（通信与信息系统专业论文）发射分集中空时码的研究与应用.pdf

摘要 随着移动通信的发展，频谱资源显得日趋紧张，使得人们努力开发高效的 编码、调制以及信号处理技术来提高无线频谱的效率。信息理论的发展指出，通 过采用多根发射天线多根接收天线可以有效得增加无线通信系统的容量从而提 高无线频谱的效率。发射分集技术就是多发射多接收天线系统的一种主要实现方 式，它通过在多根发射天线上发送信号而引入分集以实现可靠通信。空时编码是 实现发射分集的关键技术，它在发射端引入空间和时间相关，使得接收端获得分 集的同时也可以获得编码增益。 空时分组码( s t b c ) 和分层空时码是两种典型的空时编码。本文首先研究 了s t b c 系统的性能，并仿真了其在独立以及相关的r a y l e i g h 衰落信道下的性能。 同时研究了衰落相关性对s t b c 性能的影响。为了更接近于实际的衰落环境，独 立完成了采用n a k a g a m i m 衰落模型来研究s t b c 的性能。通过仿真可以看出 s t b c 具有很好的误码性能。 研究了v b l a s t 系统的三种检测算法，并给出仿真结果，重点研究迫零算 法在相关的r a y l e i g h 衰落信道下的性能。为了改善迫零检测算法复杂度较高的缺 点，提出了一种改进算法，用g r e v i l l e 算法求伪逆，同时得到迫零向量，通过 仿真可以知道，该算法仿真时间比原有的g o l d e n 算法仿真时间要少一半左右， 大大降低了运算的复杂度。 为了提高v b l a s t 系统的误码性能，提出了一种新的迭代检测算法- - i s p ( 迭代信号处理) 算法。该算法利用最大可用分集来改善通过迫零算法得到的初 始数据的估计，即在检测每一层信息时，都保证有同样的最大可用分集。通过仿 真可以看到该算法明显改善了系统的误码性能。 最后，将降低复杂度的改进算法与改善误码性能的i s p 算法结合起来得到 新的算法一改进i s p 算法，通过仿真，可以看出，改进i s p 算法在性能上比迫零 算法要好很多，而且复杂度也比i s p 算法小很多，因此，改进i s p 算法更加适合 应用于实际的系统中。 i l a b s t r a c t f r e q u e n c y r e s o u r c ei s b e c o m i n gp o o r w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm o b i l e c o m m n u n i c a t i o n s op e o p l ea r es t r u g g l i n gt op u r s u ee f f i c i e n tc o d i n g ，m o d u l a t i o na n d s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y f o r i m p r o v i n gf r e q u e n c ye f f i c i e n c y i n f o r m a t i o n t h e o r e t i c si n v e s t i g a t i o n sh a v es h o w nt h a tt h es y s t e mu s i n gm u l t i p l ea n t e n n a si nb o t h b a s ea n dm o b i l es t a t i o nc a r la c h i e v ev e r yh i g hc a p a c i t ya n di m p r o v et h e 丘e q u e n c y e f f i c i e n c y a n d t r a n s m i t d i v e r s i t y i sa ne f f e c t i v e i m p l e m e n t a t i o n t h e t r a n s m i t d i v e r s i t y i si n t r o d u c e dw i t h m u l t i p l e t r a n s m i ta n t e n n a sa n da c h i e v e sr e l i a b l e t r a n s m i s s i o n ，s p a c e - t i m ec o d e ( s t c ) i st h ek e yt e c h n o l o g yo f t r a n s m i td i v e r s i t y a n dt h e s ec o d i n gs c h e m e sa r ei n t r o d u c e dw i t hc o r r e l a t i o nb e t w e e ns p a c ea n dt i m ei n t r a n s m i ts i d ea n dc a r lg e tb o t hc o d i n ga d v a n t a g ea