（电路与系统专业论文）宽带无线通信中空时分组码OFDM系统研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

南京邮电大学硕t ：_ t g f 究生学位论文 中文摘要 摘要 在未来高速无线通信需求的驱动下，对宽带无线通信系统的研究成为当今的热点。宽 带无线通信系统面临的最严峻的挑战就是无线信道的多径衰落效应，并由此给通信系统带 来了频率选择性衰落的影响。正交频分复用( o f d m ) 技术能将频率选择性信道转变为多 个并行的频率非选择性信道，能有效消除频率选择性衰落的影响i 而空时编码技术能较好 地利用由多发射多接收天线构成的多输入多输出( m i m o ) 系统提供的信道容量和分集度， 可以在不增加带宽和发射功率的情况下。克服多径衰落效应的影响，提高信息传输速率， 改善信息传输性能。 那么，摆在眼前的一个新的课题就是，能否在宽带无线通信环境下( 即主要是在频率 选择性信道中) ，将o f d m 技术与m i m o 空时编码技术相结合，从而消除由频率选择性 衰落带来的影响，达到信息的高速和高可靠性传输，为最终实现宽带无线通信铺平道路。 本文正是建立在这一新课题之上，对宽带无线通信中空时分组码( s t b c ) 与o f d m 相结 合构成的系统展开了较为深入的探讨。 首先，介绍了无线信道特征、m i m o 系统和一些基本概念；其次，讨论了目前典型 的s t b c 的编解码形式i 再次，分析了单天线情况下线性预编码正交频分复用( l p o f d m ) 系统的两种方案一一循环前缀正变频分复用( c p o f d m ) 系统和插零正交频分复用 ( z p o f d m ) 系统，得出了它们均可以在频率选择性信道中克服符号间干扰( i s i ) 和块 白j 干扰( i b i ) ，而且对它们的性能及解码方案进行了比较；最后，是本文的主要研究成果。 在前面介绍的相关知识的基础上，将现有的s t b c 在m i m o 系统中的研究成果应用在频 率选择性信道中，提出了本文的最重要的系统空时分组码线性预编码正交频分复用 ( s t b c l p o f d m ) 系统，该系统能够被应用在频率选择性信道中，可以获得一定的由 s t b c 为m i m o 系统提供的分集度和编码增益。接着对各种s t b c 构成的l p o f d m 系统 方案进行具体研究并给出各自的编解码结构后，通过仿真对它们的分集度和编码增益进行 了比较，最终得出对角块正交代数空时分组码线性预编码正交频分复用 ( d b o a s t - l p o f d m ) 系统能够获得m i m o 系统分集度，而且编码增益较大，具有较好 的误码性能。 关键词：正交频分复用；多输入多输出：空时分组码：线性预编码j 下交频分复用；分集 度；编码增益；对角块正交代数空时( d b o a s t ) 分组码 南京邮电人学碗1 t - r 口f 究生学位论文英文摘要 a b s t r a c t p r o p e l e db yt h ef u t u r eh i g h s p e e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，t h es t u d yf o rt h ew i d e b a n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m sh a sb e c o m eah o t s p o t w i d e b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s s y s t e m sf a c et h em o s ts e v e r ec h a l l e n g e s ：f a d i n gd u et od e s t r u c t i v ea d d i t i o no fm u l t i p a t h st o r e s u l ti n f r e q u e n c ys e l e c t i v i t yo fw i r e l e s sc h a n n e l s 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 n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) c o n v e y s a f r e q u e n c y s e l e c t i v e c h a n n e li n t os e v e r a l p a r a l l e l f r e q u e n c y - n o n s e l e c t i v es u b - c h a n n e l sa n dt h u se l i m i n a t e st h ee f f e c tt h a tg i v e sr i s et of r e q u e n c y s e l e c t i v i t y t h es p a c e t i m