（信号与信息处理专业论文）协同分集及其在mimoofdm系统中的应用.pdf

) x j | 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 作者：2 0 0 7 级硕士研究生 沈静 指导教师：曹雪虹教授 题 目：协同分集及其在m i m o o f d m 系统中的应用 英文题目：t h er e s e a r c ho fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya n d i t sa p p l i c a t i o ni n m i m o o f d ms y s t e m s 主题词：m i m 0 - - 0 f d m 系统协同通信协同m i m o o f d k l 系统功率分配 k e y w o r d s ：m i m o 0 f d ms y s t e m sc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a ti o n c o o p e r a t i v em i m o - o f d ms y s t e m s p o w e ra l l o c a t i o n 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 在m i m o - o f d m 系统，比如两发一收的空时格码一正交频分复用( s p a c e t i m et r e l l i s c o d e - o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v is i o nm u l t i p l e x i n g ，s t b c o f d m ) 系统，空频块码一正交 频分复用( s p a c e - ti m eb l o c kc o d e o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v is i o n m u l t i p l e x i n g ，s f b c - o f d m ) 系统中加入协同分集，能有效地提高系统的空间分集增益， 从而提高系统的性能。前人对协同通信的研究的侧重点各有不同，虽然使系统在多方面的 性能得到了改善，但是存在使用单一分集策略无法比较系统性能提升程度，多中继系统中 的功率分配性能欠优等问题。本文对此进行了研究。 本文首先研究在m i m o - o f d m 系统中加入协同分集的协同m i m o - - o f d m 系统，分别实现了 加入一根中继天线的协同s t b c - o f d m 系统和协同s f b c - o f d m 系统，对虚拟m i m o 中的协同分 集策略：放大前传，译码前传，编码协同等所涵盖的各种基本方法进行仿真实现，研究这 几种协同策略下目的节点最佳接收机的结构，并给出在这几种协同策略下m i m o 系统差错率 性能的比较。 然后针对基于译码前传的多中继合作分集模式的功率分配问题，先分析了分布式空时 编码的协同分集方式的功率分配及最优选择中继协同分集方式的平均分配功率，然后为迸 一步优化分配功率方式，提高系统性能，本文对最优选择中继的协同分集方式提出一种改 进的功率分配方法，该算法通过在任何时候最大化系统的瞬时容量来最小化系统的中断概 率，给出了如何在源节点和所选中继节点之间进行功率分配。仿真结果表明，本文提出的 算法性能优于其他两种的分配功率时系统的性能。 在基于以上研究结果的基础上对基于译码前传策略的协同m i m o - o f d m 的最优功率分配 问题提出了一种迭代的功率次优化算法。这种算法将单个子载波上源节点与中继节点之间 的功率分配问题，以及各个子载波之间的功率优化问题分开，从而将一个难解的优化问题转 化为2 个相互关联的简单优化问题，并通过逐次迭代逼近最优解。 关键词：m i m o - o f d m 系统，协同通信，协同m i m o o f d m 系统，功率分配 a b s t r a c t c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yi sa p p l i e di nm i m o o f d ms y s t e m s ( s u c ha st w o t r a n s m i s s i o na n t e n n a a n do n er e c c ：l g t i o na n t e n n as t b c - o f d ms y s t e ma n ds f b c - o f d ms y s t e m s ) i nw h i c hm o b i l e t e r m i n a lh a so n l yo n ea n t e