（通信与信息系统专业论文）选择性衰落信道下多天线系统编译码研究.pdf

选择性衰落信道下多天线系统编译玛研究 摘要 如何嵩效地利用有限的通信资源来提供高速、可靠的宽带数据业务楚无 线通信技术发展的焦点所在。多天线技术能充分利用空间资源，在不增加系 统带宽和天线总发送功率的情况下，有效对抗无线信道衰落的影响，大大提 高通信系统的频谱利用率和信道容量。而获得多输入多输出( m i m o ) 系统这些 好处的一个行之有效的方法就是空时编码，该方法联合考虑信道编码、调制、 发送和接收分集，将它们有机结合，有效地提高了m i m o 系统的传输性能。 然而，与固定有线通信不同的是，无线通信中的信号要通过自由空间来传输， 这一信道的随机时变性和严重的传输缺陷决定了无线通信技术的特殊性和复 杂性。因此，本文的主要工作就是致力于选择性衰落信道下多天线系统编译 码的研究。本文的主要研究内容和取褥的研究成果包括以下几方面的内容： 首先，研究了时变性对m i m o 系统性能的影响，以及如何使用多普勒分 集来提高m i m o 系统的传输性能。基于多天线系统的基扩展时变信道模型， 系统总结了时间选择性衰落信道下传统的编译码方法，在此基础上，提出了 高速率、可获得更嵩分集增益的空时多普勒编译码方法，并提出了码字设计 准则。该码字构造时基于分层的代数方法，即每一层编码后的符号都被分到 不同的发送天线、时间片以及不同的符号块中发送。仿真结果表明该码字能 在符号速率达到发送天线数的情况下同时获得最大分集增益力发送天线数、 接收天线数、编码符号块的数目以及信道复指数基的个数的乘积。 其次，研究了信道状态信息未知时时闻频率双选择性衰落信道下的多天 线差分编译码方法。在某些情况下，信道估计困难，比较有效的方法就是采 用差分编码。然两，大多差公编码方案都是仅基于时闻选择性衰落m i m o 信 道或者仅基于频率选择性衰落m i m o 信道设计的，对予双选择性衰落m i m o 信道下的差分方案研究较少，针对这一问题，基于多天线时间频率双选择性 衰落信道的基扩展模型，提出了一种应用予时闻频率双选择性衰落信道的块 差分编译码方案，该方案可以配置任意数目的发送天线和接收天线，并且能 够获得包含空闻分集、多径分集以及多普勃分集的最大分集增益。该方法利 哈尔滨工程大学博士学位论文 用基扩展模型中各条路径各复指数基的系数在一个块内为恒定的特性，将一 个块分为多个子块并在各子块间进行差分编码，通过发射端和接收端相应的 处理，信号检测不需要僖道状态信息，从而避免了对双选择性衰落m i m o 信 道的估计。仿真结果表明了所设计差分编译码方案的高效性。 髯次，对多用户s t b c 系统下行链路预处理算法进行了研究。利用矩阵 的奇异值分解定理和q r 分解定理以及矩阵的正交基给出多用户s t b c 系统 的下行链路预处理算法，并在此基础上，提出了两种可获得更高分集增益的 特征模式选择算法和天线选择算法。当基站有额外的射频模块和天线时，可 以采用特征模式选择算法：当基站只有额外的天线时，可以采用天线选择算 法。两种优化算法都基于最大纯等效信道矩阵的f r o b e n i u s 范数。对不采焉选 择算法和采用选择算法的系统性能作了仿真分析和比较，结果表明，优化的 预处理算法可以获得更高的分集增益。还对信道存在估计误差以及存在相关 性时对系统性能的影响作了仿真分析，在同样情况下，采用优化的预处理算 法的系统性能优予未采用选择算法的系统性能。 最后，对空时分组编码单载波码分多圭j ：( s t b c s c - c d m a ) 系统上行链 路进行了研究。对于频率选择性衰落信道，传统d s c d m a 系统会受到符号 闻干扰( i s i ) 和多用户予扰( m u d 的影响，性能下降。为了熊够有效对付多径， 发挥d s c d m a 系统优越性能，并且同时能够获得空间多径分集增益，提出 了将s t b c 与s c c d m a 相结合的编译码方案，推导出了整个系统的收发关 系的表达式，从而将系统等效为一个多用户空间复用系统。为了降低移动台 的设计难度，主要考虑在基站实行联合检测算法，介绍了三种基本的联合检 测算法：m f b l e 算法、z f b l e 算法和m m s e b l e 算法，并对三种算法进 行了分析比较。根据推导出的收发端的表达通式，接收端译码时采用基于 m m s e 准则的联合检测算法，即联合考虑不同天线的接收信号的最大比合 并、c d m a 解扩以及空时译码。仿真结果表明，所提出的s t b c - s c - c d m a 系统即使满载用户时也缝获得优良鹩性能。 在本论文的研究基础上，还需不断深入，使得m i m o 系统的传输速率、 系统容量以及性能得到更大程度地提高。 关键词：分集增益；块差分编码；多用户系统；下行预处理；联合检测 选择性衰落信道下多天线系统编译码研究 i i i a b s t r a c t t h em a j o rd r i v e rf o rb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sh a sb e e nr e l i a b l e h i g h d a t a - r a t es e r v i c e s t h i s ，t o g e t h e rw i t ht h es c a r c i t yo fb a n d w i d t hr e s o u r c e s ， m o t i v a t er e s e a r c ht o w a r dd e v e l o p i n ge f