（通信与信息系统专业论文）移动通信系统中的空时编码技术研究(1).pdf

哈尔滨_ t 程大学硕士学位论文 摘要 空时编码技术具有很高的频谱利用率和较好的通信质量，能够满足高速 数据通信业务的要求。空时编码分为：分层空时编码、空时格型编码和酉空 时编码、差分空时编码。本文对分层空时编、译码技术进行了研究，提出了 改进的编译码方法，并对在不同信道下的空时码分析和设计进行了研究和比 较，对不同的算法分别进行了仿真研究。 首先本文介绍了空时码技术的研究背景，并研究了三类分层空时编码： 水平分层空时编码、对角分层空时编码和垂直分层结构空时编码。对分层空 时译码进行了详尽的研究，将最大似然译码算法和迫零检测译码算法进行了 比较，提出了一种基于最小均方误差准则的算法，给出了改进的权向量计算 方法，均衡考虑了信道特性矩阵和接收信号中的噪声对系统的影响，仿真结 果显示，这种算法一定程度上改进了系统的性能。最后对v l s t 和d l s t 译码 的性能分析和比较，得出了各自的优缺点。接着提出了改进的分层结构的空 时分组编码，在发射端对发射天线分组，每组独立空时分组编码，而在改进 端进行分组干扰抑制，并且用奇异值分解方法实现解码。该方法具有高于 s t b c 的频谱利用率和码速率。仿真结果验证了该方法的抗衰落性能优于 b l a s t 。最后分别就空时码在频率选择性衰落信道下和在空间相关衰落信道下 的性能进行了分析，并就两种信道进行了空时码的设计，同时进行了计算机 仿真。 关键词：空时编码、分层空时编码、最大似然、迫零检测 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t s p a c e - t i m ec o d i n g ( s t c ) t e c h n o l o g yh a sb e t t e rs p e c t r a le f f i c i e n c ya n db e a e r c o m m u n i c a t i o nq u a l i t y i tc a ns a r i s f yt h en e e do fh i 【曲s p e e dd a t ac o m m u n i c a t i o n s e r v i c e s s t c t e c h n o l o g y c a l ld i v i d e i n t o ：l a y e r e d s p a c e t i m ec o d i n g ( l s t c ) ，s p a c e - t i m et r e l l i sc o d em o d u l a t i o n ( s t - t c m ) ， u n i t a r ys p a c e 4 i m ec o d i n g ( u s t c ) ，d i f f e r e n t i a ls p a c e - t i m ec o d i n g f d s t c ) t h i sp a p e rs t u d i e sl s t ca n dd e c o d et e c h n o l o g y , a n dp r e s e n t si m p r o v e d c o d ea n dd e c o d em e t h o d s w es t u d ya n dc o m p a r et h ea n a l y s ea n dd e s i g no fs t ci n d i f f e r e n tc h a n n e l s ，a n dh a v es i m u l a t i o n sf o rd i f f e r e n ta l g o r i t h m s f i r s t ，w e i n t r o d u c e b a c k g r o u n d o f s t c ，a n ds t u d y t h r e ek i n d so f l s t c ：l l s z v l s f d l s t w em a k ee l a b o r a t es t u d i e sf o rl s td e c o d ea n d c o m p a r em ld e c o d ea l g o r i t h mw i t l lz fd e t e c t i o na l g o r i t h m w ep r e s e n ta n a l g o r i t h mb a s e do nm m s ea n dg i v ec o m p u t a t i o nm e t h o do fi m p r o v e dw e i g h t v e c t o r e q u a l i z a t i o nc o n s i d e re f f e c t so f c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i cm a t r i xa n dn o i s et o s y s t e m s i m u l a t i o nd e m o n s t r a t e st h a