（通信与信息系统专业论文）基于mimoofdm系统的sttc性能分析.pdf

直宝酆哇i 叁堂亟土班宜生堂僮j 佥塞 撞要 摘要 随着移动通信的发展，频谱资源显得日趋紧张，要求人们努力开发高效的 编码、调制以及信号处理技术来提高无线频谱的效率。基于多输入多输出 ( m i m o ) 的空时编码技术在发射端引入空间和时间相关，使得接收端获得分 集增益的同时也可以获得编码增益。目前空时码主要有三类：分层空时码、 空时分组码和空时网格码。其中，空时网格码作为一种新兴技术，在性能上有 明显的优势，不仅能够提供分集增益，而且能够提供编码增益，但是其维特比 译码算法比较复杂。本论文详细研究了空时网格码的编解码算法，将其与正 交频分复用( o f d m ) 技术相结合形成s t t c o f d m 系统。 本文主要分为三个部分：其一，研究了各种信道建模方法，建立了窄带 m i m o 信道模型和宽带m i m o 信道模型：其二，在平坦衰落信道下，研究了 不同的编码矩阵、状态数以及收发天线数对系统性能的影响；其三，在频率 选择性信道下，为了对抗i s i ，引入o f d m 调制技术。在i e e e 8 0 2 1 6 e 协议的 s u i 信道中，研究了两发一收、两发两收的s t t c o f d m 系统的性能，并与 未编码的m i m o o f d m 系统进行了性能比较，得出其优势所在。研究了不同 的编码矩阵、s u i 信道、交织和多普勒频移对s t t c o f d m 系统性能的影响。 对于具体的s u i 信道，选择合适的编码矩阵和码长，得到了较好的系统性能。 主题词：空时网格编码多输入多输出正交频分复用 m i m o o f d ms t t c 一0 f d m a b s t r a c t t h el a c ko ff r e q u e n c yr e s o u r c ei sb e c o m i n gs e r i o u sp r o b l e mw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s p a c e - t i m ec o d e sb a s e do nm i m oi sa l m o s tt h eu n i q u es o l u t i o nf o rf u t u r e b a n d w i d t h - l i m i t e dh 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 ns y s t e m s t h i sn o v e lt r a n s m i td i v e r s i t y t e c h n i q u e ，w h i c hc o m b i n e sc h a n n e lc o d i n g ，m o d u l a t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n ga tr e c e i v et e r m i n a l ， c a nm a k ef u l lu s eo ft h ef a d i n gm u l t i p a t hi nt h 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 ss o a st o m i t i g a t et h es i g n a la t t e n u a t i o n s p a c e - t i m ec o d ec a nb ed i v i d e di n t ot h r e ec a t e g o r i e s ：l a y e r e d s p a c e - t i m ec o d e ，s p a c e t i m eb l o c kc o d ea n ds p a c e - t i m et r e l l i sc o d e s p a c e - t i m et r e l l i sc o d eh a s t h eb e s ta d v a n t a g eo ft h et h r e ec a t e g o r i e s i tc a np r o v i d en o to n l yad i v e r s i t yg a i n ，b u ta l s oa c o d i n gg a i n b u ti t sv i t e r b id e c o d i n ga l g o r i t h mi st o oc o m p l e x t h i sp a p e rs t u d i e st h ec o d i n ga n d d e c o d i n gm e t h o do fs p a c e t i m et r e l l i sc o d e ，c o m b i n i n gi t w i t ho f d mt e c h n i q u e ，a n db u i l d s s t t c o f d ms y s t e m t h i sp a p e rc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ep a n