（信号与信息处理专业论文）空时编码和多用户检测技术在无线通信协作分集中的应用.pdf

绪论南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 协作通信技术是无线网络研究的一个前沿课题 在无线a dh o c 网络 无线局域网无线 传感器网络等新一代网络中具有广阔的应用前景 利用无线网络的广播特性 协作通信技 术通过协作伙伴 旁听 和对旁听到的信息处理 传送 能够降低无线链路的衰落和不稳 定性带来的影响 提高网络的可靠性和数据传输速率 扩展网络的覆盖范围 本文结合信 号处理技术 研究无线网络中协作通信机制 协作方案和性能 本文介绍了协作分集和空时编码的基本原理 描述了协作分集目前的研究现状 特点 提出了一种基于空时编码的协作通信系统模型 给出其协作策略 并在一定的衰落信道环 境下分析系统的信道容量和误码率性能 数值仿真结果表明 将空时编码应用到协作通信 中能同时带来分集增益和编码增益 其次 对协作分集空时编码无线通信系统进行了最优功率分配研究 以最小误符号率 作为衡量标准 研究等功率分配和最优功率分配问题 并对其进行理论分析和数值仿真 数值计算表明 和平均功率分配时系统的误符号率相比 空时协作通信中的最优功率分配 的误符号率较小 而最优功率分配时的分配系数与信道链路质量有关 最后 考虑了多用户检测技术在协作分集系统中的应用 将线性检测算法m m s e 算法 和串行干扰消除算法s i c 相结合 应用在空时协作系统中 带干扰消除的检测算法可在原 算法的基础上对其他天线信号进行干扰抑制 同时利用前级已经检测出的信号重建和抵消 它所造成的多址干扰 通过数值仿真分析得出 这种算法提高了接收机检测的准确性 改 善了系统的性能 关键词 协作分集空时编码多用户检测功率分配 绪论南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a e t a b s t r a c t c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k se x p l o i t st h en a t u r a l b r o a d c a s t i n gc h a r a c t e r i s t i co f r a d i ot om a k et h es i g n a lt r a n s m i t t e dt ot a r g e tr e c e i v e ro v e r h e a r db y t h ec o o p e r a t i v ep a r t n e r s a f t e rp r o c e s s i n gt h ei n f o r m a t i o n t h ec o o p e r a t i v ep a r t n e rw i l lt r a n s m i t i tt ot h et a r g e tt e r m i n a l s ot h et a r g e tt e r m i n a lc a ng e tu s e f u li n f o r m a t i o nf r o ma l lt h e s em o b i l e t e r m i n a l s w h i c hc a nn o to n l yr e d u c et h ei m p a c to ft h ef a d i n ga n dv a r i e t yo ft h ew i r e l e s sl i n k s b u ta l s oi m p r o v et h er e l i a b i l i t y d a t ar a t e so fn e t w o r k i ti sa p r o s m i s i n gf i e l dt or e s e a r c h i nt h i s p a p e r w es t u d yt h ec o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m c o o p e r a t i v es c h e m ed e s i g na n di t s p e r f o r m a n c eb a s e do ns i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e s f i r s t w es t u d yt h es c h e m e so fs p a c e t i m ec o d i n ga n dc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ac o o p e r a t i v e d i v e r s i t ys c h e m eb a s e do nd i s t r i b u t e ds p a c e t i m eb l o c kc o d i n gi sp r o p o s e dw h i c hw o r k s w e l li n f l a tf a d i n gc h a n n e l s 杭t hm u l t i p l es i n g l e a n t e n n au s e r s