n n a ，a n de f f e c t i v e l yp r o v i d es p a t i a ld i v e r s i t ya n di m p r o v es y s t e m p e r f o r m a n c e p r e d e c e s s o r so ft h es t u d yf o c u s e do nc o l l a b o r a t i v ec o m m u n i c a t i o n a r ed i f f e r e n t , a l t h o u g hi nm a n yw a y st h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mh a sb e e ni m p r o v e d ，b u t t h e r ea r es o m e q u e s t i o n sw h i c he x i s ts u c ha sas i n g l es u b a s s e m b l ys t r a t e g yc a nn o tc o m p a r e t h ed e g r e eo f ， s y s t e mp e r f o r m a n c e ，m u l t i - r e l a ys y s t e m i nt h ep o w e rd i s t r i b u t i o nd u et os u p e r i o rp e r f o r m a n c e i t i ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , t h e n i n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fm i m o ，o f d ma n dm i m o o f d ms y s t e m s ，a n dp r e s e n t st h ec e n t e r c o n t e n t i o no ft h i sp a p e r ，w h i c hi sc o o p e r a t i v em i m o o f d ms y s t e mw h i c hi sf r o ma p p l i c a t i o n c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yi nm i m o o f d ms y s t e m t h e n ，t h ep r o b l e mo fo p t i m u mp o w e r a l l o c a t i o n f o rd e c o d e - a n d - f o r w a r dc o o p e r a t i o np r o t o c o li sd i s c u s s e d ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c e o f u s i n go p t i m u mp o w e ra l l o c a t i o ni sb e t t e rt h a n t h a to fa v e r a g ep o w e ra l l o c a t i o nt h r o u g ht h e c h o o s eo ft h el o c a t i o no fn o d ea n ds y s t e mi n s t a n t a n e o u sc a p a c i t y a n dw ed e s c r i b ec o o p e r a t i v e s t b c o f d ms y s t e ma n dc o o p e r a t i v es f b c - o f d ms y s t e mw h i c hi so n er e l a y i n ga n t e n n a a d d e dr e s p e c t i v e l y , a n dd i s c u s ss o m ec o o p e r a t i v es c h e m e si nt r a n s m i s s i o na n dt h es t r u c t u r eo f o p t i m u mr e c e i v e r s t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c eo fc o o p e r a t i v em i m o - o f d m s y s t e m si sb e t t e rt h a nt h a to fm i m o o f