（通信与信息系统专业论文）mimostbc系统研究.pdf

摘要 ￥ 7 7 2 4 6 9 移动通信已成为当代通信领域发展潜力最大、市场前景最广的热点技术。尽 管第三代移动通信( 3 g ) 标准比现有无线技术更强大，但也将面临竞争和标准不 兼容等问题。人们开始呼吁移动通信标准的统一，期待通过第四代移动通信标准 的制定来解决兼容问题。 第三代移动通信发展之际，世界已开始关注第四代移动通信。本论文回顾了 移动通信的发展历程，探讨了移动通信系统的演进过程，对这些系统的性能进行 了相应的分析和讨论。 空刚处理是近年来信号处理领域关注的热点。由于空时处理技术的优势，移 动通信采用空时处理技术来抵消系统干扰、改善增益、增加小区覆盖范围、减少 发送功率、提高系统容量等。本论文研究了移动通信系统中的多输入多输出 f m i m o ) 空时处理技术和空时编码技术，并以空时分组码( s t b c ) 作为典型，提 出了一种s t b c d l s t c 内接码技术，给出了一种多路径s t b c 译码方法。并且 提出并分析了一种新的多径m i m o s t b c i d m a 系统和预加权的m i m o s t b c 系统。并对这些系统进行了误码率性能、频谱效率、容量等通信系统指标的模拟 和讨论，证明了这些系统的有效性和优越性。 论文首先给出了空时信号、空时信道模型，综述了空时处理、多输入多输出 以及空时码技术。然后研究了空时分组码在未来移动通信系统中的应用，提出不 同的m i m o - s t b c 系统方案，同时给出了系统的性能分析和计算机模拟仿真结 果。最后概括性地总结了全文的主要结论，并指出将来进一步研究的问题和需要 做的工作。 关键词：通信技术；空时处理；多输入多输出：空时码；空时分组码：码分多址 交织分多址；内接码；信道估计；迭代算法；信息反馈：权矩阵 中图分类号：t n 9 11 2 3 ；t n 9 5文献标识码：a 采锾瑟雾。翠 a b s t r a c t w 1 r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns t a n d so u ta sat e c h n o l o g yw i t h t h ep r o m i s eo f s i g n i f i c a r t tp e r t b r m a n c ei m p r o v e m e n ta n dt h ep r o s p e c to fal a r g em a r k e t a l t h o u g h t h e3 gs t a n d a r d sa r es t r o n g e rt h a nt h ee x i s t i n gw i r e l e s st e c h n o l o g i e s ，p r o b l e m ss u c h a sc o m p e t e n c ea n di n c o m p a t i b i l i t ya m o n gd i f f e r e n ts t a n d a r d ss t i l l e x i s t t h u s ，a u n i f i c a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d si s u r g e n t l yr e q u i r e d ，a n dp e o p l e e x p e c taf i n a ls o l u t i o no ft h i sp r o b l e mb ye s t a b l i s h i n ga4 gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t a n d a r d t h e r eh a sb e e nc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o ng i v e nt o4 gt e c h n o l o g i e sw h i l et h e3 g w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa r es t i l l b e i n gd e v e l o p e d t h i sp a p e rr e v i e w s t h ee v o l u t i o no 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 sa n da n a l y s e st h e i rp e r f o r m a n c e r e s p e c t i v e l y s p a c e t i m ep r o c e s s i n gh a sb e e na t t r a c t i n gm u c ha t t e n t i o ni nt h ef i e l do fs i g n a l p r o c e s s i n gi nr e c e n ty e a r s t h a n k st ot h e i rg