（通信与信息系统专业论文）空时码的研究.pdf

北京邮电大学硕十学位论文 空时码的研究 摘要 本论文研究基于正交设计的分组空时码，研究的内容包括分组空 时码的理论依据、构造和译码方案。重点对空时分组码在具体无线信 道中的性能表现和改进方法进行了深入的分析。主要包括： 首先对多天线信道容量理论进行了描述，其中重点讨论了：多天 线信道在频谱利用率上的提高：多发送天线与多接收天线的互易性； 信道容量推导过程对于多发送天线编码方案的指导意义等内容，这些 都直接引导了空时码的各种具体实现。 在此基础上，介绍了空时格码和空时分组的码字构造准则，以及 接收端所使用的译码合并方案。同时模拟实际无线信道情况搭建了仿 真模型，对空时格码、空时分组码和其它发送方案进行了性能仿真和 对比，说明了多天线发送方案的性能特点。在此基础上，对正交设计 的空时分组码接收合并的运算方法进行了总结，得到了通用的推导过 程。 最后，重点对正交设计的空时分组码的性能进行了较为深入的研 究，讨论了无线信道的各种具体情况( 信道间不完全独立、信道多径 时延扩展、多普勒频移等) 对码性能的影响，针对信道多径时延对码 性能的影响进行了定量的仿真。在关于性能改进的讨论中，重点分析 了两个方向的克服方法：一、改变信道来适应编码结构，其中对o f d m 技术与空时分组码结合的方案构建仿真系统进行了实际信道环境下 的仿真，对性能的提高以及根据信道情况定量确定o f d m 参数进行了 分析和比较。二、改变编码结构来适应信道，其中介绍了一种分块反 转的改进的编码方法，并对这种方法的理论依据和合并译码运算进行 了详细的描述。 关键词：分集，m i m o ，空时码，o f d m j 匕京邮电人学硕士学位论文 卒时码的研究 t h er e s e a r c ho fs p a c e t i m ec o d e a b s t r a c t t h e s i sa n a l y z e st h es p a c e - t i m eb l o c kc o d eb a s e do no r t h o g o r m ld e s i g n ，i n c l u d i n gt h e o r y g r o u n d ，c o n s t r u c t i o na n dd e c o d i n gm e t h o d s c o d i n gp e r f o r m a n c ei nr e a l w i r e l e s sc h a n n e la n d i m p r o v i n g m e t h o d si sf o c u s e do n ，a sf o l l o w ： f i r s t l y t h ec h a n n e lc a p a c i t yi n m u l t i - a n t e n n a s y s t e m i s d e s c r i b e d ，w em a k eo u r e m p h a s e s o nm u l t i a n t e n n a c h a n n e l s t m p r o v i n g o ft h eu t i l i z a t i o no f s p e c t r u m ，t h e e x c h a n g e a b i l i t y b e t w e e n m u l t i - a n t e n n a - t r a n s m i t t i n g a n d m u l t i - a n t e n n a - r e c e i v i n g ， a n dt h e g u i d a n c eo f c h a n n e lc a p a c i t y sd e d u c i n gp r o c e s st ot h em u l t i - a n t e n n a sc o d i n gt e c h n o l o g y ，w h i c h d i r e c t l yg u i d et h ei m p l e m e n t a t i o no f v a r i o u st y p e so fs p a c e - t i m e c o d e s e c o n d l y ，t h e s i sd e s c r i b e st h ec o n s t r u c t i o nm l c so f s t r ca n ds t b c ，a l s oc o n t a i n st h e c o m b i n i n g m e t h o d sf o rd e c o d i n gi nt h er e c e i v i n ge n d s i m u l a t i o nm o d e l sa r ec o n s t r u c t e d ，s o m e s c h e m e sa r ec o m p a r e da n dt h ep e r f o r m a n c eo fm u l t i t r a n s m i t - a