（通信与信息系统专业论文）mumimo系统准正交空时编码联合波束形成技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 多天线技术是新一代移动通信系统中的关键技术之一，其在不增加系统带 宽的前提下，能极大地提高通信系统的频谱利用率、容量和数据的传输速率。 基于空时编码的发射分集技术和作为智能天线核心技术的波束形成技术是实现 多天线系统性能提升的两种有效手段。空时编码技术利用多个天线之间的独立 性进行分集合并处理，能够带来显著的分集增益，并提升系统容量。波束形成 技术则是利用多个阵元接收信号的高度相关性进行信号处理，可以有效地抑制 码间干扰和多用户干扰。在应用中采用适当的策略将二者有机的结合起来，在 增进系统性能和增加无线通信系统容量方面有着极大的潜力。 本文对联合准正交空时编码( q o s t b c ) 与波束形成技术的m i m o 系统进 行了研究，主要工作如下： ( 1 ) 在传统的准正交空时编码基础上，深入研究了基于旋转因子的准正交 空时编码。这种编码通过引入旋转因子，将原来的星座旋转一定的角度，形成 一个新的星座，通过选择最佳的旋转角度就可以实现全分集。 ( 2 ) 针对点对点的单用户m i m o 系统，将准正交空时编码技术和波束形 成技术结合，提出了一种新的基于波束形成的准正交空时编码系统。不同于传 统的4 发1 收的准正交空时编码系统，该系统发射端采用4 个独立的天线阵列 来发送信号，将准正交空时编码技术与波束形成技术结合，能够同时获取分集 增益和波束增益，显著改善系统性能。进一步将此方案与正交频分复用( o f d m ) 技术结合，应用于宽带通信系统中，通过m a t l a b 仿真验证其可行性和有效性。 ( 3 ) 将准正交空时编码与波束形成的结合技术应用于多用户m i m o 系统 中，为了凸显波束形成技术抑制用户间干扰的作用，提出了一种基于卷积和的 复合权算法。该方案将加权向量通过卷积和分解为两个子加权向量，利用传统 的迫零算法和基于特征值分解算法来确定两个子加权向量，分别用来抑制用户 间干扰和实现q o s t b c 分集增益。并进一步将此方案与正交频分复用( o f d m ) 技术结合，应用于宽带通信系统中，通过m a t l a b 仿真验证其可行性和有效性。 关键词：准正交编码，发射分集，波束形成，正交频分复用 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i a n t e n n at e c h n o l o g yi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si nt h en e x tg e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，w h i c hc a l lg r e a t l yi m p r o v et h ef r e q u e n c ys p e c t r u m u t i l i z a t i o n ，c a p a c i t ya n dd a t a r a t ew i t h o u t i n c r e a s i n gt h es y s t e mb a n d w i d t hi n c o m m u n i c a t i o n s m u l t i - a n t e n n at e c h n o l o g yi n c l u d e ss p a t i a ld i v e r s i t yt e c h n o l o g y , s p a c em u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g ya n ds m a r ta n t e n n at e c h n o l o g y t r a n s m i td i v e r s i t y t e c h n o l o g yb a s e do ns p a c e t i m eb l o c kc o d e da n db e a m f o r m i n gt e c h n o l o g ya r e c o n s i d e r e dt ob et w oe f f e c t i v em e a n so fi m p r o v i n gs y s t e mp e r f o r m a n c ei nm i m o s y s t e m s p a c e t i m eb l o c kc o d et e c h n o l o g yc a no b t a i ns i g n i f i c a n td i v e r s i t yg a i na n d i n c r e a s ec a p a c i t yo fs y s t e mb yu s i n gt h ei n d e p e n d e n c