（信号与信息处理专业论文）mimo系统中的空时分组码研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 作者：张艳 指导教师：赵君喜 题目：m i m o 系统中的空时分组码研究 英文题目：r e s e a r c ho ns p a c e t i m eb l o c kc o d i n gi nm i m o s y s t e m s 主题词：m i m o ，空时分组码，线性分组码，球形译码 k e y w o r d s ：m i m o ，s t b c ，t h el i n e a rd i s p e r s i o nc o d e ，s p h e r e d e c o d i n g 南京| | l | ；i u 人学坝l j 论义摘赏 摘要 空时编码技术是近年来在通信领域一个重要的研究方向。多天线发送和接q y 更( m i m o ) 系统的空时编码技术，不仅可以实现高频谱效率的无线传输，而且具有很强的抗多径衰落 能力，能提高衰落信道的通信质量和通信系统容量。 本论文主要研究空时分组码的编解码算法，根掘线性分敞码的码矩阵的空问特性对译 码算法进行改进，并对m i m o 系统中译码检测算法进行了研究，通过仿真对算法的性能 作了对比分析。 论文全文分五个部分。第一部分回顾了现代移动通信的发展，对下一代移动通信技术 ， 及其关键技术进行了展望：第二部分对移动通信信道和分集技术进行了分析，讨论了 m i m o 系统的结构和信道容量；第三部分研究了空时分组码的译码算法，对线性分散码 的译码算法进行改进，通过牺牲一定的误码率性能明显地降低译码的复杂度：第四部分对 m i m o 系统中的球形译码算法进行分析，对球形译码算法初始半径的选取方法提出了改 进，改进方法能保证译码过程不会出现“空球现象”，以减少可重复搜索的可能性，通过 仿真对算法的性能作了对比分析；最后，总结全文并对未来工作进行展望。 关键词：m i m o ，空时分组码，线性分散码，球形译码 南京| | | l j l u 人学坝1 j 论文a b s t r a c t a b s t r a c t s p a c e - - t i m ec o d i n gf o rm u l t i a n t e n n a ss y s t e m sh a sb e c o m ea na c t i v er e s e a r c hd i r e c t i o ni n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nf i e l d s i tn o to n l yc a na c h i e v et h ew i r e l e s s t r a n s m i s s i o no fh i g h f r e q u e n c ye f f i c i e n c y ，b u ta l s oh a ss t r o n ga b i l i t yt ob a t em u l t i p a t h sf a d i n g a sar e s u l t ，i tc a n g r e a t l yi m p r o v et h eq u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o ns e r v i c ea n ds y s t e mc a p a c i t yu n d e rm u l t i p a t h s f a d i n gc h a n n e l t h i st h e s i sm a i n l yi n v e s t i g a t e so ns p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ( s t b c ) ，e s p e c i a l l yo nt h e e n c o d i n ga n dd e c o d i n ga l g o r i t h m f o rm u l t i p l e i n p u ta n dm u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) s y s t e m s w i t hl i n e a rd i s p e r s i o nc o d e s ，t h e i m p r o v e dd e c o d i n gc a no b v i o u s l yr e d u c et h ed e c o d i n g c o m p l e x i t yb yu s i n gt h es p e c i a lf e a t u r eo ft