n t e n n ai ss h o w e d b a s e do nt h i s ， g e n e r a ld e d u c i n gp r o c e s sf o r t h ec o m b i n i n gm e t h o di sg o t i nt h ef i n a lp a r tt h e p e r f o r m a n c e o f s t b ci sa n a l y z e d ，w ed i s c u s st h ei n f l u e n c ea b o u t v a r i o u ss i t u a t i o n so f w i r e l e s sc h a n n e l ( t h ec o r r e l a t i o na m o n gd i f f e r e mc h a n n e l s ，d e l a ys p r e a d i n g o f m u l t i - p a t h a n d d o p p l e rs p r e a d i n g ) t o t h ep e r f o r m a n c eo f t h ec o d e w em a k es e v e r a l s i m u l a t i o n sa b o u tt h er e l a t i o nb e t w e e nd e l a ys p r e a d i n ga n dt h ec o d ep e r f o r m a n c e i nd i s c u s s m g a b o u tt h em e t h o dt oo v e r c o m et h ei n f l u e n c eo f d e l a y s p n a d l n g w ei n t r o d u c et w o a p p r o a c h e s ： f i r s t l y ，t r a n s f o r m i n gc h a n n e l t of i tt h ec o d e ，w ec o n s t r u c tt h es y s t e ms c h e m eo f c o m b i n i n go f d m t e c h n o l o g ya n ds p a c e - t t m ec o d ea n d d os i m u l a t i o n su n d e rw i r e l e s sc h a n n e le n v i r o n m e n t s s e c o n d l y ，c h a n g i n g c o d es c h e m et of i tt h ec h a n n e l ，w ei n t r o d u c ea ni m p r o v e dc o d i n gs t r u c t u r e t h a tc a n p e r f o r m w e l li nd e l a y s p r e a d i n gc h a n n e l 北京邮电大学硕士学位论文空时码的研究 k e y w o r d s ：d i v e r s i t y , m i m o ，s p a c e t i m ec o d e ，o f d m 北京邮电大学硕j ：学位论文空时码的研究 第l 章绪论 在过去的1 0 0 年间，移动通信技术从无到有，获得了惊人的发展。当今的 个人通信设备已使在这个星球上任何角落的人们之间的相互通信成为可能。为提 高通信质量、覆盖面积以及系统容量，现代无线通信系统采用了差错控制编码、 收发分集等技术来提高无线信道传输的可靠性。贝尔实验室的f o s c h i n igj 将这 两项技术相结合，在1 9 9 6 年提出了分层空时码( l s t c ) 的编译码方案，该方案 被认为是最早的空时编码方案。1 9 9 8 年，朗讯实验室的t a r o k h 等人提出了一种 融入编码调制技术的网格空时码( s t t c ) ，能够同时获得网格的编码增益和空间 的分集增益。s t t c 不仅可获得较高的频带利用率，而且具有较好的抗衰落性能， 很快受到人们的重视，并在整个通信领域掀起了空时码的研究热潮。但是由于上 述两种方案在实现上都具有一定的复杂性，所以在一定程度上限制了它们的实际 应用。19 9 8 年日本人a l a m o u t i 提出一种使用两根发射天线的分组编码发送分集 方案，虽然该方案无法获得编码增益，性能比网格空时硬j ( s t t c ) 略有下降，但 是它的编译码复杂度要比s t t c 小得多，并且频带利用率与s t t c 相同。因此， 相对于s t t c ，该方案在目前具有更好的实用价值，已经被3 g p p 所采用，作为 3 g 通信系统下行发送的编码方案。在a l a r n o u t i 的基础上，t a r o k h 利用广义正交 设计原理将其进行推广，提出了分组空时码的概念。 1 芏本文中我们将这种基于正交设计的分组空时码作为研究的主要对象。