（信号与信息处理专业论文）mimo系统的信号检测技术研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学信号与信息处理 研究方向：理岱通信主的蟹篚值墨处理撞丕 作者：迎级研究生杜兴文 指导教师：赵霆喜 题目：m i m o 系统的信号检测技术研究 英文题目： r e s e a r c ho ns i g n a ld e t e c t i o nt e c h n i q u e f o rm i m o s y s t e m s 0 主题词：m i m o 技术信号检测折中 k e y w o r d s ：m i m ot e c h n i q u e ，s i g n a ld e t e c t i o n ，t r a d e o f f 气 、 j j 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 m i m o 技术能带来有效的系统分集增益，然而不同发射天线发出的信号之间 相互干扰引起信号检测的复杂性是面临的一个巨大的挑战。 本文主要研究m i m o 系统的信号检测算法，对m i m o 系统基本检测算法进行 了讨论，综合复杂度高的最优算法和性能较差的次优算法，提出了改进方案，实现 了复杂度和性能的折中。 论文首先阐述了m i m o 系统信号检测技术研究的进展，接着介绍了m i m o 信 道相关理论，其次讨论了m i m o 系统几种接收检测算法，包括线性均衡检测算 法，非线性检测算法和有限字母约束下的稀疏信号的检测算法，并对这些检测算法 的误码率性能进行了分析和比较；最后，将m l 检测算法和z f o s i c 检测算法结 合，给出了性能和复杂度折中的改进算法。仿真表明所给出的改进算法具有良好的 性能和实用性。 关键词：m i m o 技术；信号检测；折中 t 、 j 壹塞堡皇奎兰堡主! 壅竺堂垡垒壅 ! ! 墨 _-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_一一一一 a b s t r a c t m i m ot e c h n i q u ec a nb r i n ge f f e c t i v ed i v e r s i t yg a i no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s b u ti ti sag r e a tc h a l l e n g ei np r a c t i c a la p p l i c a t i o n st o r e d u c et h ec o m p l e x i t yo f s i g n a ld e t e c t i o na r o u s e db yt h ei n t e r f e r e n c ea m o n gt h et r a n s m i t t e ds i g n a l sf r o md i f f e r e n t t r a n s m i ta n t e n n a s t h i st h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e so ns i g n a ld e t e c t i o na l g o r i t h m si nm i m os y s t e m s c o m b i n i n gt h eo p t i m a la l g o r i t h m w i t hh i l g hc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n d t h e s u b o p t i m a la l g o r i t h m w i t hi n f e r i o rp e r f o r m a n c ea n dl o wc o m p l e x i t y , w eg i v ea n i m p r o v e ds c h e m et oa c h e i e v eat r a d e o f f b e t w e e np e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t y f i r s t l y , w er e v i e wt h er e s e a r c hp r o g r e s so fs i g n a l d e t e c t i o nt e c h n i q u ei nm i m o s y s t e m s s e c o n d l y , a ni n t r o d u c t i o nt ot h ek n o w l e d g ea b o u tm i m o c h a n n e l si sg i v e n t h e n , s e v e r a lr e c e i