（通信与信息系统专业论文）mimo移动通信系统空时编码技术研究.pdf

b 立銮适左堂亟堂焦i 金塞 生塞垣墓 中文摘要 摘要：多输入多输出( m i m o ) 技术是移动通信领域的重大突破，该技术在不增加 带宽的情况下大幅度的提高系统容量和频带利用率，从而成为下一代移动通信的 关键技术。空时编码( s t c ) 是一种抗信道衰落和提高系统容量的用于多发射天线 的编码技术。空时编码技术可分为两类：空间复用技术，以垂直分层空时编码 ( v - b l a s t ) 为典型代表方案；空时分集技术，以空时分组码( s t b c ) 为典型代 表方案。 本文研究这两个方案，通过大量仿真及理论结果的分析比较对系统性能做有 效评估，所做主要工作和创新点为： 1 研究基于线性迫零检测算法的v b l a s t 系统，在独立瑞利衰落信道误码 率闭式解的基础上考虑空域相关信道，进一步推导相关信道下系统误码率 的闭式解并用蒙特卡罗方法( m o n t ec a r l o ) 仿真验证，分析相关信道对系 统误码性能和容量的影响。 2 回顾常用的v b l a s t 检测算法，包括线性迫零检测，最小均方误差检测、 顺次串行联合干扰抵消检测和优化顺序串行联合干扰抵消检测等。对这些 算法做仿真，根据仿真结果分析收发天线数和检测算法对系统误码性能和 算法复杂度的影响。 3 研究s t b c 在不同收发天线数下基于复信号星座图的五种编码方案，推导 独立瑞利衰落信道下的误码率闭式解并用m o n t ec a r l o 仿真验证，分析比 较这几种编码方式的误码性能及算法复杂度，作为对这几种方案认识和评 价的依据。 4 多载波码分多址( m c c d m a ) 技术采用频域分集且具有良好的性能，本 文将三种基于实信号星座图的s t b c 编码技术与m c c d m a 技术相结合构 成s t b cm c c d m a 系统，给出发射机和接收机的结构框图，推导多用户 条件下三个系统的误码率闭式解并用m o n t ec a r l o 仿真验证，分析收发天 线数、子载波数以及用户数对系统误码性能和容量的影响。仿真结果表明， 该系统能够获得空、时、频域分集，显著提高系统的性能、容量和频谱效 率。 关键词：多输入多输出；空时编码；相关信道； v - b l a s t ；s t b c ；m c c d m a 分类号：t n 9 2 9 5 3 3 j e 塞銮道左堂亟堂焦j 金塞旦墨! b ! a b s t r a c t a b s t l t a c t m u h i p l eh p u tm u l t i p l e0 u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g yi s ag r e a t b r e a j n j l i d u g hi nm o b i 】ec o m m i m j c a t j o n s ，w h j c hc 粕g r e a n yi n c r e a s e t l e s y s t e m c a p a c 时a n ds p e c t n l i 工le m c i e n c y 、 ，i t l l o u to c c u p y i n ga i l ym o r eb a n d w i d t l l ni sm ek e y t c c h n o l o g yi nn e x tg e n e r a t i o no f m em o b i l ec 0 i 姗u n i c a t i o n s s p a c e n m ec o d i r 坞( s t c ) t e c h n o l o g yi san e wc o d i n gt c c l l i l i q u ew h i c hc a i lc o m b a tw i t hc h a i l n e la n e n 岫t i o i l ， o b t a i nd i v e r s i t yg a i na g a i 璐t 锄i n ga n de n h a n c em ec a p a d t y m i m oc o m b i n e d 晰m s t ci st t l en c wd e v e l o d m e i l to fc o m m u i l i c a t i o n s s t cc a nb ed i v i d e di n t ot w ok i n d s ： s p a t i a lm i l l t i p l e x i n gt e c l l n o l o g ) ，r e p r c s c n t e db yv e n i c a lb e l l1 a b o r a t o r yl a y e r e ds p a c e t i m e ( v - b l a s t ) ；t 啪s m i td i v e r s i t yt c c h n o l o g yr e p f e s