eo fm u l t i p l ea n t e n n a s a n d b e a m f o r m i n gt e c h n o l o g yc a nr e s t r a i ni n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c ea n dm u l t i - u s e r i n t e r f e r e n c et h r o u g ht h eh i g l lc o r r e l a t i o no fm u l t i p l ea r r a ys i g n a l s i tw i l lb eo fg r e a t p o t e n t i a li ne n h a n c i n gs y s t e mp e r f o r m a n c ea n di n c r e a s i n gs y s t e mc a p a c i t yi n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h a tc o m b i n gt h et w ot e c h n o l o g i e sb ya p p r o p r i a t e s t r a t e g i e s t h i st h e s i sd e a l s 、 ，i t l lt h ej o i n tu s eo fb e a m f o r m i n gt e c h n o l o g yw i t h q u a s i - o r t h o g o n a ls p a c e t i m ec o d i n g ( q o s t b c ) i nm i m os y s t e m s t h ec o r ed e t a i l s o ft h er e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ( 1 ) r o t a t e dq u a s i - o r t h o g o n a ls p a c e t i m ec o d i n gi se x p l o r e db a s e do nt r a d i t i o n a l q u a s i o r t h o g o n a ls p a c e t i m ec o d e s ，w h i c hw i l la d dar o t a t e da n g l eo nt r a d i t i o n a l q o s t b ct of o r man e wc o n s t e l l a t i o na n dt h e nc h o o s et h eb e s ta n g l eo fr o t a t i o nt o a c h i e v ef u l ld i v e r s i t y ( 2 ) ab e a m f o r m i n gs c h e m ec o m b i n e d 谢t 1 1q o s t b ci sp r o p o s e df o rp o i n tt 0 p o i n ts i n g l e - u s e rm i m os y s t e m s i n s t e a do fu s i n gf o u ri n d e p e n d e n tt r a n s m i t a n t e n n a si n t h et r a d i t i o n a lq o s t b ct r a n s m i t t e r , f o u ri n d e p e n d e n ta n t e n n aa r r a y sa r e e m p l o y e d t h es c h e m ec a no f f e rf u l ld i v e r s i t ya n db es u p e r i o rt ot h ec l a s s i ct r a n s m i t d i v e r s i t ys c h e m e t h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e ds t r a t e g yf o r o f d m s y s t e m si sd e m o n s t r a t e db yu s i n gm a t l a b - b a s e ds i m u l a t i o n s 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) an e ws c h e m et h a tc o m b i n gb e a m f o r m i n gt e c h n o l o g yw i t hq o s t b ci n m u l t i u s