h ec o d i n gm a t r i x b e s i d e s ，f o rm i m os y s t e m st h e s p h e r ed e c o d i n ga l g o r i t h mh a sb e e ns t u d i e d ，a ni m p r o v e ds e l e c t i o nm e t h o do fi n i t i a lr a d i u si s p r e s e n t e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c ew a sa n a l y z e db ys i m u l a t i o n t h i st h e s i si sd i v i d e di n t of i v ep a r t s t h ef i r s to n eo v e r v i e w st h ed e v e l o p m e n to fm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dp r o s p e c t st h en e x t g e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，e s p e c i a l l yi t s k e yt e c h n o l o g y w i r e l e s sc h a n n e lm o d e l sa n dd i v e r s i t yt e c h n o l o g ya r ea n a l y z e di nt h es e c o n d p a r t ab r i e fi n t r o d u c t i o nt om i m oc h a n n e lc a p a c i t yi sg i v e na sw e l l t h et h i r dp a r tg i v e sa d e s c r i p t i o no ft h ed e c o d i n ga l g o r i t l u na b o u tt h es t b c ，a n di m p r o v e st h ed e c o d i n ga l g o r i t h mo f t h el i n e a rd i s p e r s i o nc o d e s w i t has l i g h tl o s so ft h ep e r f o r m a n c eo fe r r o rc o d er a t ew ec a n d e c r e a s et h ed e c o d i n gc o m p l e x i t yo b v i o u s l y t h es p h e r ed e c o d i n ga l g o r i t h mh a sb e e ns t u d i e d i nt h en e x tp a l a v o i d “t h ee m p o s s i b i l i t i e s0 w e r ec o m p p r e s e n t e di nt h k e y w o r d s ： 南京邮电大学硕士论文目录 目录 第一章绪论1 1 1 移动通信的发展1 1 2 下一代移动通信的关键技术2 1 3m i m o 系统和空时编码技术3 1 3 1m i m o 系统概述3 1 3 2 空时编码概述6 1 4 研究背景8 1 5 主要研究内容及结构安排9 第二章多输入多输出( m i m o ) 系统1 l 2 1 下一代无线通信信道的主要问题1 1 2 2 多径传播j l1 2 3 移动通信系统中的分集技术一1 2 2 3 1 分集技术的分类l2 2 3 2 分集合并技术13 2 3 3 发射分集技术1 4 2 4m m o 系统15 2 5m i m o 信道的容量18 2 6 小结2 0 第三章空时编码技术2 l 3 1 空时编码研究背景j 2 1 3 - 2 编码技术与编码设计准则2 2 3 2 1 空时编码2 2 3 2 2 空时编码设计准则2 4 3 3 空时分组码2 5 3 3 1 a l a m o u t i 空时码：2 5 3 2 2 正交空时分组码3l 3 2 3 准正交空时分组码3 2 3 4 线性分散码3 2 3 4 1 编码原理：3 3 i i ! 