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无线通信中的空时分组码研究 摘要 空时编码技术是近几年来在通信领域新兴的研究方向，它是一种 基于多天线发送和接收( m 0 1 系统的信道编码技术。它不仅可以实 现高频谱效率的无线传输，而且具有很强的抗多径衰落能力，从而能 够全面提高衰落信道的通信质量和通信系统容量。 目前提出的空时编码主要有分层空时编码、空时网格编码和空时 分组编码。其中，空时分组编码是将编码、调制和发射分集技术结合 起来的种新兴技术，它是改善无线通信性能、提高带限系统数据速 率的一种理想的选择。作为一种新兴的技术，空时分组码在性能上有 明显的优势，而且其编码和解码方法都比较简单，因此可以应用在很 多方面，其中之一就是可应用在8 0 2 1 6 d 宽带无线接入协议的o f d m 物理层中。 本论文详细研究，空时分组码特别是正交空时分组码的编解码 算法，正交空时分组码是3 g 及后3 g 宽带移动通信中的关键技术， 能克服无线信道的多径衰落，它的优点是编译码简单，且可得到满分 集增益。此外，文中还研究了i e e e8 0 2 1 6 d 协议中推荐的空时分组 编码方案，将8 0 2 1 6 d 的频率选择性慢衰落信道中o f d m 和空时分组 码相结合。由于实际无线信道是多径衰落信道，因此为了更好地提高 系统性能，本文对协议中的空时编码方案进行改进，提出将协议中所 提出的单接收机两天线发送分集的情况扩展到多发多收的情况。在多 发多收的情况下，本文根据实际需要构造合适的正交空时分组码，并 采用最大似然算法进行检测。通过仿真，对各种情况进行比较，表明 了改进方案的优势。 关键词：无线通信m i m 0 空时分组码8 0 2 1 6 d0 f d m r e s e a r c ho fs p a c e t i m eb l o c kc o d i n g i nw i r e l e s st e l e c o m m u n i c a 廿o n s a b s t r a c t r e c e n n ys p a c e t i m ec o d e s ，w h i c hi sac h a l l n e lc o d et e c h n 0 1 0 9 yt h a t b a s e so nm u l t i e l e m e n t sa n t e i l l l a ，h a sb e c o m ear i s i n gr e s e a r c hd i r e c t i o n i nc o m m u n j c a 石o nf i e l d s ，i tc a nn o to n l ys a t i s 母t h ew i r e l e s st r a n s f o m r e q u i r e m e m so f h i 曲髓q u e n c ye 伍c i e n c y ，b u ta l s oh a ss t r o n ga b i l 畸t o e x t e 丌 n i n a t em u l t i p a t h sf 甜i n g s oi tc a ng r e a t l yi m p r o v et h eq u a l i t yo f c o m l u n i c a t i o ns e i c e sa n ds y s t e mc a p a c i t yu n d e rm u l t i p a 廿1 sf a d i n g c h a n n e l n o wt h em a i nt h r e ek i n d so fs p a c e t i m ec o d i n gt h a th a v eb e e n p m p o s e da r el a y e r e ds p a c e t i m ec o d i n g ，s p a c e t i m et r e l l i sc o d i n g a n ds p a c e t i m eb l o c kc o d i n g t h e r ei m o ，s p a c e t i m eb l o c kc o d i n gi sa n e wt e c h n i q u et h a tc o m b i n e sc o d i n g ，m o d u l a t i o na n dt r a n s m i td i v e r s i t y i th a sb e e na ni d e a lc a n d i d a t ef o ri m p r o v i n gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n p e r f o m a n c e a n di n c r e a s i n gd a t ar a t e si n