e rm i m os y s t e m si sp r e s e n t e d i no r d e rt oh i g h l i g h tt h a tt h eb e a m f o r m i n g t e c h n o l o g y c a l l e f f e c t i v e l y r e s t r a i n m a i ，ac o m p o s i t ea l g o r i t h m b a s e do n c o n v o l u t i o ni sp r o p o s e d t h ea l g o r i t h md i v i d e dt h ew e i g h t e dv e c t o r i n t ot w o s u b - w e i g h t e dv e c t o r ，w h i c hc a l lb ed e t e r m i n e db yu s i n gt h ez fa p p r o a c ha n dt h e e i g e n v a l u ed e c o m p o s i t i o na l g o r i t h m b yd o i n gs o ， m a ic a l lb e e f f i c i e n t l y s u p p r e s s e da n dq o s t b cd i v e r s i t yg a i nc a l l b ea c h i e v e d f u r t h e r m o r e ，w ea l s o c o m b i n e do f d mt ot h es c h e m ei nb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s s i m u l a t i o n r e s u l t sa r ea l s op r e s e n t e d k e yw o r d s ：q o s t b c ，t r a n s m i td i v e r s i t y , b e a m f o r m i n g ，o f d m h i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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 武汉理工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 明并表示了谢意。 期：二尘垒 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：f 【婚 导师( 签名f 辆、日期 h l o s 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 近年来，无线通信技术飞速发展。新一代移动通信将可以提供的数据传输 速率高达1 0 0 b i t s h z ，甚至更高，支持的业务从语音到多媒体业务，包括实时的 流媒体业务【l h 3 1 。因此，更高的数据传输速率、更大的系统容量( 服务用户数量) 和更好的通信质量则是新一代移动通信技术所需要突破的关键。普遍认为，多 天线技术( m i m o ，m u l t i p l e i n p u t - m u l t i p l e o u t p u t ) 是在b 3 g 和4 g 移动通信技 术中解决高速率、大容量、高质量要求的最重要的关键技术 4 1 。【5 1 。 多天线技术是一种空时处理技术。它在发射端和接收端同时采用多根天线 用于信号的发射和接收，通过和空时信号处理的结合来有效地提高系统的容量 和传输质量1 6 】。信息论已证明，当不同的发射天线和不同的接收天线之间相互独 立的时候，m i m o 系统能够有效地提高系统的抗衰落和抗噪声性能，获得较大 的容量。m i m o 技术是m a r c o n i 于1 9 0 8 年最早提出1 6 j ，其在不增加系统带宽的 前提下，能极大地提高通信系统的频谱利用率、容量和数据的传输速率，同时 还能有效地增强系统的抗干扰性和抗衰落性能。因此，m i m o 技术将成为新一 代移动通信系统中的关键技术之一。 m i m o 技术主要包括空间分集技术、空间复用技术和智能天线技术。 空间分集技术是指发射端用不同的天线发射同样信息的信号，接收端由多 个天线接收。这是因为当使用多个接收信道时，它们受到的衰落影响是独立的， 且在同一时刻经受深衰落谷点影响的可能性非常小。空间分集技术分集增益高， 能够提高链路传输的可靠性。常用的空间分集技术有空时码、延迟分集、空频 切换等。其中，常用的空时码有空时分组码( s t b c ) 、空时分层码( l s t ) 、空 时网格码( s t t c ) 和差分空时码( d s t c ) 等，空时网格码和空时分组码是基 于发射分集的，而空时分层码则是基于空分复用的。