t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h e p e r f o r m a n c eo f t h ep r o p o s e ds c h e m eg e t sd i s t i n c td i v e r s i t yg a i na n dc o d e dg a i n t h e n t h ep o w e r a l l o c a t i o ni sc o n s i d e r e di na b o v ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys c h e m e b a s e do n t h eb e rp e r f o r m a n c e w ed i s c u s st h es c h e m ew i t he q u a lp o w e ra l l o c a t i o na n do p t i m a lp o w e r a l l o c a t i o n t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h es c h e m ew i t l lo p t i m a lp o w e ra l l o c t i o nh a s b e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h a tw i t he q u a lp o w e r a n dt h ea l l o c a t i o np a r a m e t e rh a sr e l a t i o n s h i pw i t h t h eq u a l i t yo ft r a n s m i s s i o nc h a n n e l a tl a s t t h em u l t i u s e rd e t e c t i o nt e c h n i q u e sa r ea p p l i e di nt h ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys c h e m e w ec o m b i n et h ec o n v e n t i o n a lm m s ea n ds i cd e t e c t i o na l g o r i t h mt ot h ed e t e c t i o ns t r a t e g yo f c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y s c h e m e t h ed e t e c t i o nw i t hi n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nc a l lr e s t r a i n i n t e r f e r e n c ef r o mo t h e ra n t e n n a s r e b u i l da n dc a n c e l lt h ef o r m e rs i g n a lm u l t i p l e a c c e s s i n t e r f e r e n c eb yt h ef o r m e rd e t e c t e ds i g n a l t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h es y s t e mw i t h i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nd e t e c t i o ni sb e t t e rt h a nt h a tw i m n oi n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nd e t e c t i o n t h es y s t e m sp e r f o r m a n c eh a sb e e ni m p r o v e dg r e a t l y k e y w o r d s c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y s p a c e t i m e b l o c kc o d i n g m u l t i u s e rd e t e c t i o n i i 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 日期 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 导师签名 日期 绪论南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 无线信道的多径衰落特性是阻碍信道容量增加和服务质量改善的主要原因之一 基于 空间分集的多天线m i m o 技术在抗信道衰落方面具有明显的优势 并在不增加功率和频谱 的前提下提高信道容量 已逐渐被新一代无线通信的主流协议所采纳 1 2 l 然而m i m