（信号与信息处理专业论文）无线移动通信中的空时编码技术.pdf

摘要 摘要 空时编码技术是近几年来在通信领域新兴的研究方向，它主要用于解决高速 无线通信下行传输问题。空时编码技术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。 论文结合阵列信号处理的方法研究空时编码技术，首先阐述了空时编码的基 本思想和原理，介绍了平坦衰落信道下的空时编码设计准则。接着根据接收端和 发射端是否需要知道信道状态信息将空时编码分为两类，第一类空时编码需要知 道信道状态信息，包括空时格型编码、分层空时编码、空时分组编码，第二类空 时编码不需要知道信道状态信息，包括酉空时编码和差分空时编码。论文对这两 类空时编码的编译码原理、特点和性能进行了分析和比较，并对其中的部分空时 编码给出了具体的实例和仿真结果。 针对已有空时编码存在的问题，论文提出了两种改进的空时编码分层结 构的空时分组编码和一种高速率的差分空时编码方案。最后讨论了空时编码技术 与正交频率复用技术的结合，并将分层结构的空时分组编码与o f d m 做了结合。 论文的主要工作和贡献： 1 提出了一种改进的空时编码分层结构的空时分组编码。这种空时编码 结合了分层空时编码和空时分组编码的特点，接收端进行分组干扰抑制用奇异值 分解方法实现解码。这种改进的空时编码具有高于s t b c 的频谱利用率和码速率， 并且抗衰落性能优于b l a s t 。 2 提出了一种新的发射分集差分检测新方法。这种方法不仅编译码简单、编 码速率高，而且仍然保持了差分空时编码的发射端和接收端不需要知道信道状态 信息的优点。 3 将改进的空时编码分层结构的空时分组编码和o f d m 结合，用于频率 选择性衰落信道中，提高了分集增益。 关键词：多输入多输出空时编码发射分集正交频率复用 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et e c h n i q u eo fs p a c e - t i m ec o d i n g ( s t c ) h a sb e e na d v a n c i n gd r a s t i c a l l yi nr e c e n t y e a r s t h i st e c h n i q u e i s m a i n l yd e s i g n e d t oc o m b a tc h a n n e lf a d i n gi nd o w n l i n k t r a n s m i s s i o nb yc o m b i n i n gt h et e c h n i q u eo fc h a n n e lc o d i n ga n dt h a to fa r r a yd i v e r s i t y ， h e n c ei n c r e a s i n gt 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 n ss y s t e m sa n dd v m gd i v e r s i t y g a i n a n dc o d i n g g a i n t ot h e m i tc a na l s o i m p r o v et h e b 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 is i n g l e a n t e n n as y s t e m s t h i st e c h n i q u ei si n t e n d e dt op r o v i d en e ws o l u t i o n s t ot h ep r o b l e mo fl i m i t e db a n d w i d t h t h i st h e s i si sm a i n l yf o c u s e do nt h es p a c e - t i m ec o d i n gt e c h n i q u eb yc o n t h i n i n g a r t a ys i g n a lp r o c e s s i n g f i r s t l y w ei n t r o d u c et h ep r i n c i p l eo fs p a c e t i m ec o d ea n dg i v e t h ed e s i g nc r i t e r i ao fi tf o r q u a s i s t a t i cf i a t f a d i n gc h a n n e l s s e c o n d l y w ec t a s s i f y s p a c e t i m ec o d i n gi n t ot w ot y p e sa c c o r d i n g t oc s ia v a i l a b l ea tb o t ht h et r a n s m i t t e ra