s ：f i r s t ，i ts t u d i e sv a r i o u sc h a n n e lm o d e l i n gm e t h o d s ， a n db u i l d sn a r r o w b a n dm i m oc h a n n e lm o d e l sa n db r o a d b a n dm i m oc h a n n e lm o d e l s s e c o n d l y , i nf l a tf a d i n gc h a n n e l ，i ts t u d i e sd i f f e r e n tc o d i n gm a t r i x ，s t a t en u m b e ra n da n t e n n an u m b e r i n f l u e n c et os y s t e mp e r f o r m a n c e l a s t l y , i nt h ef r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l ，i no r d e rt o a v o i di s i ，o f d mi si n t r o d u c e di n t om i m os y s t e m i ns u ic h a n n e lo fi e e e8 0 2 16 e ，i ts t u d i e s t h ep e r f o r m a n c eo fs t t c - o f d ms y s t e mw i t hd i f f e r e n ta n t e n n an u m b e r , a n dc o m p a r e si t s p e r f o r m a n c ew i t hu n c o d e dm i m o - o f d m s t u d yt h ep e r f o r m a n c eo fs t t c o f d ms y s t e mw i t h d i f f e r e n tc o d i n gm a t r i x ，c h a n n e l ，i n t e r w e a v e ra n dd o p p l e r i nt h es p e c i a ls u ic h a n n e l ，s e l e c t i n g a p p r o p r i a t ec o d i n gm a t r i xa n dc o d el e n g t h ，t h eb e t t e rp e r f o r m a n c eo fs y s t e mi so b t a i n e d k e y w o r d s ：s t t c m i m o o f d mm i m o - - o f d ms t t c - o f d m 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：耍盈尘日期：舭 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：娃导师签名：日期：z - 0 7 啦c 日期：眼仆 第一章绪论 现有的移动通信技术全球无法达到统一，比如第二代有g s m 、c d m a ，而第三代技术 有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 等，不同标准对用户使用造成一定的不便。下一 代移动通信( b 3 g ) 以及4 g 移动通信系统要求实现全球统一的标准，真正达到一个手机在 全球的任何地点都能实现通信。下一代移动通信系统技术与3 g 相比，通信速率大为提高， 目前普遍认为下一代移动通信的最高传输速率将超过1 0 m b i t s ；能够实现全球无缝漫游； 具有非常高的灵活性，能自适应地进行资源分配；支持下一代全i p 网络( i p v 6 ) 。 1 14 g 中的关键技术 从技术的角度讲，下一代移动通信的关键技术要在2 g 和3 g 技术的基础上演迸，因此 3 g 特别是改进后的3 g 的关键技术将会是下一代移动通信的重要技术。智能天线技术、 软件无线电技术、联合检测、高效的信道编码技术等在下一代移动通信中可以直接采用， 而为了使下一代移动通信能支持高达1 0 m b i t s 的最高传输速率，h s d p a 技术和o f d m 技 术得到应用【l 】。 o f d m 是由m c m 发展而来的。它是一种特殊的多载波传送方案，单个用户的信息流 被串并变换为多个低速率码流，每个码流都用一个载波发送。o f d m 弃用传统的采用带 通滤波器来分隔子载波频谱的方式，选用那些即使频谱混叠也能够保持正交的载波波形。 因此，o f d m 既可以当作调制技术，也可以作为复用技术。o f d m 技术增强了抗频率选 择性衰落和抗窄带干扰的能力。o f d m 适用于多用户的高灵活度、高利用率的通信系统。 h s d p a 技术是一种对多用户提供高速下行数据业务的技术。此技术特别适合于多媒 体、i n t e r n e t 等大量下载信息的业务。大量研究表明，采用若干新技术可使空中下行速率 达到8 m b i t s 以上，若成功采用m i m o 等技术还可以达到2 0 m b i t s 以上。