硕士论文-无线通信中差分空时分组码技术研究.pdf

西南交通大学 硕士学位论文 无线通信中差分空时分组码技术研究 姓名 李伟 申请学位级别 硕士 专业 通信与信息系统 指导教师 王宏霞 20080301 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 空时编码 S T C 将信道编码技术与天线分集技术相结合 大幅度的增加了无 线通信系统的容量 为无线传输提供了分集增益和编码增益 并且能够提供远 高于传统单天线系统的频带利用率 为解决无线信道的带宽问题提供了一条新 的解决途径 差分空时码是一种适应未来通信快变衰落信道的空时编码 与一 般的空时码不同的是 它的译码不需要已知信道状态信息 C S I 但要实现差 分空时编解码需要对编码矩阵提出约束条件 对传输的信号矩阵进行差分处理 由于正交的空时分组码 S T B c 本身满足差分编码的约束条件 因此近几年关于 差分空时码的研究主要集中在差分空时分组码 D S T B C 上 本文研究了D S T B C 的编译码原理 给出了D S T B C 的系数矢量集的设计准则 分析了传统的D S T B C 的性能并给出了相应的仿真结果 针对两发射天线 改进 了传统的编译码方案中系数矢量映射 解决了星座扩展的问题 同时提供了编 码增益 仿真结果也显示了其优越性 对于四发射天线 在复信号调制时由于 传统的编码方案不满足系数矢量单位长度的设计准则 因此只适合实信号星座 调制 本文通过信号实虚部分离的方法 提出了改进的适合复信号星座调制的 编译码算法 并通过性能仿真验证了此方案的有效性 最后 为了解决在频率选择性衰落信道下的分集问题 采用了空时编码与 正交频分复用 O F D M 相结合的技术 获得了频率分集 并消除了由于多径时延 引起的码间干扰 通过分析S T C O F D M 系统在频率选择性衰落信道中的性能 并 提出了D S T B C O F D M 系统结构 仿真结果表明该结构具有良好的性能 不仅可以 获得空间分集带来的分集增益 而且可以获得频率选择性衰落信道带来的分集 增益 研究结果显示差分空时分组码在性能上比已知准确C S I 的相干检测方案要 差3 d B 但在付出性能代价的同时 差分空时分组码在编译码端摆脱了对C S I 的依赖 因此有其特定的应用前景 关键词空时编码 差分空时分组码 星座扩展 正交频分复用 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 A b s tr a c t S p a c e t i m ec o d i n g S T C c o m b i n e s c h a n n e lc o d i n gw i t ha n t e n n ad i v e r s i t y w h i c h c a ni n c r e a s et h ec a p a c i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n da c h i e v ed i v e r s i t y g a i na n dc o d i n gg a i n T h et e c h n i q u ec a ni m p r o v et h eb a n d w i d t he f f i c i e n c yo f t r a d i t i o n a ls i n g l e a n t e n n as y s t e m s a n dp r o v i d en e ws o l u t i o n st ot h ep r o b l e mo f l i m i t e dc h a n n e lb a n d w i d t hi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n D i f f e r e n t i a l s p a c e t i m e c o d i n g D S T C i ss u i t a b l ef o rt h ef u t u r ec o m m u n i c a t i o nu n d e rr a p i df a d i n gc h a n n e l s C o m p a r e d 枷t ho t h e rS T Ct e c h n o l o g y t h ed e c o d i n gd o e sn o tn e e dt h ep e r f e c t c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n C S I T h et r a n s m i t t e dm a t r i c e sm u s ts a t i s f ys o m e r e s t r i c t i o nf o rt h e p r o c e s s i o no fd i f f e r e n t i a le n c o d i n ga n dd e c o d i n g S i n c et h e 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 S T B C s a t i s f yu n i t a r ym a t r i c e s m a n ys t u d i e s a b o u td i f f e r e n t i a lS T B Ch a v eb e e np r o p o s e di nt h ep a s ty e a r s F i r s t l y t h ee n c o d i n gp r i n c i p l eo fD S T B Ci si n v e s t i g a t e d a n dt h ed e s i g nr u l e so f c o e f f i c i e n t sv e c t o rs e to fD S T B Ca r eo b t a i n e d S e c o n d l y t h ep e r f o r m a n c e so ft h e t r a d i t i o n a lD S T B Ca r ea n a l y z