n d t h er e c e i v e ro rn o t t h ef i r s tt y p ec o d i n gi n c l u d e sl a y e r e ds p a c e t i m ec o d i n gf l s t c ) s p a c e t i m et r e l l i sc o d i n g ( s t t c ) a n ds p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ( s t b c ) a n dt h e s e c o n dt y p ec o d i n gi n c l u d e su n i t a r ys p a c e t i m ec o d i n g ( u s t c la n dd i f i e r e n t i a j s p a c e t i m ec o d i n g ( d s t c ) t h e nw ed e t a i l t h e i re n c o d i n ga n dd e c o d i n gt h e o r i e s f e a t u r e s ，a n d p e r f o r m a n c e s a l s o t h e c o m p a r i s o n b e t w e e nt h e mi s p r e s e n t e d s i m u l t a n e o u s l y w ep r e s e n t t h ee x a m p l e sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t so ft h e m a tt h es a n l et i m e t w ok i n do fn e ws p a c e t i m e c o d i n ga r ep r e s e n t e di nt h i s d i s s e r t a t i o nf o rc o m b a t i n gt h ed i s a d v a n t a g e so ft h ec l a s s i c a ls p a c e t i m e c o d l i n g s ， n a m e l y ，l a y e r e ds p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ( l s t b c ) a n dh i g hc o d e r a t ed i f f e r e n t i a l s p a c e t i m ec o d i n g a t1 a s t w ei n v e s t i g a t et h ec o m b i n a t i o no fs p a c e t i m e c o d i n g t e c h n i q u e a n d o r t h o g o n a lf 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 e ， e s p e c i a l l yt h ec o m b i n a t i o no f l s t b c a n d0 f d m i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o rm a k e st h e f o l l o w i n gc o n t r i b u t i o n s ： 1 a ni m p r o v e d s p a c e t i m ec o d i n g i s s u g g e s t e dw h i c hi s b a s e dt h e l a y e r e d s t r u c t u r ea n ds p a c e t i m eb l o c kc o d i n g a sw en a n l ei ta sl a y e r e ds p a c e t i m eb l o c k c o d i n g i tc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fl s t ca n ds t b c a tt h er e c e i v ea n t e n n a st h e g r o u pi n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n i su s e d ，a l o n gw i t has i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ( s v d ) d e c o d i n ga l g o r i t h m t h en e wa p p r o a c hh a sh i g h e rs p e