ec o d i n gc a r lm a k eg o o du s eo ft h et r a n s m i td i v e r s i t ya n df r e e d o m d e g r e ep r o v i d e db ym u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) s y s t e m si no r d e rt oa l l e v i a t et h e e f f e c to ff a d i n ga n da c h i e v eh i 【曲d a t et r a n s m i s s i o nr a t ew i t h o u ta d d i n ge x t r ab a n d w i d t ha n d p o w e rc o n s u m p t i o n t h u s ，w ef a c eo n en e ws u b j e c tt oa c c o m p l i s ht h ew i d e b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s w h e t h e rc o m b i n i n go f d mw i t hs p a c e t i m ec o d i n gw i t hm i m os y s t e m sc a l la c h i e v et h e h i g h s p e e da n dr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n so u to ft h ef r e q u e n c ys e l e c t i v e e f f e c tu n d e rt h e w i d e b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ( m a i n l yo v e rf r e q u e n c ys e l e c t i v ec h a n n e l ) o rn o t b a s e do n t h en e ws u b j e c ta n da i m e df o rs t b co f d mf o rt h ew i d e b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，a m u c hd e e pi n v e s t i g a t i o nh a sb e e nd e v e l o p e di nt h i sp a p e r - f i r s t l y , t h eb a s i cc o n c e p t i o n s ，m i m os y s t e m sa n dc h a r a c t e r so ft h ew i r e l e s sc h a n n e l sa r e i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r s e c o n d l y , t h ec o d i n ga n dd e c o d i n go ft h et y p i c a ls t b ca r ed i c u s s e d t h i r d l y , t h et w os t r u c t u r e so ft h el i n e a rp r e c o d i n go f d m ( l p - o f d m ) o nt h es i n g l ea n t e n n a c a l l e dt h ec y c l i cp r e f i xo f d m ( c p o f d m ) a n dt h ez e r op a d d i n go f d m ( z p o f d m ) a r e a n a l y z e dw h i c hc a nm i t i g a t ei n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) a n di n t e r - b l o c ki n t e r f e r e n c e ( i b i ) o v e rt h ef r e q u e n c y s e l e c t i v ec h a n n e l ，m e a n w h i l et h e i rp e r f o r m a n c ea n dd e c o d i n ga r ec o m p a r e d f in a l l y , i ti s m ym a i ns t u d yr e s u l t b a s i n g0 nt h em e n t i o n e da b o v e ，ip r o p o s et h em o s t i m p o r t a n ts y s t e m a t i cd e