tt h i sa l g o r i t h mi m p r o v e ds y s t e mp e r f o r m a n c e t os o m ee x t e n t a tl a s tt h r o u g hc o m p a r i s o no fv l s td e c o d ea n dd l s td e c o d ew e g e tt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h e nw ep r e s e n ti m p r o v e dl s t c w e g r o u pt h ea n t e n n a sa tt h et r a n s m i t ，e a c hg r o u pe n c o d ei n d e p e n d e n t y w er e s t r a i n n o i s ea tt h ei m p r o v e de n d a n dd e c o d ew i t hs v dm e t h o d t h i sm e t h o dh a sb e t t e r s p e c t r a le f f i c i e n c ya n dh i g h e rr a t et h a ns t b c s i m u l a t i o n sv e r i f yt h a tt h i sm e t h o d h a sb e t t e rp e r f o r m a n c eo f a n t i f a d i n gt h a nb l a s t a tt h ee n d ，w ea n a l y z es t c s p e r f o r m a n c ei nf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e la n ds p a t i a lr e l a t i v ef a d i n g c h a n n e l w jd e s i g ns t cf o rb o t ho f t h e ma n dh a v es i m u l a t i o n sa tt h es a m et i m e k e yw o r d s ：s t c ，l s t c ，m l ，z fe t e c t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：。歹年月4 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 移动通信的发展及其关键技术 科学技术的飞速发展给人们的生活带来了日新月异的变化。通信技术的 进步更是对社会文明与进步产生深刻的影响。移动通信系统由于综合利用了 有线和无线的传输方式，解决了人们在活动中与固定终端或其他移动载体上 的对象进行通信的要求。个人通信概念的出现更是为未来的通信服务展示了 美好的前景。个人通信是未来移动通信的目标，是指任何人在任何时间和任 何地点可实现与任何个人进行的任何种类的信息交换。 现代无线通信起源于1 9 世纪h e r t z 的电磁波辐射实验。从此，人们认识到 电磁波和电磁能量是可以控制发射的。其后，基于m a x w e l l 的电磁波方程组理 论，m a r c o n i 完成了跨大西洋无线电通信，从而证实了电波携带信息的能力。 然而，真正的移动通信技术的发展应从2 0 世纪2 0 年代开始，其代表是工作于 2 m h z 的美国底特律警察局使用的专用移动通信车载系统。2 0 世纪3 0 年代初， 移动发射机出现。第二次世界大战也极大地促进了移动通信的发展，各国武 装部队都采用了大量的无线电通信系统。第二次世界大战结束后开始了建立 公众移动通信系统的阶段。 到目前为止移动通信经历了从第一代模拟移动通信系统，第二代数字移 动通信系统g s m ，正在向第三代移动通信系统以及后3 g 、4 g 发展。 七十年代中期至八十年代中期主要采用以模拟技术为基础的第一代的蜂 窝移动通信系统。模拟的蜂窝移动电话典型的系统主要包括美国的a m p s 、英 国的t a c s ，瑞典的n m t - 9 0 0 及日本的h c m t s 等。这一阶段最重要的突破是贝尔 实验室在七十年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即小区制，由于实现了频 率复用，大大提高了系统容量。模拟系统的主要缺点是频率利用率低，有限 的频谱资源和无限的用户容量的矛盾十分突出；其次，模拟系统存在同频干 扰和互调干扰；第m o b “ec o m m u n i c a t i o n s ) 网络在欧洲铺设。以t d m a 为基础 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的其它第二代数字蜂窝移动通信系统( 如美国的d a m p s 、日本的j d c 等) 也相继 投入使用。t d m a 数字蜂窝系统较f d m a 蜂窝系统有许多优势：频谱效率高，系统 容童大，保密性能好，话音质量好等等。