（信号与信息处理专业论文）新一代无线通信系统空时分组码技术研究.pdf

皇至型垫查堂翌主堂垒笙兰 一 摘要 当今，无线通信业务的需求呈爆炸式的速度增长。新一代( b 3 g 4 g ) 无 线通信系统需要承担巨大负荷数据量的访问，这些数据包括：超高速的文字、 语音以及引人入胜的多媒体信息。为了更好地提供这些业务，需要大容量的 信道予以支持。但是多径以及多路访问干扰问题严重限制了技术发展的步伐。 多输入多输出( m i m o ) 系统技术的出现，为解决这样的难题带来了曙光。 它从多径问题中受益，化不利为有利，能够有效提高信道的容量。作为m i m o 构架核心环节的空时分组码技术，是一种新兴而颇具潜力的方案。它充分利 用m i m o 信道的发射分集技术，实现了高质量、可靠、快速、低开销的无线 通信方式。 本文的研究主题正是新一代无线通信系统中的空时分组码技术。以下就 是文中讨论的重点内容： 首先，总结了m i m o 系统的结构特点和原理。并对m i m o 信道的容量问 题加以讨论。通过相应的仿真实验，深刻理解制约m i m o 信道容量的各 种因素的相互关系和作用规律。 总结了目前空时分组码技术研究的现状。特别是对主要的空时分组码设计 技术进行了详细的介绍和全面的性能优劣分析。通过比较分析发现，已有 的空时分组码技术尚未真正成熟。初现端倪的优秀特点与缺乏全面深入的 理论体系支持的局面，决定了该技术潜力巨大，并具有广阔的研究空间。 而从现有的研究还可以发现：分集度、码率以及时延分组数是空时分组码 设计( 对于发射天线数n 2 的系统构架，复信号情况) 中最主要的矛盾 体，设计时必须加以折中考虑。继而提出：在保证满分集度的前提下，尽 可能提高码率，并优化时延分组数，才是多发射天线构架复信号空时分组 码设计的更明智的选择。 在定范围内， m i m o 信道的容量将随系统天线数目的增加而增大；另 一方面，复信号星座图映射方式将比实信号方式带来更高的系统频谱利用 率。基于这样的想法，本文创新地提出一种基于( 6 4 ) 和( 8 x 4 ) 天线 构架的复信号空时分组码的编解码系统方案，并进行了详细的数字化推导 论证。该方案保证系统获得满分集度增益情况下，实现码率为0 5 的传送 赀海洋：新一代无线通信系统空时分组码技术研究 指标。系统方案中还包括创新设计的适应3 g p p 规范的星座图映射，使空 时分组码编码子系统在级联处理时，能够有效提高结构适应性。详细的仿 真试验的结果使新设计的空时分组码系统方案的可行性和高效性得以充 分的验证，不仅在信息传送质量上有大幅度提高，而且能够保持较快的系 统处理速度。因此，该方案颇具工程实用价值。 关键词：空时分组码，正交设计，最大似然决策，m i m o 系统，无线通信 皇王型塾查堂堡三! 三兰些堡壅 a b s t r a c t t h ed e m a n df o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e si sg r o w i n ga ta ne x p l o s i v e r a t e n e x tg e n e r a t i o n ( b 3 g 4 g ) w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sn e e dt oa c c e s st o av e r yl a r g ea m o u n to fd a t as t r e a mi n c l u d i n ge n o r m o u sh i g hs p e e dt e x t ，v o i c ea n d m u l t i m e d i a m e s s a g e s t os u p p o r t t h e s es e r v i c e s c h a n n e l s 、 ，i ml a r g ec a p a c i t i e sa r e n e c e s s a r i l yr e q u i r e d b u t t h e p r o b l e m s o f m u l t i p a t h a n d m u l t i p l e a c c e s s i n t e r f e r e n c er e s t r i c tt h es t e p so fd e v e l o p m e n t t h em 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 mt e c h n o l o g yg i v e s o u r l i g h t t o s o l v et h e p r o b l e m s i t t u r n s m u l t i p a t hf r o m u n f a v o u r a b l ef a c t o r st oa d v a n t a g e o u so n e s ，a n dt h u si n c r e a s et