空时码技术是在1 9 9 8 年由 v a h i dt a r o k h 等人提出的一项基于发射分集的技术 7 1 。空时码的主要思想是利用 了衰落信道的多经传播特点，通过空间和时间上的编码实现一定的空间分集和 时间分集，从而降低信道误码率，增强了系统的抗衰落能力p 】。 武汉理工大学硕士学位论文 空间复用技术的主要原理是在发射端发射相互独立的信号，接收端采用干 扰抑制的方法进行解码。它通过提供多个空间并行子信道来提高链路传输速率， 同时，还能有效地提高通信系统的频带利用率。贝尔实验室最早提出了基于空 间复用的分层空时码( b l a s t ，b 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 ea r c h i t e c t u r e ) 技术，该技术在高信噪比的情况下可实现最高达3 0 b i t s h z 的传输速率。 智能天线技术是利用信号在传播方向上的差别，将同频率、同时隙的信号 区别开来。发射机通过阵列处理算法，提高接收机输入信噪比、通信系统覆盖 范围、通信系统传输速率和链路的抗干扰性能。波束形成( b f ，b e a m f o r m i n g ) 技术是其核心技术。它利用信号的空间方位信息，自适应地调整天线阵列的方 向图，即采用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线波束对准用户信 号的到达方向，在阵列方向图上，对波达方向形成指向性波束，而对其他方向 形成较低增益，从而达到充分利用移动用户信号并有效地抑制干扰信号的目的 【9 】 o 综上所述，将基于空时编码的发射分集技术与基于下行波束形成技术相结 合能够尽可能的得到分集增益和波束增益【1 0 1 。然而，二者对天线阵列结构的要 求有着显著的差别，波束形成技术要求发射天线之间具有高度的相关性，而空 时编码技术则要求各个衰落信道之间能够尽可能的相互独立，因此采用适当的 策略将二者有机的结合起来，在增进系统性能和增加无线通信系统容量方面有 着极大的潜力。 1 2 国内外研究现状 通信业务在飞速发展，制约整个系统传输速率的瓶颈主要是下行的数据传 输速率，因为用户的下载数据量要远远高于上载的数据量。由于移动终端体积 的限制，不可能使用太多的天线，这就限制了m i m o 系统的接收分集，只能在 基站端使用发射分集技术。因此，如何极大地改善下行链路传输速率的m i m o 发送分集技术成为人们研究的热点。本文将就这一问题进行深入研究。 实际系统往往是如图1 1 所示的一个基站( b s ) 同时和多个移动台( m s ) 进行通信的情况，因此现在越来越多学者们对m i m o 系统的研究已从点对点的 单用户m i m o 系统扩展到点对多点的多用户m i m o 系统【l l j 【1 2 1 。一个基站同时和 多个移动台进行通信，必然会产生用户间干扰。如何抑制用户间干扰是多用户 2 武汉理工大学硕士学位论文 m i m o 系统中的一个重点问题，而波束形成技术的优势恰恰在于可以减少多径 衰落的影响，增强期望、抑制用户间干扰。 基站 ， ，_ ，i ， ， ， 二一# 一一岁 心q 。 y v 7 、 、 、 t 、 t 图1 1多用户m i m o 系统场景示意图 近年来，空时编码已由传统型向着多功能型转化。学者们在传统的空时分 组码基础上，又提出了更高速和先进的正交空时分组码( o r t h o g o n a l s p a c e t i m e b l o c kc o d e s ，o s t b c ) ，即保证多个发射天线发送的信号相互正交。但是研究表 明，当发射天线数大于2 ，且为复信号星座调制时，正交空时分组码无法达到全 速率传输。于是，准正交空时分组码( q u a s i o r t h o g o n a l s p a c e t u n eb l o c kc o d e s ， q o s t b c ) 1 3 】应运而生。这种编码以牺牲满分集为代价，对于发射天线数超过两 根的系统也能够提供全速率1 9 ，因此文献【1 4 1 1 5 1 提出了几种改进的准正交的方法 来实现全分集。3 gl t e 系统中基站端的天线基本配置是l ，2 或4 。准正交空时 编码技术正好能够满足这样的四发m i m o 方案。准正交编码形式灵活，编解码 简单，是一种有着良好应用前景的技术【1 6 1 。 由此可见，空时编码技术和波束形成技术是提高下行链路信号质量的两种 有效手段。像波束形成技术这样的通过选择合适的阵列加权矢量的闭环方式， 与空时编码技术结合，使两者优势互补，增强系统性能，尽可能的获得波束增 益和分集增益。对于结合波束形成技术的空时编码系统，已有许多学者进行了 武汉理工大学硕士学位论文 大量的研科1 7 1 1 引。该结合技术最早是由美国卡纳基梅隆大学的印度籍学着n e g i 提出【1 9 1 ，之后受到美国、欧洲、韩国以及我国众多研究人员的重视。本文在此 基础上提出一种新的结合波束形成技术的准正交编码系统。进一步将其应用于 多用户m i m o 系统中，提出一种新的多用户干扰消除的算法。 