目前国际上对 h s d p a 技术的研究尚在研究中，大量的技术提案基本上集中在a m c 和m i m o 等技术 上。 a m c 根据信道的情况确定当前信道的容量，根据容量确定合适的编码调制方式等， 以便最大限度地发送信息，实现较高的传输速率。a m c 能提供可变的调制编码方案( 共 七级调制方案) 以适应每一个用户的信道质量，可以提供高速率传输和高的频谱利用率。 l 要提高系统的吞吐量，一个很好的方法是提高信道的容量。m i m o 可以成倍地提高衰 落信道的信道容量。对于采用m i m o 的系统，在理想情况下信道容量将随着发射天线数 线性增加，从而提供了目前其他技术无法达到的容量潜力。其次，由于m i m o 技术本质 上是空间分集与时间分集技术的结合，因而有很好的抗干扰能力；进一步将m i m o 技术结 合信道编码技术，可以极大地提高通信系统的性能。在这种情况下，空时编码技术的应运 而生，空时编码技术真j 下实现了空分多址，是将来无线通信中必然选择的技术之一。 空时编码是一种将编码、调制和空间分集结合起来的新兴技术，也将成为下一代移动 通信技术中重要组成部分。常见的空时码主要分为分层空时码( b l a s t ) 、空时分组码 ( s t b c ) 和空时网格码( s t t c ) 。 1 2s t c 与m i m 0 - 0 f d b i 技术 当前的空时编码( s t c ) 技术在无线通信领域引起了广泛关注，空时编码的概念是基于 w i n t e r s 在2 0 世纪8 0 年代中期所做的关于天线分集对于无线通信容量的重要性的开创性工 作【2 1 。 9 0 年代s t a n f o r d 的r a y l e i g h 和c i o f f i 、瑞士a s c o m 的w i t t n e b e n 进一步奠定了空时 码的基础；最近几年来，l u c e n tl a b s 的f o s c h i n i 和g a n s ，a t & t 的t a r o k h 及其同事们在 这方面作了关键性工作，率先提出了空时编码的概念【3 6 】。空时编码的有效工作需要在发射 和接收端使用多个天线，因为空时编码同时利用时问和空间两维来构造码字，这样才能有 效抵消衰落，提高功率效率；并且能够在传输信道中实现并行的多路传送，提高频谱效率。 需要说明的是，空时编码技术因为属于分集的范畴，所以要求在多散射体的多径情况下应 用，天线间距应适当拉开以保证发射、接收信号的相互独立性，以充分利用多散射体所造 成的多径。t a r o k h 就在文献【3 j 中提出了一种结合天线阵列空间分集，信道编码和调制的空 时编码技术充分利用多天线系统的信道容量，解决了频谱资源有限的矛盾。 o f d m 实际上是一种特殊的多载波传输技术【lj ，其主要思想是：将信道分成若干正交子 信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。f 交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干( i c i ) 。 每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的衰落可以看成平坦性 衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部 分，信道均衡变得相对容易。可见，o f d m 技术能够有效对抗多径干扰与频率选择性衰落， 并具有频谱利用率高，成本偏低等优点。随着高速无线局域网和第四代移动通信概念的提 出，o f d m 技术己成为继c d m a 后的又一技术热点，并可能成为4 g 主要的调制标准。 不过o f d m 提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在o f d m 的基础上合理开发空间资 源，也就是m i m o o f d m 4 1 ，可以提供更高的数据传输速率。另外o f d m 由于码率低和加 入了时间保护间隔而具有很强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统 不受码间干扰的困扰。 在实际环境中，许多无线信道是频率选择性衰落的，空时编码的设计将变得非常复杂， 而o f d m 技术可将频率选择性衰落信道分成许多并行的平衰落信道，这将降低空时编码的 复杂度。将空时编码技术和m i m o o f d m 技术两者很好地结合在一起，发挥各自的性能特 点，从而提高系统的总体性能。并且，m i m o o f d m 系统加s t c 技术能在不增大发射功 率和不扩展频带前提下实现高速数据传输，是空间资源利用技术的发展方向，这必将有效 地满足未来无线移动通信对高数据率传输的要求。 1 3s t c 研究成果 1 9 9 6 年g j f o s c h i n i 提出了在无线通信中采用多天线构造的分层空时结构。1 9 9 8 年 v t a r o k h 等人在此启发下，首先提出空时码( s t c ) 的概念【3 , 6 , 7 】，信号在时间域和空间 域上都引入了编码，所以称为空时码。 空时编码方案结合了信道编码和多发送天线，通过空时编码后的数据被串并转换成门 个数据流，每一路数据流经脉冲形成、调制，然后通过刀个天线同时发送到无线空间。