c t r u me 街c i e n c ya n dh i g h e rc o d e r a t et h a ns t b c s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e da p p r o a c ho u t p e r f o r m s b l a s ta tt h ea b i l i t yo f c o m b a t i n gf a d i n g 2 an e wd i f i e r e n t i a ld e t e c t i o ns c h e m ef o rt r a n s m i t d i v e r s i t yi sp r e s e n t w h e n n e i t h e rt h et r a n s m i t t e rn o rt h er e c e i v e rh a st h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n i ts t i l lr e m a i n s t h ea d v a n t a g eo fd e t e c t i o nw i t h o u tc s ia sd s t c m o r e o v e ri th a st h ea d v a n t a g e so fl o w e n c o d i n ga n dd e c o d i n gc o m p l e x i t y , h i g hc o d er a t e o fc o u r s et h es y s t e mc a ng e ta c e r t a i ns p r e a d i n gg a i na th a n da st h es p r e a d i n gc o d e s 3 w ec o m b i n et h el s t b ca n do f d m i n 疔e q u e n c ys e l e c t i v ec h a n n e l s a n a l y s i s s h o w st h a to f d m - s t cc a n i m p r o v ed i v e r s i t yb e c a u s eo f t h ef r e q u e n c ys e l e c t i v i t y k e y w o r d ：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 ) s p a c e - t i m ec o d i n g ( s t c ) t r a n s m i t d i v e r s i t yo 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 ( o f d m ) 独创性声明 辐8 3 6 3 2 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，除了本文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，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。 申请学位论丈与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名 、hn 1 1 ：十u 色t 。1 。一 f 日期：3 c - + c q - 。，、f 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：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：i 2 堕! ! 导师签名趁 日期：j 4 、l - 日期：伽口乒， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线移动通信的发展及其关键技术 移动通信是指通信的一方或双方是在移动中实现通信的。其中包括：移动台 与移动台之间通信、移动台与固定台之间通信，移动台通过基站与移动台或固定 台通信。移动台与基站之间是无线电通信链路。 无线移动通信传输信道复杂( 时变的多径传播环境，以及传播损耗、慢衰落、 快衰落、时间选择性衰落、频率选择性衰落、空间选择性衰落等) 。同时无线移动 通信系统受到严重的干扰( 远近效应、小区内干扰、小区间干扰、同道干扰、码 间串扰等) ，对设备要求更为苛刻( 稳定性、成本、功能、功耗) ，并且频谱资源 有限。目前，无线移动通信方面针对这些特点已经发展了一系列的技术，包括分 集技术，m i m o 系统和空时处理技术等等。 1 1 1 无线移动通信的发展 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 ) ，正在向第二 代( t h e3 “g 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存在的主要问题是：各系统问没有公共接口；频谱利用 率低；无法与固定网向数字化推进相适应。