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李琳基于匙孔信道的空时编码技术研究 摘要 无线信道具有的多径衰落特性是阻碍信道容量增加和服务质量改善的主要原 因之一。空域分集就是利用空间上分离的多个发射信号样本或多个接收信号样本 ( 多个不相关的信道) 来对抗多径衰落。近年来提出的多输入多输出( m i m o ： m u l t i i n p u t m u l t i o u 勺，u t ) 发送分集技术能有效地改善无线多径，时变衰落信道的性 能，因此得到快速发展，在一些通信系统基站中得到广泛应用，并已逐渐被新一代 无线通信系统的主流协议所采纳。空时编码是适合于多天线阵信道的一种编码方 案，它综合了空间分集和时间分集的优点，同时提供分集增益和编码增益，能够获 得远远高于传统单天线系统的频谱利用率。m i m o 中的空时编码技术，在不牺牲带 宽的情况下，可获得更高的编码增益，从而有效提高无线通信系统容量，已成为 b 3 g ( b e y o n d 1 h r dg e n e r a t i o ni l lm o b i l ec o m 肌1 n j c a t i o ns y s t c m ：超三代移动通信系 统) 通信系统的关键技术，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) 和宽带无线信道中的移动业务。 研究表明对于多径衰落环境下的无线通信系统，多天线技术能够有效地提高频 谱效率而不需要增加额外的带宽。但在实际的传播环境中，由于“匙孔”现象所引 起的秩减小会降低m i m o 系统的容量及其性能。通常情况下，天线之间的相关性并 不能有效保证频谱利用率的提高。事实上，在实际信道中，恶化的传输条件( 通常 称为“匙孔，效应) 会给m i m o 信道容量带来相当大的影响。目前，关于匙孔信道 的研究还处于初级阶段，本文在匙孔信道的基础上对空时编码技术进行了分析，提 出了有效改善匙孔信道性能的方法一双极化天线技术和协作分集技术，并通过仿 真验证了这两种方法的有效性。 本文的研究主要包括以下几个方面： ( 1 ) 分析了匙孔信道的信道容量和性能，研究了匙孔效应对m i m o 系统信道容 量的影响，通过仿真证实在匙孔信道下信道容量与瑞利信道相比明显减小，系统的 性能与瑞利信道相比也明显下降。 ( 2 ) 对基于匙孔信道的空时分组码( s t b c ：s p a c et i r n eb l o c kc o d e s ) 进行了 研究，主要包括匙孔信道下的正交空时分组码，准正交空时分组码，旋转准正交空 时分组码。首先建立信道模型，然后进行编码设计、译码、仿真和差错分析。仿真 结果表明，无论哪种编码方式，匙孔信道中的性能与瑞利信道相比明显下降，分集 增益变小。 ( 3 ) 研究了基于匙孔信道的空时网格码( s t t c ：s p a c et i m et r e l l i sc o d e s ) ，包 括空时网格码的编码、性能分析以及匙孔信道下的编码准则，并依据此编码准则进 2扬州大学硕士学位论文 括空时网格码的编码、性能分析以及匙孔信道下的编码准则，并依据此编码准则进 行匙孔信道最佳编码的设计，得到最佳码字。通过仿真表明，同一码字在匙孔信道 中的性能比瑞利信道要差，匙孔信道中的最佳编码与瑞利信道下的最佳编码相比性 能有所改善。 ( 4 ) 提出了两种改善匙孔效应性能的方法，即在匙孔信道中引入双极化天线技 术和协作分集技术。通过仿真表明，这两种技术都能极大地改善匙孔信道的性能， 降低了误码率。 关键词：多输入多输出，多径衰落，匙孔信道，瑞利信道，空时编码，协作分集 李琳基于匙孔信道的空时编码技术研究 3 a b s t r a c t i nw i r e l e s sc h a r m e l ，如- u l t i p a t h - f a d i n gi so r 圮o ft h ei m p o r t a n tf 酗o r st 0h a n d e rt h e a u g m e n to fc h 砌e 1c a p a c i 够a i l d 协ei m p r 0 v e m e n to fm es e r v i c eq u a l i 够1 1 1o r d e rt 0 r e d u c et h ee a e c t so fm u l t i p a = m f 甜i n g ，s p a c e - d i v e r s 埘u s e s 姗m i 电a i l s m i t t i i l g 锄t e n n a a 1 1 dm u l t i - r e c e i v i n g 锄t e m l a ( m u l t i p l ei n d e p e n d e n tc h 籼e 1 ) t 0p r o c e s s s i g l l a l ss 印a r a t e l y h lr e c e my e a r s ，m i m o ( m i m o ：m u l t i i n p u t - m u l t i - o u t p u t ) e 虢c t i v e l yi m p r o v e st 1 1 e r v i c eq u a l i 锣i nm u l t i p a t l l - 伽i n gc h 锄l e la 1 1 dt i m e - v a r y i n gf a d i n gd 即i l e l ，s oi t