（通信与信息系统专业论文）无线通信中的空时分组编码研究.pdf

硕士学位论文无线通信中的空时分组码研究 摘要 多输入多输蔓( m 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 ) 系统因其在信道容量和分集方 面的卓越性能，成为未来无线通信系统的发展方向。空时码是m i m o 系统关键技术之 一，其能充分挖掘m i m o 系统的空间分集和编码增益。 本论文主要研究空时码之一空时分组码( s t b c ：s p a c et i m eb l o c kc o d e ) ，包括对 正交空时分组码，准正交空时分组码及宽带无线信道下o f d m 同s t b c 结合的研究， 主要研究内容如下： 1 较深入的研究了正交空时分组编码( o s t b c ) 的设计与译码，在瑞利信道的仿真 分析表明：正交空时分组码可显著提升系统的性能。如比特传输速率为l b i t ( s h z ) 的单 接收天线条件下，当比特错误概率为1 0 - 3 时，4 发射天线q p s k 调制的正交空时分组码 g 4 4 8 相对于2 发射天线b p s k 调制的a l a m o u t i 方案系统性能提升约3 5 d b ，相对单发单 收的b p s k 未编码系统性能提升约1 4d b 。 2 重点研究了全速率传输的准正交空时分组码( q o s t b c ) 。主要对成对最大似然译 码算法( d m l ) ，快速译码算法( f m l ) ，基于m m s e q r 分解最大似然译码算法( l c m l ) 进行了比较性研究，通过仿真和分析获得如下结论：d m l 性能最好，但译码复杂度随 调制星座符号数呈指数增加；f m l 以牺牲相当的性能为代价换取较低的译码复杂度； l c m l 既显著地降低复杂度又可提供与d m l 近乎相同性能。 3 重点研究了宽带频率选择性信道下s t b c 和o f d m 的两种结合形式： s t b c o f d m 和s f b c o f d m 。仿真分析表明：在d o p p l e r 扩展较小的慢时变信道下， s t b c o f d m 性能受子载波数目影响比较小，s f b c o f d m 性能受子载波数目影响较大； 前者性能优于后者。 关键词：m i m o ，空时分组码，分集增益，正交，准正交，o f d m 硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo fi t se x t r a o r d i n a r yc a p a c i t ya n dd i v e r s i t y , m i m os y s t e mh a sb e c o m et h em a i n f u t u r ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s p a c e - t i m ec o d i n gi so n eo ft h ek e y t e c h n i q u e so fm i m os y s t e m s ，w h i c hc a nf u l l ye x p l o r es p a c ed i v e r s i t ya n dc o d i n gg a i n t h i sp a p e rm a i n l yi n v e s t i g a t e ss p a c e t i m eb l o c kc o d e s ，i n c l u d i n gt h er e s e a r c ho n 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 s ( o s t b c ) ，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 k c o d e s ( q o s t b c ) ，t h ec o m b i n a t i o no fo f d ma n ds t b ci nw i d e b a n dw i r e l e s sc h a n n e l t h em a i n c o n t e n to ft h ep a p e ri sa sf o l l o w s ： a ) f o c u so nt h ed e s i g na n dd e c o d i n go fo s t b c b ys i m u l a t i o ni nr a y l e i g hc h a n n e l ，w e c a nc o n c l u d et h a to s t b cc a no b v i o u s l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m f o re x a m p l e ， u n d e rt h ec o n d i t i o no f1b i t ( s h z ) t r a n s m i t t i n gr a t ea n do n er e c e i v ea n t e n n a , a tt h eb e r10 。 