1 3 本文内容安排 本文主要研究了结合波束形成技术的准正交编码系统，并将此结合技术有 单用户系统扩展到多用户系统，进一步将其应用于宽带系统中。在对原有的波 束形成与空时编码的基础上，提出一种新的波束形成与准正交编码结合的系统， 进一步对多用户系统进行研究。分析总结了已有结合波束形成的多用户 q o s t b c 系统下行链路，并提出一种新的基于m i m o 系统的结合技术。由于制 约整个系统传输速率的瓶颈主要是下行的数据传输速率，因此，本文的研究主 要是针对下行链路。 本文的结构安排如下t 第2 章简单介绍了q o s t b c 技术的基本结构、编码方式及译码方式，进一 步通过仿真分析了其在m i m o 系统中的性能；同时还介绍了波束形成技术及典 型的波束形成算法； 第3 章在现有空时编码结合波束形成技术的基础上，提出一种新的波束形 成与q o s t b c 结合的系统，并将此方案与o f d m 技术结合，应用于宽带通信系 统中，对这两种系统进行仿真，验证了改方案的可用性和有效性； 第4 章将点到点的单用户m i m o 系统扩展为多用户的情况，设计一种新的 结合波束形成技术的多用户q o s t b c 系统。该系统在获取q o s t b c 分集增益的 同时，有效地抑制了用户间干扰，并对其进行了性能分析和仿真验证，进一步 联合o f d m 技术，应用于宽带通信系统中； 第5 章总结全文，并给出下一步的研究方向。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章准正交空时分组码与波束形成 空时编码技术利用多个天线之间的独立性进行分集合并处理，能够带来显 著的分集增益，并提升系统容量。波束形成技术则是利用多个阵元接收信号的 高度相关性进行信号处理，可以有效地抑制码间干扰和多用户干扰。本章介绍 准正交空时编码技术和波束形成技术，并侧重于波束形成算法的研究。 2 1 准正交空时分组码 移动信道中由于传播的开放性，存在着传播衰落、慢衰落和各类快衰落。 分集技术是抗衰落的最有效措施之一，它可以大大提高多径衰落信道下的传输 可靠性。其中，空间分集技术除了成功应用于模拟的短波通信与模拟移动通信 系统中之外，还广泛应用于数字式移动通信，特别是第二代移动通信。空间分 集有接收分集和发射分集两种。空间接收分集是克服平坦衰落最为有效地方法。 但在移动通信的下行链路中，不允许手机实现二重空间分集。这将会带来上、 下行链路性能上的不平衡，也就限制了m i m o 系统的接收分集，只能在基站端 使用发射分集技术。 空时编码技术作为无线通信系统中的一种简单有效地发射分集技术，近年 来收到广泛关注。自从a l a m o u t i 提出两天线正交空时码以来【7 j ，立即引起了研 究者的注意。a l a m o u t i 提出的两天线空时块码结构非常简单，并且具有高效的 译码算法，能够获得全部分集增益。本节介绍正交空时分组码o s t b c ( o r t h o g o n a l s p a c et i m eb l o c kc o d e ) 和准正交空时分组码q o s t b c ( q u a s io r t h o g o n a ls p a c e t i m eb l o c kc o d e ) 的基本机构和编解码方式，并在传统的q o s t b c 的基础上引 入基于旋转因子的q o s t b c t h j 。 2 1 1 正交空时分组码编译码方案 s t b c 是将同一信息经过正交编码后从两根天线上发射出去，接收端只需要 作简单的最大似然译码及线形合并就可以获得充分的分集增益。其编解码结构 如图2 1 所示 7 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 输入信息 调制码元 s t b c 映射 编码 器 s t b c 编码 器 图2 1s t b c 编解码结构框图 a l a m o u t is t b c 编码中，每组m 比特信息首先调制为m = 2 肺进制符号，接 着编码器选取连续的两个符号，根据下述式子将其映射到发射天线。 x ：lx l x 。2l ( 2 1 ) l 恐而j 编码矩阵的第一行由天线1 发送，编码矩阵的第二行由天线2 发送。矩阵 第一列对应第一个符号周期，第二列对应第二个符号周期。这种编码方案的主 要特征是两根发射天线的发射序列是正交的，也就是说，序列x ，和x ：的内积 为0 ，即 x 1 ( x 2 ) 矗= 而葛一而= o ( 2 - 2 ) 假定接收端采用一根天线进行信号接收，衰落系数在两个连续符号发射周 期之间不变，信道矩阵可表示为： h = ( 笼暑 = ( 笼甚：z = ( 急 = t f ，, l i 急l i i c 2 3 ) l 9 ) jl 缟o + 丁) jl 吃j吃p 施j 其中，i 红l 和q 分别是发射天线i 到接收天线的幅度增益和相移，l 曩i 服从 r a y l e i g h 分布，丁为连续时间周期。 