o 技 术仍然存在很多问题 尤其是小型无线移动终端较难安置多天线的难题使理想的m i m o 技 术在走向实用的过程中步履维艰f 3 4 为此 s e n d o n a f i s 等 5 刁 提出了一种新的空间分集技术 一协作分集 c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y 其思想是通过多用户共享天线和其他网络资源的形式 构造 虚拟多天线阵列 并通过分布式处理产生协作来获得一定的空间分集增益 从这 个意义上来讲 协作分集为m i m o 多天线技术走向实用提供了一条新的途径 1 9 9 8 年v t a r o k h l 8 j 等人首先提出空时码 s t c 的概念 信号在时间和空间域上都引入了 编码 这就称为空时码 a l a m o u t i t 9 j 于1 9 9 8 年提出了一种正交分组编码 这是一种简单的 空时分组码 它使用两个天线发射 这一方法后来被推广到任意数目天线的情况 空时编 码是一种新的发送分集方案 它集编码 调制和空间分集于一体 能同时带来分集增益和 编码增益 具有较好的频率有效性和功率有效性 它将成为后3 g 技术中重要的一部分 空时编码技术将空间域上的发射分集和时间域上的信道编码相结合 采用联合编码技术 空间域上的编码可以利用冗余度实现分集 以克服信道衰落 提高系统性能 它同时从空 间和时间域考虑设计码字 在多个天线上同时发送信息比特流所产生的向量 与不使用空 时编码的编码系统相比 空时编码可以在不牺牲带宽的情况下获得更高的编码增益 在接 收机结构相对简单的情况下 空时编码的空时结构可以有效提高无线系统的容量 自从1 9 8 6 年美国学者v e r d u 提出最优多用户检测算法 l o 以来 多用户检测理论迅速成 为通信理论界研究的一个热点 多用户检测技术作为c d m a 多用户通信系统中的一项抗干 扰的关键技术 是消除或减弱c d m a 中多址干扰 m u l t i a c c e s si n t e r f e r e n c e m a i 及多径衰 落干扰的有效手段 并且能够消除或减弱c d m a 中的远近效应 简化c d m a 系统中的功率 控制 降低功率控制的精度要求 弥补c d m a 系统中由于正交扩频码互相关性不理想所带 来的一系列消极影响 改善c d m a 系统性能 提高了系统容量 然而对于实际的c d m a 系 统而言 由于最优多用户检测算法的计算复杂度随用户数呈指数增长 在经典条件下是一 个n p 难解问题 因此在过去2 0 年的时间里 众多学者在寻求次优多用户检测算法方面展开 了广泛研究 提出了若干线性多用户检测算法和非线性多用户检测算法 前者主要包括解 绪论南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 相关检测器 1 1 1 2 1 和m m s e 检测器 1 3 1 后者主要是干扰抵消检测器 1 4 1 6 1 等 线性多用户检测 器对匹配滤波检测器组的输出进行线性变换 产生新的输出矢量进行判决 可以获得更好 的性能 干扰抵消检测器作为非线性检测器 对干扰信号进行估计和重建 然后从接收信 号中消除干扰的影响 从而可以提高检测性能 无线网络中协作通信的研究是一个的前沿课题 在无线a dh o c 网络 无线传感器网络 无线局域1 网 w i r e l e s sl o c a ln e t w o r k w l h n 等新一代无线通信网络中都具有非常广阔的 应用前景 利用无线网络的广播特性 协作通信技术通过协作伙伴 旁听 和对旁听到的 信息处理 传送 能够降低无线链路的衰落和不稳定性带来的影响 提高网络的可靠性和 数据传输速率 扩展网络的覆盖范围 目前关于协作分集技术的研究很多 涉及很多方面 如信道建模 信息论和编码 信 号处理 天线设计 固定网和移动网的多天线蜂窝设计等等 但是目前许多相关问题有待 于解决 如协作策略选择 协作用户终端间的资源分配等等问题 只有解决了这些问题 才能使得这项技术逐渐走向实用 本课题正是以此为研究方向 将空时编码应用到协作通 信系统中获得分集增益和编码增益 以此来提高协作通信系统的系统容量和传输质量 然 后进一步讨论空时协作通信系统中的功率分配问题 研究如何进行功率分配才能达到最优 功率分配 使得系统误符号率最小化 最后再研究接收端如何进行检测才能提高检测性能 于是将多用户检测应用到协作通信中 采用线性多用户检测 如m m s e 和干扰抵消多用户 检测相结合的方法 1 2 本论文的主要工作 本论文结构安排及主要内容如下 第2 章 主要介绍了协作分集的一些基本概念及关键技术和空间分集技术 并着重讨 论了空时编码技术 它可充分利用空时两方面的分集 可以大大提高传输速率 目前为止 已提出了空时网格码 空时分层码和空时分组码 当空时网格码获得最大的分集增益和编 码增益时 其解码的复杂性以分集度和传输速率为函数呈指数增长 与此同时 空时分组 码只需在接收端进行线性处理就可获得最大的分集增益 空时编码的解码要求知道信道状 态信息 即解码前需要进行信道估计 第3 章 主要对基于多天线空时分集系统和协作分集下的空时编码系统的误码性能进 行了较详尽的理论分析 同时利用m a t l a b 对这些方案进行仿真分析 并建立了相关的系统 平台 经数值仿真和分析得到协作分集空时编码确实能显著地提高系统的可靠性 增强系 2 