s y s t e m sw i t h b a n d w i d t h c o n s t r a i n t a sar i s i n gt e c h n o i o g y ，s t b ch a so b v i o u ss u p e r i o r i t yo n p e r f o 珊a n c ea n di t se n c o d i n ga n dd e c o d i n gi sr e l a t i v e l ys i m p l e s t b c c a nb e 印p l i e di nm a l l ya s p e c t s ，o n eo f w h i c hi st h a ti tc a nb ea p p l i e di n t h eo f d mp h y l a y e ro f 8 0 2 1 6 ap r o t o c 0 1 t h i st h e s i sd e t a i l e d l yr e s e a r c h e so ns t b c ，e s p e c i a l l yo nt h e e n c o d i n ga n dd e c o d i n ga r i d 】m e t i co f0 r t b o g o n a ls p a c e - t n n eb l o c kc o d e s ( o s t b c ) 0 s t b ci sak e yt e c h n o l o g yw h i c hi ss u i t a b l ef o rm t u r e3 g a n db e y o n d3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o nu n d e rw i r e l e s sm u l t i - p a t h sf a d i n g c h a i l n e l i th a ss i m p l ye n c o d ea n dd e c o d ea l g o r i t h ma n d 缸1 1d i v e r s i t y a n dt h es p a c e t i m ec o d i n gs c h e m et h a th a sb e e nr e c o m m e n d e di ni e e e 8 0 2 1 6 dp r o t o c o l i sr e s e a r c h e di nt l l i st h e s i st o o i nt h es c b 砌es t b ci s c o n l b i n e d 丽t h0 f d mi n 肌q u e n c ys e l e c t i v es l o wf a d i n gc h a n n e lo f 8 0 2 16 d b e c a u s em a n y 讯r e l e s sc h 枷n e l sa r em u l t i _ p a t hc h a n n e l si n p r a c t i c e ，i no r d e rt oa d v a n c em es y s t e mp e r f o h n a n c et h j st h e s i si m p r o v e s o nt h es p a c e t i m ec o d i n gs c h e m eo ft h ep r o t o c 0 1 1 nt h en e ws c h e m e m u l t i - o u t p u ta n dm u n i - i n p u ts c e n ei sp r o p o s e di n s t e a do ft w o o u t p u ta n d o n e i n p u ts c e n 。p r o p o s e di n8 0 2 1 6 d a p p r o p d a t e ( 瑚l o g o n a ls t b ci s c o n s t m c t e d 髓dm a x i 搬珏m l i k e l m o o da d 氇瑚e t i ci su s e d 洫t h en e w s c h 锄e a t1 a s t ，t h r o u g he m u l a t i o n ，t h cn e ws c h e m es h o w 8i t sa d v a n t a g e 1 ( e yw o r d s ：w i 糟l e s se o l n u n 至c 艇i o n ss t 8 e 泰矗l m oo f d m 8 0 2 1 6 d 独创性( 或创新性) 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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：尘兰鲎 日期： ! ! 