在 接收端，可以用单一天线，也可以用多个天线进行接收，每一个接收天线接收到的是门个 发送信号加权线性叠加的结果，然后通过最大似然检测的方法，能够正确地识别出发送信 号。通常通过空时译码算法和信道估计技术结合以获得分集增益和编码增益。空时码可分 为分层空时码( b l a s t ) 、空时分组码( s t b c ) 和空时网格码( s t t c ) 。 1 9 9 8 年，a l a m o u t i 首次提出了使用两个天线发射的空时分组码【5 】，该方案可以获得最 大分集增益和最大传输速率，是一种简单而有效的编码方案。t a r o k h 等人运用f 交设计理 论将a l a m o u t i 方案推广到多个发射天线的情况【6 ，7 1 。证明了对于复信号，可以同时获得最 大分集增益和最大传输速率的f 交设计仅在发射天线数等于2 时存在，而当发射天线数 大于2 时则不存在。为此，文献【8 9 】中提出了准正交或非正交空时分组码。它们以牺牲正 交性和部分分集增益为代价来获得更高的传输速率。 根据正交设计理论的s t b c 无时间冗余，不能获得编码增益，但是具有较低的译码复 杂度，利用最大似然译码算法即可，而且可能得到最大的发射分集增益。空时分组码可以 实现与最大比合并( m r c ) 接收机相同的性能。 v t a r o k h 提出的空时网格码由网格编码调制实现。空时网格编码不及提供了分集增 益而且提供了编码增益。发送的码元前后都具有相关性，即使部分码元错误，整帧的数据 仍可能是正确的。因此空时网格码性能较好，抗衰落能力较强，但是其缺点也是明显的， 编码时搜索好码比较困难，其维特比译码算法也比较复杂，计算的效率相对较低。 空时网格码用途还是比较广泛的，本文的重点就是研究在i e e e 8 0 2 1 6 e 协议的s u i 信道 下的s t t c o f d m 系统的性能，这在下面的章节中将详细阐述。 1 4 本论文的组织结构 本论文主要内容安排如下： 第一章为绪论，介绍了第四代移动通信的关键技术，阐述了m i m o o f d m 系统和空时 码的概念和技术。 第二章介绍了o f d m 和m i m o 技术的原理，分析了将来的优点，并且阐述了实现 m i m o o f d m 技术的关键。 第三章介绍了分集、合并技术和几种不同的空时编性能进行了分析和比较。 第四章介绍了m i m o 信道建模，具体介绍了各种信道的分类，以及单天线系统的信道 建模，主要有f 弦波叠加法和成形滤波法。还研究了窄道m i m o 信道和宽带m i m o 信道 的建模方法，在建模中考虑了发送天线和接收天线的空间相关性。 第五章研究了窄带m i m o 系统中的空时网格编码的编解码方式以及不同条件下的空时 网格码的性能。 第六章研究了宽带m i m o o f d m 系统中的空时网格编码在i e e e 8 0 2 1 6 e 协议的s u i 信 道条件下的性能。 第七章总结全文并提出了下一步工作的展望。 4 第二章m i m o o f d m 技术 第四代移动通信将可以提供的数据传输速率高达1 0 m b i t s ，甚至更高支持的业务从语音 到多媒体业务，包括实时的流媒体业务。数据传输速率可以根据这些业务所需的速率不同 动态调整。新一代移动通信的另一个特点是低成本。这样在有限的频谱资源上实现高速率 和大容量，需要频谱效率极高的技术。m i m o 技术充分丌发空间资源，利用多个天线实现 多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高信道容量。 o f d m 技术是一种特殊的多载波传输技术，其多载波之间相互正交，可以高效地利用频谱 资源，另外，o f d m 将总带宽分割为若干个窄带子载波可以有效地抵抗频率选择性衰落。 因此充分开发这两种技术的潜力，将二者结合起来可以成为新一代移动通信核心技术的解 决方案，下面详细介绍这两种技术及其二者的结合方案。 2 1m i m 0 技术 m i m o 技术最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的，是第三代和未来移动通信系统实现高 数据速率、高系统容量，提高传输质量的重要途型m 】。在当前第三代移动通信系统中，下 行链路的容量构成了整个系统的瓶颈。由于诸多业务对上下行链路容量要求的不对称性， 尤其对下行容量有很高的要求，如视频多媒体、下载等业务。在传输带宽一定的条件下， 这无疑给第三代移动通信系统提出了难题。但是如果在发送端或接收端使用多天线，此时 的信道容量将随着天线数量的增大而线性增大。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，频谱利用率可以成倍地提高。 根据收发两端天线数量，相对于普通的s i s o 系统，m i m o 还可以包括s i m 0 系统和 m i s o 系统。 无线m i m o 信道与s i s o 信道相比，有着惊人的容量。这表明下行链路容量的瓶颈问 题可以通过在基站和移动台都使用多元天线阵列，即利用空间分集或空间相关的方式来解 决。采用这种传输方案，可以获得线性增加的信道容量，而通常采用接收分集或者没有分 集的s i s o 系统的信道容量是随信噪比以l o g 的方式增加的。