r e a ta d v a n t a g e s ，s p a c e t i m ep r o c e s s i n g t e c h n i q u e sa r eg e n e r a l l yu s e dt oc a n o e ls y s t e mi n t e r f e r e n c e ，i m p r o v eg a i n s ，e n h a n c e t h ec o v e r a g eo fm i c r o c e l l s ，r e d u c et r a n s m i tp o w e ra n di n c r e a s es y s t e mc a p a c i t y t h i sp a p e rf o c u s e so ns p a c e - t i m ep r o c e s s i n ga n dc o d i n gt e c h n i q u e so ft h em i m o s y s t e m i t p r o p o s e sas t b c d l s t ci u n e rc o n c a t e n a t e dc o d ea n di n t r o d u c e sa m u l t i - p a t hd e c o d i n gs c h e m ef o rs t b c an e wm u l t i p a t hm i m 0 一s t b c i d m a s y s t e ma n dap r e w e i g h t e dm i m o s t b cs y s t e ma r ea l s op r o p o s e da n da n a l y z e d t h e n i ts i m u l a t e st h eb e rp e r f o r m a n c e s p e c t r u me f f i c i e n c ya n dc a p a c i t yo ft h e s e s y s t e m s ，a n dp r o v e st h ee f f e c t i v e n e s sa n da d v a n t a g e so ft h e s es y s t e m s t h i s p a p e rf i r s td e s c r i b e st h em o d e l so fs p a c e t i m es i g n a l sa n ds p a c e t i m e c h a n n e l s ，a n db r i e f l yd i s c u s s e ss p a c e t i m ep r o c e s s i n g ，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 a n ds p a c e t i m ec o d e s i tt h e nf o c n s e so nt h ea p p l i c a t i o no fs p a c e t i m eb l o c kc o d e s i nf u t u r ew 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 ，p r o p o s e sd i f f e r e n td e s i g ns c h e m e sf o r m i m o s t b c ，a n da n a l y s e sp e r f o r m a n c eb a s e do ns i m u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l y , t h i s p a p e rs u m m a r i z e si t sm a i ni d e a sa n dd e s c r i b e st h ef u t u r ew o r kw h i c hr e m a i n st ob e d o n e k e y w o r d ：c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ；s p a c e - t i m ep r o c e s s i n g ；m i m o ；s t c ；s t b c c d m a ：i d m a ；i n n e rc o n c a t e n a t e dc o d e s ；c h a n n e le s t i m a t i o n ；i t e r a t i v e a l g o r i t h m ；i n f o r m a t i o nf e e d b a c k ；w e i g h tm a t r i x 第一章概论 第一章概论 移动通信已成为当代通信领域发展潜力最大、市场前景最广的热点技术。尽 管第三代移动通信( 3 g ) 标准比现有无线技术更强大，但也将面临竞争和标准不兼 容等问题。人们开始呼吁移动通信标准的统一，期待通过第四代移动通信标准的 制定来解决兼容问题。 