e n t e db ys p a c et i m eb l o c kc o d i n g ( s t b c ) t h i sp a p e rs t u d yo nt h ea _ b o v e 伯，0s c h e m e s ，e v a l u a t es y s t c mp e r f 0 锄a i l c eb y s i m u l a t i o na n d 血e o r e t i c a ir e s u l t s t h em a i nc o m e ma n di n n o v a t i o ni n c l u d e ： 1 v b l a s ts y s t e m sw j t l lz e r o f o r c i n g ( z f ) r e c e i v e ri s 蚰j d i e d o nt h eb a s i so f c l o s e d f o n ns 0 1 l n i o n sf b rs y m b o le h 讲r a t e ( s e r ) o fi n d e p e n d e n c er a y l e i g h 尉i n gc h a n n e l ，t h ec l o s e d f b r i ns o l u t i o n sf o rs e ro fc o r r e l a t e dc h 锄e 1i s d e r i v e da 1 1 dv e r i 丘e db ym o n t ec a d os i m u l a t i o n s t h ei m p a c to fs p a t i a lf a d i n g c o r r e l a t i o n0 nt h es y s t e mp e r f b 瑚a 1 1 c ea i l dc a p 幻i l i t yi sa i l a l y z e d 2 r e v i e wm ed e t e c t i o na l g o m h m so fv b l a s t w h i c hi n c l u d e sz f m i n i m 啪 m e a i ls q u a r ee n d ra n ds u c c e s s i v ei n t e 疵r e n c ec a i l c e l l a t i o n s i m u l a t ea i l d 删y z e山ei m p a c to fa 1 1 t e 眦n 啪b e f s柚da l g 鲥t 1 1 mo n t 1 1 e s y s t e m p e r f o r m a n c ea 芏l dc o m p l e x i t y 3 f i v ec o d i n gs c h e m e so fs t b cb a s e do nc o m p l e xs i g n a lc o n s t e l l a t i o ni s 咖d i e d 1 1 1 ec l o s e d 响n ns o l u t i o i l sf o rs e ro fi n d e p e n d e n c er a y l e i g hf a d i n gc h a 衄e li s d e r i v e da i l dv e r i f i e db ym o m ec a r l os i m u l a t i o n s ，a n a l y z e dm ce 丌o r p e r f o n i l a n c e 肌da i g o r i t l l l nc o m p l e x i 魄l a yat l l e o r c t i c a l f o u i l d a t i o nf o r e v a l u a t i i 培t h o s es c h e m e s 4 m u l t i c a r r i e f c d m a ( m c c d m a ) h 嬲船q u e n c yd i v e r s i t y a i l d g o o d p e r f b 衄a n c e c 0 m b i n e dt l 圮s t b cb a s e d 伽r e a ls i 印a lc o n s t e l l a t i o nw 曲 m c c d m at e c t l i l o l o g y ，p r o p o s e dt h en 卸1 s ：m i t t e r 卸dr e c e i v e rs 协】c t u r e ， d e r i v e dt i l ec l o s e d f o 咖s o l 砸o n sf o rs e ra i l dv c r i f i e db ym o n t ec a l l o s i m u l a t i o i l s ，锄l 弘豫t h ei m p a c to fa i i t e 衄a ，s u b c a r