h e c h a n n e lc a p a c i t ye f f i c i e n t l y a st h eo n eo ft h ek e r n e lp a r t so fm i m oa r c h i t e c t u r e s p a c e t i m eb l o c kc o d e s ( s t b c ) t e c h n i q u e i san e ws c h e m ew i t hm u c h p o t e n t i a l p o w e r i t u s e st h et r a n s m i td i v e r s i t yt e c h n i q u ei nm i m oc h a n n e lt op r o v i d ea h i g h q u a l i t y , r e l i a b l e ，f a s t ，l o wc o s tw a y o f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h e m a j o rp o i n t so f t h i st h e s i sa r et or e s e a r c ht h es t b c t e c h n i q u e t h em a i n w o r k sa r ea sf o l l o w s ： d e s c r i b et h es t r u c t u r ec h a r a c t e r sa n d p r i n c i p l e so fm i m os y s t e m d i s c u s st h e c a p a c i t yp r o b l e m so fm i m o c h a n n e l g i v ea ni n s i g h to ft h er e l a t i o n s h i po f f a c t o r sr e s t r i c t i n gm i m oc h a n n e l c a p a c i t ya n dt h ef u n c t i o nb ys i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s d e s c r i b et h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fs t b c i n t r o d u c et h em a i ns t b c m e t h o d si n d e t a i la n d a n a l y s e t h e p e r f o r m a n c e s c o m p r e h e n s i v e l y b y c o m p a r i s o n ，i n d i c a t e t h a ts t b c t e c h n i q u e h a sn o tb e e nm a t u r e t h e o u t s t a n d i n g f e a t u r e sa n dt h es i t u a t i o no fl a c ko ft h o e r y s y s t e ms u p p o r t s d e t e r m i n et h et e c h n i q u eh a sm u c h p o w e r f u lp o t e n t i a la n dr e s e a r c hs p a c e i ti s d i s c o v e r e dt h a td i v e r s i t yo r d e r , t r a n s m i s s i o nr a t ea n dt i m es l o tb l o c kn u m b e r a r et h em a i nc o n t r a d i c t i o n si ns t b c d e s i g n ( o nt h ec o n d i t i o no ft h et r a n s m i t a n t e n n an u m b e rn 2 ，c o m p l e xs i g n a lc o n s t e l l a t i o n ) t r a d e o f ! fi d e as h o u l d k e e pi nm i n d s oi t i sam o r ew i s e f u lc h o i c et oi n c r e a s et h et r a n s m i s s i o nr a t e a n do p t i m i z et h et i m es l o tb l o c kn u m b e ro nt h ec o n d i t i o no f k e e p i n gt h ef u l l d i