m i m o 系统之所以可以获得 如此高的带宽效率，是因为考虑在有丰富的散射( n l o s ) 的环境中，从不同天线发送的 信号到达接收端所经历的衰落是不相关的。 5 在室内，电磁环境较为复杂，多径效应、频率选择性衰落和其他干扰源的存在使实现 无线信道的高速数据传输比有线信道困难。通常多径效应会引起衰落，被视为有害因素。 然而研究结果表明，对于m i m o 系统来说，多径效应可以作为一个有利因素加以利用。 m i m o 系统在发射端和接收端均采用多天线技术。m i m o 的多输入多输出是针对多径无线 信道来说的。 2 1 1 川m 0 系统原理 图2 1 所示为m i m o 系统的原理副。传输信息流s ( k ) 经过空时编码形成个信息子 流g ( 露) 、c 2 ( 七) 、c o , ( k ) ，这刀7 个子流由珞个天线发射出去，经空间信道后由个接 收天线接收，多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流。这珥 个信息子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并不增加带宽。若各发射接 收天线间的通道响应独立，则m i m o 系统可以产生多个并行空间信道，通过这些并行空间 信道独立地传输信息，使得数据传输率得以提高。可见，m i m o 将多径无线信道与发射、 接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率，这是一种近于最优的 空域时域联合的分集和干扰抵消处理。 x 1 r 1 x n t m r 图2 1m i m o 系统原理图 图2 - 1 中的m i m o 系统采用n 7 个发送天线，个接收天线，设，( f ) 为第f 个发送天 线到第j 个接收天线之问的复信道增益。e 为n 7 x 维的信道衰落矩阵。 6 h f = 2 1 2 川m 0 系统容量 h 。( f )办。2 ( f ) h 峙( f ) h ：。( ，) h 2 2 ( t ) h 2 竹( f ) ： ： h ( f ) h 啦( 于) 吃m ( f ) ( 2 1 ) 系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射 天线数为嘞，接收天线数为的m i m o 系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设 件、n r 很大，则信道容量c i q 近似为： c = 【m i n ( n ”) b l 0 9 2 ( p 1 2 ) ( 2 - 2 ) 其中b 为信号带宽，p 为接收端平均信噪比，m i n ( n r ，r 凡) 为，胛，和的较小者。上 式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而 线性增加。而在同样条件下，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，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，多入多出对于提高无线通信系统的 容量具有极大的潜力。 这里为了方便计算，给出以下几种系统容量公式。 单输入单输出( s i s o ) 系统： c = l 0 9 2 ( 1 + p ih 1 2 ) b s h z ( 2 3 ) 多输入单输出( m i s o ) 系统： c = l 0 9 2 ( 1 + p i 囊1 2 ) b s h z ( 2 - 4 ) 单输入多输出( s i m o ) 系统： c 扎9 2 ( + 号孙1 2 ) 挑，h z 5 ， 多输入多输出( m i m o ) 系统： c z ：e = l 0 9 2 d e t ( i m + 号删) 】= 喜l 。g ：( 1 + 号丑) 6 s h z ( 2 - 6 ) 利用m i m o 技术既可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。 前者是利用m i m o 信道提供的空间复用增益，后者是利用m i m o 信道提供的空间分集增 益。实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的b l a s t 算法、z f 算法、m m s e 算法、 m l 算法。m l 算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无 线通信不能满足要求。z f 算法简单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂 度最优的就是b l a s t 算法。该算法实际上是使用z f 算法加上干扰删除技术得出的。而目 前m i m o 技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有分层空时码、空时分组 码、空时网格码，具体的在下面的章节中加以详细介绍。 2 2o f d m 技术 o f d m 由大量在频率上等间隔的子载波构成( 设共有n 个载波) ，各载波可用同一种数 字调制方法，或不同的载波使用不同的调制方法将高速串行数据分成多路并行的低速数 据，加以调制。所以o f d m 实际上是一种并行调制方式，将符号周期扩大n 倍，从而提 高了抗多径衰落的抵抗能力。