（通信与信息系统专业论文）空时编码技术及其与复数旋转码的结合研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 未来无线通信系统要求更高的通信质量和传输速率，这使得人们努力开 发更有效的编码、调制和信号处理技术来提高无线通信的质量和频谱效率。 空时编码技术是近几年来在通信领域新兴的研究方向，它将信道编码技术和 天线分集技术相结合，在不牺牲带宽的情况下，大幅度增加了无线通信系统 的信息容量和传输速率，并且能够提供远高于传统单天线系统的频带利用率， 对实现高速可靠的无线数据通信提供了一条新的解决途径。 本论文的主要工作如下： 1 介绍了无线衰落信道模型及与空时编码技术密切相关的发射分集技 术，同时介绍了空时编码的系统模型，并对不同的空时编码方案进行 了性能比较； 2 详细阐述了分层空时编码的编码方法，并对垂直分层空时编码在原译 码算法的基础上提出了一种改进的译码算法，通过仿真曲线比较了原 译码算法和改进后的译码算法的性能； 3 深入研究了正交和准正交空时分组编码的编译码算法，针对准正交空 时分组编码译码较复杂的特点，引入分层空时编码的译码思想，提出 了采用线性译码方案对其译码，通过仿真比较了不同译码算法的性 能： 4 针对空时编码技术缺少编码增益的问题，提出了将复数旋转码与空时 编码技术相结合来提高系统的性能。对于分层空时编码和空时分组编 码分别给出了不同的结合方案，最后对不同的结合方案进行了性能仿 真和比较。 关键词：多输入多输出；发射分集：分层空时编码；空时分组编码；复 数旋转码 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1i 页 a b s tr a c t f u t u r ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sd e m a n df o rh i g h e r c o m m u n i c a t i o nq u a l i t ya n dd a t ar a t e ，w h i c hm a k e sp e o p l ed e v e l o pm o r e e f f e c t i v et e c h n o l o g yo fc o d i n g ，m o d e m ，a n ds i g n a lp r o c e s st oi m p r o v e q u a l i t ya n ds p e c t r u me f f i c i e n c y t h et e c h n i q u eo fs p a c e t i m ec o d i n g h a sb e e na d v a n c i n gd r a s t i c a l l yi nr e c e n ty e a r s i tc o m b i n e st h e t e c h n i q u eo fc h a n n e lc o d i n ga n da r r a yd i v e r s i t ya n dc a ni n c r e a s et h e i n f o r m a t i o nc a p a c i t ya n dd a t ar a t eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s w i t h o u tt h el o s so fb a n d w i d t h ，a l s oi tcani m p r o v et h eb a n d w i d t h e f f i c i e n c yo ft r a d i t i o n a ls i n g l e a n t e n n as y s t e m s t h i st e c h n i q u ei s i n t e n d e dt op r o v i d en e ws o l u t i o n st ot h ep r o b l e mo fl i m i t e db a n d w i d t h t h em a i np o i n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 i n t r o d u c et h ew i r e l e s sf a d i n gc h a n n e lm o d e la n dt r a n s m i t d i v e r s i t yt e c h n i q u ew h i c hh a sc o n s a n g u i n e o u sr e l a t i o n s h i pt o s p a c e t i m ec o d i n gt e c h n i q u e ，t h em o d e lo fs p a c e t i m ec o d i n g s y s t e mi sg i v e no u ta n dt h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tc o d i n g m e t h o d sa r ec o m p a r e d ； 2 r e v i e ws e v e r a le n c o d i