绪论南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 统的健壮性 r o b u s t 尤其是当协作用户的数目增多时 这种效果更明显 第4 章本章主要研究了空时协作系统的功率分配问题 对系统进行平均功率分配和最 优功率分配的理论研究和计算机仿真 推导出了最优功率分配的误符号率表达式和功率分 配的系统 进一步又计算出误符号率的上界 通过和平均功率分配时系统性能的误符号率 的比较 可以得出在空时协作通信中 最优功率分配时系统的误符号率比平均功率分配时 小 而最优功率分配时的分配系数与信道链路质量有关 第5 章 本章主要研究多用户检测技术在协作分集系统中的应用 将线性检测算法 m m s e 算法和串行干扰消除算法s i c 相结合 应用在空时协作系统中 通过数值仿真分析 得出 带干扰消除的检测算法可在原算法的基础上对其他天线信号进行干扰抑制 同时利 用前级检测出的信号进行干扰重建和消除 提高了接收机检测的准确性 改善了系统的性 能 第6 章 总结与展望 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章协作分集技术与空时编冯 2 1 引言 第二章协作分集技术与空时编码 众所周知 影响移动通信质量的主要因素在于在无线信道具有的多径传播和其他用户 的干扰 有时信号在到达接收端时 失真较大 不能被接收端正确解调 因此 为了提高 通信系统的可靠性 人们提出了分集技术 分集是抵抗多径衰落的有效手段 现有的无线 通信的主要分集技术是多天线空间分集 下面将详细讲述多天线分集的一些原理 同时介 绍几种常见的空时编码方案 2 2 空间分集技术 2 2 1 分集技术原理 未来无线通信系统应具有高于当前蜂窝移动系统话音质量 并且提供高速数据业务 2 m b s 要求具有更好的质量和覆盖 更高的功率和频率利用率 且可以应用在不同的 环境 给可靠无线通信带来困难的因素是时变多径衰落 随着移动台的移动 瑞利衰落随 信号瞬时值快速变动 而对数正态衰落随信号平均值 中值 变动 这两者是构成移动通 信接收信号不稳定的主要因素 虽然通过增加发射功率 天线尺寸和高度等方法能取得改 善 但在移动通信中不切实际 因此 终端和基站在不增加功率或额外带宽的条件下克服 和降低衰落的影响就成为提高移动通信系统稳定性和可靠性的关键的问题 采用分集方法 在若干个支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号 然后通过合并技术再将 各个支路信号合并输出 便可在接收终端上大大降低系统的误码率 采用分集技术是对抗无线信号衰落的有效手段之一 分集是将相同的信号经过不同的 方式传输到接收节点 接收节点利用某种方法将需要的有效信号接收下来 其中不同的传 输方式包括不同的时间传输 不同的频率传输 不同的路径传输以及不同的天线或者不同 的空间传输 这些不同的传输方式分别对应时间分集 频率分集 多径分集 极化分集和 空间 天线 分集 其中不同的接收方法通常是指最大比合并 m a x i m u mr a t i oc o m b i n i n g m r c 接收 等增益合并 e q u a lg a i nc o m b i n i n g e g c 接收 选择分集合并 s e l e c t i o n d i v e r s i t yc o m b i n i n g s d c 接收三种方式 在最大比合并接收中 每一个接收信号用一个 复数加权然后相加 等增益合并接收是将各个接收信号中保持同相的信号相加 选择分集 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章协作分集技术与空时编码 合并接收就是在众多信号中选择一个质量最好的接收信号 并使用该信号作为接收到的信 号 其中 最大比合并之后信号的信噪比等于合并之前各支路的信噪比之和 是最佳的合 并方式 时间分集利用一个随机衰落信号 当取样点的时间间隔足够大时 两个样点间的衰落 是统计上互不相关的特点 即利用时间上衰落统计特性上的差异来实现抗时间选择性衰落 的功能 具体实现时 是将待发送信息每隔一定的时间间隔 只要这一时间间隔公 大于其相干 区间 丁 即 厶f 丁 二 2 1 矗 上式b 为移动用户高速移动时所产生的多普勒频移产生的频移动扩散区间 可见 时 间分集对处于静止或准静止步行状态的移动用户几乎是无用的 这种分集方式适用于时间 选择性衰落信道 时域扩展后的符号宽度大于信道相干时间 时间分集通常可以通过交织 技术 i n t e r l e a v i n g 前向纠错编码和自动重发等技术实现 时间分集技术的缺点是存 在由于时延扩展引起的传输延迟 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 缺点是占用 时隙资源 增大了开销 降低了传输效率 频率分集利用位于不同频段的信号经衰落信道后在统计上的不相关特性 即不同频段 衰落统计特性上的差异 来实现抗衰落 频率选择性 的功能 实现时可以将待发送的信 息分别调制在频率不相关的载波上发射 所谓频率不相关的载波 是指不同载波之间的间 隔 厂大于频率相干区间 即 1 f f 二 2 2 l 上式中 l 为接收信号的时延功率谱密度 频率分集适用于频率选择性信道 频率分集可 以通过扩频技术 交织和前向纠错等技术协同多载波技术来实现 