e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s A ni m p r o v e dm e t h o do f t r a d i t i o n a lD S T B Ci s p r o p o s e df o rt w ot r a n s m i ta n t e n n a s w h i c hs o l v e st h e c o n s t e l l a t i o ne x p a n s i o na n dp r o v i d e sac o d i n gg a i n a st h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e s h o w n S i n c et h et r a d i t i o n a lD S T B Cb a s e do nc o m p l e xs i g n a lc o n s t e l l a t i o nd o e sn o t s a t i s f yt h ed e s i g nc r i t e r i ar u l e si nw h i c ht h ec o e f f i c i e n tv e c t o rm u s th a v eau n i t a r y l e n g t h i ti so n l ys u i t a b l ef o rr e a ls i g n a lc o n s t e l l a t i o nw i t hf o u rt r a n s m i ta n t e n n a s A n i m p r o v e da l g o r i t h mi sp r e s e n t e db yd i v i d i n gs i g n a l si n t or e a la n di m a g i n a r yp a r t s a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h i sa l g o r i t h m F i n a l l y t h e c o m b i n a t i o no fD S T B Ca n do r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g O F D M t e c h n i q u ei si n v e s t i g a t e dt os o l v et h ed i v e r s i t yp r o b l e mi na f 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 O F D Mc a ng r e a t l ye l i m i n a t eI n t e r S y m b o l I n t e r f e r e n c e I S 0w h i c hi sc a u s e db yf a d i n gm u l t i p a t he f f e c t B yt h ep e r f o r m a n c e a n a l y s i so fS T C O F D Mi nf r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n g c h a n n e l s t h es t r u c t u r eo f D S T B C O F D Ms y s t e m si sp r o p o s e d S i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tD S T B C O F D M c a na c h i e v ef r e q u e n c yd i v e r s i t ya n ds p a c ed i v e r s i t y a n dp e r f o r m sv e r yw e l l T h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tD S T B Cp e r f o r m sa b o u t3 d Bw o r s et h a n c o h e r e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ll 页 d e t e c t i o nw h i c hk n o w st h ec o r r e c tC S I I nt h em e a n t i m eo fp a y i n gc o s t si nc a p a c i t y D S T B Cg e t sr i do ft h er e l i a n c eu p o nt h eC S Ia n dh a v eas p e c i f i c a p p l i c a t i o n b a c k g r o u n d K e yw o r d s s p a c e t i m ec o d i n g d i f f e r e n t i a ls p a c e t i m eb l o c kc o d i n g c o n s t e l l a t i o n e x p a n s i o n 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 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文 被查阅和借阅 本人授权西南交通大学可以将本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 和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在5 年解密后适用本授权书 2 不保密彭适用本授权书 学位论文作者签名 峦瞻 日期 砂 乒年午月f 日 指导教师签名 艺t 宠1 廖一一一 日期 D 2 年毕月7 日 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下独立进行研 