n gm e t h o d sf o rl a y e r e ds p a c e t i m ec o d e s a n dp r e s e n ta ni m p r o v e dd e c o d i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h eo l d d e c o d i n ga l g o r i t h m ，l a s tc o m p a r et h ep e r f o r m a n c eo ft h e m t h r o u g hp e r f o r m a n c es i m u l a t i o n s ： 3 s t u d yt h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n ga l g o r i t h m so fo r t h o g o n a la n d q 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 kc o d e si nd e t a i l ，c o n s i d e r t h ed e c o d i n ga l g o r i t h mo fq 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 sa r ea1 it t l ec o m p l e x ，w eu s e1i n e a rd e c o d i n ga l g o r i t h m t or e d u c et h ed e c o d i n gc o m p l e x i t y ： 4 p r e s e n tan e ws c h e m eo fc o m b i n ec o m p l e x r o t a r yc o d e sa n d s p a c e t i m ec o d e st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m sb a s e d o nt h el a c ko fe n c o d i n gp l u so fs p a c e t i m ec o d i n gt e c h n i q u e 西南交通大学硕士研究生学位论文第| il 页 d i f f e r e n tc o m b i n a t i o np r o j e c t sa n dp e r f o r m a n c es i m u l a t i o n s a r eg i v e no u t k e yw o r d s ：m i m o ：t r a n s m i td i v e r s i t y ：l a y e r e ds p a c e t i m ec o d e s p a c e ti m eb l o c kc o d e ：c o m p l e x r o t a r yc e d e s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 本章我们将首先回顾无线移动通信技术的发展过程，并介绍未来无线通 信领域可能采用的新技术，接着讨论m i m o 技术及其发展现状，最后给出本 论文的内容和主要工作。 1 1 无线移动通信的发展概述 现代无线通信起源于1 9 世纪h e r t z 的电磁波辐射试验，真正的移动通 信技术的发展应从2 0 世纪2 0 年代开始，随着电磁理论的产生和完善以及电 子管和晶体管技术的日益成熟，无线通信技术特别是移动通信技术得到了长 足的发展。移动通信技术的发展使得人类实现个人通信的梦想正一步步变成 现实，它给人类的社会生活带来了极其深远的影响。 回顾移动通信技术的发展，可以分为以下3 个阶段 1 1 1 2 ： 1 第一代模拟蜂窝移动通信系统( 1 g ) 1 9 7 1 年1 2 月，b e l l 公司向美国联邦通信委员会提出了蜂窝移动通信系 统h c m t s ，这标志着第一代无线通信系统正式诞生。蜂窝移动通信系统主要 采用模拟电子技术，f m 调制和f d m a 多址技术，主要用于传输单一的语音信 号。它的出现改善了大容量需求与有限频谱资源之间的矛盾。典型的系统有 美国的高级移动电话系统( a m p s ) ，以及英国的全接入通信系统( t a c s ) 。第 一代无线通信系统虽然改善了需求与有限资源之间的矛盾，但是其频谱利用 率低，保密性差，且提供的业务比较单一，难以适应用户的数字业务需求。 因此从上世纪八十年代开始，欧美国家开始进行第二代移动通信系统的研究。 2 第二代数字移动通信系统( 2 g ) 与第一代模拟蜂窝移动通信系统相比，第二代数字移动通信系统具有保 密性强，频谱利用率高，标准化程度高，并且能够提供丰富的业务等特点， 数字移动通信系统的出现使得移动通信得到了空前的发展。2 g 系统主要有欧 洲的g s m ，美国的d a m p s 和c d m a ，日本的p d c 。目前国内广泛应用的是欧洲 的g s m 系统以及北美的窄带c d m a 系统。