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收天线及相应设备的数 量 缺点是要占用更多的频带资源 所以一般又称它为带内 频带内 分集 并且在发送 端有可能需要采用多个发射机 2 2 2 空间分集技术 时间交织与信道编码结合可以提供分集的性能 扩频系统中也如此 然而 当信道缓 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章协作分集技术与空时编码 慢变化时 时间分集导致了大的时间延迟 当信道的相干带宽大于信号带宽或与信号带宽 相当时 信道中的时延扩展相对较小 扩频技术也变得无效 而大部分散射环境下 空间 分集是实际有效的 所以被广泛用于降低多径 空间分集又称天线分集 分为接收分集和 发射分集两种 空间分集也称天线分集 是在接收节点或者发送节点使用多个天线接收或者发送相同 信号 使用空间分集时 接收天线之间或者发送天线之间的间隔需要大于相干距离 空间分集技术可以分为接收分集和发送分集两类 通常可以认为s i m o 系统是接收分 集 m i s o 系统是发送分集 接收分集的主要问题是移动台的成本 体积和功率的限制 使用多天线和r f 链 或 选择与切换电路 使得移动台的体积增加 成本提高 综合考虑的结果几乎绝对是仅在基 站侧使用天线分集以改善其接收质量 一个基站一般承担成百上千的移动台 增加基站的 设备复杂度远比增加移动台的复杂度要经济得多 基于此 发送分集技术引起了较大关注 实际上 蜂窝基站一般都有两个接收天线进行接收分集 同样地 可以利用这两个天线进 行发送分集 理论上 同样阶数的发送分集可以获得与接收分集相同的分集增益 由于接收装置成本 体积和功率增大 因此接收分集只适用于上行链路 而不适合下 行链路 在基站使用多个发射天线发射信息的分集称为发送分集 适合于下行链路 发送 分集可以将分集的负担从手机节点转移到基站节点 当发送方不能获得信道参数时 发送 分集可改善前向链路性能 这种机制是将发送天线的空间分集转化为接收机可以利用的其 他形式的分集 如延迟发送分集和空时编码技术 采用发送分集的主要问题是发送节点不 知道衰落信道的信道状态信息 c s i 在空间和时间上利用不同的合并准则可以对系统 起到不同的改善效果 理论证明 在理想功率控制和理想信道估计的条件下 空时联合域 优化合并方式对系统性能的改善最好 因此必须利用信道编码以保证各信道的良好性能 这需要空时编码 空时码 s t c 是信道编码设计和多发送天线的结合 由a t t 实验室 的t a r o k h 等人提出 8 空时码在将数据分成甩个数据子流在刀个天线上同时发送时 建立 了空间分离的信号 空域 和时间分离的信号 时域 之间的关系 2 3 空时编码的基本原理 空时发送分集也称空时编码 a t t 的t a r o k h 8 等人在发射延迟分集的基础上正式提 出了基于发射分集的空时编码 同时 a l a m o u t i l 9 提出了一种简单的发送分集方案 t a r o k h 等把它进一步推广 提出了空时分组编码 由于它具有很低的译码复杂度 已经被正式列 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章协作分集技术与空时编码 入w c d m a 提案中 空时编码是最近几年提出的一种新的发送分集方案 它集编码 调制和空间分集于一 体 能同时带来分集增益和编码增益 它将成为后3 g 技术中重要的一部分 空时编码技 术就是将空间域上的发射分集和时间域上的信道编码相结合的联合编码技术 空间域上的 编码可以利用冗余度实现分集 以克服信道衰落 提高系统性能 它同时从空间和时间域 考虑设计码字 在多个天线上同时发送信息比特流所产生的向量 与不使用空时编码的编 码系统相比 空时编码可以在不牺牲带宽的情况下获得更高的编码增益 在接收机结构相 对简单的情况下 空时编码的空时结构町以有效提高无线系统的容量 基于发送分集的空时码可以分为空时分组码 s p a c e t i m eb l o c kc o d e s t b c 分层 空时码 l a y e rs p a c e t i m ec o d e s l s t 和空时网格码 s p a c e t i m et r e l1isc o d e s t t c 三种 下面我们将简单分别介绍空时分组码 1 7 q 9 1 和空时分层码 2 0 2 2 2 3 1 空时分组码 s m a l a m o u t i 在文献 9 中论证了通过一定的信道编码 可以将接收节点两个天线 发送节点单个天线的接收分集 转换成两个发送天线 单个接收天线的发送分集 而不会 损失分集增益 这可以认为是空时分组码的原始模型 在这个基础上t a r o k h 提出了空时分 组码 利用正交设计理论的空时分组码性能稍逊于空时格栅码 但其译码复杂度很低 还 可以得到最大的分集发射增益 经过空时编码的信号经过多个各相关性较小的无线信道到 达接收节点 接收节点通常需要知道各无线信道参数 即信道估计 可以使用基于导频 训练序列进行信道估计 也可以盲估计 关于信道估计的算法问题这里不作讨论 空时分组码 如式 2 3 所示其中 表示复数共扼 是发送数据在时间域和空间域上 进行正交设计 形成一个数据编码块 假定发送的数据分别为x l 和恐 空时分组码块为 舻睫 j q 3 时刻1 和时n 2 的接收信号分别为 