s i g nf r a m e w o r k ，c a l l e ds t b c l p o f d mw h i c hi sc o m b i n e dw i t h m a n y s t b cl p - o f d ma n dc a l lb ea p p l i e dt ot h ef r e q u e n c y - s e l e c t i v ec h a n n e lt oo b t a i ns o m e d i v e r s i t ya n dc o d i n gg a i nf r o ms t b cf o rm i m o a f t e rc o n c r e t e l ys t u d i e ds t b c - l p o f d m a n dt h es t r u c t u r e so fc o d i n ga n dd e c o d i n g ，t h ep e r f o r m a n c em e r i to ft h ed i a g o n a lb l o c k o a h o g o n a la l g e b r a i cs p a c e - t i m e ( d b o a s t ) b l o c kc o d e dl p 一0 f d mi sc o n f i r m e db ym o n t e i i 南京邮电大学硕十研究生学位论文英文摘要 c a r l os i m u l a t i o n sa n dc o m p a r e dw i t ho t h e rs t b c - l p - o f d mb yd i v e r s i t ya n dc o d i n gg a i n k e y w o r d s ：o f d m ，m i m o ，s t b c ，l p o f d m ，d i v e r s i t y , c o d i n gg a i n ，d i a g o n a lb l o c k o a h o g o n a la l g e b r a i cs p a c e t i m e ( d b o a s t ) b l o c kc o d e s u i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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 含为获得南京邮电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。 研究生签名：丑亟到日期：二塑p 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：丑旦免型 导师签名： 越陡：日期：至丑! ：! ! 南京邮电人学硕l ：研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着时代的进步，通信对社会发展的推动作用愈来愈显著，为人类带来了巨大的经济 财富。人们对通信的需求日益迫切，对通信的要求也越来越高。理想的通信目标是实现任 何人在任何地点，任何时间与其他任何人进行任何方式的通信。显然，没有移动通信，这 种愿望是无法实现的。 现代移动通信是- f - j 复杂的高新技术，集中了无线通信、有线通信、网络技术和计算 机技术的最新技术成就与研究成果。移动通信系统从模拟通信发展到数字移动通信阶段， 并朝着个人通信这一更高阶段发展，移动通信由于相关技术的更新和消费需求的刺激，正 以有史以来最快的速度发展。 1 1 移动通信发展简介0 1 i 从上个世纪六、七十年代贝尔实验室提出蜂窝的概念，九十年代第二代移动通信系统 的辉煌，到今天按照国际电信联盟提出的i m t 2 0 0 0 标准进行设计的新一代移动通信系统， 移动通信经历着三个划时代的演变。 第一代移动通信系统出现于2 0 世纪8 0 年代早期，采用频分多址和模拟技术，包括模 拟蜂窝和无绳电话系统。典型的系统有美国的a m p s 、英国的t a c s 、前西德的c 4 5 0 等。 模拟系统的缺点主要有频谱利用率低、抗干扰能力差、系统保密性差等，但由于模拟技术 十分成熟，因此在发展初期也得到了较为广泛的应用。模拟蜂窝技术由于不适合未来多媒 体通信业务的需求，所以在日益激烈的市场竞争中被逐步淘汰。 8 0 年代中期，欧洲推出了全球移动通信系统( g s m ) ，以及之后美国推出的窄带码分 多址( c d m a ) 蜂窝移动通信系统是目前正在广泛使用的第二代数字移动通信系统。第二 代移动通信系统采用t d m a 或c d m a 为主的数字蜂窝系统，主要支持电路交换业务，这 一系统能支持较高质量的语音传输并提供低速的数据业务和短信息服务。 尽管第二代移动通信系统在技术与市场上都获得了巨大的发展，但社会的发展对通信 业务种类和数量的需求与日俱增，多媒体业务的高速数据量将大大增加，第二代蜂窝移动 通信系统不仅远远不能满足未来用户的业务需求，而且随着用户数的迅猛增加，现在的系 统远远不能满足用户容量的发展需求。