第三代移动通信发展之际，世界已开始关注第四代移动通信。本论文以移动 通信为主要研究对象，回顾移动通信的发展历程，探讨第四代移动通信系统的特 点，并对性能进行了分析和讨论。 1 1 无线通信理论发展与技术变革 无线通信起源于1 9 世纪末期，经过了一个多世纪的发展，它已成为现代社 会的一种重要的生活方式。而第三代移动通信系统( i m t 2 0 0 0 ) 标准的确定，为无 线通信的发展提出了更高的要求和目标。目前世界通信界已开始对第四代移动通 信技术进行研究。 1 1 1 通信理论发展与技术进步 现代无线通信理论起源于1 9 世纪h e r t z 的电磁波辐射试验，使人们认识到 电磁波和电磁能量是可以控制发射的，其后m a r c o n i 的跨大西洋无线电通信证实 了电波携带信息的能力，而理论基础则由m a x w e l l 的电磁波方程组奠定。 现代数字通信系统起源于n y g u i s t 的研究。n y g u i s t 研究了在给定带宽的电报 信道上，无符号闻干扰的最大信号传输速率。他用公式表达了一个电报系统的模 型，其中发送信号的一般形式为【l i j s ( t ) = 2 a 。g ( t n r ) ， ( 1 1 1 ) h 其中g ( ，) 表示基本的脉冲形式， 口。 是以速率( 1 7 1 ) b i t s 发送的 l 二进制数据 序列。n y g u i s t 提出了受限于带宽h z 的最佳脉冲形状，并且在脉冲抽样时刻k t ( k = 0 ，1 ，2 ，) 无符号间干扰条件的最大比特率。他得出结论：最大脉冲速率 可为2 w 脉冲s ，该速率称为n y g u i s t 速率。通过采用脉冲g ( f ) = s i n ( 2 e r w t ) ( 2 z w t ) 可以达到此脉冲速率。这个脉冲形状也允许在抽样时刻，对无符号间干扰的数据 进行恢复。n y g u i s t 的研究成果等价于带限信号抽样定理的一种形式，后来f 1 9 4 8 年) s h a n n o n 准确地阐述了该定理。抽样定理指出：带宽为矽的信号可以由它以 n y g u i s t 速率2 w 样值s 抽样的样值通过下列插值公式重构 m i m o - - s t b c 系统研究 m ，= 莩s ( 参 篙糟 n 坨， 鉴于n y g u i s t 的研究工作，h a r t l e y 研究了当采用多幅度电平时在带限信道上能可 靠地传输数据的问题。h a r t l e y 假定接收机能以某个准确度( 譬如a 。) 可靠地估计 接收信号幅度。这个研究使得h a r t l e y 得出这样的结论：当最大的信号幅度限于 厶。( 固定功率限制) 且幅度分辨率是以时，存在一个能在带限信道可靠通信的最 大数据速率。在通信发展中，另一个有重大意义的是k o l m o g o r o v 和w i n e r 的研 究，他们研究了在加性噪声n ( f ) 存在的情况下，根据对接收信号r ( t ) = s ( o + n ( t ) 的 观测来估计期望的信号波形s ( t ) ，k o l m o g o r o v 和w i r i e r 得出一个线性滤波器，其 输出是对期望信号s ( f ) 的最佳均方近似。这个滤波器称为最佳线一 哇( k o l m o g o r o v w i n e r ) 滤波器。 h a r t l e y 和n y g u i s t 的关于数字信息最大传输速率的研究成果是s h a n n o n 研究 工作的先导，s h a n n o n 奠定了信息传输的数学基础，并导出了对数字通信系统的 基本限制。s h a n n o n 在他的开拓性的研究中采用了信息源和通信信道的概率模型， 以统计术语将可靠的信息传输基本问题表示成公式。根据这些统计的公式表示， 他对信源的信息含量采用了对数的度量，并证明了发射机的功率限制、带宽限制 和加性噪声的影响可以和信道联系起来，合并成一个单一的参数，称为信道容量。 例如，在加性高斯白噪声干扰情况下，一个带宽为的理想带限信道所具有的 容量为 c 一川【t + 彘j b s ， 其中尸是平均发送功率，n 是加性噪声的功率谱密度。信道容量的意义如下：如 果信源的信息速率r c ，不管在发射机和接收机中采用多 少信号处理，都不可能达到可靠地传输。因此，s h a n n o n 建立了对信息通信的基 本限制，并开创了一个新的领域，现在我们称之为信息论。在s h a n n o n 的研究成 果公布之后，接着h a m m i n g 提出纠错和纠错码来克服信道噪声的不利影响。在 随后的多年中，h a m m i n g 的研究成果激发了许多研究工作者，发现了种种新的 功能强大的码，其中的许多码已用于当今现代通信系统中。 自从1 8 9 7 年马可尼第一次用无线电实现横跨英吉利海峡的船舶之间的联络 以来，经过了漫长的数十年，直到2 0 世纪7 0 年代才实现了为全人类提供个人无 线通信这一梦想，诞生了无线通信技术1 1 2 i 。 通信技术经历了从有线到无线，从模拟到数字两次巨大变革。自从1 9 8 1 年 第一代模拟移动通信系统建立以来，蜂窝移动通信市场的发展和需求大大超过了 第一章概论 人们的预测。