美国在发展数字蜂窝移动通信时， 形成了一种多元化的倾向。虽然制订了基于t d m a 的i s 一5 4 标准，但美国一些公 司仍在研究各种技术方案。尤为值得一提的是o u a l c o m m 公司提出的种采用 码分多址( c d m a ) 方式的数字蜂窝系统的技术方案。c d m a 技术因其固有的抗多 径衰落的性能，并且具有软容量、软切换、系统容量大、可以运用如话音激 活、分集接收等先进的技术，使得c d m a 系统在移动通信领域的应用备受青睐。 在美国q u a l c o m m 公司为首的倡导者提出的c d m a 系统方案，成为i s 一9 5 标准，其 商用系统己分别在香港、南韩、北美等国家和地区投入使用，取得良好的用 户反映。 第二代数字蜂窝系统提供话音和低速数据业务的服务。对第二代移动通 信系统( g s m 和i s - 9 5c d m a ) 来说，其主要业务是话音，并辅以低速数据( 9 6 k p s 或1 4 4 k b p s ) 业务。然而，随着用户数的迅猛增加，第一、第二代蜂窝移动通 信系统渐渐不能满足用户容量的发展需要和业务需求。所以新一代移动和个 人通信系统的研究和发展成为电信领域的一个新的研究热点。 在第三代移动通信系统国际标准确立之前，出现了第2 5 代的移动通信产 品。所谓2 5 代移动通信系统，实质上是第二代系统向第三代系统演进过程中 出现的过渡性系统。典型的2 5 代系统有g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 和e d g e ( e n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg s m g l o b a le v o l u t i o n ) 等。其中g p r s 标准化于1 9 9 8 年完成，商用化从1 9 9 9 年开始。并从2 0 0 1 年开始提供速率为 l o o k b p s 左右的数据业务。e d g e 是在1 9 9 7 年首先由e t s i 提出，美国于1 9 9 8 年初 也采纳了e d g e 方案。e d g e 支持的室外业务速率可达3 8 4 k b p s 。 第三代移动通信系统3 g 的标准i m t 一2 0 0 0 ，是指使用2 0 0 0 m h z 左右频 段、提供业务速率高达2 0 0 0 k b p s 的全球移动通信系统，它具有如下的特点： 系统的国际性，提供全球无缝覆盖和漫游，世界范围设计的高度一致 性： 业务的多样性，提供话音、数据和多媒体业务，车载通信速率为 1 4 4 k b p s ，步行通信速率为3 8 4 k b p s ，室内通信速率为2 m b p s ； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 高质量的业务，满足通信质量能达到与固定网相比拟的高质量业务要 求： 高度的灵活性，按需分配带宽，支持大范围、可变速率的信息传送； 频谱利用率高、通信容量大；三，模拟系统保密性差，不易提供保密性 业务等。因此，模拟系统发展了一段时间后便面临着巨大的压力。 近年来，随着超大规模集成电路技术、低速话音编码等技术的发展， 数字技术得到了广泛的应用。1 9 9 2 年第一个数字蜂窝移动通信系统，欧 洲的g s m ( g l o b a ls y s t e mf o r 袖珍、多频、多模、通用移动终端： 满足通信个人化的要求； 系统初始配置能充分利用第二代系统设备和设施，随后实现平滑升 级： 低的费用，包括设备和服务两方面。 目前己被国际电信联盟( i t u ) 同意批准的3 g 主流标准有四种： 3 g p p 的d s c d m a f d d ( 也称w c d m a ) ； 3 g p p 2 的m c c d m a ( 也称c d m a 2 0 0 0 ) ； 美i a i 的s c t d m a ( 也称u w c i 3 6 ) ； 我国提出的t d s c d m a 系统作为第三代移动通信系统d s c d m a t d d 的低 码片速率选项，这是我国移动通信历史上的重大突破。 1 2 第三代移动通信的关键技术 给3 g 系统带来天翻地覆变化的当然是3 g 中所采用的多种高新技术，这 些高新技术是3 g 通信系统的精链，也是制定3 g 标准的基础。 分集技术 衰落是影响通信传输质量的一个主要因素。快衰落的深度可达3 0 4 0 d b ， 单是利用加大发射的功率来克服这种深度衰落是不现实的，而且会对其它发 射机造成严重的干扰。分集技术则是设计用来抗衰落的一种有效措施，它己 广泛应用于移动通信、短波通信等随参信道中。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 分集主要分为两类：“宏分集”和“微分集”。宏分集主要用于蜂窝移动 通信系统中，也称为“多基站分集”，这是一种减少馒衰落影响的分集技术， 其做法是将多个基站设置在不同的地理位置上和不同的方向上。微分集是一 种减小快衰落的分集技术，为了达到信号之间的“不相关”，可以从空间、频 率、极化、角度及时间等方面实现这种不相关性。 