v e r s i t yo r d e ri ns t b cd e s i g n 1 i i 黄海洋：新一代无线通信系统空f l 寸分组玛技术研究 i nas e n s e t h e c a p a c i t yo fm i m oc h a r m e l 1 n c r e a s e s1 1 1a c c o r d a n c ew i t h a n t e n n an u m b e ri ns y s t e m m o r eo v e r ac o m p l e xs i g n a lc o n s t e l l a t i o nc a n p r o v i d eh i g h e rs p e c t r u me f f i c i e n c yt h a nar e a ls i g n a lc o n s t e l l a t i o n b a s e do n t h e s ei d e a s ，t h i st h e s i sp r e s e n tan e ws t b c s y s t e md e s i g nw h i c h b a s e do n ( 6 4 ) o r ( 8 4 ) a n t e n n as t r u c t u r e sw i t hc o m p l e xs i g n a lc o n s t e l l a t i o n s t h e n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n sa r ea l s op r o v i d e di nd e t a i l k e e p i n gf u l ld i v e r s i t yo r d e r g a i n ，t h ed e s i g n c a na c h i e v e0 5t r a n s m i s s i o nr a t e an e wc o n s t e l l a t i o n m a p p i n gd e s i g ni sa l s op r e s e n t e dw h i c hi sa d a p t e dt o3 g p ps p e c i f i c a t i o n t h e d e s i g n c a nl e ts t b c s u b s y s t e m b e c o m em o r ef l e x i b l ei n c o n c a t e n a t e p r o c e s s i n g t h ef e a s i b i l i t ya n dp e r f o r m a n c eo ft h en e ws t b cs y s t e md e s i g n a r ef i a l l yv e r i f i e db ys i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s n o to n l yt h et r a n s m i s s i o nq u a l i t y i si n c r e a s e dm u c h ，b u tf a s ts y s t e mp r o c e s s i n gc a nb ea c h i e v e d s ot h en e w d e s i g ni sm u c hv a l u b l ei np r a c t i c e k e y w o r d s ：s p a c e t i m eb l o c kc o d e s ，o r t h o g o n a ld e s i g n ，m ld e c i s i o n ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：堇：堑整 日期：2 0 0 4 年5 月1 7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位 论文的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：童垫叠导师签名： 日期：厶萨月伊日 ， 鱼王型垫查兰堡圭堂丝笙苎 第一章绪论 近年来，数字无线移动通信技术的飞速发展在万众瞩目的全球信息产业 革命中迸发出璀璨的光芒。当今的人们只需花费相对低廉的价格，就能非常 容易地通过便携易用的无线终端设备，几乎是在任何时间任何地点轻松享受 技术革新所带来的巨大震撼，真可谓“惊涛拍岸，激起千堆雪”，人们对无线 移动通信技术发展的渴望随着i t e m e t 的发展而爆炸式增长【l 】。全球用户数量 的与日俱增更是有力的印证，如图l ，1 所示。这也符合了那旬老话：市场需要 技术，技术推动市场。 图1 i 移动电话和i n t o r n o t 用户数量走势 1 1 新一代无线通信技术的前景展望及系统要求 无线移动通信技术从二十世纪下半叶开始发展起来，至今虽然只经历了 短短几十年的时间，却取得了令人瞩目的成就，并给整个人类世界的面貌带 来了巨大的革新。