在接收端，两个连续符号周期中的接收信号可以表示为： _ ( 麓x 协4 ， n a ，表示第一个符号和第二个符号的加性高斯白噪声。 a l a m o u t i 方案的译码一般采用最大似然译码( m l d ) 算法。假设接收机可 以获得理想信道估计，文献 7 】中提出的译码的准则为： 6 武汉理工大学硕士学位论文 + l 吃1 2 1 ) i 是1 2 + d 2 ( j i l ，j i l ) + i 红1 2 1 ) i 曼：1 2 + d 2 ( 爰，是) 5 ：( 2 - ) 图2 2a l a m o u t i 方案的系统性能仿真 表2 1 链路级s c m 情景i i 信道模型参数 7 啊h ，v， n s m 孵赔 g 苫 娥 盯 = = 卜b 匹山 路径相对路径功率( d b ) 时延( n s ) 10 o0 21 o 3 1 0 39 07 1 0 41 0 o1 0 9 0 51 5 o1 7 3 0 62 0 o2 5 1 0 速度k m h 3 天线拓扑 0 5 允 每径角度扩展为均方根为3 5 0 的拉普 角度功率谱p a s 拉斯分布 a o a6 7 5 ( 所有路径) 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 给出了上述a l a m o u t i 编码方案在不同天线配置情况下的系统性能， 分别是未使用s t b c 的单天线方案、2 发1 收s t b c 编码方案、2 发2 收s t b c 编码方案的b i t 误码率仿真。比较的三种方案中天线的总发射功率一致，调制方 式为1 6 q a m 调制。仿真信道采用的是3 g p p2 5 9 9 6 标准的空间信道模型( s c m ) 的情景i i ，由于本文讨论的是下行链路，这里仿真信道针对下行链路。表2 1 总结了基站向移动终端传输信道的物理参数。 通过对以上三种方案的性能仿真可知，采用空时编码的方案在准静态瑞利 衰落信道下明显要优于未编码方案，并且接收端两天线比一天线获得的分集增 益大，系统性能得到了极大的改善。由此可见，空时块码的性能随着接收天线 的增加而增加。同时验证了空时编码抑制信道衰落的有效性。 2 1 2 准正交空时分组编译码方案 当发射端采用两根天线发射信号时，a l a m o u t i 方案满足满分集度和满数据 速率且同时具有正交性的空时分组码。但是，对于发射天线数大于2 的系统， 要同时满足以上三个条件是不可能的 2 0 1 。如果应用中一定不能降低编码速率， 那么久只能牺牲其他方面的性能，来保证编码速率。为此，j a f a r k h a n i l l 3 1 提出的 准正交空时分组码就是以牺牲发送信号矢量的正交性为代价，使得编码速率为 1 1 2 0 1 。这种编码方案是针对4 发1 收的发射分集系统，以a l a m o u t i 的两发射天线 空时分组码方案为基础，根据下式( 2 6 ) 将发射信号映射为发送信号矩阵。 x = 箍a 钒3 4 ( x 瑚x 4 ) - - 而吃 一而而 一毛一黾 一恐 毛毛 一面为 而而 一而五 ( 2 6 ) 上式中矩阵以表示矩阵4 ：的复共轭，即： 4 2 ：彳( i ，五) ：【毛 吻】 ( 2 7 ) 一工2工l 定义矩阵g 的第f 列为屹，那么对于所有的变量而，屯，黾，都可以得到5 】 = = = 0 ( 2 8 ) 式中 表示向量_ 和的内积。因此，h 和v 4 构造成的子空间与吃和 屹构造成的子空间相正交。 8 武汉理工大学硕士学位论文 q o s t b c 的编码方案与s t b c 的编码方案原理是一致的，q o s t b c 是选取 连续的四个符号，根据传输矩阵将其映射为发送信号传输出去。 q o s t b c 译码比s t b c 译码要复杂，这是因为q o s t b c 牺牲了部分正交性， 从而引入了自干扰。q o s t b c 利用了编码矩阵的子空间的正交性，采用独立的 成对解码方式译码【2 1 1 。即，在接收端采用最大似然译码，找到符号薯 = 1 ，2 ，3 ，4 ) ， 求得最大似然译码的等价最小和式( 2 9 ) 彳4 ( 五，) + 左3 ( x 2 ，x 3 ) ( 2 9 ) 石。( 而，而) ：羔| 2 + l 心1 2 ) ( 4 1 2 ) * 2 1 r ( - h t ，。吒，肼- h ；，。吃，肼一巧二嵋一- h , ，埘m ) 而 ( 2 1 0 ) + ( 一心棚，i 棚+ 磕。眨。+ 绣，。r 3 ，辨一曩，辨埘) 墨 + 4 孵( 乃l ，肘磁一- h l ，。h 3 埘) 吼( t i ) i ， 厶。( 砭，玛) ：羔( 1 恐1 2 + l 恐1 2 ) ( 4l 棚i 。) + 2 吼 ( 一缟，。，i 棚+ 瓦r 2 朋- h ；，珊r 3 ，。+ 呜，。，：。) 恐 ( 2 1 1 ) + ( 一鸭刀朋一瞄埘r 2 ，。+ 瓦，r 3 棚+ 吃，。幺) 墨 + 4 吼( 办2 ，。瞳朋一瓦。h 4 。肼) 孵( 而) i ， 可以看出，石。( 五，x 4 ) 和( 屯，而) 无关，石。