n dd i v e r s i t yg a i ni nr e c e i v es i d e s p a c e - t i m eb l o c kc o d e ( s t b c ) a n dl a y e r e ds p a c e t i m ec o d ea r et w ot y p i c a l s p a c e - t i m ec o d e s t h ep e r f o r m a n c eo f s t b ci sr e s e a r c hf i r s t l y , a n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t si nt w od i f f e r e n tr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l sa r eg i v e n t h er e s e a r c ho fs t b ci n n a k a g a m i mf a d i n gc h a n n e l i sa l s oc o m p l e t e d i n d e p e n d e n t l y t h e s es i m u l a t i o n r e s u l t s d e m o n s t r a t et h a ts t b ch a v ev e r yg o o dp e r f o r m a n c e ，t h e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t so f v b l a s t s y s t e ma r ef i n i s h e d i na d d i t i o n ，t h ei m p r o v e da l g o r i t h mi sp u tf o r w a r di n o r d e rt o i m p r o v ez e r of o r c i n g ( z f ) a l g o r i t h m t h i sa l g o r i t h m c a nd e c r e a s et h e c o m p l e x i t y o fz fa l g o r i t h m g r e a t l y t h e n w ep r o p o s ead e wi n t e r a t i v e s i g n a l p r o c e s s i n g ( i s p ) a l g o r i t h mf o ri n c r e a s i n gt h ep e o f o r m a n e eo fv b l a s t t h ei s p a l g o r i t h mt a k e sa d v a n t a g eo f t h em a x i m u ma v a i l a b l ed i v e r s i t yt oi m p r o v et h ei n i t i a l d a t ae s t i m a t eo b t a i n e db yt h ez fa l g o r i t h ma n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e1 s p a l g o r i t h mi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo f v b l a s t s y s t e m a tl a s tt h ei m p r o v e di s pa l g o r i t h mw h i t hc o m b i n e st h ei m p r o v e dz fa l g o r i t h m a n dt h ei s pa l g o r i t h mi si n t r o d u c e d a n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e d i s pa l g o r i t h mi sb e t t e rt h a nz fa l g o r i t h m ，a n dt h ec o m p l e x i t yo ft h ei m p r o v e di s p a l g o r i t h mi sl e s st h a ni s pa l g o r i t h mg r e a t l y s ot h ei m p r o v e di s pa l g o r i t h m i sm o r e s u i t a b l ei nt h ep r a c t i c a ls y s t e m l i t 南京邮电学院学位论文独创性声明 y 6 2s8 40 本人声明所呈交的学位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，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，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 含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：逊日期：坦! 