r i e ra 1 1 du s e rn 啪b e ro nt h e j e 塞銮垣厶堂砸堂僮监塞旦! b ! s y s t e mp e 响m 锄c e 觚dc 印a b i l 虹1 1 1 e r e s u l t ss h o wt l l a tm es t b c m c c d m as y s t e mg c ts p a c e ，t i m ea n dn e q u e n c yg a i na n dd 舢a t i c a l l y i m p r o v e t l l es y s t 锄p e r f b r i i l a i l c e ，c a p a c 时卸ds p e c 胁e m c i e n c y k e y w o r d s ：m i m o ；s t c ；c o r r e l a t e dc h a n n e l ；v - b l a s ts t b c ；m c c d m a c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 3 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：识回琴 签字同期：如0 1 年肛月硝日 导师毖哥勿 签字日期：佃1 年2 月千日 j 夏窑垣鑫堂亟堂焦监塞独创焦童明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：们穹学 签字同期：一1年，蝴中日 5 7 致谢 本论文的工作是在我的导师杨维教授的悉心指导下完成的，杨维教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来杨维 老师对我的关心和指导。 冯锡生教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向冯锡生老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，乔喜梅、李滢、牛丽、刘彬和王彬等同学对 我论文中的多输入多输出系统的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的 感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 1 1 移动通信的发展概况 过去二十年无线通信系统的飞速发展极大的提高了人们的工作效率和生活质 量，而人们对无线通信服务要求的增长将推动未来无线通信技术的发展。到目前 为止，移动通信系统的发展大致分为三个阶段【i 】，即通常所说的第一代、第二代、 第三代移动通信系统。 第一代移动通信技术始于2 0 世纪7 0 年代，主要的代表系统有美国的先进移动 电话业务( a m p s ) ，英国全接入通信系统( t a c s ) ，北欧的移动电话( n m t ) 等。 第一代移动通信系统基于模拟技术，存在频率利用率低、系统容量小等问题。 2 0 世纪9 0 年代中期，以欧洲的全球移动通信系统( g s m ) 和美国的c d m a o n e ( i s 9 5 ) 为代表的第二代无线通信系统， ( t d m a ) 与码分多址( c d m a ) 技术， 容量。 采用数字调制技术，分别使用时分多址 显著改善了通话质量，极大增加了系统 2 0 世纪9 0 年代后期，国际电信联盟( i t u ) 于提出了国际移动通信2 0 0 0 ( i m t 2 0 0 0 ) 系统，也即3 g 无线通信系统。在3 g 的标准里，c d m a 2 0 0 0 面临的 竞争对手则是宽带码分多址( w c d m a ) 和时分同步码分多址( t d s c d m a ) 。在 这场较量中，c d m a 2 0 0 0 似乎取得了更令人瞩目的成绩，到目前为止，c d m a 2 0 0 0 是商用最为成功的3 g 标准。中国的t d s c d m a 标准在频率利用方面优势非常明 显，与w c d m a 标准在频率利用方面有很好的互补性，已被第三代合作伙伴计划 ( 3 g p p ) 接纳并进行了融合。表l 对比了2 g 和3 g 的主要传输标准。 3 g 的竞争和商用就像一场漫长的马拉松，其最终的商用化是必然的。在无线 通信技术的研究方面，为了寻找性价比更好的网络来承载话音及其增值业务的持 续增长，人们已将目光投向了后三代( b 3 g ) 无线通信系统，也称为第四代( 4 g ) 或n e x t g 无线通信系统。b 3 g 是i t u 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，它是面向3 g 进一步增强的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。近两年来，随着3 g 逐步开始商用化，各国 对b 3 g 的研究越来越开始进入实质研究阶段。除了围绕着业务、市场和频谱以外， 对b 3 g 的技术研究也开始越来越多，越来越具体。