在短短的几年时间内，模拟蜂窝移动通信系统就面临着阻塞率增高、 呼叫中断率增高、蜂窝系统的干扰增大、蜂窝系统迫切需要增容的压力。但由于 模拟系统本身的缺陷( 例如，频谱效率低、保密性能差等) ，系统的设计容量远远 不能满足需求。紧接着，1 9 9 2 年以t d m a 技术为基础的第二代数字蜂窝移动通 信系统1 13 i ( g s m 、d a m p s 等) 相继投入使用。t d m a 蜂窝系统较f d m a 蜂窝系 统有许多优势：频谱效率提高，系统容量增大，保密性能好，标准化程度高等等。 但是在美国，已批准的t d m a 标准并没有完全满足美国c t l a ( 蜂窝通信工业协 会) 对下一代数字蜂窝技术所设想的要求，这些要求包括：( i ) 能充分引入新的服 务特点；( 2 ) 比模拟系统容量大大增加；( 3 ) 保密性能提高；( 4 ) 更加适于未来长 期发展；( 5 ) 通信质量提高，使得用户更加信赖和乐于使用移动通信系统；( 6 ) 易于向未来发展和过渡，并能与现有系统兼容；( 7 ) 开放式蜂窝系统结构，为厂 家之间的竞争提供基础。尤其在容量上，t d m a 系统离上述要求还相差很远。 在这种情况下，由于数字信号处理、大规模集成电路和其它制造技术的发展， 以美国q u a l c o m m 公司为首的倡导者提出了在蜂窝移动通信系统中采用c d m a 技术的系统实现方案。他们通过理论分析和现场试验，证明c d m a 具有许多 t d m a 技术所没有的独特的属性，并认为c d m a 是移动通信环境下获得大容量 和高质量的一种灵活有利的技术，它既能解决近期模拟系统容量不足的问题，也 是一种通往个人通信的长远解决方法。目前世界上许多大公司都投巨资进行 c d m a 系统的研究、开发和生产。 从历史的角度来看，第一、第二代蜂窝移动通信系统是针对传统的话音和低 速率数据业务的系统。而未来的信息社会，图象、语音、数据相结合的多媒体业 务和高速率数据也将成为必不可少的服务内容，它们的业务量将有可能远远超过 传统的话音业务的业务量。而且随着用户数量迅猛增加，现有的系统也将不能满 足未来用户容量的发展需要。所以新一代的移动和个人通信系统的研究和发展成 为电信领域的一个新的热点。第三代移动通信和个人通信系统需要有更大的系统 容量和更灵活的高速率、多速率数据传输能力，除了语音和数据传输外，还能传 送高达2m b i t s 的高质量的变化图象，真正实现“任何人，在任何地点，任何时 间，与任何人”都能便利地通信的目标。目前，通信界已开发出第三代通信系统， 世界各国亦陆续开始发放3 g 牌照。短短的十几年时间，无线通信技术经历了从 第一代到第三代的重大变革。 目前，世界发达国家都正在积极进行第四代移动通信技术标准的研究制定工 作，以期在全球第四代移动通信标准制定中能事有发言权。第四代移动通信设备 “智能化”程度极高，移动通信与互联网的结合，给移动通信与互联网的发展都将 注入更大的活力。随着互联网高速发展，第四代移动通信系统将会得到更快的发 展。据预测，这种以宽带、接入因特网、具有多种综合功能的第四代移动通信技 m i m o - - s t b c 系统研究 术在2 0 1 0 年将成为移动通信市场的主流技术。2 1 世纪我国移动通信还有一个巨 大的发展空问，这为我国移动通信的发展提供了前所未有的机遇，同时也带来了 严峻的挑战。为此，我们有必要在大力开发第三代移动通信技术系统的同时，提 前作好准备，积极参与i t u 关于第四代移动通信标准建议的研究，掌握世界移 动通信技术的研究动向和最新成果，加强国际合作，关注并积极进行第四代移动 通信技术的研究与丌发工作，把第四代移动通信的研发与建立我国移动通信产业 结合起来，加快我国移动通信产业的发展，使我国的移动通信产业在国内外拥有 强大的市场。 1 1 2 移动通信关键技术 概括的讲，通信系统的研究主要是围绕通信信号的发射和接收展开的。通信 信号发射的研究主要集中在调制技术、编码技术上。由于通信信号的传输极其复 杂，并且用户对通信信号接收质量的高标准要求，使于导通信信号的接收理论与方 法的研究充满了挑战性。 l 12 1 多址技术 在移动通信环境的电波覆盖区域内，如何建立众多用户之间无线信道的连 接，是多址技术解决的问题。用户之间无线信道的连接总是要通过某种可用资源， 一般可用资源有频谱、时间、空间和码形，根据对不同资源的利用情况产生了四 种基本多址技术，如图1 1 所示。 频分多址( f d m a ) ：给定频谱按一定要求分成若干部分，每个用户通信时占用 其中之一。所有第一代系统都采用f d m a 。 时分多址( t d m a ) ：将连续时间段分成若干段，叫做时隙，每个用户通信时占 用一个周期内所有分配频谱的部分时间。第二代系统中g s m 1 ”、i s 5 4 1 3 6 、 j d c 和美国第三代系统中u w c 1 3 6 采用t d m a 。 ( a ) 频分多址 第一章概论 f 编码 ( b ) 时分多址。( o 码分多址 图1 1 不同的多址技术 码分多址( c d m a ) ：每个用户在通信时占用所有频谱和所有时间，但不同用 户具有不同的正交码形，依靠这些正交码形来区分用户1 1 5 。第二代系统中 i s 。9 5 1 16 l 和第三代系统中w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 采用c d m a 。 