f i c i e n tc o d i n ga n dm o d u l a t i o ns c h e m e s t h a t i m p r o v et h eq u a l i t ya n db a n d w i d t he f f i c i e n c y o fw i r e l e s ss y s t e m 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 ts y s t e m s ，w h i c hd e p l o ym u l t i p l ea n t e n n a sa tb o m e n d so ft h ew i r e l e s sl i n k , e x p l o r et h ee x t r as p a t i a ld i m e n s i o n , t os i g n i f i c a n t l y i n c r e a s et h es p e c t r a le f f i c i e n c y , a n dt oi m p r o v et h el i n kr e l i a b i l i t yr e l a t i v et o s i n g l ea n t e n n as y s t e m s i th a sb e e n 诚& l ya c k n o w l e d g e dt h a tt h es p a c e - t i m e c o d i n gt e c h n i q u e sc a ne f f e c t i v e l ye x p l o i tt h es p a t i a ld i v e r s i t yc r e a t e db ym u l t i p l e t r a n s m i ta n t e n n a s 。h o w e v e r , t h e s e d e v e l o p m e n t s m u s tc o p ew i t hs e v e r a l p e r f o r m a n c el i m i t i n gc h a l l e n g e st h a ti n c l u d em o b i l er a d i oc h a n n e li m p a i r m e n t s ， m u l t i u s e ri n t e r f e r e n c ea n ds i z e p o w e rl i m i t a t i o n sa tt h em o b i l eu n i t s s o ，t h i s p a p e ri sc o n c e n t r a t e do nt h em i m os y s t e me o d e eo v e rs e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s t h em a i nc o n t e n t sa n dt h ec o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ei m p a c to ft i m ev a r i a b i l i t yo v e rm i m os y s t e ma sw e l la sh o w t o u s ed o p p l e rd i v e r s i t yt oi m p r o v et h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ea r ei n v e s t i g a t e d r e l y i n go nab a s i se x p a n s i o nm o d e lf o rt i m e - s e l e c t i v ec h a n n e l s ，t h ec o n v e n t i o n a l c o d e c so v e rt i m e - s e l e c t i v ec h a n n e l sa l es y s t e m a t i c a l l ys u m m a r i z e d o nt h eb a s i s o ft h ec o n v e n t i o n a lc o d e c s ，as y s t e m a t i cd e s i g no fh i g h - r a t ef u l l d i v e r s i t y s p a c e - t i m e - d o p p l e r ( s t d ) c o d e si sp r o p o s e df o rm i m ot i m e - - s e l e c t i v ec h a n n e l s a n dt h ed e s i g nc r i t e r i ao ff u l l - d i v e r s i 够s t dc o d e sa r es h o w n t h ep r o p o s e ds t d c o d e sa r ec o n s t r u c t e df r o mal a y e r e da l g e b r a i cd e s i g n , w h e r ee a c hl a y e ro f a l g e b r a i cc