路径可能携带原始信息的多个失真的副本。而空间分集、 时间分集和频率分集为分集技术主要的三大类别。 8 学 g 戤 枷 = 、一、c0 s = 矗 第二章无线通信基础 2 3 1 空间分集 空间分集是技术中常用的形式，也叫天线分集。基本原理是利用发射端与 接收端配备多根天线，由于需要减少传输信号间的相关性，因此这些天线间的 距离应当足够大，至少不能低于o 6 个波长。不同天线间的信道衰落情况是相 互独立的，接收端可以先后接收到在空间上历经独立衰落的多个信号副本，并 对副本进行最优合并，利用衰落的相互独立性来抵消最终衰落。合并后接收信 噪比与系统容量都得到了提高。空间分集虽然能获取更多的分集增益但是同时 也增加了天线的数量，对发射端和接收端的硬件要求也大大提升。 2 3 2 时间分集 时间分集的本质就是将同一信号样本在一定的时隙间隔后进行多次重复发 射，只要每次发射的时间间隔大于信道的相干时间，那么就可在接收端获得有 独立衰落特性的几个信号，达到了分集的效果。一般采用差错控制编码方式结 合适当交织技术来实现【3 1 1 ，其中时间的交织实现了所需的发射时间间隔。与空 间分集相比，时间分集虽然大大减少了天线个数，但是重复编码在获得满分集 增益的同时牺牲了总传输效率，再加上时间交织会造成译码延迟，因此时间分 集技术只适用于信道相干时间很小的快衰落场景中。 2 3 3 频率分集 频率分集就是通过不同的载频将同一信号发射出去并在接收端合并，从而 达到分集的效果。直观的看来就是将整个系统带宽划分为一个个较小的带宽， 并且具有独立响应的信道。其中发射频率间隔至少是信道带宽的数倍，才保证 经信道传输的信号不相关。这种方式适合于多载波系统，将系统带宽划分为无 重叠且满足平坦衰落的窄带子信道进行传输，且每个子信道与其余子信道的频 域是分开的，把这样不同的子信道一起使用就得到了频率分集。在无线通信系 统中，通常采取直接序列扩频、多载波调制以及调频等扩频技术来获得频率分 集。 9 多天线全速率协作中继方案研究 2 3 合并技术 分集技术是依靠对传输中的多径信号能量的有效利用，从而提高整个通信 系统的可靠性。而合并技术就是在信号分集后再将相互独立的若干支路收集起 来，以获得比每个单的接收机更好质量的信号或者获得更大成功接收信号的 概率。合并的位置无论在检测器之前还是之后都是可行的。主要有四种合并方 式：最大比值合并( m a x i m a lr a t i oc o m b i n i n g ) 、等增益合并( e q u a lg a i n c o m b i n i n g ) 、选择式合并( s e l e c t i o nc o m b i n i n g ) 以及切换合并( s w i t c h i n g c o m b i n i n g ) 。 最大比合并在使各个不相关信号相位相等的基础上，按传输这些信号的信 道信噪比( s n r ) 乘以加权系数，并在接收端将各路信号相加，最后还原传输 的信号；等增益合并不校正信道的幅度，只校正其的相位偏移，因而只有当每 条支路信号的增益相同时，接收端进行直接的相加合并：选择式合并将每个接 收机传送的信号送入已有的选择逻辑，通过选择逻辑将其中具有最佳瞬时信噪 比( s n r ) 的基带信号输出，考虑到对最佳瞬时信噪比的估计较为困难，往往 选取每条支路上最高平均信噪比来代替；在切换合并中，每条支路上的传输信 号不能低于特定的s n r 阈值，当接收端扫描到某一路的信号低于这个阈值时， 会自动切换到另一分支上去继续扫描，最终将符合标准的支路信号进行合并。 2 4 本章小结 本章介绍了无线通信中几种分集技术的概念及各自的特点，同时也描述了 几种在接收端实现的合并方式，为可靠的多径传输提供了依据和方法。其中重 点介绍和研究了正交频分复用技术( o f d m ) 的基本原理和理论推导及实现过 程，为后续几章的研究和分析奠定理论基础。 1 0 第三章空时及空频编码 第三章空时及空频编码 近几年移动通信新技术的发展日新月异，促使移动多媒体业务增长更迅速 内容更丰富，从而大大提升了对无线通信系统容量的需求。多输入多输出 ( m i m o ) 系统作为移动通信中一项重大突破性的理论技术，能充分利用无线 信道特性，在不增加频谱和发射功率的前提下，通过利用空间维度来解决频谱 效率、系统容量、信息传输可靠性等问题。因此国内外专家学者对m i m o 技术 产生了广泛的关注和强烈的兴趣，相应的进行了不同程度的研究与讨论。