t h eo s t b cg 4 4 ss y s t e mw i t h4t r a n s m i ta n t e n n a sa n dq p s km o d u l a t i o n , i sa p p r o x i m a t e l y 3 5 d bb e t t e rt h a nt h ea l a m o u t is c h e m ew i t h2t r a n s m i ta n t e n n a sa n db p s km o d u l a t i o n ，a n d a p p r o x i m a t e l y1 4d bb e t t e rt h a nt h eu n c o d e ds y s t e mw i t h1 t r a n s m i ta n t e n n aa n db p s k m o d u l a t i o n b ) e m p h a s i so nt h es t u d yo fq o s t b c g r e a ta t t e n t i o ni sp a i do nt h ec o m p a r i s o no ft h e d o u b l em a x i m u ml i k e l i h o o d ( d m l ) d e c o d i n ga l g o r i t h m ，t h ef a s tm a x i m u ml i k e l i h o o d ( f m l ) d e c o d i n ga l g o r i t h m a n dt h el o w c o m p l e x i t ym m s e q r d - b a s e d m a x i m u m l i k e l i h o o d ( l c m l ) d e c o d i n ga l g o r i t h m b ys i m u l a t i o n ，w e c a nd r a wt h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ：d m li s t h eb e s tp e r f o r m a n c ea m o n gt h r e ea l g o r i t h m sb u tt h e c o m p l e x i t yi ss oh i g ht h a ti ti sa ne x p o n e n t i a lf u n c t i o na st h en u m b e rc o n s t e l l a t i o ns i g n a l s ； f m lo w n st h el o w e s tc o m p l e x i t yb u tt h ew o r s tp e r f o r m a n c e ；l c m la p p r o x i m a t e l ya c h i e v e s t h es a m eb e r p e r f o r m a n c ea sd m l w i t hl o w e rc o m p l e x i t yt h a nd m l c ) f o c u so nt h es t u d yo ft w oc o m b i n a t i o n so fo f d ma n ds t b c ：s t b c o f d ma n d s f b c - o f d m b ys i m u l a t i o ni ns l o wf a d i n gw i d e b a n dw i r e l e s sc h a n n e l ，w ec a nf i n d ：a ) t h e b e rp e r f o r m a c eo fs f b c o f d mc a nb ee a s i l yi n f l u e n c e db yt h en u m b e ro fs u b c a r r i e r s ；b ) s t b c o f d mi sn o ts e n s i t i v et ot h en u m b e ro fs u b c a r r i e r s ；c ) s t b c o f d mo u t p e r f o r m s s f r r o f d m k e yw o r d s ：m i m o ，s t b c ，d i v e r s i t yg a i n ，o r t h o r o n a l ，q u a s i o r t h o r o n a l ，o f d m i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 脚 跏男年多月移日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：耳啦 潮年月咖 硕士学位论文无线通信中的空时分组码研究 1 绪论 1 1 无线通信的发展 无线通信在社会经济和人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。