o d e ds y m b o l sa r ep a r s e di n t od i f f e r e n tt r a n s m i ta n t e n n a s ，t i m es l o t sa n d s y m b o lb l o c k sw i t h o u tr a t el o s s i ti ss h o w nt h a tt h ep r o p o s e ds t dc o d e sc a l l a c h i e v er a t en ，a n df u l l - d i v e r s i t y n ，n ，6 ( q + 1 ) ，i e ，t h ep r o d u c to ft h en u m b e r o ft r a n s m i ta n t e n n a sn | ，r e c e i v ea n t e n n a sn r ，c o d i n gb l o c k s x ba n dc h a n n e l 哈尔滨t 程大学博士学位论文 c o m p l e xe x p o n e n t i a lb a s e s 垃+ 1 ) 。s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v es h o w nt h ep r o p o s e d s t dc o d e sa r ee m c i e n t s e c o n d l ) ；b l o c k - d i f f e r e n t i a lc o d i n g w i t hm u l t i p l ea n t e n n a sf o rb n k n o w n d o u b l y - s e l e c t i v ec h a n n e l si si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r c o h e r e n td e c o d i n gr e q u i r e s r e l i a b l ee s t i m a t i o no ft h eu n d e r l y i n gm u l t i - c h a n n e l sa tt h er e c e i v e r t 越si sa c h a l l e n g i n g a n d c o s t l yt a s k ，e s p e c i a l l yw h e n t h ec h a n n e l e x p e r i e n c e sh i g h m o b i l i t yi n d u c e df a s t - c h a n n e lf a d i n g d i f f e r e n t i a lc o d i n g ，w h i c hc i r c u m v e n t st h e n e e df o rc h a n n e le s t i m a t i o n , i sa l la t t r a c t i v ea l t e r n a t i v ei ns u c he n v i r o n m e n t s h o w e v e r , m o s td i f f e r e n t i a lc o d i n gs c h e m e sa r ed e s i g n e do n l yf o rt i m e s e l e c t i v e c h a n n e l so ro n l yf o rf r e q u e n c y s e l e c t i v ec h a n n e l s 。w i t ht h es c a r c i t yo ft h e d i f f e r e n t i a l c o d i n g s c h e m e sf o r d o u b l y s e l e c t i v ec h a n n e l s ，an e wb l o c k - d i f f e r e n t i a lc o d e cf o rs y s t e m st h a ta l ee q u i p p e dw i 盘a l la r b i t r a r yn u m b e ro f t r a n s m i ta n dr e c e i v ea n t e n n a sa n do p e r a t ei nt i m ea n df r e q u e n c ys e l e c t i v e ( d o u b l y s e l e c t i v e ) c h a n n e l si sp r o p o s e d i tc a n a c h i e v ef u l ld i v e r s i t yg a i n s ，w h i l ea f f o r d i n g l o w - c o m p l e x i t ym a x i m u m l i k e l i h o o dd e c o d i n g r e l y i n go nt h ef a c t t h a tt h e c o e f f i c i e n t so fc o m p l e xe x p o n e n t i a lb a s i so fb e mo fe a c hp a t ha r ef i x e df