欧洲、日本和韩国都有相应的 政府研究计划，如欧洲的w i n n e r 计划等。b 3 g 移动通信系统具有以下一些特点： j e 峦窑堕厶堂亟堂焦监塞l 亩 以移动数据为主；最高传输速率比现在高一个数量级以上：发射功率比现在更低， 能解决电磁干扰问题；支持更丰富的移动义务，包括高清晰度的图像业务、会议 电视等，使用户在任何地点都可以获得任何所需的信息服务。 尽管第四代无线通信系统规范还没有统一，但为了实现如此高速率、高质量 的数掘传输需要更新更先进的技术。正交频分复用( 0 f d m ) 技术因其网络结构高 度可扩展，且具有良好的抗噪性能和抗多径信道干扰的能力及频谱利用率高而被 认为是下一代无线移动通信系统必不可少的技术。将0 f d m 与c d m a 相结合的多载 波c d m a 系统可能成为b 3 g 的核心技术之一。 同时，采用单发单收的系统不能满足系统容量的提高，必须寻找提高频谱利 用率的解决方案。对于采用多输入多输出( m i m o ) 技术【2 】的系统，在理想情况下， 信道容量将随着发射天线数线性的增加，从而提供了目前其他技术无法达到的容 量潜力。其次由于m i m o 技术本质上是空间分集和时间分集的结合，从而有很好的 误码性能。m i m o 技术普遍被认为是b 3 g 采用的关键技术之一。 表l2 g 和3 g 的主要传输标准 t a b l e lm a i nt r a n s m i s s i o ns t a n d a r do f 2 ga n d3 g g e n e r a t i o n2 g2 g3 g3 g3 g 传输标准 g s mc d m a o n ec d m a 2 0 0 0w c d m at d s c d m a 调制方式 t d m a f d m ad s c d m am c c d m ad s c d m at d m a f d m a 核心交换 g s ma n s l - 4 la n s i 4 1g s m m a pa n s l 一4 1 传输频宽 2 0 0 k h z1 2 5 m h z5 m h z5 m h z5 m h z 最人数据 传输速率 9 6 k b d s 1 4 4 k b p s2 m k b p s 2 m k b p s 2 m k b p s 1 2m i m o 技术研究现状 在移动通信的迅猛发展过程中许多新的技术被研究和应用，其中主要有：新 的编解码技术、r a k e 分集接收技术、功率控制技术、自适应调制技术、多用户检 测和多天线技术等等，其中多天线技术由于具有抑制干扰、抗衰落、覆盖范围及 系统容量大等优点受到了越来越多的关注。 m i m o 系统即发送端和接收端采用多天线的系统，起源于天线分集与智能天线 技术，它是多入单出( m i s o ) 和单入多出( s i m o ) 的结合，具有两者的特性。 m i m o 系统在发端与收端均采用多天线单元，运用先进的无线传输与信号处理技 术，利用无线信道的多径传播，建立空间并行传输通道，在不增加带宽与发射功 j e 立变道太堂亟堂焦i 金塞i 直 率的情况下，成倍提高无线通信的质量与数据速率，首次突破s h a n n o n 容量壁垒， 是现代通信领域的重要技术突破。 目静，m i m o 技术是研究的热点，在理论、性能和算法等各方面都取得了众多 的进展。如在m i m o 信道容量方面，f o s c h i n i 和t c l a t a r 分别给出了已知信道状态单 用户的信道容量1 3 j ，m a r z e t t a _ 币d h o e h w a l d 在文献f 4 】中研究了连续衰落模型下的信道 容量，文献【5 j 研究了相关信道下m i m o 系统的信道容量。在m i m o 系统的信道模型 方面，最初都假设每对天线之日j 的信道是相互独立的复高斯信道，在散射非常丰 富的条件下，这个模型与实际信道接近。但也有许多环境下的信道模型与理想信 道之间有较大差异，如在室内环境中，每对天线之白j 的信道衰落会存在相关性【6 】。 m i m o 技术利用了无线信道多径传播的固有特性；在无线通信中，如果在发送 端和接收端同时采用多天线系统，只要各天线单元间距足够大，无线信道散射传 播的多径足够丰富，各对首发天线单元问的多径衰落就趋于独立，即各对有效的 发收天线间的无线传输信道趋于独立。进一步，这些同频率、同时间、同信道特 征码的子信道趋于相互j 下交。发射数据流被分离为若干路子数据流，在调制与射 频前端处理后以相同的频率从不同路径到达接收机，再由若干路接收天线接收。 接收机采用先进的信号处理技术对各接收信号联合处理，可恢复出原始数据流。 m i m o 系统中的多天线能够同时提供分集增益与复用增益【7 】，空时编码( s t c ) 嶂j 技术是抗信道衰落和提高系统容量的一种最新的编码方法，多输入多输出技术和 空时编码技术相结合是新的通信技术发展方向。现有的空时编码技术可以分为两 大类：空间分集技术和空间复用技术。 