1 9 7 8 年，美国a t & t 的贝尔实验室成功设计出世界上第一 个蜂窝移动通信系统先进移动电话系统( a m p s ) ，并建成了蜂窝移动通 黄海洋：新一代无线通信系统宅时分组码技术研究 信网，1 9 8 3 年首次在芝加哥投入商用。不久，基于不同标准的其它模拟蜂窝 移动通信系统也相继推出，如英国的t a c s ，日本的n a m t s ，北欧的n m t s 等【2 1 。这些系统统称为第一代( 1 g ) 蜂窝移动通信系统，由于采用了模拟技 术，也称为模拟蜂窝移动通信系统。第一代移动通信系统最重要的突破是采 用贝尔实验室提出的蜂窝网概念，通过频率复用，大大提高了系统容量。尽 管这些系统具有很多相似特性，但没有发展成一个全球统一的标准。同时频 谱利用率低、通信容量小、保密性差、设备复杂、成本高以及不能提供非语 音业务，这些缺点促使第二代( 2 g ) 移动通信系统的出现。 第二代移动通信系统最大的特点是完全采用数字技术，也称为数字蜂窝 移动通信系统，以g s m 、p d c 、i s 一9 5 为代表拉j 。g s m 是由欧洲c e p t 移动 通信特别小组于1 9 8 8 年完成标准制定，1 9 9 2 年投入商用。1 9 9 3 年3 月p d c 在开本正式投入商用。两者的共同点是数字化，采用时分多址( t d m a ) 技 术，工作频段为9 0 0 m h z ，语音质量较第一代系统更为出色，可传送短消息和 低速数据业务，能自动漫游等。i s 9 5 是美国提出的基于码分多址( c d m a ) 技术的蜂窝系统，采用扩频通信。第二代系统较好满足了人们对于语音传送 的基本要求，短短十几年时间便已遍及全球各地，成为人们日常生活中不可 或缺的通信手段之一，如图1 2 所示。然而，由于近年i n t e m e t 的急速发展， 人们不再满足于单一的语音业务，而是要求无线移动通信系统具有承载包括 视频、图像在内的大数据量、高速率的多媒体业务的能力。这对第二代移动 通信系统提出了更严峻的挑战。这意味着我们需要新一代的无线移动通信系 统来满足要求。因此，以大容量、高数据率和承载多媒体业务为主要目的第 三代( 3 g ) 无线移动通信系统出现在了历史的舞台。 图1 2 第二代无线移动通信系统覆盖情况 2 坚三型垫查堂堡主堂垡堡苎一 1 9 8 5 年起，国际电信联盟( i t u ) 就开始筹划第三代移动通信系统 ( i m t - 2 0 0 0 ，在欧洲称为u m t s ) 的研究。1 9 9 7 年，欧洲、日本、美国等有 关组织便着手i m t - 2 0 0 0 的标准制定工作。i m t - 2 0 0 0 包括欧洲提出的 w - c d m a ，美国提出的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 等口1 。与已有系 统相比，i m t - 2 0 0 0 最显著的优点在于更高的数据率，其室内数据传输率可达 2m b s ，即使在室外高速运动的情况下也可达1 4 4k b s 。同时，i m t - 2 0 0 0 可 支持包括数据、语音、视频和图像在内的多种业务，部分实现了移动通信韵 宽带化和多媒体化。在关键技术中的多址方式的选择问题上，码分多址 ( c d m a ) 因其良好的抗干扰性、抗衰落性、保密性等优点丽成为i m t - 2 0 0 0 的主流方式。 i m t - 2 0 0 0 的工作频段为2 g h z ，其主要的技术参数如表1 1 所示【3 】 表1 1w - c d m a 和c d m a 2 0 0 0 标准的主要技术参数 w 。c d m ac d m a 2 0 0 0 信道带宽 5 1 0 2 0 m h z1 2 5 5 1 0 15 2 0 m h z 多址方式 d s c d m ad s c d m a m c c d m a 码片( c h i p ) 速率 3 8 4 m c h i p s1 2 2 8 8 m c h i p s 的1 , 3 69 】2 倍 2 0 m s ( 基本数据信道和控制信 帧长 1 0 m s 道) 5 m s ( 特定控制信道) 扩频因子4 2 5 64 2 5 6 数据调制：q p s k b p s k数据调制：q p s k b p s k 调制方式 扩频调制：q p s k 扩频调制：q f s k o q p s k 开环结合快速闭环方式 开环结合快速闭环方式 功率控制 功率控制速度为1 6 k h z功率控制速度为8 0 0 h z 越区切换 软切换，频率间切换 软切换频率间切换 为了便于管理和避免兼容性问题，人们期待第三代无线移动通信系统的 全球标准化。o h g ( o p e r a t o r sh a r m o n i z a t i o ng r o u p ) 制定了相应的标准框架， 茎堂堂：堑二垡至垡望堡墨竺窒盟坌丝型丝查竺型一 如图1 3 所示。