于是一种能提供全球漫游，支持多媒体业务且有足 够容量的第三代移动通信系统就应运而生了。第三代移动通信系统主要采用宽带c d m a 南京i 昭电= 学项：i 二研究生学位论文 第一章绪论 技术，将i n t e r n e t 与移动通信有机地结合在一起，对多媒体业务提供强大的支持。第三代 移动通信系统标准包括：欧洲w c d m a 、北美c d m a 2 0 0 0 和中国的t d ，s c d m a 。 应该看到，第三代移动通信系统还存在很多需要改进的地方，最主要是仍满足不了迅 速发展的个人通信愈来愈高的要求，而且没有形成个全球统一的标准，不能真正做到互 联互通。i m t - 2 0 0 0 可以支持商质量的无线语音业务，以及最高可达2 m b s 的数据通信。 但是，随着人们对无线通信的服务质量、容量、功能等需求的不断增加，未来高速多媒体 业务将取代实时语音业务成为下一代移动通信系统的主流。这就使支持多媒体业务和全球 无缝漫游成为下一代移动通信系统的主要目标。 1 。2 下一代移动通信概述2 i 下一代移动通信系统在业务上、功能上、频带上都与第三代系统不同，下一代移动通 信系统的概念可称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。 它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和互操作的广播网络( 基于地 面和卫星系统) 。 下一代移动通信将在不同的固定无线平台和跨越不同频带的网络运行中提供无线服 务，可以在任何地方宽带接入互联网，包括卫星通信，能提供信息通信之外的定位定时、 数据采集、远程控制等综合功能。同时，下一代移动通信系统将既是多功能集成的宽带移 动通信系统，又是宽带接入i p 系统。这预示着互联网连接速度与图象传输质量将发生质 的变化。 下一代移动通信主要的要求是： 通信速度提高。数据率超过u m t s ，上网速度从2m b s 提高到1 0 0 m b s ，即上 网速度提高到原来的5 0 倍。 满足第三代移动通信尚不能达到在覆盖、质量、造价上支持的高速数据和高分辨 率多媒体服务的需要。广带无线局域网( w l 必) 应能与b i s d n 和a t m 兼容，实 现广带多媒体通信，并形成综合广带通信网( i b c n ) ，通过i p 进行通话。 对全速移动用户能提供高质量的影像服务，将首次实现三维图像的高质量传输。 目前欧洲、北美及r 本已经开展了第四代移动通信的研究。2 0 0 0 年1 0 月6 日，在加 拿大蒙特利尔市成立了i m t2 0 0 0a n db e y o n d 工作组，这是由国际电信联盟( i t u ) 发起 的，旨在统一全球移动通信标准的工作组。2 0 0 1 年8 月，以欧美5 大通信设备制造商( 法 2 南京邮电大学硕| | 二研究生学位论文 第章绪论 国阿尔卡特、瑞典爱立信、美国摩托罗拉、芬兰诺基亚、德国西门子) 为中心成立了无线 世界研究论坛( w w r f ) ，该论坛作为全球范围内探讨、研究第四代移动通信标准的一个 非营利组织，正在积极地推进它的标准的制订以及相关技术的发展。美国a t & t 最近推 出了第四代移动通信a c c e s s 网络，它能配合目前的e d e g 技术进行上传，并利用宽带 o f d m 技术进行下载。在欧洲，世界上最大的电信基础设施提供商爱立信公司开始着手 研制第四代移动通信系统。日本邮电部已向其咨询机构日本电气通信技术审议会提交 制订第四代移动电话规格的提案供讨论。 1 3 宽带无线通信和分集技术 由上面介绍，未来的移动通信发展将主要受到高速率的驱动f 引。例如，第三代移动 通信无线通信系统将能够为室外高速移动用户至少提供1 4 4k b p s ( 理想状态下 3 8 4 k b p s ) ，为室内低速移动用户至少提供2 m b p s 。随着数据传输速率的提高，符号持续 间隔与信道扩展相比将越来越小，系统中所传送信号的带宽必将大于信道相干带宽，这就 是本文所研究的宽带系统。从而在该系统中，不得不考虑频率选择性衰落的影响所引起的 符号间干扰( i s i ) 问题。 而近年来备受人们关注的一项传输新技术正交频分复用( o f d m ) 技术被看作第 四代无线通信系统的关键技术，将被采纳在宽带无线通信中。o f d m 的基本原理就是把 高速的数据流通过串并转换，分配到传输速率较低的若干个子信道中同时传输。由于符号 持续时间在低速子载波中增加，多径信道时延扩展的长度相对减小。在o f d m 符号间插 入大于信道时延扩展的保护间隔后，就可以完全消除由于多径带来的i s i 。 多载波o f d m 技术优点： 它的频谱利用率高； 它通过串并变换以及在符号之间插入保护间隔，可以有效地消除由于多径传播所 引起的i s i ： 由于快速傅立叶变换( f f t ) 技术的成熟以及硬件技术的快速发展，使得o f d m 也比较容易实现； o f d m 易于与其它技术结合使用，如空时编码、智能天线、干扰抑制( 包括i s i 和i c i ) 以及自适应调制、自适应编码和动态分组分配、动态比特分配算法等技术， 极大程度地提高了物理层信息传输可靠性和有效性： o f d m 易于与其它多种技术结合使用，构成o f d m a 系统，如o f d m c d m a 、 3 南京邮电大学硕：j ：研究生学位论文 第一章绪论 调频o f d m 以及o f d m t d m a 。 