第一类是空间分集技术，可以对抗信道衰落，提高无线链路的可靠性，并且 联合应用多维天线分集与时间分集，获得更好的分集效果，即通过空时编码而增 加传输的空时冗余信息，提高无线传输的稳健性。现有的空间分集技术主要有两 种形式：空时网格码( s t t c ) 和空时分组码( s t b c ) 。s t t c 由v t a r o k h 提出i 州， s t t c 通过传输分集与信道编码结合来提高系统的抗衰落性能，在不牺牲系统带宽 的条件下，能使系统同时获得与最大合并比接收相同的分集增益和编码增益，性 能优良。但其译码采用维特比解码算法，复杂度与发送天线数和传输速率成指数 关系，实现难度大。空时编码的盛行实际是从s t b c 的发现开始的i l 叫，其发射信 号两两萨交，收端可采用线性最大似然检测且译码过程非常简单。 第二类是空间复用技术，无线信道的多径传播增加了m i m o 系统可用的自由 度，若各对收发天线路径的衰落独立，则空间矩阵信道创立了多个并行的空间传 输通道，利用并行通道传输独立的信息流，从而提高系统的数据速率。其中最典 型的代表是贝尔实验室的学者f o s c h i n i 提出的垂直分层空时结构( v b l a s t ) ， 是利用多发射和多接收天线提高系统容量的典范】。v b l a s t 系统将高速信源数 e 立銮道厶堂亟堂鱼监塞 i l 宣 据流按照发送天线数目串并变换为若干数据流，独立地进行调制和映射到相应的 发送天线上，接收端接收机按照一定的译码算法将多路子数据流分离。分层空时 结构中，各天线发送不同的信息流从而没有发射分集，但传输速率高且复杂度较 低。 1 3本文的研究工作及组织结构 本文基于北京交通大学现代通信研究所国家自然基金项目“空域复用m i m o m c c d m a 方案信号处理技术研究”，研究v b l a s t 和s t b c 技术及其与 m c c d m a 技术的结合，以性能分析为目的。 本文的主要工作和创新有以下几点： 研究v b l a s t 系统的结构，首先对采用线性迫零接收的系统，在独立同分布 瑞利衰落信道误码率闭式解的基础上进一步推导空域相关信道下的误码率闭式 解，做m o n t ec a r l o 仿真验证其有效性，分析信道相关性对系统误码性能和容量的 影响。接着回顾常用的检测算法，如最小均方误差检测( m m s e ) 、干扰抵消检 测( s i c ) 等，对这些算法做全面的仿真，分析比较系统误码率及算法复杂度。 研究s t b c 编码系统在不同发射天线数下的编码方案，推导其基于复信号星座 图的编码方案误码率的闭式解并进行仿真验证。将基于采用实信号的s t b c 编码与 m cc d m a 系统结合起来，建立s t b cm c c d m a 系统模型，提出发射机与接收机 的结构框图，推导系统误码率的闭式解并进行仿真验证，据此分析收发天线数目、 子载波数目及用户数对系统性能的影响。 全文共有五章，下面章节的结构安排如下： 第二章系统的介绍了m i m o 的信道模型和系统容量，分层空时编码系统和空 时分组码系统的结构与原理，最后介绍m c c d m a 的发送接收结构及原理作为后 文的工作的基础。 第三章研究v - b l a s t 系统，主要做三方面的工作：针对z f 检测接收，在独 立瑞利衰落信道和空域相关信道下推导系统误码性能的闭式解并做仿真验证；针 对m m s e 及s i c 检测算法，做全面仿真分析比较不同的检测方案。 第四章研究s t b c 系统，主要做两方面的工作：对基于复信号星座图的编码 方案推导不同发射天线的系统误码性能，做仿真验证和性能分析；将基于实信号 星座图的编码方案与m c ，c d m a 系统结合起来，建立s t b cm c - c d m a 的系统， 提出发射机和接收机的结构，推导系统误码率闭式解并做相应的仿真验证，分析 不同收发天线数目、子载波数及用户数下的系统性能。 最后，第五章总结全篇论文的工作并对对以后的工作进行了展望。 4 j e 瘟銮堂叁堂亟堂焦论窒 多丞线丛墨戴速道值篷苤 2 多天线及多载波通信技术 m i m o 系统由于采用天线分集，能够有效的对付通信衰落，提高误码率性能和 系统容量，受到越来越多的关注。空时编码( s t c ) 技术是抗信道衰落和提高系统 容量的一种最新的编码方法，多输入多输出技术和空时编码技术相结合是新的通 信技术发展方向。空时编码技术包括分层空时码和空时分组码。本章首先介绍 m i m o 系统模型和容量，然后介绍分层空时码和空时分组码的系统结构。由于论文 第四章基于s t b cm c c d m a 系统，因此本章最后介绍m c c d m a 系统的发送接收 结构作为后文的研究分析的理论基础。 2 1m i m o 系统模型和容量 多输入多输出( m i m o ) 无线通信技术是b 3 g 通信系统的关键技术，能有效 对抗衰落，提高频谱效率，m i m o 技术不但可以成倍地提高衰落信道下的系统容量， 而且如果进一步将其与信道编码技术相结合，可以大大提高通信系统的性能。空 时编码技术是在此基础上发展起来的一种新的编码和信号处理技术，它将信道编 码技术与阵列处理技术相结合大幅度地提高无线通信中的系统容量和传输速率， 为解决无线信道的带宽问题提供了一条新的途径。 