目前，无线通 信涵盖了移动通信、无线局域网、固定无线接入、空间通信等诸多方面。其中移动通信 是当今通信领域内最为活跃和发展最为迅速的领域之一，也是对人类生活和社会发展有 重大影响的科技领域之一1 1 。自1 9 7 8 年底，第一个蜂窝移动通信系统a m p s ( 先进移动 电话系统) 研制成功的短短几十年中，移动通信已经经历了三次更新换代：即通常所说 的第一代、第二代、第三代移动通信系统。 第一代移动通信系统( 1 g ，1 s tg e n e r a t i o n ) 始于二十世纪七十年代。典型系统有美国 的a m p s ，北欧的n m t ，日本的n a m t s 。1 g 以蜂窝小区设计技术的应用为第一代无 线通信系统( 1 g ) 诞生的标志，主要采用模拟电子技术，f m 调制，f d m a 多址技术，提 供的服务仅为语音通信。第一代移动通信系统存在许多问题，如：频率利用率低，系统 容量小；不能提供高速数据业务服务；保密性差；移动设备成本高，体积大等。这些缺 点促使第二代移动通信系统( 2 g ) 的出现。 第二代移动通信系统兴起于二十世纪九十年代，代表系统有欧洲的g s m 、美国的 d a m p s ( i s 5 4 ，现在的i s 1 3 6 ) 和c d m a ( i s 9 5 ) 、日本的p d c ，以数字技术为其主要特征。 与第一代移动通信系统相比，第二代移动通信系统提高了频谱利用率和系统容量；能够 提供除语言通信之外的多种业务服务，如：有限速率的数据和图像信息传输；抗衰落性 能大大增强；具有更方便、灵活的网管与控制功能。由于第二代移动通信系统的巨大成 功，全球范围内的移动通信用户数量急剧增加，移动用户数目的高速增长，迫使现在的 移动通信系统急于解决如何进一步提高系统的频谱利用率和增大系统的容量的问题；同 时，i n t e m e t 也在飞速发展，移动用户迫切要求无线通信系统能够承担更高速率的数据 业务，这一切成为第三代移动通信系统发展的主要动力。 为实现任何人在任何时间、地点以任何方式与任何人进行通信的目标，i t u 提出了 第三代移动通信系统( 3 g ) 的研究，于1 9 9 2 年提出其频段范围，1 9 9 8 年后确定了最终的 无线传输技术( r t t ) 标准。第三代移动通信系统( 3 g ) 又称为i m t - 2 0 0 0 ，到现在为止，存 在3 种方案，即由欧洲和日本支持的w c d m a ，由美国提出的c d m a 2 0 0 0 ，由中国和 西门子等公司提出的t d s c d m a 。一般认为c d m a 技术和宽带业务是它的主要标志。 3 g 采用微蜂窝结构，宽带c d m a 技术，q p s k 调制、自适应调制方式，t d m a c d m a 多址技术，主要业务是在2 g 提供的话音数据的基础上，进一步提供包括数据、语音、视 1 绪论硕士学位论文 频和图像在内的多种业务。但3 g 的换架构仍承袭了2 g 的电路交换，而不是纯i p 方式； 流媒体( 视频) 的应用不尽如人意；数据传输率也只接近于普通拨号接入的水平等。因此， b 3 g 4 g 的概念应运而生。 当前，4 g 还处于研究的初级阶段，仅仅是一个主题概念，与3 g 之间并没有明确的 划分标准。相对于3 g 而言，4 g 在技术和应用上将有质的飞跃，而不仅仅是在第三代移动 通信的基础上再加上某些新的改进技术。4 g 要求新一代移动通信系统能够提供 1 0 0 m b i t s s ( 移动用户) 1 g b i t s s ( 固定无线接入) 的数据传输速率和极强的系统可靠性。 1 2 选题背景与意义 无线通信发展到今天，人们对新的无线业务如i n t e r n e t 接入和多媒体传输的需求， 对无线通信的传输速率和质量提出了更高的要求。但是，有限的发射功率和频谱资源、 无线信道的衰落效应和同信道用户之间的干扰都限制了现有系统的性能，使得可靠的高 速率无线数据传输成为一个极具挑战性的课题。 t e l a t a r t 2 j 和f o s c h i n i l 3 的研究表明，通过在无线通信系统的发射端和接收端均采用多 根天线，得到的多输入多输( m i m o ：m 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 ) 信道的容量在较高 信噪比区域与发射天线数和接收天线数的较小值成线性关系，揭示了m i m o 系统提升 数据传输速率的巨大潜力。另一方面，m i m o 系统可同时提供发射分集和接收分集，从 而明显提高信号在衰落信道中的检测性能 4 】- 【7 1 。 