（通信与信息系统专业论文）空时分组码在小尺度衰落信道下的性能研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 空时分组码在小尺度衰落信道下的性能研究 摘要 空时分组码( s p a c e - t i m eb l o c kc o d es t b c ) 是近年来发展起来的。种新的编码方 法。s t b c 的一个显著的特点是各天线发射的信号之间正交，这不仅能够保证在乎坦的 慢衰落信道下获得最大的分集增益，而且还可以降低译码复杂度。因此s t b c 性能好、 易于实现，现成为人们研究的热点。 目前，对于s t b c 的大部分研究仍局限于平坦慢衰落信道、并且假设各信道之间的 衰落互不相关的条件下进行的。在实际的无线信道中，快衰落和频率选择性衰落是不可 避免的，而且多天线的引入使不相关的假设也不可能实现。因此为了探讨s t b c 的实用 性，本文开展了在时变衰落信道、频率选择性衰落信道和空间相关衰落信道等小尺度衰 落信道下对s t b c 性能的研究工作，并进行了仿真和分析。 文中介绍了无线传播的信道特征和空时码技术，详细给出了小尺度衰落信道的分类 和s t b c 的编译码原理。在此基础上采用s i m u l i n k 仿真工具分别构造了在时变衰落 信道、频率选择性衰落信道和空间相关衰落信道下的仿真模型，并进行了仿真。通过对 仿真结果的分析得出了相应的结论。分析结果表明：在时交衰落信道下随着信道变化的 加快，空时分组码的性能有所下降，尤其在快衰落信道下其性能下降显著；在频率选择 性衰落信道下，接收端使用了理想的r a k e 接收机进行接收，当信道变化慢时，随着信 道路径数的增加性能有很大程度的改善，当信道变化快时，性能有所下降，而且信道路 数越多性能下降越明显：在空间相关衰落信道下的仿真结果表明，当保持相关系数小于 一定值时，空时分组码便可以具有良好的性能。 关键词：空时分组码；小尺度；衰落信道；时交；频率选择性；空间相关 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t p e r f o r m a n c er e s e a r c ho ns p a c e - t i m eb l o c kc o d e i ns m a l l - s c a l ef a d i n gc h a n n e l s a b s t r a c t s p a c e - t i m eb l o c kc o d e ( s t b c ) i san e we n c o d i n gw a yw h i c hh a sb e e nd e v e l o p e di n r e c e n ty e a r t h ek e yf e a t u r eo fs t b ci st h a tt h et r a n s m i ts e q u e n c e sf r o ma n yt w ot r a n s m i t a n t e n n a sa r eo r t h o g o n a l 1 k sf e a t u r en o to n l yp r o v i d e st h em 旺i i n 眦d i v e r s 畸o r d e ri ns l o w a n df l a tc h a n n e l s ，b u ta l s od e c l i n e st h ec o m p l e x i t yo fs t b cd e c o d i n g b e c a u s eo fi t sb e t t e r p e r f o r m a n c ea n ds i m p l i c i t yo f i m p l e m e n t a t i o n , s t b ch a sb e c o m et h ef o c u so f s t u d y a tp r e s e n t , m o s to f t h er e s e a r c ho i ls t b ci sc a r r i e di ns l o wa n df i a tc h a n n e l su n d e rt h e a s s u m p t i o nt h a ta l lf a d i n gc h a n n e l sb r ei r r e l e v a n t h o w e v e r , f a s tf a d i n ga n df i e q u e n c y - s e l e c t i v e f a d i n ga i n e v i t a b l ei nw i r e l e s sc h a n n e l s ，a n dt h ea s s u m p t i o no fi r r e l e v a n c ec a n ta c h i e v e w h e nu s i n gm u l t i p l ea n t e n n a s i no r d e rt od i s c u s st h ep r a c t i c a b i l i t yo fs t b c ，t h