由于快衰落是移动通信的最大挑战，因此微分集就是通常所指的分集技 术，主要包括空间分集( 含角度分集、极化分集) 、频率分集、时间分集( 含多 径分集) m i m o 系统 对于一个发射端有n 个天线、接收端有m 个天线的多天线系统，我们将它 简记为系统。有时也将一个系统称为多输入、多输出( m u l t i i n p u t 、 m u l t i o u t p u t ) 系统，简记为m i m o 系统。文献 3 0 ，3 1 ，3 2 从信息论的角度研 究了多天线系统在衰落信道中的信道容量：对于n 个发射天线和m 个接收天线 系统，其信道容量为 c = l o g ：d e t il + ( p n ) 月h ”】( b i t s h z ) 其中，d e t f z ) 对矩阵x 求行列式： x ”x 的共轭转置； 。n 竹单位阵； h = 。啊： - 。 岛，呜：嚏， 吃。吃：k h n m 阶信道衰落系数矩阵； 从第纠、发射天线到第个接收天线间的复的瑞利衰落系数； p n 个发射天线发射的总功率和。 可以得到，多天线系统在信道容量上比单天线系统有显著的提高，这正 是空时编码系统增加无线通信系统容量的理论依据。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 空时处理技术 现在的移动通信系统主要用时间域信号处理技术，智能天线与阵列信号 处理是空间域信号处理技术。时间域处理技术不能有效的消除同道干扰 ( c c i ) ，而空间域处理技术一般都要求窄带假设( 即信号经过阵列长度所需的 时间应远小于信号相干时间) 和同时激活的用户数不超过阵元数，这样需要将 空间域处理和时间域处理结合起来，由此产生空时处理技术。利用空时处理 技术能很好的结合单时间处理和单空间处理的各自特点，这是近年来通信领 域与信号处理领域共同关注的热点。 空时处理技术的主要研究方向有空时估计( s p a c e t i m ee s t i m a t i o n ) 、空 时检测( s p a c e t i m ed e t e c t i o n ) 、空时编码( s p a c e d m ec o d i n g ) 、空时均衡 ( s p a c e t i m ee q u a l i z a t i o n ) 、空时分集( s p a c e t i m ed i v e r s i t y ) 和空时波束 形成( s p a c e t i m eb e a m f o r m i n g ) 等。空时处理技术充分利用了信号与信道的 空间和时间的特性，从而有效地改善了阵列增益和分集增益、有效的消除干 扰和抗多径衰落，从而提高系统的容量。 除此之外，移动通信关键技术还包括：智能天线技术、同步技术、功率 控制、移动性管理等等。 1 3 本文的主要工作 首先本文介绍了空时码技术的研究背景，并研究了三类分层空时编码： 水平分层空时编码、对角分层空时编码和垂直分层结构空时编码。对分层空 时译码进行了详尽的研究，将最大似然译码算法和追零检测译码算法进行了 比较，提出了一种基于最小均方误差准则的算法，给出了改进的权向量计算 方法，均衡考虑了信道特性矩阵和接收信号中的噪声对系统的影响，仿真结 果显示，这种算法一定程度上改进了系统的性能。最后对v l s t 和d l s t 译 码的性能分析和比较，得出了各自的优缺点。接着提出了改进的分层结构的 空时分组编码，在发射端对发射天线分组，每组独立空时分组编码，而在改 进端进行分组干扰抑制，并且用奇异值分解方法实现解码。该方法具有高于 哈尔滨工程大掌硕士学位论文 s t b c 的频谱利用率和码速率。仿真结果验证了该方法的抗衰落性能优于 b l a s t 。最后分别就空时码在频率选择性衰落信道下和在空间相关衰落信道 下的性能进行了分析，并就两种信道进行了空时码的设计，同时进行了计算 机仿真。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章分层空时码技术 2 1 空时码技术的背景 在无线移动通信中，信道特性十分复杂。栽有信息的信号电磁波在无线 信道传输过程中要经过反射、折射、散射、阴影效应、多普勒效应、多经效 应等作用，从而产生多种衰落现象，严重影响了移动通信的性能。同时，由 于近年来移动用户的增多，以及人们对移动通信业务的追求已从传统的以语 音和低速率数据业务，转为面向多媒体业务包括图象和视频等高速率数据业 务。以移动计算终端为界面的通信方式正在引领着技术发展的潮流。提高无 线数据通信速率等效于提高无线通信信道容量，也等效于提高频谱利用率， 人们围绕这一问题做了大量的工作，力求最大限度的利用时间、频率、功率 和空间资源。 移动通信中的物理信道必须要占据一定的时间、频率、功率和空间，而 这些资源是有限的，并且是所有信道共享的。在频分多址系统中，主要以频 率的不同划分不同的信道；在时分多址系统中，在频率分开的基础上，又在 时间上划分出了许多信道；码分多址系统是自干扰系统，其本质是许多信道 共享功率资源，而区分这些信道的是p n 码。时间、频率和功率资源可以看作 是一维的资源，可以在一根坐标轴上表示，业界对这些资源的利用已经非常 成熟。而空间资源是一种二维的甚至是三维的资源，真正充分利用空间资源 的技术难度也相应较大。