o ra b l o c k ，t h ep r o p o s e ds c h e m es u b d i v i d eab l o c ki n t om u l t i p l es u b b l o c k sa n d p e r f o r m sd i f f e r e n t i a le n c o d i n ga c r o s st h es u b b l o c k s b yc o r r e s p o n d i n gp r o c e s s i n g 舔t h et r m 蕾s m i t t e ra n dr e c e i v e r , s i g n a ld e t e c t i o nd o e sn o tn e e dc h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n ，a n dh e n c ea v o i de s t i m a t i o no ft h ed o u b l y s e l e c t i v em i m o c h a n n e l s n u m e r i c a lr e s u l t sa r ep r e s e n t e dt oi l l u s t r a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e d s c h e m eo v e rf o u rs t y l e so fc h a n n e l t h i r d l y , t h ep r e p r o c e s s o rf o r d o w r d i n ko fm u l t i u s e rs t b cs y s t e mi s i n v e s t i g a t e d u s i n gt h es v dd e c o m p o s i t i o nt h e o r e ma n dt h eq rd e c o m p o s i t i o n t h e o r e m ，t h ep r e c o d e rf o rd o w n l i n kt r a n s m i s s i o ni ss h o w n 。t h e n ，t h i sp a p e r p r o p o s e st w op r e c o d i n gm e t h o d st h a tu s ee x t r at r a n s m i ta n t e n n a s ，泌弦醚t h e m i n i m u mr e q u i r e d ，t op r o v i d ea d d i t i o n a ld e g r e e so fd i v e r s i t y t w op r o p o s e d d e s i g n sa l e ：e i g e n m o d e s e l e c t i o na n dt r a n s m i t s e l e c t i o n 圈姥p r i n c i p l eo f e i g e n m o d es e l e c t i o ni s t h a t e v e r yu s e rs i g n a l so nt h eb e s to r t h o g o n a lb a s i s ， a c c o r d i n gt om a x i m i z i n gt h ef r o b e n i u sn o r mo ft h ee q u i v a l e n tc h a n n e l ，w h i c hi s 选择性衰落信遵f 多天线系统缄译码研冤 t h ek e yp a r a m e t e rt od e t e r m i n et h ed i v e r s i t yp e r f o r m a n c eo fas i n g l e - 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c d m as y s t e m s u f f e r sf r o mi n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c eo s i ) a n dm u l t i u s e ri n t e r f e r e n c e ( m u d c a u s e db ym u l t i p a t hp r o p o g a t i o n ，l e a d i n gt oas i g n i f i c a n tl o s so fp e r f o r m a n c e i n o r d e rt oe n a b l et h ed e s i g no fl o wc o m p l e x i t yt r a n s c e i v e rt h a tc a nc o p ew i t h m u l t i p a t hc h a n n e l sw h i l es t i l lb e n e f i t i n gf r o mt h eg o o dp r o p e 霞i e so f d s c d m a a n dt h es p a c e m u l t i p a t hd i v e r s i t y , an e wa i ri n t e r f a c et h a tc o m b i n e ss t b cw i m s c c d m ai sp r o p o s e d w eg e tt h ee x p r e s s i o n so fi n p u t o u t p u tr e l a t i o n s h i p 。