m i m o 系统在信道容量和分集增益方面的卓越性能使其成为近十年无线通信学术 界和工业界的一个研究热点，被认为是未来无线通信系统的发展方向。通过有效地设计 传输方案，m i m o 系统可以在不增加带宽和发射功率的前提下提供空间复用增益，极大 地提高系统的传输速率和检测性能，如f o s c h i n i 等人于1 9 9 6 年提出的贝尔实验室分层 空时结构【8 j ( b e l ll a b sl a y e r e ds p a c e t i m e ，b l a s t ) ；m i m o 系统的另一个重要研究方 向是根据一定的性能准则，在空域时域进行联合编码，即进行空时编码( s p a c e t i m e c o d i n g ，s t c ) ，通过利用而不是克服无线信道的衰落效应获得性能增益【9 】【1 0 】，从而大大 提高系统的传输可靠性。 1 3 空时编码技术概述 空时编码技术开始于发射分集的研究。它以m i m o 系统为平台，有效地结合了编 码，调制以及分集技术，将信号在时域和由多天线分布构成的空间域联合编码，可以在 不增加发送功率和频谱的条件下，通过对信号引入空间和时间的冗余度来实现增益 【1 2 】- 1 7 1 。该增益可以从两个方面来获得，一是多径效应获得的分集增益，另一个则是由 2 硕士学位论文无线通信中的空时分组码研究 天线间符号的相关性获得的编码增益。空时编码技术是提高无线通信系统传输速率和可 靠性的最有前途的解决方案之一，已被纳入第三代移动通信标准( 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3 4 1 。 空时编码包括空时网格码和空时分组码。空时网格( s p a c e t i m et r e l l i sc o d e ，s t t c ) 于1 9 9 9 年由朗讯实验室的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【6 j ，它基于空时延迟 分集技术【1 8 】，将普通的延迟分集中的重复码替换成某些简单的分组码，利用差错控制编 码、调制、发射和接收分集的联合设计来提高系统的编码增益。s t t c 由于考虑了前后 输入的关联，能够提供比现有系统高3 - - - 4 倍的频带利用率 7 6 】【7 “丌，达到编译码复杂度、 性能和频带利用率的最佳平衡，是一种最佳码，因此不存在性能超过空时网格码而实现复 杂度却更低的分组编码调制方法 2 6 】。但是，空时格型码的译码一般用维特l l ( v i t e r b i ) 译 码算法，其译码复杂度随传输速率的增加指数增加，目前其解码多用计算机搜索实现， 这是其应用受限的关键。 空时分组码( s p a c e t i m eb l o c kc o d e ，s t b c ) 由a t & t 的t a r o k h 等人在a l a m o u t i 0 9 的研究基础上提出的。a l a m o u t i 的研究表明，采用两个发射天线和一个接收天线的系统 可以得到采用一个发射天线和两个接收天线系统同样的分集增益。空时分组码正是利用 正交设计原理分配各发射天线上的发射信号格式，实际上是一种空间域和时间域结合的 正交分组编码方式。相对于s t t c 而言，尽管s t b c 由于不考虑前后输入的关联而使性能 略有下降，但其编码方案要简单得多：满分集增益但非全速率传输的正交空时分组码 ( 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 ，o s t b c ) 可使得得译码方法非常简单，是线性最大 似然( m a x i m u ml i k e l i h o o d ，m l ) 译码，只须对接收信号进行简单的线性处理就可以恢复信 号【2 6 】 2 8 1 。由于空时分组码的正交结构，其干扰抑制、信道估计、译码等都相对比较简单， 因此具有广阔的应用前景。 ， j a f a r k h a n i 提出的准正交空时分组码【2 0 】完善了空时分组码的理论。当发射天线数大 于2 且为复信号星座调制时，o s t b c 不能达到全速率的传输，准正交空时分组码( 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 ，q o s t b c ) 【2 0 】就是牺牲一定的正交性，用较高的译 码复杂度来换取满速率传输。常见的准正交空时分组编码有j a f a r k h a n i 码，t b h 码，三 角码等。q o s t b c 的发射矩阵满足部分j 下交，接收端采用成对最大似然译码算法可获得 最优性能，但译码复杂度相对o s t b c 较高【3 1 1 3 8 。 1 4 空时编码主要研究方向 目前对空时编码的研究很多，该领域的主要研究方向如下几个： ， 1 ) 构造性能更好的空时码，同时寻找更低复杂度的译码算法。