（信息与通信工程专业论文）线性分散码及其在协作分集中的应用研究.pdf

摘要 空时编码技术是多输入多输出( 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 ) 系统中 的关键技术之一j 为无线通信领域指出了一条利用空间维度来提高系统容量和 ( 或) 可靠性的有效途径。为了在某些无法使用多天线的场景中仍旧能够获得 m i m o 中的技术带来的好处，协作分集技术作为一种新的空间分集技术在近些年 来已经成为通信领域的一个研究热点。本文主要对近些年来出现的一种新的空时 编码技术一线性分散码( l d c ) 及其在空时协作分集技术中的应用进行了研究， 其主要工作如下： 为了进一步提高正交分组空时码的误码率性能，提出了一种线性分散码和正交 分组空时码( o s t b c ) 相结合的新的空时码架构一线性分散正交分组空时码 ( l d o s t b c ) 。在l d o s t b c 方案中，数据首先被编码成l d c 码字，然后再将 编码后的l d c 码字分量编码成o s t b c 码字。本方案具有很好的误码率性能。和 o s t b c 方案相比，当采用速率为的m r 的l d c 时，l d o s t b c 方案的性能可以在 不降低数据速率的情况下得到提高。如果采用小于速率m r 的l d c ，在损失一部 分速率的情况下l d o s t b c 系统性能可以得到大幅度提高，其中m 代表系统的发 送天线个数，r 是系统采用的调制方式的频谱效率。 针对单天线o f d m 系统，提出了一种结合线性分散码的传输方案。该方案通过 把线性分散码的码字分量在o f d m 系统的不相关的子载波上发送，可以得到类似 于多天线系统下线性分散码的编码增益与分集增益。分析与仿真结果表明，采用 此结合线性分散码的o f d m 方案的性能要优于普通的o f d m 方案。 在协作分集系统中使用线性分散码进行空时协作，在高速率的情况下，误码率 性能要优于传统的正交分组空时码空时协作分集系统。针对选择中继协议，提出 了一种线性分散码空时协作方案。该方案通过选择不同码率的线性分散码，可以 在误码率性能和频谱效率方面进行折衷。 比，在源和中继之间的信道状况较好时， 与采用较低码率的线性分散码的系统相 采用较高码率的线性分散码可以在牺牲 很小的误码率性能的情况下获得更高的频谱效率，使线性分散码空时协作系统具 有更高的灵活性。针对放大前传协议，提出了两种基于线性分散码的放大前传协 作分集方案。两种方案的主要区别在于中继端的噪声是在线性分散码编码之前还 是之后引入的。首先通过理论推导证明了两种方案的误码率性能相同，然后对两 种方案的特点进行了分析，指出两种方案在中继端复杂度、协议复杂度和传输速 率上各有优缺点。 在空时协作分集系统中j 由于不同的协作端所处的地理位置不同，协作端常处 于异步状态。解决异步给空时协作带来的影响一般有两种解决方法。二是设计特 殊的空时码字结构，二是使用o f d m 技术。针对这两种方法，提出了两种消除异 步影响的空时协作方案，具体如下： 提出了一种异步情况下的线性分散码空时协作方案。新方案通过在线性分散码 的码字之间加入零前缀来抵消异步带来的影响。所加入零前缀的长度由参加协作 的各个终端之间的相对时延决定。此外，通过重新构造张量信道状态矩阵，还给 出了本方案的一种简单的译码方法。分析与仿真表明，新方案可以很好的在异步 情况下工作。 提出了一种o f d m a 系统下的线性分散码空时协作方案。在协作第一阶段，该 方案根据协作第二阶段将要选用的线性分散码和o f d m 子载波之间的非相关性分 配子载波，从而使得协作第一阶段的直传信息中线性分散码码字的不同行分量经 过不同的衰落。接收端在译码时，利用第一阶段直传信息中的非相关性和第二阶 段接收到的空时协作信息合并译码。本方案与传统方案相比，可以进一步降低系 统的误码率。 关键词：多输入多输出空时码线性分散码协作分集 a b s t r a c t s p a c e - t i m ec o d ei sak i n do fk e yt e c h n o l o g yo 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 ) s y s t e mw h i c hc a l lp r o v i d e a ne f f i c i e n tw a yt oi m p r o v et h es y s t e mc a p a c i t ya n d ( 0 0r e l i a b i l i t yi n t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nf i e l db yu s i n gt h es p a c ed i m e n s i o n a l i t y i n o r d e rt oo b t a i nt h ea d v a n t a g e so fm i m o t e c h n o l o g yi ns o m es c e n e sw h i c hc o u l dn o tb e d e p l o y e d 谢t l lm u l t i p