当然，由于o f d m 自身的特征：对多普勒偏移敏感使得移动台的速度受到限制，对 频率偏差非常敏感使得它对定时同步的要求较高，以及存在较高的峰值平均功率比( p a r ) 使得它对放大器的线性要求很高，这些问题需要进一步研究。 宽带无线通信的另一个考虑之处就是要引入多天线分集技术1 3 1 。使无线通信高速可靠 实现必将面临的一个问题就是要解决信道衰落。现实中，一种有效可行的技术就是利用分 集。根据产生分集的域，分集可分为时间分集、频率分集和空间分集【钔。时间或频率分集 通常会在时间域或频率域引入冗余，因此会降低带宽利用率。但是，在接收端或者发射端 采用多根天线构成的空间分集能够克服信道衰落，并且不会牺牲宝贵的带宽资源，因此， 多天线技术将成为宽带无线通信得以实现的一种诱人的解决办法。与单天线系统相比，多 天线系统使得信道容量起码要成倍增长【5 9 1 。在独立频率非选择性信道，且接收端确知信 道状态信息( c s i ) 的情况下，分层空时结构多天线系统的信道容量能够随发射天线与接 收天线数的最小值线性增长【l0 1 。 根据多天线采用的位置，空间分集可分为：接收分集和发射分集。在接收分集技术方 案中，在不增加发射端功率的情况下，只是将多天线应用在接收端，通过对接收到的信号 进行适当的处理，消除信道衰落的影响，从而得到发射信号的独立副本，也即获得了接收 分集度。实际上，接收分集技术已经应用在无线系统中，例如g s m 和i s 1 3 6 中去提高 上行链路( 从移动台到基站) 传输性能【1 1 l 。然而，由于移动台的尺寸和功率的限制，接 收分集技术实践中很难应用于下行链路中( 从基站到移动台) 。因此，下行链路容量如何 增加成为当前无线通信发展的瓶颈f 1 2 1 3 l 。故此，如何获得发射分集成为无线通信中的一大 研究热点。 由于在基站端采用多天线具有一定的可行性，故为了获得发射分集，就要在基站端采 用多天线技术将信号发射出去，即下行链路中得到发射分集增益。相对于同益成熟的接收 分集技术，发射分集技术应用于实际系统需要解决一系列问题【1 4 】。应用发射分集需要克 服两个障碍：i ) 不像接收端，发射端不可能及时获得c s i ；i i ) 发射信号在它们到达接收 端时，空间上已经被混合在一起。为了利用多天线传输带来的发射分集度，必须引入一些 冗余。许多发射分集技术方案已经被研究，它们可以被分为两类：开环系统 1 5 - 1 7 1 和闭环系 统【1 8 。2 0 】。开环和闭环方案的区别在于：开环系统在发射端不需要获得c s i ，闭环系统则需 要通过反馈信道在发射端获得一定的c s i 。虽然目前大多数无线系统存在反馈信道( 特别 是为了功率控制的目的) ，但是无线移动系统所经历的信道有可能是快速变化的，以至于 发射端不可能准确跟踪和获知c s i 。因此，开环发射分集方案是解决未来高速情况下的宽 4 南京邮电大学顾l ：研究生学位论文 第一章绪论 带无线系统的必然选择。由于开环系统在通信研究中的重要性，本文也是基于开环系统进 行研究的。 另外，在各种各样的发射分集方案中，目前研究比较成熟的是空时编码方案。该方案 在发射端将空时编码后的信号通过多根天线发射出去，在接收端由多根天线接收下来，并 通过适当的信号处理，来得到分集度和编码增益。空时编码己在第三代移动通信方案中被 采纳2 2 扪，应用于许多无线系统中f z 4 , z 卯。详细的空时编码的应用在文献 2 6 1 中讨论。 1 4 无线信道特征 1 4 1 无线信道一般模型 点对点无线信道由于存在多径，使得发射信号会经历不l 副珞径进行传播，从而对发射 信号产生不同的时延和幅度衰减，这种多径传播模型能够用一个线性输入输出系统表示 为： y ( ，) = ( f r p ( 卜f ) 打+ 即( f ) ( 1 - 1 ) 其中h ( t ，r ) 表示脉冲响应，s ( t ) 为输入信号，y ( ，) 为输出信号，7 ( f ) 为加性高斯白噪声。 一旦脉冲响应 ( ，r ) 确定，信道就完全确定下来。 根据式( 1 1 ) 的输入、输出关系，信道h ( t ，_ r ) 可以被看作由r 和_ r 构成的变量对( f ，f ) 的 二维随机过程，h ( t ，f ) 是复数域c 上的随机变量。固定，和f ， ( ，r ) 被认为是零均值圆 正态分布，意味着它的实部和虚部是独立同分布且具有相同方差的高斯随机变量。因此， h ( t ，_ ) 的相位服从【一万，刀) 的均匀分布，h ( t ，f ) 的幅度日的分布是独立于相位的，且服从瑞 利分布，它的密度函数为： p ( 咖虿ae x p ( 一2 0 _ 2 西2 ) 口。 ( 1 2 ) 其中蠢是a 的方差，它是f 和f 的函数。 一旦多根天线被应用到发射端和( 或者) 接收端，信道将变为多输入多输出( m i m o ) 系统。此时的信道可以用r x n , 维的脉冲响应矩阵h ( r ，f ) 表示，其中i 是发射天线数 r 是接收天线数。