型：! ：i 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权二；。 本人签名：堡鳖 r 期： 兰! 堂：! ：2 导师签名： l 二l b 日期：己生暖r l ；二互孑一 第一章绪论 2 1 世纪是一个信息时代，全球信息的产生和传递极其迅速，深刻影响了社 会的各个方面。随着社会的发展、经济的增长以及人们物质生活和精神生活水平 的迅速提高，我们也对通信提出了更新、更高的要求。因此，在信息支撑、市场 竞争和需求的共同作用下，移动通信技术得到了突飞猛进的发展。 1 1 空时编码技术的研究背景 随着数字信号处理、大规模集成电路和表面装贴工艺等技术的不断进步，从 二十世纪七r 年代开始，现代移动通信技术先后经历了第一代模拟通信系统、第 二代数字通信系统和即将商用的第j 代宽带数字通信系统，目前未来移动通信系 统一第四代移动通信系统的研究工作也已展开。 移动用户的高速增长及更高速率数据业务的需求推动了第三代移动通信系 统的发展，目前第三代移动通信有三个主流的标准，分别是欧洲提出的w c d m 九 美国提出的c d m a 2 0 0 0 和我国提出的t d s c d m a 。第三代移动通信系统以全世 界范围的个人通信和多媒体通信为目标，它是个支持多速率、多业务、宽频带 的系统，能够满足移动性、高比特率、可变业务等需求。与第二代移动通信系统 相比，第三代移动通信系统具有许多优点，如高频谱效率、高服务质量、低成本、 高保密性等。该系统能够为移动用户提供全球漫游、无缝覆盖的服务；能为移动 用户提供与固定网络相当的话音、非话音以及多媒体等多种速率的业务，最高传 输速率可达2 m b p s ，并且满足上行、f 行链路业务量不对称需求。 在移动通信的迅猛发展过程中，许多新的技术不断被研究和庶用，其中主要 有：新的编解码技术、r a k e 分集接收技术、功率控制技术、自适应调制技术、多 用户检测技术和多天线技术等。其中字时编码( s p a c e t i m ec o d i n g ) 技术d i 于具有抑 制干扰、抗衰落和提高系统容量等优点，正受到越来越多的关注。 理论上，抵抗信道衰落的晟好方法是进行功率控制，也就是如果发射端预先 知道信道条件，那么在发射的时候预先将信号变形来抵消衰落带来的影响。但是 这种方法需要发射端有较大的动态范围，另外发射端也不知道信道的条件，因此 在大多数散射环境中，是采用天线分集方法来抵抗信道衰落的。 传统的天线分集是在接收端( 移动台) 采用多根天线进行接收分集的，并采用 合并技术来获得好的信号质量，例如r a k e 接收机。但是由于移动台尺寸受限， 来焉接收天线分集技术较禹滩，蕊盈在移动台端进行接投分集代债离暴，增加了 耀户静澄备或奉。觚理论与安际应瘸中帮发糯褶两除数静发射分集与接收分集其 有相同的分集增益。因此为了适应下一代移动邋信的饔裳，只彝域她基站的复杂 度，在基站端采用发射分熊技术才是比较合逶静方法。 在第三代移动通信系统中，空时编码技术魁抗信道袭落和提高信道容墩的一 种最新编褥按术。它是或弼予无线通僚中的一种新的编粥和信号楚理技术，它籍 发射分集、信遵编礴技术及调翩技术脊梳的稽结台，采确这种技术以后，埘以大 幅度的提褒无线遴偿系统的僚息骞燕秘转瓣速率，势g 毒效抵撬多径衰落、季枣制 噪声帮干扰。远见年来，诲多极梅帮在硬究蒸予m 黻。天线系统的空对缡褥技 术。多天线和空时编码的结合，是空间资源利削技术的发展方向，可以认为是一 秭高级鹩分集技术。研究表明，空时编褥可以魁频谱瓤闲率得瓤箍著的提离。由 于其在宽带系统中可以实现非常高的数据佟输率，因此，空时编码技术被越来越 拳蛙或臻予提供离数据传输窭匏、监势( 铡螽疑凝会议) 釉宽荣无线傣道串的移动 计算。 。2 光线遥信中空时编磷技术鹣掰究现状 1 9 9 6 年，a j f o s c h 洲提出在无线通信中用多元天线阵f m e a ) 构造分层密时 结构，1 9 1 9 8 年v 甜娃dt a r 0 怂在此扁袋下，静兜提出空对编码概念i “。空时编码 可敬蒋多个发送天线的编码技术和接收端的信哿处理技术结合在起，能够褥到 擐高躲避赣，它是遣舍于多天线阵镑遂的一糕t 编码方案，空对练璐综台了空间分 囊秘对翘分集静优点，圜瓣撬供分集增薤帮编弱增益，臻有静姘究表碉，空时编 码能够获得远远毹于传统单天线系统的频带刹用率，为解决无线信邀的带觉阀题 提供了个新的解决方案。奎时编码_ 希j 用多天线阵提供的信道并行发送德怠，从 而提高系统传输速率，它簧解决的关键问题一方面是确定适合于多天线阵信邋的 教送码链簿痘该疑褥静特性；另一方衡是翔筒完威信怠滓到剜发送鹞翘阵的映 辩。 按照空时编码适用信遴环境的不婀，可以兽霉已考的空时编鹞穷寨分为溪大 豢；一类魁要求接收端能够臻确地馋计偿道姆性，包括分屡空对码、空时瓣播羁 和空时分组码；另类是不要求接收端进行佰道估计，如酉空时码”啪差分空时 分组弱1 7 j 。