其基本要求就是 h 1 4 | ： 必须包含基于c d m a 无线接口的三种模式：直接序列扩频c d m a ( d s ) ， 多载波c d m a ( m c ) 和时分复用( t d d ) ； 必须包含两类核心网络：基于g s m 的核心网络和基于a n s i 一4 1 的核心网 络； 所有无线接入网络模式必须能够连接任何一类核心网络 图1 3 第三代无线移动通信系统标准框架 事实上，全球3 g 系统仍处于试运营评估阶段，存在四类工作模式：以 w c d m a 为代表的直接序列扩频模式；以c d m a 2 0 0 0 为代表的多载波模式： 以t d s c d m a 为代表的时分双工( t d d ) 模式和为e d g e u w c 1 3 6 面开发 的第三代时分多址( t d m a ) 标准，如表1 2 所示。 表1 2 全球3 g 标准的四种选择方式 w i d e b a n dc d m at d m d i r e c t s e q u e n c e m u t t i c a r r i e rt d de d q e w c 1 3 6 w c d m aa p e r 3 * o d g p m p 2 a 2 0 p e 怒鬣：耥勰6 * a sp e r e t s i u w c 3 e p p * n e ws p e c t r l i m f o d l 8 - 9 5b p h 1 m w 刮吖* u n p a i r e ds p e c t r u mo p e r a t i o n ( 1 0 四 蠹黯揪o f d d , c h i pr a 抽3 粕m e , c h i p r a t e3 8 4m o p s o c h i pr a t e 3 6 8 6 4m 8k 曲一h e lm o d u l a t i o n a 叫n d r 。n o u 80 ”c h 1 0 o s y n g h r o n o u s * w i t hl i n ka d a p t a t i o n o p e r e t i o ns u p p o r t e d l ：撇； n e t w o r ks i g n a l i n gn e t w o r ks l g n 目j l n g 燃紫飘。一曲醇e1a n s f 4 t p h a s e lg s m m a p - p h a s e2a n s i - 4 1l o b 笛92g s m m a p p h a s e 2 a n s i - 4 t g s b y m a p a n d a n s i 4 1 4 电子科技大学碳： 学位论文 总之，对更高比特率数据业务和更好的频谱利用率的迫切要求，是推动 第三代无线移动通信系统发展的最主要动力。 目前无线业务提供商正逐步开始提供第三代无线移动通信业务。随着接 入技术的不断进步，语音、视频、多媒体和宽带数据业务需要逐渐过渡至同 一网络中，如图1 4 所示。人们曾展望3 g 将成为真正意义上的宽带业务，不 过这一美好愿望看来很难实现了。 图1 4 无线业务与网络的融合 虽然按照协议标准，3 g 系统必须提供最高2m b s 的数据率，但即使是这 样一个理论峰值，对于以几何级数增长的宽带数据业务量来说，仍然是捉襟 见肘，如图1 5 所示。鉴于实际3 g 系统设计规划与实施上许多先天不足的问 题，为实现真正意义上的宽带无线业务，我们继而考虑称之为后三代( b 3 g ) 或第四代( 4 g ) 无线网络系统。 目前的4 g 系统仍处于初始研究阶段，和3 g 系统的一些关键参数的对比， 如表1 3 所示。 新一代无线通信系统的研究涉及到包括智能天线( s m a r t a n t e n n a ) 技术、 自适应可配置系统及软件无线电技术( a d a p t i v er e c o n f i g u r a b l es y s t e m s s o f t w a r ed e f i n d e d r a d i o ) 、无线接n ( w i r l e s s a c c e s s ) 的i - e 交频分复用( o f d m ) 技术与多载波码分多址( m c c d m a ) 技术、网络融合( n e t w o r kc o n v e r g e n c e ) 、 多用户检测技术等等众多问题。而本文的主要部分将涉猎另外一个核心内容 堕塑登! 堑二垡垂丝望堕至竺皇盟坌丝堡丝查婴墨一 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 ) 技术及空时码( s p a c e t i m e c o d e s ) ，尤其对空时分组码( s p a c e t i m eb l o c kc o d e s ) 技术做了较深入的研 究与创新工作。 