u ( t ，f ) 的第( 打，所) 个元素为 h ( f ，- r ) 。胛- - h m ( t ，f ) ，表示第坍根发射 南京邮电大学硕f j 研究生学位论文 第一章绪论 天线到第，2 根接收天线之间的信道系数，且是均值为0 方差为1 的独立同分布复高斯随机 变量。多天线信道下系统的输入输出关系为： j ，( f ) = h ( t , r ) s ( t - f ) d r + 叩( f ) ( 1 3 ) 其中j ( ，) 和j ，( ，) 分别是长度为t 和r 的向量，叩( ，) 是长度为r 的加性高斯白噪声 ( a w g n ) 向量。 如果s ( ，) 的每个元素认为是来源于不同的用户，y ( t ) 的每个元素被看作由不同的用 户接收，式( 1 3 ) 也可被认为是f 个发射用户和f 个接收用户的多用户系统。多用户 ( t ，r ) 系统与单用户多天线( l ，f ) 系统的不同之处在于：单用户系统信号在发射端( 或 接收端) 便于联合设计，但对于多用户系统，如此的联合设计通常很困难。 在多用户( t ，r ) 系统中，如果l = l 和r 1 ，此时的信道称为广播信道或者下行链 路。如果i l 和r = l ，此时的信道称为接入信道或者上行链路。 1 4 2 频率选择性信道模型 如果式( 1 1 ) 中的信道频率响应( h o ，r ) 给定f ，变量为f 时的付氏变换) 在j ( ，) 的频 带内显著变化，此时的信道被称为具有频率选择性，否则称为频率非选择性。 描述频域内信道频响变化的一个参数是相干带宽，描述的是两相关频率响应之间 的最大的分离程度。如果t 表示符号持续时间，那么l l 可以近似的表示信号带宽。当 瓦h i t , 或者互 1 时，信号带宽小于相干带宽，此时的信道近似为频率非选择性的； 否则称为信道是频率选择性的。在频率选择性信道中，由于信号带宽大于信道带宽，时域 中表现为严重的i s i ，从而使系统性能急剧下降。时延扩展死d 是用来描述信道脉冲响应在 时域的扩展情况的参数，相干带宽与时延扩展之间的近似关系是： 1 ( 1 4 ) 1 4 3 时间选择性信道模型 如果信道在信号传输过程中显著变化，那么此时的信道被称为具有时间选择性或者 6 南京邮r u 大学硕l 研究生学位论文 第一章绪论 时变性。否则，称为信道具有时间非选择性或时不变性。为了描述信道的这种时变程度， 引入两个相关的参数多谱勒扩展和相干时间。多谱勒扩展描述的是随机过程矗( f ，_ ) 给 定f ，变量为f 时的能量谱的带宽。相干时间指的是脉冲响应保持相关性所持续的时间。 多谱勒扩展和相干时间的近似关系为： 五l 瓦曲 ( 1 5 ) 如果t 0 0 ，那么此时的信道称为慢衰落信道。否则，如果乇。是接近甚至小于 丁，此时的信道为快衰落信道。 当= 0 0 ，信道是时不变的。无线通信中，信道几乎不 可能是时不变的；但是时不变可以作为短时信道保持恒定的一种很好的近似。出于这一目 的，采用力( r ) 来代表h ( t ，f ) 的时不变频率响应。 依据时延扩展瓦e l ，相干时间，符号持续时间丁，信道可以被分为四种情况：频率 非选择性慢衰落信道、频率非选择性快衰落信道、频率选择性慢衰落信道和频率选择性快 衰落信道。 1 5 无线m i m o 系统的研究与空时码的引入 m i m o 技术由来已久，早在1 9 0 8 年马可尼就提出用m i m o 技术来抗衰落。在7 0 年 代有人提出将多输入多输出技术用于通信系统，但是对无线移动通信系统多输入多输出技 术产生巨大推动的奠基工作是9 0 年代由a t & tb e l l 实验室学者完成的。19 9 5 年i e t e l a t a r 给出了在瑞利衰落情况下的m i m o 容量【2 7 i i1 9 9 6 年g j 。f o s c h i n i 给出了一种多输入多输 出算法对角一贝尔实验室分层空时( d b l a s t ) 算法【l o l ；1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了用 于多输入多输出系统的空时码；1 9 9 8 年w o l n i a n s k y 等人采用垂直一贝尔实验室分层空时 ( v b l a s t ) 算法建立了一个m i m o 试验系统，在室内试验中达到了2 0 b i t s h z 以上的 频谱利用率，这一频谱利用率在普通系统中难以实现。这些工作受到各国学者的极大注意， 并使得多输入多输出的研究工作得到了迅速发展。 信道容量是对于给定信道模型通信系统的一个有效性能参数，表示通信系统最大的可 靠信息传输速率，它最早是由香农计算出来的。假定在独立的瑞利衰落信道下，并设， r 很大，则m i m o 系统信道容量阢2 8 1 c 近似为：c = m i n ( n t , n ) b l 0 9 2 ( p 2 ) ，其中b 为信 道带宽，p 为每根接收天线处的平均信噪比，m i n ( n t h ) 为t 、r 中较小的一个。该 7 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第一章绪论 m i m o 系统近似信道容量表明，功率和带宽固定时，m i m o 系统的最大容量或容量上限 随最小天线数的增加线性增加。