t h r e e b a s i cj o i n td e t e c t i o na l g o r i t h m sa r es h o w n ：m f b l e ，z f - b l ea n dm m s e - b l e a tt h er e c e i v e r , ai o i n tm u l t i u s e rd e t e c t o ra n ds tb l o c kd e c o d e r , o p t i m i z e d a c c o r d i n gt ot h em m s ec r i t e r i o ni sd e s i g n e d 。a tl a s t , s i m u l a t i o n sa r ed o n et o c o r r o b o r a t eo b rt h e o r e t i c a la n a l y s i s 。 m o r ew o r ki sn e e d e dt oi m p r o v et h et r a n s m i s s i o nr a t e , c h a n n e lc a p a c i t ya n d l i n kp e r f o r m a n c eo fm i m os y s t e m k e y w o r d s ：d i v e r s i t yg a i n ；b l o c k d i f f e r e n t i a l c o d i n g ；m u l t i - u s e rs y s t e m ； p r e p r o c e s s o rf o rd o w n l i n k ；j o i n td e t e c t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：蔚娜 日期：工蛄年石月刀e l 第1 章绪论 第1 章绪论 董董无线移动通信的发展概述 在任何时间、任何地点都能与任何人实现信息交流的全球化个人通信， 是入类遣求的美好理想。无线通信具有跨越时空进行信息沟通的灵活性，以 及连接全球的无缝隙覆盖特性，这使它成为最具吸引力的通信方式。2 0 世纪 s o 年代以来，无线移动通信得劐了前所未有的发展，并且今后的发展势头丝 毫没有减慢的迹象【l 】。而无线通信的快速发展，也将把人类实现个人通信的 梦想一步步变为现实。 最早的陆上移动通信始于1 9 2 1 年，美国底特律警察局首先将无线电台装 于汽车上开创了移动通信的先河( 2 l 。在那时要把笨重、庞大、耗电厉害的电 台装予车上，并架有较长的天线并菲易事，因而最初的车辆通信是困难的。 当时使用的波段是2 m h z 的短波，车台实际上只是接收机，通信只是单向的。 直到1 9 3 0 年，车台才装有发射机，才真正有双向的移动遽信叠】。此后，相当 长的时间，所谓移动通信只是车载无线电台之间或与固定无线电台的通信， 并主要为警察所用。直到1 9 4 6 年，才有以基地螽为中心，覆盖7 0 - - - 8 0 公里 半径的区域并与市话网相连的大区制移动电话网，电台也用更适合移动环 境的调频制代替原来的调幅制，频率为1 5 0 m h z 的波段单工工作。此后虽在 从单工到双王、频率从1 5 0 m h z 到4 5 0 m h z 、人工转接到自动转接方面有所 发展，但容量受分配的有限频率所限制，一个大区系统至多只有数百个用户 的容量，远不能适应汽车用户迅速增多的需求。盏至1 9 7 9 年蜂窝网汽车电话 的实现，矛盾才有所突破。蜂窝网的概念即将所要覆盖的地域划分为若干个 六兔形的小区，每个小区各有一个基地台为该小区内的汽车用户服务。蒸相 隔2 - 3 个小区的基地台可以使用相同的频率工作，称为频率再用( f r e q u e n c y r e u s e ) 。这样就突破了有限频率对用户数的限制，因而系统的用户总数可以得 到显蔫的增加。这种系统称为小区制或以其分区图形似蜂窝而称为蜂窝系统。 它是模拟制，全自动、双工工作于8 0 0 - - 9 0 0 m h z 频段，是第一代( 1 g ) 蜂窝系 哈尔滨工程大学博士学位论文 统，是在8 0 年代中迅速发展起来的并已成为世界上公用移动电话网的主要模 式。它可与市话网和长话网相连接，能拨通国内、国际电话。第一代移动通 信系统是以传输话音为主的( 铡如：a m p s ，t a c s ，n m t ) ，壶予需求的急速 发展，容量仍嫌不够，因此第二代( 2 g ) 蜂窝网，即全数字蜂窝移动通信网发 展起来。在组阙结构上仍和第一代相圊，采用蜂窝小区，僵信号改月数字信 号，由于数字信号可以有更好的抗干扰能力，它所要求的信号干扰比值较模 拟信号的低，因恧可以缩短频率再用的距离，使容量增大5 - - - - 2 0 倍。欧洲已 于1 9 8 7 年制定了g s m ( 移动通信专f - j j , 组) 标准，并在1 9 9 1 年在欧洲开始实 用。2 g 数字移动通信系统还有美国通信工业协会颁布的i s 9 5 ，英国的无绳 电话系统c t 2 ，欧溯电信标准协会制订的数字无绳电话d e c t 等f 4 】。