下面 我们先简要回顾一下无线通信以及其中的差错控制编码和分集技术的发展史，并 介绍本论文的内容和结构。 1 1 无线通信 世界上第一套无线电通信设备在1 9 世纪末面世，最初应用于线缆无法连接 的海上船只与陆地间的通信。2 0 世纪，无线通信技术取得了长足的发展。在第 一次世界大战中，广播概念开始出现，但当时的广播电台设备都太过笨重，无法 到处搬移或携带。第二次世界大战中，为满足对战地通信能力的更高要求，车载 移动和便携式的无线电设备应运而生。车载移动无线电设备的出现为个人通信技 术的产生和发展奠定了基础。 第1 页 北京邮电大学硕士学位论文 空时峭的讲究 最早的非军事的大规模陆上无线通信应用是美国底特律的警车派遣系统。随 着美国无线电电话的发展，在1 9 4 6 年，移动用户可与公众电话网( p u b l i cs w i t c h e d t e l e p h o n en e t w o r k ，p s t n ) 相连，这可以称得上是移动通信发展史i 二的第一个里 程碑，在此之前，不同的陆地移动通信系统互不连通而且不与p s t n 相通。起 初，每个服务区都设有一个高耸的铁塔，其上装有大功率的收发信机，这种设备 在某时刻只能为一个用户提供半双工的通信服务。技术的进步使得同时刻允许 的呼叫数在1 9 5 0 年翻倍，6 0 年代中期再次翻倍。这时，出现了自动信道中继技 术及全双工自动拨号服务。但是，自动中继线路很快饱和了。譬如：在1 9 7 6 年， 只有1 2 条中继信道服务于有着1 0 0 万用户的纽约市。该系统只能支持5 4 3 个用 户，而等待服务的用户的数目己超过3 7 0 0 。 1 1 1 蜂窝移动通信系统 无线频谱的拥挤不堪使得一种新的移动通信方案的产生成为必须，在2 0 世 纪6 0 年代，美国电报电话公司( a m e r i c a nt e l e p h o n ea n dt e l e g r a p hc o ，a t & t ) 的贝尔实验室提出了蜂窝移动通信的概念。1 9 6 8 年，a t & t 向联邦通信委员会 ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i t t e e ：f c c ) 提交了蜂窝电话的概念。其思想是： 将大的覆盖区分割成称之为蜂窝( c e l l ) 的小的覆盖区，每个小区分配所有可用 无线频谱的一部分，相距较远的小区可分配相同的频谱。因其具有频率重用的特 点，蜂窝移动通信系统可为更多的用户提供服务。 图1 - 1 蜂窝频率复用 世界上第一个商业蜂窝移动通信系统于1 9 7 9 年在日本东京由月本电报电 话公司( n i p p o nt e l e g r a p h a n dt e l e p h o n e c o r p ，n t t ) 开始运营。随后n m t ( n o r d i c m o b i l et e l e p h o n e ) 在欧洲开始提供服务，该系统是由e r i c s s o n 研制开发并于1 9 8 1 年在斯堪的纳维亚开始投入运营的。在美国，采用蜂窝技术的a m p s ( a d v a n c e d m o b i l ep h o n es y s t e m ) 于1 9 8 3 年在芝加哥由a m e r i t e c h 丌始提供服务a 事实证 鹅2 页 北京邮电大学硕： 学位论文 空时码的研究 明蜂窝移动通信系统非常成功。蜂窝技术使移动电话由富人独享的服务变为大众 化的消费产品。客户需求指数量级的快速增长带来了服务于大都市的蜂窝网络的 极度拥挤。理论上讲，通过小区分裂，小区可以被分割得越来越小，于是，蜂窝 系统具有向任意多客户提供服务的潜力。但是实践的和经济的因素都限制了小区 的无限缩小。每个小区必须设置基站，而基站价格不菲且必须架设不那么美观的 天线塔。许多政府以有碍市容和可能危害人民健康为由拒绝在其辖区内设置基 站。同时，提高小区密度意味着越区切换的增加，这会使网络结构复杂化。 在2 0 世纪8 0 年代末，基于模拟技术的第一代蜂窝移动通信系统已显老旧， 集成电路技术的日新月异不仅使数字技术用于移动通信成为可能，而且与模拟技 术相比更加经济。先进的数字信号处理技术可以获得比模拟通信高得多的频谱利 用率，大大提高了无线通信系统的通信可靠性。而且，数字系统允许类型迥异的 数据复接，并且可以提供更高效的网络控制。 第二代数字蜂窝移动通信系统在全世界范围的大规模部署始于2 0 世纪9 0 年代初。欧洲率先部署了基于g s m ( g 1 0 b a ls y s t e mm o b i l e ) 这种泛欧标准的第 二代数字蜂窝移动通信系统。在此之前，欧洲并没有统一的标准：斯堪的纳维亚 使用两种n m t 制式( 订t 1 4 5 0 和n m t 9 0 0 ) ；德国使用c 4 5 0 制式；其它地 区使用t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 制和r 一2 0 0 0 制。这样，g s m 具有双重目的：升级传输技术，同时提供一种简单、统一的标准。由于有如此多 样的第一代系统存在，在欧洲必须给g s m 分配一个新的频段。