为充分利用m i m o 无线信道潜在的优势，需要了解和研究各种典型移动无线环 境下的m i m o 无线信道的特性，分析其信道容量，为m i m o 无线传输系统的优化设 计提供必要的依据。 2 1 1m i m o 系统模型 单径情况下m i m o 无线通信系统结构如图2 1 所示，各对天线间的子信道可以 等效成一个服从瑞利衰落的子信道。考虑m n 天线配置的m i m o 信道，其基带接 收信号可以表示为： ，) = h s ( n ) + 刁( 拧) ( 2 - 1 ) 其中， r ( n ) = 【( ) ，吒( 胛) ，( ”) 】7 ，为 时刻接收信号矢量； s ( 行) = 【( 而) ，屯( h ) ，( 珂) 】7 为发送信号矢量；，7 ( 胛) = 【仇( 胛) ，仉( 刀) ，r u ( n ) 7 是加 性噪声矢量，片是n m 维的信道衰落系数矩阵。 塞銮适太堂亟堂焦论童垒云线越垄越速遁值蕴盔 h = 啊。 ： 吃红： ，： 啊 ， 如。 ： k m ( 2 2 ) 其中，t ，是第，根发射天线到第f 根接收天线间的复信道系数，吩，采用不同的 随机分布时产生不同的信道统计模型。本文的研究基于瑞利衰落信道模型，且为 平坦衰落信道。 图2 - 1m i m o 系统框图 f i g u r e2 - 1t h eb l o c kd i a g r a mo f m i m os y s t e m m i m o 多径信道可采用抽头延时线模型作为其等效的离散时间信道模型。多经 信道下接收信号可表示为： 一l ，( 门) = h d ( n 1 ) + r o ) ( 2 3 ) = 0 其中，m 为第z 径信道衰落矩阵。 2 1 2m i m o 系统容量 系统容量定义为在保证误码率任意小的条件下的最大发射速率。文献【1 2 】对 m i m o 系统容量进行了推导，向人们展示了多天线技术在无线通信应用中的巨大潜 力。假设信道矩阵在发射端未知，在接收端已知。m i m o 单径情况下对日矩阵进 行奇异值分解( s v d ) h ：u d v ” ( 2 4 ) 其中，d 为n x m 非负对角矩阵，u 和矿分别是n x n 和m x m 的酉矩阵。d 的对角元素是矩阵h h “的特征值的非负平方根。把( 2 4 ) 式代入( 2 一1 ) 式得： ，= u d v “s + r l ( 2 5 ) 引入下列变换： 6 韭塞銮道太堂亟堂鱼j 盆窒垒云线盈垒戴这通信燕盔 ，= u ”， s ：v hs r l = u ”疗 ( 2 6 ) r l 仍为高斯噪声向量。这样，前面讨论的信道与下式所描述的信道是等价的 ，= d s + 1 1 ( 2 7 ) 矩阵h h ”的非零特征值的数量等于矩阵的秩，用，表示。对n x m 矩阵日， 秩的最大值为d = m i n ( n ，m ) ，即至多有d 个奇异值是非零的。用 表示h 的奇 异值。将 代入( 2 7 ) 式，可得 2 一+ 叩j ( f = 1 ，2 ，7 ) ( 2 8 ) = 彬( f = ，+ l ，r + 2 ，) 由上式可以看出，接收元素i f = ，+ 1 ，r + 2 ，n ) 并不依赖于发送信号，即信 道增益是零。另一方面，接收元素= ( i = 1 2 ，) 仅仅取决于发送元素。因此， 可以认为，通过( 2 8 ) 式所得到的等效m i m 0 信道是由，路去耦平行子信道组成的， 信道容量可由子信道容量直接相加。假设在等效m i m 0 信道中，每根天线的发射功 率为州m ，运用香农容量公式可以估算出总的信道容量为 ， n 、r 艮形善1 0 9 ：1 1 + 7 r , q 聊 其中，w 是每个子信道的带宽；只是在第i 个子信道中接收的功率，由下式给出： p 。= 竺二 ( 2 1 0 ) 因此信道容量可以写成 c = 矽和( + 等卜k g ：再( t + 等 由特征值和特征向量的关系可得 ( 码一q ) q = 0 ( 2 1 1 ) ( 2 一1 2 ) 其中，q 为威沙特( w i s h a r t ) 矩阵，旯为9 矩阵的特征值，q 为对应的特征向 量。由矩阵的相关知识我们可以得到 n ( 兄一a ) = d e t ( m u q ) ( 2 - 1 3 ) 用一m c r 2 p 替换上式中的a ，得到 再( + 等) ：d e t ( 厶+ 嘉q ) 沼 代k ( 2 1 1 ) 式得到容量公式 c = w l o g ：d e t 卜嘉q 亿 j 立銮道盘堂亟堂僮j 金塞 玺云缉丛童裁这堕筐拉丕 由于实际中信道系数是随机变量，所以上式表示的是瞬时容量交互信息量。 当信道矩阵日各态历经时，可以通过对所有信道系数的实现取平均得到平均信道 容量。 c = w e a f l 0 9 2 d e t ( 嘉q ) 2 2分层空时编码概述 分层空时编码( l a y e r e ds p a c e - - t i m ec o d e s ，简称l s t ) 最早由f o s c h i n i 提出 1 1 3 1 ，能够获得更大的m i m o 信道容量。