对予移 动通信，由模拟到数字是又一次技术突破，因为在移动环境中，随机的多径 时延限制着数字信号的传输速率。由于近年随着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、 图像在走的大数据量、高速率的多媒体业务的能力。g s m 系统能提供 2 钆9 6 k b p s 甚至1 4 4 k b p s 的电路交换语音业务，i s 1 3 6 系统能提供9 6 k b p s 的电路交换语音和传真业务，l s 9 5 系统提供可变速率接入，峰值速率分别可 以达到9 6 k b p s 和1 4 。4 k b p s ；在2 g 基础上的一些改迸技术( 如g p r s 与e d g e 技术，也被称作2 5 g ) 的可用数据速率也仅在数十至数百k b p s 之间，无法满 足无线透信的高速率需求，这对第二代移动通信系统提磁了更严竣的挑战。 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、 高数摅率和承载多媒体业务为主要基的的第三代( 3 g ) 无线移动透信系统出现 在了历史的舞台。第三代( 3 g ) 移动通信主要有欧洲的w c d m a 、北美的 c d m a 2 0 0 0 以及中国的t d s c d m a ，均可以提供更加丰富的因特网业务和多 媒体业务，在今后1 0 年将是3 g 和2 g 长期并存发展的时期，随着技术的不 断演进，频谱效率越来越高，支持的速率也越来越高，从目前2 ( 3 2 5 g 的几 十k b p s ，增加到3 g 初期的凡露k b p s ，爵到3 g 增强型的几m b p s ，然后在3 0 进一步增强型的几十到上百m b p s ，再到超3 g ( b 3 g ) 的上百m b p s 1 g b p s 。b 3 g ( s y s t e m sb e y o n d3 g ) 是国际电信联盟( 1 v ) 在1 9 9 9 年底随着第三代移动通信 系统技术标准的尘埃落定之后提出的，它面向3 g 进一步增强和下一代第四 代移动通信技术，b 3 g 的目标是在高速移动环境支持最高约1 0 0 m b p s 的下行 2 第1 章绪论 数据速率，在室内和静止环境支持最高约1 g b p s 的下行数据速率。i t u 已经 制定了明确的时间表，计划在世界无线电大会( 愀) 上获得b 3 g 的频谱资 源，在2 0 0 8 2 0 1 0 年左右完成技术标准的制定，在2 0 1 0 2 0 1 5 年左右商用。 1 2 多天线系统概述 对无线通信中天线的研究及其应用主要集中在3 个领域【s 1 。第一个研究 领域是天线及其天线阵列的电磁设计，主要包括天线增益、极化方向、波束 带宽、旁瓣电平、效率和方向图等的设计。第二个研究领域是到达角a o a 估计，主要集中在对到达天线的波阵面的到达角进行估计，尽量做到误差最 小和分辨力最高。第三个研究领域是利用天线阵列来提高频谱效率、覆盖范 围以及链路传输性能等。本文研究的多输入多输出( m i m o ) 技术即属于这一领 域。 对于传统的无线通信系统( 即在发射端和接收端各使用一根天线的单输 入单输出系统) ，c e s h a n n o n 于1 9 4 8 年在“通信的数学理论”1 6 1 一文中给 出了其信道容量公式c = w l o g ，( 1 + s ) ，其中形为信道带宽，s 为接收 端的信噪比。该公式确定了在有噪声信道中进行可靠通信的上限速率。在以 后的几十年里，无论人们使用怎样的调制方案和信道编码方法，都无法超越 这一界限。由于传统的单输入单输出( s i s o ，s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 系统 存在这一难以逾越的界限，因此仍然依靠s i s o 系统就难以实现新一代无线 通信系统所要达到的目标。 贝尔实验室的t e l a t a r t n 和f o s c h i n i t s 等人的研究成果显示：在无线富反射 衰落环境下采用多个发射天线和接收天线可以成倍地提高无线通信系统的信 道容量，这种采用多个收发天线的系统通常被称为多天线系统或m i m o 系 统，其信道容量近似与收发天线数目的最小值成正比，这意味着通过增加收 发信机两端的天线数目就可以大幅度提高无线系统的频谱效率。 实际上m i m o 技术由来已久，早在1 9 0 8 年马可尼就提出用它来对抗衰 落。在7 0 年代有人提出将m i m o 技术用于通信系统，但是对无线移动通信 系统m i m o 技术产生巨大推动的奠基工作则是9 0 年代由a t & tb e l l 实验室 学者完成的。1 9 9 5 年t e l a d a r 给出了在衰落情况下的m i m o 容量；1 9 9 6 年 f o s h i n i 给出了一种多入多出处理算法对角贝尔实验室分层空时( d b l a s t ) 3 哈尔滨工程大学博士学位论文 算法；1 9 9 8 年由f o s h i n i 和q g o l d e n 提穗垂直贝尔实验室分层空时 ( v - b l a s t ) 算法。同年t a r o k h 等讨论了用于m i m o 的空时码：w o l n i a n s k y 等入采用v - b l a s t 算法建立了一个m i m o 实验系统，在2 4 - - 3 4 d b 的傣噪 比下成功地实现了高达2 0 - - - 4 0 b p s h z 的频谱效率 9 1 ，这频谱利用率在普通 系统中极难实现。 