在快衮落或发射天线数目较多时，信道估计十分困难，所以第二类空 辩码耀膏警睁鹃成为现在的研究熟点。 毽它织鑫在跌下一些翘题震要瓣块： l 空对编鹦，翔 霉构造梭能更饿的鼯羁，势量馊接牧撬懿整杂疫降低 4 ( 2 ) 这些方案大都假设天线问是相互独立的，发射天线在不独立的情况下， 系统性能如何，还值得进一步研究； ( 3 】发射天线问的功率分配问题。发射分集与接收分集的主要区别之一在于 其功率需要在多个发射天线问进行合理分配，最优的功率分配算法值得进一步去 研究； ( 4 1 有的方法需要了解发射信道的性能参数，这就需要接收机的反馈信息。 如果反馈信息不准确或者有偏差，其性能如何还应当做进一步的研究。所以需要 研究不需要信道估计的盲空时码。 从目前的研究结果来看，空时编码是一种很具潜力的技术，有很好的应用前 景。空时编码体制己被纳入第三代移动通信( 3 g ) 的标准( i m t 2 0 0 0 标 准 一c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 之中，它还被建议用于无线本地环和广域无线 分组接入业务之中。根据这一现状，及时开展空时编码方面的研究，可以使我国 跟上国际发展的趋势，缩短和两方发达国家的差距，本文正是基于这一目的，对 空时编码技术做了一些具体的分析和研究。 1 3 本文内容安排 空时分组码是目前无线通信领域研究的前沿技术和热门课题，本文的主要工 作和内容安排如f ： 第1 章介绍了空时编码的背景和研究现状。 第2 章简要介绍无线信道的基本知识，通过分析无线信道的基本传播机制 对常见信道进行归类和分析：此外，也介绍了分集技术，特别是发射分集的相关 理论知识。 第3 章给出了m i m o 系统的基本原理、容量理论和传输方式，在此基础上 引入空时编码，分析了常见的空时码的编译码原理，其中包括分层空时码、空时 网格码，同时对这些不同的空时码进行了性能比较，并为后面分析空时分组码提 供了基础知l ! 。 第4 章本章主受研究了空时分组码特别是正变空时分组码的编解码算法， 对无线通信中的空时分组码进行了具体详尽的论述和分析，总结了t a m k h 、 a 1 a i n o u t i 和j a 蹦l a i l i 等人的研究成果并进行进一步的深入研究。然后从理论上 分析了瑞利慢衰落信道下空时分组码的性能，并且用m a 廿a b 仿真工具对在相同 信道环境而发射天线数不同的空时分组码的性能进行仿真及分析。 第5 章本章主要研究了空时分组码在8 0 2 1 6 d 协议中的应用。在i e e e 8 0 2 1 6 和8 0 2 1 6 d 协议般框架指导下，研究了i e e e 8 0 2 1 6 d 协议中推荐的空时分组编 弱方案，将s e 2 1 6 d 匏频率逸舞性慢寝落错遒中饼静m 和空时势维鹈耩缀合， 援据嚣要j c 孛渗议中瀚空辩缡褥方案进行了改避，褥秘议中所提氆静攀接收概两天 线发射分集的情况扩展到多发多收的情况。娥咸通过一系列仿真实现，将秘馕 况进行毙较，表明了改避方案的优势。 第6 章总结了前面的相关内容，讨论了空时分组码实际应用中的优点和不 是，措出了哥前关于空酎分缀码研究领域内的一些最新葫商和有祷解决的闽题。 2 1 无线信道 第二章无线信道和分集技术 信道是对无线通信中发送端和接收端之间的通路的一种形象比喻，对于无线 电波而言，它从发送端传送到接收端，其间并没有一个有形的连接，它的传播路 径也有可能不只一条，但是我们为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，我 们想象两者之间有。个看不见的道路衔接，把这条衔接通路称为无线信道。 对于移动通信系统而言，基站天线和移动台天线之间的传播路径为无线信 道，从某种意义上来说，对无线传播环境的研究就是对无线信道的研究，而在本 文中我们所涉及的无线信道主要是指移动信道。移动信道是一个非常复杂的动态 信道，其信道参数是时变的，因此我们必须首先分析和掌握信道的基本特点和实 质，然后才能针对存在的问题逐个对症下药，给出相应的技术解决方案。 2 1 1 无线信道的传输机制 在无线环境下进行高效通信是一件很有挑战性的事，尤其在城市进行无线通 信，想象设在高楼的基站与行人高度的手机通信，信号可能要经过许多的障碍物， 如大楼、街道、树和移动的汽车等。影响电磁波传播的主要传播机制大致可分为 四种： 1 1 直射：是在视距范围内无遮挡的传播的，这是超短波、微波的主要传输方 式，经直射波传播的信号最强； 2 1 反射：当电磁波遇到比波& 火得多的物体时发生反射，反射发生于地球表 面、建筑物和墙壁表面等，其信号强度较直射波弱； 3 ) 绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被较大的建筑物或j 【j 匠阻隔时发 生绕射。由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至于阻挡体的背面。