i sp a p e r s t u d i e st h ep e r f o r m a n c eo fs t b ci ns m a l l - s c a l ef a d i n gc h a n n e l ss u c ha st i m e - v 址r y i n gf a d i n g c h a n n e l s ，f i e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l sa n ds p a t i a l l yc o r r e l a t e df a d i n gc h a n n e l s i nt h i sp a p e r , t h ec h a n n e l sc h 棚糍c 把fo f w i r e l e s sm m s m i s s i o na n ds p a c e - t i m ec o d e ( s t c ) a r ei n t r o d u c e d e s p e c i a l l y , t h ec a t e g o r i e so fs m a l l - s c a l ec h a n n e l sa n dt h et h e o r yo fs t b c e n c o d i n ga n dd e c o d i n ga r ed i s c u s s e di n d e t a i l t h es i m u l a t i o nm o d e l si n t i m e v a r y i n g c h a n n e l s ，f l e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l sa n ds p a t i a l l yc o r r e l a t e df a d i n gc h a n n e l sa b u i l ta n ds i m u l a t e dr e s p e c t i v e l yu s i n gs m n ，咖( b a s e d0 1 1r e l e v a n tt h e o r i e s ：t h e n c o n c l u s i o n sa r em a d eb ya n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e p e r f o r n m c oo fs t b ci nt i m e - v a r y i n g 砒i n gc h a n n e l sd e g r a d e sw h e nt h ev a r y i n g8 p e c d a c c e l e r a t e sa n dt h ep 础o m m c el o s si s 嘴e s p e c i a l l yi nf a s t 蠡d i l l gc h a n n e l s ；i n f r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s , a ni d e a lr a k e r e c e i v e ri su s e di nt h es i m u l a t i o n s t h e r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a ts i g n i f i c a n tg a i n si np e r f o r m a n c ea a c h i e v e dw i t ht h ei n c r e a s i n go f t h en u m b e r so fp a t hw h e nc h a n n e l sv a r ys l o wa n dt h ep e r f o r m a n c ee n c o u n t e r ss e v e r e d e g r a d a t i o nw h e nc h a n n e l sv a r yf a s te s p e c i a l l yf o rc h a n n e l sw i t hm o r ep a t h s ；t h er e s u l t sa l s o s h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo fs t b ci ns p a t i a l l yc o r r e l a t e df a d i n gc h a n n e l sa r ef a v o r a b l ei f c o r r e l a t i ( mc o e 伍c i e n tb e t w e e nc h a n n e l si sl e s st h a ns o m ec e r t a i nv a l u e k e y w o r d s ：s t b c ；s m a l l - s c a l e ；f a d i n gc h a n n e l s ；t i m e - v a r y i n g ；f r e q u e n c y - s e l e c t i v e ； s p a t i a l l yc o r r e l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我- - i 司x 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谢 意。 