第二代数字移动通信系统较第一代模 拟移动通信系统有很大的改进，但是也存在许多问题：没有统一的国际标准；频 谱利用率较低；不能满足移动通信容量的巨大要求；不能提供高速数据业务；不 能有效地支持i n t e r n e t 业务。 第三代移动通信系统3 g 的标准i m l z 2 0 0 0 ，是指使用2 0 0 0 m h z 左右频段、 提供业务速率高达2 0 0 0 k b p s 、计划在2 0 0 0 年左右试运行的全球移动通信系统，它 有下面特点： i 系统的国际性，提供全球无缝覆盖和漫游，世界范围设计的高度一致性 - 业务的多样性，提供话音、数据和多媒体业务，车载通信速率为1 4 4 k b p s ， 步行通信速率为3 8 4 k b p s ，室内通信速率为2 m b p s 一高质量的业务，满足通信质量能达到与固定网相比拟的高质量业务要求 高度的灵活性，按需分配带宽，支持大范围、可变速率的信息传送 频谱利用率高、通信容量大 袖珍、多频、多模、通用移动终端 无线移动通信中的空时编码技术 满足通信个人化的要求 一 系统初始配置能充分利用第二代系统设备和设施，随后实现平滑升级 一低的费用，包括设备和服务两方面 目前己被国际电信联盟( i t u ) 同意批准的3 g 主流标准有四种： 3 g p p 的d s c d m a f d d ( 也称w c d m a ) 3 g p p 2 的m c c d m a ( 也称c d m a 2 0 0 0 ) 美国的s c t d m a ( 也称u w c 一13 6 ) - 我国提出的t d s c d m a 系统作为第三代移动通信系统d s c d m a t d d 的低码片速率选项，这是我国移动通信历史上的重大突破 1 1 2 第三代移动通信中的关键技术 分集技术 衰落是影响通信传输质量的一个主要因素。快衰落的深度可达3 0 4 0 d b ，单 是利用加大发射的功率来克服这种深度衰落是不现实的，而且会对其它发射机造 成严重的干扰。分集技术则是设计用来抗衰落的一种有效措施，它已广泛应用于 移动通信、短波通信等随参信道中。 分集主要分为两类：“宏分集”和“微分集”。宏分集主要用于蜂窝移动通信系统 中，也称为“多基站分集”，这是一种减少慢衰落影响的分集技术，其做法是将多个 基站设置在不同的地理位置上和不同的方向上。微分集是一种减小快衰落的分集 技术，为了达到信号之间的“不相关”，可以从空间、频率、极化、角度及时问等方 面实现这种不相关性。 由于快衰落是移动通信的最大挑战，因此微分集就是通常所指的分集技术， 主要包括空间分集( 含角度分集、极化分集) 、频率分集、时间分集( 含多径分集) 。 m i m o 系统 对于一个发射端有”个天线、接收端有m 个天线的多天线系统，我们将它简记 为系统。有时也将一个系统称为多输入、多输出( m u l t i l m p u t m u l t i o u t p u t ) 系统， 简记为m i m o 系统。文献 3 0 , 3 1 , 3 2 1 从信息论的角度研究了多天线系统在衰落信道中 的信道容量：对于7 个发射天线和m 个接收天线系统，其信道容量为： c = l o g2 d e t i , ，+ ( p n ) h h “ ( b i t s h z ) 其中d e t ( x ) 表示对矩阵x 求行列式，x ”表示x 的共轭转置，l 是 肝单位阵， ： 岛岛： ，以： 。 缟。 ： 丸。 为n m 阶信道衰落系数矩阵，h i 是从第i 个发射天线到第个接收天线问的复的 第一章绪论 瑞利衰落系数，p 表示n 个发射天线发射的总功率和。 可以得到，多天线系统在信道容量上比单天线系统有显著的提高，这正是卒时 编码系统增加无线通信系统容量的理论依据。 空时处理技术 现在的移动通信系统主要用时间域信号处理技术，智能天线与阵列信号处理 是空间域信号处理技术。时间域处理技术不能有效的消除同道干扰( c c l ) ，而空问 域处理技术一般都要求窄带假设( 即信号经过阵列长度所需的时间应远小丁信号 相干时间) 和同时激活的用户数不超过阵元数这样需要将空间域处理和时州域 处理结合起来，由此产生空时处理技术。利用空时处理技术能很好的结合单时间 处理和单空间处理的各自特点，这是近年来通信领域与信号处理领域共同关注的 热点。 空时处理技术的主要研究方向有空时估计( 勋a c e t i m ee s t i m a t i o n ) 、空时检测 ( s p a c e t i m ed e t e c t i o n ) 、空时编码( s p a c e t i m ec o c n n g ) 、空时均衡( s p a c e e m e e q u a l 扫a h o n ) 、空时分集( s p a c e t i m ed i v e r s i t y ) 和空时波束形成( s p a c e t i m e b e a m f o r m i n g ) 等。