图1 5 各种信息业务的数据量要求 表1 33 g 和4 g 系统的关键参数对比 3 g4 g 网络架构基于广域蜂窝集成w l a n 和w a n 位速率最高至2 m b s移动模式下2 0 10 0 m b s 频带1 8 2 4 g h z2 8 g h z 带宽 5 2 0 m h z1 0 0 m h z 6 电子科技大学硕：匕学位论文 交换电路交换和数据包交换数据包交换 接入技术w - c d m a 和e d g e 等o f d m 和m c c d m a 优化天线设计，多频带适智能天线，软件多频带和 元器件设计 配器 宽带无线电 许多空中接口协议，包括 协议全i p ( i p v 6 ) i p 1 2 空时分组码技术的现状和问题 自从1 9 9 8 年a l a m o u t i 提出了一种无线通信的简单分集技术( 5 1 以来，空时 分组码的概念逐渐进入人们的视野。a l a m o u t i 指出，可以利用2 个发射天线 和任意数目的接收天线来实现一种相对简单快速的空时传输方案。这种方案 的最大特色之一是使用了发射分集技术，与相应的接收分集最大比合并方案 有近似的性能，而允许移动台拥有更低的系统复杂度和成本。t a r o k h 、 j a f a r k h a n i 和c a l d e r b a n k 随即将这种方案进行较系统的研究，并进行有效的发 展，提出正交技术的概念，并深入讨论，在h u r w i t z - r a d o n 理论的基础上，继 而提出广义实正交、复正交和广义复正交的设计方案1 6 。由于空时分组码系统 方案另个特色快速解码处理，在很大程度上依赖于编码矩阵设计的优劣状 况，所以，众多工程研究者包括数学工作者投入了大量的精力去挖掘其中的 奥秘。 除了前面提到几位的研究之外，主要还包括：t i r k k o n e n 等人提出的嵌入 式方阵的空时分组码7 1 ：s u 、x i a 以及l i a n g 提出几种满分集度高码率的空时 分组码州9 卅；g a n e s a n 和s t o i c a 从信噪比的角度深入探讨空时分组码的特性， 并提出种称之为友好正交方案 1 j j ；j a f a r k h a n i 另辟蹊径，考虑保证满码率情 况下的空时分组码设计准正交空时分组码；p o p o v i c 提出基于可调制正 交序列的循环空时分组码 1 3 1 ；d a m e n 提出基于星座图旋转和h a d a m a r d 变换 的对角代数空时分组码【1 4 】【1 5 等等。除此之外，还用众多的学者对空时分组码 及相关方面做了大量的总结和试探性工作 2 4 】。 黄海洋：新代无线通信系统空时分组码技术研究 可以看出，关于空时分组码的研究在短短的几年时间内已经蓬勃开展起 来。但是，目前的研究仍然处于一种发现与摸索的初级阶段。分集度、码率 和时延分组数的矛盾关系形成了当前空时分组码设计中的首要难题。总体而 言，空时分组码的现状主要是集中于局部的、非理论化以及缺乏具体而全面 系统级仿真验证的研究局面。由于缺乏理论，许多研究成果是基于数学“拼 凑”的结果，不易于工程扩展；由于缺乏整体通信系统的考虑，许多研究成 果的实践价值不高；由于缺乏具体而全面的系统级仿真试验，而无法从实践 中了解设计方案的实际优劣状况。 对于空时码系统，更多数目的天线配备将有助于提高信道的容量和信号 的传送质量，而高阶复信号的映射方式将有助于提高系统的频谱利用率。因 此，对基于多数目发射天线构架复信号映射的空时分组码系统的研究将是意 义深远的。目前对这方面的研究还非常有限，本文要解决的最主要问题就在 于此。 1 3 全文内容概览 全文共分六章。 第一章从全球无线通信的发展过程，包括无线通信1 g 、2 g 、3 g 以及b 3 g ( 4 g ) 系统的发展状况和性能优劣比较的简要介绍，引出本文研究的主要内 容，通过全文内容概览勾画各章的叙述构架，然后提出本文的主要贡献和创 新之处。 第二章将从新一代无线通信信道的主要问题，引出分集技术和多入多出 ( m i m o ) 系统的概念，对其结构和原理做出基本的介绍和分析，信道容量 的问题亦将在其后阐述。 第三章介绍空时码( s p a c e t i m ec o d e s ，s t c ) 技术的基础理论，包括空 时网格码( s p a c e t i m e l r e l l i sc o d e s ，s t t c ) 和空时分组码( s p a c e t i m eb i o c k c o d e s ，s t b c ) 的基本情况。 第四章将对空时分组码技术进行深入阐述，涵盖保证满分集度的正交空 时分组码设计，保证满码率的空时分组码设计( 发射天线数 2 ) ，以及其它 些设计理念，并对这些方案的优劣进行了详细比较，特别分析了广义复f 电子科技大学硕士学位论文 交设计的相关问题，然后对空时分组码的码率问题做出讨论。 第五章提出创新设计的基于( 6 4 ) 和( 8 4 ) 天线构架的空时分组码 系统，包括结构原理的介绍，完整的数字化推导，级联辅助环节的考虑，特 别给出创新设计的适应3 g p p 规范的映射环节，用于性能验证的仿真设计和 结果亦在随后给出，最后得出相应的结论。 第六章将对全文研究进行总结，并提出后续工作内容。 