（通信与信息系统专业论文）无线蜂窝通信中的中继协作机制研究.pdf

无线蜂窝通信中的中继协作机制研究 摘要 随着多媒体业务的广泛应用，人们对新一代无线移动通信系统 提出了更高的要求。未来的无线移动通信系统要能够提供更高的数 据传输速率、更广的信号覆盖范围并支持更高速率的移动性。在现 有的网络结构中引入中继并进行中继协作式通信并认为是高速率高 覆盖要求下最可行的改进。中继协作通信技术已在w i m a x 、 w i n n e r 和3 g p p 等通信标准中得到深入的研究，具有极为广阔的 应用前景。 本文以实现中继协作技术在实际无线通信中的应用为目标，对 中继协作机制进行了研究与分析。论文首先介绍了多输入多输出 ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 无线通信系统基本原理， 对空时编码技术，特别是a l a m o u t i 空时分组码( s p a c et i m eb l o c k c o d e ，s t b c ) 编码译码过程进行了详细的介绍，并对其在s c m 信道 和j a k e s 信道模型下的误包率性能进行了仿真实现；简要介绍了正交 频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术 和基于o f d m 技术的m i m o 系统原理。接着论文介绍了中继技术原 理及现有的中继协作机制，对三终端的中继协作机制、两跳多中继 并行传输的协作机制以及多中继多跳协作机制进行了简要介绍并具 体分析了i e e e 8 0 2 1 6 j 中的中继协作机制。在此基础上，对现有的多 天线中继s t b c 协作机制进行了改进，提出了一种将中继间s t b c 协作与单个中继的多天线波束成型相结合的多天线中继协作机制， 并针对所提机制信道反馈开销大，无法应用到实际系统中的缺陷， 对有限速率反馈技术进行了研究，提出了一种适合所提中继协作机 制的有限速率反馈设计。最后搭建了o f d m a 系统中下行中继协作 链路级仿真平台，实现多种单天线中继和多天线中继协作机制，并 对现有中继协作机制与本文所提中继协作机制进行了仿真实现和性 能对比分析。 关键词：协作中继；空时分组码；波束成型；多输入多输出；正交 频分复用；有限反馈 r e s e a r c ho nr e l a yc o o p e r a t i o ns c h e m e si nw i r e l e s s c e l l u l a rc o m m u n i c a t i o n a b s t r a c t w i t ht h ee x t e n s i v eu s eo fm u l t i m e d i as e r v i c e s ，t h en e x tg e n e r a t i o n o fw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a sb e e np u tf o r w a r dh i g h e r r e q u i r e m e n t s t h ef u t u r e w i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s s h o u l db ea b l et oo f f e rh i g h e rd a t at r a n s m i s s i o nr a t e ，b r o a d e rs i g n a l c o v e r a g ea n ds u p p o r th i g h e rm o b i l i t y t h ei n t r o d u c t i o no fr e l a ya n d r e l a yc o o p e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ni n t ot h ee x i s t i n gn e t w o r ki sc o n s i d e r e d a st h em o s tf e a s i b l ei m p r o v e m e n t sw i t ht h er e q u e s to fh i g hr a t ea n d b r o a dc o v e r a g e r e l a yc o o p e r a t i o nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e n d e e p l ys t u d i e di nw i m a x , w i n n e r a n d3 g p p ，a n di tw i l lh a v eav e r y p r o m m m ga p p l i c a t i o np r o s p e c t s t oa p p l yt h ec o o p e r a t i v er e l