d ms y s t e m s t h e n ，w es t u d yas i m p l ec 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 no r t h o g o n a ls i g n a l i n g t h ec o n c l u s i o ni sp r e s e n ti nt h ee n do f t h i s p a p e r k e y w o r d ：m i m o - o f d ms y s t e m s ，c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n , c o o p e r a t i v em i m o - o f d m s y s t e m s ，p o w e ra l l o c a t i o n l l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 目录 第一章绪论1 1 1 多天线正交频分复用系统概述1 1 1 1o f d m 基本原理1 1 1 2m i m o 系统概述2 1 2 协同分集技术概述2 1 3 协同m i m o - o f d m 系统概述3 1 4 研究现状3 1 5 本文所做的工作和章节安排4 第二章m i m o - o f d m 系统6 2 1m i m o 技术原理6 2 1 1m i m o 基本原理及性能分析6 2 1 2 空间复用技术7 2 1 3 空间分集技术8 2 1 3 1 分集技术基本原理8 2 1 3 2 空时编码9 2 2o f d m 技术基本原理1 0 2 3m i m o - o f d m 系统基本原理1 2 2 4 本章小结1 3 第三章基于简单m i m o - o f d m 系统中的协同分集应用1 4 3 1 两个简单的m i m o - o f d m 系统介绍1 4 3 1 1s t b c - o f d m 系统1 4 3 1 2s f b c - o f d m 系统1 6 3 2 协同s t b c - o f d m 系统1 7 3 2 1 协同s t b c o f d m 系统模型1 7 3 2 1 1o f d m 系统的移动信道特性1 7 3 2 1 2 协同空时发送及协同策略1 8 3 2 2 最佳接收机2 0 i i i 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 3 2 3 仿真结果与分析2 2 ：， 3 3 协同s f b c - o f d m 系统2 4 3 3 1 协同s f b c - o f d m 系统模型2 4 3 3 1 1s f b c - o f d m 系统信道模型2 4 3 3 1 2s f b c - o f d m 发送分集2 5 3 3 1 3 协同空频发送及协同策略2 5 3 3 2 最佳接收机2 8 3 3 3 仿真结果与分析3 0 3 4 本章小结3 1 第四章译码前传协同分集的最佳功率分配3 2 4 1 引言3 2 4 2 多中继协同分集的系统模型3 3 4 3 分布式空时编码的协同分集方式的功率分配3 4 4 3 1 方案规划。3 4 4 3 2 协同同步：3 5 4 3 3 性能仿真3 6 4 4 最优选择中继方式的协同分集的平均分配功率和改进的功率分配3 8 4 4 1 平均分配功率3 8 4 4 2 改进的功率分配3 9 4 4 3 仿真结果与讨论4 1 4 5 基于译码前传的协同m i m o - - o f d m 系统中的最优功率分配4 2 4 5 1 系统模型4 3 4 5 2 次优的联合功率优化4 4 4 5 3 系统仿真及结果验证4 6 4 6 本章小结4 8 第五章总结5 0 致谢5 2 参考文献5 3 i v 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 当今，第三代移动通信( 3 g ) 己经逐渐商业化，对于下一代移动通信系统( b 3 g 和4 g ) 的 研究也已经展开。m i m o 技术能够充分利用无线信道中的多径效应，在不增加系统带宽的情 况下大幅度提高系统容量；正交频分复用( 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 ，o f d m ) 技术则能有效的对抗无线信道中的衰落；将m i m o 与o f d m 技术相结合能提 高系统的容量和性能，这已成为下一代移动通信系统中两大必备的技术。在m i m o - o f d m 系 统( 比如两发一收的s t b c - o f d m 系统，s f b c - o f d m 系统) 中加入协同分集，将能有效地提高 系统的空间分集增益，从而提高系统的性能。 