堡竺多 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：坦盗导师签名 日期：2 竺! 丝生： 第一章绪论南京邮电学院硕士论文 第一章绪论 1 1 第三代移动通信系统基本特征和关键技术 由于第一代模拟移动通信系统和第二代数字移动通信系统只能支持语音 通信和有限的数据通信能力，已经不能适应当前的发展需求。因而第三代移动 通信系统( 3 g ) 呼之欲出，其目标就是提供更宽范围的服务，提供高速的数据 传输、因特网访问、移动视频业务和多媒体服务等，同时支持全球漫游特性。 要实现全球漫游，就要涉及传输方式的兼容和不同网络的过渡，i 羽此建立 统一的国际标准势在必行。早在1 9 8 5 年，i t u 就开始规划预期在2 0 0 0 年左右 使用的工作于2 g h z 频段上的第三代移动通信系统，当时称为f p l m t s ( 未来 公用陆地移动通信系统) 。根据日本等一些国家的建议，i t u 于1 9 9 6 年将 f p l m t s 更名为i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s2 0 0 0 国际 移动电信2 0 0 0 ) ，同时继承并进一步扩大了f p l m t s 的工作范围。 目前有3 种无线传输技术的主流方案【l j ： 宽带c d m a u t r at d d ( w c d m a ) ：由a r i b ( 日本无线工业及商贸联合 会) 在日本建立的c d m a 方案与e t s i ( 欧洲电信标准委员会) 的c d m a 方案融合而成。代表厂商有爱立信、诺基亚和n t t 等。 c d m a 2 0 0 0 ：由美国的无线传输技术评估组t i a t r 组成。代表厂商为高通、 摩托罗拉、北方电讯、朗讯和三星电子等。 t d s c d m a ：由我国电信科学技术研究院( c a t t ) 提出，是c a t t 的 t d s c d m a 与西门子的t d c d m a 先进技术的合并。代表厂商为c a t t 与 西门子。 1 1 1 3 g 的基本特征 第三代移动通信系统的最终目标是将世界上所有的蜂窝系统、无绳系统、 无线本地环路( r l l ) 、无线局域网终端、专用移动广播和寻呼结合在一起，形 成一个功能强大的网络，实现任何人在任何地点、任何时间与任何人都能便利 第一章绪论南京邮电学院硕士论文 地通信。 与基于第一代、第二代以话音和低速率数据业务为主的移动通信系统标准 相比，第三代移动通信系统有如下特点 1 1 ： 提供宽范围的业务、多速率和高速率数据业务服务； 提供高质量业务服务； 简单的小区结构和易于管理的信道； 在混和小区情况下运行( 宏蜂窝、微蜂窝和微微蜂窝等) ； 在不同的环境下运行( 室内室外、商业民用和蜂窝无绳等) ； 需要灵活的频率和无线资源的管理、系统配置和服务设施； 较大的用户容量； 低功率消耗。 1 1 23 g 的关键技术 初始同步与r a k e 多径分集接收技术 高效的信道编码技术； 信道均衡技术； 智能天线技术； 多用户检测技术； 功率控制技术； 软件无线电技术等。 1 2 后3 g 移动通信系统( b 3 g ) 过去的移动通信技术全球不统一，比如第二代有g s m 、c d m a ，而第三 代技术有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 等，不同标准对用户使用造成一 定的不便。未来的后3 g ( b e y o n d3 g ) 以及4 g 移动通信系统就要求实现全球统 一的标准，真正达到一部手机在全球的任何地点都能实现通信。 后3 g 移动通信系统技术与3 g 相比，通信速率大为提高，目前普遍认为 后3 g 的最高传输速率将超过1 0 m b i t s ：能够实现全球无缝漫游；具有非常高的 灵活性，能自适应地进行资源分配：支持下一代i n t e m e t ( i p v 6 ) ，而且是全i p 2 第一章绪论南京邮电学院硕士论文 网络。 1 2 1 后3 g 移动通信的关键技术 从技术的角度讲，b 3 g 移动通信的关键技术要在2 g 和3 g 技术的基础上 演进，因此3 g 特别是改进后的3 g 的关键技术将会是b 3 g 的重要技术。智能 天线技术、软件无线电技术、联合检测、高效的信道编码技术等在b 3 g 中可以 直接采用，而为了使b 3 g 能支持高达1 0 m b i t s 的最高传输速率，h s d p a ( 高 速下行分组接入) 技术和o f d m ( 正交频分复用) 技术得到应用【l j 。 o f d m 是由多载波调制( m c m ) 发展而来的。