当发射机 和接收机之间不存在视距路径，围绕阻挡体也产生波的弯曲。在高频波段，绕射 和反射一样，依赖于物体的形状，以及绕射点入射波的振幅、相位和极化情况， 其信号强度较直射波弱： 4 ) 散射：当信号遇到一个或多个较小的障碍物时，出现散射现象，即信号分 成了许多个随机方向的信号。散射在城市移动通信中是最重要的一种传播方式。 在实际的通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等会引发散射。信号经散射后很难 预测，因此理论皂的建模往往建立在统计分辑的基础上。局部散射模型l o e a l s c a 往e r i 雌m o d e l ) 就是基于逸一传播方式。 2 。l t 2 衰鞯镕灌豹势类 正如前面所说的那样，无线信道中电波的传播不是雎一路径来的，而是许多 路径来黪众多轰瓣波豹台裁。出予魄波遥过各个路程瓣距离不潮，强嚣各个籍弪 来的反射波到达时间不同，也就是各信号的时延不同。当发送端发送一个极窄的 脉冲信号时，移动螽接收鲍信号由许多不嗣时延的脓冲缀残，我稍稼为时建扩展。 同时由于各个路径来的反射波到达时问不同，相位也就不同。不间相位的多 个信号在接收端选加，有时迭加而加强( 方向相同) ，有时迭加而减弱( 方向相 反) 。这撵，蓑投信号蕊搦度将急测蹙话，帮产生了诀衰落。这肇孛衰落是由多径 引起的，所以称为多径衰落。 姥外，接收信号踩瞬e $ 僮出现恢衰落之癸，场强中镇( 平均镶) 也会爨理缓 慢变化。主要是出地区位置的改变以及气象条件变化造成的，以致电波的折射传 播随时间变化而变化，多径传播到达固定接收点的信号的时延随之变化。这种出 翻影效磁帮气象艇因引起的信号变纯，称为 显衰落。 而且，由于移动通信中移动台的移动性，如前所说那样，无线信道中还会有 多普勒效癍。在移动通信中，兰穆裁套移瘫基洼对，频率蔓蔫，逡离基菇时，频 率变低。我们在移动通信中要充分考虑”多普勒效应”。鼹然，由于日常生活中， 我们移动速度的局限，不可能会带来十分大的频率偏移，但是这不可否认越会给 移动通储带来影响，为了避免这种影响造成我们通信中的问题，我们不得不在技 术上加以各种考虑，这样也加大了移动通信的复杂性。 综主掰速，无线箍遭毽括了毫渡鹁多经传疆，靖建扩震，衰落特往戳及多普 勒效应，在移动通信中，我们要充分考虑这些特性以及解决的方案。 2 ，1 2 1 抉衰落 移动通信中最难克服的是快衰落引起的时变特性，它反映了微观小范围f 数 十波长以_ f 量级) 倍号接收电平平均值的起伏变化趋势。其电平幅度分布一般遵 鼠瑞零( r a y i 确魏分布、菜赫( r i c e ) 分布释纳卡伽米科威a g a 矗) 分布，由予其变 化速率比慢衰落快，故而称为快衰落。如果仔细划分，根据不同空间、不间频率 靼不厨融阉的衰落特毪懿不困，嵌衰落又可敬分荛：空瓣选择经衰落、频攀选择 性衰落和时间选择性衰落。下面对几种常见快衰落现象的原理及成因加以分析。 1 ) r a y l e i 曲衰落 在无线信遒孛，r a y l e - 幽分布蹩嚣觅的南于摇述平邈衰落信号或独立多径分 量接收包络统计时变特性的一种分布类型。两个正交的噪声信号之和的包络服从 r a y l e i g h 分布，它的概率密度函数( p d o 为： p ( r ) _ 考e x p ( 一寺) ，o 臼如 式( 2 _ 1 )p ( r ) = 口2 甲、2 盯2 ”一。式( 2 - 1 ) i o ， 编码器3 输d 垡、 图3 3v l s t 编码结构 g ，l | q tl 【g q r1r 厂 r g ：lq q | | q r r 。_ 。1r 】f 一。 g 。l q g |龟l 二 12 图3 4h l s t 编码结构 1 9 至发射天线l 令至发射天线2 弓 至发射天线3 i 磊 编码器l 编码器3 输出 输出 dn 夕 略 吆 编码器2编码器1 出出彦一 匿固圈圈一煳 吲懈一巨幽致帜缃 冈图阂网网陌皴舨缃 = = = = = = = = = = = 二= = = 二= = = = = = = = ：兰 32 1o 时间了 剖3 5d l s t 编码结构 对角分层空时码的性能较水平分层空时码优越，但复杂度高。水平分层空时 码和对角分层空时码最明显的区别在于它们的编码方式。对角分层空时码各子数 据流之间存在分组编码。这种编码方式导致很高的频谱利用率。而水平分层空时 码不存在子数据流之间的编码，只有通常的子数据流之内的编码，所以频谱利用 率较对角分层空时码低。 分层空时码具有以下特点【1 9 】： 1 ) n 根发射天线使用同一频带，符号同步，使用同样的星座图； 2 ) ”根天线上发射的信号对应的信源是不同的，故分层空时码不是基于发射 分集： 3 ) 发射单元天线的总功率恒定，与发射天线数n 无关； 4 ) 将单个高s n r 的信道分割成n 个干日互蓖叠的低s n r 信道，以此来达到提 高频谱效率的目的； 5 ) 各天线间距大约为半个波长，此时天线间的干扰较小可以认为各信道之间 的衰落特性是独立分布的： 6 ) 分层空时码的优点是当m h 时，可以证明系统容量与发射天线个数。