v i n gd e t e c t i o na l g o r i t h m sf o rm i m os y s t e m sa r ei n t r o d u c e d ，s u c h 船 l i n e se q u a l i z a t i o nd e t e c t i o na l g o r i t h m ，n o n l i n e a rd e t e c t i o na l g o r i t h ma n dd e t e c t i o n a l g o r i t h mo fs p a r s es i g n a l st h a tb a s e do nc o m p r e s s e ds a m p l i n gw i t hf i n i t e - a l p h a b e t c o n s t r a i n t s t h e s ed e t e c t i o na l g o r t h m s b i te r r o rr a t ep e r f o r m a n c ei sa n a l y s e d a n d c o m p a r e d f i n a l l y , w ec o m b i n em ld e t e c t i o na l g o r i t h m w i t hz f - o s i cd e t e c t i o n a l g o r i t h m t o g i v e a ni m p r o v e da l g o r i t h mw h i c h a c h e i e v e sat r a d e o f fb e t w e e n p e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t yo fd e t e c t i o n t h e s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mh a s g o o dp e r f o r m a n c ea n dp r a c t i c a b i l i t y 。 k ： k e y w o r d s ：m i m ot e c h n i q u e ，s i g n a ld e t e c t i o n , t r a d e o f f 墨 i i 鸣 1 多 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1m i m o 信号检测技术l 1 1 1 研究背景1 1 1 2 研究现状2 1 2m i m o 技术的发展趋势3 1 3 研究内容和本文所作的工作6 1 4 本文的组织结构7 第二章m i m o 信道和空时编码8 2 1 无线衰落信道8 2 1 1 多径时延扩展产生的衰落效应8 2 1 2 多普勒频移引起的衰落效应1 l 2 1 3 常用的信道模型1 3 2 2m i m o 信道模型1 5 2 3 空分复用1 6 2 4 空时编码l7 2 4 1 分层空时码1 7 2 4 2 空时栅格码2 0 2 4 3 空时分组码2 1 2 5 本章小结。21 第三章m i m o 系统接收检测算法2 2 3 1v b l a s t 系统模型2 2 3 2 线性均衡检测算法2 3 3 2 1 迫零检测算法2 3 3 2 2 最小均方误差检测算法2 4 3 3 非线性检测算法2 5 3 3 1 最大似然检测算法2 5 3 3 2 干扰消除检测算法2 7 3 4 有限字母约束下的稀疏信号的检测算法3 0 3 4 1 压缩采样的提出3 0 3 4 2 压缩采样3 0 3 4 3 广义球形译码算法3l 3 4 4 压缩采样下的球形译码算法3l 3 5m i m o 系统接收检测算法仿真及分析3 2 i i i 7 k 譬 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 3 6 本章小结3 7 第四章低复杂度的v - b l a s t 系统接收检测算法3 8 4 1v b l a s t 系统接收检测算法3 8 4 1 1 最大似然检测算法3 8 4 1 2 迫零检测算法3 9 4 1 3 最小均方误差检测算法。3 9 4 1 4 串行干扰抵消检测算法4 0 4 1 5 排序串行干扰抵消检测算法4 l 4 2 低复杂度的v b l a s t 系统接收检测算法4 1 4 3 四发四收系统仿真试验及结果分析。4 3 4 4 八发八收系统仿真试验及结果分析4 5 4 5 本章小结。4 7 结论与展望4 8 1 文章总结4 8 2 展望4 9 致谢5l 研究生期间发表论文5 2 参考文献5 3 i v 堙 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着移动通信技术的广泛应用，移动通信在全球取得了巨大的发展。