在传统的频分复用( f d m ) 中，存在较大的保护带宽来防止 干扰，各载波的信号频谱互不重叠，频带利用率较低。在o f d m 系统中，各子载波在整个 符号周期上是正交的，即在符号周期上的任何两个不同子载波的乘积等于零，因此各子载 波信号频谱可以互相重叠，大大提高了频带利用率。 图2 2 所示为频分复用( f d m ) 信号频谱与( o f d m ) 信号频谱利用率的比较【1 2 】。 传统的频分复用( f d m ) 多载波调制技术 f 交频分复用( o f d m ) 多载波调制技术 图2 - 2f d m 和o f d m 带宽利用率的比较 o f d m 的工作原理【1 2 j ，如图2 3 ，输入数据信元的速率为r ，经过串并转换后，分成 m 个并行的子数据流，每个子数据流的速率为r m ，在每个子数据流中的若干个比特分 成一组，每组的数目取决于对应子载波上的调制方式，如p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 等。m 个并行的子数据信元编码交织后进行i f f t 变换，将频域信号转换到时域，i f f t 块的输出 8 是n 个时域的样点，再将长为l p 的c p ( 循环前缀) 加到n 个样点前，形成循环扩展的o f d m 信元，因此，实际发送的o f d m 信元的长度为p + ，经过并串转换后发射。接收端接 收到的信号是时域信号，此信号经过串并转换后移去c p ，如果c p 长度大于信道的记忆 长度时，i s i 仅仅影响c p ，而不影响有用数据，去掉c p 也就去掉了i s i 的影响。 图2 3o f d m 系统工作原理 o f d m 技术之所以越来越受关注，是因为o f d m 有很多独特的优剧1 3 】： ( 1 ) 频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍。这一点在频谱资源有限的无线环 境中很重要。o f d m 信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱利用率可以接 近n y q u i s t 极限。 ( 2 ) 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强，由于o f d m 系统把数据分散到许多个子载波 上，大大降低了各子载波的符号速率，从而减弱多径传播的影响，若再通过采用加循 环6 仃缀作为保护间隔的方法，甚至可以完全消除符号间干扰。 ( 3 ) 采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。通过选取各子信道，每个符号 的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特率最大。即要求各子信道信息分配应 遵循信息论中的“注水定理”，办即优质信道多传送，较差信道少传送，劣质信道不 传送的原则 ( 4 ) 通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。o f d m 技术本身已经利用了 信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。但通过将 各个信道联合编码，可以使系统性能得到提高。 ( 5 ) 基于离散傅立叶变换( d f t ) 的o f d m 有快速算法，o f d m 采用i f f t 和f f t 来实 9 现调制和解调，易用d s p 实现。 ( 6 ) 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行链 路中的数据传输量。因此无论从用户高速数据传输业务的需求，还是从无线通信自 身来考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输。而o f d m 容易通过使用不同数 量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。 当然，o f d m 还存在一些缺点，如易受频率偏差的影响，存在较高的峰值平均功率比 ( p a r ) 等。目前，o f d m 结合时空编码、分集、干扰( 包括符号间干扰和邻道干扰) 抑 制以及智能天线技术，最大程度地提高物理层的可靠性。如再结合自适应调制、自适应编 码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术，性能可进一步优化。 2 3m l m o o f d m 系统 图2 4 空时编码和o f d m 相结合的系统发射端( 2 t x ) 图2 5 空时编码和o f d m 相结合的系统接收端( 2 t x ) 1 0 图2 4 和图2 5 分别给出s t c o f d m 系统发送端和接收端的方案【i4 1 。这一方案主要是 结合了空时编码和o f d m 调制技术。 m i m o 系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说m i m 0 可以抗多径衰落， 但是对于频率选择性深衰落，m i m o 系统依然是无能为力。