美国的情况与欧 洲完全不同。在美国，只有一个标准：a m p s 。因为只有一个标准，所以无需分 配新的频带。可是，a m p s 日趋过时，在如此拥挤的市场中，对新技术的需求 越来越明显。工业界提出了数种频谱利用率更高但互不相容的标准。这些标准都 是双模的，即：他们都同时支持原来的a m p s 系统。美国的第二代蜂窝移动通 信系统可分为模拟系统和数字系统两大类。其中模拟系统是窄带a m p s ( n a m p s ) ，它与a m p s 的区别在于每个用户占用的带宽为1 0 k h z ，而不是原来 a m p s 的3 0 k h z 。 数字系统又可以根据其多址技术分为时分多址( t i m e d i v i s i o n m u l t i r ，l ea c c e s s ， t d m a ) 系统和码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 系统。在t d m a 标准u s d c ( u n i t e ds t a t e sd i g i t a lc e l l u l a r ，即i s 5 4 及i s 1 3 6 ) 中，几个用户占 用同一频率的不同时隙进行通信。在c d m a 标准i s 一9 5 ( i n t e r i ms t a n d a r d9 5 ， 后来的c d m a o n e ) 中，几个用户共同占用同一频率和同一时间，用宽带的扩频信 号调制其信号。在c d m a 系统中，用相互正交、互相关极低的扩频码束区分出 不同的用户。 第3 负 北京邮电大学硕十学位论文空时码的研究 11 2 第三代移动通信系统 2 0 世纪末的第二代移动通信系统标准繁多、互不兼容，无法提供全球漫游， 同时系统资源渐显短缺。为使2 1 世纪的移动通信真正成为个人通信，统一标准 势在必行。鉴于此，1 9 8 5 年国际电联( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n ，i t u ) 提出了未来公用陆地移动通信系统( 缸t u r ep u b l i cl a n dm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m ，f p l m t s ) 的概念，1 9 9 6 年更名为i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n s ) 。 i m t 2 0 0 0 定义了“家族”的概念，标志着i t u 放弃了在空中接口、网络技 术等方面一致性的努力，而致力于制定网络接口的标准和互通方案 1 6 。在各方 利益的驱动下，提交到i t u ，r 的用于地面移动通信的1 0 种i m t 2 0 0 0 无线传输 技术( r a d i ot r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , r t t ) 提案在激烈的斗争和妥协中融合为5 个，其中最有代表性的三个是c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 和t d s c d m a 。 c d m a 2 0 0 0 的设计思想主要考虑和i s 一9 5 的兼容性，尽量利用i s 9 5 的物理 层协议，这样i s 一9 5 的大部分基础设施可以继续使用，保证了第二代系统向第三 代系统的平滑过渡。c d m a 2 0 0 0 系统中保留了依靠全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n s y s t e m g p s ) 实现小区间同步；话音和窄带数据业务按照i s 9 5 方式实现，宽带 多媒体业务通过灵活配置的多载波c d m a 方式完成；系统同时支持a n s i 一4 1 核 心网和g s m m a p 核心网；上行信道采用连续导频方式，基站得以实现同步相 干检测，比i s 9 5 的上行非相干检测有很大性能提高，进一步增大了系统容量。 其他方面，c d m a 2 0 0 0 充分利用i s 一9 5 的成熟技术。 w c d m a 系统标准没有将和第二代系统的兼容作为设计目标，而且在很多 方面，如：不采用g p s 定时同步，刻意绕开i s 9 5 的专利，w c d m a 是种全 新的设计，可以充分发挥宽带c d m a 的全部潜力。w c d m a 系统采用导频符 号相干r a k e 接收，提高了反向信道容量；可选传输格式联合指示( t r a n s p o r t f o r m a tc o m b i n a f i o ni n d i c a t o r , t f c i ) ，提供了灵活多变的多承载业务能力：采用 上行链路反馈信息( f e e d b a c ki n f o r m a t i o n ，f b i ) 支持包括闭环发射分集( c l o s el o o p m o d e t r a n s m i t d i v e r s i t y ) 、空时发射分集( s p a c e t i m e t r a n s m i t d i v e r s i t y ，s t t d ) 、 时间开关发射分集( t i m es w i s h e d t r a n s m i td i v e r s i t y ，t s t d ) 、站点选择分级控制 ( s i t e s e l e c f i o nd i v e r s i t yt r a n s m i t ，s s d t ) 等需要移动台及时向基站反馈信息的新 技术；采用开环加自适应闭环的精确功控：并为诸如智能天线、多用户检测等新 技术的应用留有接口。