对于s t t c ，文献 【5 8 5 9 给出了几种改进编码设计和译码方案，文献 7 4 】给出了一种新型的满分集编码方 3 l 绪论硕士学位论文 案，同时该编码方案的译码复杂度也有所降低，文献 7 5 】提出的基于超准正交空时分组 码的空时网格码的设计具有最低的译码复杂度；对于s t b c ，目前研究较多的是s t b c 的设计和q o s t b c 的译码等。较新的s t b c 编码设计方案如文献 7 9 _ 8 1 等，在分集增 益和编码速率上较之前人有所创新。对于q o s t b c 的译码，除成对最大似然译码方案 外，其它的译码算法如文献 4 5 提出的低复杂度的基于m m s e q r 分解的译码算法，文 献 4 2 提出的快速最大似然算法，以及e v i t e r b o 和j b 0 u t r o 在文献 6 0 中提出通用的v b 球形译码格码解码算法在空时分组码的应用等。 2 ) 超正交空时格码( s o t t c ，s u p e ro r t h o g a n a ls t t c ) 。s o t t c 最早于2 0 0 3 年由 h j a f a r k h a n i 提出【6 2 1 ，是一种将网格编码和s t b c 相结合的技术，将针对a w g n 信道设 计的s t t c 作为外码与s t b c 级联，s t b c 仅看成多天线系统的一种调制方式，它们可 以提供最大分集增益，最高的码率，和比s t t c 更高的编码增益【6 1 h 6 3 】。文献 6 4 给出了 一种基于旋转因子的提供全速率和满分集增益，且不增加编码和译码复杂度的一种超准 正交空时网格码。 3 ) 盲空时码。某些特定环境下，如接收端高速移动，信道衰落系数变化很快，接 收端难以对信道进行有效估计，这时需进行非相干检测，盲空时码技术因此产生。主要 包括差分空时码和酉空时码。基于正交s t b c 的第一个差分调制方案于2 0 0 0 年由文献 6 6 提出，文献 6 9 】给出了一种基于群码的差分空时码的不同构造方法，文献 7 0 7 1 将 差分空时调制推广到多幅度的情形。对于酉空时码，最早由文献 6 7 提出，随后，文献 6 8 提出了一种低复杂度的酉空时码。 4 ) 空时码与其它信道编码技术的结合，如空时网格码与可以达到接近s h a n n o n 极 限的信道容量的t u r b o 码进行平行级联，得到兼具两者优势的t u r b o 空时网格码 6 5 】等。 5 ) 空时编码与o f d m 技术的结合。正交频分复用( o f d m ) 2 3 】- 【2 5 】技术因其网络结 构高度可扩展，具有良好的抗噪声性能和抗多径信道干扰的能力以及频谱利用率高而被 普遍认为是下一代移动通信系统必不可少的技术。o f d m 和空时编码的结合构成的 m i m o o f d m 系统使两种技术相互补充、相得益彰，是实现无线高速高可靠性数据传 输 7 3 最具希望的解决方案之一。 6 ) 空时编码码与其它非编码技术的结合，如与阵列处理、智能天线中的波束成型、 多用户检测、多重格状码调制( m t c m ) 的结合等；分布协作环境下的最优空时码设计， 和解码检测，以及性能分析；空时分组码在3 g 和4 g 包括c d m a 系统中的应用等。 1 5 论文结构安排 本论文主要研究的是空时编码中的空时分组码( s t b c ) 。对正交空时分组码，准正 交空时分组码的设计准测，性能分析，译码方式比较以及在无线通信中的应用，宽带频 4 硕士学位论文 无线通信中的空时分组码研究 率选择性信道下的空时分组码等问题，本文进行了较为深入的研究。研究采用了理论分 析与计算机仿真相结合的手段，从理论和实践两个方面验证研究的正确性和可行性。各 章节内容如下： 第一章为绪论部分。简单介绍了本课题的研究背景，研究意义，国内外的研究现状， 和本文的结构安排等； 第二章为m i m o 系统概述。从一般的无线衰落信道的传播特性入手，进而研究平 坦瑞利衰落m i m o 系统模型和信道容量；接着简要介绍空间分集与空间复用技术，以 及它们的折衷； 第三章较深入的研究了正交空时分组编码。该章首先简单的介绍了空时编码的设计 准则，然后从讨论最简单的正交空时分组码，即a l a m o u t i 发射方案入手，紧接着讨论正 交空时编码的一般设计，m i m o 瑞利平坦信道和莱斯信道下的仿真实现，并给出性能分 析，仿真结果； 第四章主要研究准正交空时分组码。首先讨论了准正交空时分组码的设计，包括研 究较多的几种准正交空时分组编码如j a f a r k h a n i 码，t b h 码，三角码，旋转码等；另外， 针对各种复杂度不同，性能各异的译码方式，该章分别探讨各自的优缺点，适用场合以 及它们的性能比较等。 第五章研究频率选择性信道下的空时分组编码，包括m i m o o f d m 的两种实现形 式即s t b c o f d m ，s f b c o f d m 的基本原理和仿真实现，通过改变收发天线数与o f d m 子载波数目等参数，深入讨论它们各自特点，给出性能比较和仿真结果； 第六章为结束语，对论文的工作进行了总结，明确了今后需要进一步研究的问题， 探讨了可能的研究方向。 