b e l l 实验 室在上个世纪九十年代后期提出了一种新的无线通信技术，即m i m o 多天线技术 【i 】。该通信系统在其发射端和接收端采用多天线，数据流并行的由多个发射天线发 送到空间信道后由多个接收天线接收，由于各发射信号占用同一频带，因而并未增 加带宽。若各发射接收天线问的信道响应独立，则m i m o 系统可以创造多个并行 的空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然成倍提高， f o s c h i n i 和t e l a t a r 已经证明，m i m o 系统的信道容量随着发射天线数的增加呈近似 线性的增长。由于m i m o 通信能够极大地提高系统的频带利用率、满足高速率通 信的要求，因此得到人们越来越多的关注，已经被认为是新一代移动通信系统中的 非常具有发展前景的技术之一。 1 1m i m o 信号检测技术 1 1 1 研究背景 无线通信2 ，3 1 技术是人们实现随时、随地通信的基础。最近十年来，因特网和 移动通信飞速发展，在第三代蜂窝移动通信中己经部分地引入了无线因特网和多媒 体业务。 通信服务提供商习惯将无线通信系统分为不同的几代：第一代( 1 g ) 系统是 面向语音的模拟蜂窝和无绳电话；第二代( 2 g ) 无线网络是面向语音的数字蜂 窝、个人通信业务( p c s ) 系统和面向数据的无线广域网( w a n ) 和局域网 ( l a n ) 【4 5 1 ；第三代( 3 g ) 无线网络把蜂窝电话和p c s 语音业务与各种分组交换 数据业务综合在一个统一的网络中。第四代( 4 g ) 无线网络还处在研究状态，它 将是多功能集成的宽带无线通信系统，包括广带无线固定接入、广带无线局域网、 移动广带系统和广播网络。随着无线通信技术的进步，个人通信正在由理想变为现 实，它的实现必将对推动社会进步产生广泛而深远的影响【6 , 1 2 】。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 新一代无线通信系统最基本也是最核心的的特点就是需要提供高速率、高可靠 性的无线数据传输。然而无线通信的一些特点，如发射功率受限、频带受限以及无 线信道的衰落特性等构成了阻碍高速无线传输的几大因素【l3 ，1 4 1 。为此，人们在编 码、调制、分集、信号处理等方面进行了深入的研究。在众多新技术中，基于空间 分集的多输入多输出( m i m o ) 技术被认为是最有前途的解决方案之一。m i m o 技 术的核心思想是：在通信链路的收、发两端分别配备多根天线，发射机将多路子数 据流映射到不同的发射天线并同频、同时发送；接收机利用多径信道的空间不相关 特性从混合信号中分离出原始子数据流。 m i m o 技术实现了频谱资源的重复利用，在不额外增加发射功率和传输带宽 的前提下使系统的容量得到倍增、性能得以极大提高，这些优点使其在频谱资源日 趋紧张的今天倍受青睐【1 5 , 1 6 , 1 7 。根据使用目标的不同，可以将技术分为两类：空分 复用技术和空时编码技术。其中空分复用技术利用多径信道本身并行传输独立子数 据流，达到提高数据传输速率的目的；空时编码技术使传输信号在时间和空间维度 上引入一定的相关性，利用发射分集提高接收信号的信噪比，从而增强传输的可靠 性。无论是空分复用技术还是空时编码技术，它们的性能都与系统所采用的信号检 测算法之间有极大的关联，因此m i m o 信号检测技术一直是研究的热点之一。 1 1 2 研究现状 m i m o 多天线技术由于能提供更高的容量、更大的分集增益和干扰抑制性能， 因而成为下一代无线移动通信系统的重要组成部分【1 8 】。目前，m i m o 技术在单用 户点对点无线通信链路中的应用由于解决了容量、发射方案和接收检测算法等关键 问题而趋于成熟【1 9 1 。但在无线通信系统的应用中，考虑到多用户环境，因此对无 线多用户m i m o 系统的技术研究成为当今的热点问题【2 0 l 。 与传统的单输入单输出系统相比，m i m o 系统接收端接收到的是在时间上和频 带上相互重叠的多路信号，在频率选择性系统中还存在不同时刻信号间的码间干 扰。由于信号检测性能的好坏将直接影响到整个m i m o 系统性能的好坏，因此对 高性能、低复杂度的m i m o 检测技术的研究已经成为m i m o 通信中的一个重要内 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 容。 从m i m o 通信系统结构提出以来，国内外通信界已对m i m o 信号检测进行了 广泛和深入地研究，并且提出了多种信号检测算法。m i m o 最大似然检测算法可 以使系统获得最佳误码性能，但在实际系统中往往难以实现或不能实现【2 。接近 m l 检测性能的信号检测算法一直是m i m o 系统需要解决的问题。v i t e r b o 2 2 1 在 p h o s t 2 3 】的研究基础上提出了球形译码的检测算法。尽管如此，球形译码的计算复 杂度在最差的情况下和m l 检测一样【2 4 1 。 