空时处理技术充分利用了信号与信道的空间和时间的特性，从而 有效地改善了阵列增益和分集增益、有效的消除干扰和抗多径衰落，从而提高系 统的容量。 一 其它移动通信关键技术 其它移动通信关键技术主要包括：智能天线技术，同步技术，功率控制，移 动性管理等等。 1 2 空时编码技术的发展过程 分集技术是一种能够有效克服信道衰落的可行方法。常用的时间分集、频率 分集在提高系统性能时，要牺牲一定的频带利用率。而在实现空间分集时，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，只是将信号赋哥一定 的空间结构，在空域上引入了冗余。因此空间分集没有降低频带利用率，这对高 速传输特别有利。 空间分集按照实现的位置不同，可分为发射分集( t r a n s m i t d i v e r s i t y ) 和接收 分集( r e c e i v e rd i v e r s i t y ) 。关于接收分集的研究已有大量的文献资料，技术比较成 熟；而对于发射分集则是这几年新兴的研究方向，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，所以分集的任务很自然的落在了基站，因此发射分集的研究就具有更大的 挑战性，其研究成果对提高无线通信的信道容量、抑制干扰和噪声具有重要的现 实意义。 无线移动通信中的审时编码技术 与多天线发射分集相对应的信道编码技术就是空时编码技术。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i o j 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 合在了一起，因而具有非常优异的性能。空时编码技术能有效地偿信道的衰减、 增加系统的容量、抑制噪声和干扰，并获得很高的分集增益和编码增益，因此具 有广阔的麻用前景。 空时编码的工作最初起源于2 0 世纪9 0 年代初 i 】s t a n f o r d 的r a l e f g ， 和c i o f i 的工 作以及瑞- 上a s c o m 的w i i t t n e b e n i “】，近剐有突出工作的主要有l u c e n tl a b s 的 f o s c h h f f 与g a n s i l l 以及a t & tr e s e a t c hl a b s 的砌0 m 1 2 1 等。 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，并于1 9 9 6 年提出 了在无线通信中用多元天线构造的分层空时结构，在此基础上他们丌发出了 b l a s t 试验系统。随后，美困a t & t 实验室的v a h i d t a r o k h 在此启发下首先提 出空时编码f 2 】( s t c ：s p a c e t i m eo 如) 概念，信号存时删域和空间域上都引入编 码就称之为空时编码。空时编码将发射分集和编码集于一体，具有较好的频谱有 效性和功率有效性。在该文献叶i 用格状编码调制( t c m ) 构造了的一种空时编码， 称为空时格型编码( s t t c ：s p a c e t i m et r e l l i sc o d e ) 。后来，s m a l a m o u t i i s l 发现 了一种简单的发射分集技术，在此分集技术中他实际上采用了简单的正交分组编 码，这在后米的文献【6 】中被归纳为空时分组编码( s t b c ：s p a c e t i m eb l o c k c o d e ) 。 这三种空时编码b l a s t ，s t t c ，s t b c 在解码时都假设接收端知道信道状态 ( c h a n n e l & a t e i n f o r m a t i o n ) 的确切信息，需要在接收端进行信道估计。 在某些环境下，接收端进行信道估计会非常困难，有时甚至根本无法估计。 因此。如何设计不需要信道估计的空时编码显得十分重要，酉空时编码俐9 】和差分 空时编码o 川就是根据这个要求提出的。酉空时编码( u s t c ：u n i t a r ys p r e e h m e c o d e ) 1 8 j 在形式上类似于s t b c 。是胁曲w a i d 根据文献 1 4 1 的结论构造的一种接收 端不需信道估计的空时编码。差分空时编码的概念最早由t a r o k h 1 提出， h u g h e s i i o l 酉空时编码的思想推广到多天线信道，给出了一种基于酉空时编码的芹 分空时编码。 概括起来空时编码技术按照发射端和接收端足否需要知道信道状态信息分为 两大类： 第一类空时编码：解码时需要确切知道c s i 的，具体可分为下面三利，： 分层空时编码( l s t c ：l a y e l e d s p a c e t i m ec o d i n g ) 技术： 1 9 9 6 午，美国b e l l 实验室提出了分层空时编码的概念并于1 9 9 8 年提出了分层 空b 习编码技术的框架1 3 1 。