m j 1 2 l 而t 吃 2 4 耽 铂 一五 i n 2 等式变换为 阱隐 褂阱 7 2 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章协作分集技术与空时编码 p 专匡2 1 鲴 窄时块码编码器 时问 瓦i 产 解 鹳 器 图2 1 空时分组码示意图 空时分组码的译码也采用联合检测译码 一般利用正交性 用最大似然译码算法实现 而且译码复杂度低 能得到最大的发送分集增益 性能接近于最大比合并接收 2 3 2 分层空时码 分层空时结构通过在水平层上或者对角层上发送独立的编码数据流来获得空间复用增 益 所谓的垂直贝尔实验室分层空时 v e r t i c a lb e l l l a b s l a y e r e ds p a c e t i m e v b l a s t 编码 就是这种结构 贝尔实验室于1 9 9 6 年提出的分层空时码是最早的空时编码方案 分层空 时码是频带利用率随着发射天线数线性增加的编码方式 根据编码和调制输出的符号映射 到发送天线的方法不同以及编码的有无 可以将分层空时码分为3 类 对角分层空时编码 d i a g o n a lb e l l l a b s l a y e r e ds p a c e t i m e d b l a s t 垂直分层空时编码 v b l a s t 和水平分 层空时编码 h o r i z o n t a lb e l l l a b s l a y e r e ds p a c e t i m e h b l a s t 对于h b l a s t 输入比 特流经过串并转换后先在时域内进行编码 调制 然后第l 路编码和调制模块输出的符号 恒定地由第1 根天线发射出去 在d b l a s t 方案中 源数据流按照发送天线数目变换 为几个子数据流后 每个子数据流再分别进行编码 然后将几路编码与调制模块输出的符 号循环地通过m 根天线发射出去 形成了有规律的对角线 因此每个数据流在空间和时 间上都进行了分配 d b l a s t 技术虽然具有更高的频谱利用率 但由于其结构过于复杂 难以实际应用 目前已少有研究 图2 2 分层空时编码示意图 v b l a s t 与h b l a s t 不同的是 编码与调制模块并不对比特流进行编码 即高速源 8 雹淹 7 黑氍 l l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章协作分集技术与空时编码 信息流仅仅经过串并转换后 就直接对应各发射天线发射出去 v b l a s t 系统的编码很 简单 它的复杂度主要集中在解码 即检测 上 作为一种最具代表性的m i m o 系统 v b l a s t 系统以其简单实用的结构和极高的频谱利用率而受到人们广泛的关注 有关 b l a s t 系统的检测问题也成为了当前一个研究热点 2 3 3 空时网格码 空时格栅码于1 9 9 8 年f 1 3 t a r o k h t 8 1 提出 由格状编码调制 t c m 实现根据衰落信道 下的空时格码的成对差错概率 t a r o k h 提出了在准静态r a y l e i g h 衰落信道下设计空时格 码的两个准则秩准则 保证实现最大的分集度行列式准则 保证实现尽量大的编码增益 其系统结构如图2 3 所示 格 栅 r 编 码 图2 3 空时格栅码系统结构示意图 空时格码的码结构可以用格栅图来表示 以q p s k 调制的4 状态t r e l l i s 编码器为例 空时格码编码器如图2 4 所示 假设输入为二进制的b a b 为高位 则图中8 状态q p s k 的空 时格码可以表示为 而 f 2 a t 2 2 6 0 一1 口o 一1 2 6 8 2 t 2 a t 一2 2 6 0 口o 2 7 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章协作分集技术与空时编码 s 1 s 2 3 03 l3 23 3 s 1 s 2 2 22 32 02 l s 1 s 2 3 23 33 03 l s 1 s 2 0 20 30 0o l s 1 s 2 1 21 31 0l l ji l 厂 2 l 飞 3 s l 图2 4 空时格栅编码的码结构 图2 4 中s 1 表示第一个天线上的发送码字 s 2 表示第二个天线上的发送码字 空时 格码的本质是将一般的格栅编码中的冗余纠错位改用冗余天线上的发射码组来实现 即将 时域编码中的纠错位转变成了空间域上的冗余 由于多个独立天线发射并不会像时域编码 的纠错位那样占用频带 因此空时格码既可以得到分集增益 又可以得到很好的编码增益 空时格码与空时分层码及空时分组码之间最重要的不同之处在于 各个发射天线发送的码 字之间的关联性不同 空时分层码和空时分组码各发射天线发送的码字之间无联系 因此 没有实质性的编码增益 而空时格码各发射天线发送的码字之间的关系遵循着格栅状态 图 因此它具有一定的纠错能力 对于恶劣的无线通信信道来说 这种空时编码的优势勿 庸置疑 空时格栅码可以提供最大可能的分集增益和编码增益 而不以牺牲发射带宽为代价 但其译码需要使用v i t e r b i 译码器的向量形式 当接收天线数目固定时 译码复杂度以传 输速率的指数形式增加 因而实现难度较大 空时分组码性能稍逊于空时格栅码 但由于 利用了正交设计理论 其译码复杂度很低 