1 9 9 0 年，e t s i 制定出了g s m 系统的 规范并于1 9 9 2 年正式投入商用，g s m 系统标准化程度高，接口开放的特点使 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 得其在数年时间内就赢得了相当大的市场份额；相比而言，窄带c d i j i a 系统则 是1 9 9 5 年才正式投入商用，由于技术成熟较晚，标准化程度较低，其市场规 模远不如g s m 系统。与第一代模拟蜂窝移动通信系统相比，第二代数字移动 通信系统采用了微蜂窝小区结构及数字化技术，提高了频谱利用率和用户容 量，降低了开发成本，并且能提供更有效的管理和更优质的服务。随着频率 资源的日益紧张以及人们对系统传输能力要求的提高，几千比特每秒的数据 传输能力已经不能满足高速数据传输的要求，在此情况下，9 0 年代中期出现 了第2 5 代移动通信( 2 5 g ) 技术，其代表有g p r s 系统，h s c s d 系统和e d g e 系统。2 5 g 技术的出现，为向第三代移动通信技术过渡奠定了坚实的基础。 3 第三代移动通信系统( 3 g ) 为了适应移动数据、移动计算及移动多媒体的需要，9 0 年代i t u 以全球 通用，综合业务作为基本出发点，大力组织研究作为第三代的未来公众移动 通信系统。在1 9 9 9 年1 0 月2 5 日至1 1 月5 日芬兰赫尔辛基召开的i t u - r t g s i 第1 8 次会议上，共有5 类r t f 技术标准6 种方案成为最终结果，其中以欧洲 的w c d m a 及美国的c d m a 2 0 0 0 两个提案最具竞争力，中国自主研发的t d s c d m a 方案也成为其中之一。与第二代移动通信系统相比，第三代移动通信系统将 是一个在全球范围内覆盖和使用的系统，它能在2 g 提供的话音数据的基础 上，提供从话音分组数据到多媒体业务。i t u 规定的第三代移动通信无线传 输技术的最低要求中，必须满足在以下三个环境的三种要求：快速移动环境， 最高速率达1 4 4 k b i t s ；室外到室内或步行环境，最高速率达3 8 4 k b i t s ；室 内环境，最高速率达2 m b i t s 。目前，日本的n t t d o c o m o ( 采用w c d m a ) 等公司 已经开始提供3 g 服务，它可以提供前两代产品不能提供的如高速数据，电视 图像传输等各种宽带信息业务，其传输速率高达2 m b s ，带宽可达5 删z 以上。 虽然目前我国的3 g 服务标准还未正式颁布，但是其高频谱效率，高服务质量， 低成本及高保密性等优势必将很快取代目前的第二代数字移动通信系统。 1 2 未来无线通信领域的新技术 1 2 4 g 的定义和特征 虽然目前第三代移动通信( 3 g ) 的各种标准和规范已达成协议，并已开 始商用，但是3 g 系统尚有很多需要改进的地方。因此在3 g 系统还没有在全 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 球全面铺开的现在，4 g 的研究已经开始了好几年了。4 g 网络为宽带接入和分 布网络，具有非对称的超过2 m b s 的数据传输能力。它包括宽带无线接入， 宽带无线局域网，移动宽带系统和互操作的广播网络。其主要技术指标有例： ( 1 ) 数据速率从2 m b s 提高到l o o m b s ，移动速率从步行到车速，甚至更快： ( 2 ) 满足3 g 不能达到在覆盖范围、通信质量、系统造价上支持的高速数据和 高分辨率多媒体服务的需要。宽带局域网应能与宽带综合业务数据网和异步 传送模式兼容，实现宽带多媒体通信，形成综合宽带通信网；( 3 ) 对全速移动 用户能够提供1 5 0 m b s 的高质量的影像等多媒体业务。4 g 网络将基于多层蜂 窝结构，通过多个空中接口，由多个业务提供者和众多网络运行者，提供多 媒体业务，并且通过各种接入技术，实现在各种网络系统平台间的无缝连接。 与传统的通信技术相比，4 g 通信具有以下特征【4 】【5 】：( 1 ) 通信速度更快， 第四代移动通信系统的速度可以达到l o m 2 0 m b p s ，最高可以达到1 0 0 i v l b p s ； ( 2 ) 网络频谱带宽更宽，每个4 g 信道将占有1 0 0 m h z 的频谱，这相 当于目前3 g 网络的2 0 倍；( 3 ) 网络设备的智能化、小型化，4 g 手机将可 以实现许多难以想象的功能；( 4 ) 移动网络的综合化、全球化、个人化，并 且能够彻底实现各种网络的融合；( 5 ) 实现更高质量的多媒体通信，4 g 通 信将提供包括语音、数据、影像等服务；( 6 ) 通信费用更加便宜，由于4 g 很好的解决了与3 g 的兼容问题，因此目前的3 g 用户能够轻易的升级到4 g 通信，这样一来有效地降低了运营成本。目前，国际上通信技术发达的国家 已经开始着手研制4 g 的标准和产品。美国的a t & t 公司已经在实验室中研究 4 g 技术，目的是提高无线移动设备访问因特网的速率；日本的n t t d o c o m o 公 司也表示4 g 通信的试验网络已经部署完成，其网络的下载速度可以达到 l o o m b p s ；瑞典的爱立信公司也宣布已开始着手研制4 g 系统，该公司预计4 g 系统将在2 0 1 0 年左右正式投入运营。目前我国对4 g 技术的研究工作也已经 正式列入8 6 3 项目，并且与国外展开了广泛的合作，实现与国际同步发展， 以期对国际主流核心技术的发展以及知识产权的形成做出积极的贡献。 