近 似成正比： 7 ) 不同的收发天线之间信道增益不相关； 8 ) l s t 系统并不是在各发送信号之间引入正交关系来实现其不相关性，而 是充分j 5 4 用无线傣道的多镪传播特性米达到隧分同波道信号的暇的。对它来说， 无线倍道中静传播路径越多，系统性能越好。这是因为空间中转播路径较多时， 若系统收发天线位胃合适，每个收发天线对之间的信道特性会产生较大的差异， 这嚣在确定逵零灸量对戆谈差裁会辫低，簌蕊提高系统挂戆。 分层空时码的译码一般可采用类似于基于迫零( z f ：z e f of o r c i n g ) 和最小均方 误差聊m s e ：m 赫m u mm e a ns 蚪a r ee “o r ) 准则的检测舞法。峦予该检测冀法的 复杂度较高，所以研究新的分层空时谒的译码算法，尤熊是对角分层空时码的译 码是当今的研究方向之一。 3 2 2 空时网格码 基予发瓣分集酶空辩掰携鹑f s 联 ：s p * _ t m e 静穰运c o d 嘲2 蹙在延时分 集1 2 0 1 和多进制网格码调制( m t c m ) 的綦础上提出的，是继分层空时码之后的另一 罩中空时编码技术。空对延迟分集是摆鞭根发射天线同时发射同一蠖怠，倍感在透 过其中一粳天线时相对另一根有一个符号的时延，而延迟分集可看成空时网格码 的一个特例。空时网格码s 1 t c 把编码的调制结合起来，综合考虑了编码增益和 分集蹭薇麓藉桷，戆够达到编译码复杂凄、 ! ! 熊帮频带利壤率之间的最谴辑串， 是唯一的最佳码。 、空融霹接鹨的系统框强 图3 6 和3 7 分别给出了空时剐格码的发射和接收穰图。 二、空时网格码的实现 与v l s t 系统豹戳分鬃氆益抉欷最大频带 捐j 率的枕翻不瀚，s t l 疆部分 频带利用率为代价来换取最大分集增益。若莱用有2 6 个信号点的星座图，在保 涯最大分嶷瓒盏藏提fs t c c 可达到憋频带裂舞l 率最大为6 魏嚣，5 强矗，举再随 着天线数的增加耐增加，这是限制其应用的重溪因素之一；在译码方面，s t t c 的泽码复杂度随蛰分集r 和频带利用率6 呈指数增长，即使对于较小的r 幂珏6 ， 棵麻的译码复杂度电会狠夫，这是限制s t t 在实际通信系统中应用的另一一关键 因素；另外，s t t c 的编码设计也是一个难点。在状态数较大的情况下，编码的 播盈澄诗 分圈滚，嚣蔚多穰诗算税搜索来完藏。上述_ 三三个润题燕s t t e 磷究中 的重要问题。 s 吖c 鲍抗衰落性能比较好：当采用两个发魅天线、一个接收天线时，若椟 错误概率为o 1 ，为达到2 拼括s ，z 矗的频带利用率，采用6 4 状态的4 p s k 调制所 需信噪比为6 2 d b ，理论值是4 5 d b 发右，二者相差仅为1 7 d b 四。 豫了在每一秧的开始与结尾编码器应该楚予零状态，蕊格空铡鹦静缡磷报筒 单。在任何一个时刻根据输入的符号和编码器的上一状态，就能确定将要使用的 网格图的传送分支。如果在相同时刻发送码符号为吼1 吼z ，那么发送天线f 用 于发送星座图上的码符号g ，f _ 1 ，2 ，n ，而且所有天线的发送是同时进行的。 图3 6 空时网格码发射端系统框图 空时向量 维特比解码 图3 7 空时网格码接收端系统框图 空时网格码的编码结构与卷积格形码的结构类似，其核心部分是一个状态编 码器。输入的信息比特先映射成相应的星座符号，然后经过状态编码器的编码， 编码后的符号并行输出，由天线同时发送出去。如图3 - 8 所示。 f 一_ 了了。 r 一一1 。| =| = = 割基痤嚷射 = 割状态编码器一2 。i 卜。 ” i ：i 一_ i | 1 一一 座符号进行映射，重新得到的四进制序列作为状态编码器的输入。按照编码网格 1 2 、3 一o 、 1 2 i 一) o4 - 畦：) o 、夕j o ? ，。i 0 0 。0 l ，0 2 ，0 3 2 0 ，2 1 ，2 2 ，2 3 3o ，3 l ，3 2 3 3 3 图3 94 p s k 和8 p s k 的星座图 0 0 ，0 1 ，0 2 ，0 3 lo ，l2 ，1 3 2 0 2 1 ，2 2 ，2 3 3 0 3 1 ，3 2 ，3 3 2 2 ，2 3 ，2 0 ，2 i 3 2 。3 3 ，3 0 3l 眩0 鱼0 0 ，0 1 1 2 ，1 3 ，1 0 ，1l 6 图3 1 04 状态和8 状态的4 p s k 、分集增益为2 的网格空时码的网格图 网格图的点代表转移的状态点，从上到下分别是o 状态、l 状态、7 状态。网格图左边的4 个数组就是分别对应输入0 ，l ，2 ，3 时的输出。第1 列对应 输入符号为o ，第2 列对应符号为1 ，第3 列对应的符号为2 ，第4 列对应符号 为3 。也就是说，只要是输入为零，输出就从第1 列来找，其他依此类推。每一 个状态点都有4 条路径分别到下一个不同的状态，而究竟是哪一个状态点则由输 入的符号决定。 