由于m i m o 技术在提高无线通信系统容量及频谱利用率上的巨大潜力， 因此被认为是新一代无线通信系统必须采用的关键技术，因而也是当前研究 豹热点。m i m o 技术实质上是为系统提供空闻复用增益和空闻分集增益，霜 前针对m i m o 信道所进行的研究也主要围绕这聪个方匾。空间复用技术可以 大大提高售遒容量，丽空闻分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。 1 空间复用技术 空闻复蔫就是在接收端朝发射端使用多垂天线，充分秘焉空闽传播孛赡 多个通道分量，在同频带上使用多个数据通道( m i m o 予信道) 发射信号， 从而使褥容量随着天线数量的增加露线性增加。这种信道容量的增加不需要 占用额外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率，因此是提高信道和系统容 量一种非常有效的手段。 2 空间分集技术 空间分集技术可以分为接收分集和发射分集两类，通常可以认为单输入 多输出( s i m o ) 系统是接收分集，多输入单输出( m i s o ) 系统是发射分集。无线 信号在复杂的无线信道中传播产生r a y l e i g h 衰落，在不同空间位置上其衰落 特性不慝。如果涎个位置闻距大予天线之闯的褶关距离( 通常相隔十个信号波 长以上) ，就认为两处的信号完全不相关，这样就w 以实现信号空间分集接收。 接收分集一般用两副或者多副大于相关距离的天线圆时接收信号，然后在基 带处理中将多路信号合并。在s i m o 系统中的接收分集技术可以分成最大耽 率合并( m r c ) 、等增益合并( e g c ) 和最佳选择合并( o s c ) 三种类型。在最大比 率合并的接收孛，每一副天线的输出用一个复数加权，然蘑穗热；等增益合 并接收使各副天线的输出信号保持同相，然后相加；选择分集合并接收中， 蓠单地选择众多信号中的一个质量最好的天线的信号，并使用该信号作魏接 收到的信号。由于最大比率合并之后信号的信噪比等于合并之前备支路的信 噪比之和，因此是最佳的合并方式。发射分集就是将分集的受担放终瑞转移 4 嚣1 章绪论 到基站端，然而采用发射分集的主要同题是发射端不知道衰落信道的信道状 态信息( c s z ) 。因此，必须采用信道编码( 比如空时码) 以保证各信道具有良好 熬毪糍。 重3 空时编码概述 m i m o 系统在收、发两端使用多个天线，不间的天线对应不问的空间位 置或者穰傀状态，这释信号与镳玛韵设诗羧扩展劐了澍阕与空惩的二维集合 之中，可以通过空闻与时间二维对信号的发送与接收进行优化，以获得更高 麴传输效率及更高麴可靠性。以说m i m o 技术酶核心思想就是空融襞号处 理，霹在原来时溺维的蒺硪上，透过使焉多副天线来增黧空闻维，袄焉实瑰 多维信号处理，获得空间复用增益或空问分集增益。m i m o 系统中信号的发 送是一个巍赣天蔷息毖特离空阕链置与对隙确定蕊二维空阕欧瓣熬过程，嚣 此往往将这种映射关系所对应的编码与信号设计方法统称为空时编码 ( s p a c e - t l r a ec o d i n g 。基予不麓盼空鲢壤褥方案设计策珞，各个发送天线上 的信号可能完全独立，以获得成倍增长的数据传输速率或频带利用率。同时 备个天线与时隙上的信曝也霹能在一个或多个空酎码字矩阵中部分、甚至完 全冗余，以尽可能获得较高的分集或编码增益，提高数据传输的可靠健。 早在1 9 9 0 年代初期，美国s t a n f o r d 大学的r a l e i g t h 和c i o 德 t o l ，以及瑞 士a s c o m 公蔼翡w i t t n e b e n v ；1 等人就提浅了空露鼹概念。1 9 9 0 年代中薅蓊， 美国l u c e n tb e l ll a b 的f o s c h i n i 和g a n s 等人首先提出了空时码的模型，并予 1 9 9 6 年撬逡了在秃线邋痿串襞爰多天线兹分屡空黠缮槐，并在诧基础上并发 了b l a s t 试验平台，用于验证分层空时处理和m i m o 技术。之质，a t & t 实验室鲶vt a r o k h 研究了空时筠鹃编译璃原理和模型，正戎提邀了空时码橇 捌k j 抽o l 。3 。薹分淫空时码 1 9 9 6 年，荚困b e l l 实验室提出了分层空时编码的概念，并子1 9 9 8 年提 滋了分屡空辩编码技拳的撰架，率请了专剩，在髓基础上开发攫7b l a s t 国e l ll a y e r e ds p a c e - t i m e ) 试验系统，后来把这种结构的编码称为分层空时编 码f 1 2 l 。分层空时编码的基本思想是将高速数据业务分接为若干低速数据她 s 哈尔滨工程大学博士学位论文 务，通过普通的并行信道编码器编码詹，对其进行分层次的空时编码，调制 后再送多副天线发送。在接收端，用多副天线进行分集接收。 在接收端每副接收天线上的接牧信号是不同发送天线信号的叠秀羹，这有 点类似于多址接入系统。多址接入系统中，每个用户接收的信号除了有用信 号外还有来自其他用户的多址干扰，需要消除多址干扰震得到有用信号；分 层空时码需要消除其它天线上信号的干扰。但是两者之间也有区别，多址接 入研究的是多个用户之间的通信，而分层空时码则是单用户的情况。多址接 入系统中，给不同的用户分配不同的资源，且满足正交关系，接收端利用这 种正交关系来消除多址干扰。而分层空时码则是在同一频率和时间上发送同 一用户的信息，因此，传输效率要高得多。 分层空时码按发送端分路的不同方式可分为三种：对角分层空时编码 ( d b l a s tc o d i n g ) 、垂直分层空时编码p b l a s tc