同时，w c d m a 通过热点小区和层次化小区结构 ( h i e f a r c h i c a lc e l ls t r u c t u r e ，h c s ) 在人口密集区提供高密度大容量的服务，并采 用压缩模式进行信道测量。w c d m a 系统虽与g s m 反向兼容，但实际上，由 第4 负 北京邮电大学硕t 学位论文 空时码的研究 于在帧长度等方面差别较大，无法利用原来的g s m 基站和移动台。 中国提出的t d s c d m a 系统脱胎于信威公司的无线本地环( w i r e l e s sl o c a l l o o p ，w l l ) ，其设计思想是充分利用智能天线的空分多址原理，提高频谱利用 率。缩写中的“s ”是指智能天线、同步及软件无线电。其突出优点是：采用智 能天线技术，频谱利用率高，同时，降低了对功控精度的要求：采用软件实现同 步c d m a ，降低干扰，提高容量；由于上下行传输采用同一频率，所以上下行 电波传播特性相同，便于基站有效地进行各种预处理算法对抗恶劣的无线传播环 境；支持非对称业务，特别有利于无线i n t e m e t 接入；易于采用多用户联合检测； 采用“接力切换( b a t o n h a n d o v e r ) ”，无缝地将移动台从一个基站“接力传递” 给下一基站，避免了软切换时多个基站同时连接造成的资源浪费，进一步提高了 系统容量。 虽然作为第三代移动通信系统的i m t 2 0 0 0 未能实现标准的统一，但同第二 代移动通信系统的g s m 、i s 9 5 、d a m p s 、p d c 这许多标准共存的情况相比， 已是很大的进步了，第三代移动通信系统中至少在多址方式方面都采用了 c d m a 技术，频段和业务也得到了统一，可以通过“系统家族”和多模手机实 现全球漫游。 其实，少数几个不同标准的存在有利于竞争，给运营商和用户提供了选择的 余地。 展望未来，或许一个统一的标准能够在第四代或以后的移动通信系统中实 现。 1 2 差错控制编码 在通信过程中，为了保证数据的可靠传输，各种起到检错与纠错作用的差错 控制编码是必不可少的。伴随着s h a n n o n 对于通信基础的信息论的研究，差错控 制编码理论也在不断的发展。 12 1 分组码 s h a n n o n 定义可靠通信的理论界的同时，h a m m i n g 和g o l a y 已在忙于设计 最初的差错控制编码方案了。 通常认为r i c h a r dh a m m i n g 首先设计出了差错控制编码。在1 9 4 6 年，数学 家h a m m i n g 受雇于贝尔实验室从事弹性理论方面的研究。但是，h a m m i n g 发 现他的大部分工作时间都花在了他所使用的那些并不怎么可靠的计算机上。那时 的计算机具有检错能力，但是，当错误被检测出来后，计算机只是简单地终止程 第5 页 北京邮电大学硕士学位论文 序的运行。无奈中，h a m m i n g 开始研究如何通过某种编码使得计算机町以纠f 偶尔出现的非连续错误，从而不间断程序的运行。它将二进制数据4 个4 个分 组，通过对每组的4 个数据比特进行线性计算得出3 个校验比特。再将加有校 验的7 比特组输入计算机。通过一种算法，计算机不仅可以检测到7 比特组中 的错误，而且当7 比特组中出现单比特错误时，还可以定位出该错误。这样， h a m m i n g 的编码方案可以纠正编码后的7 比特码组中的1 比特错误，这便是汉 明码。 汉明码有其不足。首先，它效率不高，每四比特数据就需加三比特校验位。 其次，其纠错能力不强，只能纠正码组中的单比特错误。m a r c e lg o l a y 注意到这 些问题，并将h a m m i n g 的编码构造方法推而广之。在这一过程中，g o l a y 找到 了两种后来以其名命名的性能优异的码。第一种是1 2 位信息位，11 位校验位 的二进制格雷码。使用这种格雷码，恰当地选择译码算法时，可以纠正2 3 比特 码字中的3 比特错误。第二种是6 个信息符号，5 个校验符号的三进制格雷码， 该码可纠正1 1 符号码字中的2 个符号错误，汉明码和格雷码都是线性码。 在差错控制编码首次被发现以来的几十年间，许多新型的编码方案被发现并 被应用于实践。二进制格雷码被用于木星探测器旅行者1 号的差错控制。而现 在的通信系统中，性能更佳的编码方案取代了格雷码，例如：r m ( r e e d m u l l e r ) 码，循环码，b c h 码，r s 码等，其中r s 码在c d 中的应用使之成为1 9 4 8 年 s h a n n o n 开创信息论以后的五十年问差错控制编码技术最为广泛且最广为人知 的应用。 