l ea n t e n n a s ，c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt e c h n o l o g ya p p e a r e d a san e w s p a t i a ld i v e r s i t yt e c h n o l o g y ，c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yh a db e c o m ear e s e a r c hh o t s p o ti nt h e c o m m u n i c a t i o nf i l e di nr e c e n ty e a r s t l l i sd i s s e r t a t i o ni si n t e n d e dt or e s e a r c ht h el i n e a r d i s p e r s i o nc o d ew h i c ha p p e r a r e di nr e c e n ty e a r sa n di t sa p p l i c a t i o ni ns p a c e - t i m e c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt e c h n o l o g y t h em a i nw o r k so ft h i sp a p e rw e r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： an e wa r c h i t e c t u r eo fs p a c e t i m ec o d e sa sac o m b i n a t i o no fo r t h o g o n a l s p a c e t i m eb l o c kc o d e s ( o s t b c ) a n dl i n e a rd i s p e r s i o nc o d e sw a sp r o p o s e di no r d e r t oi m p r o v et h eb i te r r o rr a t e ( b e r ) p e r f o r m a n c eo fo s t b c t h es c h e m ep r o p o s e dw a s n a m e dl i n e a rd i s p e r s i o no 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 ( l d o s t b c ) i n l d o s t b c s c h e m e ，f i r s t l y , t h ed a t aw a sc o d e di n t ol d cc o d e w o r d s t h e n , t h ec o d e d l d cs u b s t r e a m sw e r ec o d e di n t oo s t b cc o d e w o r d sa g a i n c o m p a r e d 、7 l ，i t l lo s t b c s c h e m e ，t h ep e r f o r m a n c eo fl d o s t b cs c h e m ew i t ht h er a t em rl d cc o u l db e i m p r o v e dw i t h o u td e c r e a s i n gt h ed a t ar a t ew h e r em w a st h en u m b e ro ft r a n s m i t a n t e n n a sa n drw a st h es p e c t r a le f f i c i e n c yo ft h em o d u l a t i o nc o n s t e l l a t i o n i fs o m er a t e p e n a l t yw a sa l l o w e d ，t h ep e r f o r m a n c eo fl d o s t b c 谢t ht h er a t el e s st h a nl d c c o u l d b ei m p r o v e df u r t h e r a i m i n ga ts i n g l ei n p u to f d ms y s t e m ，an e wt r a n s m i s s i o ns c h e m ew h i c hn a m e d v i r t u a ll d cw i l t sp r o p o s e di nt h i sp a p e r 1 1 1 ev i r t u a ll d cs c h e m et r a n s f e r r e dt h el d c s u b s 仃e a m st h r o u g ht h em u l t i p l eu n c o r r e l