1 1 多天线正交频分复用系统概述 在宽带移动无线通信系统中，存在多径衰落和带宽效率两方面的严重挑战。正交频分 复用技术利用串并变换和正交性将信道分成若干正交的窄带子信道，从时域展宽了o f d m 符号的持续时间，变高速数据信号为并行的低速子数据流；从频域将频率选择性信道变为 平坦衰落信道，减小了多径衰落的影响。多输入多输出( m u l t i - i n p u tm u l t i - o u t p u t ，m i m o ) 技术通过采用多个发射天线和接收天线可以显著提高无线通信系统的信道容量，增强数据 传输的可靠性，能在空间中产生独立的并行信道，同时传输多路数据流，这样就能在不增 加系统带宽的情况下有效的提高系统传输速率，提高频谱效率。 因此，m i m o - o f d m 无线通信系统既有抗频率选择性衰落的能力，又有很大的系统信道 容量，是未来第四代移动通信系统的主要物理层技术。 1 1 1o f d m 基本原理 o f d m 是一种多载波传输技术，通过串并转换把高速串行数据分散到n 个相互正交的子 载波上进行传输，各个子载波的符号速率减为高速数据符号速率的n 分之一，子载波的符 号持续时间可以增大为串行数据符号的n 倍，因而时延扩展与符号周期的比值也降低为原 来的n 分之一。通过在o f d m 符号之间插入持续时间大于信道最大传输延迟时间的循环前 缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) ，就可以有效的消除符号间干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ， i s i ) 。它将o f d m 符号尾部的一部分数据复制之后放到符号的前面，使o f d m 符号在形式上 构成简单的周期性。当c p 的持续时间比信号在信道传输延迟时间更大一些时，符号间干 扰仅仅会干扰o f d m 符号中前面的c p ，从而消除i s l 。o f d m 系统的调制和解调可以分别由 i d f t d f t 来代替。通过n 点i d f t 运算，把频域数据符号变换为时域数据符号，经过射频 载波调制后，发送到无线信道中。其中每一个i d f ，r 输出的数据符号都是由所有子载波信 号经过叠加而生成的，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到。采用 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 i d f t d f t 调制解调的o f d m 系统如图1 - 1 所示。 - 。 图1 - 1o f d m 系统框图 1 1 2mim 0 系统概述 m i m o 系统是在上世纪九十年代中后期，由b e l l 实验室的研究者提出了一种全新的通 信系统结构，在发射端和接收端配置多个天线进行通信。通信系统中利用m i m o 技术能够 获得空间复用增益和空间分集增益。 m i m o 技术和o f d m 技术相结合是无线通信领域智能天线技术的重大突破。m i m o 技术能 在不增加宽带的情况下成倍地增加通信系统的容量和频谱利用率：而o f d m 技术被普遍认为 是新一代无线通信系统必须采用的关键技术。m i m o - - o f d m 技术可以为系统提供空间复用增 益，从而大大增加信道容量。m i m o 技术的空间复用就是在接收节点和发射节点使用多个天 线，充分利用空间传播的多径分量，在同一频带上使用多个数据通道发射信号，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占用额外的带宽，也不消耗额 外的发射功率，因此是增加信道和系统容量的一种非常有效的手段。 1 2 协同分集技术概述 对抗无线信道中的衰落的另一种方法是分集。时间分集、频率分集和空间分集被广泛 应用于蜂窝移动通信系统。近年来，空间分集成为当今研究的热点。在发射节点或接收节 点不能提供多天线的情况下，协同分集能很有效地提供空间分集，甚至在节点具有多天线 的情况下，运用协同分集也能提供一定的空间分集增益。 图1 - 2 给出了一个简单的包含两个用户( 信源) 和一个目的节点的协同通信系统。在 此系统中，每个用户既作为独立用户发送自己的信息，又作为中继节点发送另一个用户的 信息。如果一个用户与节点间具有较差的信道质量，信息也可能通过另一个用户成功发送 到节点。实际系统中，移动台不能在同一频率上同时接收和发送信号，因此信号必须在时 间或者频率上保持正交性。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 h i 2 j | t + j 1 2 - 匝亘匦亚委至固 匝夏匦卫雯巫固 一 t 厂 i 目的i i 端 i i 一 图1 - 2 协同通信原理图 1 3 协同m i m o - o f d m 系统概述 m i m o 系统在分集传播中的优势已经广为人知。