1 2 2 卷积码 尽管取得了巨大的成功，分组码仍有一些原理上的缺陷。首先，因为分组码 面向帧编码的特性，必须收到整个码字之后才可以译码。这会引入过长的系统延 时，尤其是当编码块很长时更是如此。分组码的另一个缺点是分组码需要严格的 帧同步。还有一个缺点是：绝大多数分组码的代数译码方法都是对接收的硬判决 结果进行处理，从而无法利用解调器输出的“软”信息。由信息论可知：编码率 为2 1 时，使用软判决译码较使用硬判决有2 5 d b 的性能增益。为达到s h a n n o n 所预言的性能界，连续值的信道输出是必要的。因而，尽管在情况较好的信道中 性能不错，在信噪比较低的信道中，分组码的性能还是不尽如人意。我们注意到， 在低信噪比时分组码较差的性能并非源于编码方案自身，而是由于硬判决译码方 法并非最优。事实上，对分组码可以进行软判决译码，但一直以来这种译码方法 被认为复杂度太大。直到最近，在r s 码的纠删译码和其它分组码的基于网格的 软判决译码算法方面的一些工作才使这种状况有所改变。 第6 页 北京邮电大学硕士学位论文 空时码的研究 采用1 9 5 5 年e l i a s 研究出的一种新的编码方法卷积码可以避免分组码 的上述这些缺点。卷积码不将数据分块，而是通过一组线性移位寄存器，在连续 的数据流中加入冗余。当前输入编码器的k 比特信息和编码器移位寄存器中存 储的m 比特数据通过线性运算得到当前的r l 比特输出。这样，每一时刻的编码 器输出不仅取决于当前编码器的输入，而且与前面一些时刻的编码器输入有关。 与当前编码器输出相关的输入比特数称为卷积码的约束长度，记为ck 。卷积 码的码率即为每一编码时刻编码器的输入比特数k 与编码器输出比特数n 的比 值。卷积码编码器可以对数据流进行连续编码，同样，对编码结果可以进行连续 泽码，轻微的译码延迟保持恒定，不受数据流长度的影响。而且，卷积码的译码 算法可以充分利用解调器输出的软判决信息。 卷积码有三种比较好的译码算法：( 1 ) 1 9 6 3 年由m e s s a y 提出的门限译码， 这是一种利用码代数结构的代数译码，类似于分组码中的大数逻辑译码； ( 2 ) 1 9 6 1 年由w o z e n e r a f l 和r e i f f e n 提出，1 9 6 3 年和1 9 6 9 年分别由f a n o 和j e l i n e k 改进的序列译码，这是基于码树图结构上的一种准最佳的概率译码；( 3 ) 1 9 6 7 年， 由v i t e r b i 提出的维特比算法( v i t e r b ia l g o r i t h m ，v a ) ，这是基于码的网格图 ( t r e l l i s ) 基础上的一种最大似然( m a x i m u m l i k e l i h o o d , m l ) 译码算法，是一种 最佳的概率译码方法。 维特比译码算法提出后，卷积码在通信系统中得到了广泛的应用。最为我们 所熟悉的是卷积码在所有第二代数字蜂窝移动通信系统中的应用：g s m 、u s d c 、 i s 9 5 、铱系统。在所有第三代移动通信系统中，卷积码被w c d m a ，c d m a 2 0 0 ， t d s c d m a 三大标准共同选定为信道编码方案的一种。 1 2 3 级联码 卷积码的致命弱点是其对突发错误的纠正能力较差。加交织器可以改善这方 面的不足。交织器可在传输之前将编码结果的顺序打乱。接收机侧，在解调之后， 译码之前加解交织器将被打乱的顺序复原。通过在发端将编码结果顺序打乱，并 在收端恢复，突法错误便被分散开来，在译码器看来，好像是随机错误一样。所 有的第二代数字蜂窝移动通信系统中都采用了某种规格的块交织器。另一类交织 器称为“交叉”或“卷积”交织器，这种交织器可以进行连续的交织和解交织， 因此非常适合于卷积码使用。 人们注意到：卷积码的很多性质与r s 码是互补的。卷积码对突发错误敏感， 向r s 码对突发错误有很好的纠正作用。在低信噪比，译码复杂度相当时，软判 泽码的卷积码的性能通常好于r s 码。在强功率受限信道中，将r s 码和卷积码 第7 页 北京邮电大学硕士学位论文 串行级联的编码方案具有高的效率和好的性能。数据先经r s 码进行外编码，然 后进行卷积码内编码。在接收端，先进行卷积码内译码，纠正随机错误，同时使 信噪比得到改善；通常只包含成组的突发错误的卷积码译码器输出再送到r s 码 译码器中进行外译码。这样，内外两个译码器各尽其能：卷积码译码器处理低信 噪比的数据，纠正其中的随机错误；r s 码译码器处理高信噪比的数据，纠f 其 中的突发错误。这种串行级联码最早由d a v i d f o m e y 于1 9 6 6 年提出。这种码被 美国航空航天局( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c ea g e n c y ，n a s a ) 和欧洲航天局 ( e u r o p e a ns p a c ea g e n c y 。e s a ) 所采用。