5 2 无线信道与m i m o 系统硕士学位论文 2 无线信道与m i m o 系统 多输入多输出( m 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 ) 技术是宽带无线通信领域 的关键技术之一，它可以在不增加系统带宽的情况下，利用分层空时结构提供空间复用 增益成倍地提高通信系统的信道容量，也可以利用空时分组码、空时网格码等编码方式， 提供分集增益，显著地克服无线信道的衰落效应，提高系统的检测性能。由于本文主要 研究的是空时分组码，重点将放在m i m o 如何获得分集和编码增益以提高系统性能的 研究上。 本章是以后各章的理论基础。主要内容包括无线衰落信道的传播特性，瑞利信道的 统计模型，m i m o 系统模型及信道容量，分集、复用技术以及分集与复用的折衷等。 2 1 无线衰落信道 2 1 1 无线衰落信道模型 地面无线信道的主要特征是由于多径传播引起的快衰落与时延扩展，由于接收机相 对发射台的移动而引起的多普勒频移。无线信道的接收信号由许多被减弱、有时延、有 相移的传输信号组成，基带冲击响应模型可表示为： l 。- 一i 办o ，f ) = 口f o ，r ) e x p j ( 2 z f i r j ( t ) + 咖o ，f ) ) 】万( f 一0 ) ( 2 1 1 ) i = o 其中a i ( 印? ) ，t i ( f ) 分别为t 时刻第i 个多径分量的实际幅度和附加时延， 2 咖霸( f ) + 咖( 印? ) 表示第i 个多径分量在自由空间传播所造成的相移，再加上在信道中的 附加时延。一般来说，相位仅用一个变量岛( 印? ) 表示，它包含了在第f 个附加时延内一 个多径分量所有的相移；因为a i ( f ，f ) 可能为0 ，所以在某些时刻t 和时延f ；，附加时延 段可能没有多径情况；n 表示多径可能取值的总数；艿( ) 是单位冲击函数，它决定在时 刻t 与附加时延f ，有分量存在的多径段数。 。 2 1 2 参数与信道分类 根据衰落的成因，无线衰落信道参数分为时间色散参数( 多径时延扩展与相关带宽) 和频率色散参数( 多普勒扩展和相干时间) 等，下面分别讲述。 通常用时延扩展来定义信道的相关带宽。假设第i 条路径的时延为气，对应的功率 为p ( r ，) ，则平均附加时延f ，均方根( r m s ) 时延扩展吒分别是功率延迟分布的一阶 6 硕士学位论文无线通信中的空时分组码研究 矩和均方根，定义为： 口；丁，p ( r 府； 忙莳2 丽 q 2 c r f = e ( f 2 ) 一f 2 ( 2 1 3 ) 式中 以，2 巧2 p ( 0 ) 耳产卜亩2 乞万 仁l q 相关带宽b 。是从r m s 时延扩展得出的一个确定关系值，是一个特定的频率范围， 在该频率范围内，两个频率分量有着很强的幅度相关性。若相干带宽定义为频率相关函 数大于0 9 的某特定带宽，则相干带宽近似为： 眈击 ( 2 上5 ) 衰落信号中的两个频率分量，当其频率间隔小于相关带宽时，它们是相关的，认为 信号只是经历了平坦衰落，即非频率选择性衰落；当频率间隔大于相干带宽时，它们不 再相关，符号间干扰导致波形失真，信号发生了频率选择性衰落。多径时延扩展与频率 选择性衰落、平坦衰落之间的关系如图2 2 中的衰落分类树所示。 无线衰落 平坦衰落 1 ，信号的带宽 码元间隔。 图2 1多径时延扩展的衰落分类树 下面我们讨论频率色散参数，即多普勒扩展和相干时间。由于移动用户与基站的相 对运动，每个多径波都会有明显的频率移动，这种接收信号频率的偏移称为多普勒频移， 它与成正比，由下式得到： 厶= ；c o s 0 ( 2 1 6 ) l 式中，1 ，为移动用户和基站的相对运动速度，兄为信号波长，0 为移动台移动方向 与波达方向之间的夹角。多普勒扩展是一种由多普勒频率偏移引起的衰落过程的频率扩 散，通常用协表示，定义为一个频率范围，在该范围内，收到的多普勒频谱为非零值。 7 2 无线信道与m i m o 系统硕士学位论文 设发射信号谱为乒，则我f f n - - ；认为接收信号谱在 一乒，乒+ 力 范围内存在分量。 相干时间z 就是两个瞬时时间的信道冲击响应处于强相关情况下的最大时间间隔， 它是多普勒扩展仍的时域表示，用于在时域描述信道频率色散的时变特性，即： z 7 j l( 2 1 7 ) jd 相关时间是信道随时间变化快慢的一个测度，z 越大，信道变化越缓慢，对应的多 普勒扩展饬越小；反之，乃越小，说明信道变化越急剧，对应的多普勒扩展毋越大。 多普勒扩展与相干时间有关，其引起的衰落称为时间选择性衰落。根据信道变化的 快慢，时间选择性衰落可以将信道分为快衰落信道和慢衰落信道。若基带信号带宽比多 普勒扩展伪大得多，则多普勒扩展的作用可忽略不计，这意味着无线信道是一种慢衰 落信道。否则，就应该考虑多普勒扩展的作用，这是快衰落的情况。 