鉴于最大似然检测算法的计算复杂性很高，学者们又提出了多种兼顾性能和复 杂度的次优检测算法。目前普遍使用的线性次优检测算法是迫零( z f ) 检测算法和最 小均方误差( m m s e ) 检测算法【2 5 婀。除此以外还包括基于格约简辅助检测【2 7 2 引、 m i m ot u r b o 检钡1 t 2 9 ) 和m i m o 系统的自适应均衡【删和盲均衡聊】等。在点对多点的 广播信道中，由于各用户在地理位置上的差异，不能协同接收，当各用户间的接收 信号存在相互干扰时，采用多用户检测的方法来避免干扰。 1 2m i m o 技术的发展趋势 m i m o 技术实质上是为系统提供空分复用增益和空间分集增益，目前针对 m i m o 信道所进行的研究也主要围绕这两个方面。空分复用技术可以大大提高信 道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。 m i m o 技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多径影响因素变成对用户通 信性能有利的增强因素。m i m o 技术有效地利用了随机衰落和可能存在的多径传 播来成倍地提高业务传输速率。m i m o 技术成功之处主要是它能够在不额外增加 所占用的信号带宽的前提下带来无线通信的性能上几个数量级的改善。 ( 1 ) m i m o o f d m l 3 2 1 技术实现高速数据传输 在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带宽 效率。o f d m 通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，从而减 小了多径衰落的影响。而m i m o 技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输 多路数据流，这样就有效的增加了系统的传输速率，即由m i m o 提供的空分复用 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 技术能够在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。这样，如果我们将o f d m 和 m i m o 两种技术相结合，就能达到两种效果：一种是系统很高的传输速率，另一 种是通过分集达到的很强的可靠性。同时，在m i m o o f d m 系统中加入合适的数 字信号处理的算法能更好的增强系统的稳定性。 m i m o o f d m 系统能够同时增大空分复用技术和o f d m 技术的能力，有利于 增加系统的容量和高速率的传输。通过多路数据流在发送天线的同时发射，实现了 在相同带宽的情况下的多路空间并行信道。这样的系统不仅发挥了o f d m 和空分 复用技术的优势，同时也有效的利用了空间的并行性和频率选择性。在接收判决一 方，将接收信号转化为若干子信号。 ( 2 ) 空时编码技术实现可靠的无线数据传输 最近几年来空时编码技术在无线通信领域引起了广泛关注。朗讯实验室的 f o r c h i n i 和g a l a s ，a t & t 的t a r o k h 及其同事们在这方面作了关键性工作，率先提 出了空时编码的概念。空时编码的有效工作需要在发射和接收端使用多个天线，因 为空时编码同时利用时间和空间两维信号处理来构造码字，这样才能有效抵消衰 落，并且能够在传输信道中实现并行的多路传送，提高频谱效率。需要说明的是， 空时编码技术因为属于空间分集的范畴，所以要求在多散射体的多径情况下应用， 天线间距应适当拉开以保证发射、接收信号的相互独立性，以充分利用多散射体所 造成的多径。 空时编码方案结合了信道编码和多发送天线，通过空时编码后的数据被串并转 换成n 个数据流，每一路数据流经脉冲形成、调制，然后通过刀个天线同时发送到 无线空间。在接收端，可以用单一天线，也可以用多个天线进行接收，每一个接收 天线接收到的是n 个发送信号与干扰噪声线性的叠加( 衰落系数为权重) ，然后通过 最大似然检测的方法，正确地识别出发送信号。空时译码算法和信道估计技术结合 以获得分集增益和编码增益。 目前，空时编码基本上有空时分组码、空时格状码和空时分层码等多种。 ( 3 ) 智能天线技术实现有效的无线数据服务 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 m i m o 技术的核心是空时信号处理，也就是利用在空间中分布的多个天线将时 间域和空间域结合起来进行信号处理。因此，m i m o 技术可以看作是智能天线的 扩展。 在多天线技术中，最受关注的是智能天线技术，国际电联已明确将智能天线技 术作为三代以后移动通信技术发展的主要方向。智能天线通常也被称作自适应天 线，主要用于完成空间滤波和定位。从本质上看，智能天线利用了天线阵列中各单 元之间的位置关系，即利用了信号的相位关系，这是它与传统分集技术的本质区 别。