南京邮电大学硕士论文 目录 3 4 2 译码算法及仿真3 6 3 4 3 改进的译码算法及仿真j 4 0 3 5 小结4 3 第四章球形译码算法4 4 4 1 引言4 4 4 2 最大似然检测一4 4 4 3 球形译码算法原理4 5 4 4 球形检测算法4 6 4 5 改进的球形译码一4 8 4 5 1 初始半径的选取一4 9 4 5 2 信号的检测顺序5 1 4 5 3 仿真结果与讨论5 l 4 6 小结5 6 第五章结论与展望5 7 5 1 结论5 7 5 2 下一步工作展望5 8 参考文献5 9 致谢一6 3 i v 南京f | i i ；i 乜人学坝f j 论义 第一章绪论 第一章绪论 当今世界已进入了飞速发展的信息时代，信息产业己成为国民经济的主导产业，通信 则成为信息产业中发展最为迅速、进步最快的行业。移动通信技术由于给人们的生活工作 带来很大的方便，因而移动通信系统自其商用之同起便得到了迅速的发展，并在现代通信 中占着越来越重要的地位，目自，j 移动通信技术萨朝着能“在任何时问，任何地点，向任何 人提供快速可靠的通信服务”这一目标发展。本章主要介绍了无线通信系统的发展状况及 对下一代无线通信技术的展望，简单介绍多输入多输出( 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 ) 系统及空时编码技术的特点。 1 1 移动通信的发展 移动通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分。现代移动通信技术发展始于2 0 世 纪2 0 年代，但一直到2 0 世纪7 0 年代中期，才迎来了移动通信的蓬勃发展。全球蜂窝和 个人通信系统接近指数曲线的发展，直接归功于7 0 年代的技术，现在只不过是发展更为 成熟而已。目前移动通信系统的使用发展【1 1 2 1 大致分为三个发展阶段。 第一代移动通信系统( 1 g ) 始于2 0 世纪8 0 年代初，主要采用的技术是模拟技术和频分 多址( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s f d m a ) 。但山于受到模拟信号传输带宽所限以 及各类通信系统制式不统一，不能进行移动通信的长途漫游，所以l g 只能是- - j f e e 区域性 的移动通信系统。 第二代移动通信系统( 2 g ) 起源于9 0 年代初期，主要采用的技术是数字式的时分多址 ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s ，t d m a ) 技术和码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s ， c d m a ) ，主要为支持话音和低速率的数据业务而设计，但随着人们对通信业务范围的不 断增加和业务速率要求不断提高，它将很难满足新的业务需求。 第三代移动通信系统( 3 g ) 是币在大力丌发和已经走向商用的系统，其最基本的特征是 采用智能信号处理技术，支持话音和多媒体数据通信，它还可以提供j ，j 两代产品不能提供 的各种宽带数据业务，例如上网冲浪、观看视频等。 第三代移动通信系统是有能力彻底解决第一、二代移动通信系统主要弊端的通信系 统，其突出特色就是，可在未来移动通信系统中实现个人终端用户在全球范围内的任何时 问、任何地点、与任何人、用任意方式、高质量地完成任何信启、之间的移动通信与传输。 南京l l l l ；q 3 人学顺i j 论义笫一辛绪论 但是，3 g 也存在如下的缺点：首先，3 g 共有w c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 、c d m a 2 0 0 0 ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s2 0 0 0 ) , dt d s c d m a ( t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s ) 三大标准，它们之间不易互相兼容，因此3 g 不能实现真f 意义上的个人通信和全球通信：其次，3 g 的频辔效率较低，不能充分利用 宝贵的频谱资源：再次，3 g 支持的业务速率还不够高等。这些不足之处使得3 g 还不能 充分适应未来移动通信的业务和技术需求。未来通信系统要求业务种类多、系统容量大、 频谱效率高、通信质量好，为了实现上述目标，探索新技术就显得尤为重要，这使得建立 在m i m o 之上的空时编码就成为近柬研究的热点。 。 1 2 下一代移动通信的关键技术 在新技术、市场需求的共同作用下，未来的移动通信业务将从语音扩展到数据、图像、 视频等多媒体，因此，对服务质量和传输速率的要求越来越高，这对移动通信系统的性能 提出了更高的要求，这也是下一代移动通信技术( 简称4 g ) 的发展方向和目标p 1 。 4 g 可以在不同的无线平台间和跨越不同频带的网络中提供无线服务，可以在任何地 方宽带接入互联网( 包括卫星通信和平流层通信) ，能够提供信息通信之外的定位定时、数 据采集、远程控制等综合业务。