经研 究证明，只要通过m i m o 技术，即增加发射端和接收端的天线数量，就可以有 效缓解上述矛盾。空时编码( s t c ) 则是一种可行、有效的并能很好适用于m i m o 系统容量的方案。s t c 通过在多根发射天线之间产生空域相关性和各个周期发 射信号之间产生的时域相关性，从而有效改善整体系统误码性能。宽带无线通 信的信道呈现的频率选择性会产生符号间的干扰( i s i ) ，进而影响系统性能。 由前一章节可知o f d m 技术除了降低均衡器复杂度外，同时还能提高频谱效 率。一种结合m i m o 和o f d m 技术的二维编码技术应运而生，采用此空频编 码( s f c ) 技术的m i m o o f d m 系统在一个o f d m 块内通过把符号在空间和 频率间进行分散，从而得到相应的空间和频率分集。 3 1m i m o 系统模型 在平坦衰落信道下的m i m o 系统中，发射天线数为m 根，接收天线数为 根，如图3 1 ，嘞和踟分别表示第m 根发射天线上的信号和第丹根接收天 线上的信号，表示元素从第m 根发射天线到第九根接收天线的复信道衰落 系数。 多天线全速率协作中继方案研究 图3 1i v i i m o 系统模型 则系统传输模型为： y = h s + w ( 3 - 1 ) 式中，s _ - 【墨s 2 】r 为发射符号矩阵，】，= 【m 儿蜘r 为接收信号矩阵， 形= 【mw 2 h r 为加性复高斯白噪声矩阵，w 为相互独立的且均值为零的向 量，噪声方差为眠。由所有的信道衰落系数组成的信道矩阵h 为： 3 1 1m i m o 系统容量 t t = 曩。 ： 吃，吆 。： ( 3 2 ) m i m o 系统容量是随着发射天线或接收天线中较小的一个呈线性增长的。 考虑一个具有必根发射天线和m r 根接收天线的m i m o 系统。信道系数为啊， 且服从独立的循环对称复高斯随机变量，均值为0 方差为1 。m i m o 收发器可 模拟为： 卜括x - + z ( 3 - 3 ) x - - e x 。屯 为鸠根发射天线的发射信号向量； 1 2 第三章空时及空频编码 】，= m 儿 为鸠根接收天线的接收信号向量；z = z iz 2 z 以 为噪声向量，其中元素皆为均值为0 且方差为1 的独立循环对称复高斯随机变 量。信道矩阵h 在接收端假设已知而在发射端未知。信号向量假设满足 e i i x l l ；= m ，i i x l l ；为彳的f r o b e n i u s 范数。0 再瓦保证了j d 为每根接收机天 线的平均信噪比( s n r ) 且不依赖发射天线个数。 如果输入信号x 是均值为0 且方差为e x h x ) = q 的循环对称的复高斯随 机变量。则输出信号也是一个循环对称的复高斯随机变量，其均值为0 且方差 为e 】，月】， = 舌日h 凹+ k ，k 是一个m m 维的单位矩阵。所以对于任 意给定的矩阵h ，输入x 和输入y 之间互信息量为： 姬；y 旧娟d e t ( i u , + 面p 日h 凹丁 c 3 4 ) 因为e i i x l l ；= m ，仃a c e ( q ) = t r a c e ( e x h z ) = m 。通过非负q 最大化 ( x ；】，1 日) 。首先将q 写为q = u h 包u ，其中u 为酉矩阵，a o 为对角阵。所 以可得： m d e t ( i u , + 面p 胪妒 = ma e t 卜+ 蔷伊西 协5 ， 其中疗= u h 。i b d e t ( i u , + 专疗h 荫卜大化时，蜴= k 。直观的理解， 若发射端未知信道的先验信息，则每根发射天线需要同等对待，分配相等权值， 即通过m 根发射天线的输入信号向量的方差是一单位矩阵。所以，最：k - 耳! - n 息 为l bd e t 卜告膏h 西 o 因为假设信道是无记i 乙的，也就是说每一次使用信 道都是与上一次独立的。因此m i m o 系统的平均容量为： c 吨片 ma e t ( k 酱詹h 荫) 6 ， 如果我们假设m = m = i ，以上结果就化简为单输入单输出( s i s o ) 系统容量。 1 3 多天线全速率协作中继方案研究 对于单输入多输出( s i m o ) 系统，也就是m = 1 ，m r 1 的情况，信道 日：陬j 矗2 歹 m 】。