它是一种特殊的多载波传 送方案，单个用户的信息流被串并变换为多个低速率码流，每个码流都用一条 载波发送。o f d m 弃用传统的采用带通滤波器来分隔子载波频谱的方式，改用 跳频方式选用那些即便频谱混叠也能够保持正交的波形。因此，o f d m 既可以 当作调制技术，也可以作为复用技术。o f d m 增强了抗频率选择性衰落和抗窄 带干扰的能力。o f d m 适用于多用户的高灵活度、高利用率的通信系统。 h s d p a 技术是一种对多用户提供高速下行数据业务的技术。此技术特别 适合于多媒体、i n t e r n e t 等大量下载信息的业务。大量研究表明，采用若干新技 术可使空中下行速率达到8 m b i t s 以上，若成功采用m i m o ( 多天线发射多天 线接收) 等技术还可以达到2 0 m b i t s 以上。目前国际上对h s d p a 技术的研究 正在进行中，大量的技术提案基本上集中在a m c ( 自适应调制和编码) 和m i m o ( 多天线发射多天线接收) 等技术上。 a m c 根据信道的情况确定当前信道的容量，根据容量确定合适的编码调 制方式等，以便最大限度地发送信息，实现比较高的速率。a m c 能提供可变化 的调制编码方案( 共七级调制方案) 以适应每一个用户的信道质量，可提供高 速率传输和高的频谱利用率。 要提高系统的吞吐量，一个很好的方法是提高信道的容量。m i m o 可以成 倍地提高衰落信道的信道容量。对于采用m i m o 的系统，在理想情况下信道容 量将随着发射天线数线性增加，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与时间分集技术的结合，因而有很好的 抗干扰能力；进一步将m i m o 技术结合信道编码技术，可以极大地提高通信系统 第一章绪论南京邮电学院硕士论文 的性能。这样导致了空时编码技术的产生，空时编码技术真正实现了空分多址， 是将来无线通信中必然选择的技术之一。 空时编码是一种把编码、调制和空间分集结合起来的新兴技术，也将成为 b 3 g 技术中重要的一部分。常见的空时码主要分为空时格删码( s t t c ) 、空时 分组码( s t b c ) 和分层空时码( b l a s t ) 。 1 3 论文结构安排以及主要工作 本论文主要内容安排如下： 第一章简要介绍了3 g 与b 3 g 系统以及其中的关键技术，指出空时编码在 b 3 g 中的重要地位。 第二章介绍了发射分集与空时码，首先对发射分集技术进行讨论，指出发 射分集的优点。然后提出一种典型的发射分集技术一空时编码，对空时码进行 分类，并说明本论文主要针对空时分组码与分层空时码进行研究。最后给出了 发射分集技术在3 g 中的应用。 第三章针对空时分组码( s t b c ) 进行研究与讨论，在给出了s t b c 的编 译码原理的基础上，进行了大量的仿真工作，同时研究了衰落相关性对s t b c 性能的影响。首先给出了s t b c 在独立的r a y l e i g h 衰落信道下的性能仿真，这 是对理想情况下的s t b c 的性能进行的研究。由于实际的信道之间的衰落是相 关的，因而我们给出了相关r a y l e i g h 衰落信道下s t b c 的性能仿真。仿真的结 果告诉我们衰落相关性对s t b c 性能的影响很大，当相关系数较大时，系统的 性能很差，而当相关系数为02 左右的时候，系统的性能就几乎与在独立衰落 时的性能差不多了。而且我们可以比较容易的在基站侧采用增大发射天线间隔 等方法来保证相关系数接近0 2 ，从而保证s t b c 系统的性能。因此可以说s t b c 能够显著改善系统的误码性能。最后，为了使仿真信道更加符合实际的信道， 独立完成了s t b c 在n a k a g a m i 信道下的仿真，结果表明在n a k a g a m i 信道下 s t b c 仍有很好的性能。在国内的论文中，作者还没有见到相关的内容，因而 这是本论文的创新点之一。 在第四章中研究了分层空时码的性能。首先给出了v b l a s t ( 垂直分层空 时编码) 系统的模型，然后介绍了几种典型的检测算法，并且对以上算法进行 4 第一章绪论南京邮电学院硕士论文 了仿真实现。我们重点研究z f 算法，给出了该算法在相关的r a y l e i g h 衰落信 道下的性能仿真。结果表明，衰落相关性对z f 算法的影响非常大，不过我们 依然可以采用在基站侧增加发射天线间隔等方法来保证相关系数接近0 2 ，从而 保证z f 算法的性能。最后，为了改善z f 算法复杂度较大的缺点，提出了一种 新的改进算法，该算法根据g r e v i l l e 递归求伪逆，在对信道矩阵求伪逆的同时 得到追零向量，省去专门的迫零运算，从而可以大大降低运算的复杂度。仿真 结果表明改进算法的仿真时间大大减小，而且只有很小的性能损失。因此改进 算法比z f 算法更好。这也是本论文的创新点。 z f 算法虽然支持很高的频谱效率，但是其误码性能一般，因此在第五章 里我们针对这一不足提出了一种可以改善z f 算法误码性能的新算法- - i s p 算 法。