学位论文作者签名鹰豳中 日期两，7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北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、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者躲研 签字日期：矽i r 导师签名： 签字日期： 移、 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 空时码技术的发展背景 第三代移动通信系统要求提供高质量的话音和高速率的数据业务然而在无线时交 多径衰落信道中和带宽资源有限的情况下，要降低误码率提高传输质最是一件困难的 事，尽管可以通过增煎发送功率和额外带宽来获得信噪比( s i g n a l - t o - n o i s e r a t i os n r ) 改善，但这违背了未来移动通信发展的要求。如何在不增加功率和不牺牲带宽的情况下， 同时减少多径衰落对基站和移动台的影响，并同时提高无线频谱乖j 用率就显得非常重要 1 嗣。 发射分集技术能够有效的抵抗多径衰落，而且它是通过多天线阵在空域引入冗余， 不会带来带宽利用率上的任何损失。这一特性对于未来的高速无线数据通信是很有吸引 力的。而且，近年来，由于硬件制作水平的提高和天线设备成本的降低，在无线通信的 一端( 或双端) 使用天线阵列成为可能，从而出现了多入多出的m i m o ( m u l t i p l e - l n p u t m u l t i p l e o u t p u t ) 无线通信系统1 3 】。m i m o 无线通信系统的设计与传统的s i s o ( s i n g l e - i n p u ts i n g l e - o u t p u t ) 系统的区别在于如何充分利用天线阵列进行空域的信号处 理，从而减弱多径衰落效应和抑制信号干扰，进一步提高系统性能和容量。正是在此基 础上人们提出了空时编码的概念。 使用空时编码( s p a c e - t r i n ec o d e ss t c ) 技术是达到或接近m i m o 无线信道容量的 一种可行、有效的方法。该编码在多根发射天线和各个对阅周期的发射信号之间能够产 生空域和时域的相关性。它的最大特点是将编码技术和天线阵技术结合在一起。综合考 虑了分集、编码和调制，实现了空分多址，提高了系统的抗衰落性能，且能通过发射分 集提供高速率、高质量的数据传输。 目前，空时编码的研究在国际上仍然处于理论研究阶段，英、美一些国家处于领先 水平，而在我国，这方面的研究几乎是空白。从目前的研究结果来看，空时编码技术是 一种很具潜力的技术，有很好的应甩前景，空时编码已经被写入到3 g 蜂窝移动通信的 标准中，如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 ea c c e s s ) 和c d m a 2 0 0 0 ( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s2 0 0 0 ) 方案中，以及无限本地环路应用中，如l u c e n t 的b l a s t ( b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e - t i m e ) 方案，也已成了对第- 4 代移动通信标准框架讨 论中不可缺少的一部分。是现在研究的热点1 4 。 1 2 本课题研究背景及目的 空时分组码( s p a c e - t i m eb l o c kc o d es t b c ) 是一种基于发射分集的空时编码技术， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 能够实现空间分集增益。其编码原理为：利用编码矩阵的正交设计，人为造成发射信号 之间的正交性，从而使得接收端能够使用最大似然译码算法，这大大降低了s t b c 译码 的复杂度，同时编码矩阵的正交设计，使得s t b c 能够获得满分集增益。 由于s t b c 的编译码复杂度低，且性能相对较好等优点已经成为当今炙手可热的研 究课题。目前对于空时分组码的性能研究大部分都假设信道满足平坦的慢衰落条件，且 各信道的衰落之间互相独立。 然而在实际的通信环境中，一方面由于信道传播条件较为恶劣，它不同于典型的高 斯白噪声信道( a d d i t i v ew h 沁c r a u s s i a n n o i s ea w g n ) ，地理条件、反射、折射、散射、 移动台的移动和周国环境变化的影响，使无线信道的特性随时间变化、造成信号的衰落， 严重影响通信的质量；另一方面，由于移动用户的增多和人们对无线通信要求的提高， 对宽带和数据速率的要求也越来越高，对宽带移动通信而言、传播介质中多径传播更是 影响系统性能的一大因素；除此之外，与单天线系统不同，多天线的引入使得发射天线 之间所经历的衰落存在着一定的相关性。