还可能得到更大的分集发射增益 因此得到了 普遍的认可 2 3 4 空时分组码编译码原理 空时分组编码发射机的系统框图如下 天线1 i 信息源r 叫星座调制卜 一 空时分组 编码器 i 天线2 i l o 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章协作分集技术与空时编码 图2 5 便用至时分组码的发射分集 如图2 5 所示 空时分组编码器的输入字符按一定的帧格式进行分组 每组安排一帧 进行传输 并且每组共两个字符 即 天线1 在第t 帧的两个时隙分别发送包 和一虻 天线2 在其第t 帧的两个时隙分别发送包 和k 所以空时分组码定义为 乏剖 泣8 更一般地 令包p 6 j 是七个待发射的字符 它们在 个时隙内被发射 空时分组码 由m n 维发射矩阵 定义 其中m 为发射天线数 通常取删 矩阵 的元素 是字符变量6 p 岛 和它们的复数共轭k l 一 k 的线性组合 考虑使用 个时隙发射七个字符的空时分组码 其中n 七 显然 空时分组码的速 率 由 定义 对于2 x 2 空时分组码是 2 其速率等于1 令 表示空时分组码 矩阵 空时分组码的设计准则之一是 空时分组码矩阵满足正交条件 这种设计称为正交 设计 即 s m n s t m 卅 蚶 色 七 2 9 空时分组码译码原理 图2 5 空时分组码的接收机 现以使用2 根天线在2 个时隙发射2 个字符的最简单情况为例说明 令h l 和垃分别 是从发射天线1 和2 到达公共接收天线的信道增益 这里 我们假设在连续两个时隙内 h l 和统保持不变 f 呜 f 丁 吃 i 魄l 沙 吃 f 红 f 丁 吃 i 红i p 鹏 2 1 0 在t 帧的两个时隙内 接收天线收到的信号为 l 磋 包 譬 包 2 吩 1 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章协作分集技术与空时编码 2 h 啦2k l h 啦 k 2 惕 2 2 11 其中 啊 和啊 分别表示均值为零 功率谱密度为n o 2 的复高斯白噪声 定义接收信 号向量为足 l t h 编码字符向量尽 包 l 岛 噪声向量 r t l 1 2 王 日 则 式 2 1 0 和 2 1 1 可写成下面的矩阵形式 墨 z 骂 m 2 1 2 其中 信道矩阵危定义为 即嚆墨 亿 这里 我们只关心如何从接收信号中提取出6 f 而关于噪声对有用信号提取的影响暂 不予考虑 同时假设信道增益在连续两个时隙恒定不变 即 h u i h 啦i 及留 h 啦2 所以 接收信号矩阵足近似表示为 8 哙黛 所以 将信道矩阵7 j i 的正交矩阵巧 左乘接收信号矩阵 可以得到 2 1 4 研r 善墨 墨骂 篆 2 蚓2 乏 c 2 5 从式 2 1 5 中 我们可以很容易解调出用户所发送的信息 这主要是由于空时分组 码矩阵的正交性 使得信道矩阵也能够具有正交性 这也是我们所期望空时分组编码具有 的一个重要性质 因为信道矩阵的正交性将使得空时分组码的译码变得很容易实现 为了便于书写 我们定义矩阵 占 占 2 h 旧1 2 f 群1 2 6 包 2 同时定义色为 所有可能的字符的集合 并假定所有字符的发射为等概率发射 由于噪声向量绣假定为多 变元加性高斯白噪声 并且星座调制为p s k 调制 所以容易看出 最佳的最大似然译码器 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章协作分集技术与空时编码 毒广a r g 嘴l 口n g l e b t l b t l 骞广鹕曲l 瞅 巨 2 刮l q j 6 显然 式 2 1 6 式所示的译码规则简化为两个分离的 简单得多的一维译码规则 一个对 6 f 译码 另一个对岛 译码 2 4 协作分集技术 2 4 1 协作分集的背景知识 无线通信发展至今 人们对无线传输的数据速率和服务质量的要求不断提高 与只要 传输语音业务的第l 第2 代无线通信系统不同 第3 代及第4 代无线通信系统还支持速 率高达l o o m b s l g b s 的多媒体宽带数据业务 因此寻求进一步扩大信道容量 改善信道 质量的新技术是国内学术界 产业界普遍关注的问题 近年来提出的多输入多输出 m i m o 天线技术 通过在接收端和发射端同时安置多 个天线 形成m i m o 信道结构 从而充分利用了空间资源 大幅度提高了信道容量 尽管传统多天线传输具有明显的优势 并已逐渐被新一代无线通信系统得主流协议所 采纳 但仍然存在问题 具体地讲 现有的多天线都设置在基站端 而移动终端则很难安 置多天线 这主要有两方面的原因 一方面 移动终端对体积 质量和功耗的要求远比基 站苛刻得多 另一方面 理想的m i m o 多天线系统要求相邻天线之间的距离远大于载波 波长 并且多个收发天线之间的传输信道是独立的 或至少不相关的 而移动终端由于 体积的限制 根本无法做到这一点 为此 s e n d o n a r i s 等人提出了一种新的空间分集技术 协作分集 使单天线的移动 终端也可以实现空间分集 协作分集的基本思想是系统中的每个移动终端都有一个或多个 合作伙伴 p a r t n e r 合作伙伴之间有责任再传输自己信息的同时 帮助其伙伴传输信息 这样 每个终端在传输信息的过程中既利用了自己又利用了合作伙伴的空间信道 从而获 取了一定的空间分集增益 协作通信基本理论可以追溯至l j c o v e r 