该算法利用迭代检测来提高性能，通过仿真我们可以看出，在b p s k 调制 下z f + i s p 算法的性能比z f 算法要好4 5 d b 左右，在q p s k 调制下z f + i s p 算法在性能上比z f 算法好2 3 d b 左右。 最后我们把第四章提出的改进算法与第五章里面提出的i s p 算法结合起来 形成一个新的算法称为改进i s p 算法，这样既可以提高系统的误码性能又可以 减小计算复杂度，通过计算机仿真可以看出在大大减小了计算复杂度的情况下， 其性能只有很小的损失。因而我们可以看出，改进i s p 算法更加适合应用于实 际的系统中。本章是论文的重点也是论文的主要创新点。 第六章给出了总结与展望。 1 4 本章总结 简单介绍了第三代移动通信系统的特征和关键技术，以及后3 g 移动通信 系统( b 3 g ) 和其关键技术。最后给出了论文的结构安排和主要工作。 第二章发射分集与空时码南京邮电学院硕士论文 第二章发射分集与空时码 2 一发射分集技术 移动通信的主要特征之一是多径传播。在实际的移动环境中，尤其是城市 地区，传播过程中会遇到各种建筑物、树木、植被咀及起伏的地形，引起能量 的吸收和穿透以及电波的反射、散射和绕射等。这样，到达接收端的信号不是 从单一路径到达的，而是多条路径来的许多发射信号的合成。由于信号通过各 个路径的距离不同，因而各条路径来的发射信号的到达时间不同，相位也就不 同；不同相位的多个信号在接收端叠加，同相叠加则增强，反相叠加则减弱。 这样，接收信号的幅度将发生急剧变化，即衰落，这样的衰落一般为r a y l e i g h 衰落。对于r a y l e i g h 衰落，其接收信号包络的概率密度函数为： 生 匕( 工) = p 2 ，2 x 0( 2 - 1 ) 仃 其中x 为衰落信号的包络，口为方差。对于半径在o 2 1 公里的微小区 ( m i c r o c e l l ) ，通常有较强的直射波，此时信道特性可以用r i c e 分布来近似。 移动信道的多径效应所引起的多径衰落具有空间分布特性。在三维空间 中，由于大量发射信号相互干扰，形成了不同衰落深度的空间梯度分布。有的 区域衰落深一些，有的区域衰落浅一些。为了减弱信号的这种衰落，发射端从 不同天线上发射同一信号，通过不完全相同的路径到达接收端，接收端把各个 路径的信号合成起来，从而减少衰落，这种技术被称为发射分集技术，如图2 1 。 设发射端把要发送的信号分给m 个发射处理单元，送给各自的发射天线a 、 a 2 a 。，其发射信号为： s 。= a ，p ，( t ) c o s ( r o t + 仍) f - 1 , 2 ，m ( 2 2 ) 经各发射天线不同的传播路径、r 2 到达接收机后，会有不同的衰落影响。 如果其幅度衰落表示为d ，频率相位变化表示为鼠，则接收机接收信号 6 第二章发射分集与空时码南京邮电学院硕士论文 m r ( f ) = 口，a ，只o + f ，) c o s ( c o ( t + f 。) + 妒，+ 臼。) ( 2 3 ) i = l r ，为不同传播路径时延。 显然，如果各路径传播时延相同，信道衰落特性一样( 甜。，只均相同) 那式( 2 - 3 ) 就成为 m 尺( f ) = 口爿。e a t ) c o s ( o ) t + 纠) f _ l ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 表明，当发射分集各路径传播时延相同，信道衰落特性一样时， 接收信号不会从发射分集技术获得任何益处。如果各传播路径信道衰落特性一 样，而各路径传播时延不同，那接收信号为 m r o ) = 口a ，只o + f 。) c o s ( c o ( t + ) + 妒。) ( 2 5 ) i = l 接收方采用多径分集接收方式就可获取发送信号，也体现不出采用发射分集的 优点。 蕊漫 1 发射信息h 发射处理2p 1 一夏j y 医i 1 图2 1 发射分集原理图 如果发射天线传播的各路径信号有不同的衰落起伏特性，那接收信号如式 ( 2 3 ) 所示，接收端有不同的接收信号 r ，( f ) = 口，a ，只( f + f ，) c o s ( c o ( t + r ，) + 纪+ 只) i = 1 , 2 ，- m ( 2 - 6 ) 如果不采用分集天线发送，而仅其中一路天线发射，那口的大小起落，对接收 信号r ( t ) 的影响很大。而采用m 个天线通过不同传播路径发送，各路径的口。起 第二章发射分集与空时码南京邮电学院硕士论文 伏衰落不相同，则接收信号r ( f ) = r ) 是各路信号的综合的结果，使得接收 i = l 端趋于平稳。也可采用优化方式，把衰落起伏小的某路分集信号作为接收信号， 使接收端总保持最小的信道衰落起伏。因此，发射分集技术是基于移动通信环 境信号传播路径变化大，衰落起伏大而提出的一种稳健通信技术。 发射分集是在研究开发第三代移动通信技术和系统中提出来的，它的概念 实际上是由接收分集技术引伸而来。用发射分集的优点可以归纳如下： 对移动台而言，可尽量的简单，只增加基站的复杂度； 在基站侧增加天线的费用可以平均分摊到许多移动台用户中，而如果在移动 台采用多天线接收，费用比较昂贵。 