而在同样的条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线 阵列的普通智能天线系统，其容量随天线数的对数增加而增加。也就是说可以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率也可 以成倍地提高。可见，m i m o 系统对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。 然而，无论发射天线还是接收天线在实际环境中数目都是有限的，从而实际的m i m o 系统的信道容量也是有限的；而且m i m o 系统的分集度粗略的说就是接收端能够获得的 对发射信号的独立副本，可见，各发射天线间发射信号的相关性越大，则系统获得的分集 度就越大，这样势必会降低系统的信息传输率。因此增加分集度和提高信息传输率成了一 对矛盾。在这种背景下，空时编码得到了研究和发展，来解决这一矛盾。 1 6 空时编码技术及分类 空时编码能较好的解决上面提出的矛盾它是类采用多发射天线、单接收天线( 或 多接收天线) ，有机结合信道编码与空间发射分集，实现信息传输率与分集度折衷的m i m o 通信技术。在不增加总发射功率和总传输带宽的前提下，数据通过空时编码并通过多个天 线发射出去，各发射符号在空间和时间上具有相关性，因而可获得分集度和编码增益。这 里的分集度是指在相同的差错概率时的空间分集系统相对于无分集系统的功率增益的近 似度量；编码增益则是在相同分集度和相同差错概率时的编码系统相对于无编码系统的功 率增益的度量。分集度决定了差错率曲线随s n r 变换的斜率，而编码增益则决定了无编 码系统的差错概率曲线相对于相同分集数时空时编码得到的差错概率曲线的水平偏移程 度。一般而言，要使通信系统得到最小的差错概率，必须获得尽可能大的分集度和编码增 益。 空时码的分类按各种定义可以分为很多种，如从设计目的的角度看2 9 1 ，已提出的空 时编码方法可分为三类： 第一类以改善传输性能为目的，利用m i m o 系统所能提供的分集度( 发射分集和接 收分集) ，设计具有满分集度( f u l l d i v e r s i t y ) 的空时码，以提高信息传输的可靠性，具 有代表性的有空时网格码( s t t c ) 【4 】、空时正交设计( s t o d ) 3 0 , 3 1 1 码以及对角代数空时 ( d a s t ) 【3 2 j 3 】分组码等。 第二类以提高信息符号传输速率为目的，利用m i m i o 系统所能提供的传输自由度， 设计达到全速率( f u l l r a t e ) 信息传输的空时码，以提高信息传输的有效性，典型的有贝 8 南京邮电人学颀士研究生学位论文 第一章绪论 尔分层空时结构( b l a s t ) 1 0 l 、线性弥散( l d ) 码【3 4 l 等。 第三类是近几年提出的，同时以提高信息传输性能和速率为目的，力图设计达到满分 集度全速率的空时码，如线状代数空时( t a s t ) 3 5 , 3 6 】分组码、线性复数预编码( l f c ) 3 7 1 空时码等。 而美国a t & t 实验室将空时码分为了空时分组码( s p a c e t i m eb l o c kc o d e ) 和空时网 格码( s p a c e t i m et r e l l i sc o d e ) 。空时分组码与空时网格码之间的基本区另l j t 3 8 1 是： 空时分组码的一个典型特征是复数域上的线性码，而空时网格码是有限域上的线 性编码，在复数域上不是线性的； 空时分组码一般在中低信噪比水平上具有最佳的性能，而空时网格码一般被设计 用在较高的信噪比上来获得较好的性能； 对于双发射天线来说，采用空时分组码的系统性能比同样数量状态的空时网格码 要好： 正交空时分组码为了保持正交这一特性，其信道要求不考虑符号间的码元干扰， 而空时网格码适合于受插入码元干扰的信道。 本文按照美国a t & t 实验室对空时码的分类方法，信道编码采用的是空时分组码。 1 7 论文安排 本论文考虑的是单用户在频率选择性慢衰落信道下信息的可靠传输，未考虑多用户干 扰。论文中考虑的信道是随机变化的准静态时变信道，即信道在一个符号传输块内不变， 但是在块与块之间，信道独立变化。并且，发射端不具有c s i ，而在接收端可以准确获知 c s i 。 本论文共分五章，其结构安排如下：第一章绪论部分主要介绍宽带无线通信系统的发 展前景及无线信道特征，阐明了m i m o 技术可以获得较大的信道容量，然而实际的通信 系统存在增加分集度和提高信息的矛盾，故在这一背景下引入了空时编码技术来较好的解 决这一对矛盾；第二章简单介绍了空时编码系统模型及准则，给出了典型s t b c 的编码及 解码方案；第三章介绍了线性预编码块传输模型，分析了单发单收情况下，该模型如何在 多径频率选择性信道中，消除i s i 和内部符号间干扰( i b i ) ，并给出目前存在的两种多载 波块传输方案循环前缀正交频分复用( c p o f d m ) 和插零正交频分复用( z p o f d m ) ， 接着对它们的性能及如何降低解码复杂度进行了阐述；第四章为本论文的最重要的章节， 在前几章的基础之上，将现有的研究比较成熟的空时分组码应用于多天线频率选择性信道 9 南京邮也大学硕士研究生学位论文 第章绪论 中，给出了新的系统模型和具体的由典型s t b c 构成的新系统的编解码形式，并通过仿真， 对各种s t b c 系统获得的分集度和编码增益进行比较，得出了对角块正交代数空时分组码 线性预编码( d b o a s t - l p 0 f d m ) 系统在多天线频率选择性信道中具有较好的误比特性 能；第五章总结全文，指出今后需进一步研究的问题。 