l 园l i j 5 d e t ( i u + p 日h 日) ：d o t ( x , + j d h h h ) ：l + p 釜h ，斤。 其中第一个等式是根据任何m x n 维和n xm 维矩阵a 和b 的一致性 d e t ( i 肼+ 么b ) = d e t ( i + b a ) 得- f l $ 。所以s i m o 系统容量为： c = e b ( + p 粪i 啊。，1 2 c 3 7 ) 对于多输入单输出( m i s o ) 系统，即m = l ，m 1 的情况，此时信道，可 得日= 眈。t l 】t 。 (k+瓦p3q：以det日hh=1+孟善1=1t l 1 2 ，因此对得日_ 啊，- 红，：j 】t ik + 瓦日hj 2 1 + 盖k r ，因此对 一一，一 应的容量描述为： c 吨州b 旧孙1 2 ) ) 8 ， 3 2 空时码( s t c ) 空时码【3 2 副】( s t c ) 是一种将多天线阵列与和空间、时间分集结合起来的 技术。在信道信息( c s i ) 被收端准确的估计情况下，发送天线和接收天线个数 的最小值导致s t c 的信道容量呈线性增长。s t c 是在不牺牲带宽的情况下起到 发射分集和功率增益的作用。s t c 不仅可获得m i m o 技术的分集增益，并能够 很好的提高系统抗衰落能力以及传输可靠性。 假设m i m o 系统的发射天线和接收天线数分别为m 、m ，且接收机已知 c s i 而发射机未知。在窄带传输且假设准静态的情况下，选定的码字通过信道 在天线m 和时隙r 中进行发送，每个码字都可以表示成r m 维的矩阵： c = 文式c t c 1 1 蠢c 警t i； 砖毒c c 表示发射天线i 在非相干时间f 中发射的符号。接收信号的表达式为： 1 4 第三章空时及空频编码 y = 潘 ( 3 1 0 ) 此处，】，表示大小为r 丝维的接收信号矩阵；日表示大小为m m 的信道系 数矩阵；z 表示大小为t x m 的噪声矩阵；c 是空时码字。假定发送码字为c ， 接收机译码错误码字e ，上边界表达式为： p ( c 专石) 故1 p ) 讹厂 此处y = r a n k ( c e ) ，p 是在每根接收天线上信噪比的期望值， ，如，九 为( c e ) ( c e ) h 的非零特征值，f l 拭( 3 1 1 ) ，根据文献瞰1 阴可得两种s t c 设 计准则： ( 1 ) 秩准则或分集准则：差异矩阵c e 的秩应该尽可能的大，对于一定 的s t c ，c e 永远是满秩的，则称这种s t c 达到了全分集。 ( 2 ) 阶数准则：所有不相关码字c 和e 阶数上兀丑最小值应当尽可能的 l m l 大。则称这种s t c 实现了编码增益。 如果要设计出最佳误码性能的空时码必须同时满足上述的两个准则。分集 准则在这两准则中相对来说更为重要，因为它决定了性能曲线的斜率。 按s t c 所适应信道环境不同可以分为两大类： ( 1 ) 接收端能准确估计信道特性( c s i ) ：分层空时码( l s t c ) 、空时网格 码( s t t c ) 、空时分组码( s t b c ) ( 2 ) 不需要接收端估计信道特性：酉空时码( u s t c ) 、差分空时码( d s t c ) 3 2 1 分层空时码( l s t c ) l s t c 是最早提出的一种空时编码方式。分层空时码基本原理其实很容易 理解，就是先将输入信息比特流分解成路比特流( 串并转换) ，再分别进行 1 5 多天线全速率协作中继方案研究 信道编码，把这路按一定规律分层编码并加载同样的载波，映射到多根发射 天线上去。考虑到信源信息和发射天线间的映射关系，l s t c 可以分为水平、 垂直，对角三种分层方式。由于多径衰落的影响，接收端往往采用信道译码和 阵列信号处理两种技术相结合的方式，将一并接收到的天线信号分离，再进行 解调。然而发射端发送时并未对信号做抗衰落处理，所以无疑提高了对无线信 道的特性要求，又因为每个层之间的独立译码，从而导致层与层间也无法共享 对方的信息，不能够进行联合预测。 l s t c 有其自身的优缺点。优点是速率以及频带利用率随着发射天线的数 线性增加。缺点则是无法得到最大分集，性能相对较差。l s t c 虽然在性能上 会有损失，而且要求接收天线数大于等于发射天线数，但是拥有较高的频带利 用率，此外在c d m a 中l s