从无线通信发展初期到现在，虽然大家越来越重视 开发利用空间资源，但到目前为止，在空间资源方面仍然还有很大的潜力可 挖。在对各种空间资源利用的技术中就包括空时编码技术，它具有很高的频 谱利用率和较好的通信质量，能够满足高速数据通信业务要求。 空时码( s p a c e t i m ec o d e s ) 的概念于1 9 9 8 年由a t & tl a b - r e s e a r c h 的 y a h i dt a r o k h 等人系统地提出。当时，国际上第二代移动通信系统己经发展 得比较成熟，关于第三代移动通信系统的研究正在如火如荼地展开。第二代 移动通信系统支持电路交换业务和低速率的分组业务，而在第三代移动通信 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 系统中，要求支持的数据速率大大提高，如在室外至室内环境下最高数据速 率应达到3 8 4 k b p s ，而在室内环境下，最高数据速率应达2 m b p s 。 带宽受限的无线信道是传输高速率数据流的瓶颈。为了实现高速率数据 传输，必须采用带宽效率更高的编码调制技术。采用多发射天线和多接收天 线技术能够拓宽上述瓶颈。空时编码技术是在m i m o ( m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ) 天线系统基础上发展起来的。在3 g p p 的高速下行分组接入 ( h s d p a ：h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k a g e a c c e s s ) 方案中提出了m i m o 天线系统， 该系统在发送和接收方都有多根天线，并引入了编码重用( c o d ef e u s e ) 技 术，用相同的信道码和扰码调制多个不同的数据流，这样在不增加码资源的 基础上提高了原始数据传输速率。在接收端采用多天线和空问信号处理技术， 对于扩频码不同的数据流，可以利用扩频码的正交性分离出来，但对于采用 相同扩频码的各个数据流，就要靠不同天线信号在无线信道中的不相关性来 区分。为了保证相同扩频码的各个子数据流能有效分离，各天线的间隔距离 要比较大，以保证信号的不相关性。m i m o 天线系统能提供1 4 4 m b s 甚至 2 1 6 m b s 的数据传输速率。m i m o 系统的信道容量理论从信息论观点为成倍提 高衰落信道的信道容量奠定了理论基础。在窄带平坦瑞利衰落信道下有如下 信道容量公式 c a m l 0 9 2 ( h s n r m ) h 脚 其中，m 一发送天线数： n 接收天线数； s n r 信噪比。 由上式可以看出，对于采用多天线阵发送和接收技术的系统，在理想情 况下信道容量将随着m 线性增加，从而提供了目前其它技术无法达到的容量潜 力。其次，由于多天线阵发送和接收技术本质上是空间分集与时间分集技术 的结合，有很好的抗干扰能力；进一步将多天线发送和接收技术结合信道编 码技术t 可以极大地提高通信系统的性能。可以说，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。 概括起来空时编码技术按照发射端和接收端是否需要知道信道状态信息 分为两大类： 啥尔滨工程大学硕士学位论文 第一类空时编码：解码时需要确切知道c s i 的，具体可分为下面三种： 分层空时编码( l s t c ，l a y e r e ds p a c e t i m ec o d i n g ) 技术； 1 9 9 6 年，美国b e l l 实验室提出了分层空时编码的概念，并于1 9 9 8 年提出了分 层空时编码技术的框架，在此基础上开发出了b l a s t ( b e l ll a y e r e d s 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。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。 空时格型编码( s t t c ，s p a c e t i m et r e l l i sc o d i n g ) 技术： a t & t 实验室的t a r o k h 等人提出的用于高速数据无线通信的格型空时编码 ( s t t c ) 技术同时利用了传输分集和信道编码技术。这种空时编码以格型编码 调制为基础，具有很高的编码增益和分集增益，但是编码和解码复杂度极高， 目前多用计算机搜索实现，这是它应用受限的关键。 空时分组编码( s t b c ，s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ) 技术： 由于空时格型编码的编译码比较复杂，美国的c a d e n c e 公司的研究人员提 出了一种基于正交设计的空时编码空时分组编码。虽然它的性能比空时 格型码的性能略差，但其构造容易，译码简单。但是空时分组编码在保证获 得晟大分集增益的前提下它的传输速率不能达到最大。 第二类空时编码：编解码时发射端和接收端都不需要知道c s ，具体分为 两种： 酉空时编码( u s t c ：u n it a r ys p a c e t i m ec o d i n g ) 技术： 酉空时编码在形式上类似于s t b c ，是h o c h w a l d 根据文献 1 4 的结论构造 的一种接收端不需信道估计的空时编码，要求发送码矩阵为酉矩阵。 