通常认为，当发射天线间距在l o 丑( 五为波长) 量级时，各天线之间所经历的衰落是相互独立的，然而当天线数量增加时并不一定满足 此条件。 所以为了探讨空时分组码技术在实际的无线信道中的实用性，有必要对空时编码在 信道为频率选择性衰落、快变化以至各衰落信道相关的情况下的性能进行理论研究。基 于这一思想，本课题将主要研究空时分组码在实际的小尺度衰落信道下的性能。目的是 在不同的信道条件下，通过对s t b c 误比特率( b i te r r o rr a t i ob e r ) 曲线的变化来研究 信道条件的改变对s t b c 性能的影响。本论文的主要研究内容包括： ( 1 ) 空时分组码在时变衰落信道下的性能研究； ( 2 ) 空时分组码在频率选择性衰落信道下性能研究： ( 3 ) 空时分组码在空间相关衰落信道下性能研究。 对上述内容的研究主要通过s i m u l i n k 来实现，s m i u l m k 是m a t l a b 软件的扩 展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与m a t l a b 语言的主要区别在于， 其与用户交互接口是基于w m d o w s 的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多 的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。 本论文在仿真的过程中除了煮接使用s m m l i n k 中现有的模块之外，还在现有模 块基础上搭建了空时分组编码、信号合并、最大似然译码、信道等模块，并通过这些模 块，构造了空时分组码在各种信道条件下进行性能仿真所需要的系统模型。最终，通过 仿真得到空时分组码在不同的信道条件下的误比特率曲线，并结合仿真曲线给出了相应 的理论分析。 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 本论文内容安排 本论文的内容安排如下： 第一章绪论：介绍了空时码技术的发展背景以及本课题的研究背景和目的，并给 出了本论文的内容安排。 第二章无线传播的信道特征：简单介绍了移动通信中信号的传播方式，详细给出 了无线信道的统计模型及小尺度衰落信道的分类。 第三章空时码技术：简单介绍了空时码的发展历史和设计准则，给出了三种基本 的空时码技术的编码原理，并对它们的性能进行了简单的分析。对于两发射天线的空时 分组码一a 1 a m o u f i 编码方案的编译码原理和最大似然译码算法进行了详细的介绍，并 给出了空时分组码的正交设计方法以及相应的译码算法。 第四章空时分组码在小尺度衰落信道下的性能研究：本章在第二章和第四章的基 础上，搭建了不同信道条件下采用空时分组编码方案的系统，分别在时变衰落信道、频 率选择性衰落信道和空间相关衰落信道下，以两发射天线和单接收天线的空时分组码为 例对其性能进行了仿真，并通过对仿真结果的分析给出了相应的结论。 第五章结束语：对下一步工作的研究内容进行了总结。 3 东北大学硕士学位论文 第二章无线传播的信道特征 第二章无线传播的信道特征 移动信道对于通信系统的性能提出了一些基本限制，为了在不同的信道条件下研究 空时分组码的性能，了解和建立自b 够正确反映真实信道特征的信道模型显得十分必要。 2 1 移动通信中信号的传播方式 移动通信的用户由于要进行自由移动，其位置不受柬缚。所以必须利用无线电波进 行传输，但与有线传播媒介相比，无线电波传播的机制使得无线电波的传播特性一般都 比较差。在移动通信中信号传播的途径大概可分为四种1 5 1 6 1 。 ( 1 ) 直线传播：在较开阔的地区，基站和移动台可以直线传播，如郊区或农村。 然而在城市环境中，直线传播很少见。 ( 2 ) 反射：移动台的信号往往经过大的建筑物、平坦的地面和高山反射到达基站。 反射是信号传播的一种重要途径。 ( 3 ) 折射：信号经过障碍物的边界时，经折射绕过障碍物而到达目的地。信号经 折射后衰落很大。因此。在无线信道模型中，一般忽略这种传播途径。 ( 4 ) 散射：当信号遇到一个或多个较小的障碍物时，出现散射现象，即信号分成 了多个随机方向的信号。散射在城市移动通信中是最为重要的一种传播方式。信号经散 射后很难预测，因此理论上的建模往往建立在统计分析的基础上。 由于移动无线信道的复杂性，一个通过无线信道传播的信号往往会沿不同的路径达 到接收端，这一现象称为信号的多径传输。图2 1 为一个典型的无线传播途径。 医= 扣 f 基站本地散射物 圈2 1 典型的无线多径传捶环境 f i g ，2 11 帅i c a l m u l t i p a t h t r a n s m i s s i o n e n v i r o n m e n t o f m l e $ c o m m u n i c a t i o n s 2 2 移动无线信道的统计模型 无线信道是移动通信的传输媒体所有的信息都在这个信道中传输。