a t e do f d ms u b c h a n n e l sw h i c hc o u l da c h i e v e t h ec o d i n ga n dd i v e r s i t ya d v a n t a g ea sw e l la sl d ci nm i m o i tw a ss h o w nt h a tt h e v i r t u a ll d cs c h e m ec o u l di m p r o v et h eb e r p e r f o r m a n c ec o m p a r e d 、析t l lp l a i no f d m s y s t e m n l eb e r p e r f o r m a n c eo ft h es p a c e t i m ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys c h e m eb a s e do n l d co v e r c o m e st h et r a d i t i o n a lo s t b cc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys c h e m ei nh i g hr a t e s y s t e m c o n t r a p o s i n gs e l e c t i v er e l a y i n gp r o t o c o l ，al d cs p a c e t i m ec o o p e r a t i v e d i v e r s i t ys c h e m ew a sp r o p o s e d b ys e l e c t i n gd i f f e r e n tr a t el i n e rd i s p e r s i o nc o d e ，t h e s c h e m ec o u l dt r a d eo f fb e t w e e nb e rp e r f o r m a n c ea n ds p e c t r a le f f i c i e n c y c o m p a r i n g w i t ht h es y s t e ma d o p t i n gl o w e rr a t el i n e rd i s p e r s i o nc o d e ，w h e nt h ec h a n n e lc o n d i t i o n w a sg o o de n o u g hb e t w e e nt h es o u r c ea n d r e l a y s ，t h es y s t e ma d o p t i n gh i g h e rr a t el i n e r d i s p e r s i o nc o d ec o u l dg a i nh i g h e rs p e c t r a le f f i c i e n c yb ys a c r i f i c i n go n l yal i t t l e b e r p e r f o r m a n c e c o n t r a p o s i n ga m p l i f y a n d f o r w a r dp r o t o c o l ，t w ok i n d sl d cs p a c e t i m e c o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys c h e m e sw e r ep r o p o s e d t h em a i nd i f f e r e n c eb e t w e e nt h e s c h e m e sw a sw h e nt h en o i s e so ft h er e l a y sw e r ea d d e dt ot h el i n e rd i s p e r s i o nc o d e s ， b e f o r eo ra f t e rt h ec o d i n g f i r s t l y ，w ep r o v e dt h et w os c h e m e sh a v et h es a m eb e r p e r f o r m a n c e s e c o n d l y ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h et w os c h e m e sw a sa n a l y z e da n d c o n c l u d e dt h a tt h et w os c h e m e sh a dd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i ci nt h ea s p e c to fc o m p l e x i t y a n dd a t ar a t e i nt h es p a c e - t i m ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys y s t e m ，t h ec o o p e r a t i v en o d e so f t e nw o r k e d i na na s y n c h r o n o u sc o n d i t i o nf o rt h ed i f f e r e n tl o c a t i o n g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h e r ea l e t w om e t h o d st oo v e r c o m et h ei m p a c to fs y n c h r o n i z a t i o n o n em e t h o di st od e s i g n s p e c i a ls t r u c t u r eo fs p a c e - t i m ec o d e ，t h eo t h e rm e t h o di st ou s et h eo f d mt e c h n o l o g y a i m i n ga tt h ef i r s tm e t h o d ，a l la s y n c h r o n o u sl i n e a rd i s p e r s i o nc o d e ( l d c ) c o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys c h e m ew a sp r o p o s e d t h en e ws c h e m ea d d e dt h ez e r op a d d i n g ( z p ) b e t w e e nt h el i n e a rd i s p e r s i o nc o d e w o r dt om i t i g a t et h ee f f e c to fa s y n c h r o n i s m t h el e n g t ho fz pw a sd e c i d e db yt h er e l a t i v et i m i n ge l r o r sb e t w e e nd i f f e r e n tr e l a y s a n e a s yd e c o d i n gm e t h o do fo u rs c h e m eb yr e s t r u c t u r i n gt h es t a c k e dc h a n n e lm a t r i xw a s a l s og i v e ni nt h i sp a p e r a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ns h o w e dt h a tt h en e ws c h e m ec o u l d w o r kw e l li na s y n c h r o n o u sc o n d i t i o n a i m i n ga tt h es e c o n dm e t h o d ，al d cc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys c h e m ei no f d m a s y s t e mw a sp r o p o s e d i nt h i ss c h e m e ，t h es u b c a r f i e r so ft h ef i r s tc o o p e r a t i v ep h a s ew e r e a l l o c a t e da c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo fl i n e rd i s p e r s i o nc o d ea n dt h eu n c o r r e l a t i o no f o f d ms u b c a r r i e r s b yt h i sw a y ，t h es u b s t r e a m so ft h el i n e r d i s p e r s i o nc o d ei nt h e d i f f e r e n tr o we x p e r i e n c e di n d e p e n d e n tf a d i n g t h er e c e i v e rr e s t r u c t u r e dt h er e c e i v i n g i n f o r m a t i o no ft h e f as t p h a s et ov i r t u a ls p a c e t i m ec o d ea n dc o m b i n e di tw i t ht h e i n f o r m a t i o no fs p a c e t i m ec o o p e r a t i o nr e c e i v e dd u r i n gt h es e c o n dp h a s ea