酉空时编码作为快衰落信道下的种空时编码解决方案，因为好性能的 酉空时编码需要大量的酉矩阵，如何更系统有效地解决这一问题则是今后一 个重要的研究方向。 差分空时编码( d s t b c d if e r e n t i a ls p a c e t i m ec o d i n g ) 技术： t a r o k h 提出一种简单的提供分集的发射方案，基本思想类似于单天线条 件下的差分调制技术。它用在发射端和接收端都不知道信道状态信息。 h j a f a r k h a n i ，v a h i dt a r o k h 基于广义的正交空时分组编码将此种差分检测 哈尔滨工程大学硕士学位论文 方案由两个发射天线推广至多个发射天线。差分空时编码的最大优点是编译 码都不需要c s i ，在接收端它也支持最大线性解码，但是它与相应的空时分 组编码相比，性能上要差3 d b 。 从目前的研究结果看，空时编码是一种极具潜力的技术，有着很好的应 用前景。空时编码体制已被纳入第三代移动通信( 3 g ) 的标准( i m t 一2 0 0 0 标准) c d m a 2 0 0 0 和w - c d m a 之中，也必将成为笫四代移动通信系统中的关键技 术。 2 2 分层空时编码 分层空时编码技术的基本思想是把高速数据业务分成若干低速数据业 务，通过普通的并行信道编码器编码后，对其进行并行的分层编码，编码信 号经调制后用多个天线发射，实现发射分集。由b e l l 实验室提出的b l a s t 系统 是分层空时编码的经典结构，如图2 1 所示。输入信号经信号分离器分离成n 个长度相同的数据流，分别输入n 个编码器。这些编码器可以是二进制的卷积 编码器，也可以不经过任何编码直接输出，其输出信号经调制后，使用相同 的载波由发射天线阵同时发射。 多 路 分 解 器 波 束 土咂煎 形多 成上咂亟p路 空 复一 间用 分器 离卫哑壅p 器 l 一一一一建射凿一一一一一一jl 一一一一一一撒趟一一一一一一一； 图2 1b l a s t 系统结构图 设第扑子编码器在j 时刻的输出符号q ，其中，= l ，2 ，, ，如图2 1 所 示，再将经过分层空空时编码器编码送入相应的发射天线，根据分配方式的 不同分层空时编码l s t c 可以分为下面三类：水平分层空时编码( h l s t c ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 h o r i z o n t a l 】yl a y e r e ds p a c e t i m ec o d i n g ) 、对角分层空时编码( d l s t c ， d i a g o n a l l yl a y e r e ds p a c e t i m ec o d i n g ) 和垂直分层结构空时编码( v l s t c ， v e r t i c a ll a y e r e ds p a c e t i m ec o d i n g ) 。三种分层结构的空时编码分别如图 2 2 2 3 所示。 从上面的图中，很容易看出经典的b l a s t 结构是属于水平分层结构的空时 编码。另外从三种分层结构中，显然，这些分层码块被分散到时间和空间上， 即每个子编码器输出的符号流经过不同的时间和空间到达接收天线。 比较上述三种分层空时编码方案，d l s t c 具有较好的空时特性及层次结 构，但有n f h i ) 2 比特的传输冗余，复杂度稍大；v l s t c 没有传输冗余，但 是其空时特性及层次结构较对角分层空时编码差。经典的b l a s t 由于各层之间 没有实现信息的共享，所以其空时性能较差，导致其特性最差。 巨墅孙因囡圆圈团圆 臣塑至卜囡园圃囡团团 图2 2 子编码器输出 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 固困回固回叵丑 至发射天线1 囡囡圈囡团叵3 至发射天线1 固囡团囡团叵丑 至发射天线n 丽宁者卜 广1 嗡司轴 图2 3 水平分层结构的空时编码 哈尔滨 ：程大学硕士学位论文 2 3 分层空时译码 我们研究纠错码的意义是：在保持一定的信息传输速率的条件下，通过 编译码来降低误码率，从两实现可靠通信，并要求译码器尽可能简单。由于 在频带利用率方面的巨大潜力，分层空时码越来越受到人们的关注。但接收 端检测信号时对信道特性矩阵的依赖，导致l s t 系统性能较差，成为限制其发 展的主要因素。 最大似然( m l ) 译码在获得最小差错概率方面是最佳的，但其译码复杂 度是随着天线数和调制阶数的增加而呈指数增加，这是一个不容忽视的问题。 追零检测( z f ) 译码b 1 入信道特性矩阵的广义逆，作为接收天线的加权 向量，有效抑制了其他天线的干扰，但同时也丢失了部分有用信息。 基于以上考虑，以下将从最小均方误差( m m s e ) 原则出发，给出了一种 改进的权向量计算方法，均衡考虑了信道特性矩阵和接收信号中的噪声对系 统的影响。从仿真结果中可以看出，这种译码算法在一定程度上改进了系统 陛能。 