在此基础卜) 1 ：发j ；了b l a s t ( b e l ll a y e r e ds p a c e t i m e ) 试验系统。这种系统的结构简单，易于实现。频带利用率随着发射天线的增加线 性增加。它所能达到的频带利用率和传输速率是单天线系统所无法想象的，但其 第一章绪论 抗衰落性能不是很好。 - 空时格型编码( s t t c ：s p a c e t i m e t r e l l i sc o d i n g ) 技术： a t & t 实验室的t a r o k h 等人提出的用于高速数据无线通信的格型空时编码 ( s t t c ) 技术【2 】同时利用了传输分集和信道编码技术。这种空时编码以格型编码 调制为基础，具有很高的编码增益和分集增益，但是编码和解码复杂度极高，目 前多用计算机搜索实现，这是它应用受限的关键。 一空时分组编码( s t b c ：s p a c e t i m eb l o c k c o d i n g ) 技术： 由于空时格型编码的编译码比较复杂，美国的c a d e n c e 公司的研究人员提出 了一种基于正交设计的空时编码空时分组编码【5 6 ”。虽然它的性能比空时格型 码的性能略差，但其构造容易，译码简单。但是空时分组编码在保证获得最大分 集增益的前提下它的传输速率不能达到最大。 第二类空时编码：编解码时发射端和接收端都不需要知c s l ，具体分为两种： 酉空时编码( u s t c ：u n i t a r y a c e t i m ec o d i n g ) 技术： 酉空时编码 8 j 在形式上类似于s t b c ，是h o c h w a l d 根据文献 1 4 的结论构造的 一种接收端不需信道估计的空时编码，要求发送码矩阵为酉矩阵。 酉空时编码作为快衰落信道下的一种空时编码解决方案，因为好性能的酉空 时编码需要大量的酉矩阵l 3 】，如何更系统有效地解决这一问题则是今后一个重要 的研究方向。 _ 差分空时编码( d s t b c ：d i f f e r e n t i a ls p a c e t i m ec o d i n g ) 技术： t 盯o l ( 1 l 【l l 】提出一种简单的提供分集的发射方案，基本思想类似于单天线条件 下的差分调制技术。它用在发射端和接收端都不知道信道状态信息。h j a f a r k h a n i ， v a h i dt a r o k h i l 2 l 基于广义的正交空时分组编码将此种差分检测方案由两个发射天 线推广至多个发射天线。差分空时编码的最大优点是编译码都不需要c s i ，在接收 端它也支持最大线性解码，但是它与相应的空时分组编码相比，性能上要差3 d b 。 从目前的研究结果看，空时编码是一种极具潜力的技术，有着很好的应用前 景。空时编码体制已被纳入第三代移动通信( 3 g ) 的标准( i m t 一2 0 0 0 标准) c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 之中，也必将成为第四代移动通信系统中的关键技术。 1 3 本文的主要工作 本文主要讨论空时编码技术： 1 对空时编码技术按作者的理解进行了界定，讨论了空时编码的基本思想和 原理，通过分析空时编码的性能，得到空时编码的分集增益和编码增益的度量， 并给出了空时编码的般设计准则。 2 对第一类的空时编码的三种空时编码的编译码原理、特点和性能进行分析， 无线移动通信中的空时编码技术 给出了相应的设计准则，尤其时分层空时编码( l s t c ) 和空时分组编码( s t b c ) ， 给出了具体实例，并对这两种空时编码技术的性能进行了比较。 3 对第二二类空时编码的两种空时编码的编译码原理、特点和性能进行分析， 尤其是差分空时编码的设计，并对差分空时编码和空时分组编码的性能做了比较。 4 针对第一类和第二类空时编码的各自的优缺点，作者提出了一种改进的利 用组干扰抑制方法的空时编码一种基于分层结构的空时分组编码( l s t b c ： l a y e r e ds p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ) 和一种高速率的差分空时编码。 5 将空时编码技术与正交频分复用( 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 n m u l t i p l e x i n g ) 技术结合，分析了空时编码f 交频分复用( s t c o f d m ) 系统在频 率选择性衰落信道中的性能。 论文共分为五章，结构安排如下： 第二章分析了第一类空时编码的性能，给出了空时编码的设计准则，并详细 分析了分层空时编码和空时分组编码的编译码原理、特点和性能，同时给出相应 的仿真结果。 第三章详细分析了一种分组干扰抑制方法和基于此方法的一种改进的分层结 构的空时分组编码的编译码方法和性能，并将这种改进的空时编码和b l a s t 、 s t b c 的性能做了比较。 