同时，4 g 系统还是多功能集成的宽带移动通信系统。为 了实现4 g 的设计目标，可能应用于4 g 的关键技术有 3 j ： 1 智能天线技术 智能天线基于自适应天线阵原理，利用天线阵的波束形成多个独立的波束，并能自适 应地调整波束方向来跟踪每一位用户，达到提高信号干扰噪声比，增加系统容量的目的， 目前仅在基站系统中应用。智能天线由天线阵列、波束形成网络、波束形成算法3 部分组 成。它通过满足某种准则的算法去调节各阵元信号的加权幅度和相位，从而调节天线阵列 的方向，达到增强所需信号、抑制干扰信号的目的。智能天线的弊端由于存在多径衰落效 应，每个天线均需一个r a k e 接收机，从而增加了基带处理单元的复杂度。 2 软件无线电技术 软件无线电的基本思路是研制出一种基本的可编程硬件平台，只要在这个硬件平台上 改变相应软件即可形成不同标准的通信设施( 如基站和终端) 。软件无线电的关键思想是尽 可能在靠近天线的部位( 中频，甚至射步员) ，进行宽带a d 和d a 变换，然后用高速数字 信号处理器( d s p ) 进行软件处理，以实现尽可能多的无线通信功能。特别是最近几年内， 第三代移动通信技术和标准都还在不断更新，使用软件无线电技术，爿可能使产品的丌发 堕塞堡垒盔堂竺! ! 堡苎堡二雯堕堡 跟上技术的发展。在4 g 通信系统中，软件将会变得非常繁杂。因此，应用软件无线电技 术，一个移动终端，就可以实现在不同软硬件系统和平台之f a j 畅通无阻的使用。 3 下行高速分组交换数据传输技术：纳入3 g p p 技术规范的高速下行分组接入技术可 以实现l o 8 m b s 的高速下行数据传输。在传输较高速率的业务时，通过在特定时隙中使 用较高调制方式来进行传输。 4 f 交频分复用( o f d m ) 正交频分复用【4 j 5 1 ( o 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 ) 技术在有效地 利用宝贵的频率资源，以满足高速率、大容量的业务需求，抑制高速数据在无线信道下的 多径衰落和降低噪声干扰等方面在众多技术中显示出优越的性能。 ” o f d m 技术是一种萨交的多载波并行传输技术，主要思想是在频域把信道分成若干 f 交子信道，频谱相互重叠，将高速数掘信号转换成并行的低速子数据流，在每个子信道 上进行传输。正交信号在接收端采用相关技术将信号分丌，这样可以减少子信道之间的相 互干扰( i c o 。同时，每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，每个子信道是相对平 坦的，其信道上的衰落可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。f 是由于o f d m 具有抗多径衰落能力强，频谱利用率高的优点，因此受到广泛关注，人们不但认为在宽带 无线接入领域采用o f d m 是发展的趋势，而且它将成为下一代移动通信系统的关键技术。 5 空时编码 系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大可靠传输率。 m i m o 可以成倍地提高衰落信道的信道容量【6 j 【7 1 ，实现空1 日j 分集和接收分集的结合，有很 好的抗干扰能力：将m i m o 技术和信道编码技术相结合，可以极大提高通信系统性能， 这样导致空时编码的产生，是4 g 通信中必然选择的技术之一。 1 3m i m o 系统和空时编码技术 为了实现下一代无线通信的目标，关键因素之一需要在物理层采用更加高速的无线传 输技术，而且还必须寻找提高频谱利用率的解决方案。在众多的信号处理技术中，最引入 注目的是m i m o 技术，普遍认为，m i m o 技术将是下一代移动通信系统必须采用的关键 技术。 1 3 1m i m o 系统概述 未来的宽带无线通信网络将为商务人士等数据需求大的移动用户提供接入服务，需求 3 雨泉l | | l f ll 1 人学坝i 。论义 第一帚绪论 的数据传输率将达到3 0 m b s ，这将远远超过3 g 移动通信系统的能力。对更高的数据传 输率、更好的传输质量、更少的掉话，更大的网络容量和更广阔的覆盖范围的需求促使着 技术的革新以获取更高的频谱利用率和更可靠的传输信道。在无线信道的两端发送端 和接收端同时采用多天线，也就是m i m o 无线通信，是一种能提供j ，j 所未有的满足未来 发展的新技术。 先解释一下为什么在无线信道上进行数据传输如此困难，主要是受到无线信道本身固 有的物理特性影响。无线通信的主要问题在于无线传输环境中的障碍物对信号产生反射和 散射，从而造成的多径效应会使传输中的信号发生衰减和畸变称为衰落，一般使用瑞 利衰落( r a y l e i g hf a d i n g ) 模型来表征这种现象。