从一定意义上看，智能天线可看作是一种空分多址s d m a ，在s d m a 中，多 个用户可共享一个信道，这将极大地增加系统容量。 智能天线技术可以定义为：具有波束成形能力的天线阵列，可以形成特定的天 线波束，实现定向发送和接收。智能天线可以利用信号的空间特征分开用户信号、 多址干扰以及多径干扰信号。智能天线分为两大类：多波束智能天线与自适应阵智 能天线，简称多波束天线和自适应阵天线。 更高数据速率和越来越复杂的工作特性必然要求下一代无线通信的天线系统提 供精确而且灵活的干扰控制。而智能天线提供了一种方案来解决困扰无线网络的根 本问题。因此，智能天线一定会在移动通信系统中得到广泛的应用。 ( 4 ) 软件无线电实现m i m o 无线通信的最佳选择 软件无线电是指研制出一个完全可编程的硬件平台，所有的应用都通过在该平 台上的软件编程实现。该技术将能保证各种移动台、各种移动通信设备之间的无缝 集成，并大大降低了建设成本。 软件无线电与m i m o 技术相结合，将根本改变其实现方式，实现无线宽带通 信的技术融合并能容纳各种标准、协议，提供更为开放的接口，最终大大增加网络 的灵活性。在未来移动通信中，软件无线电将改变传统的观念，给移动通信的软件 化、智能化、通用化、个人化和兼容性带来深远的影响，并将在本世纪形成和计算 机及程控交换机相当的巨大产业。 软件无线电技术是最近几年提出的一种实现无线通信的新体系结构。软件无线 电技术可与m i m o 技术相结合在通用芯片上用软件实现专用芯片的功能，其优势 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 已经得到了充分的体现。软件无线电技术的使用将会给m i m o 无线通信系统带来 以下好处： 可克服微电子技术的不足 系统增加功能通过软件升级来实现 减少用户设备费用支出 可支持多种通信体制并存 便于技术进步和标准升级 软件无线电可以充分利用数字化射频信号中的大量信息，评估传输质量，分析 信道特点，实施采用最佳接入模式，灵活分配无线资源，实现m i m o 移动通信系 统的动态管理和优化。从近期发展上看，软件无线电技术可以解决不同标准的兼容 性，为实现全球漫游提供方便；从长远发展上看，软件无线电发展的目标是实现可 以根据无线电环境得到变化而自适应的配置收发信机的数据速率，调制解调方式， 信道编译码方式，调整信道频率、带宽以及无线接入方式的智能化，从而更加充分 的利用频谱资源，在满足用户q o s 要求的基础上使系统容量达到最大。 1 3 研究内容和本文所作的工作 本文主要研究m i m o 系统的信号检测算法，并在已有的检测算法基础上提出 了改进的检测算法。 本文所做的工作分为以下几个方面： ( 1 ) 讨论了m i m o 系统信号检测技术的研究背景、研究现状和m i m o 技术的 发展趋势。 ( 2 ) 对m i m o 信道相关知识和空时编码进行了分析。 ( 3 ) 讨论了m i m o 系统各种接收检测算法，最优检测算法即m l 能保证检测符 号获得全分集，具有最佳的检测性能，但其复杂度随发射天线数和调制阶数的增加 而呈指数函数增长；次优检测算法如线性均衡检测算法和干扰消除检测算法等虽然 复杂度低，但是分集增益损失很大。针对此问题，提出了本文改进算法。即将最优 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 算法和次优算法结合，实现了性能和复杂度的折中，仿真结果也证实了理论的正确 性。 1 4 本文的组织结构 本文主要对m i m o 系统信号检测技术进行研究，包括以下几个方面： ( 1 ) 第二章讨论了m i m o 信道和空时编码，主要包括无线衰落信道、空分复用 和空时编码。 ( 2 ) 第三章介绍了m i m o 系统接收检测算法，并对各种算法针对不同天线和不 同调制方式以及是否考虑信道相关性进行了仿真分析和性能比较，同时对压缩采样 下的稀疏信号的检测算法也进行了详细的理论分析和仿真性能分析。 ( 3 ) 第四章提出了一种称为m l o s i c 的检测算法，针对不同天线和不同调制 方式以及信道相关性对算法进行了性能比较及仿真分析。 ( 4 ) 最后是对本文的总结。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m i m o 信道和空时编码 第二章m i m o 信道和空时编码 移动通信信道是研究任何移动通信系统首先要遇到的问题，也是无线信道中最 为复杂的信道。研究移动信道就是要搞清楚无线电信号在移动信道中可能发牛的变 化和发生这些变化的原因，这与载波频段、传播环境、移动速度、传播的信号形式 以及信道的上、下行方向等都有密切的关系。信息论的研究结果指出，在通信系统 中使用多天线，可以提高系统的传输能力，通过利用m i m o 空时编码技术我们可 以最大化的提高链路的性能，包括提高链路的吞吐率和最小化系统错误率。 