其突出特点是，可以在同一空间范围内通 过一维处理方法处理多维信号。这种方法依赖于接收机具有高效的信号处理技术。 m 个信息流通过m 根发送天线在相同频率范围内发送，接收机采用n ( m ) 根 天线来分离发送信号。分离包括干扰抑制和干扰抵消的联合过程。l s t 是目前已 知的唯一一种可以使频带利用率随着发射天线数目线性增加的编码方式。因此， 它是实现未来无线通信高速数据传输比较有前途的解决方案之一，具有非常广阔 的应用前景。 分层空时码的典型形式是b e l l 实验室提出的b l a s t ( b e l ll a b o r a t o r y s p a c e t i m e a r c h i t e c t u r e ) 系统，下面介绍b l a s t 的系统结构以及根据不同编码方 式的具体分类，包括h b l a s t 、d b l a s t 和v - b l a s t 。 2 2 1b l a s t 系统结构 b l a s t 系统，如同在原有频段上建立了多个互不干扰、并行的子信道，并利 用先进的多用户检测技术，同时准确高效地传送用户数掘，其结果是极大提高系 统的容量。 b l a s t 系统在发射端和接收端都使用多个天线，在散射非常丰富的环境中， 每对发射天线和接收天线之间的信道是不相关的，利用这个特性可以完成信号的 检测。b l a s t 系统的频带利用率非常高，目前的实验系统，频带利用率可高达 2 0 b s h z 以上，其系统框图如图2 2 所示。 输入的高速信息比特流经串并变换为肘( 发射天线数) 个长度相同的并行低 速比特流，这些低速比特流分别输入m 个编码器。然后，编码比特流经过向量编 码器，映射到对应的发射天线。向量编码器的作用是决定比特流与发射天线的对 应关系，每一个独立子信息流称为一层。 j e 塞銮道盘堂亟堂僮：l 金塞垒盘缝厦垒嚣渡遵擅拉丕 圈2 - 2 b l a s t 系统框图 f i g u r e2 - 2t h eb l o c kd i a g r a mo fb l a s ts y s t e m b l a s t 结构中，各天线发射的信号同时占用整个系统的带宽，且在收发天线 位置合适时，每对收发天线对之间的信道特性会产生较大差异，接收时可以提高 系统性能。系统所能达到的频带利用率和传输速率是别的无线系统所无法比拟的。 2 2 2b l a s t 系统分类 根据向量编码器映射关系的不同，b l a s t 系统可以分为水平分层空时编码 ( h b l a s t ) 系统，对角分层空时编码( d 。b l a s t ) 系统和垂直分层空时编 码( v - b l a s t ) 系统【i ”。假设信道为准静态瑞利平坦衰落信道，发射端未知，接 收端已知信道状念信息，并假定接收机已经实现精确的定时和符号同步。下面具 体介绍各个编码系统。 在h b l a s t 编码结构中，信息序列首先被编码，然后分离为m 个子数据 流。每路子流分别经调制、交织，最后分配到一根发送天线上。其编码结构图如 图2 - 3 所示，其中，e 表示在时刻f 从第_ ，个编码器输出的码元。c o ，c 如，c o ，c 0 4 由 发射天线1 发射，c l 。，c l ：，c i ，c l 。由发射天线2 发射，如此循环。 编码器4编码器3编码器2编码器1 输出输出 输出输出 c 0c 0 3 c 0 ：c o l至发射天线1 c 1 4c 1 3c 1 2c 1 ， 至发射天线2 c 2 4c 2 3 c 2 2c 2 ，至发射天线3 c , 4c 3 3g 2 c 3 。 至发射天线4 图2 - 3h b l a s t 编码结构幽 f i g u r e2 - 3t h eb l o c kd i a g r a mo f h - b l a s ts y s t e m 9 j e 盛窑堡太堂硒堂焦论塞垒云线厘垒戴遗道值越苤 为了获得更好的性能，可以采用d b l a s t 结构。每个编码器输出的码元沿着 对角线分配给m 根发射天线进行发射，其编码结构图如图2 4 所示。其中0 代表 不发射信号。d b l a s t 由于引入了空间分集，获得了比h b l a s t 更好的性能。 但由于其在部分时间有部分天线不发射信号，造成了频谱利用率损耗。 编码器l 编码器2 编码器3 偏码器4 输出输出输出输出 至发射 c o ,c 0 3c 如c 0 1 天线1 至发射 c l 。q 3c 1 2 c l 。 o 天线2 至发射 c 2 。c 2 3c 2 2c 2 。 0o 天线3 至发射 c ic 3 3 c 3 2c 3 0 oo 天线4 圈2 4d - b l a s t 编码结构图 f i g u r e2 - 4t h eb l o c kd i a g r a mo f d b l a s ts y s t e m 垂直分层空时码( v _ b l a s t ) 的编码结构图如图2 5 所示，编码器接收并行 信道编码器的输出，将其按垂直方向进行空间编码，第一个信道编码器输出的前m 个( 此处m = 4 ) 码元排在第一列，第二个信道编码器输出的前m 个码元排在第二 列，一般第i 个信道编码器输出的第，批m 个码元排在第i + ( ，一1 ) + m 列。