降低衰落所带来的影响而不需要用更高的发射功率或者用更宽的带宽，能较 好的适应时变的衰落信道； 能实现同一发射信号对多移动台，获得发射增益。理论上，同样阶数的发射 分集具有与接收分集相似的分集增益。 2 2 空时码 由于发射分集是把发射信号分不同天线、在不同路径上发射，就给我们进 一步的处理提供了可能。目前针对3 g 系统的发射分集研究，提出了各种不同 的方法、方案，大多是基于空间、时间、频率和编码相结合的发射分集方法， 其空间、时间、频率和编码的关系如图2 2 所示。 其中s t t d 为空时发射分集，d d 为延迟分集，t s t d 为时间转换发射分 集，p d 为极化分集，s t d 为选择发射分集，p r e r a k e 为预r a k e 发射分集， t x a a 为自适应阵列发射分集，o t d 为正交发射分集技术，s f t d 为分频发射 分集，p a t d 为相移发射分集技术。 在空间上，可以采用多根天线、极化天线或者天线阵列。在时间上，可采 用延时、分时或者时间转换。在频率上，可采用分频和相移。在编码上，通常 采用正交码。 发射端不需要接收端的反馈信息的分集技术称为前馈分集，也称为开环发 射分集( o p e nl o o pt r a n s m i td i v e r s i t y ) 。发射端需要接收端的反馈信息的分集 第二章发射分集与空时码南京邮电学院硕士论文 技术称为反馈分集，也称为闭环发射分集( c l o s e d l o o p t r a n s m i t d i v e r s i t y ) 。反 馈分集中，移动台的测量信息发射回基站，基站调整发射从而最佳利用不同的 发射路径。反馈技术在付出复杂度的代价下，获得比前馈分集大的性能提高。 图2 2 发射分集的空间、时间、频率和编码的关系 典型的发射分集技术是采用空时编码( s p a c e t i m ec o d es t c ) 的空时发射 分集( s t t d ) ，它把送往各天线发射处理单元的信息数据信号进行编码，并作 前后时间顺序重排，在接收端经重新整理后，不仅获得不同信道衰落起伏的统 计平均，还可得到不同时间前后的信道衰落的统计平均，获取发射增益，实现 稳健接收。 在空时编码的研究之中，一方面，b e r k e l e y 的d a s h a ns h u i 、j o s e p hm k a h n 【3 和b e l l 的g d g o l d e n 、f o s c h i n i l 4 1 等在分层空时码( l a y e r e ds p a c e t i m el s t ) 上作了很多工作；另一方面，a t & t 的t a r o k h l s , 6 1 等人在总结前人关于发射分集 研究的基础上，在基于发射分集的空时码的研究上作了一些开创性的工作。 分层空时码最早由f o s c h i n i 提出【7 | ，它将信源数据分成几个子数据流，独 立地进行编码和调制，因而它不是基于发射分集的。考虑一个发射端有m 根天 线，接收端具有n 根天线的无线通信系统，每对收发天线间的信道是独立衰落、 准静态平坦r a y l e i g h 信道。如果州固定，则通信系统的容量与n 呈对数增长关 系1 7 , 8 1 。特别是当h = l 时，f o s c h i n i 和g a n s t 7 i 证明了该系统容量是 l o g ：( 1 + 鲁s n r ) ，其中厄是2 m 个具有均值为0 方差为1 的独立高斯随机变量 的平方和。而当m 增加时，若月m ，即接收天线数目大于发射天线数目，系 9 第二章发射分集与空时码南京邮电学院硕士论文 统的容量随m 线性增长，这样就可以通过增加发射和接收端的天线数目来获得 更高的系统容量。f o s c h i n i 在文中阐述了该思想，这也是b l a s t ( b e l l l a b o r a t o r i e sl a y e r e d s p a c et i m e ) 系统的原型，他根据容量下边界提出了多层编 码结构，并可以在大信噪比情况下获得很大的系统容量，但是该方案对首先检 测的分层信号的误码性能具有很高的要求。 基于发射分集的空时码是在空时延迟分集的基础上提出的口1 。空时延迟分 集是指两根天线同时发射同一信息，只不过信息通过两根天线时有一个符号的 时延。在这个基础上，t a r o k h 、s e s h a d r i 、c a l d e r b a n d k l 5 1 等提出了空时格n i j 码( s p a c e t i m e t r e l l i sc o d es t t c ) 的编码方案。在该方案中，发射端空时码采用格栅编码， 接收端采用最大似然序列估计( m a x i m u m 1 i k e l i h o o ds e q u e n c ee s t i m a t i o nm l s e ) 进行检测，分析了r a y l e i g h 和r i c e 信道下s t t c 的性能上界和设计准则，还给 出了最佳星座图、数据速率、分集增益和网格复杂度的折中的空时格栅编码。 