就性能而言，瑞利衰落信道对通信系统 的性能影响远大于a w g n ( 加性高斯白噪声，a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ) 信道。为了 说明这个问题，以b p s k ( 二进制相位调制，b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) 为例来说明。众 所周知，b p s k 调制在a w g n 信道下的误比特率为例 ( 罔 式中毛o 是比特功率与噪声功率谱密度的比，q ( ) 为高斯q 方程8 1 荆= 面1 驴斫 ( 1 2 ) 在衰落信道下，假设每个信号自j 隔的衰落因子都是固定的，当衰落损耗为口，b p s k 信号的条件误比特率可以表示为 p ( pi 口) = q ( 瓜)( 1 3 ) 式中= 口2 ( 毛0 ) 每比特的接收s n r 。要得到当口随机变化时的平均差错率，需要对式 ( 1 3 ) 在心的概率- g 度上求平均。将每比特的平均s n r 定义为 死：( e 。n o ) e ( c r 2 ) ( 1 4 ) 式中e ( ) 表示期望函数。对瑞利衰落信道而言，b p s k 信号的平均误比特率 只* ( 1 5 ) 一般的研究讨论中，为了便于分析，将均值( 口2 ) 归一化为l ，因此，死= b 0 。 当e n o 足够大时，也就是晚，毛。远大于l 时，上式可简化为 4 南京邮电大学硕二e 论文第一章绪论 杰赢 o 石 这说明在瑞利衰落信道下，误比特近似与信噪比的倒数是成正比，而不是加性高斯白噪声 下的逆指数关系。 为了比较瑞利衰落信道和无衰落信道上的b p s k 信号的性能，仿真图1 1 给出了表达 式( 1 1 ) 和式( 1 4 ) 中的误比特率曲线。从图中可以看出：对于无衰落信道而言，误比特率随 s n r 的增加呈指数下降，但是，对瑞利衰落而言，误比特率随s n r 的增加呈线性下降。 由于多径的影响，同样要达到1 0 。4 的误比特率，衰落信道所需的发射功率要比相应的无衰 落信道高出2 5 d b 。 信噪b g ( s n r ) d b 图1 1b p s k 调制在瑞利信道f 的性能 理论和实践证明可以利用m i m o 多天线技术抑制信道衰落，m i m o 可以简单定义为： 在一个任意的无线系统中，信号链路的发送端和接收端都使用多根天线。在m i m o 通信 系统中，如果不同发射天线之间的距离足够远并且接收天线之间的距离也足够远，那么可 以认为发送和接收天线间的通道独立，这样可以有多个并行空间子信道，而通过这些并行 空间子信道独立的传输信息，将使得各个发射天线到各个接收天线之间的传播信号也是互 相独立的，从而满足高传输速率、高传输性能和高业务容量的要求。据实验室的研究证明， m i m o 技术非常适用于室内环境下的无线局域网系统的使用。采用m i m o 技术的无线局 域网系统在室内环境下的频谱效率可以达到2 0 - - 4 0 b s h z ；而使用传统无线通信技术在移 南京i i i l l t n , 人学颐：l 论义第一帝绪论 动蜂窝中的频谱效率仅为1 - 5 b s h z ，在点到点的固定微波系统中也只有1 0 1 2 b s h z 。因 此，m i m o 技术能够很好的适应未来移动通信的需求。 1 3 2 空时编码概述 如上节所述，m i m o 技术可以抑制多径衰落和提高无线通信系统的信息容量。为了 在信息传输中充分利用和尽可能接近无线m i m o 系统的信道容量，人们很自然地将单输 入单输( s i g n a l i n p u ts i g n a l o u t p u t ，s i s o ) 系统中已比较成熟的各种编码技术【9 1 推广到 m i m o 系统，因而空时编码应运而生。空时编码是无线通信中的一种新的编码与信号处 理技术，由于空时编码在不同天线发送的信号间引入了时域和空域相关，因此，能较好地 利用m i m o 系统所提供的传输分集度，在不增加带宽和发送功率的情况下提高信息传输 速率，改善信息传输性能。 空时编码的概念最早于1 9 8 7 年由w i n t e r 提出【| o j ，g u e y 等和t a r o k h 等分别给出了空 时编码的设计准则j 【1 2 l ，此后一系列文献分别从不同的角度对空时编码的设计方法进行 了改进。特别值得一提的是t a r o k h 等在1 9 9 8 至1 9 9 9 年发表的一系列论文【1 2 - 15 1 极大地丰 富了空时编码的内容，引导人们对空时编码的研究进入了一个新时期，使这项技术成为 m i m o 技术中的研究热点。 现行的空时编码主要分为分层空时码( l s t c ) 、空时网格码( s t t c ) g l 空时分组码 ( s t b c ) 、酉空时码和差分空时码，其中对前三种的研究居多，而空时网格码和空时分组 码是基于发射分集的。 