9 黄海洋：新一代无线通信系统空时分组码技术研究 第二章多输入多输出( m i m o ) 系统 2 1新一代无线通信信道的主要问题 毫无疑问，新一代无线通信需要更大容量的信道来满足人们更可靠、更 安全、更快速的信息交换。信道容量的增加，最简单地说，有两种方法： 扩展频谱带宽 提高频谱利用率 对于频谱分配本来就捉襟见肘的无线通信而言，后一种方法显然才是可 取之选。 信道问题在无线通信领域总是研究者的关注焦点。本文这里无意对其作 广泛而深入的研究，仅就某些与后文相关联的问题，作适当讨论与分析。 概括起来，新一代无线通信信道的主要问题包括以下几个方面2 5 ： 信号的多径传播与衰落 码间干扰( i s i ) 信噪比( s n r ) 邻道干扰( a c i ) 共道干扰( c c i ) 时频同步 其中，信号的多径传播与衰落是所有这些问题中最重要，也是我们所面 l 临的最棘手的困难之一。从图2 1 可以形象地理解多径现象。 理论上，减弱多径衰落影响的最有效方法是发射机功率控制。如果系统 接收机经历的信道信息可以由发射机获得，则为了克服信道在接收机处的影 响，发射机可以对信号进行预失真处理。但是这种方法有两个基本问题：最 主要的问题是要求发射机拥有动态的功率范围，而绝大多数情况下这是不现 实的，因为发射功率将直接受限于功率放大器的尺寸和成本。另外，若要发 射机获取接收机经历的信道信息，则需要下行( 基站至移动台) 和上行( 移 1 0 皇王型垫查兰堡主兰竺堡苎 动台至基站) 链路工作在同一个频率上。这样使信道信息从接收机反馈给发 射机，势必造成系统吞吐量的降低和复杂性的增加。而且，在某些应用环境 下，反馈信道信息的链路是不允许的。 分集技术是对付信号多径衰落另一种传统方法。 2 2 分集技术 圈2 1 无线通信的多径现象 简单地说，分集就是利用冗余的信号样本，来克服多径衰落所带来的影 响。分集技术是通过查找和利用自然界无线传播环境中独立的( 或至少是高 度不相关的) 多径信号来实现的。其理论基础是独立信号路径同时经历深度 衰落的概率值很小，如图1 2 2 所示。在所有实际应用中，分集的各个方面的参 数都是由接收机决定的，而发射机并不知道分集的情况1 2 5 1 。 分集技术按照类型的不同，可以分为【2 5 1 1 2 6 】： 时间分集：以超过信道相干时间间隔重复发送信号。实际中，经常结合用 于差错控制的信道编码和交织技术来实现。 频率分集：在多于一个载频上发送信号。该技术的工作原理是基于在信道 赞海洋：新一代无线通信系统空时分组码技术研究 相干带宽之外的频率上，以很大的概率不会出现同样的衰落。 空间分集( 天线分集) ：由天线阵列的不同阵元提供接收信号冗余副本来 实现。要求相邻天线之间的距离应至少等于半波长，也就是要保证不同天 线接收到的信号包络基本上是非相关的。按照接收方法不同又可以分为四 类：选择分集、反馈分集、最大比合并分集和等增益分集。 可疆甲啊” o 两个深度衰落同时发生的几率很小 图2 2 信号在不同独立路径经历衰落的情况 然而，普通的时间分集技术将造成信号传送过程中较大的延迟；当信道 相干带宽大于扩频带宽时，频率分集技术将会失效。在大多数散射环境下， 空间分集是有效、实用并被广泛采用的抑制多径衰落的技术。经典的方法是 在接收端配备多天线，根据接收信号的质量，进行合并、选择等相应处理， 这就是接收分集技术，如图2 3 所示。该方法的主要不足是移动台的成本、尺 寸和功率受限问题。后来，空间分集技术被应用于基站，这就是发射分集方 案，如图2 4 所示。因为基站通常要服务于成千上万个移动台，给其更多的投 入远比在移动台上更经济。基于这样的原因，发射分集技术备受关注。 发射分集技术可分为三个主要的类别【2 6 】： 利用信息反馈的方案 调用前馈或训练信息的方案 盲方案 鱼王型垫奎堂堡堂垡堡苎 n 圈2 3 接收分集 s r e c e i v ea i v e r s i t y t r a n s m i ta i v e r s t o , 图2 4 发射分集 2 3m im o 系统的引入及其结构与原理 m i m o 技术是在分集技术的基础上发展而来的。事实证明，利用m i m o 构架的数字通信技术是现代通信领域最重大的技术突破之一。这种技术将是 解决新一代无线通信业务通信容量瓶颈问题的最有效方梨m 1 。 m i m o 系统可以用一种非常简单的方式来定义：考虑一个无线通信系统， 在其发射端和接收端配备多天线阵元，这就可认为是一个m i m o 系统，如图 2 5 所示。 m i m o 系统的核心思想就是空时信号处理。这样的系统也可以认为是智 能天线的- - o o 扩展应用。将传统无线业务所认为的不利因素多径传播， 变不利为有利，正是m i m o 系统的关键特性。由此大幅度提升无线通信的性 能却无需以额外频谱带宽为代价( 仅仅是硬件复杂性的增加) ，是其在该领域 获得成功之所在。另外，m i m o 系统可以提供发射分集和接收分集联合的更 高能级的增益。 黄海洋：新一代无线通信系统空时分组码技术研究 图2 5 基本m i m o 方案的结构示意 下面就图2 6 所示的一个简单m i m o 方案作简要分析。