信道性能的好 坏直接决定着人们通信的质量，因此要想在比较有限的频谱资源上尽可能地高质量、大 坏直接决定着人们通信的质量，因此要想在比较有限的频谱资源上尽可能地高质量、大 一4 东北大学硕士学位论文第二章无线传播的信道特征 第二章无线传播的信道特征 移动信道对于通信系统的性能提出了一些基本限制，为了在不同的信道条件下研究 空时分组码的性能，了解和建立能够正确反映真实信道特征的信道模型显得十分必要。 2 1 移动通信中信号的传播方式 移动通信的用户由于要进行自由移动，其位置不受束缚。所以必须利用无线电波进 行传输，但与有线传播媒介相比，无线电波传播的机制使得无线电波的传播特性一般都 比较差。在移动通信中信号传播的途径大概可分为四种 5 1 1 6 1 ： ( 1 ) 直线传播：在较开阔的地区，基站和移动台可以直线传播，如郊区或农村。 然而在城市环境中，直线传播很少见。 ( 2 ) 反射：移动台的信号往往经过大的建筑物、平坦的地面和高山反射到达基站。 反射是信号传播的一种重要途径。 ( 3 ) 折射：信号经过障碍物的边界时。经折射绕过障碍物而到达目的地。信号经 折射后衰落很大。因此，在无线信道模型中，一般忽略这种传播途径。 ( 4 ) 散射：当信号遇到一个或多个较小的障碍物时，出现散射现象，即信号分成 了多个随机方向的信号。散射在城市移动通信中是最为重要的一种传播方式。信号经散 射后很难预测，因此理论上的建模往往建立在统计分析的基础上。 由于移动无线信道的复杂性，一个通过无线信道传播的信号往往会沿不同的路径达 到接收端，这一现象称为信号的多径传输。圈2 1 为一个典型的无线传播途径。 巨油 f 基站本地散射物 图2 1 典型的无线多径传播环境 f i g 2 1t y p i c a _ lm u l t i p a t ht r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n to f w t r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s 2 2 移动无线信道的统计模型 无线信道是移动通信的传输媒体所有的信息都在这个信道中传输。信道性能的好 坏直接决定着人们通信的质量，因此要想在比较有限的频谱资源上尽可能地高质量、大 4 东北大学硕士学位论文 第二章无线传播的信道特征 容量传输有用的信息就要求我们必须十分清楚地了解信道的特性。然后根据信道的特性 采取一系列的抗干扰和抗衰落措施，来保证传输质量和传输容量方面的要求 e l 。 由于地理环境的复杂性和多样性，用户移动的随机性和多径传播现象等因素的存 在，使得移动通信系统的信道变得十分复杂。人们通过理论分析和长期的实际观测，建 立了基站与移动台之间的无线信道的统计模型。该模型认为，电波传播的损耗主要由三 部分构成：路径损耗、慢衰落( 阴影衰落) 和快衰落( 多径衰落) 。公式( 2 1 ) 给出了 上述模型的表达式【7 1 = ，i i h 一 一 p ( d ( f ) ) = 旧( f ) is ( d ( f ) ) r ( d ( r ) ) ( 2 1 ) 其中，孑( ，) 为某时刻基站和用户之间的距离矢量，l 孑( d ”表示自由空间的传播损耗， 该类损耗是由于电波传播的弥散特性造成的，其中n 的典型值为3 5 ，它反映了公里量 级的空间距离内，接收电平均值的变化趋势，通常也称为大尺度衰落。s ( 孑( ) ) 则表示阴 影效应，它是由位于电波传播路径上的障碍物的阻挡而产生的损耗。它反映了数百波长 内接收电平均值的变化趋势，也称其为中尺度衰落，此时信号的均值服从对数正态分布， 其变化率比多径衰落慢，常常又称为慢衰落。最后一项置( 孑( r ) ) ，它反映了数十个波长 内，接收信号电平均值的变化趋势，故也称其为小尺度衰落，此时信号的均值服从瑞利 ( r a y l e i g h ) 或莱斯( p o e , c a n ) 分布，其变化比阴影效应快，通常又称为快衰落。 从系统设计的角度来看，在引起电波传播损耗的诸因素中，路径损耗和阴影衰落影 响基站的覆盖范围，但总是可以通过合理的系统设计消除其影响。而多径衰落则直接影 响信号的质量，必须加以有效的抗多径措施，来消除多径衰落对信号质量的不利影响【9 】。 2 - 3 衰落和多径 陆地移动信道的主要特征是多径传播。传播过程中会遇到很多建筑物、树木以及起 伏的地形，会引起能量的吸收以及电波的反射、散射和绕射等，这样，移动信道里充满 了反射波的传播环境。到达移动台的天线信号不是单一的路径来的，而是许多路径来的 众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因此各路径来的反射波达到时 间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时同向叠加而加强，有 时反响叠加而减弱。这样接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由于 多径引起的，所以称为多径衰落。 2 4 衰落的数学模型 无线信号都是带通的，而且几乎都是窄带信号。下面分两个部分来分析信邋对信号 5 东北大学硕士学位论文 第二章无线传播的信道特征 的影响。 ( 1 ) 静态情况下，信道对信号复包络的影响【8 1 传送的带通信号的复包络可以表示为： s o ) = r e 【s ( f 2 矾】 ( 2 2 ) 式中，五为载频。 