1 2 24 g 中的新技术 1 正交频分复用( o f d m ) 技术 o f d m 技术6 1 是一种无线环境下的高速传输技术，它有效地利用了宝贵的 频率资源，同时克服了高速数据在无线信道下的多径衰落，降低了噪声和多 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 径干扰，在众多技术中脱颖而出。o f d m 技术的主要思想就是在频域内将给定 的非平坦信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波并且各 子载波并行传输。这样一来，尽管总的无线信道是非平坦的频率选择性信道， 但是每个子信道是相对平坦的，并且在每个子信道上信号带宽小于信道的相 应带宽，因此大大消除了信号波形间的干扰。此外，通过在o f d m 中添加循环 前缀还可增加其抗多径衰落的能力。由于o f d m 技术能够克服d s - c d m a 在支持 高速率数据传输时符号间干扰增大的问题，并且有频谱效率高，硬件实施简单 等优点，因此被看作是下一代移动通信系统中的关键技术，其良好的性能使其 已在h d s l 、a d s l 、无线局域网以及无线城域网等领域得到了广泛的应用。目 前o f d m 技术的主要难点有相对大的峰值对平均功率比( p a p r ) 会降低射频放 大器的效率，多载频系统对频率位移和相位噪声敏感，收发双方间的频率抖 动和多普勒频移会引起互载频干扰( i c i ) ，降低系统的性能等，这些缺点限 制了o f d m 技术的应用。 2 智能天线( s a ) 技术 智能天线 7 1 原名自适应天线阵列，最初应用于雷达、声纳等军事方面， 主要用来完成空间滤波和定位。由于其具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数 字波束调节等智能功能，因此被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线 技术利用天线阵的波束赋形产生多个独立的波束，并能自适应地调整波束方 向来跟踪每一位用户，达到提高信号干扰噪声比，增加系统容量的目的。智 能天线由天线阵列、波束形成网络、波束形成算法3 部分组成。目前，智能 天线的工作方式主要有两种：全自适应方式和预多波束方式。根据其工作方 式又可将智能天线系统划分为全自适应阵列系统和预多波束系统。全自适应 智能天线虽然从理论上讲可以达到最优，但相对而言算法所需的数据计算量 大，并且信道模型简单，收敛速度较慢，在某些情况下甚至可能出现错误收 敛等缺点，在实际信道条件下当信道快速时变时，很难对某一用户进行实时 跟踪。预多波束方式则是在全空域被一些预先计算好的波束分割覆盖，各组 权值对应的波束有不同的主瓣指向，相邻波束的主瓣间通常会有一些重叠， 接收时的主要任务是挑选一个( 也有可能是几个，但需合并后再输出) 作为 工作模式，与全自适应方式相比它更容易实现。智能天线技术虽然能自适应 地调整波束方向，但是由于存在多径效应，其每个天线均需一个多径分集接 收机，这样一来提高了基带处理单元的复杂度。 3 软件无线电技术 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 软件无线电技术【7 j 是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬 件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开 放式结构的新技术，它是解决移动终端在不同系统中工作的关键技术。软件 无线电技术的思想是在尽可能靠近天线的地方进行宽带a d 和d a 变换， 然后用高速数字信号处理器( d s p ) 进行软件处理，以实现尽可能多的无线通 信功能。目前，软件无线电技术虽然实现了基本的功能，但是其传统的流水 线式结构严重影响了设备可配置功能和设备的可扩展性，如何用d s p 和软件 在公共硬件平台上解决各种不同制式的无线接口已成为很多公司研究的主要 课题。 4 联合检测技术 常见的多用户检测的方法有最大似然检测( m l ) 方法，解相关方法和最 小均方误差( 删s e ) 方法，它们都面临着远近效应、异步问题、多径效应等问 题。于是在此基础上人们提出了多用户联合检测技术【8 】，即同时使用均衡技 术来消除符号间干扰和码间干扰。传统的均衡技术需要用户发送训练序列， 增加了信道的开销，盲信道均衡以及盲识别技术的出现很好的解决了这个问 题。在信道的盲均衡中，用户无需发送训练序列，这时接收端只知道输出信 号及输入信号的一些统计信息。目前国际上已经提出了很多的盲均衡算法， 但是这些算法的运算速度慢且很难收敛，研究更好的盲均衡算法成为当今通 信领域研究的热点。多用户联合检测技术的出现，弥补了传统多用户检测方 法的缺陷，有效的克服了传播路径损耗、阴影效应和快衰落现象。 1 3 m 0 技术及其发展现状 多入多出( m i m o ) 技术例由来已久，在2 0 世纪7 0 年代就有人提出将多入 多出技术用于通信系统。在9 0 年代中期，美国的贝尔实验室提出了以引入空 域处理技术的m i m 0 技术为代表的多天线通信系统，并就其编码技术方案及信 号处理技术进行了全面的阐述。此后，m i m 0 技术成为通信工业界和学术界共 同的热点，并取得了迅猛的发展。m i m o 系统利用多天线来抑制信道衰落，利 用内在信道的并行性在提高整个系统容量的同时，提高系统的性能。