a yi np r a c t i c a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ， as t u d yo nr e l a yc o o p e r a t i o ns c h e m e sw a sm a d e f i r s t l y ，i n t r o d u c e d b a s i cp r i n c i p l e so fm u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) w 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 s ，i t ss p a c e t i m ec o d i n gt e c h n i q u e s ，e s p e c i a l l y a l a m o u t is p a c et i m eb l o c kc o d e ( s t b c ) e n c o d i n ga n dd e c o d i n gp r o c e s s w a si nd e t a i lp r e s e n t a t i o na n dp a c k e te r r o rr a t ep e r f o r m a n c eu n d e rs c m a n dj a k e sc h a n n e lm o d e lw a ss i m u l a t e d ；b r i e f l yi n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l e o fo n h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) t e c h n o l o g ya n d m i m os y s t e mb a s e do no f d m t h e n ，i n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo fr e l a y t e c h n o l o g ya n dt h ee x i s t i n gr e l a yc o o p e r a t i o ns c h e m e s ，t h r e et e r m i n a l s r e l a yc o o p e r a t i o ns c h e m e s ，m u l t i - p a r a l l e lt r a n s m i s s i o nr e l a yc o o p e r a t i o n s c h e m e s ，a sw e l la sm u l t i h o pc o o p e r a t i o n s c h e m e sw e r eb r i e f l y i n t r o d u c e da n d r e l a yc o o p e r a t i o n s c h e m e si ni e e e 8 0 2 16 jw e r e a n a l y z e d o nt h i sb a s i s ，i no r d e rt oi m p r o v et h ee x i s t i n gm u l t i - a n t e n n a r e l a ys t b cc o o p e r a t i o ns c h e m e s w ec o m b i n e dr e l a ys t b cc o o p e r a t i o n n w i t h s i n g l er e l a y s m u l t i a n t e n n ab e a mf o r m i n ga n dp r o p o s e da m u l t i a n t e n n ar e l a ys t b cc o o p e r a t i o ns c h e m e r e f e rt ot h ep r o p o s e d s c h e m eh a sl a r g ec h a n n e lf e e d b a c ko v e r h e a d ，a n dc a nn o tb ea p p l i e dt o t h ea c t u a ls y s t e m ，f i n i t er a t ef e e d b a c kt e c h n o l o g yw a sr e s e a r c h e d ，a s u i t a b l ef i n i t er a t ef e e d b a c ks c h e m ew a sd e s i g n e d f i n a l l y ，s e tu pt h e o f d m ad o w n l i n kr e l a yc o o p e r a t