信号在多径环境中传送，移动台周围布满散射体，移动台的速率为v 。第f 径的路 径长度为而，反射系数为q 。接收到的带通信号为： _ ) ，( f ) = q j ( f - 导) = 军q 鼬卜争d 阿矗刮) = 鼬陋。一争d ，z z f o ( t 一铷 旺s ， 式中，c 是光速；波长为a = c 正。提出公因子e x p u 2 ，吾f ) ，接收信号的复包络 可表示为： y ( ) = r e _ y o ) p 7 2 椰】 ( 2 4 ) 接收信号的复包络是衰减、相移、时延都不同的路径成分的总和。式( 2 4 ) 中) ，( f ) 满足下式： y ( f ) = 口户- j 2 x s o 一争= q e - j 2 4 f t | 5 s ( f 一一) ( 2 5 ) 式中，时延f 。= 一c 。式( 2 5 ) 就是所求得的复包络模型。 某些情况下，不仅有散射路径，还存在从基站到移动台的视距路径( l o s ) 。视距 路径第一个到达接收端，i 因为其他路径需要经过更多的间接路径才能到达接收端。视距 路径通常是单个路径中最强的，但不一定比散射路径的总和强。 ( 2 ) 动态情况下，信道对信号复包络的影响 8 1 在介绍动态情况下信道对信号复包络的影响前，首先介绍一下移动信道的主要现 象：多普勒频移。 当移动台以恒定的速率v 在长度为d 、端点为x 和y 的路径上运动时收到来自远源 s 发出的信号，如图2 2 所示。 6 东北大学硕士学位论文 第二章无线传播的信道特征 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + x d y 斗v 图2 2 多普勒频移示意图 f i g 2 2 s k e t c hm a p o f d o p p l e rf r e q u e n c y 无线电波从源s 出发，在x 和y 点分别被移动台接收时所走的路径差为 a x 。= d c o s 0 1 = v a t c o s o , 。这里r 是移动台从x 运动到y 所需时间，只是x 和y 处与 入射线的夹角。由于源端距离很远，可假设x 、y 处的只是相同的。所以由路径差所造 成的接收信号相位变化值为 卸：掣：2 r e ，, a tc o s o ( 2 - 6 ) 式中，五为波长。 由此可得出频率的变化值，即多普勒频移厶为 厶= 去警= 詈c o s o r c 2 m “2 ，r ra 式中，v z 与入射角无关，是厶的最大值。厶称为最大多普勒频移，厶= v a 。 由式( 2 7 ) 可知，多普勒频移与移动台运动速度以及移动台的运动方向与无线电波 入射方向之间的夹角有关。若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正( 即接收 信号频率一f - 升) ：若移动台背向入射方向运动，则多普勒频移为负( 即接收信号频率下 降) 。信号经不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信 号带宽。 根据移动信道的这一现象，在式( 2 5 ) 的基础上给出动态情况下，信道对信号复包 络的影响。 当移动台运动时，由于移动台周围的散射体较乱，导致路径长度发生变化。设路径 j 的到达方向和移动台运动方向之间的夹角为只，则路径长度的变化量是移动台速度v 7 ， ，、 一 ，岛一 ， ，。 ， i ， 、 一 聋、 一 东北大学硕士学位论文 第二章无线传播的信道特征 和时间的函数，即 z 奴：= - v t c o s o ( 2 g ) 这就使每条路径的频率都发生改变，变化量的大小取决于到达角谚。在这种情况下 信道输出信号的复包络为： y ( f ) = 口尸 伽华t 华) = e ，- j 2 x 鲁j 2 呼b s ( r 一詈+ 华) 9 ， 对( 2 9 ) 式进行化简。首先，将相位2 属，z 包含在口，中。其次，信号的时延变化 置r v t c 0 8 0 ：l c 比j o ) 的调制时间量级小很多。因此可以忽略。式( 2 9 ) 变为： y ( d = 军叩 呼m b s ( r 一詈 = 车叩 相8 婶一f f ) = m ) 柳力 ( z 加) 式中， 是最大多普勒频移，卅= v ，z ：s ( o 是复基带发送信号；h ( t ，f ) 为信道冲激响 应，符号表示卷积。 设最小和最大多径时延分别是f l 和f 。如果相对时延f = f ，一f l 比信号带宽只的 倒数小很多，即f “巧1 ，则信号是窄带的，其经过信道后没有受到频率选择性衰落； 且把介于f l 和f 之间的多径称为不可分离径，他们一般是由于移动台周围的本地散射体 造成的。假设s o i t ) = s ( t f 1 ) i = 1 ，式( 2 1 0 ) 可改写为： y ( o = 孵一_ ) q p 却_ “4 = 雄一f 1 ) u ( o e 押8 = s ( t q ) ( f ) ( 2 1 1 ) 式中， 户( ，) = u ( t ) e 舢= q p 2 即”4 ( 2 1 2 ) 比较式( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 可得出标董信道的冲激响应为： h ( t 。