编码后 的空时码元矩阵的每一列，经肘根发射天线同时发射。 最早提出的是d b l a s t ，它具有较好的空时特性和层次结构，但由于其传输 冗余，在分组较小的时候，边界浪费对频谱效率影响比较大，而且解码太复杂而 不实用。随后提出了h b l a s t 和v - b l a s t 。h b l a s t 译码简单，但其空时特性 太差。相比之下，v - b l a s t 要比水平分层空时码的性能好得多而译码复杂度不大， 因此得到广泛应用。本文第三章的内容针对v - b l a s t 展开研究。 编码器l至发射 输出 c 3 lc 2 c l lc o ， 天线1 编码器2 至发射 输出 c 3 2c 2 2c 1 2 天线2 编码器3 至发射 输出 c 3 ，c a c l ，c 0 3 天线3 编码器4至发射 输出 c 3 c 2 , c l 。 天线4 图2 - 5v - b l a s t 编码结构图 f i g u r e2 - 5t h eb l o c kd i a g r a mo f v - b l a s ts y s t e m 1 0 j b 塞銮道太堂亟堂焦论塞玺云线厘墨戴越迪焦拉苤 2 3空时分组码概述 空时分组码( s t b c ) 与空时网格码( s t t c ) 是m i m o 系统实现空间分集的 典型方案。空问分集即对发送端的各个子数据流联合编码带来冗余，减小发射子 数据i 日j 的独立性，从而使得系统的分集增益最大，以减小信道衰落和噪声的影响 提高系统性能。在最极端的情况下，每一个符号都由所有发射天线进行发射，此 时获得了最大冗余度，实现了最大程度的空日j 分集，但没有增加数据传输速率。 在这些系统中，等于发射天线数目的编码符号被同时产生和发送，这些符号由空 时编码器使用合适的信号处理和接收机的解码处理产生，得到分集增益和编码增 益。下图给出了s t b c 简单结构图表示： 声 j i s m i 图2 6s t b c 系统框图 f i g u r e2 - 6t h eb l o c kd i a g r a mo f s t b cs y s t e m 空时网格码( s t t c ) 由t a r o k h 、s e s h a d r i 和c a l d e r b a n k 首次提出【。s t t c 将信道编码结合符号映射到发送天线，可以获得与最大比合并接收相同的分集增 益和大量的编码增益。在准静态平坦衰落信道下，s t t c 获得全分集合编码增益， 在其他信道环境下也有良好的性能。但其译码复杂度随着分集增益和频谱率指数 增长，即使对于较小的分集增益和频谱利用率，相应的译码度也很大，这在很大 程度上限制了它的应用。 1 9 9 8 年，s m a l a m o u t i 提出了一种简单可行的发射分集技术a l a m o u t i 空时 编码，并从理论上证明了，按照这种方法适合于任意根发射天线的空时码。 v t a r o k h 等人受到a l a m o u t i 的启发，利用正交原理设计了空时分组码( s t b c ) 【1 7 1 虽然s t b c 性能不如空时网格码，且某些时候无法达到满速率发射，但它还是由 于简单的编译码结构和接受范围内的性能，得到了广泛的研究和应用，并且被纳 入了3 g p p 候选标准。目前s t b c 是研究的热点，已有很多文献将s t b c 与其他技 术相结合，提高系统性能。本论文的第四章对s t b c 进行深入研究。 2 4m c c d m a 收发机结构及原理 e 塞銮遁厶堂亟堂僮盈童垒云缮及垒戴渡适值整苤 m c c d m a 最早由美国的l i n n a r t z 、f e t t w e i s 和德国的f a z e l 、p a p k e 独立地提出 p 8 o 因为m c c d m a 的一个o f d m 符号包含多个窄带的子载波信号，可通过选择适 当的子载波数目，使得每个子载波信号的符号周期远远大于时延扩展，所以 m c c d m a 对信道的时延扩展不敏感。同时，相同的信息周期符号在不同的子载波 上同时发送，一般来说不可能所有的子载波都处于深衰落中。因此，m c c d m a 可以达到频率分集的效果 1 9 l 。 m c c d m a 的发射机结构如图2 7 所示。m c c d m a 是在频域内使用扩频序列 对原始信号进行扩频。原始输入数据速率很高，经过串并变换，每个数据符号的 周期变长，不易受到频率选择性衰落的影响，因此每个子载波可认为是频率非选 择性衰落信道。 户。 埘， 锝 复墨一 i 加 f保 1 调制r 制 f 护 间 q ： t 隔 分一 图2 - 7m c + c d m a 系统调制框图 f i g u r e2 - 7t h em o d u l a l i o nb l o c kd i a g r a mo fm c c d m as y