但是由于其具有一定的局限性，在实际 的蜂窝通信中的应用还很有限。无论是从移动台的大小、造价或是硬件限制等方面考虑 都无法支持多天线。在这种情况下，近些年来有研究学者提出了一种新的空间分集的方法 一协同分集。在这种分集方式下，每个用户都拥有一个“伙伴 。在通信的过程中，一 个用户在传送自己数据的同时帮助“伙伴 进行通信。通过这种方式每个终端不仅利用 了自己的空间信道，还借用了“伙伴”的空间信道。利用“伙伴的天线实现了虚拟 的m i m o 。这种新颖的技术得到的广泛的关注，因为其不仅在现行的蜂窝通信中有着广泛的 应用，而且在无线a d h o c 系统中也有良好的前景。正是由于协同分集“虚拟m i m o 的 特点，参与协同方案的用户的数量是不确定的，某一时刻和哪个用户进行协同也是不可 知的。如何在众多中继中选择合适的节点以求给系统带来更大的增益成为了协同分集中的 一个主要的研究方向。 1 4 研究现状 针对协作通信，有大量文献做了相关研究工作，文献 1 按照信号处理方式将分布式 m i m o 系统中协作分集技术分为放大前传模式、译码前传模式、编码协同模式，并基于两个 协作用户分析了不同分集方案的性能。考虑中断事件，以中断概率为性能指标，文献 2 基于不同协作策略研究了多个节点协作分集的抗衰落性能，结果表明在没有天线阵的情况 下，多个分布的节点( 天线) 可以通过协作实现空间分集。文献 3 针对两个协作用户的情 况，以误码率、误帧率为性能指标研究了编码协同的好处。这种情况下运用协同分集可有 效地获得空间分集增益；而且，即使终端具备多天线，加入协同分集也能进一步获得空间 分集。 协同通信基本思想是用户间可以共享彼此的天线，以构建一个虚拟的m i m o 系统，这 气 堕室堂皇奎兰婴主型壅生堂垡笙奎釜二兰堕鲨 样可以使得多用户单输入单输出( s i s o ) 系统获得m i m o 系统的好处。利用协同分集可以改 善信道质量，提高信道容量，降低网络系统能耗。显然，协作通信可以有效提高系统性能。 文献 4 考虑编码协同，研究了中继选择问题，文中提出的方法要求接收端已知接收信号 的信噪比，适应于蜂窝系统等有中心的无线通信系统，结果表明，与中继随机选择的方法 相比，文中提出的方法可以获得更高的分集增益。为获得协作分集的好处，文献 5 提出 了机会中继方案，根据瞬时信道信息进行中继选择，按照某种准则选择链路质量较好的节 点作为中继，结果表明，以中断概率为性能指标，文中提出的方案与文 6 研究的基于多 个中继节点的多布式空时码( s p a c e - t i m ec o d e ，s t c ) 协作方案有相同的分集度，同时机 会中继方案易于实现，可应用于未来的无线通信系统。 前人对协同通信的研究的侧重点各有不同，但是各种方法都有各自的优缺点，优点是 使系统在多方面的性能得到了改善，但是存在使用单一分集策略无法比较系统性能提升程 度，多中继系统中的功率分配性能欠优等问题。 1 5 本文所做的工作和章节安排 本文在了解m i m o - o f d m 系统原理和协同分集的基础上，对虚拟m i m o 中的协同分集策 略：放大前传，译码前传，编码协同等所涵盖的各种基本方法进行仿真实现，研究这几种 协同策略下目的节点最佳接收机的结构，并给出在这几种协同策略下m i m o 系统差错率性 能的比较。 在此基础上基于译码前传策略，根据节点的位置尝试给出协作节点的选择准则并研究 相应的最佳功率分配策略，用来提高系统容量。 具体工作为研究了协同分集在m i m o - o f d m 系统中的应用，分别在空时块码一正交频分 复用( s t b c o f d m ) 系统和空频块码一正交频分复用( s f b c o f d m ) 系统中加入一根中继节 点天线进行协同。仿真表明，具有协同的系统较之未协同的系统有明显的误码率性能改善。 然后深入研究了译码前传策略下的协同分集在多中继节点下的最佳功率分配。最后尝试初 步实现了基于译码前传策略的协同m i m o - o f d m 的最优功率分配问题，并提出一种次优算法， 从而将一个难解的优化问题转化为2 个相互关联的简单优化问题，并通过逐次迭代逼近最 优解。 本文的章节安排如下： 第一章简要介绍无线移动通信发展的历史、现状和前景，以及新一代通信系统的核心 技术。着重介绍课题的来源与研究意义，以及作者完成的工作和所取得的主要成果。 第二章首先分别介绍了m i m o 技术的基本概念及原理，o f d m 技术的基本原理及其优缺 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 点，然后介绍了m i m o - o f d m 系统的系统框图及其结合原理，为下文给出的协同m i m o - o f d m 系统打下基础。 