n dd e c o d e d c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a ls t r a t e g y ，t h eb e rp e r f o r m a n c ew a si m p r o v e df u r t h e r k e y w o r d s ：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 ) s p a c e - t i m ec o d e l i n e a r d i s p e r s i o nc o d e ( l d c ) c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y 独创性声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容外，论文不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它 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做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：二圣型日期逊! 兰：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 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论文。 ( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本人签名：型 导师签名： 日期 日期 第一章绪论 第一章绪论 无线通信产业是目前人类社会经济发展的支柱型产业，己成为各国信息基础建设的二 个不可缺少的部分。本章首先回顾了无线通信的发展历程，介绍了目前无线通信中多输入 多输出系统中的的分集技术，然后简述了分集技术之一的空时编码技术和近些年出现的新 的分集技术一协作分集技术的研究现状。最后给出了论文的结构安排和作者在攻读博士学 位期间所取得的主要研究成果。 1 1 研究背景 数字通信的开始可以最早追溯到1 8 3 7 年m o r s e 建立的第一个有线电报系统。 但一般认为现代数字通信起源于上世纪2 0 年代，特别是晶体管和信息论的进展 推开了数字通信的大门。1 9 4 8 年，贝尔实验室的数学家、电子工程师c l a u d ee s h a n n o n 在其名为am a t h e m a t i c a lt h e o r yo f c o m m u n i c a t i o n 的论文中阐明了通信 的基本问题是把在一个地点产生的消息在另一个地点精确或近似地得到还原。 在总结并吸取- n y q u i s t 和h a r t l e y 等人的工作的基础上，s h a n n o n g l j 造性地提出信 道容量的概念并给出了信道编码定理瞳3 。这一重要结论影响并指导着其后数字通 信的发展。 在此之后，数字通信理论和技术在几十年来取得了长足的进步。尤其近些年 来，无线移动通信1 已成为当今数字通信中最充满活力的研究领域。上世纪八 十年代建立的模拟蜂窝通信系统标志着第一代移动通信( 1 g ) 的诞生。1 g 系统 达到了模拟话音的一般质量的通信要求，为了获得高质量的话音通信服务，在 上世纪九十年代，以欧洲g s m 标准和北美i s 9 5 制式为代表的第二代移动通信 系统( 2 g ) 进入了广泛应用阶段，使得可以传输9 6 k b p s 的低速话音。随后，在 1 9 8 5 年，人们首次提出了建立第三代移动通信系统( 3 g ) ，它包括w c d m a 标 准、c d m a 2 0 0 0 标准及中国提出的t d s c d m a 标准，其中t d s c d m a 在中 国已进入了商用阶段。3 g 系统具有更高的带宽、更大的容量，其最大传输速率 可以达至u 2 m b p s ，进一步扩大了服务业务的范围，可以为用户提供话音、数据、 较低速率视频、w e b 浏览、文件传输、e m a i l 等多种业务。与此同时，下代无 线通信系统( b e y o n d3 g 4 g ) 的研制工作已经悄然展开。2 0 0 6 年，国际电信联 盟( i t u ，i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 将b e y o n d3 g 4 g 移动通信系统 正式命名为先进的国际移动通信( i m t a d v a n c e d ，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 a d v a n c e d ) 系统。i m t a d v a n c e d 新系统在高速移动条件下将 支持约1 0 0 m b p s 的峰值速率，在低速移动条件下支持约1 g b p s 的峰值速率。它 将有效的支持具有q o s 支持的多媒体业务，其频率复用因子可以达到1 。