空分多址( s d m a ) ：每个用户在通信时，可以占用所有频谱、所有或部分时间、 所有或部分码形，但只占用特定的空间( 方向) 。空分多址技术的应用还不够 成熟，有待于深入研究和试验。 混合多址：除第一代系统外，都采用混合多址方式，目前采用的混合多址技 术有f d m a + t d m a ( g s m 、i s 一5 4 1 3 6 、j d c ) ，f d m a + c d m a ( i s 一9 5 、w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 ) 1 7 1f d m a + t d m a + c d m a ( t d s c d m a 、u t r a t d d ) 。 交织分多址( i d m a ) ：每个用户在通信时，与c d m a 一样占用所有频谱和所 有时恻，但i d m a 【l8 】用不同的交织来区分用户。一般的c d m a 系统采用符 号交织后扩频的方式，而i d m a 系统采用扩频后进行帧内码片交织的方式。 i d m a 是第四代移动通信多址方式的有力竞争者。 1 1 2 2 信号处理技术 移动通信中的信号处理技术主要包括调制解调技术、信道估计技术、信号检 测技术、信道编译码和交织技术、信道均衡技术、分集技术、智能天线技术和空 时处理技术等。 调制解调技术：在移动通信系统中调制包括数据调制、扩频调制和载波( 射频) 调制。数据调制是将码元映射到调制符号；而扩频调制专用于c d m a 移动通 信系统的扩频技术，它利用扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱； 载波调制就是将基带信号调制到载波上。第二代移动通信系统中g s m 采用 g m s k 载波调制方式”j ，i s 一5 4 1 3 6 和j d c 采用a 4 q p s k 调制方式，i s 9 5 采用q p s k 调制。目前在3 0 p p 2 的高速数据业务( h d r ) 中采用1 6 q a m 、 m i m o - - s t b c 系统研究 3 2 q a m 或6 4 q a m 调制，这说明了在半径较小的微小区、微微小区由于存 在较强的直射波采用频潜效率较高的高阶q a m 调制的趋势，但采用高阶调 制同时意味着需要更强的抗衰落与抗干扰信号处理技术。现今，调制技术向 多载波调制、可变速率调制的方向发展。 信道估计技术：信道估计技术是对移动通信信道的冲击响应和信号的参数进 行估计，以供接收机解调或检测使用。信道一般可看作一个线性或非线性系 统，用f i r 、i i r 滤波器描述，这样对滤波器的冲击响应估计可以完全得到信 道的特性。一般需要估计的信号参数主要有信号幅度、信号相位、信号到达 时延、信号到达方向。估计的方法分为非盲估计技术和盲估计技术。非盲估 计技术利用训练序列或导频序列进行估计，包括线性估计技术( 最小均方误差 估计) 和非线性估计技术( 决策反馈估计、最大似然序列估计) 。盲估计技术一 般基于信道和信号的某种结构进行估计，包括时间结构( 恒模、有限字符、循 环平稳) 、空间结构( 方向流形矢量、空间分布) 、空时结构等。 信号检测技术：信号检测技术是接收端对噪声与干扰环境中的有用信号进行 提取或区分的技术。c d m a 移动通信系统中的信号检测技术包括单用户检测 ( s u d ) 和多用户检n ! j ( m u d ) 。在第二代移动通信系统i s 9 5 中采用单用户检测， 每路信号用一个相关器或匹配滤波器接收，其改进方案是用具有多径分集能 力的r a k e 接收机，由于移动通信系统是一个多用户系统，仅利用单个用户 信息不能实现最佳检测，因而不能有效地抗多用户干扰和远近效应。在第三 代移动通信系统主流标准中都采用多用户检测技术，它将用户间的互相关性 作为参量考虑进来，充分利用整个系统的信息，性能较单用户检测有很大的 提高，特别是能有效地抗多用户干扰和远近效应。多用户检测分为联合检测 ( j d ) 午d 干扰抵消( i c ) ，一般情况下，联合检测的性能优于干扰抵消。联合检测 算法包括线性算法( 迫零去相关算法、最小均方误差算法) 、非线性算法( 决策 反馈算法、最大似然序列算法) 。干扰抵消算法主要包括串行干扰抵消算法、 并行干扰抵消算法。 信道编译码与交织技术：信道编译码技术利用信息冗余来降低数字移动通信 系统的误码率，从而提高传输的可能性。交织技术本质上是一种时间分集技 术，为减少较长的突发错误影响，信道编码技术一般与交织技术相结合，交 织深度应大于信道相干时间。现在信道编码技术与交织技术已成为移动通信 系统不可缺少的抗干扰措施，第二代移动通信系统都采用卷积编码与v i t e r b i 译码技术，码率为1 2 或1 3 ，约束长度为5 或9 。 第三代移动通信系统 中继续采用卷积编码和v i t e r b i 译码技术，但码率与约束长度的要求均有提高， 对于服务质量要求较高的高速数据业务用性能接近s h a n n o n 限的t u r b o 码技 术。另外奇偶校验( c r c ) 也是移动通信系统常采用的一种信道编码技术，主 第一章概论 要用于保护重要的信息位和物理层测试。 