和e 1 g 锄a l 2 6 1 的关于中继节点信道的容量理论 但目前协作通信在很多概念和内容上都不同于中继节点通信 最突出的特征就是中继节点 通信中 中继节点与信源是两个独立实体 而协作通信中信源同时还是中继节点 1 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章协作分集技术与空时编码 2 4 2 协作分集的概念 协作分集是一种虚拟多天线分集技术 如图2 6 示 用户u s e r l 和u s e r 2 为某两个单天线 用户 他们通过协作共享彼此天线 形成一个虚拟的两天线发射分集系统 接收基站通过 某种合并准则接收 可获得一定的分集增益 协作 用户1 协作 用户2 接收端 基站 图2 6 两用户的协作分集模型 协作分集技术最早源于中继信道 r e l a yc h a n n e l 的研究 但协作又不同于中继 中继 用户只是为源用户转发数据 而协作用户既是转发者 又是数据源 c o v e r 和g a m a l 2 6 针 对该问题提出了一种利用中继节点来增加单用户容量的理论 他们对一个三节点网络 源 节点 目的节点和中继节点 的容量进行分析 在所有节点的工作频带相同的情况下 系 统可以分解成一个广播信道 从源节点看 和一个多址信道 从目的节点看 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章协作分集技术与空时编码 协作 用户1 协作 接收端 基站 图2 7 中继信道模型 如图2 7 所示 将基站视为源节点 有高速率需求的终端视为目的节点 其他终端作为中 继节点 这样整个系统从有高速率需求的终端来看就是一个多址信道 参加通信的中继节 点就可以视作高速率终端的收发天线 从整体上看 整个网络就等效于一个m i m o 系统 这 种使用移动中继来增加特定用户容量的技术 被称为协作通信 由于类似于m i m o 也被称 为虚拟多天线和虚拟m i m o 但由于并没有解决如何对有限的系统资源进行调配和对不断变 化的网络拓扑进行规划的问题 使该技术一直局限在无线局域网中 无法在移动蜂窝网中 得到大规模应用 2 4 3 协作分集无线通信的系统模型 s e n d o n a r i s 5 7 等最早研究了协作分集与网络容量和中断概率 o u t a g ep r o b a b i l i t y 等 系统性能的关系 并给出了在低速及高速c d m a 传输系统下的实现方案 并研究了该系统 可达到的传输速率范围和信道容量 图2 8 为其基本方案 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章协作分集技术与空时编码 w 1 w 2 图2 8s e n d o n a r i s 所提出的协作分集方案 设两个互相协作移动终端为e l e 2 要发送的信息为w 1 w 2 系统模型如上图所示 每 个移动终端都接收到其合作伙伴发送的 包含衰落和噪声的信号 然后将这个信号和自己 要发送的信号组合在一起发送到基站 那么基站收到的信号是这两个移动终端发送信号的 叠加 可以表示为 y o f k 五 r 坞 五 f z o t 2 1 7 z k 2 置 f z l t 2 1 8 k k 1 2 x i f z 2 t 2 1 9 式中 下标o l 2 分别代表基站 移动终端1 和移动终端2 y 江o 1 2 表示接收端在 一个符号周期内收到的信号 x i t i 1 2 表示两个移动终端发送的信息 互 汪o 1 2 表示均值为零的加性高斯白噪声 i o l 2 j 0 l 2 表示各信道之间衰落系数 是零 均值 方差为仃2 的复高斯随机变量 其包络服从瑞利分布 它在一个符号周期内保持不 变 并且 g j i 2 4 4 协作用户间通信的基本方法 l a i l e m a n 2 7 2 9 1 等深入研究了分集的实现策略 提出了固定中继 f i x e dr e l a y i n g f r 选择中继 s e l e c t i o nr e l a y l i n g s r 和增量中继 i n c r e m e n tr e l a y i n g i r 三种协作策略 其 中固定中继包括放大重传 a m p l i f ya n df o r w a r d a f 和解码重传方法 d e c o d ea n df o r w a r d d f 选择中继和增量中继分别考虑利用协作用户到发送用户以及接收用户到发送用户的 1 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章协作分集技术与空时编码 反馈 来动态的调节协作策略 放大重传方法 a f 由l a i l e m a n 等提出 是协作用户间通信方法中最简单的一种 每一个用户接收到一个包含噪声的信号 这个用户放大并重传这个信号 基站将接收用户 与它的中继发送的信号进行一定处理最后判决传输比特 尽管中继的噪声被放大 基站还 是接收到两个独立的衰落版本 可以对传输比特做出较好的判决 尽管在技术上实现较简 单 但是对协作分集的理解是非常有用的 删 图2 9 放大重传 在解码重传 2 8 0 1 策略中 同伴节点对接收到的信号进行译码 然后重传译码出来的信 息比特 文献 7 提出了c d m a 系统中的解码前传的方案 假设每个用户都有自己的扩频 码 扩频码之间