1 分层空时码 1 9 9 6 年，f o s c h i n i i l 6 j 等人在对m i m o 信道容量研究的基础上，首先提出了分层空时 编码技术，并于19 9 8 年提出了分层空时编码技术的框架，在此基础上丌发出了 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。分层空时 编码将信源数据分为若干子数据流，独立地进行编码、调制，因而它不是基于发射分集的， 比较适用于室内环境，不太适合应用于室外移动环境，而且要求接收天线不得少于发射天 线。分层空时编码的最大优点是其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，但其抗衰落性能不是很好。分层空 时码适用于发射天线和接收天线较多的情况。 2 空时网格码 空时网格码【陀l ( s p a c e t i m et r e l l i sc o d e ，s tc ) 疋1 9 9 8 年由t a r o k h 等人提出的，用于高 堕室业坐叁堂堕：i 二堡兰堡二望堕堡 速数据无线通信的空时网格码同时利用了传输分集和信道编码技术。这种空时码以格型编 码调制为基础，具有很高的编码增益和分集增益，能够有效地抵抗衰落、抑制干扰和噪声， 在各种信道环境下都能获得较好的性能，而且频带利用率也较高。但空时网格码也有不足 之处：首先空时网格码的频带利用率不会随天线个数的增加而增加，这是限制空时网格码 应用的一个重要因素，并且它的译码是利用v i t e r b i 算法完成的，其译码复杂度随分集度 和传输速率的增加而成指数增长，即使对较小的分集度和传输速率，其相应的译码复杂度 也比较大，这也成为限制空时网格码在实际通信系统中应用的关键。此外，空时网格码的 好码设计也是一个难点，其关键在于如何确定编码器的状态转移图。在状念数大的情况下， 好码的格型图设计十分困难，目前多用计算机搜索来完成。 3 空时分组码 分层空时码较适用于室内环境，不太适合应用于室外移动环境，而空时网格码的编译 码比较复杂，在此基础上，a l a m o u t i 于1 9 9 8 年提出了一种使用两发射天线的空时发射方 案【 】：在发送端，信号经过简单的编码映射，然后经过多根天线同时发送：在接收端已 准确获知信道状念信息的情况下，采用一些简单的信号处理技术，即可获得与等数目接收 天线相同的分集增益。随后，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 l 3 1 提出的一种基于发射分集 的编码技术，t a r o k h 等人认为，如果在发送端采用适合多天线传输的编码技术，同时在 接收端进行相应的信号处理技术，能获得很大的性能增益，这样就能够实现数据的高速传 输。这一编码技术实质上是时间和空i 日j 上的二维编码，因此被称为“空时码”。1 9 9 9 年， t a r o k h 在a l m a o u t i 研究的基础上，应用正交设计理论，提出了著名的空时分组码 ( s p a c e t i m eb l o c kc o d e s ，s t b c ) ，它是以f 交设计为基础进行编码设计的，其性能相对于 空时网格码有一定的损失，但其译码复杂度很低。 分层空时码、空时分组码、空时网格码都具有优越的性能，但是他们在复杂度、适用 环境和其他要求上各有特点，表1 1 给出了三者的比较。 分层空时码空时网格码空时分绵码 是否基丁发射分集 否 是 是 对信道环境的要求一股为室内环境无特别要求无特别要求 对接收大线的要求接收大线数人丁发射大线数无特 ；i j 要求无特别要求 译码的复杂度一般复杂简单 表i i 二种空时码的特点比较 显而易见，空时分组码综合起来还是有一定优势的，关键是译码复杂度比较低，且可 以实现全速率传输和满分集增益。空时分组码的编码部分采用正交设计，因此可以得到最 7 一 南京邮电大学硕士论文 第一章绪论 大的发射分集增益，它的译码部分采用基于线性处理的最大似然译码，故其具有很低的译 码复杂度。空时分组码正是由于其简单的译码方法和较好的性能，是研究和应用最为广泛 的一种空时编码技术。 使用空时编码是达到或接近m i m o 无线信道容量的一种可行、有效的方法。空时编 码在多根发射天线和各个时间周期的发射信号之间能够产生空域和时域的相关性，这种空 时相关性可以使接收端抑制m i m o 信道衰落和减少发射误码。以a l a m o u t i 空时码为例， 对于空间未编码系统，空时编码可以在不牺牲带宽的情况下起到发射分集和功率增益作 用，如图1 2 所示。 图1 2 编码系统( a l a m o u t i ) 和未编码系统的性能比较 但是总的来说，空时编码降低了无线通信系统对多径衰落的敏感程度，在限定总发射 功率的情况下提高了信息传输的可靠性；在相同的码率前提下，又大大提高了无线通信系 统的传输效率，其频谱有效性可达到当前系统的3 4 倍，甚至更高。 