2 3 1 最大似然译码算法 图2 4 数字通信系统模型数字通信系统模型如图2 4 所示 图2 4 数字通信系统模型 根据纠错码理论“1 ，设信道编码器输入序列为m ，信道编码器输出( 即信道输 入) 序列为c ，信道译码器的输入( 即信道输出) 序列为r ，信道译码器的输 出序列为时，干扰序列为e 。译码器将根据r 产生一个c 的估值序列e ，则 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 当且仅当0 = e 时，麝= m 时，译码器正确译码。 当给定接收序列r 时，译码器的条件译码错误概率定义为 p ( e 1 月) = p ( c c 1 月) 【2 1 ) 所以，译码器的错误译码概率定义为 圪= p ( e i 尺) p ( 月) ( 2 2 ) p f 月) 是接收r 的概率，与译码方法无关，所以译码错误概率最小的最佳译 码规则是使 m i n p e = r a i n p ( e r ) = r r j r n p ( c c i r ) ( 2 3 ) m i n p ( c c l r ) j m a x p ( c = c 1 尺) ( 2 4 ) 对于输入的r ，译码器要在2 。( k 为码长) 个码字中选择一个使 p ( d ；c i r ) 最大的码子e ，作为c 的估值序列e ，其中，i = 1 ，2 ，2 。 由贝叶斯公式 叫炉警 可知，若发端发送每个码子的概率p ( e ) 均相同，且由于尸( r ) 与译码方法无 关，所以有： 。m 。a x 。p ( c , i r ) 。m 。a x p ( 月l e ) ( 2 - 6 ) 一个译码器的译码规则若能在2 个码字中选择一个使( 2 - 6 ) 式最大，则这 种译码规则称为最大似然( m l ) 译码，e ( r l c ) 称为似然函数。 由于l 0 9 6 x 和x 是单调关系，则有： 。m 。a x ：。p ( 水净，要餐。l o g p ( r i c , ) 2 7 其中，l o g 。p ( r e ) 称为对数似然函数。 这里，我们首先给出有t a r o k h 和g u e y 分别提出的采用m l 译码的l s t 的 差错概率表达式，这一结果成为衡量其他译码方案性能的标准。根据文献“ 中的内容，我们利用( 2 - 8 ) 式作为分层码信息比特的对数似然比： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a ( b ，) = l o g ( 2 8 ) 其中，- 表示第j 根接收天线收到的信号，t 表示第1 根发送天线发 送的信号，口，是从第1 根发送天线到第j 根接收天线的信道特性因子。 用c 和e 分别表示两个不同的码字矩阵，假设c 是被发送的码字矩阵。 c 和e 之间的平均错误概率记为p r o b ( c e ) ，表示接收到的信号由e 给出 的可能性比由c 给出的可能性高的概率。这里，“平均“是基于信道矩阵h 的随机构造。 在快衰落环境中，p r o b ( c e ) 的上限为： 朋6 ( c - - 手e ) 珥( 1 + 卜巳1 2 煮厂 ( 2 - 9 ) 在满衰落环境中，p r o b ( c _ e ) 的上限为： o m k ( r f )p p r o b ( c 棚) 译码算法 在l s t 结构中，由于受实现方式制约，接收端只有信道特性信息可以利 用，因此它的处理方式类似于线性决策反馈均衡器，根据各信道的不同衰落 特性，采用迫零均衡的方法恢复信号。 一般作三个方面的处理：一是线性迫零，二是符号删除，三是信号补偿。 线性追零的目的是利用迫零矢量消除信道的乘性干扰和未检测出信号之间的 干扰。符号删除是消除已检测出的信号对其他未检测出信号的干扰，主要用 来确定信号的检测顺序。一般而言，如果检测出信噪比比较大的信号，则可 以提高系统的性能。 其过程如下： 假设发送信号为：c = ( c ic 2 ，巳) 7 ( 2 - 1 1 ) 相应的接收信号矢量为：，= h c + v ( 2 一1 2 ) 其中，v 是方差为口2 的噪声矢量，h 是标准化的信道增益矩阵。迫零矢量的 选择：利用迫零准则来选择1 2 个m 维迫零矢量w f ，f _ 1 ，2 n ，即满足 以巩：肛 ( 2 1 3 ) l l = 4 其中( 日) ，是h 的第j 列。由此得到： y i = 矿，= w 。t ( h c + v ) = c f + 一v ( 2 1 4 ) 对m 进行限幅处理可以检测出c 的第1 个分量。 设s = k i , k 2 ，k o ) 是整数1 ，2 ，3 ，月的置换，表示检测c 的分量的顺序。 检测步骤如下： z = l g 1 = h + 岛= a r g m i n ( c 0 ； j 反馈：步骤1 ：求矢量：= ( g 1 ) 步骤2 ：决定y ：y k = 嵋 步骤3 ：对进行限幅处理，得到；q ：t 。= q ( y ) l5 ( 2 一1 5 ) ( 2 一1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中，q ( ) 表示根据编码时采用的符号集对y 。进行量化。 步骤4 ：假设0 。