i o nl i n kl e v e ls i m u l a t i o np l a t f o r m ，a n d r e a l i z e dv a r i o u s s i n g l e a n t e n n ar e l a y a n dm u l t i a n t e n n a r e l a y c o o p e r a t i o ns c h e m e s ，t h e nm a d eac o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ee x i s t i n g r e l a yc o o p e r a t i o ns c h e m e sw i t ht h ep r o p o s e dc o o p e r a t i o ns c h e m e k e y w o r d s ： c o o p e r a t i v er e l a y ；s p a c e t i m eb l o c k c o d e ； b e a m f o r m i n g ；m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ； o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ；f i n i t e r a t ef e e d b a c k 1 1 1 英文缩写 3 g p p 3 g p p 2 鼹 b s b f c s i c d d c p o c d f d d e c 同f 1 r 住挹e i f 兀 l s t c l 陀 m i m o m l d m s m m r m r c m a c n n c o f d m o f d m a p c c c 英文全拼 缩略语 t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pv r o j e c tt w o a m p l i f y a n df o r w a r d b a s es t a t i o n b e a mf o r m i n g c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n c y c l i cd e l a yd i v e r s i t y c y c l i cp r e f i x c e n t r o i dc o n d i t i o n d e c o d ea n df o r w a r d d e l a yd i v e r s i t y e x e c u t i v ec o m m i t t e e f a s tf o u r i e rt r a n s f o l l t i i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n 舀n e e r s i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o i t n l a y e r e ds p a c e t i m e c o d e l o n gt e r me v o l u t i o n m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m a x i m u ml i k e l i h o o dd e c o d e m o b i l es t a t i o n m o b i l em u l t i - h o pr e l a y m a x i m a lr a t i oc o m b i n i n g m e d i u ma c c e s sc o n t r o l n e a r e s tn e i g h b o r h o o dc o n d i t i o n o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 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 a c c e s s p a r a l l e lc o n c a t e n a t e dc o n v o l u t i o nc o d e 第5 6 页共5 9 页 中文 第三代合作伙伴计 划 第三代合作伙伴计 划2 放大转发 基站 波束成型 信道状态信息 循环延迟分集 循环前缀 质心条件 解码转发 延迟分集 执行委员会 快速傅立叶变换 电气电子工程师学 2 0 石 快速傅立叶反变换 空时分层码 长期演进阶段 多输入多输出 最大似然译码 用户终端 移动多跳中继 最大比合并 媒体接入控制 最近邻居条件 正交频分复用 正交频分复用多址 并行级联卷积码 p f u 冲 r s q a m s t b c s c m s t t c s g