虽然s t t c 在慢衰落信道中取得了显著的性能改善，然而它最大的缺点是随着 发射天线数目的增大，s t t c 的解码复杂度呈指数增加。 为了改善空时格删码的解码复杂度，a l a m o u t i t ”1 提出了一种采用两发射天线 的简单的空时编码发射分集方案。虽然与空时格删码相比有一定的性能损失， 但由于其简单易实现，该方案已被3 g p p ( 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 采纳。 t a r o k h 在其基础上得出了一般的空时正交分组设计，并将该码称为空时分组码 s t b c ( s p a c e t i m eb l o c k c o d e ) 吼 相对于空时格删码，空时分组码较为简单易于实现，而且性能损失不是很 大；而分层空时码具有很高的频谱效率，因而本论文将针对空时分组码与分层 空时码进行深入研究。 2 3 发射分集在3 g 中的应用 作为3 g 的两神代表性技术，c d m a 2 0 0 0 与w c d m a 都采用发射分集1 。 2 3 。le d m a 2 0 0 0 中发射分集方案 c d m a 2 0 0 0 标准要求提供高速的数据业务和多种服务质量( q o s ) 的业务， 而无线移动信道是时变多径衰落信道，对信号有很大的影响。为了克服这种衰 第二章发射分集与空时码南京邮电学院硕士论文 落，通常采用各种分集技术，包括接收分集和发射分集。由于移动台体积以及 成本的限制，通常采用基站发射分集。c d m a 2 0 0 0 标准采用了多种分集技术，例 如多载波( m c ) 发射分集，正交发射分集( o t d ) 以及空时扩展( s t s ) 等发 射分集技术。 l 正交发射分集( o t d ) 正交发射分集是一种开环分集方式。o t d 方式中，经过编码、交织后的数 据符号经过数据分离，按照奇偶顺序分离为两路，经过映射后，其一路经( + + ) 重复，另一路经( + 一) 重复，之后两路数据乘上w a 】s h 码，再由p n 码 序列进行复扩频，然后经过增益，每一路用一根天线发送出去。这种发送方式 与普通方式基本上是相同的，只是码重复不同。码重复的过程可以看作是两路 数据分别经过了一个构造高一阶的w a l s h 码的过程这种重复方式保证了两路 w a l s h 码扩展到正交性。 图2 3 所示为正交发射分集的结构框图。经过数据分离的两路数据分别为 屯k ，它们分别经过了符号重复和w a l s h 扩频后的输出为 s 1 = t 彤s 2 = x o ，式中和分别表示两个w a l s h 码。 图2 3 正交发射分集结构框图 采用o t d 的发射分集方式，其中一个导频采用公共导频，另一个天线需 要应用发送分集导频，并且两个天线的间距一般要大于l o 个波长的距离，以得 到空间的不相关性。 由于发射分集中，信号在时间域和频率域内没有冗余，这样发射分集不会 降低频谱利用率，因而有利于高速数据传输。但是由于采用了多天线，在空间 第二章发射分集与空时码南京邮电学院硕士论文 域引入了冗余，并且两个天线发送的信号到达移动台不相关，这样使得传输的 性能得到了提高。 图2 4 为c d m a 2 0 0 0 前向链路应用o t d 发射分集方式的调制框图。 2 空时扩展分集( s t s ) 空时扩展发射分集是另外一种开环发射分集方式，这种方式下，编码、交 织符号采用多个w a l s h 码进行扩频。s t s 方式是空时码中空时块码的一种实现 方式。空时码还包括空时格码，是由v a h i d t a r k o h 于1 9 9 8 年提出的。空时格码 集发射分集和编码于一体，在时间和空间域上引入编码，因而具有较好的频率 和功率有效性。空时格码具有良好的抗慢衰落特性，但是随着天线数目的增加， 解码的复杂度也指数增加，因而在后来由s m a l a m o u t i 又发现了一种简单的发 送分集的技术，就是采用两根天线正交分组编码的方式，后来被v a h i dt a r k o h 归纳为空时分组码。c d m a 2 0 0 0 标准中采用的就是这种s t s 发射分集方式。 图2 5 所示为s t s 的发射结构框图。发送的符号表示为 s ：b l w , - f b 一2 w 2 s ，：b 2 w 1 + f b y e 2 0 1 一f 一，一# 一 、2、2 式中，w 1 和w 2 为两个正交的w a l s h 码。 s t s 发射分集方式在移动台接收端的解扩基于w a l s h 码的积分，空时分组 码的构造和译码比较简单，而且当一根天线失效时，仍能工作。与o t d 发射分 集方式相比，由于s t s 扩展扩频比的加倍，每个符号的能量在总能量不变的条 件下，与普通模式是相同的，而且每个符号经历的独立衰落信道数目是o t d 方 式的一倍，因此s t s 分集性能要高于o t d 方式。 图2 6 所示为c d m a 2 0 0 0 标准中前向链路应用s t s 发射分集方式的调制结 构图。 2 3 2w c d m a 中发射分集方案 w c d m a 中的发射分集技术主要是空时发射分集( s t t d ) 和时间转换发 射分集。