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章典型的空时分组码的编码和解码方法 第二章典型空时分组码的编码和解码方法 空时编码是多输入多输出信道编码的一种方法，它可以使从不同天线上发射的信号具 备空间和时间上的相关性，从而提供发射分集，最终系统获得分集度和编码增益，同时提 高带宽利用率。对于发射端未知而接收端已知c s i 的一般的空时编码，人们提出了较为 成熟的设计准则，根据设计准则提出了各种编码和解码方法。本章依次对空时编码的系统 模型、设计准则及典型的空时分组码的编解码方法进行阐述。 2 1 空时编码的系统模型及设计准则 空时编码器的基本原理是把输入的信息比特流映射到星座图上，得到符号流，然后对 每一组符号向量进行编码，生成可以同时发射的矢量输出信号，从并行的发射天线上发射 出去。这种矢量发射信号叫做空时码元( s p a c e t i m es y m b o l s ) 。在接收端，每根接收天 线接收到的信号是由多根发射天线发射并经历多径衰落信道后的信号之和，接收端对这些 衰落信号进行处理，经过空时解码器，得到相应的信息码流，再经过反映射，恢复出输入 比特流。其系统框图如图2 1 所示。 发射天线接收天线 图2 1空时编码系统框图 假设输入比特流经过星座图映射后变成符号流s 二 s ：r ，霹，s ； t ，其在，时刻的符号 南京邮电大学硕1 ：研究生学位论文第二章典型的守时分组码的编码和解玛方法 向量为只= 可，霹， t ，其中【_ 】t 表示【】的转置，表示在，时刻第f 个符号， 1 ，t ，t 为一帧长度( 或称为一个符号周期) 。i 的t 个元素分别由n i 根不同的天线 同时发射，由第，根发射天线发射。在，时刻m i m 0 信道矩阵可表示为： 曰= ( 2 】) 其中巧，表示在，时刻从发射天线f 到接收天线，的信道衰落系数，是独立同分布且服从均 值为0 方差为l 的复高斯随机变量。 对于准静态平坦慢衰落信道嗍，信道衰落系数在一帧( 每个编码分组持续丁个符号周 期) 内可以看作不变的，就是相对于信道相干时间符号周期很小。对于快衰落信道，信道 衰落系数在一个符号周期内是不变的，从传输一个符号到传输下一个符号是变化的。 假定信道是慢衰落信道，在r 时刻接收天线，( - ，= 1 ，2 ，r ) 接收到的信号为： = 叫，一+ 彰 ( 2 2 ) 其中是在，时刻接收天线，上的噪声，均值为o ，方差为盯2 的复高斯变量。式( 2 2 ) 写成 向量形式为： y r = 日，s ，+ ( 2 3 ) 其中只= 一，砰，r t 是接收信号的向量形式，聃= 讲，彳，栌 t 是噪声的向量形式。 式( 2 3 ) 写成矩阵的形式为： y = h s + ( 2 4 ) 其中y 是rx t 的接收信号矩阵tj 是ix t 的码字矩阵，日是rxn , 的信道矩阵，是 n r x t 的噪声矩阵。 对于准静态信道，采用最大似然( m l ) 准则检测时，假定发射符号向量s ，而接收 端误判为；的概率p ( s 斗i ) ( 即误对率) 的上界可表示为【4 j 6 】： 如岫 d e t ( h + 鲁爿( s ，嘶m 札 一醵心； 一 ； l = 碡峻； 硪； 南京i l i i _ 【q l 大学砸十j 研究生学位论文第二章典型的窑时分组码的编玛和解码方法 = 暾懈) r 仁5 ， 其中九表示c 川的单位阵，s 和j 分别为对应于输入符号向量j 和j 的空时码字矩阵。 定义码字距离矩阵爿( s ，) = s 一童 s j h 。其中【】h 表示【】的共轭转置，表示矩阵一 的秩， ( k = 1 ，) 为a 的，个非零特征根。 当信噪比p 较高时，有： 冉( - + 4 等) 一m 等( 密五) 一札 c 2 6 ， 通常而言，空时编码系统性能可以由两个参数来衡量，印分集度和编码增益。从式( 2 6 ) 可以得出它们的定义：分集度g d = ，- r ，编码增益g c = f 兀 l 。为此可将式( 2 6 ) 改写 ，、髟 k = l 为： p c ，斗；，s ( g c 詈) - q g 7 ) 由式( 2 ，7 ) 可得，为了使得误对率p 0 _ i ) 尽可能小，那么空时编码的设计应该使得g d 和6 c 尽可能的大，也就导致了下面两条空时编码的设计准则1 4 1 ： 秩准则空时码的发送分集度定义为码字距离矩阵a 的秩的最小值。因此，空时 码设计时，为得到大的发送分集度必须使该值最大化。 当对所有不同的s 和j ，如果爿均满秩，即d e t ( a ) 0 时，则该空时码的发