m i m o 技 术的实质是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，空间复用技术可以大 大提高信道容量，而空间分集技术可以提高信道的可靠性，降低信道的误码 率。利用m i m o 技术在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 成倍地提高，因此它是未来无线通信系统中必须采用的关键技术。 目前，各国学者对于m i m o 系统理论，性能及算法正进行着广泛的研 究。但是由于无线移动通信m i m o 信道是一个时变，非平稳的多入多出系统， 尚有大量问题需要研究。比如文献中大多假定信道为准静态平坦瑞利衰落信 道，这对于宽带信号的4 g 系统及室外快速移动系统来说都是不准确的，因 此必须采用更为复杂的信道模型进行研究。文献 1 0 中对信道为频率选择性 衰落和移动台快速移动时的情况进行了研究。再有，大多数文献中均假定接 收机精确已知多径信道参数，为此，必须发送训练序列对接收机进行训练。 但是若移动台移动速度过快就使得训练时间太短，这样快速信道估计或盲处 理就成为重要的研究内容。另外，为了克服无线信道多径传播带来的码间串 扰( i s i ) ，将m i m o 与o f d m 技术相结合也是一个非常有前景的研究方向。 最后，发射和接收天线的形状，天线间的距离，接收信号的角度扩散，天线 的极化等等都是需要考虑的问题。凭借在提高系统频谱利用率方面的卓越表 现，多如多出( m o ) 技术将成为未来无线通信系统中实现高数据传输速 率，提高传输质量的重要途径。 1 4 本文的主要工作 本论文的主要内容如下： 第2 章介绍了无线衰落信道模型，以及无线通信中的发射分集技术，然 后分别介绍了分层空时编码，空时网格编码和空时分组编码的研究概况，性 能比较及其在未来无线通信系统中的应用。 第3 章研究了分层空时码的编译码过程，详细讨论了垂直分层空时码的 最大似然译码算法和判决反馈均衡译码算法，然后基于两者提出了一种改进 的译码算法，最后分别进行了仿真分析。 第4 章对空时分组编码技术进行了详细研究，首先给出了a l a m o u t i 发射 分集方案，然后分别介绍了正交和准正交空时分组编码的编译码方案，提出 了准正交空时分组编码的线性译码方案，最后给出了其性能仿真曲线。 第5 章介绍了复数旋转码的编码译码算法，提出了将空时编码与复数旋 转码相结合来提高系统的性能，并且采用不同的结合方式，最后通过仿真对 不同方案的性能进行了比较。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章空时编码与分集技术 空时编码技术作为一种高带宽和抗衰落的通信发射分集技术，在无线通 信系统尤其是未来的高速无线通信系统中有着广阔的应用前景。本章首先讨 论了无线通信中的衰落信道模型和分集技术，然后简单介绍了常见的三种空 时编码技术，为后面详细介绍分层空时编码和空时分组编码技术做了铺垫。 2 1 无线衰落信道模型 在无线通信环境中，周围物体如房屋，建筑等会对无线电波起到反射作 用，这样就产生了幅度衰减和相位延迟的反射波。在发射端发射出一个调制 信号后，该发射信号的多个反射波会从不同方向经过不同传播延迟到达接收 端。这些反射信号经过空中各处的接收机天线接收后，根据其随机相位的不 同，对接收信号会起到增强或减弱的作用。这些多径分量的和就形成了一个 空间变化的电磁波场。因此，移动单元在这个多径场中移动时就可能接收到 幅度和相位都剧烈变化的信号。这种由于信道的时变多径特性引起的接收信 号幅度上的波动称为信号衰落。 由于发射机和接收机之间的相对运动，每个多径波的频率都会发生定 的偏移。这种由相对运动引起的接收信号的频率偏移称为多普勒频移。频率 偏移与移动单元的运动速度成正比。假设只发射个频率为f 的单音信号， 接收信号也只由一个和运动方向成夹角p 的波组成。则接收信号的多普勒频 移厶可以表示为： 厶：盟c o s 口 ( 2 1 ) c 式中v 是车辆运动的速度，c 是光的传播速度。多径传播时延环境中的多 普勒频移扩展了多径信号的带宽v ，变化范围是五厶。，其中以。是最大 多普勒频移，也就是上式中c o s 9 为1 时的值。最大多普勒频移也被称作最大 衰落速率。单频发射信号由于多普勒频移会引起接收信号的频谱宽度非零， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 这种现象称为信道的频率色散。 如果发射信号占据的带宽小于信道的相干带宽( 信道衰落过程中相关的 频率范围) ，也就是说发射信号的所有频谱成份在相干带宽范围内具有相同的 衰减，这种衰落就称为平坦衰落或频率非选择性衰落【1 1 1 。反之，如果发射信 号的带宽大于信道的相干带宽，则频率间隔大于相干带宽的发射信号的频谱 成分是独立衰落的。由于各种频谱成分之间的关系与发射信号不同，因此接 收信号的频谱会有失真，这种衰落称为频率选择性衰落。根据发送信号与信 道变化快慢程度的比较，信道可以分为快衰落信道和慢衰落信道。在快衰落 信道中，信道冲激响应在符号周期内变化很快，即信道的相干时间小于发送 信号的信号周期。而在慢衰落信道中，信道冲激响应变化率远远低于基带信 号变化率，因此可在一个或若干个带宽倒数的间隔内，假设信道为静态信道。 移动台的移动速度及基带信号发送速率决定了信号是经历快衰落还是慢衰 落。 