p e a k - t o a v e r a g ep o w e rr a t i o r e l a ys t a t i o n q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n s p a c e t i m eb l o c kc o d e s p a t i a lc h a n n e lm o d e s p a c e - t i m et r e l l i sc o d e s t u d yg r o u p t i m e d i v i s i o n s y n c h r o n o u s c o d ed i v i s i o n t d s c d m a m u l t i p l ea c c e s s t gt 缸kg r o u p v 二b l a s tv e r t i c a lb e l ll a b o r a t o r yl a y e r e ds p a c et i m e w l a nw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k 肋r l d w i d e i n t e r o p e r a b i l i t y f o rm i c r o w a v e w i m a x a c c e s s w d t n e r w i r e l e s sw b r i di n i t i a t i v en e wr a d i o 第5 7 页共5 9 页 峰均功率比 中继站 正交幅相调制 空时分组码 空间信道模型 空时网格码 研究小组 时分同步码分多址 工作小组 垂直贝尔实验室分 层空时码 无线局域网 微波存取全球互通 无线世界开创新无 线电 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 做的任何贡献均已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：j 睦选日期：塑兰：! 圭 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范围，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，适用本授权书。 本人签名：丝擅 日期：硅盟主：丝 导师签名： 凿盔耋：嗍一丝2 。至! 丝二 第一章绪论 1 1 论文研究的背景和意义 无线通信是采用电磁波进行信息传递的通信方式。无线通信发展至今，人 们对无线传输的数据速率和服务质量的要求不断提高。与主要传送语音业务的 第1 代、第2 代无线通信系统不同，第3 代及第4 代无线蜂窝通信系统还将支 持速率高达1 0 0 m b s 一1 g b s 的多媒体宽带数据业务，因此寻求迸一步扩大信道 容量、改善通信质量的新技术是国内外学术界普遍关注的问题。 m i m o 技术和o f d m 技术被公认为第4 代无线通信系统物理层关键技术。 m i m o 技术采用分立式多天线结构有效地将通信链路分解成为许多并行的子信 道，在无需耗费额外带宽和功率的条件下，大大提高系统容量和传输链路质量。 m i m o 系统可以抗多径衰落，但对于频率选择性衰落仍是无能为力，可利用目 前广受关注的o f d m 技术来解决这一问题。o f d m 是多载波传输方案的实现方 式之一。0 f d m 技术的主要思想是将信道分成若干个正交子信道，在每个子信 道进行窄带调制和传输。o f d m 技术通过把频率选择性衰落信道分解成一组并 行平坦衰落信道提高系统抗频率选择性衰落的能力。因此m i m o 和o f d m 的 结合是无线通信技术发展的一个必然趋势。 i m t - a d v a n c e d 要求移动通信的传输速率到达1 0 0 m b s 1 g b s ，这在传统的 蜂窝网络中几乎无法实现，为了实现未来无线移动通信系统的高数据速率、高 频谱效率、无处不在的覆盖等目标，基于基础设施的中继网络的概念被相关研 究者提出。引入中继技术后宽带无线通信的组网方式与传统的无线接入最大的 差异就是接入方式的多样性。移动终端可以直接通过中继站接入无线网络，也 可以在中继站的协作下通过基站接入无线网络。中继协作技术的理论基础是协 作m i m o ，即不同的中继节点，中继节点与用户或中继节点与基站模拟一个信 号源的不同天线，共同向基站终端发送或接收数据。中继协作技术不但能够有 效地改善网络覆盖质量，还为在高频段实现宽带无线接入提供了一种高性价比 的解决方案。基于中继的网络结构及其协作机制已经得到了国内外学者的广泛 重视，在未来移动通信( 3 g p p 、3 g p p 2 、b 3 g 、4 g ) 、无线局域网( w l a n ) 和宽带无线网络( i e e e8 0 2 1 6 j ) 等标准的制定中，都引入了中继的概念并考虑 了中继协作通信中存在的问题。欧盟无线世界开创新无线电( w i n n e r ) 计划 第1 页共5 9 页 也对泛在宽带移动无线中继网络做了详细的规划。