= c k ，从接收矢量_ 中删除气，得到调整后的矢量- r 2 = 一j ( 何) k ( 2 - 2 1 ) 其中，( ) 。是h 的第岛列。 步骤5 ： g j + l = h k ， ( 2 - 2 2 ) 鼻+ i = a r g i i l i n i l ( g + 1 ) 川，i = i + 1 ( 2 - 2 3 ) v l s t 在译码时，接收端首先对c 的一行信号做出判决，然后利用这一结 果修改接收到的信号序列 ， ，再对另一行进行译码，然后依次类推。总之， v l s t 的码字矩阵c 的译码是一行接一行，或者说是一层接一层进行的。 d l s t 的译码也是一层接一层进行的。不同的是，这里的层是沿对角线方向， 而不是水平线方向。d l s t 的码字矩阵为c ，其中c 的第一条对角线下的项均 为零。因此，第一条对角线上的项在他们各自的列上，都是最高行未被判决 的信号。对d l s t 译码时，接收机首先对第一条对角线上的项进行译码。这些 译出的信号被反馈回来，以便消除对接收信号的影响。然后接收机再对下一 条对角线上的项进行译码。 2 3 3 最小均方误差( m m s e ) 译码算法 z f 算法引入广义逆矩阵的概念不仅简化了算法，同时还抑制了其它天线 发送信号所产生的干扰，是一种简单而又实用的算法，但它同时带来一些负 面影响，即在抑制干扰信号的同时还损失了有用信息，从而影响了系统性能。 基于上述考虑，本文给出一种改进的检测算法：基于最小均方误差准则 ( m m s e ：m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ) 的检测算法。 由于接收端只能利用信道信息，因此无论是z f 算法，还是下面将要提出 的基于m m s e 的算法，他们需要解决的根本问题就是如何根据接收信号和信道 特性矩阵来确定每个接收天线的权值，从而根据该权值估计发送信号，所不 同的仅仅是权值的选取规则。 在平坦衰落信道下，第j 个接收天线在时刻t 收到的信号r j ，= 1 ，2 ，m 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为 = 瓦口，c ：+ ( 2 2 4 ) = 1 其中，口。是均值为0 ，每维方差为0 5 的复高斯随机变量，7 ：是均值为0 ， 每维方差为仃：錾的复高斯随机变量。为叙述方便，以下讨论将忽略上标t 。 将( 2 - 2 4 ) 式写成矩阵形式2 i = 册+ 疗( 2 - 2 5 ) 其中，i = ( ，) 7 是m 维接收信号向量，j = ( c 。，岛，c m ) 7 是n 维发送信 号向量，疗= ( 1 7 1 ，刁：，) 7 是m 维加性噪声向量，h 维m 的信道矩阵。 检测算法： 设接收端关于所有n 个发送信号形成权向量构成矩阵w 为： w = ( 一，w 2 ，w n ) 1 ( 2 - 2 6 ) 根据最小均方误差准则，矩阵w 的选择应该使误差的均方值e 非一邢) 最 小。由于各天线发送信号之间相互独立，所以有： e ( ；) ：， ( 2 2 7 ) e ( 面8 ) ：0 ( 2 2 8 ) e ；一列2 = 耳( ；一矿；) ( ；一；) ”) ( 2 - 2 9 ) 得到： e l 一；1 1 2 ) = e ( ；”) 一e ( w r c ”) 一e ( ；”) + e ( 缈；“w ”) ( 2 - 3 0 ) 设： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 则有 所以有 w = w i i w 2 1 w 1 2 1 4 1 2 2 w i ，o w 2 ，o c i * 岛w 2 ，r 引 c ，+ w 2 ，：， 利用( 2 2 4 ) 式和( 2 - 3 3 ) 式，可得到： e ( ) = w h 同理，有： e ( ；芦w 一) ：何一一 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 - 3 4 ) ( 2 3 5 ) e ( ；芦w “) ：w ( h h ”+ 盯2 ，) 缈” ( 2 3 6 ) 将( 2 - 3 4 ) 式、( 2 - 3 5 ) 式、( 2 - 3 6 ) 式代入( 2 - 3 0 ) 式，得 e 胙；| j 2 j = ，一陟h 一”“+ w ( h h h + 0 2 z ) w “ ( 2 3 7 ) 8 vl m 同 ， m 爿 办 m m 一 i r 0 州 0， m 一 吒 0 m 川 知 0 m 一 乞 堕查堡三堡查兰堡圭兰! 兰兰兰 令尘蚓! 二则! 鉴o ，得到： w m m s e ( h h h 七矿n = h h 所以，基于 f i s e 准则的接收天线的权向量矩阵为： w e = h h ( h h h + 孑i 了 其中，盯z 是接收信号中包含的噪声，”是矩阵h 的共轭转置 是矩阵( h h ”+ 仃2i ) 的广义逆矩阵。 ( 2 3 8 ) ( 2 - 3 9 ) 将。的行向量彬作为接收天线对于发射信号c ，所形成的权向量，即 可检测出所有发出所有发送信号。 假设接收端可以准确的估计信道信息，设信号的检测顺序为 s = 毛，也，l ，其中一，如，k 是整数l ，2 ，n 的一个置换，则采用 ? d m s e 算法的检测过