信道均衡技术：信道均衡是指接收端的均衡器产生与信道相反的特性，用来 抵消信道的时变多径传播引起的码间串扰( i s i ) ，即通过均衡器消除信道的频 率和时间选择特性。由于要求均衡器特性能够适应信道特性的变化，因此一 般称信道均衡为自适应均衡。自适应均衡适合于信号特性无法分离多径的条 件下，且时延扩展远大于符号持续时间的情况。自适应均衡技术一般分为频 域均衡和时域均衡，时域均衡技术主要有基于训练序列的自适应均衡、判决 反馈自适应均衡、盲自适应均衡三种实现方案。第一代模拟移动通信系统采 用频域均衡技术，第二代以t d m a 为多址技术的数字移动通信系统中采用基 于训练序列的自适应时域均衡、判决反馈自适应时域均衡技术，但在以c d m a 为多址技术的第二代移动通信系统中并没有采用自适应均衡技术f 由于 d s c d m a 系统中i s i 的影响很小) 。尽管第三代移动通信系统中的主流标准 都采用基于c d m a 的多址技术，但都将天线阵列或智能天线作为可选的增加 技术，因而将时域均衡与智能天线技术结合可作为一种空时均衡技术。 分集技术：分集技术是一种重要的抗衰落与抗干扰的技术，在随机时变复信 道中，增加分集重数等价于增加传输可靠性。分集技术包括分集发送与分集 接收。分集发送技术主要有时延分集发送、正交分集发送、时间交换的分集 发送和空时编码技术等，其中正交分集发送与时间交换的分集发送在第三代 移动通信系统标准中被采用。分集发送不仅能抗衰落也能利用多天线发送特 点极大的提高传输速率或容量。分集接收技术按分集的目的有宏分集与微分 集，宏分集用于抗慢衰落，微分集用于抗快衰落。由于快衰落是移动通信的 最大挑战，因此微分集就是通常所指的分集技术，主要包括空间分集( 角度分 集、极化分集) 、频率分集、时间分集( 多径分集) 。 智能天线技术：智能天线( s a ) 是一种抗多径衰落和多用户干扰的、能够成倍 增加系统容量的技术，并利用特有的波束成 移( b e a m f o r m i n g ) 能力显著地提高 射频接收灵敏度。用智能天线引导的多址方式也可称为空分多址技术。智能 天线的原理是利用各个移动用户的空间特性差异将同频率或同时隙或同码道 的信号区分开来，从而成倍提高系统容量。智能天线的理论基础是阵列信号 处理，阵列信号处理包括高分辨阵列处理和自适应阵列处理。高分辨阵列信 号处理的目的是获得空间信号的参数( 信号到达方向等) ，据此智能天线利用 数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号的到达 方向( d o a ) ，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用 户信号并删除或抑制干扰信号的目的。自适应阵列处理的目的是对智能天线 的波束幅度、波束指向、波束零点位置进行自适应控制。这样智能天线一般 可分为自适应方向图智能天线和固定形状方向图智能天线，前者采用自适应 m i m o - - s t b c 系统研究 算法进行波束合成；后者根据用户信号的到达方向选取合适的阵元加权，将 方向图的主瓣指向用户方向，从而提高用户的信噪比。第三代移动通信系统 都将智能天线作为可选的增强技术，第二代移动通信系统也准备利用智能天 线技术来提高通信系统的信道复用率、基站覆盖面积，并克服同信道干扰、 多径衰落等日益严重的问题。 空时处理技术：现在的移动通信系统主要用时间域信号处理技术，智能天线 与阵列信号处理是空间域信号处理技术。由于时间域处理技术不能有效的消 除同信道干扰( c c i ) ，而空间域处理技术一般都要求窄带假设( 信号经过阵列 长度所需的时间应远小于信号相干时间) 和同时激活的用户数不超过阵元数， 这样需要将空间域处理和时间域处理结合起来，由此产生空时处理技术，利 用空时处理技术能很好的结合单时间处理和单空间处理的各自特点，这是近 年来通信领域与信号处理领域共同关注的热点。空时处理技术与前面的信号 处理技术结合，于是形成空时处理技术的主要研究方向为空时估计、空时检 测、空时编码、空时均衡、空时分集、空时波束成形等。空时处理技术充分 利用了信号与信道的空间与时间特性，可以改善阵列增益和分集增益、有效 的消除干扰和抗多径衰落，从而提高系统容量。 1 1 2 3 同步与功率控制 同步与功率控制是数字移动通信系统中的关键技术，也是其他通信技术能够 在系统中顺利应用的前提。 同步技术：同步技术是数字移动通信系统能够正常通信的前提，主要包括帧 同步、时隙同步、符号同步、载波同步、码同步等。帧同步、时隙同步、符 号同步、载波同步是数字移动通信系统相干接收所必须的，码同步是c d m a 移动通信系统解扩的关键。 功率控制技术：功率控制对减少系统的干扰、克服远近效应、增加系统容量 具有重要作用，对c d m a 系统功率控制尤其重要。功率控制的关键在于如何 有效地跟踪信号衰落，使得到达接收机的各信号功率相等，并且要使发射功 率的增加对相邻小区和系统的干扰降至最低。目前，上行信道一般采用闭环 功率控制和移动台辅助的开环功率控制，下行信道采用开环功率控制。 1 2 移动通信系统 无线通信系统相对于有线通信系统，由于信道的复杂性和不确定性，需要应 用信号处理技术，对通信技术的要求也比较高，系统结构也相当复杂。