中继协作技术作为一种新型 组网技术还有许多问题亟待解决，例如系统配置中继节点的个数与位置，基站 与中继之间的频谱规划与无线资源管理以及协作转发的触发与中继节点选取， 中继之间的同步等。综上所述，对无线通信中的中继协作机制进行研究无疑具 有重要意义。 1 2 研究内容及成果 本论文研究课题来源于实验室项目：多跳o f d m a 蜂窝系统资源分配与干 扰协调机制、o f d m l 7 0 f d m a 系统中多小区联合资源分配调度算法研究 ( y j c b 2 0 0 6 0 1 5 w l ) 。本文对无线通信中的中继协作原理和中继协作机制进行 了研究，特别对目前广泛使用的多天线中继空时分组码协作机制进行了深入的 分析，提出了一种可获全速率和高分集增益的多天线中继s t b c 协作机制。 具体研究内容和成果如下： 1 对中继协作原理和现有中继协作机制的研究。这一部分包括对m i m o 技术及其空时编码技术的研究，对中继技术引入必要性及其涉及的关 键技术的介绍，对现有中继协作机制的研究与分析。 2 通过对目前多天线中继协作机制的研究，针对任意发射天线下多天线 中继s t b c 协作机制无法获得全速率传输的缺陷，以较低的译码复杂 度构造了一种可获全速率和高分集增益的多天线中继s t b c 协作 ( 眦s c ) 机制。 3 为了降低m a r s c 机制的信道反馈开销，使其能够应用到实际系统中， 对有限速率反馈技术进行了研究，并提出了一种适合m a r s c 机制的 有限速率反馈设计。 4 搭建o f d m a 系统中下行中继协作链路级仿真平台，实现多种单天线 中继和多天线中继协作机制，并对现有中继协作机制与本文所提 m a r s c 机制进行了性能对比和分析。 1 3 论文结构与安排 本章后续章节的安排如下： 第二章介绍了多输入多输出无线通信系统基本原理，其中包括m i m o 系统 模型介绍和信道容量分析；对空时编码技术，特别是a l a m o u t is t b c 编码译码 过程进行了详细的介绍，并对其在s c m 信道和j a k e s 信道模型下的误码率性能 第2 页共5 9 页 进行了仿真实现和分析；最后简要介绍了o f d m 技术和基于o f d m 技术的 m i m o 系统原理。 第三章介绍了中继技术原理及现有的中继协作机制。对中继技术引入的必 要性、中继涉及的关键技术以及中继在w i m a x 系统、w i n n e r 计划和3 g p p 中的应用进行了详细的介绍；在此基础上引出了中继协作技术并介绍了现有的 中继协作机制，包括三终端的中继协作机制、多中继并行传输的协作机制以及 多跳协作机制并具体分析了i e e e 8 0 2 1 6 j 中的中继协作机制。 第四章提出了一种可同时获得全速率传输和高分集增益的多天线中继 s t b c 协作机制。在对算法进行详细说明后，分别通过理论和仿真分析了所提 机制的误码率性能。对链路级仿真的参数设定、仿真流程进行了详细介绍，并 重点介绍了t u r b o 编码方案和s c m 信道建模过程。 第五章对有限速率反馈技术进行了研究并提出了一种适合所提m a r s c 的 有限速率反馈机制，通过仿真结果证明该有限速率反馈机制可在损失较小性能 的情况下显著降低信道反馈开销。 第六章给出了本文的工作总结与下一步工作展望。 第3 页共5 9 页 第二章多输入多输出无线通信系统 随着无线通信的迅猛发展，人们对无线通信业务的类型和质量的要求越来 越高。在当前频谱资源下提高通信速率和可靠性的办法之一就是使用多个发送 和多个接收天线，也就是m i m o 无线通信系统。根据香农信息论，空间维数的 引入为信号设计增加了额外的自由度，原本在低维空间中比较困难的优化问题， 在高维空间有可能迎刃而解，从而获得更好的系统性能。f o s c h i n i 和g a n s 【1 j 的 工作以及t e l a t a r t 2 l 的工作是对多天线信息论研究的开创性文献。这些文献从信 息论的角度证明了接收端和发射端采用多个天线的无线通信系统可以成倍地提 高系统容量，信道容量的增长与天线数目呈线性关系，这个结论激发了人们对 m i m o 无线通信系统的广泛研究。 m i m o 技术本质上是空间分集与空间复用的结合，分集可以保证传输的可 靠性，复用则可以提高传输速率。在传统的无线通信理论中，多径效应会引起 无线信号的衰落，因而被视为一种不利因素，但如果在发送端与接收端同时采 用多天线系统，只要各天线单元间距足够大，无线信道的多径分量足够丰富， 那么天线接收到的多径信号的衰落就趋于独立，m i m o 技术就利用了这一特性。 m i m o 技术利用空时编码将发射信号分为若干信息子流，以相同的频率经不同 的天线同时发射出去，经过多径信道的传播，这些并行子流以不同的路径到达 接收机，并由不同的天线接收，接收机利用空时解码对各接收信号进行处理， 并恢复出原始数据流。由于这些子流同时发送，占用同一频带，因而并未增加 带宽。若各个发射与接收天线之间的信道响应相互独立，则可以创造多个并行 的空间信道。