现在 2 线性分散码及其在协作分集中的应用研究 已经有4 g 移动论坛( 4 g m f ) 、无线世界研究论坛( w w i 江) 和m i t f 、f u t u r e 、 k 4 g 、8 0 2 2 0 、3 g p p 等组织和论坛，它们一起和各公司、研究机构和政府一起 成为4 g 发展的推动力量。由此可见，无线通信技术产业已经成为各国信息基础 建设的一个不可缺少的部分，是社会经济发展的支柱型产业。 为了实现i m t a d v a n c e d 系统提出的目标，研究人员针对无线通信系统进行了 更深入的研究，并提出了许多新技术。如逼近信道容量的信道编码技术 6 - 9 1 ，正 交频分复用技术( o f d m ：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 ) b o q 2 】，预 编码技术1 1 3 。巧j ，自适应编码调制技术( a m c ：a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ) 【1 6 ，1 7 1 ，认知无线电( c r ：c o g n i t i v er a d i o ) b s - 2 0 和多输入多输出技术( m i m o ： m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 【2 l ，2 2 j 等。这些新技术中，m i m o 技术即可以充分 利用空间资源，在不增加系统带宽和天线总发射功率的情况下，大大提高通信 系统的容量，也可以利用收发分集和空时编码提高传输的可靠性，已成为下一 代无线通信系统中的必选技术之一。提到m n v i o 技术，就需要先了解分集技术。 下面我们将首先简单介绍无线通信系统中的分集技术的相关知识。 1 2 无线通信系统中的分集技术 近些年来，随着人们对移动互联网接入，多媒体服务等宽带移动业务需求的 不断增长，通信业务向无线化和移动化的方向飞速发展。这样如何提高无线通 信系统的通信速率和降低通信时的误码率，更加有效的利用频率资源成为无线 通信领域中的一个重点。在无线通信系统中，如何抵抗信道的衰落问题是提高 无线通信系统通信速率和降低通信时的误码率所要解决的重要问题之一。然而， 与加性高斯白噪声信道相比，在衰落环境下降低误码率显得相当困难。例如， 在加性高斯白噪声信道( a w g n ) 下，用典型的调制和编码方式，把比特错误 率( b e r ) 从1 0 。2 降到1 0 。，信噪比需要增加1 2d b ；而在多径环境下要获得同 样的性能改善，信噪比需要增加1 0 d b 。此外，在衰落环境下，能够利用的带宽 资源也十分有限。因而通过在发射端采用更高的功率或者采用额外的带宽来提 高无线通信系统的通信质量，则不太合适。这样，就需要一种技术能够在不需 要额外的功率和不牺牲带宽的情况下，有效的减少多径衰落对通信质量的影响。 分集技术正是可以满足上面要求的一种信号传输处理技术，它把若干个支路 上接收相关性很小的载有同一消息的信号通过合并技术将各个支路信号合并输 出，从而可在接收终端大大降低深衰落的概率，因此能够很好的抵抗无线信道 中的衰落。 从分集技术的字面意思可以很容易的看出，分集技术主要包括“分和“集” 两个方面，即分散传输和集中处理。分散传输使得接收机能够获得多个统计独 第一章绪论 3 立的、携带同一信息的衰落信号，而集中处理通过把接收机收到的多个统计独 立的衰落信号进行合并来降低无线信道衰落的影响b 实现分集效果最重要的条件是接收端接收到的各个信号之间应该是“不相 关”的，要实现这个目的可以在空间、时间、频率、相位和编码等多种资源上进 行。根据分集技术所涉及资源的不同，可分为如下5 个大类： 1 空间分集【2 3 1 。信号在无线信道中传播时，空间位置上的变化可能导致信 号强度的较大变化，因此当使用多个接收信道时，各个信道上的信号受 到的衰落影响可以认为是不相关的，这就是说同一个信号在不同信道上 经受深衰落的可能性非常小。因此可以在接收端架设几副天线( 各个天 线的位置要求有足够的间距，一般在1 0 0 个信号波长以上即可) ，独立 地接收同一信号，再合并输出，从而使信号的衰落的程度能被大大地减 小，这就是空间分集。空间分集接收的优点是分集增益高，缺点是需要 额外单独的接收天线。 2 时间分集 2 4 】。由于无线信道具有时变特性，因此同一信号在不同时间 可能经历不同的衰落。时间分集正是根据无线信道的这一特性，在时间 域内引入冗余使得接收端能够接收到同一信号的“不相关 副本。为了 得到同一信号的“不相关 副本，一种简单的方法是将携带信息的符号 在不同的时间内重复发送，但需注意，此时相邻信号的发送时间间隔应 大于信道的相关时间。时间分集与空间分集相比较，优点是减少了接收 天线及相应设备的数目，缺点是重复占用时隙资源增大了开销，降低了 信息的传输效率。 3 频率分集【2 5 】。信号在无线信道中传输时，不同频段的衰落统计特性也 不同，因此可以利用这一特性选择不同的频段来实现抗频率选择性衰落 的功能。频率分集正是基于这一特性的一种分集技术。具体来说，频率 分集就是发射端采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时 发送和接收同一信息，然后进行合成或选择。