第三章是先简单介绍了两发一收的s t b c o f d m 系统和s f b c o f d m 系统，然后分别在两 个系统中加入一根中继节点天线，构成了协同s t b c o f d m 系统和协同s f b c o f d m 系统。分 别尝试实现了这两种协同系统对虚拟m i m o 中的协同分集策略：放大前传，译码前传，编 码协同等所涵盖的各种基本方法进行仿真实现，研究这几种协同策略下目的节点最佳接收 机的结构，并给出在这几种协同策略下m i m o 系统差错率性能的比较。 第四章深入研究了译码前传策略协同分集的最佳功率分配问题。首先给出这种协同的 系统模型，然后具体分析以最小化系统中断概率为目标的基于译码前传的多中继合作分集 模式的功率分配问题。先分析了分布式空时编码的协作方式的功率，然后对最优选择中继 的功率分配提出一种新的改进算法。仿真表明，最优选择中继合作方式的系统中继概率一 致小于分布式空时编码合作方式，而改进的功率分配的最优选择中继合作方式又一致小于 平均功率的最优选择中继合作方式，证明了提出的改进算法的有效性。最后，尝试初步实 现了基于译码前传策略的协同m i m o - o f d m 的最优功率分配问题，由于目前的数学方法不能 提供其通解的闭合表达式，因此提出了采用迭代过程实现最优功率分配的方法，尝试以传 输容量为出发点，希望能够在给定的总功率约束条件下，在基站与中继站之间以及系统的 各个子载波之间合理地分配能量资源，使系统达到最大的传输容量。 第五章是全文的总结，阐述了全文所做的工作，展望了协同m i m o - o f d m 系统的发展 前景和待解决的问题。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o o f d m 系统 第二章m i m 0 - 0 f d m 系统 新一代移动通信( b e y o n d3 g 4 g ) 将可以提供的数据传输速率高达1 0 0 m b i t s ，甚至 更高，支持的业务从语音到多媒体业务，包括实时的流媒体业务。数据传输速率可以根据 这些业务所需的速率不同动态调整，新一代移动通信的另一特点应该是低成本。在有限的 频谱资源上实现高速率和大容量，需要频谱效率极高的技术。m i m 0 技术可充分开发空间资 源，利用多个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以 提高系统容量。0 f d m 技术是多载波传输的一种，其多载波之间相互正交，可以高效地利用 频谱资源，另外，0 f d m 将总带宽分割为若干个窄带子载波可以有效地抵抗频率选择性衰落， 因此充分开发这两种技术的潜力，将二者结合起来可以成为新一代移动通信核心技术的解 决方案，下面详细介绍这两种技术及其二者的结合方案。 2 1m i m o 技术原理 2 1 1m l m 0 基本原理及性能分析 本节主要介绍m m 0 系统的模型和主要技术特点。考虑具有坼根发射天线和虬根接 收天线的点对点m i m o 通信系统模型。每个传输符号由一个坼x1 的列向量x 表示，其元 素x i 表示从天线f 发出的信号。每个接收信号由一个虬x l 的列向量y 表示，其元素y ，表 示从天线，上接收到的信号。对于平坦衰落信道，定义从天线z 到天缅的信道响应为j j l ， 如图2 1 所示。据此可以写出如下信号模型： y = h x + z ( 2 1 ) 信 发射天 线m 多天线调 制模块 接受天 线n 多天线解 调模块 图2 1m i m 0 传输示意图 号输出 其中z 表示接收天线上的噪声，元素刁表示射根天线上的噪声。信道h 经过归一化，以保证 每根接收天线上接收到的信号的功率都等于发送节点天线的总功率。m i m o 系统的诱人之 6 塑壅堂皇奎堂堡主堑壅竺堂垡丝奎墨三兰坚! 丝旦：竺2 坚奎竺 处在于它具有l 七s i s o 系统大得多的信道容量。业已证明，当z 为高斯分布的白噪声时，( 2 1 ) 所描述的通信系统的信道容量为 。 c 圳d e t ( i + 警q ) 汜2 ) 其中w 为传输带宽，s n r 是r 根发射天线总功率与每根接收天线上噪声方差的比值，即 信噪比，q 的定义为 q = h i - m 值 , 巩n r r n r ( 2 3 ) ( ) h 表示某数的共轭转置。 如果我们固定虬，令坼逐渐增大，则有 c l 0 9 2 ( 1 + s n r ) ( 2 4 ) 由( 2 3 ) 可见，m i m o 系统的信道容量基本上是随m i n ( r ，) 线性增长，而s i s o 系统则 没有这个优势。采用合理信号处理技术充分利用m i m o 系统的这一特点可以给通信系统带 来前所未有的容量性能。m i m o 系统中天然的发送分集和接收分集可以很好地减轻信道衰 落对链路的损伤，提高链路的质量。当接收节点采用相关合并时，多天线提供的阵列增益可 以有效增加信噪比，从而保证了良好的检测能力。接下来具体介绍m i m o 系统中的两种技 术，即空间复用技术和空间分集技术。 