其中s t t d 与c d m a 2 0 0 0 方案中的s t s 相类似。在s t t d 方案中，信 源比特经过s t t d 编码，分成两路，每一路又分成i 、q 两路，用信道编码和扰 码进行扩频调制，最后进行正交载波调制，分别从天线a 、b 上发射。其整个 流程可用图2 7 表示。 第二章发射分集与空时码南京邮电学院硕士论文 2 3 本章总结 本节介绍了发射分集技术与空时码，并给出在c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 中的 应用方案。 复数乘 图2 4c d m a 2 0 0 0 0 t d 发送分集i 、q 映射 图2 5s t s 结构框图 第二章发射分集与空时码 南京邮电学院硕士论文 图2 7w c d m as t t d 发射分集结构框图 1 4 第三章空时分组码的研究南京邮电学院硕士论文 第三章空时分组码的研究 随着移动通信的发展，其业务也从单纯的语音业务扩展到多媒体业务。为 解决频谱资源曰趋紧张的问题，人们努力开发高效的编码、调制以及信号处理 技术来提高无线频谱的效率。信息理论的发展指出，通过采用多发射和多接收 天线可以有效地增加无线通信系统的信息容量而提高无线频谱的效率【l “。发射 分集技术就是一种有效的多发射多接收天线实现方式，它通过多个发射天线发 射信号而人为地引入分集实现可靠传输。 典型的发射分集技术是采用空时编码( s t c ) 的空时发射分集( s t t d ) 。 在空时编码的研究过程中，人们提出了不基于发射分集的分层空时码【3 , 4 , 7 1 和基 于发射分集的空时格删码【5 】。由于空时格删码的译码复杂度比较高，为了解决 这个问题，a l a m o u t i t ”1 提出了一种采用两天线的简单的空时编码发射分集方案。 虽然与空时格码相比有一定的性能损失，但由于其简单易实现，该方案已被 3 g p p ( 3 r d g e n e r a t i o n p a r t n e r s h i p p r o j e c t ) 采纳。t a r o k h 在其基础上得出了一般的空时 正交分组设计，并将该码称为空时分组码s t b c ( s p a c et i m eb l o c k c o d e ) 【6 】。 本章主要研究s t b c 的编译码原理以及在不同信道下的性能仿真。研究了 衰落相关性对s t b c 性能的影响。目前对于s t b c 的研究大都是采用r a y l e i g h 衰落信道模型。为了使移动无线通信系统的性能更接近于实际的衰落环境，本 文还采用了n a k a g a m i i t i 衰落模型【1 4 】来研究s t b c 的性能。安排如下：3 1 节主 要讨论s t b c 的编译码原理；3 2 节对s t b c 在独立的r a y l e i g h 衰落信道下的性 能进行仿真：3 3 节对s t b c 在相关r a y l e i g h 衰落信道下的性能进行仿真；然后 在3 4 节我们给出了n a k a g a m i 衰落信道下s t b c 性能仿真结果；在3 5 节分析 了衰落相关性对s t b c 性能的影响。最后，3 6 节总结本章内容。 3 1s t b c 编译码原理 我们假设基站侧有”根天线，移动台有m 根天线，每个时隙t ，信号 0 ，砰，f 同时从n 根天线上发送。从发射天线i 到接收天线之间的信道增益 第三章空时分组码的研究南京邮电学院硕士论文 定义为口。，该路径增益建模为实虚部方差为0 , 5 的复高斯独立随机变量。假设 通信信道的带宽足够窄，这样信道就可以看成准静态平衰落信道，也就是在一 帧之间信道没有变化，而在帧与帧之间是不相同的。 天线在时刻f 的接收信号为： = 1 2 i ，+ ”? ( 3 1 ) 其中噪声样本一为零均值实虚部方差为n ( 2 s n r ) 的独立的复高斯随机变 量【1 3 j 。每天线上的发送码元能量归一化为l ，这样每根接收天线接收到的平均 功率为”，信噪比为s n r 。 3 1 1 s t b c 的编码过程 空时分组码一般采用复码元设计6 1 。即在给定时刻f ，将肋比特映射成 个信息码元5 j ，# ，每个信息码元用2 6 个信号星座图中的一个星座点来表 示。k 个信息码元经过不同天线( 表示空间) 和码元间隔( 表示时间) 的两维 进行编码。对个信息码元的编码过程可以用一个专门的编码矩阵( p 行n 列) g 或h 。来表示： 卜空间寸 一l 一“ ： - x p l 0 一 个 时 间 土 ( 3 2 ) 其中矩阵的各列相互正交。编码矩阵g 的各项z 。为2 6 维信号空间的码元x 或x 的共轭以及它们的线性组合。编码后，相对应于矩阵g 的某一行的所有码 元同时发送，所以g 的列表示空间，行表示时间概念。由于在p 个时隙中发送 k 个信息码元，所以传输速率为r = k p 。 对于二根发射天线时，采用a l a m o u t i 方案【1 0 l ，其编码生成矩阵为 第三章空时分组码的研究南京邮电学院硕士论文 g ：。= 匕x 2 ， l 一j 因为利用p = 2 个码元时隙发送j i =