并且可以在卷积码和r s 码之间加入了 块交织器，将很长的突发错误分散到数个r s 码的码字中。 12 4i u r b o 自g 实用的编码方案的性能和s h a n n o n 理论限问的差距在1 9 9 3 年于瑞士日内 瓦召开的i c c 会议上再次被拉近了。这次会议上的两篇论文研究了一种新的编 码方案及其译码算法b e 玎o u ，g l a v i e u x 和t h i f i m a j s h i m a 将他们提出的这种新的 编码方案称为“t u r b o ”码，他们的这篇论文被公认为最早提出了t u r b o 码。 最初提出的t u r b o 码是两个分量码编码器的并行级联。核心思想是：对两 个分量码分别进行最优译码，同时采用循环迭代的方式在两个分量码译码器之间 传递信息，使之成为一个整体，完成对t u r b o 码的译码。t u r b o 码译码器中信 息反馈的工作方式很象涡轮增压引擎，t u r b o 之名便由此而来。更为重要的是， 学者们开始意识到：t u r b o 码中信息迭代的思想。目前，t u r b o 码已经成功应用 于国际移动卫星组织的h 盥a r s a tm 4 系统的高速数据业务中。在第三代移动通信 系统中，t u r b o 码被w c d m a ，c d m a 2 0 0 ，t d s c d m a 三大标准共同选定为高 速数据业务的信道编码方案。 125 差错控制编码小结 以上这些理论和实现方案奠定了近代编译码理论的基础，在通信、存储以及 其它相关领域中得到广泛的应用，有效的减少了信息在传输和存储过程中的错误 概率。特别是它们在无线信道中的应用，使得信息通过无线信道的可靠传输成为 可能，并且使得有效的信息传输率不断逼近s h a n n o n 提出的理论上限：信道容嚣 c = b i 。g ( 1 + 但是近一些年来，由于无线通信的广泛应用使得无线频谱资源日显紧张，促 使人们开始寻找进一步提高无线频谱利用率的方法。因为s h a n n o n 在 1 中提出 的信道容量理论确定了信道中信息传输速率的上限，而且t u r b o 编译码技术在某 第8 页 北京邮电大学硕十学位论文空时码的研究 些情况下已经十分的接近着这一理论极限值，所以在这个理论框架内进一步发展 的空间已经很小。同时由于作为上述编译码理论基础的s h a n n o n 信道容量理论在 无线信道中是基于单收、发天线的，所以人们开始考虑使用多个收发天线来取得 进一步的突破，因此分集技术以及将分集技术与编码理论相结合的应用受到人们 广泛的重视。 1 3 分集 为了提高移动通信系统的性能，除了信道编码技术以外，分集也是一种常用 的收发技术。分集技术利用多条传输相同信息、具有近似相等的平均信号强度和 相互独立的衰落特性的信号路径，通过在接收端对这些信号进行适当的合并，降 低无线信道衰落所造成的影响，从而达到改善传输可靠性的目的。 1 3 1 分集技术 从获取多路径信号的手段出发，分集技术的可以分为空间分集、时间分集、 频率分集、极化分集和角度分集。 1 3 1 1空间分集 空间分集的原理如下图所示： 发送天线1 合并选择 出 图卜2 空间接收分集 发送方采用一个天线进行发送，在接收端使用多个天线进行接收。为了保证 各个信号的相互独立，多个接收天线之间应该有足够大的空间距离，例如理想情 况下，天线距离大于半波长就可以保证信号的相互独立。这是因为，在移动通信 中天线的空间间隔越大，传播路径的差异就越大，信号场强的相关性就越小。空 白j 间隔又可以分成水平间隔和垂直间隔，其中水平间隔的分集性能优于垂直问 第9 页 北京邮电大学硕士学位论文 空时码的q f 究 隔，因此一般查用水平的分集方案。当使用垂直的分级方案时，其分集问隔应该 大于相同相关系数情况下的水平分集。 对于上面的空间接收分集而言，分集的性能增益随着接受天线数目n 的增大 而增加，但是受到概率统计学中“大数定理”的限制，分集性能的增益随着r l 的增大而变缓慢，当i i 增大到一定程度时，性能增益将达到一个上限而不再增加。 13 1 2 时间分集 由于无线信道的衰落具有随机过程的特性，所以对该过程进行采样，如果两 个采样点之间的时间间隔足够远( 大于信道的相关时间) 的话，那么它们将是相 互独立的。这给时间分集提供了实现条件，如果以大于信道相关时间的间隔重复 发送相同的信息，那么这两个信号将经历相互独立的信道条件而到达接收端，对 这两个信号进行适当的合并将得到时间上的分集增益。 目前时间分集最著名的应用是扩频通信c d m a 系统中的r a k e 接收机，它 利用扩频信号的可分离多径间的相互独立性，通过对各径适当的合并，得到时间 分集的增益。同时信道编码中的交织计算也运用了同样的原理。 图卜3 r a k e 接收机结构 由于无线信号在传播过程中可能经历了不同的路径，因此对于同一个发送信 号，在接收天线上将存在多个经历了不同传播时延的信号版本，即多径信号，其 中传播时延差大于信道相关时间的信号可以看作是相互独立的。r a k e 接收机利 用解扩的相关器将传输时延差大于某个界限( 可分离) 的多径信号分离开来，通 过估计的信道状态对各径信号的可信度进行加权，最后进行合并，得到质量远远 优于无分集方案的信号。 