因此，m i m o 系统可以充分利用无线信道的多径传播，获取空间 复用增益和空间分级增益，从而显著提高无线链路的质量和容量。 空时编码是m i m 0 的核心问题。相关文献中已提出了不少m i m o 空时编 码算法。对空时编码的研究主要分为三大方向，自从舢a m o u t i l 3 j 提出两天线正 交空时码以来，立即引起了研究者的注意。t a r o k h l 4 】等人将其推广到多天线情形， 由于正交发分集技术编译码算法简单，且能获得分集增益，已经在3 g 移动通 信系统中得到广泛应用。f o s c h i n i 【5 j 提出的分层空时码催生出了b e l l 实验室著名 的垂直贝尔实验室分层空时码( v e r t i c a lb e l ll a b o r a t o r yl a y e r e ds p a c et i m e ， v - b l a s t ) ，通过现场实验，证明了m i m o 系统的卓越性能，引发了后继的种 种改进型研究。除了上述的空时编码研究以外，另一个重要的研究分支是空时 网格码( s p a c e t i m et r e l l i sc o d e ，s t r c ) ，这一分支的研究目的是将信道编码和 第4 页共5 9 页 多天线系统做联合优化，在天线数目较小的条件下就可以获得相当大的编码增 益，s t i c 的提出是将信道编码与信息处理联合优化的典型范例。本章主要讨 论了s t b c 编码方式，同时给出了m i m o 系统模型、信道容量以及本文采用的 基于o f d m 技术的m i m o 系统原理。 2 1m i m o 系统模型与信道容量 2 1 1m i m o 系统模型 假设一个点对点m i m o 系统有根发射天线，根接收天线。系统结构 如图2 - 1 所示。用一个n t x l 的列向量x 表示每个符号周期内的发射信号，其中 第f 个元素薯表示第f 根天线发射的信号。用一个x n t 的矩阵h 表示收发天线 之间的信号衰落系数，其中元素j i l 筇表示第f 根发射天线与第j 根接收天线之间 的信道衰落系数。用一个x l 的列向量r 表示每个符号周期内接收到的信号， 其中第歹个元素，表示第j 根天线接收的信号。用一个x l 的列向量n 表示每 个符号周期的加性噪声，其中第个元素，l ，表示第_ 根天线接收的加性噪声。 以上变量满足： o ( t ) = h , i ( t ) x i ( f ) + 以( t ) f = 1 ，2 ，脚：j = l 2 ，卅置 式( 2 - 1 ) 考虑到慢衰落信道假设，h ( f ) = k ( o ) - - h 上式可简化为： o ( t ) = j i l f 五( f ) + 厅( t ) f = 1 ，2 ，n r ；，= 1 ，2 ，n r 式( 2 - 2 ) 或用矩阵形式表示为： r ( t ) = h x ( t ) + n ( t ) 式( 2 3 ) 其中，h = 啊。啊z h 2 l h 2 2 h 2 竹 吃。吃。z 第5 页共5 9 页 图2 - 1m i m o 系统框图 2 1 2m i m o 信道容量 系统容量定义为在保证误码率任意小的条件下的最大发射速度，它是通信系 统的重要指标之一。对于具有脚根发射天线和万r 根接收天线的m i m o 系统， 假定信道为独立的r a y l e i g h 衰落，则系统的容量【6 1 可以表示为： c = l o g ：d e t 【i 一细n 2 - 酽l 旧他) 式( 2 4 ) 其中，d e t 表示取行列式，i 是l r 单位矩阵，p 是接收端平均信噪比，h 日 表示矩阵h 的h e r m i t i a n 转置矩阵，即h 的复共轭转置矩阵。 当，唧很大时，信道容量c 近似为： c - m i n n r ， l 0 9 2 ( p 2 ) 式( 2 - 5 ) 可以看出，m i m o 系统的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就 是说m i m o 技术可以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，频率利用率可以成倍提高。 2 2 空时编码技术 使用多根发射天线和多根接收天线构成的m i m o 系统可以使无线通信系统 的信息容量得到显著提高。对于具有多根发射和接收天线，且接收机端已知独 立平坦衰落信道的系统而言，信息容量随收、发天线数目的最小值呈线性增长。 使用空时编码是达到或接近m i m o 无线信道容量的一种可行、有效的方法。 空时编码是一种用于多发射天线的编码技术。该编码在多根发射天线和各个时 间周期的发射信号之间能够产生空域和时域的相关性。这种空时相关性可以使 接收机克服m i m o 信道衰落和减少发射误码。对于空间未编码系统，空时编码 第6 页共5 9 页 可以在不牺牲带宽的情况下起到发射分集和功率增益的作用。 空时编码在编码结构上有多种方法，包括s t i c 、分层空时码( l a y e r e ds p a c e t i m ec o d e ，l s t c ) 和s t b c 。