第四章重点介绍了第二类空时编码即译码时发射端和接收端都不需要知 道c s i 。首先详细分析了一种简单差分空时编码的编译码方法，接着将其推广到复 杂的一般的情况中。针对差分空时编码的编码速率较低的缺点，作者提出了一种 高速率的差分空时编码。最后分析了第二类空时编码中的第二种编码酉空时 编码( u s t c ) ，对u s t c 的编译码原理、特点和性能做了详细的分析。 第五章重点讨论空时编码技术与正交频分复用( 0 f d m ) 技术的结合，并对其 性能进行了详细分析，同时给出相应的仿真结果。并将分层结构的空时分组编码 ( l s t b c ) 、空时分组编码( s t b c ) 和o f d m 技术结合并比较了它们的性能。 最后概括性地总结了全文的主要结论，并指出了将来进一步研究的问题和需 要做的工作。 塑三童翌二耋至堕堕堕 一一7 一 第二章第一类空时编码 本章首先分析了空时编码的信息论基础m i m o 信道容量，接着给出了空 时信号模型，并由空时编码的差错性能得到了空时编码的设计准则。重点是对第 一类空时编码中典型的三种空时编码的编译码方法、原理和性能做了总结和比较。 2 1m i m o 信道容量 对于一个发射端有n 个天线、接收端有m 个天线的多天线系统，我们将它简配 为系统。有时也将一个系统称为多输入、多输出m i m o ( m u l t i r i n p u t m u l t i o u t p u t ) 系统f 2 6 】，简记为m i m o 系统。在多径环境下，无线m i m o 系统可以极大地提高频 谱利用率，增加系统的数据传输率。可以充分利用多径资源，提高系统的性能是 无线m i m o 最大的优点。 文献n 1 4 ，3 2 1 从信息论的角度研究了多天线系统在衰落信道中的信道容量： - s i s o ( s i n g l ei n p u t s i n g l eo u t p u t ) ，即单天线发射、单天线接收，其信 道容量为： c = l o g2 ( 1 + p ) ( b i f f s h z ) 其中h 为从发射天线到接收天线之间的复瑞利衰落系数，p 表示发射天线发射 的总功率。 _ m i s o ( m u l t i - t n p u t s i n g l eo u t p u t ) 即多天线发射( n 个) 、单天线接收， 其信道容量为： c = l o g2 1 + ( p n ) h h “ ( b i f f s h z ) 其中汀= ；，如l 一，。】7 为 1 的矩阵，x 7 表示矩阵x 的转置，h ，t 是从第i 个发射天线到接收天线之间的复瑞利衰落系数，p 表示n 个发射天线发射的总功 率和。 _ s i m o ( s i n g l ei n p u tm u l t i o u t p u t ) ，即单天线发射、多天线接收( m 个) ， 接收端采用最大比合并时信道容量为： c = l 0 9 2 【l 十p h h ” ( b i f f s h z ) 其中h = 限，啊：， 。r 为m x l 的矩阵，h ，是从发射天线到第j 个接收天线 之间的复瑞利衰落系数，p 仍表示发射天线的总功率和。 接收端采用选择性合并时信道容量为： c = m a x ( j i 0 9 2 ( 1 + p b ) j - l 0 9 2 ( 1 + 夕m a x j l h , 彳) ( b i f f s h z ) 一 m i m o ( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ) ，即n 个发射天线和m 个接收天线，其 信道容量为： c = l 0 9 2d e t 1 + ( p i n ) - h h “】( b i f f s t a z ) 无线移动通信中的字时编码技术 其中h = 伪。) n 。为一个m h 的信道传输矩阵，h 。是从第f 个发射天线到第，个接收 天线间的复的瑞利衰落系数，p 表示”个发射天线发射的总功率和。 根据发射天线数”与接收天线数卅的配置，( n ，m ) 系统的信道容量还可以分为 m 、n m 时的系统体称为过饱和系统，n m 时，会出现一个i 锰界 点，当h 超过这个临界点以后，信道容量随 1 的增加将会变得缓慢。例如：当m = i 时，发射天线数钓临界值为，一4 ，当m = 1 时，发射天线数的临界值为 = 6 。 ( 4 4 ) m m o 信道容量与伯囔比关系曲线 | 笙1 2 i ( 4 4 ) m i m o 言道窬埘与子信道容蚺 无线m m 0 系统引入了多个发射与接收天线，产生多个并行的子信道，这些 信道相互证交，因而可以支持独立的数掘传输。这就是m i m o 可以大幅度提高信 道容量的物理解释。 图2 1 为无线m i m o 信道容量与物理子信道( s u b c h a n n e l ) 的容量随接收天线 上的平均信噪比变化的示意图。各个子信道的容量之和等于整个m i m o 信道的容 量。它们与m i m o 系统的信道矩阵h 的奇异值一一对应。 