多普勒扩展与快衰落、慢衰落之间的关系如图2 4 的衰落分类树 2 3 】所示： 无线衰落 ( 基于多普勒扩展) 厂- l 快衰落慢衰落 1 ，高多普勒扩展；1 ，低多普勒扩展； 2 ，相干时i 日j 符号周期； 3 ，信道变化快于基带信号变化3 ，信道变化慢于基带信号变化 图2 2多普勒扩展的衰落分类树 综合考虑时间色散参数和频率色散参数，可将信道进一步分类为平坦慢衰落、频率 选择性慢衰落、平坦快衰落和频率选择性快衰落四类，如图2 5 所示 信 号 基 带 带 宽伪 l 频率选择性频率选择性 慢衰落快衰落 平坦 平坦 慢衰落 快衰落 乃 信号的符号周期 图2 3 无线衰落信道的分类 硕士学位论文 无线通信中的空时分组码研究 2 2m i m 0 系统模型与信道容量 2 2 1 系统模型 多入多出m i m o ( m 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 ) 技术是无线通信领域的重大突破， 它利用多天线来抑制信道衰，落实现在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量 和频谱利用率，是新一代移动通信系统的关键技术之一。m i m o 系统实际上就是空间分 集的具体实现。 j 网j i 一 三网上 1 - j 图2 4m i m o 系统基带离散时i 司模型框图 根发送天线和m 根接收天线的m i m o 系统基带离散时间模型如图2 4 所示。信 源经过信源编码得到比特流b ，经，进制调制( 每l o g ：个比特映射为一个调制符号) 后得到 符号流s ，然后将符号流s 输入空时编码器进行空时编码，在每一个时隙，信号 c t 。，n = 1 , 2 ，n 通过个发射天线同时发射。 接收过程是发射过程的逆过程。在时刻t ，第m 个接收天线上信号设为。，可以由 如下公式表示： ( 2 2 1 ) 上式中，l l 。表示在t 时刻，从发射天线n 到接收天线m 的子路径的衰落系数，e t 。 是在时刻t 第m 个接收天线上的噪声样本。由式2 2 1 可以看出，接收端的每根天线上的 信号是个发送信号经由信道衰落后和噪声的叠加，尽管不同的信号经历各种衰落后的 副本在每个接收天线上都混在了一起，但是接收端存在有m 个发射信号副本，为提供 分集增益创造了条件。 值得注意的是，式2 2 1 是建立在信道为平坦衰落信道的基础之上的，t 时刻的接收 信息只与t 时刻的发送信息有关。这种信道常常应用于对时延扩展非常小的环境( 如室 内) 进行建模。现实的无线通信信道一般是频率选择性的，并非如此理想化，特别是对 于码元符号持续时间很短的宽带系统，多径传播引起的频率选择性衰落尤为严重。对于 频率选择性信道，我们的处理方法是利用o f d m 将频率选择性信道转换成平坦衰落信 道，然后按照平坦衰落信道的讨论加以处理，第五章我们将详细讲述。 9 m 巳 + 阼白坼珂 忍 树 = m吩 2 无线信道与m i m o 系统 硕士学位论文 下面我们来讨论式2 2 1 的矩阵描述形式。假设每根天线上的发射数据帧长为t 个 符号周期，我们将在这丁个时隙从个发射天线发射的信号集中于一个丁的矩阵c ， 表示为： c l ，：c l 。 c 2 ，：c 2 。 c r 2 c t n ( 2 2 2 ) 同样，我们构造一个包含r 个时隙的所有接收信号的t m 维接收矩阵r 如下所示： r2 ，i m 朋 ： 吩肘 ( 2 2 3 ) 假设信号是准静态的，即在某一长度r 的一帧时间内路径增益为恒定值，只是帧与 帧之间有变化；且假设2 2 2 所定义的码字的帧长度丁 ，“，、 ( 2 2 7 2 ) l i l i l l ( ， ，1、 、， = l o d1 + 寺tl b i t ( s h z ) i = l 式中厂为接收天线上的信噪比，旯，o = 1 , 2 ，) 为h h h 的第i 个非零特征值，式( 1 3 ) 表明，式( 1 3 ) 表明，m i m o 信道容量可表示为m i n ( n ，m ) 个特征子信道的容量之和。当 信噪比较大时，文献 5 0 】证明了平均信道容量虿可表示为： c = m i n ( n ，m ) l o g y + d ( 1 ) b i t ( s h z ) ( 2 2 8 ) 式中，d ( 1 ) 在高信噪比时趋向于0 。可见，平均信道容量与发射天线数和接收天线 数的较小值成线性关系。 当发射端也知道信道矩阵h ，则通过发射端和接收端的联合处理可以将m i m o 信 道分解为多个独立的特征子信道，对这些特征子信道进行基于注水算法的功率分配【4 9 】 可以最大化信道容量。当各子信道的衰落系数存在相关性时，则衰落相关性会通过改变 特征子信道能量的统计分布改变m i m o 信道的平均容量，文献 5 1 5 2 1 中的研究表明平 均容量会随着相关性的增强而降低。同信道在发射端未知的情况相比，当发射功率较小 或信道矩阵各奇异值差距较大时，在发射端利用信道信息的预处理可以获得更明显的容 量增益。 上面提到的关于m i m o 信道的容量分析都假定信道在接收端完全已知，这在信道 变化很慢时如如对于固定无线接入系统是合理的假设。但是当信道变化很快时，由于接 收端难以获得较精确的信道估计，且由于需要反馈信道信息，其过程会带来相应的时延， 对于较复杂的信道条件，增加反馈与使用灌水法则均会极大的增加系统复杂度。