所有这些编码方案的核心思想是使用多径能力来 获得较高的频谱利用率和性能增益。本小节在简要介绍空时网格码和分层空时 码的基础上，将详细介绍课题研究重点空时分组码。 2 2 1 空时网格码 空时网格码是空时编码的一种，因编码方法采用格状编码而得名。t a r o k h 、 s e s h a d r i 和c a l d e r b a n k 首次提出将信道编码、调制以及收发分集联合优化的思 想，构造空时网格码。空时网格码是空时编码中性能较好的一类码，具有较强 的抗衰落能力。s t i c 既可以获得完全的分集增益，又能获得非常大的编码增 益，同时还能提高系统的频率效率。但是，由于频带利用率不随天线个数增加 而增加，因此限制了空时网格码的应用。另外，空时网格码采用v i t e r b i 算法译 码，其译码复杂度随着分集增益和频带利用率呈指数增长，即使对于较小的分 集增益和频带利用率，相应的译码复杂度也很大叼。 假设空时编码系统，发射端有脚根天线，接受端有n 膏根天线。在t 时刻， 送入s t i c 编码器的二进制信息比特流为： q l t ，j s t i c 编码器将m 个信息比特编码为朋下个编码比特，送入m 一2 肼进制的 线性调制器，经过串并变化后，成为册r 维的符号矢量( 对于s m a r t g r e e d y 码 和s m a r t - r o b u s t 码，p 1 ，通常假设p ，1 ) ： x t = ( # ，矗妒) r 这并行 拘l l t 个输出同时送入到对应的天线单元，就完成了s t i c 的编码工 作。这样整个编码器的码率为r = m p n r 。s t i c 编码系统的结构如图2 - 2 所示。 多 径 信 道 空空 时 时 解译 调码 图2 2s t t c 编码系统结构图 第7 页共5 9 页 输 出 信 息 流 2 2 2 分层空时码 空时网格编码存在一个潜在的缺陷，就是随着每一符号所包含比特数的增 加，译码器的复杂度呈指数上升，因而限制了数据速率。f o s c h i n i 提出了分层 空时编码结构，以获得更大的m i m o 信道容量。最初提出的对角分层空时码可 以达到m i m o 信道容量的下界。分层空时码最大优点在于允许采用一维的处理 方法对多维空间信号进行处理，因此极大地降低了译码的复杂度。分层空时码 的思想是先把高速的数据流分成若干的低速数据流，然后通过并行信道编码器 进行分层空时编码后再调制到多个天线上进行发送。分层空时码的发送模型如 图2 3 所示。 输 入 信 息 流 图2 - 3 分层空时码的发送模型 在各发送信号之间，b l a s t 系统并不是引入正交关系来实现不相关性，而 是充分利用无线信道的多径传播特性来达到区分同信道信号的目的。根据编码 和调制输出符号映射到发送天线的方法的不同以及编码的有无，可将分层空时 分组码分为3 类：水平分层空时编码、垂直分层空时编码和对角分层空时编码。 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内的编码， 所以空时特性特差；垂直分层空时编码的空时特性及层次结构比水平分层空时 编码好，较对角分层空时编码差，但没有传输冗余。对角分层空时编码具有较 好的空时特性及层次结构，但是存在传输冗余，当传输的帧长度较短时，这一 冗余是不可忽略的。垂直分层空时编码与水平分层空时编码和对角分层空时编 码相比有着易于构造且检测译码复杂度低的优势，得到了广泛的研究与应用。 分层空时码的译码有很多算法，最优算法当然是最大似然译码( m a x i m u m l i k e l i h o o dd e c o d e ，m l d ) 算法。但是m l d 算法具有指数复杂度，无法实用化， 因此学者们提出了各种简化算法，其中常用的检测算法包括：迫零算法、q r 分解算法及m m s e 算法【8 j 。 2 2 3 空时分组码 结合课题研究重点，下面将着重介绍空时分组码。空时分组码是近几年来 研究较多的一种编码方式，它虽然不如空时网格编码能获得较高的编码增益， 但其结构简单，处理和实现较为简便。 s t b c 编码最先是由a l a m o u t i 引入的，采用了简单的两天线分集编码的方 式。这种s t b c 编码的最大优势在于采用简单的最大似然译码规则，可以获得 第8 页共5 9 页 完全的天线增益。t a r o k h 进一步将两天线s t b c 编码推广到多天线的形式，提 出了通用的正交设计准则。正是这种正交性的存在，使得空时分组码的解码很 简单，只需要将接收信号进行简单的线性组合就能得到用于判决的解码信号序 列。 对于复信号，当发射天线数等于2 时完全正交的空时分组码可以提供全分 集增益和全速率传输，但当发射天线数大于2 时就不能实现全速率数据传输。 空时分组码的不足之处就是它的频带利用率有时不能达到最大。当采用复正交 设计时，只有在发射天线数等于2 时，频带利用率才可达到最大，而对于其他 情况，均不能达到最大值。