根据衰落信号幅度所服从的不同分布，可以建立的无线信道模型有高斯 信道，瑞利信道，赖斯信道和n a k a g a m i 信道，这里我们简单介绍瑞利信道模 型。 在陆地无线信道中，假设直射波被阻断，并且移动单元只能接收到反射 波。根据中心极限定理，当反射波的数量比较大时，接收信号的两个正交分 量是均值为0 ，方差为盯：的互不相关的高斯随机过程。因此，任意时刻的接 收信号的包络服从瑞利分布，相位服从一石疗的均匀分布。瑞利分布的概率 密度函数为： 刖：岛唧卜匀脏。 沼：， l o ，x 0 瑞利分布随机变量的均值和方差分别表示为； f 石 m ，。、亍t 7 s 仃：= ( 2 - - 。q - ) 吒2 厶 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 无线通信中的分集技术 我们知道衰落是影响通信传输质量的一个主要因素，在无线通信中广泛 使用了分集技术来减小多径衰落的影响，在不增加发射功率或牺牲通信带宽 的情况下提高传输的可靠性。分集技术的基本原理是通过多个信道接收到承 载相同信息的多个副本，由于这些信道的传输特性不同，信号多个副本的衰 落也不相同，接收机使用这多个副本包含的信息能比较准确地恢复出原发送 的信号。分集技术有两重含义：一是分散传输，使接收机能获得多个统计独 立的，携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即把接收机收到的多个统 计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响，改善系统的性能。 分集技术从广义上分为宏分集和微分集【l2 1 。宏分集是一种减少慢衰落影 响的分集技术，主要用于蜂窝移动通信系统中。它将多个基站设置在不同的 地理位置上和不同的方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信，只要各 个方向上的传播信号不是同时受到阴影效应或是地形的影响而出现严重的慢 衰落，就能够保证通信不会中断。微分集是种减小快衰落的分集技术，根 据获得独立路径信号方法的不同可以分为时间分集、频率分集、空间分集、 极化分集和角度分集l l w 。 1 时间分集利用时间间隔大于相干时间的两个样点互不相关的原理，用 大于相干时间的间隔重复发送信号，在接收端独立地分集多路信号。 在移动通信中，一般使用差错控制编码结合交织技术来实现时间分 集。时间分集在快衰落环境中比较有效，而在慢衰落环境中实现起来 比较困难。由于在时间域上引入了冗余，系统的带宽利用率受到了损 失。 2 频率分集将信号分别调制到不同的载波频率上发送，当两个载波频率 的间隔大于信道相关带宽时，则在接收端收到信号的衰落是不相关 的。但是如果信号的时延扩展在码元周期中占的比例很小，将无法产 生频率分集。和时间分集一样，由于频率域上引入了冗余，频率分集 也使系统的带宽利用率受到了损失。 3 空间分集也称为天线分集，就是采用多个天线发射和接收数据。在任 意两个不同位置接收同一个信号，只要两个位置的距离足够大，则两 个位置所接收的信号的衰落是不相关的。对空间分集而言，分集的支 路数越大，分集的效果就越好，但是相应的复杂度也相应增加，并且 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 分集增益也变得缓慢。空间分集不会带来带宽利用率的损失，在保证 数据速率的同时获得极大的分集增益，这一特性对未来的高速无线数 据通信是很有吸引力的。 极化分集和角度分集是空间分集的两个示例。极化分集通过两个不同的 极化天线发射，然后移动单元通过两个极化天线接收的垂直和水平极化分量 产生两个不相关的衰落信号。角度分集使电波通过几个不同的路径，并以不 同的角度到达接收机，而接收机利用多个方向性尖锐的接收天线分离出不同 方向来的信号分量，由这些信号分量之间的独立性来实现分集效果。 在以上所列的分集方式中，以空间分集、时间分集和频率分集方式应用 较为广泛。 同样，也可以按照接收端使用的合并方法的类型对分集技术进行分类 e 1 3 。根据接收端实现的复杂性和合并方法所需的信道状态信息量，可阻分为 选择合并、切换合并、等增益合并( e g c ) 和最大比合并( m r c ) 。 1 选择合并在多路接收信号中，选择信噪比最高的支路的信号作为输出 信号。 2 切换合并与选择合并类似，但它不是总采用信号最好的支路，而是以 一个固定顺序扫描多个支路直到发现某一支路的信号超过了预置的 闽值，选中这路信号并送至接收机，一旦这路信号降低至阈值之下， 则扫描过程将重新开始。与选择合并相比，切换合并的抗衰落统计特 性较差，但是其实现非常容易。 3 等增益合并是把各支路信号进行同相后再迭加，各路的加权权重相 等，其性能只比最大比合并稍差一些，是一种次最优的合并方案。 4 最大比合并对多路信号进行同相加权合并，权重由各支路信号所对应 的信号功率与噪声功率的比值所决定，最大比合并的输出信噪比等于 各条支路的信噪比之和。最大比合并是最佳的抗衰落线性分集合并技 术。 近年来，随着d s p 技术的发展和成熟，国内外关于数字移动通信分集的 研究也十分活跃，提出了一些新的方法，其中主要有最小均方误差( m m s e ) 分集合并和最大似然( m l ) 估计分集合并等。这类研究的主要目的是发展新 的合并方法，使得接收端尽可能多地获得分集增益，而不需要较复杂的增益 调节或同相调整。 