2 1 无线衰落信道 当无线电波在传播时，通常会遇到各种反射体和散射体，经过反射、散射、绕 射后到达接收天线，接收机所接收到的信号是各个路径到达的合成波，这一现象称 为多径传播【3 3 】，在多径传播过程中，常有许多时延不同的传输路径，各条传输路 径会随时间变化，参与干涉的各分量场之间的相互关系也就随时间而变化，由此引 起合成波场的随机变化，从而形成总的接收场的衰落，即多径衰落。这样，即使同 一信源发出的信号，距离很近的接收机接收的信号电平也可能相差很多。在移动情 况下，来自不同方向信号的相位也不断变化，因此存在相位和幅度的起伏，另外， 由于接收机相对于发射机是运动的，它们之间多径电磁波的频率也发牛偏移，这种 由于相对运动而产生的频率偏移称为多普勒效应。 2 1 1 多径时延扩展产生的衰落效应 1 时间色散参数 多径传播效应主要表现在频率选择性衰落和时延扩展等方面。多径信道的时间 色散特性常用平均附加时延( ；) 和r m s 时延扩展( 吒) 来定量描述平均附加时延 是功率延迟分布的一阶距，定义为 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m i m o 信道和空时编码 一q 2 气 仁靠广 但。1 其中，a 。和气分别表示第七个多径分量的时间幅度和第七个多径分量与第一个到达 的分量相比而言的相对时延。r m s 时延扩展是功率延迟分布的二阶距的平方根，定 义为 = f 2 一( f ) 2 ( 2 - 2 ) 其中 一a k 2 气2 ，2 皇丁 2 。 相干带宽最是从r i l l s 时延扩展得出的一个确定的关系值。相干带宽是一定范 围内的频率的统计测量值，是建立在信道是平坦的基础上的。换句话说，相干带宽 是指一个特定的频率范围，在该范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性。相干 带宽表征的是信号中两个频率分量基本相关的频率间隔，衰落信号中的两个频率分 量，在其频率间隔小于相干带宽时，它们是相关的，衰落特性具有一致性；在其频 率间隔大于相干带宽时，它们是不相关的，衰落特性不具有一致性。频率间隔大于 只的两个正弦信号受信号影响大不相同。如果相干带宽定义为频率相关函数大于 0 9 的特定带宽，则相干带宽近似为 纹= 击 ( 2 4 ) 2 多径时延扩展产生的衰落效应 ( 1 ) 平坦衰落 如果无线信道带宽大于发送信号的带宽，且在带宽范围内有恒定的增益及线性 相位，则信号就会经历平坦衰落过程。在平坦衰落情况下，信道的多径结构使发送 信号的频谱特性在接收机端仍保持不变。然而由于多径导致信道增益的起伏，接收 信号的强度会随着时间变化。在平坦衰落信道中，信号带宽的倒数远大于信道的多 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m i m o 信道和空时编码 径时延，信号带宽比信道带宽窄得多，可以看成窄带信道。信号经历平坦衰落的条 件是 忍置 ( 2 5 ) 或者 c 吒 ( 2 - 6 ) 其中，最是信号带宽，z 是信号带宽的倒数。 在一个平坦衰落信道中，当信号频谱经过信道之后，因为各个频率的衰落情况 是类似的，频谱仍然可以保持它原本的特性而不会变形。然而因为多重路径的效 应，信道的衰落情况有可能随着时间而变化，接收到的信号强度也会随着时间而改 变。发送信号码元周期大于信道的延迟扩展，也就是说信号的带宽是落在信道的相 干带宽之内，虽然接收信号在时间上会受到信道增益变化的影响，导致信号振幅会 随着时间而改变，但是信号频谱的形状并不会有太大的变化，顶多是因为信道增益 随着时间改变，而导致信号频谱整个放大或缩小。然而，当信道产生严重衰落时， 信号的各个频率分量都会受到严重的衰减，此时只有通过增加传输功率，才可能保 持原有的通信品质，而所需要增加的功率，有可能达到原先的2 0 至3 0 招。这里 的平坦衰减，也有人称为频率平坦衰落。 此外，在平坦衰落信道中，由于信道的延迟扩展小于码元的周期，所以所有的 多重路径信号，虽然到达接收机的时间先后不一，但是对接收机而言，这些信号是 不能解析的，也就是所有多重路径信号结合的结果，会形成单一可解析的路径，这 个路径信号的振幅是一个随机变量，而我们一般认为这是一个瑞利分布的随机变 量。 ( 2 ) 频率选择性衰落 如果信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围小于发送信号带宽，则该信道特 性会导致信号产生频率选择性衰落。此时，信道冲激响应具有多径时延扩展，其值 大于发送信号带宽的倒数，接收信号中包含了经历衰减和时延的发送信号波形的多 径信号，产生接收信号失真。频率选择性衰落是由于信道中发送信号的时间色散引 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m i m o 信道和空时编码 起的，这样就引起了码间串扰。频域中接收信号的某些频率分量比其他分量获得了 更大的增益。信号经历频率选择性衰落的条件是 或者 忍 忍 ( 2 - 7 ) 霉 乏 ( 2 - 1 2 ) 且 忍 0 a 0 ) ( 2 - 1 6 ) 其中，a 2 是主信号的能量，厶( ) 是第一类零阶贝赛尔函数。