目前解决m i m o 系统中的频 率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种是利用o f d m 。大多数研究人员认为 o f d m 技术是4 g 的核心技术，4 g 需要频谱利用率很高的技术，而o f d m 提高频谱利用 率的作用毕竟是有限的，在o f d m 的基础上合理开发空i b j 资源，m i m 0 和o f d m 相结合， 可以提供更高的数据传输速率。另外o f d m 由于码率低和加入了时问保护间隔而具有很 强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰。 2 4 实现m i m 0 一o f d m 技术的关键 m i m oo f d m 技术是o f d m 和m i m o 技术结合产生的一种新技术，它通过在o f d m 传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量。由于利用了时间、频率和空间 3 种分集技术，因而使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。实现m i m o o f d m 技术需要完成以下关键设计【1 5 】： ( 1 ) 发送分集 m i m o 与o f d m 调制方式相结合，对下行信道选用时延分集。时延分集实现简单，性能 优良，又没有反馈要求。实现方法是让第2 副天线发出的信号比第1 副天线发出的信号延 迟一段时间。发送端引用这样的时延后，可使接收的信道响应得到频率选择性。如采用适 当的编码和穿插，接收端可以获得“空间频率”分集增益而无需预知信道情况。 ( 2 ) 空间复用 为提高数据传输速率，可以采用空间复用技术。把一个传输速率相对较高的数据流分 割为一组相对速率较低的数据流，分别在不同的天线对不同的数据流独立编码、调制和发 送，同时使用相同的频率和时隙。每副天线可以通过不同的独立的信道滤波发送信号，接 收机利用空问均衡器分离信号，然后解调、译码和解复用，恢复出原始信号。 ( 3 ) 接收分集和干扰消除 如果基台和用户终端一侧用3 副接收天线，可取得接收分集的效果。利用最大比值合 并( m r c ) 将多个接收机的信号合并，可得到最大信噪比( s n r ) ，具有遏止自然干扰的 好处。但是，如有2 个数据流互相干扰，或者从频率再利用的邻近地区传来干扰，m r c 就不能起遏制作用。这时，利用最小的均方误差( m m s e ) 可使每一有用信号与其估计值 的均方误差最小，从而使信号干扰噪声比( s i n r ) 最大。 ( 4 ) 软译码 m r c 和m m s e 算法生成软判决信号，供软解码器使用。软解码和s i n r ( 信号干扰噪 声比) 加权组合结合使用，可能对频率选择性信道提供3 - - 4 d b 的性能增益。 ( 5 ) 信道估计 信道估计的目的在于识别每组发送天线与接收天线之间的信道冲激响应。从每副天线 发出的训练子载波都是相互正交的，能够唯一地识别每副发送天线到接收天线的信道。训 练子载波在频率上的间隔要小于相干带宽。 本文研究的是分集技术，主要是通过空时编码来提供分集。 2 5 本章小结 世界各国目前都已经开展了新一代移动通信系统的研究，而且由于m i m o 和o f d m 在 提高无线链路的传输速率和可靠性的巨大潜力，使得这两种技术特别是二者的结合有望成 为过渡到4 g 的潜在技术。因此这两种技术已经成为目前4 g 研究的热点。m i m o 技术是 具有极高频谱利用率的技术，并能有效得抵抗多径衰落，而o f d m 技术能够有效对抗i s i ， 同时具有频谱利用率高，成本偏低等优点。因此这二者的结合是一种必然的趋势，将成为 下一代移动通信系统的核心技术之一。 1 2 3 1 分集 第三章空时编码技术 从移动通信系统数据传输速率的角度来看，第二代移动通信系统提供9 6 1 4 4 k b i t s 的 传输速率，目前两代半的g p r s 和e d g e 分别能提供1 4 4 k b i t s 与3 8 4 k b i t s 的分组交换数 据传输，支持多媒体业务的第三代系统要求速率达到2 m b i t s ，未来高速无线多媒体通信( 4 g ) 要求数据传输速率可达1 0 m b i t s 。这就要求下一代无线通信系统必须具备更好的传输性能 ( 功率效率和频谱效率) 。 无线通信的不可靠性主要是由无线衰落信道的时变和多径特性引起的，如何有效地对抗 无线信道衰落是高速移动通信必须要解决的首要问题。一方面，与加性高斯白噪声( a w g n ) 信道相比，要提高无线信道的传输性能更加困难；另一方面，无线衰落信道中信噪比的提高不 能简单地通过提高发射机功率或额外增加信号带宽来获得。因此，无线通信需要另辟蹊径来 对抗信道衰落。在不增加发送功率或系统带宽的情况下，克服多径衰落的有效方法是采用 各种分集技术。本章首先引入分集技术概念：然后重点讨论性能最优的发送分集技术，并在 此基础上，介绍了目前无线通信研究热点之一的空时编码技术。 3 1 1 分集技术 分集技术1 6 1 是利用自然界无线传播环境中独立的多径信号来实现，由于它们同时出现 深衰落的可能性很小，故可以在多个信号中选择两个或更多的信号进行合并，这样可提高 接收端的瞬时信噪比和平均信噪比，一般可提高2 0 d b 到3 0 d b 。分集有两重含义：一是分 散技术，即如何得到多个携带同一信息的、统计独立的衰落信号。