在使用多天线的无线通信系统中，分集方式根据分集效果实现的位置不 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 同，可分为发射分集和接收分集。接收分集是在接收端采用多个天线接收， 而在发射端采用单天线或多天线发射，关于接收分集的技术已经比较成熟， 而对于发射分集则是这几年新兴的研究方向。发射分集的基本思想是在发射 端采用多个天线共同发送一组信息序列，使各天线上的信号到达用户端时经 过独立的衰落，人为造成可区分的多径信号。研究表明，发射分集能够实现 与一幅天线发射多幅天线接收分集几乎一样的效益。发射分集大多用于下行 传输，由于下行传输的信道一般是未知的，加之移动端的体积和功率的限制， 很难在移动端设计多个天线来实现接收分集，所以分集的任务很自然的落在 了基站上。发射分集的研究成果对提高无线通信的信道容量、抑制干扰和噪 声都具有重要的现实意义。 目前，已有的发射分集技术主要分为以下三类 1 2 】【1 3 】： 1 反馈过程的发射分集。这一类的分集方式使用从接收端到发射端的隐 含或明显的反馈序列来对发射机进行配置。如时分双工系统，天线既 作为发射使用又作为接收使用，因此反馈过程是隐含的。 2 利用前馈或是采用训练序列的发射分集。在发射端，发射阵列采用线 性处理技术对信号进行发射；在接收端，采用线性处理技术或最大似 然译码技术对发射的信号进行重建，这种方案需要前馈的信号来对发 射机到接收机之间的信道进行估计。 3 盲发射分集。这一类的发射分集方式不需要反馈和前馈，而是利用多 天线发射阵列结合信道编码技术来产生分集。这种模式相对于前两种 模式的缺点是，由于采用了信道编码技术而导致了频带利用率的降 低。 2 3 空时编码技术 2 3 1 空时编码的系统模型 自从f o r s c h i n i 得出平坦衰落m 1 m o 信道的容量随发射天线和接收天线 数目中较小者线性增长的结论【1 4 】后，人们找到了一个有效的方法来增加无线 信道的数据传输速率，即采用适合多发射天线的编码技术。空时编码在信道 的输入端和输出端分别采用多天线，将信道编码技术和天线阵列技术相结合， 通过发射分集和接收分集提供高速率，高质量的数据传输。与不使用空时编 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 码的系统相比，空时编码可以在不牺牲带宽的情况下获得较高的编码增益， 进而提高了抗干扰和噪声的能力，在无线通信系统的下行传输中，空时编码 将移动端的设计负担转移到了基站，减轻了移动端的负担。 考虑一个在基站发射端有n ，根发射天线，用户接收端有n 。根接收天线的 空时编码通信系统，如图2 1 所示。 圈一 、 ， 图2 一l 空时编码通信系统模型 假设信道为平坦准静态衰落信道，在一帧三内保持恒定且各帧之间独立 变化。这里彬。( f = 1 , 2 ，蜥；，= 1 , 2 ，挖。；r = 1 , 2 ，工) 为发射天线i 到接收天 线，的路径增益。在发射端，信源信号首先通过空时编码器进行编码，编码 后被分成r l 路子数据流，每一路数据流作为一个脉冲形成器的输入，然后进 行调制再由发射天线同时发射。在每个时隙r ，信号( 江1 , 2 ，n ，) 经不同的 发射天线同时被发射，并且这些信号i 具有相同的持续时间r 。为了保证信号 星座点平均能量的归一化，用e 。对信号星座进行加权；在接收端，接收机对 接收到的信号做与发射机相反的处理，每一路接收天线都通过一个匹配滤波 器对其接收到的信号同时进行检测，所有n 。路匹配滤波器的输出形成一个检 测统计向量，其每一个元素均为经多入多出信道衰落后的n ，根发射信号与信 道噪声的线性叠加。在时刻t ，接收天线，的信号为： k 艺 + 叩? 式中为发射天线f 到接收天线，的信道衰落系数，服从独立的复高斯 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 随机变量，均值为0 ，方差为1 ：噪声叩? 是独立的高斯随机变量样本，均值 为0 ，每一维的方差为n 2 。 假设接收机的译码器使用最大似然算法估计发射信息序列，并且接收机 能获得多天线系统信道上理想的信道状态信息( c s i ) ；另一方面，发射机没有 关于信道的任何信息。在接收端，依据假定的接收序列和真实的接收序列之 间的平方欧几里德距离计算判决度量： 宝兰r - - 至蟛。彳 6 ) t i j ；i l - 1 译码器选择具有最小判决度量的码字作为输出。 2 3 2 空时编码技术的分类及性能比较 空时编码的工作最初起源于2 0 世纪9 0 年代初期s t a r t f o r d 的r a l e i g t h 和 c i o f f i 的工作以及瑞士a s c o m 的w i i t t n e b e n 。空时编码的模型最早是由美国 的l u c e n tb e l l 实验室提出的，并于1 9 9 6 年提出了在无线通信中用多元天线 阵列m e a 构造的分层空时结构，在此基础上他们开发出了b l a s t 试验系统 【1 5 】。1 9 9 8 年，美国4 r & r 实验室的v a h i dt a r o k h 在此启发下，首先提出空 时编码的概念，在该文献中用格状编码调制t c m 构造了一些分集度不高的空 时码，称为空时网格编码【i2 】。同年，s 朋a l a m o u t i 发现了一种简单的发射分 集技术【1 7 】，通过单接收机两路发送分集方案获得了与两路最大比接收合并相 同的分集阶数。