频率分集中要求待发送的 信息分别调制在频率不相关的载波上发射，当不同的载波之间的间隔大 于信道的相关带宽就可以认为它们不相关。频率分集与空间分集相比较， 其优点是在接收端可以减少接受天线及相应设备的数量，缺点是要占用 更多的频带资源。 4 极化分集。在移动环境下，两副在同一地点，极化方向相互正交的天线 发出的信号呈现出不相关的衰落特性。利用这一特点，在收发端分别装上 垂直极化天线和水平极化天线，就可以得到两路衰落特性不相关的信号。 4 线性分散码及其在协作分集中的应用研究 极化分集接收可以达到空间分集接收的效果，所以极化分集实际上是空 间分集的特殊情况，其分集支路只有两路。极化分集的优点是它只需一 根天线，结构紧凑，节省空间，缺点是它的分集接收效果低于空间分集 接收天线，而且由于发射功率要分配到两副天线上，将会造成3 d b 的信 号功率损失。此外，分集增益还依赖于天线间不相关特性的好坏。 5 角度分集。在角度分集中，载有信号的电磁波通过几个不同路径，以不 同角度到达接收端，而接收端则利用多个具有方向性尖锐的接收天线分 离出不同方向上的相互独立的衰落信号。 以上5 种分集技术中，前3 种即时间分集、频率分集、空间分集比较常用。 可以看出，时间分集和频率分集都是在牺牲频带利用率代价下来提高系统性能。 而对于空间分集，信号既没有在时间域内引入冗余，也没有在频率域内引入冗 余，因此空间分集没有降低频带利用率，这对高速传输非常有利。实际上对于 空间分集，信号虽然在时间域和频率域都没有引入冗余，但是信号被赋予了一 定的空间结构，在空间域上引入了冗余，因此提高了传输性能。此外，时间分 集和频率分集并不是在任何情况下都可以使用。例如，在慢衰落信道下，时间 分集就很难起作用。当信道时延扩展较小时，频率分集也不能很好的发挥作用。 对于空间分集，在现有的移动通信网络中，在上行链路，可以在基站端配备多 个天线实现接收分集技术。但是对于下行链路，受移动端的尺寸、成本等问题 限制，在移动台端采用接收分集技术比较困难。因此为了提高下行链路的通信 质量，只有增加基站的复杂度，例如可以在基站端采用多个发射天线，采取发 射分集技术。 发射分集的基本思想和接收分集基本相同。发射分集为了减小信道深衰落对 信号的影响，采用了在一副以上的天线上发射信号，并将发射信号设计成在不 同的信道中保持独立的衰落，在接收端再对各路径信号进行合并的方法。发射 分集的成本代价相对于接收分集来说，是移动通信业务运营商和用户所较能接 受的。此外，在下行链路，基站使用发射分集技术后，同一发射信号可以使多 个移动台获得发射分集增益，这与传统的接收分集增益只针对一个移动台来说， 有很大优势。 发射分集一般可以通过两种技术实现。一种是波束赋形技术，一种是空时编 码技术。接下来我们将介绍空时编码技术的基本概念及其发展。 1 3 空时编码技术的发展 空时编码技术在时间域和空间域上同时引入编码，是一种适用于多天线信道 的编码方案，它综合了空间分集和时间分集的优点，可以提供分集增益甚至编 第章绪论 5 码增益。空时编码技术可以获得远远高于传统单天线系统的频带利用率，大幅 提高通信系统的信息速率和( 或) 降低通信时的误码率。 空时编码的工作最初起源于2 0 世纪9 0 年代初期s t a n f o r d 的r a l e i g t h 和c i o f f i 的工作【2 6 】以及瑞士a s c o m 的w i i t t n e b e n 2 7 1 。而空时编码的模型最早是由美国 的l u c e n tb e l l 实验室提出的，1 9 9 6 年，b e l l 实验室提出了分层空时编码的概念 【2 8 】，并于1 9 9 8 年提出了分层空时编码技术的框架，开发出了b l a s t ( b e l l l a y e r e ds p a c e t i m e ) 试验系统。分层空时码将信源数据分为几个子数据流，独 立的进行编码、调制并且各自进行发送，在接收端对各个发送天线的数据进行 检测，然后进行独立的解调和译码。分层空时码根据发送端t 4 1 歹u 数据的不同， 又可以分为垂直分层空时码( v b l a s t ) 、对角分层空时码( d b l a s t ) 和水平分 层空时码( h b l a s t ) 等。 随后，美国a t & t 实验室的v a h i dt a r o k h 在此启发下，提出了网格空时码【2 川 ( s p a c e t i m et r e l l i sc o d e ，s t t c ) ，它是在延时分集基础上结合t c m 编码提出 的。s t t c 把编码和调制结合起来，综合考虑了编码增益和分集增益的影响，在 性能和频带利用率之间进行了很好的折衷，在各种信道环境下均有较好的性能。 但是，s t t c 的频带利用率不随天线个数增加而增加并且它的译码复杂度随着分 集增益和频带利用率的增加成指数增长，这大大的限制了s t t c 的应用。 由于s t t c 编译码比较复杂，t a r o k h 等人在a l a m o u t i d o 】研究的基础上，提出 了分组空时码( s p a c et i m eb l o c kc o d e s ，s t b c ) 3 1 , 3 2 】的概念。由于分组空时码 采用正交设计，使得接收端在采用最大似然译码时，只需做一些线性处理，大 大降低了译码的复杂度。