2 1 2 空间复用技术 空间复用的原理就是在接收节点和发送节点使用多个天线，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) 发送信号，从而使得容量随着天 线的数量而线性增加。这种在信道容量的增加不需要额外的带宽，也不需要消耗额外的发 送功率，因此，空间复用是提高信道和系统容量的一种非常有效的手段。空间复用的实现 如图2 - 2 所示。将需要传送的信号经过串并转换，转换成多路平行的信号流，并且在同一 频带上使用各自不同的天线同时传送，由于多径传播每一个发送天线针对接收节点产生一 个不同的空间信号，接收节点利来用空间信号的不同区分各自的数据流。实现空间复用必 须要求发送和接收天线元之间的间距大于相关距离( 不小于半个波长) ，即要求收发节点各 个子信道之间衰落不相关。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o o f d m 系统 信 发射天 线m 串并转换 ( 向量编 码) 接受天 线n 信号处 理：信道 估计和解 码 号输出 图2 - 2 空间复用示意图 实现空间复用的接收节点解码算法有：迫零算法( z e r of o r c i n ga l g o r i t h m ，z f ) 、最小均 方误差算法( l e a s tm e a ns q u a r ee r r o ra l g o r i t h m ，l m s ) 、最大似然算法( m a x i m u m l i k e l i h o o da l g o r i t h m ，m l ) 、判决反馈解码( d e c i s i o nf e e d b a c kd e c o d i n g ，d f d ) 、盲译 码算法、v - b l a s t 算法。v - b l a s t 算法实现复杂度较小，而且具有较高的性能。 2 1 3 空间分集技术 2 1 3 1 分集技术基本原理 采用分集技术是对抗无线信号衰落的有效手段。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 ti 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 nd i v e r s i t y c 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。 下面重点研究空间分集及其相关技术。 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。 发送分集可以将分集的负担从手机节点转移到基站节点。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 h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) 。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。空时码在将数据分成n 个数据 子流在n 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。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o - o f d m 系统 基于发送分集的空时码可以分为空时格码( s p a c e t i m et r e l l i sc o d e ，s t t c ) 和空 时瑛码( s p a c e t i m eb l o c kc o d e ，s t b c ) 。下面我们将分别介绍空时格码n h 町和空时块码 1 0 - 1 2 o 2 1 3 2 空时编码 1 ) 空时格码 空时格码于1 9 9 8 年由t a r o k h 提出啪，由格状编码调制( t r e l l i sc o d e d m o d u l a t i o n ，t c m ) n 小口6 3 实现根据衰落信道下的空时码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 编码 二 解调 一v ；劬i 解码l 器 三 图2 - 3 空时格栅编码 2 ) 空时块码 空时格码是在空时延时的基础上提出的，有较好的性能，但其译码复杂度与传输速率 成指数关系，实现难度较大。s m a l a m o u f i 在文献 1 6 3 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，这可以认为是空时块码的原始模型。在这个基础 上t a r o k h 提出了空时块码，利用正交设计理论的空时块码性能稍逊于空时格码n 力吐埔1 ，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。