假设编码从霉状态开始，也就是从网格图的第一点开始，输入的符号为 j ( o ! s 3 ) ，则输出的信息就在状态图左边对应的一行数中找第j + 1 个数组，数 组中的两个数就是天线的发送符号。从0 状态的4 条路径中，从上到下数到第s + l 条路径，该路径所对应的端点就是下一个状态值。接着以此类推，再由输入的符 号决定下一组输出和s ( o s 3 ) 状态。 例如，假设输入是0 0 、叭、l o 、1 1 、i l 、1 0 ，则根据以上编码方式，编码 的输出应该为： 001o31 0l2l3o 其中第1 行是第l 根天线的输出，第2 行是第2 根天线的输出。 在理想信道状态信息f ，信道衰落因子口扣1 ，2 ，j = 1 ，2 ，m 对于译 码器己知。假设，是接收天线j 在时间f 的接收信号，则转移分支与接收信号矢 量的欧式距离可以通过下式实现： 1 2 一q ，吼_ 式( 3 - 5 ) 产ij i = 1 v i t e r b i 算法适用于计算最小累积距离，首先对进入同一状态节点的分支计算 出这些分支与接收信号矢量问的欧氏距离，选出具有最小欧氏距离的分支，同时 舍去其他的分支。 因为空时网格码的译码应用多维v i t 曲i 算法，所以译码复杂度随天线数的 增加而呈指数性增长。当天线个数确定时，其译码复杂度则随分集水平和传输速 率呈指数性增长。 目前嘲格空时码的研究主要集中在几个方面：( 1 ) 目前的网格空时码只有有 限的几种，需要探索设计准则，寻找更好的码；( 2 ) 寻找低复杂度的译码算法；( 3 ) 如何将s t t c 应用在现有的系统中。 3 3 本章小结 本章首先简要介绍了一1 下m i m o 系统的模型，并从信息论角度分析了这种 多输入多输出系统的信道容量。并从此处入手，分析了除空时分组码以外另两种 空时编码：分层空时码、空时网格码的结构及特点，并简单地介绍了它们的编译 码原理。 第四章基于正交设计的空时分组码研究 自从a l a i n o u h 提出了两个发射天线的空时分组码p 1 以后，空时分组码以其性 能、结构简单引起人们的广泛关注。然而满速率、满分集的空时分组码只存在于 两个发射天线之中。为了将空时分组码推广到多个天线，通常有着两种思路：一 种是v a l l i dt a r o k h 【q 【5 】等人基于满分集提出了正交空时分组码；另一种是 h j a f a r k h a n i 2 3 1 等基于满传输率提出了准正交空时分组码。本章主要基于上述几 人及t i r k k o n 和h o n n e n 等人的研究成果，在此基础上进行更加深入的研究， 完善基于正交设计的空时分组码h 1 的相关内容。 4 1a l a m o u t i 空时编码方案 1 9 9 8 年，a l a i i l o u t i 提出了种简单的分集方法，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( m r r c ：m a ) 【i m a l 一r a t i or e c e i v e r c o m b i n i n 曲 相同的分集阶数。这即是后来被3 g p p 采纳作为w c d m a 中的一项关键技术空 时网格码( s t t d ) 的原型。值得一提的是，虽然延迟分集方案“”也能实现完全分 集，但它们会引入码问干扰，而且接收端需要复杂的检测电路。本节将介绍 a l a l l l o u t i 发射分集方案，包括编码和译码算法及其性能。 4 1 1a i a m o u t i 空时编码器 图4 1 罐示了a l a i i l o u l i 空时分组码编码器的原理框图。 信息源b d 调制嚣肾编甓跫。1 睛划一一2 | v r - ：” 、7 屁2 j 2 = k 1 图4 一la l 趾n o u d 空时编码器原理框图 假设调制器采用m 进制调制方案。在a 1 a i l l o u t i 空时编码中，首先调制每一 组m ( = l o g ，m ) 个信息比特，然后在编码器的每一次编码操作中取两个调制符 号玉和而的一个分组，并根据如f 给出的编码矩阵将它们映射到发射天线： r 五：忙一专i 式( 4 1 ) l 屯一j 式( 4 _ 1 ) 中，在第一个发射周期信号和而同时从天线l 和天线2 分别发射， 在第二个发射周期信号一屯从天线l 发射，而而从天线2 发射，其中玉+ 是五的 复共轭。 如果分别用x 1 和x 2 来表示天线1 和天线2 上的发射序列，则： z 1 = k ，一为】 z z ： t ，相 式( 4 _ 2 ) a 1 a m o u t i 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， 序列一和序列。的内积为0 。 z 1 x 2 = 五t 一屯玉= o 式( 4 3 ) 此外，编码矩阵还具有如下的特性，其中是一个2 2 的单位矩阵： 并”= 皆j 2 叫乇| 2 三| 2 + kj ：i = ( k | 2 + i t d 厶 式( 4 。) 