虽然正交分组空时码比s t t c 的性能略差，但是由于 正交分组空时码译码比较简单，已经得到了广泛应用，比如a l a m o u t i 空时码已 经被w c d m a 标准采用，在第三代移动通信技术一l t e 中也支持基于a l a m o u t i 的空频块码传输分集技术。 b l a s t 、s t t c 和s t b c 是三种最主要的空时编码技术，在它们提出以后， 围绕这3 种技术，不少学者做了近一步的研究，比如j a f a r k h a n i 提出了准正交分 组空时码【3 3 】，t a o 和z h a o 提出了基于差分酉空时调制的网格码【3 4 , 3 5 】，t a r o k h 3 6 】 提出了类似于单天线条件下差分调制技术的差分空时码，h w a n g d t 提出了一种 使用非连续调制星座的差分分组空时码等。比较这3 种空时码技术可以发现， b l a s t 是以最大化复用增益为目标，而s t t c 和s t b c 则是以最大化分集增益 为目标，这使得它们各有不同的优缺点。例如，b l a s t 极大地提高了频谱效率， 但其性能和分集增益却存在严重不足；空时网格码编译码复杂度过高；空时分 组码( s t b c ) 具有很低的译码复杂度，但是其抗衰落性能较差，而且频谱利用率 线性分散码及其在协作分集中的应用研究 较低。因此，2 0 0 0 年，h a s s i b i 和h o c h w a l d 提出了线性分散码( l i n e a rd i s p e r s i o n c o d e s ，l d c ) ，可以很好的在复用增益和分集增益之间进行折衷。本文将在第 二章，对线性分散码进行详细的介绍。 1 4 协作分集技术的发展 在1 2 小节中，我们介绍了多种分集技术，指出它们可以很好的解决信号在 信道中的衰落问题。在这些分集技术中，空间分集以其独有的优势，更是成为 抵抗衰落的重要技术手段，1 3 小节中介绍的空时编码技术就是一种实现空间分 集的技术。但是，在实际应用中，某些情况下很难或者无法使用空间分集技术。 例如，在移动通信网络中，多天线都设置在基站端，而移动终端则由于体积、 质量和功耗等问题很难安置多天线，这使得空间分集技术在实践中步履维艰。 因此，近些年来，一种新的空间分集技术一协作分集技术得到了越来越广泛的 关注。协作分集技术的主要思想是将无线通信网络中不同节点的天线集合起来， 形成一个“虚拟的天线阵列 ，然后利用多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l e o u t p u t , m i m o ) 技术帮助某个( 某些) 节点进行通信。由此可见，协作分集技 术的特点是各个节点通过共享天线所建立的“虚拟天线阵列”进行信息的分布 式传输和处理。 “协作分集 这一术语最早出现在s e n d o n a r i s 的一篇文章中【3 8 】，这篇文章提 出了一种新的分集方式，该分集增益是通过小区内节点互相协作获得的。随后， l a n e m a n 根据这篇文章正式提出了协作分集的概念【3 9 4 1 】。在文献 4 1 】中，l a n e m a n 从中断概率的角度分析了放大前传( a m p l i f ya n df o r w a r d ，a f ) 、译码前传 ( d e c o d ea n df o r w a r d ，d f ) 、选择中继和增强中继协作策略的性能，指出除了 译码前传外，其他中继协议都能够获得满分集增益。在同一时期，其它学者也 对协作分集技术进行了广泛的研究。例如s e n d o n a d s 4 2 ，4 3 】在描述了协作概念的 基础上，针对传统的c d m a ( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 系统提出了一种具 体的协作方法并给出与传统未协作c d m a 系统的性能比较，最后得出结论：协 作分集不仅可以提高系统的吞吐量、增大通信覆盖范围，还可以降低系统性能 对信道变化的敏感度。h u n t e r 删将协作分集与信道编码技术相结合，提出了编 码协作方案( c o d e dc o o p e r a t i o n ，c c ) 。c c 的主要思想是在协作分集中，节点 之间发送协作伙伴信息时，不是简单的重复发送收到的伙伴数据，而是通过信 道编码方式加入额外的校验信息，从而在得到编码增益的同时提供了比重复发 送更大的灵活性。随后，l a n e m a n 3 9 1 提出了空时协作分集( s p a c e - t i m ec o d e d c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) 技术，将空时编码技术应用到协作分集技术中，此时的空 时码是通过各个分散的节点发送的。l a n e m a n 指出参加协作的节点在接收并解 码其协作伙伴的信息后，再经过空时编码转发往目的节点，在高信噪比的情况 第一章绪论 7 下同样可以获得m 阶( m 为协作用户数) 的分集增益。j a n a n i 4 5 】在讨论空时编码 协作方案的基础上研究了对应的迭代译码算法并指出借助空时码可以增加快