第二章第一类空时编码 可以看出，多天线系统在信道容量上比单天线系统有显著的提高，这正是空时 编码系统增加无线通信系统容量的理论依据。 2 2 空时信号模型和空时编码设计准则 2 2 1 空时信号模型 采用空时编码技术的多输入多输出( m i m o ) 系统的空时信道模型如图2 2 。 图2 2 空时信道模型 发射天线数和接收天线数分别为月和卅，显然这是一个仉卅) 的m i m o 系统。 对于信道我们有下面的假设：各路径之间时延差可以忽略的，即不存在码问串扰， 衰减是平坦的。信号从不同的发射天线同步发射。进一步假设信号的多普勒频移 远小于信号的带宽。信道参数是随时间慢变化的( 即信道参数在一个数据帧内的 时问内是不变的，但随着不同的数据帧而改变) 。 数据的发射过程为：信源输出的信息比特送入空时编码器，空时编码器将信 息比特分割成n 个长度相同的子数据流，每一个子数据流作为一个脉冲形成器的输 入，然后经调制后，由发射天线同时发射。在每一个时隙f ，第f 个调制器输出的 信号c 0 称之为空时码元( s p a c e t i m e s y m b 0 1 ) ，用第i 个发射天线发射( 1 i ) 。 胛个信号同时从n 个不同的发射天线上发射，并且有相同的传输时间。每个接收天 线上接收到的信号是噪声与n 个经过衰落的发射信号的线性叠加。假设所采用的调 制信号星座点已被归一化，即将调制信号星座的平均功率为1 。 在第，个时隙，第，个接收天线上的接收天线接收到的信号f - 为： l 一 k 艺e 0 + 7 ，f = 1 , 2 ， ( 2 一1 ) 忙 其中h 。是从第f 个发射天线到第个接收天线间的复的瑞利衰落系数，7 7 ，7 足第个接 收天线在第时隙收到的加性高斯白噪声，其均值为0 ，双边方差为眠2 ，e ；为每 个信号点的发射功率，为分析简单假设e 。= l 。 将式( 2 1 ) 写成矩阵的形式为： = x - 瓦, h c , + ，= l ，2 ， 又假设e ，= 1 ，则上式可以写为： 无线移动通信中的空时编码技术 ( 2 2 ) 口= 啦u ) 为一个肌”的信道传输矩阵- 同时按照上面的假设信道是准静态的 即在帧数据内衰落系数是保持不变的，而每帧之间衰落系数 f 是不同的。 2 2 2 空时编码设计准则 设从第i 个发射天线到第，个接收天线经历的衰落系数啊，为独立的复高斯随 机变量，均值为e ( 。) ，双边方差为0 5 ，即从不同天线发射的信号经历独立的衰落。 以f 个时隙内的数据符号为一帧来考虑空对编码。假设发送序列为 ! = c 彳c 。n c 2 1 c ；c 2 n q i q 2 f ，接收端知道理想的c s i ，则接收端利用最大似然 检测误判发送序列为! = e l e ；q n e ：i 。；e ；白i e ；。? 的条件成对错误概率为： 尸( ! 辛e ，f = 1 , 2 ，r , ，= 1 , 2 ，聊) e x p ( 一d 2 ( c ，d e 4 n o ) ( 2 3 ) 其中e ；为星座图中每个信号点的平均能量，o 为每个接收天线的噪声单边功 率谱密度， “f l 1 2 d 2 ( ，e o = i ( 一一e j ) i ( 2 4 ) 定义d ，= ( ，也，- ) ，可将( 2 4 ) 改写成矩阵形式得： 匕o = m n n 硅耐一方) 葡：兰哆彳形 ( 2 5 ) y = l i - it = 1t = l j i p ( + j ，i = 1 ，2 ，”，j = l ，2 ，m ) e x p ( q 丛刍d 掣e1 4 n o ) ( 2 6 ) j = l 定义差矩阵； 则： 一( ，d = 曰( ，d = e ：- c i 呸i c ；- 曰一q 1 - 4 乞2 一旺2 砰一砰 e ? 一0 吃3 一薯；露一彳 e ? 一茚e ；一印一砰 i 一 ( 0 一曰) ( 0 一岔) t - l f 一 ( 0 一茸) ( 0 一f ) f - i ， 一，一( 0 一彰) ( d d ) ( 0 4 ) ( c 7 一茚) f - i卜i ( 2 7 ) = b ( 刍0 b ”( ，e ) 显而易见，月( ，e 3 是一h e 咖m a i i 阵，所以矩阵4 ( ，d 的所有疗个特征值丑， i = 1 , 2 ，n 均为非负的实数。因此，根据矩阵特征分解理论知，必然存在有一酉矩 厂 m 中 i i 咿 + ：胛以铲 = 吧厂茚砰 q | i c 中其 第二章第一类空时编码 阵v 和一实对角矩阵d ，满足 v a ( c e ) v “= d 向矩阵v 的行向量( v ，v2 i ，v 。 为的a 特征向量张成的h 维复向量宅问c ”的 组完备j 下交基，矩阵d 的对角元素为a 的特征值丑，_ 1 , 2 ，”。 设( 届，屈f 一，屈。) = 妇，v ”，将式v a ( c _ ，e ) v “：d 的两边同时左乘q ，v “，存乘 v q j 得： q t v h v a ( c ，e ) v h 恤；= n t v h o w 7 由于y 为酉矩阵即“= 1 ，且d 为对角矩阵，( 声：，一，) = q ，匕，所以： 哆爿( !