【o卅+ 时l ”4 “2 。 w + 叫 假设接收端采用一根接收天线，则a l a m o u t i 方案的接收端原理图如图4 2 所示。 发射天线l 弋= _ 7 j 了7 发射无线2 h2 一 接收天线酽4 图4 2a l a i n o u 矗方案的接收机 根据图4 2 来分析，在f 时刻从第一和第二根发射天线到接收天线的衰落信 道系数分别用 ( r ) 和如( f ) 表示。假定衰落系数在两个连续符号发射周期之间不 变，则可以表示为 啊o ) = ( f + r ) = = i 啊| p 姐 式( 4 5 ) 和 岛( f ) = 吃( f + ，) = 如= l 如i e “ 式( 4 6 ) 式中，和辞( f _ 1 ，2 ) 分别是发射天线i 到接收天线的幅度增益和相移， r 为持续时间。 在接收天线端，两个连续符号周期中的接收信号( r 时刻和f + r 时刻的接收信 号分别表示为和) 可以表示为 = 五+ 琏t + n 式( 4 7 ) t = 一 l x 2 + + 趣x 1 + 心 其中h 和也是每雏均值为0 且功率谱密度为0 2 的独赢复变量 示f 时刻和f + ，时刻上加性高斯白噪声的取样。 4 1 2 接收合并和最大似然译码 式( 4 _ 8 ) 分别表 a l 甜n o u t i 方案可以运用到发射天线数目为2 而接收天线数目为n 。( m 。1 ) 的 系统。设l ，( f = 1 ，2 ，) 是发射天线i 到接收天线j 的信道衰落系数，_ 。和：。 分别为接收天线在f 时刻和f + 丁时刻的噪声信号，则第j 根接收天线在f 时刻和 f + ，时刻接收到的信号分别描述为和7 ： = 1 i _ + m 屯+ n i 式( 4 9 ) 吒= 一l ，。屯4 + 吩，一+ + ”2 式( 4 - 1 0 ) 在接收端每个天线的接收信号为两路发送信号与噪卢的线性叠加，检测时， 可采用解相关接收。但通常情况下，由于空时分组码的正交性使得最大似然解码 简化为一个线性处理，复杂度大大降低，因此采用极大似然解码。假定调制星座 图中的所有信号都是等概率的，最大似然译码器对所有可能的i 和置值，从信号 调制星座图中选择一对信号( 毫，五) 使下面的距离量度最小： d 2 ( ， 毫+ 2 毫) + d 2 ( 吒，一岛毫+ + 2 毫“ ：卜 毫一埘+ 懈一蚓2 静1 1 将式( 4 7 ) 和式( 4 8 代入式( 4 9 ) 中，最大似然译码可以表示为： ( 置，主2 ) = a 瞎m i n 焉f + 阮 2 一1 ) 日毫 2 + 毫r ) + 扩( 茜，墨) + d 2 ( 冀，竞) 式( 4 1 2 ) ( a ，如) e c 式啦，e 是谰露符号辩g ，乏) 鲍赝有可筑的集会，黑和蔓是通过会并接收售 号和信道状态信怠构造产生的两个判决统计。 接收机基于接收信号的线性台并构造了两个判决统计结果( 表示为置和置) ， 由下式绘出： ，j 2n *，“ 曩= a + + 吩，。( 眨7 ) + = 艺i 吩，1 2 五+ 艺 嗨+ m ( 强，) + 式( 4 1 3 ) 产i = l 产严l 毛2 薹茚m t ，一b ( t 可= 喜善h 2 乇+ 芸t 鹕l 勤( ) + 式( 4 _ t t ) 于是，两个独立信号- 和屯的最大似然译码准则可以表示为： 毫= 黜嘧蝶每剁i ：陋鹕2 瓯锎 式( 4 _ 1 5 ) 量2 = a 嘴l 孥狂芸颤t | 2 + 陬。| 2 一警隐| 2 + 露2 嚆，乏) 】 式( 4 1 1 国 对予m p s k 调制面富，星座图中所有信号具有相游的能量。因此，可以将 式( 4 t 5 ) 和式( 4 1 6 ) 的判决准剃迸一步简化为： 毫= a r g m 触2 ( 葺，j 。)式( 4 1 7 ) 5 岛= a r g m j n d 2 饩，是) 式( 4 - 1 8 ) 岛日5 4 。1 3a b 榭棚髓方案豹性能 出于两根发射天线岸列的l e 交性，a l a m 棚方案熊够达到辫；2 晦完垒发射 分集。f 面的图4 3 和图4 4 分别显示了不同调制方式下拥有不同接收天线数的 a 1 a m o u l i 方案相对于每根接收天线倍噪比( s n r ) 的误比特率( b e r ) 性能，此外， 为了 0 较方便，图4 3 孛氇避示了发翥垂天线数为l 静双分支接敬分集方案以及最 大比值合并( m r c ) 的b e r 性能。假定a 1 a i i l o u t i 方案中的两根发射天线的总发射 功率与缀c 接牧分集中黔攀校发射天线鲍发射珐率是翱等鳇，劳且帮舞一纯为 l 。 仿冀条件如下： 调制方式撼p s 到0 p s k ； 数据传输率1 b i t s 册 z 和2 b i t s “h z ( 由于a l a i l l o u t i 编码为满速率码) 信道单径瑞利慢衰落信道； 数据源2 0 1 0 6 b i t ； 1 口 1 d 2 1 矿 1 0 。4