第1 0 页 北京邮电大学硕士学位论文 守时码的研究 13 13 频率分集 在频率分集中将相同的信息分别在多个载波上发送，因为频率间距足够大 ( 大于信道的相关带宽) 的载波信道将具有相互独立的衰落特性，所以在接收端 可以得到衰落不相关的信号。 频率分集的典型应用：跳频技术。在跳频通信系统中，将信道带宽分成多个 载波频带，使用跳频序列来控制各个载波频带的跳转使用顺序。通过这样的方法 在信道带宽内将信息分散在各个载波频带上进行发送，在接收端通过使用与发送 方相同的跳频序列进行信息的接收。信息在同一时间只占用一个载波频带，多个 用户的信息可共享相同的信道带宽。当信道带宽大于相关带宽时，如果在某个载 波频带上的信号由于受到信道衰落的较大的影响而丢失，那么可以利用与该载波 不相关的频带上的信息来恢复丢失的信息。 频率f_ 豳 一 _ 一 _ l i l 一 时闻 图卜4 跳频技术 用于w l a n 以及预计将被未来蜂窝通信系统所采用的j 下交频分复用技术 ( o f d m ) 技术是频率分集的另一项重要应用。在o f d m 中，用户经过调制的 信息通过d f t 的运算操作同时在多个相互正交的载波上传输，利用各个载波间 衰落的独立性可以得到很好的频率分集效果，在接收端利用同样的d f t 运算得 到发送的信息。由于其性能和实现方案上的优势，o f d m 技术已经被多种通信 系统采用作为主要的传输技术，并且被认为是下一代通信系统中最具有发展前途 的技术之一。在此之外，目前在3 g 系统中广泛应用的c d m a 技术也是频率分 集的又一项应用。该技术通过扩频操作增大信号所占用的带宽，使得信号带宽大 r 无线信道的相关带宽，进而在信号带宽内得到相互独立的衰落特性，得到频率 分集所带来的增益。 北京邮电大学硕士学位论文空时码的研究 132 合并技术 利用分集技术在接收端收到n ( 2 ) 个分集信号后，如何将这些信号进行 有效的处理以得到分集增益，达到提高接收质量的目的，这就是所谓的合并技术。 从合并操作的使用位置上又可以分为检测前合并( p r e d e t e c t i o nc o m b i n i n g ) 和检 测后合并( p o s t d e t e c t i o nc o m b i n i n g ) 。其中检测前合并指的是先对接收到的各路 射频信号进行合并，然后再进行基带检测；检测后合并指先分别对各路射频信号 进行检测转换成基带信号，然后在基带上进行合并。 按照合并方式，合并技术可以分为：选择式合并和增益合并。 13 2 1选择式合并 在选择式合并中，接收端不断的对各个天线所接收到的信号的质量情况进行 采样，通过比较选出其中质量最好的信号作为输出。在理论上，信号的质量取决 于接收信噪比( s n r ) ，但是在实际应用中有时候无法得到信号的信嗓比情况， 这时常常使用各天线中信号强度最大的一支作为输出。 丫 图1 - 5 选择式合并 1 3 2 2增益合并 出 在增益合并中，接收端对各个接收天线上的信号以一定的因子进行加权，对 加权后的信号再进行累加输出。在理想情况下，各个支路的加权因子应该j 下比于 该支路的信噪比，即对信噪比大( 质量好) 的支路予以放大，增大其对输出结果 的影响；对信噪比小( 质量差) 的支路予以缩小，减小其对输出结果的影响。这 样得到的合并方案又被称为最大比合并方案( m r c ) ，是一种最优的合并方案。 第j 2 页 乏 北京邮电大学硕七学位论义 空时码的研究 当不考虑各个支路信号的信噪比而对所有支路信号使用相同的增益进行合 并时，这样的合并方案称为等增益合并，相比于最大比合并方案，这样的合并有 较大的性能损失。 。? 出 图1 - 6 增益合并 1 3 3 发送分集 在上节中介绍了空间分集以及与其相对应各种合并方案，所有的这些方案使 用的都是接收分集的形式。相对于发送分集而言接收分集的实现方案比较简单， 从原理上也容易理解，即当各天线接收信号相互独立时，所有天线都处于严重衰 落之中的概率随着天线数目的增大而减小。 在利用多个接收天线实现的空间接收分集得到广泛应用的同时，人们也在考 虑使用多个发送天线来实现同样的空间分集的可能性。因为在某些时候，可能无 法在接收端使用多个天线来实现接收分集，这在类似手机的移动终端上表现的尤 为明显，因为这些设备大多在终端大小有比较严格的限制，这使得多天线之阊没 有足够的距离来得到相互独立的衰落特性，另外这些设备对多接收天线所造成的 搜备成本的提高也非常的敏感。此时如果在发送端( 例如：基站) 使用多个发送 天线而在接收端使用一个天线进行接收，这样的分级方式能够得到与接收分集相 同的增益的话就可以大大的方便空间分集技术在这些移动终端设备上的应用。 第1 3 负 ： 北京邮电大学硕士学位论义空时码的研究 发 送 信 号 处 理 发送天线n 图1 - 7 空间发送分集 在s h a n n o n 1 】的基础上t e l a t a r 2 以及f o s c h i n i 3 等人推导了多收发天线 ( m i m o ) 信道容量的表达式，其中证明了在空间上使用多个发送天线单个接收 天线的通信系统与使用多个接收天线单个发送天线的通信系统具有同样的分集 效果，这给发送分集