空时编码是一种很具潜力的技术，有着很好的应用前景。空时编码体制己被纳入3 g 的标准i m t - 2 0 0 0 - - - - - - c d m a 2 0 0 0 和w - c d m a 之中，也必将成为4 g 移动通信系统中的 关键技术。w c d m a 中已经采纳了的空时发射分集技术属于空时分组码的特例。 1 4 研究背景 从二十世纪七十年代开始，现代移动通信技术先后经历了第一代模拟通信系统、第二 南京j i f j j i u 人学彬ii j 论义 第一帚绪论 代数字通信系统和已经商用的第三代宽带数字通信系统，目前未来移动通信系统第四 代移动通信系统的研究工作也已展丌。 在移动通信的迅猛发展过程中，许多新的技术不断被研究和应用，其中主要有：新的 编解码技术、r a k e 分集接收技术、多用户检测技术和多天线技术等，其中空时编码( s p a c e t i m ec o d i n g ) 技术由于具有抑制干扰、抗衰落和提高系统容量等优点，萨受到越来越多的 关注。 理论上，抑制信道衰落的最好方法是进行功率控制，也就是如果发送端预先知道信道 状念信息，那么在发射的时候预先将信号变形柬抵消衰落带柬的影响。但是这种方法需要 发送端有较大的动态范围，因此在大多数散射环境中，是采用天线分集技术来抑制信道衰 落的。 传统的天线分集是在接收端( 移动台) 采用多根天线进行接收分集的，并采用合并技术 来获得好的信号质量，例如r a k e 接收机。但是由于移动台尺寸受限，采用接收天线分集 技术较困难，而且在移动台端进行接收分集代价高昂，增加了用户的设备成本。从理论与 实际应用中都发现相同阶数的发射分集与接收分集具有相同的分集增益。因此为了适应下 一代移动通信的要求，只有增加基站的复杂度，在基站端采用发射分集技术才是比较合适 的方法。 空时编码技术是应用于无线通信中的一种新的编码和信号处理技术，它将发射分集、 信道编码技术及调制技术相结合，采用这种技术以后，可以大幅度的提高无线通信系统的 信息容量和传输速率，并能有效抵抗多径衰落、抑制噪声和干扰。近几年来，空时编码技 术大多是基于m i m o 系统的研究，将多天线和空时编码的结合，是空| 日j 资源利用技术的 发展方向，可以认为是一种高级的分集技术。研究表明，空时编码可以是频谱利用率得到 显著的提高。由于其在宽带系统中可以实现非常高的数据传输率。因此，空时编码技术被 越来越多地应用于提供高数据传输率的业务( 例如视频会议) 。 1 5 主要研究内容及结构安排 m i m o 系统的编译码技术是目日玎无线通信领域研究的前沿技术和热门课题，本文的 主要工作和内容安排如下： 第l 章回顾现代移动通信的发展，并对下一代移动通信技术及其关键技术进行展望， 并简要的介绍m i m o 系统和空时编码技术，是后面章节研究的基础。 第2 章通过对移动通信信道的分析，引入了抑制移动通信信道多径衰落的主要措施 9 塑塞业! 垫叁兰鲨! ! 堡苎笙二兰堕堡 分集技术，并给出了m i m o 系统的基本原理和容量理论。 第3 章在自，j 两章的基础之上研究了空时编码技术，分析了常见的空时码的编译原理， 侧重分析了空时分组码，根据编码生成矩阵的空i 自j 特性对线性分散码的译码算法进行了改 进，以牺牲适当的误码率性能获得译码复杂度明显地降低，并通过仿真分析说明。 第4 章讨论了m i m o 系统中信号检测问题，注重探讨了球形检测法，根据已有初始 半径选取方法对球形译码算法的初始半径提出了新的选取方法，改进的仞始半径保证译码 过程中，不会出现“空球现象”，减少可重复搜索的可能性，通过仿真对算法的性能作了 对比分析。 第5 章主要对本文进行总结，并对亟待研究的相关领域进行了展望。 南京邮f u 人学颂i j 论义第二章多输入多输；i ：( m i m o ) 系统 第二章多输入多输出( m i m o ) 系统 通信信道是用来将发送端的信号发送给接收端的物理媒介，对信道特性的研究对于通 信系统的设计具有特别重要的意义。无线信道是最复杂的信道之一，从发送端发送的信号 在无线信道中经历反射、绕射和散射等多条路径到达接收端，并且还伴有较强的随机性和 时变性，故特别难以分析。m i m o 空时信道并不是若干s i s o 信道的简单组合，各信道j 日j 存在不可避免的相关性，增加了m i m o 系统信道分析的难度。目自订，有关无线m i m o 系 统空时信道的建模与分析的研究已成为m i m o 技术的主要研究方向之一。 本章首先介绍下一代无线信道的主要问题和无线信道的多径传播，以及分集技术，然 后引入m i m o 系统，并且分析了无线m i m o 系统的信道容量。本章所给出的m i m o 系统 的信道容量是后续各章节的理论基础。 