本节简单 介绍移动通信系统的基本结构组成，并直观的介绍了数字通信系统的组成情况。 第一章概论 1 2 1 移动通信系统基本组成 移动通信系统通常由以下几个部分组成：移动交换中心( m s c ) 、基站子系统 ( b s s ) 和移动台( m s ) 。在不同的移动通信系统中，每个部分的表现形式有着各自 的特点。一般来说，移动交换中心完成移动通信系统本身的交换以及与其他通信 系统之间的接口任务，始终处于静止状态；基站子系统则根据网络布局的需要分 设在相应的地点，一般也处于静止状态：用户使用的移动台则基本处于非固定位 置，甚至处于运动中。但是，在卫星移动通信系统中，则表现为移动的基站子系 统和相对静止的移动台这种特殊的形式。 目前以及将来的移动通信系统都是数字通信系统，数字通信系统的框图如图 1 2 所示。 圈谬蚤瓣 虿卧僵至至重耍p 一压委重一 悯聚咽捆捆 信源( 信宿) ：提供待传递的语声、图象或数据信号； 信源编码( 译码) ：如p c m 、a d p a m 、d m 、s b c 等，信源译码为对应逆处理； 信道编码f 译码) ：如线性分组码、卷积码、循环码等，信道译码为对应逆处理； 加密器( 解密器) ：为提高数字通信的保密性，可通过加密器对数字信号进行逻辑 运算加密处理，解密器则是进行对应的逆处理： 复用器( 分路器) ：采用p d h 、s d h 等理论，分路器为对应的逆处理 调制器( 解调器) ：基带调制( 如a m i 、h d b 3 、c m i 等线路编码) 、频带调制，解 再生中继器 信道：电缆、 调器则是相应的逆处理： 如光通信中的光再生中继器、微波通信中的中继站、卫星通信中卫 星上的转发器等： 光缆、无线短波、微波、卫星等。 1 2 2 移动通信系统的演进与展望 近年来，全球移动通信系统的发展十分迅猛。在短短的十几年时问里，移动 通信系统经历了从第一代到第三代的重大变革。国际电信联n ( i t u ) 目前已经开 m i m o - - s t b c 系统研究 始研究制订第四代移动通信标准，第四代移动通信与第三代移动通信相比，将在 技术和应用上有质的飞跃。第四代移动通信将适合所有的移动通信用户，最终实 现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播、电视卫星通信的无缝衔接并相互兼容。 1 2 2 1 第一代移动通信系统 第一代移动通信系统( 1 g ) 是模拟系统，主要采用f d m a 技术。由于受到传 输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系 统。第一代移动通信有多种制式，在我国主要采用t a c s 。第一代移动通信有很 多不足之处，比如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、 不能提供数据业务、不能提供自动漫游等。 1 2 2 2 第二代移动通信系统 第二代移动通信系统( 2 g ) 是数字系统，主要采用t d m a 技术和c d m a 技术。 语音是第二代移动通信系统的主要业务，其特性是提供数字化的话音业务及低速 数据业务。数字移动通信系统克服了模拟移动通信系统的弱点，话音质量、保密 性可以得到大的提高，并可进行省内、省际自动漫游。第二代移动通信替代第一 代移动通信系统完成模拟技术向数字技术的转变，但由于其采用不同的制式，移 动通信标准不统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游，因而无法进行 全球漫游。由于第二代移动通信系统带宽有限，限制了数据业务的应用，也无法 实现高速率的业务，如移动的多媒体业务。 1 2 2 3 第三代移动通信系统 与以前模拟技术为代表的第一代移动通信系统和目前正在使用的第二代移 动通信系统相比，第三代移动通信系统o o ) 的带宽可达5 m h z 以上，最低传输速 率为3 8 4 k ，最高传输速率为2 m 。第三代移动通信系统不仅能传输话音，还能传 输数据，从而提供快捷、方便的无线应用，如无线接入i n t e m e t 。能够实现高速 数据传输和宽带多媒体服务是第三代移动通信的另一个主要特点。第三代移动通 信网络能将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起来，提高无线频谱利用 率，并提供包括卫星在内的全球覆盖，实现有线和无线以及不同无线网络之间业 务的无缝连接。但是第三代移动通信系统仍是基于地面、标准不统一的区域性通 信系统。虽然第三代移动通信系统可以比现有系统的传输速率快上千倍，但是未 来仍无法满足多媒体的通信需求。 1 2 2 4 第四代移动通信系统 第四代移动通信系统( 4 g ) 是多功能集成的宽带移动通信系统，在业务上、功 能上、频带上都与第三代移动通信系统不同，将在不同的固定网络平台或无线网 络平台及跨越不同频带的网络运行中提供无线服务，相比第三代移动通信系统更 接近于个人通信。第四代移动通信系统可将上网速度提高到超过第三代移动技术 第一市概论 5 0 倍，可实现三维图像高质量传输。除了高速信息传输技术外，它还包括高速 移动无线信息存取系统、移动平台技术、安全密码技术以及终端间通信技术等， 具有极高的安全性。