包络的均值为 他= 丢正景p “i + 种，0 ( 刖2 ) + 训剐2 ”，方差为q 2 = 1 一2 ，( ) 是第一类一阶贝塞尔 函数。这里k 被定义为丰信号的功率与多径分量方差之比，即k = a 2 ( 2 仃2 ) ，k 又称为莱斯因子( r i c i a nf a c t o r ) ，它完全确定了莱斯分布。当彳- - 0 ，k 专0 ，莱斯分 布就转变成瑞利分布。 ( 4 ) n a k a g a m i 信道 n a k a g a m i 信道是一种非常有用的衰落信道模型。在描述具体的实测数据结果 时，它比瑞利分布、莱斯分布以及对数正态分布具有更好的灵活性和广泛的适应 性。比如，n a k a g a m i 信道的衰落系数为0 5 和1 时，恰好等效于单边高斯分布和瑞 利分布这两种特殊情况。由于n a k a g a m i 信道能比较充分地描述多径效应，因此它 在现代无线通信的理论研究和实际应用中获得了广泛的重视。其包络的概率密度函 数为 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o 信道和空时编码 p ( 加志( 酬一等 ( 2 1 7 ) 其中，q = e ( x 2 ) ，为包络的二阶距，e ( ) 是数学期望运算；r ( 朋) 为伽马函数，m 为衰落系数，假设各个路径相同，定义为 一尚，m 扒陀 ( 2 - 1 8 ) 舻币网m 1 亿 1 2 。心j 当m = 1 时，式( 2 1 7 ) 就变为瑞利分布。 2 2m i m o 信道模型 m i m o 系统模型如图2 1 所示，系统的模型参数说明如下 并 输出 串 转 换 图2 - 1m i m o 系统模型 系统共有m 个发射天线和，个接收天线 整个发射功率为p ，且与发射天线数目无关，每个天线具有相同的发射功率 p | n t 用m 1 阶矩阵x 代表发送信号，用，l 阶矩阵r 代表接收信号 信道用h 表示，h 是，m 阶矩阵。这里假设信道是平坦慢衰落的，且各个 信道相互独立，h 的元素曩。，是从发射天线，到接收天线f 的复衰落系数，服从零均 值的高斯分布 假设接收端可以通过信道估计或者训练序列得到信道状态信息，且发送端不 知道信道信息 1 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m i m o 信道和空时编码 接收端噪声用n 表示，1 1 是m l 阶矩阵。假设每个天线上的噪声独立，且服 从均值为0 、方差为吒2 的复高斯分布，噪声与发送信号x 相互独立 假设每个接收天线的输出功率为最，每个接收天线的平均信噪比为 d s n r = 粤，它与接收天线数目有关，与发送天线数无关。 o i 这样，信道模型可以用矩阵如下表示 r = h x + n ( 2 1 9 ) 其中 2 3 空分复用 h 。 h ：l ； l h ， ( 2 - 2 0 ) 空分复用【3 6 】就是在接收端和发射端使用多根天线，充分利用空间传播中的多 径分量，在同一频带上使用多个数据通道( m i m o 子信道) 发射信号，从而使得 容量随着天线数量的增加而线性增加。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。 空分复用首先将需要传送的信号经过串并转换转换成几个平行的子信号流，并 且在同一频带上使用各自的天线同时传送，由于多径传播，每一副发射天线针对接 收端产生一个不同的空间信号，接收端利用信号不同来区分各自的数据流。实现空 分复用必须要求发射和接收天线之间的间距大于相关距离，这样才能保证收发端各 个子信道是独立衰落的不相关信道。 实现空分复用的接收端解码算法主要有迫零算法、最小均方误差算法、垂直一 贝尔实验窒分层空时码算法和最大似然解码算法【3 7 ，3 8 1 。迫零算法是一种线性接收方 法，可以很好地分离同频信号，但是需要有较高的信噪比才能保持较好的性能。另 1 6 1j j 坼 饥；饥 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m i m o 信道和空时编码 一种线性接收算法是最小均方误差算法，该算法可以使由于噪声和同频信号相互干 扰造成的错误最小，尽管它降低了信号分离的质量，但具有较好的抗噪性能。最大 似然算法接收性能最好，但是计算复杂性很高。b l a s t 是一种可以实现空分复用 增益的算法。1 9 9 6 年f o s c h i n i 提出对角一贝尔实验室分层空时码( d b l a s t ) 算法， 但是由于算法的复杂度太大，很难实际应用。1 9 9 8 年由f o s c h i n i 和g o l d e n 提出v b l a s t 算法。v b l a s t 算法不是同时对所有的发送信号一起解码，而是首先对最 强的信号解码，然后在接收到的信号中减去这个最强的信号，再对剩余信号中的最 强信号解码，再减去这个信号，这样依次进行，直到所有的信号都被译出。v - b l a s t 算法是目前算法复杂度和译码性能综合考虑下一种较优的译码算法。 