输入的高速率比 特流被分解为三组独立的1 3 码率的比特序列，这些序列由多天线同时发送。 在某种意义上可以认为其仅占用了原来l 3 的频谱带宽。信号在无线信道中混 合，分享共用的频谱。接收机通过训练信号确认出信道矩阵后，将分离和估 计出独立的比特流。这与从三个方程描述的线性系统中求解三个未知信号的 情况很类似。而上述分析的前提是信道处于平坦衰落状况。对于频率选择性 衰落的情况，有两种备选方案：多载波投术( 如正交频分复用( o f d m ) ，检 测是针对于每一个平坦子信道而言) 或者利用均衡技术在时间域上合并 m i m o 空时检测。值得注意的是，上述的信号分离需要求解的方程之间相互 独立。 1 二j 二 n * ”谍 ”簿 m 豢 图2 6 一个简单的m i m o 系统方案 4 圆、鳓 圜詹 屯子科技大学硕二j ? 学位论文 与m i m o 很类似的一种技术是码分多址( c d m a ) 方案。该方案中，不 同用户将共享共同的时频信道，信号分离将依靠唯一的码序列来完成。而 m i m o 的优势在于，输入数据流的唯一表征将由信道近似于正交( 依赖于衰 落的相关性) 的自然特性来实现。这样，不会出现频率扩展，也就没有频谱 效率的损失。具有联合对多数据流的编解码能力是m i m o 的另一个优势。虽 然m i m o 和c d m a 具有类似性，但它们的接收机算法设计却可以涉及到不 同的领域。特别需要注意的是，c d m a 中不同用户的身份表征是依靠系统设 计完成，而m i m o 信道的分离依赖于丰富的自然多径环境。因此，可以说 m i m o 是充分利用无线通信的多径条件，而非像包括智能天线在内的许多其 它技术那样，往往是依靠减弱多径的影响来达到目的。 总之，m i m o 系统方案能够在多径环境下，保持高频谱效率地大幅度提 高信号传送质量。所以它是新一代无线通信最值得期待的技术之一。 2 4 信道的容量 信道的容量问题一直是通信领域的热门话题，而对于无线通信来说，更 是至关重要。那么m i m o 系统在信道的容量方面的特点何在? 可以从下面的 分析得到启发。 谈到信道容量的问题，首先让我们联想到的是经典的s h a r m o n 定理【2 7 】， 其基本内容是说，对于任意小的数据传送比特误差率( b e r ) ，最大可能的带 宽效率受限于信道的噪声能级，用数学语言可以表示如下： rc 。2 舌2 l 0 9 2 ( 1 + 昙) b s h z ( 2 1 ) 其中，。表示信道带宽效率，c 表示容量，b 表示带宽，- o 7 表示以分贝, 川 ( d b ) 为单位的信噪比( s n r ) a 在很多场合，我们亦将。称为信道容量， 实际上是指单位带宽上的信道容量( 后文就用c 或加有下标的c 来表示信道 容量) 。需要注意的是，s h a n n o n 定理描述的情况是信道容量的上限。就目前 所认知的领域，实际系统的容量无法真正达到该上限，下面就来讨论些实 际的情况。 对于一个无记忆的( 1 x 1 ) 系统，即s i s o 系统，其信道容量为： 塑塑堂：堑二! ! 重塑望笪墨竺窒堕坌望堡垫查坚塞 c = l 0 9 2 0 + p l h l 2 ) b s h z ( 2 2 ) 其中，h 表示固定无线信道的归一化复增益，特剐注意p 是表示任何一个接 收天线处的信噪比( s n r ) 。当我们在接收端配备m 个多天线，即接收分集 的s i m o 系统，其信道容量由下式给出： c ：1 ( 1 + p 兰蚶) 悯z ( 2 3 ) 其中，岛表示接收天线j 的增益。可以注意到一个非常重要的特性，就是接收 天线数目的增加只能引起平均信道容量以对数形式的增大。类似地，如果将 发射天线数目增加到n ，接收天线数目保持为1 ，即可构成发射分集的m i s o 系统，则此时的信道容量为： c _ l o g ：( 1 + 导孙1 2 ) b s h z 陋4 ) 其中，除以实现的归一化是为了保证系统总发射功率不变。综合前面的两 种情况，同时利用发射分集和接收分集的结构，可以得到( n m ) 的m i m o 系统的信道容量表示式： ， ( o = l 0 9 2 d e t ( 1 “+ 岳h h “) 】b s h z ( 2 - 5 ) v 其中，上标“h ”表示共轭转置，h 为( m x n ) 阶的信道矩阵。注意，( 2 - 4 ) 和( 2 5 ) 式均是基于n 个等功率( e p ) 非相关源而得出。f o s c h i n i 2 8 1 和t e l a t a r 1 2 9 1 均指出，( 2 - 5 ) 式所描述的信道容量应该随m = m i n ( m ，n ) 而线性变化，并 非如同( 2 3 1 式的对数情况，这也意味着包含发射分集技术的无线通信系统 的信道容量将随信噪比的增加而获得更大的增益。该结果可以如下解释：行 列式之值就是所处理矩阵的m = m i n ( m ，n ) 个非零特征值之积，每一个特征 值在所谓的信道特征模式上描述了信噪比特性；特征模式符合如下的传送过 程，即利用一左一右的一对信道矩阵的奇异矢量来分别作为发射天