在容量方面，可在f d m a 、t d m a 、c d m a 、i d m a 的基础 上引入s d m a ，容量达到第三代移动通信系统的5 1 0 倍。第四代移动通信系 统可以自动管理、动态改变自己的结构以满足系统变化和发展的要求。用户将使 用各种各样的移动设备接入到第四代移动通信系统中，各种不同的接入系统结合 成一个公共平台，它们互相补充、互相协作以满足不同的业务的要求，移动网络 服务趋于多样化，最终将演变为社会上多行业、多部f 、多系统与人们沟通的桥 梁。但第四代移动通信系统投入实际应用需要对现有的移动通信基础设施进行更 新改造，首先需要解决无线系统中的移动性管理、核心网的移动i p 技术、第四 代移动通信的标准等问题。 目前世界发达国家都正在积极进行4 g 技术规格的研究制定，以期在全球4 g 规格制定中享有发言权。4 g 的各项运行标准将由国际电信联盟( f l u l 电信标准局 决定。新一代无线通信技术在美国及日本等发达国家已经进入密集的研发和市场 化阶段。新的研究包括网络结构、用户切换和漫游等移动环境下的系统实现方案， 从而实现用户的大范围移动，这种技术路线是当前国际上设计第四代移动通信系 统的主要思路。阿尔卡特、爱立信、诺基亚和西门子已共同建立了旨在推动4 g 技术开发的世界无线研究论坛。 1 3 论文结构与内容安排 空时处理是近年来信号处理领域关注的热点。由于空时处理技术的优势，移 动通信正在采用空时处理技术来抵消系统干扰、改善增益、增加小区覆盖范围、 减少发送功率、提高系统容量。本论文研究空时处理技术在移动通信系统应用中 的空时编码技术。并且以空时分组码作为典型，根据空时分组码的特点和其他通 信技术的优势，有机结合成不同的通信系统，同时对这些系统进行了误码率性能、 频谱效率、容量等通信系统指标进行了模拟和讨论。 本论文首先给出了空时信号、空时信道模型，综述了空时处理技术、多输入 多输出技术以及空时码技术。然后研究了空时分组码在未来移动通信系统中的应 用，提出一些m i m o s t b c 系统方案，并给出了系统的性能分析和计算机模拟 仿真结果。论文的具体内容安排如下： 第二章讨论空时信号、空时信道模型和空时处理技术，给出了空时时变信道 模型，系统地分析了空时信道的一般模型和离散化的空时模型。 第三章介绍多输入多输出( m i m o ) 技术，并且对多输入多输出的系统容量进 m i m o - - s t b c 系统研究 行了深入分析，从而为采用多输入多输出技术提供了理论依据。最后介绍多输入 多输出技术的具体应用。 第四章讨论了空时编码的基本思想与原理，从信息论角度分析了天线阵分集 传输系统的容量，并对分层空时码、空时网格码和空时分组码编译码技术、特点、 性能等进行了全面分析。 第五章根据多输入多输出和空时分组码的技术特点，并结合不同的通信技术， 提出了各种不同的系统实现方案。在介绍系统实现的同时，理论分析了系统的性 能，并用计算机进行了性能的模拟仿真。 第六章概括性地总结了全文的主要结论，并指出将来进一步研究的问题和需 要做的工作。 第二章空时信号、信道模型与守时处理 第二章空时信道、信号模型与空时处理 在本章中主要讨论三个方面的内容：一、无线传播环境以及空时信道模型， 描述了空时时变信道模型并系统地分析了空时信道的一般模型和离散化的空时模 型；二、通信信号特征，并给出空时信号模型以及分类描述；三、空时处理技术， 分别介绍了空时信道估计以及发送、接收端的空时处理方法。 2 1 空时信道模型 无线信道是移动通信首先要遇到和考虑的问题。研究无线信道就要搞清楚无 线电信号在无线信道中可能发生的变化和发生这些变化的原因，这与载波频段、 传播环境、移动速度、传播的信号形式以及信道上下行方向等都有密切的关系。 2 1 1 无线传播 在无线通信系统中，由基站发射机到移动台的无线连接称为下行链路，而由 移动台到基站接收机的无线连接则称上行链路。典型地，下行链路和上行链路分 成不同类型的信道。无线电信号无论是在下行链路，还是在上行链路的传播，都 会以多种方式受到物理信道的影响。 由于无线信道的复杂性，一个通过无线信道传播的信号往往会沿一些不同的 路径到达接收端，这一现象称为信号的多径传播，虽然电磁波传播的形式很复杂， 但一般可归纳为反射、绕射和散射三种基本传播方式。 移动通信中的信道是一种时变信道。无线电信号通过移动信道时会受到各种 影响，接收信号功率可表示为 尸( d ) = idrs ( d ) r ( a )( 2 1 1 ) 式中d 为距离向量，l d i 表示移动用户与基站的距离。式( 2 1 1 ) 表示信道对无线 电信号的影响可归纳为三类： ( 1 ) 自由空间的路径损失i d r ； ( 2 ) 阴影衰落s ( d ) ：由于传输环境中的地形起伏、建筑物和其他障碍物对电波的 阻塞或遮蔽而引起的衰落； ( 3 ) 多径衰落r ) ：由于移动传播环境中的多径传输而引起的衰落。 事实上，以上三种效应描述的是在三种不同区间范围内信道对信号的作用。 自由空问的路径损失是移动台与基站之间距离的函数，描述的是大尺度区间 ( 数百米或数千米) 内接收信号强度随发射到接收的距离而变化的特性； m i m o s t b c 系统研究 阴影衰落描述的是中等尺度区间( 数百波长) 内信号电平中值的慢变化特性 多径衰落描述的是小尺