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o o f d m 系统 咖 羔- x 2 空时块码编码器 之g 解 调 器 信号 图2 - 4 空时块码示意图 空时分组码的译码也可像分层空时码一样采用联合检测译码，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 2 o f d m 技术基本原理 0 f d m 的基本原理和普通的频分复用类似，就是把既有的系统带宽分成一些子信道 ( s u b - c h a n n e l s u b - c a r r i e r ，s c ) 。当各子信道所占带宽足够窄时，他们将分别经历平坦衰 落，从而大大简化接收机的设计。0 f d m 把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相 对较低的若干并行的子信道中进行传输。其中每个子信道中的符号周期相对增加，因此可 以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响。并且可以通过 o f d m 符号之间插入保护间隔，最大限度地消除多径带来的符号间干扰。 o f d m 备受关注的重要原因之就是它可以利用离散傅里叶反变换离散傅里叶变换 ( i d f t d f t ) 代替多载波调制和解调。假定0 f d m 系统带宽为w ，载波为n ，循环前缀为咒，记 第1 符号周期的传输数据为k ，五，矗刈，则0 f d m 基带等效信号可表示为： n - i s ( t ) = 墨，t o 一，d ( 2 5 ) k = o 其中，t = n w + 乙，哦( f ) 是频率为k w n 的载波波形函数 州泸降嚣印卅 亿6 ， 且呶o ) = 呶( t + n w ) ，f 0 ，乙 ，那么，发射端的基带连续复信号便可表示成 产i s ( f ) = 蜀( f ) = 置，( t - t d ( 2 7 ) ，= ，鼙七= o 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二草 m i m o o f d m 糸统 令信号通过一个多径衰落信道，其等效低通冲激响应为矗( f ) ，f o ，乙 ，则接受到的9 f d m 基带信号可以表达为 ，( f ) = ( j j l 圆s ) ( f ) = pj j l ( f ) s ( 卜f 矽f + 胛( f ) ( 2 8 ) 其中，n ( t ) 为加性高斯白噪声( a w g n ) 。 由于o f d m 系统引入了循环前缀，并假定其长度乙大于信道的最大时延扩展，因此符号 间干扰i s i 可以完全消除，为了表达式简单，时间下标1 可以省去。假- 设o f d m 接收机的第k 个匹配滤波器为甲，( t ) 喇= p 一躺卜明 汜9 ) 则在系统保持严格同步的前提下，第k 个匹配滤波器的采样输出为 y k = ( ，。甲。) ( f ) i f = r = ，( f ) 甲。( t - t ) d t ：e ( r 办( f ) 薹t 一。一f ) 卜卜沁) 讲+ e 疗( 丁一r 户沁) 出心1 0 ) 经化简： y k = 荟n - i t h k q ( f ) ：( f 矽+ m ( 2 1 1 ) 式中吼= h ( 后焉) = r i ( f 七黼个载波信道的频率喊 m = 刀( 丁_ f 户：( f ) 班为a w g n 。 由于。( t ) 具有正交性，即 。( f 户：( f ) 出= 万( 后“) ( 2 1 2 ) 式( 2 1 1 ) 可以进一步化简为 砭= 吼置+ 以 ( 2 1 3 ) 由公式( 2 5 ) ( 2 6 ) 可知，o f d m 的基带等效信号可以用i d f t 来定义，在实际中可以 用更有效地i f f t 来实现。可以认为数据的编码映射在频域进行，经过i f f t 变换转换为时域 信号发送出去，接收端通过f f t 变换再恢复出原始的频域信号。见图2 - 5 给出t o f d m 系统的 原理方框图。 不妨假设信道冲激响应慢变化，即信道在一个o f d m 符号周期内恒定不变，但从一个符 号周期到另一个符号周期，信道是变化的。考虑第i 个o f d m 符号周期，若记发射端的传输 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 m i m o o f d m 系统 信号为x 1 向a x ( o = i x 。，x ，) ( 】r 接收端得到的信号为y ( i ) = 【y o ，x ， i n 一， r ，则 y ( i ) = f r 甲h o t q , f 叫x ( f ) + q f 。1 x ( f 一1 ) + f r c p v ( i ) ( 2 1 4 ) 其中，f ，f 一1 分别为d f t