究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不含任何其 它个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个 人和集体 均已在文中作了明确的说明 本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担 本学位论文的主要创新点如下 1 针对两发射天线的差分空时分组码 改进了传统的系数矢量映射 解决了星座扩展的问题 同时采用维特比译码提供了编码增益 当 采用四发射天线时通过信号实虚部分离的方法改进并给出了适合 复信号星座调制的编译码算法 最后通过仿真验证了方案的优越性 和有效性 2 通过采用差分空时分组码与正交频分复用 O F D M 相结合的技术解 决了在频率选择性衰落信道下的分集问题 仿真分析了不同多径 衰减和时延对其性能的影响 结果表明该结构具有良好的性能 学位论文作者签名 廖陷 日期 b e 了年年月 F J 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 现代无线移动通信已从模拟通信发展到了数字移动通信阶段 并且正朝着 个人通信这一更高级阶段发展 未来移动通信的目标是 能在任何时间 任何 地点 向任何人提供快速可靠的通信服务 随着各式各样的无线和数据业务不断出现 无线资源变得越来越紧张 如 何更高效地利用有限的通信资源成为无线通信新技术发展的焦点所在 近年来 M I M O 技术由于能较大幅度地提高频带利用率 被视为未来无线移动通信系统 的关键技术之一 本文主要研究M I M O 通信系统中空时编码的有关问题 本章首先介绍了论文的研究背景 然后介绍空时编码的研究现状和进展 最后介绍了本论文的内容安排 1 1 研究背景 现代无线通信起源于1 9 世纪H e r t z 的电磁波辐射试验 真正的移动通信技 术的发展应从2 0 世纪2 0 年代开始 到目前为止移动通信经历了从第一代模拟 移动通信系统 第二代数字移动通信系统G S M G l o b a lS y s t e mf o rM o b i l e 正 在向第三代 t h e3 r dG e n e r a t i o n 移动通信系统以及后3 G 4 G 发展 第一代移动通信系统 1 G 出现于2 0 世纪8 0 年代早期 主要采用的是模拟 技术和频分多址 F D M A F r e q u e n c y D i v i s i o nM u l t i p l e xA c c e s s 技术 但由于受到 模拟信号传输带宽所限以及各类通信系统制式不统一 不能进行移动通信的长 途漫游 所以1 G 只能是一种区域性的移动通信系统 第二代移动通信系统 2 0 起源于9 0 年代初期 主要采用数字式的时分多址 T D M A T i m eD i v i s i o nM u l t i p l e xA c c e s s 技术和码分多址 C D M A C o d eD i v i s i o n M u l t i p l e xA c c e s s 技术 第二代移动通信系统主要为支持话音和低速率的数据业 务而设计 但随着人们对通信业务范围和业务速率要求不断提高 它将很难满 足新的业务需求 第三代移动通信系统 3 G 也称国际移动通信系统I M T 2 0 0 0 I n t e r n a t i o n a l M o b i l eT e l e c o m m u n i c a t i o n 2 0 0 0 是正在全力开发的系统 I M T 2 0 0 0 的目标是 全球统一频段 统一标准 全球无缝覆盖及漫游 以实现高服务质量 便于携 带 价格较低 可与各种移动通信系统融合 并适应多用户环境 包括室内 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 室外 快速移动和卫星环境 实现车速环境1 4 4k b i t s 速率 步行环境3 8 4k b i t s 速率 室内环境2M b i t s 速率的无线多媒体通信 目前 人们把目光投向B 3 G 或4 G 移动通信系统中 使其可容纳更多的用 户数 改善现有的通信质量 以及达到更高数据传输速率 然而 带宽的限制 传播的能量衰减 信道的时变特性 多径衰落 噪声以及干扰等问题却严重制 约着无线通信业务的发展 通过采用更高的功率在发送端进行发射或者采用额 外的带宽来改善系统性能 在多径环境下是不切实际的 需要在不增加额外功 率和不牺牲带宽的情况下 有效地减少多径衰落对通信系统性能的影响 要想 解决这些问题 其中一个有效方法就是采用分集技术 分集 D i v e r s i t y 技术是一项主要的抗衰落技术 它既研究如何充分利用传输 中的多径信号能量 以改善传输的可靠性 又研究利用信号的基本参量在时域 频域和空域中 如何分散开又如何收集起来的技术 常用的分集技术有时间分 集 基于多普勒扩展 频率分集 基于时延扩展 和空间分集 基于多天线 无 线通信业务量激增造成的无线信道资源的紧缺 制约了时间分集和频率分集的 使用 因此空间分集便成为目前较为可行的解决方法 空间分集按照实现的位置不同 可分为发射分集和接收分集 关于接收分 集的研究已有大量的文献资料 技术比较成熟 而发射分集则是这几年新兴的 研究方向 1 2 3 由于下行传输的信道一般是未知的 加之移动端的体积和功率 的限制 很难在移动端设计多个天线来实现接收分集 因此发射分集的研究就 具有重要的现实意义 尤其是多天线系统 M I M O 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 发射分集概念的提出给解决这一问题提供了全新的思路 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 这样就 导致了空时编码 S p a c e T i m eC o d i n g 技术的产生 空时编码技术利用多发射和 多接收天线 将发射分集技术和接收分集技术相结合 在各阵元的发射信号之 间引入时域和空域的相关 并且将信号处理技术与编码技术有机的结合在一起 获得了很高的分集增益和编码增益 因而具有非常优异的性能 具有广阔的应 用前景 1 2 空时编码研究现状与进展 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