f ) - - e 口p 7 2 和“4 占( f r i ) ( 2 1 3 ) 8 东北大学硕士学位论文 第二章无线传播的信道特征 假设f l 是第一个到达的多径，即t 1 = 0 ，则将h ( t f 1 ) 归一化得到_ l i ( f ) ( 2 1 4 ) 从式( 2 1 4 ) 可以看出，如果来自同一予路径簇的至达路经在l ，只秒内，则这些到 达路径在接收机处是不可分离，合成为一条单独路径。 当信号带宽b ，增加到, x r = 耳1 时，则信号为宽带信号，也就是说，信号经过信道后 受到频率选择性衰落，接收信号就是发送信号的多个副本总和，将这些多径称为可分离 径，它们一般是由远端散射体( 主散射体) 造成的。所以式( 2 1 0 ) 改写为： y ( f ) = s ( t - r 1 ) 嘶( r q ) e 州“ = s ( t - r f ) f l ( t - r ，) ( 2 1 5 ) 式中，三是可分离的径数；q 、蜥( f ) 、仍o ) 分别是每个可分离径的时延、幅度和相位。 工个可分离径的复信道增益届( f ) 是统计独立的。由式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 5 ) 可得宽带信 道的基带等效信道的归一化冲激响应为： 姆，r ) ：圭囊_ 7 口办州一8 ( r - r 1 ) l - is - i 叫厶 = f l l ( t ) 8 ( r - ) ( 2 1 6 ) 从式( 2 1 6 ) 可以看出，如果备径的时延差超过了1 ，玩秒内，则这些到达路径在接 收机处相互叠加，在数字通信中，就形成了码间干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c ei s t ) 。综 上，无线信道中的多径有以下两个主要的效应： ( 1 ) 时间选择性衰落，是指信道冲激响应随观察时间的不同产生变化，它与信号 经历的各径多普勒频移有关，是由于移动台在散射的环境中运动造成的； ( 2 ) 频率选择性衰落，是指信道冲激响应随输入频率的不同而产生变化，它与信 号经历的各径时延有关，是由于散射体位置的不同而导致各径路径长度不同而造成的。 9 上面 缈 。妊妣触 一一 = 一一 东北大学硕士学位论文第二章无线传播的信道特征 2 5 小尺度衰落信道的分类 由于移动通信信道的多径、移动台的运动和不同的散射环境，使得移动信道在时间 上、频率上和角度上造成了色散。从不同的信道参数角度考虑，将小尺度衰落信道进行 分类7 】嘲【1 0 1 1 1 1 1 ： ( 1 ) 根据信道的频率选择性，可以把信道分为平坦衰落信道和频率选择性衰落信 道； ( 2 ) 根据信道的时间选择性，可以将信道分为快衰落信道和慢衰落信道： ( 3 ) 根据信道的空间选择性，可以将信道分为标量信道和矢量信道。 下面将简单介绍信道的频率选择性、时间选择性和空间选择性。 2 5 1 频率选择性( 时间色散) 时间色散和频率选择性都是由于不同时延的多径信号叠加所产生的效果，依赖于发 射机、接收机和周围的物理环境之间的几何关系。这两种效应是同时出现的，只是表现 的形式不同，时间色散体现在时域、频率选择性体现在频域。时间色散就是把发送端的 一个信号沿时间轴展开，使接收信号的持续时间比这个信号发送时的信号持续时间增 长。而频率选择性是指对发送信号进行滤波，对信号中的不同频率的分量衰落幅度是不 同的，在频率上很接近的分量，它们的衰落也很接近，而在频率上相隔很远的分量，它 们的衰落相差很大。 在多径传播条件下，接收信号会发生时延扩展，根据信道的频率选择性，也就是时 延扩展和相关带宽，可以把信道分为平坦的衰落信道和频率选择性衰落信道。当信道的 时延扩展小于信号周期时，信道为平坦的。从频域角度来看，不同的频率分量经历了相 同的衰落；从时域上来看，接收信号只经历了一个可分辨径的衰落，符号间干扰i s 呵以 忽略不计，这时接收信号的波动可以表示为发送信号和信道冲激响应的乘积。当信道的 时延扩展大于信号周期时，就称之为频率选择性衰落信道。从频率上来看，不同的频率 分量经历了不同的衰落：从时域上来看，接收信号经历了多个可分辨径的衰落，出现了 严重的i s i ，这时接收信号的波动可阻表示为发送信号和多径信道的卷积。频率选择性信 道是多个可分辨径的组合，也就是由多个具有不同时延的平坦衰落信道组合而成。 综上，平坦衰落信道的条件可以概括为： 四，“b 。 ( 2 1 7 ) t 盯。 发生频率选择性衰落的条件可以概括为： 1 0 - ( 2 1 8 ) 东北大学硕士学位论文 第二章无线传播的信道特征 e b c ( 2 1 9 ) t 丑d ( 2 2 2 ) 东北大学硕士学位论文 第二章无线传播的信道特征 产生快衰落的条件可以概括为： t 乏 皿 b d ( 2 2 4 ) 式中，t 为信号周期( 信号带宽丑，的倒数) ，口。为多普勒扩展，为信道的相干时间。 