( x 2 ，毛) 和( 五，x 4 ) 无关，因此可对 ( 五，k ) 和( 叠，而) 独立的译码。m l 译码可以简化为( 2 1 2 ) 。 ( x lx ) = a r g m i n 阶_ ，圳( 2 - 1 2 ) ( x 2 ，x 3 ) = a r g m i i l0 五j ( 而，恐) 0 为了验证q o s t b c 方案，通过m a t l e b 仿真比较了s t b c 和q o s t b c 的 性能。其中，空时块码采用的是a l a m o u t i 两发一收和两发两收的方案，q o s t b e 采用上述全速率的编译码方案，为四发一收系统。三个系统均采用b p s k 调试， 仿真信道为平坦瑞利衰落信道。从仿真结果图2 3 可以看出，q o s t b c 的系统 性能要优于s t b c 两发一收的系统，但是劣于s t b c 两发两收的系统，这是因 为q o s t b c 虽然增加了发射天线的数目，且满足全速率，但不满足满分集度， 9 武汉理工大学硕士学位论文 降低了系统分集增益。因此，如何是准正交空时编码满足满分集度，是提高系 统性能的一个非常关键的问题。 图2 - 3q o s t b c 方案的系统性能仿真 2 1 3 基于旋转的准正交空时分组码编译码方案 通过上一节的分析可以得出这样的结论：j 批a i l i 【1 3 】提出的准正交空时分 组码虽然满足全数据速率，但是无法达到全分集，这样就会降低系统分集增益。 这节将介绍一种基于旋转的准正交空时分组码方案，这种方案能够实现全分集。 其主要思想是编码时将原来的星座旋转一定的角度，形成一个新的星座，通过 选择最佳的旋转角度就可以实现全分集。 假设两个不同的码字q = ( 而，x 2 ，x 3 ，x 4 ) 和c 2 = ( m ，y 2 ，y 3 ，几) ，则q o s t b c 编码的编码增益传输距离( c g d ) 为： 2 一 2 一 c g d ( q ，c 2 ) = ( i ( 誓一乃) + ( 屯+ 广儿州) 1 2 ) 2 ( i ( 薯一乃) 一( 屯+ 厂儿+ ，) 1 2 ) 2 i = 1i = 1 ( 2 1 3 ) 在j a f a r k h a n i 方案中，当而= 而+ f 且乃= + y 2 + f 时，c g d 为零，导致分集增 益不能达到最大。因此，要达到全分集，公式( 2 1 3 ) 的c g d 必须不为零。显 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 然，当( 薯一以) ( 而+ 厂耽+ ，) 就满足条件。为了使( 一以) ( 而+ 广+ 。) ，可以在星 座调试时，对五( 待3 ，4 ) 进行旋转，选择合适的旋转角度使编码增益传输距离 ( c g d ) 不为零，便可获得满分集增益【2 2 】。对于不同的调制星座，旋转角度驴的 取值不同。 这种方案的编码矩阵和j a f a r k h a n i 方案类似，只是加了旋转角度： g 瓴，x 2 ，玛，x 4 ，萌，谚) = 五恐玛而 虿j 峨毫f 确最可鸪矗f 鹏毫 五i z 砂而1 少为1 m 恐五 ( 2 1 4 ) 这里为了考虑方便，定义对符号五，x 2 的旋转角度为办，对符号x 3 ，x 4 的旋转 角度为欢。 基于旋转的准正交空时分组码的译码同q o s t b c 译码一样，采用成对联合 译码，在接收端采用最大似然译码，找到符号薯 = 1 ，2 ，3 ，4 ) ，求得最大似然译码 的等价最小和式( 2 1 5 ) 。 彳4 ( 而，x 4 ，磊，唬) + a 3 ( 而，x 3 ，办，如) ( 2 1 5 ) 式中 烈鼍m 办，办) ：耋 ( i x i e j 1 2 + x 4 e j t1 2 ) ( 4 叫2 ) + 2 孵 ( 一啊，肘，i ，。一绣，朋r 2 朋- k 肼r 3 ，。一心，肼) 而p 崩( 2 1 6 ) + ( 一么，册吒，。+ 瞎脚眨朋+ 噬力r 3 朋一红朋r 4 + , m ) 矗p 崩 + 4 吼( 办l ，。k 。一砭啊h 3 ，廊) 吼( _ p “ 一”) i ， 和 厶( 而，恐，办，欢) = 薹 ( i 吃p 椭1 2 + i x 3 e 施1 2 ) ( 荟4l ，胂1 2 ) + 2 吼 ( 一h e ，肼吒一。+ 瓦胁眨。肼一瞄朋吩，j ，+ 缟。肼历) 而p m ( 2 1 7 ) + ( 一呜，册，i 朋一啊，朋吃，雕+ k m 吩潮+ ，卅肺) x 3 e 鹏) + 4 9 t ( h ：，所一k 册h 。加) 孵( x ：五p ( 埔一珈) ， 武汉理工大学硕士学位论文 葛1 0 3 篓萋鐾篓篓攀誊篓豢霎鬻鬻罄r i ：! ：】：c ：! ：3 ：3 ：x x ：c ：? s 二： - 一 一- - - 一- - - 一一 - - 二心- f 吣 - - - - 一- - - - “山- - - - - j - 、j ：k - l - - 二k謦 | ；i ! i i i i i ；i i ! i i i ! i ! ! 