因此，寻找频带利用率较高的分组码也是今后一个 比较重要的研究方向。下面着重介绍一下a l a m o u t i 空时分组码的编码和译码算 法。 a l a m o u t i 空时分组码是最简单的具有两个发射天线一个接收天线的空时分 组码。在这种编码方案中，每组m 比特信息首先调制为腊= 矿迸制符号。然后 编码器选取连续的两个符号，根据下述变换将其映射为发送信号矩阵。 x ：降之l 式( 2 6 ) 【工2五j 天线1 发送信号矩阵的第一行，天线2 发送信号矩阵的第二行。编码器结- 构如图2 4 所示。 编码器 时域| h 小臣鞠； ； 由图可知，a l a m o u t i 空时分组编码是在空域和时域上进行编码。令天线1 和天线2 上的发送信号矢量分别为： x 1 。【t - x ；】，x 2 x 2 州 式( 2 7 ) 这种空时编码的关键思想在于两个天线发送的信号矢量相互正交，即 x 1 ( x 2 广= v ：一葛墨；0 式( 2 8 ) 相应地，编码矩阵具有如下性质： ) 【) ( 日= i 】：1 1 2 + l 工2 1 2i ，q i ：+ 0 0i，。：l：=(1】气12+i，c：12)i： 式( 2 9 ) i时+ 阱川叫 一 式中，i ：；黾2 x 2 的单位矩阵。 假设接收机采用单天线接收。发送天线1 和2 的块衰落信道响应系数为： 嚏一慨l e 担，i i l 2 - - i h ：e 鹏 式( 2 1 0 ) 在接收端，相邻两个符号周期接收到的信号可以表示为： r 乞1 = 。h l x 城i + h 2 x 2 + n + i 厅：i 式( 2 - 1 1 ) + h 2 x ：1 乞。一城 + 厅： 式中，n 1 和表示第一个符号和第二个符号的加性白高斯噪声样值。这种两发 一收的接收机结构如图2 - 5 所示。 d 2 ( i l i ；l + h 2 x 2 i ：+ d i2 ( r 2 , - h 。t ；? 孑：) 式。2 。2 ， = r x - 魄x t 一心；z 1 2 + i 吃+ 嚏三：一7 1 2 三：1 2 1 式中，未。，；：都是星座图上的信号点。 将上式展开可得： 第l o 页共5 9 页 l 吒一啊三，一如；z 1 2 + l 厂2 + 嘎；：一如；：1 2 一( 1 - 1 j l l2 一i 吃1 2 ) ( 1 1 2 + i ，z 1 2 ) + ( i 啊1 2 + l z 1 2 1 ) ( 1 ；t 1 2 + i ；z 1 2 ) + 式( 二，3 ) 1 w + h 2 r 2 一二1 2 + l 噬吒一啊巧一三z 1 2 由于上式中的第一项是公共项，与信号点无关，可以忽略，这样可得最大 似然译码判决准则为： ( 赫) 一鹕【霹( 岍岍1 ) ( 时+ 阱) ( 王t ，x t ) 彬( 五；：) 蛔4 ) 其中，c 表示调制符号对的组合，；。，；：是判决统计量，表示为： i j x 2 - - - - ( h l 啊| 2 1 2 + | + l 也h 2 鼢篡 静均 1 。 1 2 ) 屯一j l l 厅；+ j i l ；厅。 一。1 j 7 当采用m p s k 调制方式时，对于所有的信号点( 恢1 2 + i j i l ：1 2 1 ) p 1 2 ，f 一1 , 2 j - 黾 常量，因此最大似然判决准则可以进一步简化为： 本文对双发单收和双发双收下的a l a m o u t is t b c 性能进行了仿真，并与单 发单收和单发双收最大比合并两种方案对比。这四种方案在瑞利信道和s c m 信 道下的误包率性能请见下图： 第1 1 页共5 9 页 回q 式 溉 声 伍仁 2 心 + 刮陆 一 一 幢 幢 心忱 + + 眨l口rl 么h m 芦 咖芦 蛐卟 m 屯 g 苫 呱 ；暑 昌 墨 刁 1 q 式 2 汜iq 勋 懂 一 一 吃 。 肜 崩 “ 一 。 吲嚷 引 唱 盯 吼 引卜 瓤 b 2 仁三，仁r 2 2 d d 吨栌咖栌 g 苫 叫 缸 昌 i n 现 正 山 l 1 0 缶1 0 z 正 1 0 4 s n r ( d b ) 图2 - 6 瑞利信道下a l a m o u t is t b c 性能 - 2o24 68 s n r ( d b ) 图2 - 7s c m 信道下a l a m o u t is t b c 性能 由上图可知，无论在瑞利信道下还是在s c m 信道下，a l a m o u t is t b c 编码 都会提高系统性能。a l a m o u t is t b c 采用非常简单的最大似然译码算法就可以 第1 2 页共5 9 页 获得完全的分集增益。编码设计的关键在于保证两天线发送信号序列之间的正 交性。因此，t a r o k h 将正交设计思想推广到多个发送天线，提出了一般的正交 空时分组码设计方法。这些s t b c 码可以获得完全的分集增益，并且只需要利 用线性信号处理进行简单的最大似然译码。 2 3 基于o f d m 技术的m i m o 系统 2 3 1o f d m 技术的基本原理 o f d m 是一种多载波调制技术。它的核心思想是将信道分成若干正交子载 波，将高