前面介绍了小尺度衰落信道根据时间色散参数( 时延扩展和相关带宽) ，频率色散 参数( 多普勒扩展和相关时间) 进行分类的情况，综合考虑时间色散和频率色散参数， 将信道进一步分类为：频平时平、时平、频平、和非平四类，如图2 , 3 所示： 瓦 f 图2 3 无线信道分类 f i g , 2 3c a t e g o r i e so f w i r e l e s sc h a n n e l s 2 5 3 空间选择性( 角度色散) 由于无线通信中移动台和周围的散射环境的不同，使得多天线系统中不同位景的天 线经历的衰落不同，从而产生角度色散，即空间选择性衰落。因此随着智能天线和m l m o 系统的引入，信道信息从原来的时间、频率二维信息，扩充到包括时间、频率，空间的 三维信息。因此，在对多天线的研究中，不仅需要考虑无线信道的衰落、时延等变量的 统计特性，还必须要了解有关角度的统计特性。正是由于这些角度因素而引发了空间选 择性衰落。角度扩展和相关距离就是空间选择性衰落的两个主要参数。 角度扩展是由于移动台或者基站周围的本地散射体以及远端散射体弓i 起的，它与 角度功率谱有关。所谓角度功率谱就是信号功率谱密度在角度上的分布，角度扩展描 述了功率谱在空间上的色散程度，根据环境的不同，角度扩展在【0 ，3 6 0 。】之闻劈布。 角度扩展越大，表明散射环境越强，信号在空间的色散程度越高；相反，角度扩展越小， 表明散射环境越弱，信号在空间的色散度越低。 相关距离n 是信道冲激响应保证在一定相关度的空间间隔。在相关距离内。信号 经历的衰落具有很大的相关性，可以认为空间传输函数是平坦的，也就是说如果天线元 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章无线传播的信道特征 素放置的空间距离比相关距离小很多时，信道就是非空间选择衰落信道。即 缸“d c ( 2 2 5 ) 以上介绍了由于移动通信信道的多径、移动台的运动和不同的散射环境，造成了移 动信道的频率选择性衰落、时间选择性衰落和空间选择性衰落，并分别介绍了它们对应 的三组参数。这对本论文的研究有重要的参考作用。 1 3 东北大学硕士学位论文 第三章空时码技术 第三章空时码技术 基于天线阵的空时编码技术是m i m o 技术的核心，它是一种用于多发射天线的编 码技术，该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。它的最大特点是将编码技术和天线阵技术结合在一起，综合考虑了分集、编码 和调制，提高了系统的抗衰落性能，且能通过发射分集提供高速率、高质量的数据传输。 3 1 空时码技术的发展历史 最早的空时编码方案是由贝尔实验室于1 9 9 6 年首先提出的，即分层空时码( l a y e r e d s p a c e t i m e c o d e l s t c ) 模型【1 1 3 】【1 4 】，l s t c 方案是目前唯一的一种可以使频带利用率 随着发送天线数线性增加的编码方式，其实现方式简单，但是由于l s t c 在解码时只利 用了信道信息，所以其性能在很大程度上依赖于信道的衰落环境和对信道衰落特性估计 的准确性，只有当各子信道所受衰落差异较大时才能较好地恢复发送信号，虽然l s t c 具有很高的频带利用率，但无法达到最大的分集增益性能相对较差，而且要求接收天 线数量不小于发射天线的数量。随后，于1 9 9 8 年，a t & t 实验室的t a r o k h 博士等人在此 启发下，提出了基于发射分集的空时码概念，这种空时码以编码调制即1 h l l i s 码为基础， 称为空时格码( s p a c e t i m e1 h m sc o d es t t c ) 1 5 1 1 1 6 l ，与l s t c 相比s t t c 是以部分频带 利用率和高编译码复杂度为代价获得最大的编码增益和分集增益，因此具有较好的抗衰 落性能，其最显著的特点就是它在各种信道环境下均具有较好的性能，从而很快受到人 们的重视，并在整个通信领域掀起了空时码的研究热潮，然而由于s t t c 编码方案编译 码复杂，译码延时较大，且码优化难度大【”】，s t t c 的实用化进程较慢。后来，s m a l a m o u t i 发现了一种简单的发射分集技术一正交发射分集技术【l s 】，在此分集技术中他实际上采用 了简单的空间域正交分组编码，这在后来被归纳为空时分组码( s t b c ) 1 1 8 1 1 9 】，s t b c 最大的特点是简单实用，在接收端只需采用基于线形处理的最大似然译码，且性能相对 较好( 略差于s t t c ) ，可以获得满分集增益，是一种有效的传输分集方案，但是该方案 的编码增益仅与所采用信号星座图的结构有关，目前还没有良好的编码增益优化方法， 另一方面只有在发射天线数为2 时可以获得满发射速率，与s t t c 相比s t b c 是以编码增 益和部分频带利用率为代价换取最大分集增益和低编译码复杂度的。以上三种编码方案 都需要接收端能够准确地获得信道的状态信息，但在移动终端高速移动的情况下，信道 估计十分困难，因此不需要信道估计的盲空时编码方案便应运而生，其中包括酉空时码 和差分空时码1 2 0 2 1 】【2 2 】。 1 4 东北大学硕士学位论文 第三章空时码技术 3 2 空时码的设计准则 目前对于空时码的研究，大部分局限于对信道信息进行理想化假设的条件下进行 的，即假设接收端可以获得理想的信道状态信息，并且假设信道为平坦的慢衰落信道。 因此，此处只给出在慢r a y l e i g h 衰落信道下空时码的设计准则，并