塞i ! ! ! ；! l i i i ! i i i i ! ! i ；i l i ；! ；! ! i i i i i l i 鎏拳；l i ；! ! i 目 i 、 匿熏薹兰冀薹耄兰薹薹熏薹瀚i 。t 。t 。1 。- 。r 。、一p 守- 。 - - 。- - - 一。- - - - - 如- - 4l、i 、i r t 1 。广r t 1 r 。- 心、l 1 - 一1 - kl l 、l b ：；：；：；i ；! 摹i ；i ；i l ! ! ；：! ! ；：；i ! ! ；! ：；：；：i ；! ；! ； ；i 妾砖 1 矿 1 矿 图2 - 4 基于旋转的q o s t b c 方案的系统性能仿真 基于前面的理论分析，通过仿真来比较上述方案的系统性能。图2 - 4 给出了 不同旋转角度下q o s t b c 编码的系统性能，调制方式为b p s k 调制。仿真信道 为平坦瑞利衰落信道，天线配置为四发一收。从仿真图2 - 4 可以看出，加上旋转 角度之后，q o s t b c 能够获得满分集度，有效地提高了系统性能。采用b p s k 调制时，旋转角度为a - 2 时，系统性能最优。 2 2 波束形成 在无线移动通信中，存在着信道衰落、多径干扰、多址干扰等严重影响系 统性能的问题。如何在保证通信质量的同时提高系统的容量，在对抗信道衰落 和干扰的同时提高频谱利用率，是无线通信中亟待解决的问题。波束形成技术 恰恰是解决这一问题的关键技术之一。它实际上是应用到多个阵元组成的天线 阵列上的数字信号处理技术，通过利用信号的空间方位信息，自适应地调整天 线阵列的方向图，实现指向性发射和接收，提高了通信的传输质量和容量。 波束形成技术是一种实现复杂度较小且能获得满分集增益的分集技术。波 束形成技术的基本过程瞄】是：在建立系统模型时，描述系统中各处信号信息， 根据系统性能要求，将信号组合成一个数学问题，寻求最优解。 1 2 l i i o辨一渺i錾：= 一。v，一一一一；_。一 笔#r：薯z扣t山套矗嚣o妾等t臻壬十豢国毫罕t：lli-矗s正翠j-难x；-t安-t。=擎：-：-支：- 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 波束形成技术的基本原理 当满足天线传输窄带条件且阵列采用特征相同的全向阵元时，对同一信号 而言，各阵元输出响应之间将只有相位差异，没有幅度差异。这里以均匀线阵 u l a 为例。考虑一个如图所示的均匀线阵。 图2 5 均匀线阵 一 = o ( f = 1 ，2 ，3 ，4 ；j = 1 , 2 ，3 ，4 ；i ) ( 4 8 ) 只陟= 0 ( n k , q = l ，2 ，3 ，4 ) ( 4 - 9 ) ( 4 1 0 ) 其中，式( 4 8 ) 的约束条件是为了保证对期望用户形成多个互不相关的信 道，以实现q o s t b c 的分集增益：式( 4 9 ) 的约束条件在其他用户波束方向形 成“零陷，以消除其他用户的干扰；式( 4 1 0 ) 的约束条件是为了保证基站端 对每个用户的发射信号的功率固定，这里均归一化为1 。那么现在的任务就是设 计最佳加权矢量哌- ( 七= 1 ，k ；q = l ，2 ，3 ，4 ) 使得用户间干扰在发送端被消除，同 时保证最大信干噪比s i n r 。 4 2 2 理论推导 本方案的基本思想是：将每个用户的阵列加权矢量等效为两个子加权矢量 卷积复合的形式，一个子加权矢量在期望用户方向上形成“主波束”，而在其他 用户方向上形成“零陷 ，这个子加权矢量就将多用户m i m o 通信链路转换为无 干扰的点对点m i m o 通信链路；另一个子加权矢量则在此基础上保持多个信道 互不相关，以实现准正交空时分组码的分集增益。本节将从理论上证明此方案 的可行性。 这里将加权矢量昭分解为两个子加权矢量卷积复合的形式： 昭= w ”, q 幸 ( 4 - 1 1 ) 其中，+ 表示求两个向量的卷积和，即设： x x 0 x 1 ，x 肼。1 】 ( 4 - 1 2 ) 】，= 【少o ，y 1 ，y ”1 】 ( 4 1 3 ) 则： = 昭 p哗 。科 武汉理工大学硕士学位论文 r e + v - - 2 幸l ，) 7 = x l - k y u = o 1 r e + n - 2 ) ( 4 - 1 4 ) k = o w , q 表示第k 个用户的第q 个q o s t b c 输出的第1 个子加权向量，用来抑 制其他用户干扰，表示第k 个用户的第q 个q o s t b c 输出的第2 个子加权 向量，用来提供多个互不相关的信道。设： a , ( o d = 1 ，p p 咖b ，e 7 鸭一1 弦咖嚷】r ( 4 - 1 5 ) 则： 口2 ( 皖) = 【l ，e j a m e k , , e j 一1 石血b 】r ( 4 - 1 6 ) ( 矿 k q l ) h o l ( o k ) ：篁屹p 似由& ( 4 - 1 7 ) ( ) 胃口2 ( 嚷) ：窆以夕弦血嚷( 4 - 1 8 ) 呀 ，： 幸 ，：码妻( 略m ，：) ( ，：o ，1 ，2 ，铂+ 他一2 ) (