因此通 常不进行信道估计并采用不需要信道信息的非相干检测，而发射端也相应地需要采用合 适的传输方案，如酉空时编码和差分空时编码。文献 8 2 考虑块衰落m i m o 信道，即信 道衰落系数在包含j 个字符周期的块内是恒定的但在不同的块之间独立地变化，针对接 收端没有信道信息的情况，证明了发射天线数等于j 时再增加发射天线并不能获得更高 的信道容量。文献 5 3 进一步证明了在快时变环境下，高信噪比区域的信道容量为： ，r ，、 c = k l1 一竺1)(29)lrl o g y + o ( 1 ) b i t ( s h z 2 式中k = m i n ( n ，m ，j 2 ) 。 2 无线信道与m i m o 系统硕士学位论文 2 3 空间分集和空间复用 2 3 1 空间分集 无线通信中广泛使用分集技术来减小多径衰落的影响，它可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。分集技术在接收端需要接收发射信号的多个样 本，每个接收信号携带相同的信息，但在衰落统计特性上具有较小的相关性。随后，采 用合理的方式合并样本，便可大大降低衰落影响，提高传输的可靠性。按照获得独立路 径信号的方法，分集方式可以分为时间分集、频率分集、空间分集等。 空间分集是无线微波通信中一项比较常用的技术，m i m o 系统是发射分集和接收分 集相结合的具体实现。利用空间分集的方法之一是在通信系统中采用多天线接收机，即 接收分集。接收分集在获得大性能增益的同时，还具有很强的抗邻道干扰能力。因此， 很多通信系统，如全球移动通信系统( g s m ) ，都在基站都使用接收分集。遗憾的是， 接收分集受到接收端成本和灵活性的制约，因而往往和发射分集结合起来使用。发射分 集能有效应对阴影效应引起的大范围衰落，与能很好对抗快衰落的接收分集相得益彰， 使得通信系统的可靠性得到很大的提升。 空间分集对系统传输性能的影响常用分集增益来描述，定义为： 门l o g ( p 。，l i g 。= 一m 竺 y - - o ol o g 杪) ( 2 3 1 ) 我们以m 接收天线的接收分集为例，来阐述分集增益。设发送符号x 具有能量巨， 接收端采用m 根接收天线，且各条信道支路独立。这样，第i 条分集支路接收信号为： y f = e m h i x + e i i = 1 ，2 9 f t m( 2 3 2 ) 使用最大比合并，得到的合并信号和接收信噪比为： z = h i y i ( 2 3 3 ) 7 72 砑i 智。r i h f | 2s n r r( 2 3 4 ) 其中，s n r r = 巨o 等效为单天线系统中的接收信噪比。若接收机进行最大似然检 测( m l ) ，则误符号率为 _ q ( 厮) n e e x p ( 一恸2 ) 訾厂 咖， 其中d 而。和也分别表示发送信号星座中相邻星座点之间的欧氏距离和具有最小距 1 2 硕上学位论文无线通信中的空时分组码研究 离的相邻信号点数的平均值。当信噪比较大时可得到误符号率上界的平均值为 3 1 】 可垂志砭1 而j 瓦( 警厂 叫， 若不使用接收分集技术，即m = 1 ，有 b e 冠陋僻d 二4 j - 1 ( 2 3 7 ) 由此可见，利用接收分集技术使系统获得了分集增益m ，表现在误码率性能曲线 上为曲线的斜率增大为未分集时的m 倍，大大提高了系统的性能。 2 3 2 空间复用 m i m o 系统中，一种有效的提高系统的数据传输速率的方法就是空间复用。空间复 用技术就是在发射端与接收端使用多个天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同一 频带上使用多个数据通道( 各子信道) 进行信号传输，从而使信道容量随着天线数量的 增加而线性增加以获得复用增益。这种信道容量增加的方式不占用额外的带宽，也不消 。耗额外的发射功率，因此是增加系统容量的一种非常有效的手段。一个典型的空间复用 系统的例子是贝尔实验室提出的分层空时结构( b l a s t ) ，其频谱利用率随着发射天线数 目的增加而线性增加，正是由于其能够实现未来无线通信高速数据传输，因此具有广阔 的应用前景。 在空间复用系统5 4 】 5 5 1 中，一个传输速率较高的数据流经串并变换分离为多组相对速 率较低并行传输的数据流，分别针对不同的发射天线对各子数据流独立的进行编码、调 制，各天线使用相同的频率与时隙进行发送。接收端的每一个天线收到的信号均为各发 送天线信号的叠加，接收机通过信号处理算法将各子数据流信号进行分离，再经解调、 译码与并串变换恢复出原始的数据流。 与分集增益相似，我们用空间分集增益来描述空间复用对系统传输性能的影响，定 义为： 昕一l i m 器1 0 ( 2 3 8 ) ，_ ” 倒y i 式中，r ( r ) 表示信噪比为y 时系统的频谱效率。 2 3 3 分集与复用的折衷 空时编码的主要目的就是为了获得最大可能的分集增益，它主要适应于低s n r 时 的较低速率的传输。与空时编码相比，空间复用的吞吐量成倍的增加所付出的代价是较 低的分集增益，适应于相对较高s n r 时的高速传输系统。文献 5 6 付旨出n 发m 收的