2 1 下一代无线通信信道的主要问题 下一代无线通信需要更大容量的信道来满足人们更可靠、更安全、更快速的信息传输。 信道容量的增加，最简单地说，有两种方法：扩展频谱带宽和提高频谱利用率，频谱资源 同益紧张，后一种方法才是可取之选。 概括起来，下一代无线通信信道的主要问题包括以下几个方面l | 8 i ：信号的多径传播 与衰落、码恻干扰( i s i ) 、时频同步、邻道干扰( a c i ) 和共道干扰( c c i ) 等。其中，多径衰落 是移动无线通信的基本特征，由于引入了复杂的干扰，使得基站和移动台之间通信的可靠 性降低，从而也降低了数据率和系统容量。多径衰落也是3 g 和4 g 移动通信中最重要的 问题。 2 2 多径传播 上节中所列出的各种问题中，信号的多径传播与衰落是所有这些问题中最重要，也 是我们所面临的最棘手的困难之一。通信的目的是使信息传输，而任何信启、的传输都离不 丌各种媒质组成的信道，通信的最大障碍就在于信道对信息传输所带来的各种不利因素。 因此，在通信系统研究中，对信道的分析和掌握具有特殊的意义。 在无线环境中，周围的物理建筑( 如楼房或树木) 对无线电波会起到反射的作用，这些 障碍物会产生幅度衰减和相位延迟的反射波。如果发送一个信号，那么该发送信号的多个 南京邮i u 入学颂i j 论文 第一二章多输入多一 j f l l ( m i m o ) 系统 反射波就会从不同方向经过不同传播延迟到达接收天线，这些反射信号经空中各处的接收 天线接收后，由于其随机相位的不同，对接收到的信号会起到加强或减弱的作用。这种出 于信道的时变多径特性引起的接收信号幅度和相位上的波动称为多径衰落效应。 下面是三种最重要的多径衰落效应： 1 信号强度在一段很小的传播距离或时l 日j 例隔内快速变化： 2 不同路径信号的多普勒频移的变化引起的随机频率调制： 3 多径传播时延引起的扩展。 理论上，抑制多径衰落影响的最有效方法是发射机功率控制。如果系统接收机经历的 信道信息可以由发射机获得，则为了克服信道在接收机处的影响，发射机可以对信号进行 预失真处理。但是这种方法有两个基本问题：最主要的问题是要求发射机拥有动念的功率 范围，而绝大多数情况下这是不现实的，因为发射功率将直接受限于功率放大器的尺寸和 成本。另外，若要发射机获耿接收机经历的信道信息，则需要下行( 基站至移动台) 和上 行( 移动台至基站) 链路工作在同一个频率上。这样使信道信息从接收机反馈给发射机， 势必造成系统吞吐量的降低和复杂性的增加。而且，在某些应用环境下，反馈信道信息的 链路是不允许的。分集技术是对付信号多径衰落另一种传统方法。 2 3 移动通信系统中的分集技术 分集就是利用冗余的信号样本，柬克服多径衰落所带来的影响。分集技术【i8 1 是利用 无线传播环境中独立的( 或至少是高度不相关的) 多径信号实现的。理论基础是独立信号路 径同时经历深度衰落的概率值很小。 无线信道中存在着随时间、空间和频率变化的信号衰落，大量经历不同衰落的信号的 叠加可能会导致极坏的结果，但同时也提供可在特定条件下利用多个衰落信号分量接收判 决从而提高可靠性的方法，分集便是利用多径效应最有效的手段。分集的作用是以某种形 式提供信号的副本，多路独立或高度不相关的路径传送相同的信号并在接收端采用合适的 选择合并方法，可大大降低判决错误的概率。 2 3 1 分集技术的分类 在所有的实际应用中，分集的各个方面的参数都是有接收端决定的，发送端并不知道 分集的情况。分集【1 9 l 【2 0 l 的实现方法有多种， 干细分类方法见表2 1 ： 南京i | l l j i u 入学顾i 论义第一二章多输入多输( m i m 0 ) 系统 分集分类标准分集种类 分集目的宏观分集( 通过系统级殴计实观，如基站设置、功率控制等，抗k 期衰落) 微观分集( 抗短期衰落，涵蔫人量的信号处理技术) 信号传输方式 显分集( 如主正迟分集方案) 隐分集( 如编码交织方案) 时间分集 利川信道时间选扦性，主要形式有信道编码、交织技术、a r q 重传( 快衰落时性能更优) 利州信道的频率选抒性，士要通过合并同一信号的不同多径延 频率分集 迟分耸实现，如均t 好( t d m a 系统中常心) ，凋频，r a k e 接收 ( d s c d m a ) ( 1 i - ；p i 率选抨性信道卜分集增衙有限) 获驭多路信号 空间角度分集智能天线 的形式 极化分集 币直利水平极化( 可单大线实现) 接收分集 选择分集( 最人s n r ) 、切换分集 线性合并分集( m m s e 、m r c ) 空间分集 反馈方式( t d d 系统中加权发射) 空间位萱分集 前馈、训练方式( 空日, - j 频编码与信 发射分集 道估计最优接收结合) 盲方案( 信道编码、频率偏置结合) 2 3 2 分集合并技术 表2 1 分集技术的分类 分集技术的理论基础在于不同分集子信道同时出现深衰落的概率要小。使用分集技术 通信系统的性能通常取决于接收端如何