1 9 9 9 年，v t a r o k n 等人在此基础上，结合正交方法设计了空 时分组编码【l ”。此后，在无线通信领域展开了空时编码技术研究的热潮。 概括起来空时编码技术大致可分为分层空时编码，空时网格编码和空时 分组编码。分层空时编码适用于发射天线和接收天线较多的情况，其频带利 用率随着发射天线的增加而线性增加，但是其抗衰落性能不是很好，同时要 求接收天线数大于等于发射天线数。空时网格编码以格型编码调制为基础， 综合考虑了编码增益和分集增益的影响，能够有效地抵抗衰落，抑制干扰和 噪声。空时网格编码的译码是利用v i t e r b i 算法完成的，其译码复杂度随传输 速率的增加指数增加。由于空时网格编码的编译码比较复杂，美国c a d e n c e 公 司的研究人员提出了一种基于正交设计的空时分组编码。虽然它的性能略差 于空时网格编码，但由于其构造容易，译码简单，很快引起了通信界的广泛 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 关注。空时分组编码最大的不足之处在于在获得最大分集增益的前提下它的 传输速率不能达到最大。 空时编码技术作为第三代移动通信抗衰落技术的最新发展动态，已经被 写入到了第三代蜂窝移动通信的标准以及无线本地环路应用中。第三代移动 通信系统中所采用的空时发射分集等发送分集方式就包含了空时编码的思 想，而空时分组编码和分层空时编码等空时编码方式在c d m a 中的应用方 案也相继提出。从目前的研究结果来看，空时编码是一种很具潜力的技术， 具有很好的应用前景。 2 4 本章小结 本章从无线衰落信道模型出发，介绍了无线通信中的分集技术，然后给 出了空时编码的系统模型，最后对常见的三种空时编码技术进行了简单的介 绍和性能比较，为后续章节详细介绍分层空时编码技术和空时分组编码技术 做了铺垫。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第3 章分层空时编码 前面提到m i m o 技术可以为系统提供复用增益，而分层空时编码正是基 于空间复用技术构造的。分层空时编码充分利用了无线信道多径传播的特点， 更适合于在传播路径较丰富的环境下使用。由于其编译码方案简单，而且是 目前唯的一种可以使频带利用率随着发送天线数线性增长的编码方式，因 此它是实现未来无线通信高速数据传输较好的解决方案之一，具有非常广阔 的应用前景。 3 1 分层空时编码系统模型 由b e l l 实验室提出的b l a s t 系统1 6 1 是分层空时编码的经典结构，如图 3 - 1 所示。 图3 - 1b l a s t 系统结构图 信源信号经多路分解器被分解成n 路长度相同的数据流，通过刀路并行 子编码器进行编码，这些编码器可以是二进制的卷积编码器，也可以不经过 任何编码直接输出。然后进行分层的空时编码，输出信号经过调制后，使用 发射天线阵列同时发送；在接收端，用多天线进行分集接收，信道参数通过 信道估计获得，由线性判决反馈均衡器实现分层判决反馈干扰抵消，然后进 行分层空时译码。 由图3 1 我们可以看出b l a s t 系统并不是在各发送信号之间引入正交关 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 系来实现其非相关性，而是充分利用无线信道的多径传播特性来达到区分信 号的目的，因此无线信道中的传播路径越多，系统性能越好。同时b l a s t 系 统的频带利用率高，它所能达到的频带利用率和传输速率是单天线系统无法 达到的。在文献【1 9 】中提到在准静态平坦瑞利衰落信道下，b l a s t 系统的传 输速率和天线数呈线性关系，其传输速率可以达到s h a n n o n 容量的9 0 。 3 2 编码算法 根据编码和调制输出符号映射到发射天线方法的不同以及编码的有无， 可以将分层空时编码分为3 类【1 9 】：水平分层空时编码( h b l a s t ) ，垂直分 层空时编码( v b l a s t ) 和对角分层空时编码( d b l a s t ) 。设在图3 1 中第 ，个子编码器在时刻f 的输出信号为c ( j = 1 , 2 ，h ) ，三种编码方式分别如图 所示： a + 。qa _ 1 科q + 至发射天线l c 三1 研c 三l c ? c ：+ 至发射天线2 c 嚣c 鲁1c ：c 嚣1 q g ，至发射天线n 时间轴 图3 - 2 水平分层结构空时编码 q eg 四q 一至发射天线l c 0 ，c 三。e + 。曰口q 一至发射天线2 c 是二1 c 三一1 c ：。一f i i - c 三一二i + 至发射天线n 时间轴 图3 - 3 垂直分层结构空时编码 嚷眩 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 - eg 瑶q 一至发射天线l c 三+ 。谚+ 。g 口科0 - 至发射天线2 c 三一d ，i 翟。o 。q f 0 0 至发射天线n 时间轴 图3 4 对角分层结构空时编码 从图3 2 图3 - 4 可以看出，这些分层码块被分散到时间和空间上，每个 子编码器输出的信号流经过不同的时间和空间到达接收天线。水平分层空时 编码器对多路子编码器的输出按照垂直方向进行空间编码；垂直分层空时编 码器对并行的子编码器的输出按照水平方向进行空间编码，即