2 4 空时编码 空时编码的基本思想是利用多天线组成的天线阵同时发送和接收，在发送端将 数据流按照一定的规则分离成多个支流，对每个支流进行空时处理，然后通过不同 的天线同时发送出去。在接收端利用天线阵接收，经过空时处理和空时解码，还原 为原发送数据流。 空时编码上个世纪九十年代末被提出之后就受到世界范围内的广泛关注。1 9 9 8 年a l a m o u t i 3 9 】在文献中给出了一种无线通信中2 发1 收的发射分集方案，之后 t a r o k h 等人【4 0 】给出了空时码的编码方法，并从信息论的角度出发，得到了空时编 码的两大编码准则：分集增益准则和编码增益准则。依据接收端对信道条件的要求 可将平坦衰落信道下的空时编码分为两类：一类要求接收端准确地估计出信道特性 参数，如分层空时码【4 1 ，4 2 1 、空时栅格码【4 3 】和空时分组码【4 4 j 等：另一类不要求接收端 进行信道估计，如差分空时编码【4 5 1 和酉空时码【4 叼等。本小节主要介绍前一类空时 编码以及重点介绍分层空时码。 2 4 1 分层空时码 分层空时编码技术是将高速数据业务分为若干低速数据业务，通过普通并行信 道编码器后，进行分层空时编码，调制后用多个天线发送，实现发送分集。在接收 1 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m i m o 信道和空时编码 端，用多个天线分集接收，信道参数通过信道估计获得，由线性判决反馈均衡器实 现分层判决反馈干扰抵消，然后进行分层空时译码，由单个信道译码器完成信道译 码。 分层空时码最突出的特点是，可以在同一空间范围内通过一维处理方法处理多 维信号。分层空时系统的发送端首先将串行信息数据流转换成等速率的并行子数据 流，每个子信息流分别进行映射、调制，再分别通过不同的发射天线发射出去。由 于空间的复用，分层空时码可以将传输速率提高m 倍，但这就需要独立性非常好 的信道。 一个独立子信息流的信号处理链称为一层。在接收端的每根天线接收到各个子 信息流信号，而由于每个子码流来自位于不同位置的发射天线发射，分别经过了不 同的传播路径，传输路径衰落特性的独立性导致了不同接收天线接收的子码流有所 差别，接收端利用这些不同的特性来提取信息。如前所述，各子码流信号在原有的 带宽内同时同频带的发送，因而系统具有较高的频带利用率。如果能进一步提高其 性能，它将成为实现未来无线通信高速数据传输的有效解决方案之一。 分层空时编码技术的基本思想是：在发送端，将输入的高速数据比特流分为 ( 串并转换) m 个长度相同的低速比特流，经过普通的并行信道编码器编码后，通过 对应的发射天线发送。 分层空时编码根据发射端分层的方式不同，可分为三种空时编码方案：水平分 层空时码、垂直分层空时码和对角分层空时码。传输码字为x 表示在第i 个时刻从 第，个信道编码器输出的码元。例如，在一个发射天线数为3 的系统中。 ( 1 ) 水平分层空时编码器在并行信道编码器的输出之后，按垂直方向进行空间 编码，如图2 2 1 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m i m o 信道和空时编码 编勰一- 团圆圈田专一l 一一团圉团圉 一一。团园圃圉 寸燃2 专嬲蚵戳3 图2 2 水平分层空时编码结构 ( 2 ) 垂直分层空时编码器在并行信道编码器的输出之后，按水平方向进行空间 编码，信道编码器与天线一一对应，每个信道编码器编码后的码元直接送到对应的 天线发送出去，如图2 3 固固固 团固团 园一2 回燃3 图2 3 垂直分层空时编码结构 ( 3 ) 对角分层空时编码器在并行信道编码器的输出之后，按对角线进行空间编 码，如图2 - 4 1 9 羹鼬卤蓁卤羹w 卤冀- 卤 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o 信道和空时编码 编码器l l编码器3 编码器2编码器玉 zzz 园圃圉田j l 固圈圈田专一2 圉团固团j 一3 图2 4 对角分层空时编码结构 第一个信道编码器输出的前m 个码元排在第一条次对角线，第二个信道编码 器输出的前m 个码元排在第二条次对角线，第个信道编码器输出的前m 个码元 排在第条次对角线，依次循环。可以看出，采用对角分层空时码每一帧码矩阵 中总有n ( n 一1 ) 2 的传输冗余。而水平分层空时码的译码简单，但其空时编码的性 能太差。相比之下，垂直分层空时码要比水平分层空时码的性能好得多，且译码复 杂度不大，因此得到广泛应用。 2 4 2 空时栅格码 空时栅格码吸收了延时分集技术和多路格形编码调制技术的优点，通过传输分 集与信道编码相结合来提高系统的抗衰落性能，从而可利用多进制调制方式提高系 统的传输速率。格形编码器采用多进制调制方式，可以提高系统的传输速率，但采 用多进制后，星座图中信号点之间的距离减小，要达到相同的误码性能，所需要的 信噪比要比二进制高。所以只有在信道衰减较小的时候，才可以考虑用更好频谱效 率的调制方式来提高信息传输速率。 空时格栅编码的设计准则：为了得到最大的分集增益m n ( m 和分