分散的方法有空间、极 化、角度、频率和时间等。二是合并技术，即如何把收到的多个统计独立的衰落信号进行 适当的合并，从而降低衰落的影响，改善系统性能。具体的分集技术有： a ) 时间分集 在不同的时隙上发送相同的信息可以实现时问分集，接收端可以接收到不相干的衰落 信号。所需的最小时间间隔要大于或者等于信道的相干时间。在移动通信中，一般使用差 错控制编码结合交织技术来实现时间分集，因为时间交织会产生译码延迟，所以该技术一 般只在信道相干时问小的快衰落坏境中比较有效。对慢衰落信道而言，会因交织时延太大 l3 而不适于语音通信。时间分集的缺点之一是，由于在时间域上引入了冗余，使得带宽利用 率受到损失。 b ) 频率分集 在频率分集中，将待发送的信息分别调制到不同的载波频率上发送，只要不同载波频 率间距大于信道相干带宽，则接收端接收到信号的衰落就相互独立，不同传播环境的相干 带宽不同。在频率选择性信道中，引入o f d m 技术，也就引入了频率分集，不同子载波间 相互正交，符号周期变长，消除码间干扰。和时间分集一样，由于频率域上引入冗余，频 率分集也使得带宽的利用率收到损失。 c ) 空间分集 空间分集在无线微波通信中使一项比较常用的技术，空间分集也称为天线分集。典型 的空间分集是在发射端接收端由空间上分开排列的多个天线或天线阵列来实现的。多个天 线在物理空间上分开一定的距离，使得各个天线接收的信号互不相关。天线间隔的大小随 天线高度、传播环境和频率的不同而有所不同，一般间隔几个信号波长就能获得不相关的 信号。在空间分集中，发射信号是以空间冗余的形式到达接收端的，与时间分集和频率分 集不同，空间分集不会带来带宽利用率上的任何损失，这一特性对未来的高速无线数据通 信是很有吸引力的。 d ) 极化分集 通过两根不同极化的天线发射水平极化信号和垂直极化信号，同时用两根不同极化的 天线接收。由于极化方式不同，两根天线不用间隔很远就可以使这两个信号不相关。极化 分集可以认为是空问分集的特例。 e ) 角度分集 由于发射信号在空间发生很大的散射，从不同方向到来的接收信号相互独立，因此， 在接收端用两根或多根定向天线对准不同的方向，就能接收到不相关的发射信号。 3 1 2 合并方法 分集技术的关键在于不同分集子信道同时出现深衰落的概率要小，使用分集技术的通 信系统的性能通常取决于接收端如何合并多个接收信号来提高总的s n r ( 信号功率与噪声 功率的比值) 。常见的线性合并技术【1 6 1 有： a ) 最大比合并( m r c ) 最大比合并在接收端能够获得最大输出信噪比。主要是通过衰落系数【k 】加权接收信 号”【k ，求得所有接收天线的加权总和。这样得到的信号输出信噪比最大。接收端需要扫 描和跟踪所有信道的衰落系数的幅度和相位。最大比合并的方法同样的适合p s k 和q a m 调制。但是这种方法对信道估计错误很敏感。 b ) 等增益合并( e g c ) 等增益合并的方法，通过对乃【k 】相位旋转来补偿接收信号。这种方法只需要知道信道衰 落的相位信息，而不需知道幅度信息。因此适合p s k 调制，而不适合a s k 和q a m 调制。 平方律合并 如果信道是快衰落的，那么信道系数的相位将无法精确估计。在这种情况下，正交信 号的平方律合并方法是一个不错的分集方法。在接受端，仅对接收信号的幅度平方进行简 单的相加，就可以得到不相干的接收信号。但是这种方法具有局限性，只能用于正交信号 的调制中。 d ) 选择合并( s c ) 选择合并是最简单的合并方法。选择合并只需选择信噪比超过一定门限的接收信号进 行进一步的处理，丢弃其它路信号。选择合并通过降低复杂度而获得比最大比合并还要好 的系统性能，这是由于小信噪比的情况下，信道衰落信息无法得到精确的估计。 3 。2 空间分集 人们为了增加系统的分集度，在接收端或者发送端引入了多天线。这样就分别有了接 收分集和发送分集。这样的系统比起没有采用时间或频率分集的系统来说可以得到很大的 信道增益。在瑞利衰落信道中，天线间的相干性会降低系统的分集度。在这里，只要保证 发送天线或接收天线间距远大于半波长，就可以假定天线是非相干，不同的信道间互相独 立。 3 2 1 接收分集 最简单的达到空间分集目的的方法就是在接收端采用多天线技术。图3 1 给出了此系统 模型图，接收信号的数学表达式为： 羔( 忌) = 鱼( 七) x ( 七) + 丝( 七) ( 3 一1 ) 其中鱼( 七) = 扛( 七) ，【七盯是各信道部分的衰落系数。在接收端可以采用最大比合并的 匹配滤波器可以得到优化的接收信号： 小) = 器以小小m ( 3 2 ) 其中，亓( 足) = 鱼( 七) h ( k ) l l _ h o ) u 2 是噪声经过匹配滤波器后得出的结果。 x 垃j 图3 1 接收分集示意图 接收分集是简单的，并且行之有效的增加链路可靠性的方法。但是当接受者是体积较小 的移动终端时，它的适用性将会直接限制。因为近年来，移动通信中的蜂窝电话变得越来 越小，以至于不能在其上配置更多的天线。这样就无法获得更多的分集度了，在这种情况 下，只有在发送端采用多天线技术了。基站的体积是足够大的，可以有足够的空间配置天 线，而且基站还可以有很强的计算能力。 3 2 2 发射分集 发射分集近十年来才丌始研究，它是由接收分集技术发展起来的，如图3 2 所示，在一 副以上的天线上发射信号，在信道中发射信号被设计成独立的衰落信号，在接收端对各路 信号进行合并，减弱信