d e v e l o p sr 印i d l ya 1 1 dh a sb e e nw i d e l yu s e di i lt l l eb a s es t a t i o n b e s i d e s ，i th 邪b e e n a d o p t e db yt h em a i n s 仃e 锄p r o t o c o lo fm en e wg e n e r a t i o no f 、耐r e l e s sc o m m u i l i c a t i o n s y s t e m s p a c et i m ec o d i n gi s ac h a n n e lc o d i n gs c h e m ef o rm i m os y s t 咖，柱c h c o m b i n e st l l em e r i t so fm es p a t i a l d i v e r s i 哪a n dt i m e d i v e r s i 何np r o v i d e sb o md i v e r s i 付 g a i na n dc o d i n gg a i l l w m c hc a np r 0 v i d em u c hl l i 曲e rd a ：t ar a t e - t o b a n d w i d t l lm t i ot 比m s i n g l e a m e 曲as y s t e m w i t h o u ts a c r i 丘c i n gb a n d 嘶d t l l ，s p a c e - t i m ec 0 d i n gt e c l l l l o l o g ) ，i n m i m os y s t e mc 觚p r o v i d eh i 曲e rc o d i n gg a i nt 0i 1 1 c r e a s em ec a p a c 埘o f 、) l ，i r e l e s s c o m m u i l i c a t i o ns y s t e m s ，s oi th a sb e c o m e 廿1 ek e yt e c h n 0 1 0 9 yo fb 3 gc o m m u i l i c a t i o n s y s t e m s b e s i d e s ，“h a sb e e ni i l c r e a s i n 9 1 yl l s e dt 0 仃a n s f e rm g l lr a t ed a _ t a ( s u c h 嬲v i d e o c o e r e n c e ) a r l db f o a d b a n d 、杌r e l e s sn l o b i l es e r v i c e r e s e a r c hs h o 、糨t 1 1 a tm i m oc a l le 毹c t i v e l ye 1 1 l l a n c et l l es p e c t 】a 1e 历c i e n c y 谢m o u t a d d i t i o n a lb 砒l d w i d _ t l li nm u l t i p a t hf - a d i n ge n v 衲衄e n to fw i r e l e s sc o m m u i l i c a t i o n s y s t e m s h o 、v e v e r ，i i lt h ea c t u a l 仃a n s m i s s i o ne n v i r o 姗e n t ，l e r e 、析l lb el a c ko fr a n ki n k e y h o l e ，s oi t 谢l lr e d u c et h em i m os y s t l e mc a p a c i t ) r 锄dp e r f 0 彻a n c e u s u a l l y ，t h e c o n e l a t i o nb e t v v 优n 锄t e l l i l a sc a nn o te 位c t i v e l y 呻r o v et h es p e c t n l i i lu t i l i z 砸o n h lf 如t ， i i lt i l ea c t u a lc h a i l n e l ，l ed e t e r i o r a t i o no fm et r a n s m i s s i o nc o n d i t i o n s ( o f t e nn 锄e d 弱 k c y h o l ee 觑c t ) s e r i o u s l yr e d u c et h em i m oc 1 1 a ：【m e lc 印a c 吼a tp r e s e n t ，t h er e s e 撒h 0 n k e y h o l ec k i i l 】li ss t i u 证i n i t i 2 l ls t a g e i nt h i sp a p e r ，r e s e a r c ho fs p a c et i m ec o d i n g m a i l l l yb a s e s0 nk e y h o l ec h a l l n e l t w oe 饪硎v et e c q u e st oi m 】p r o v e 也ep e r f o r n l a i l c e o fk e y h o l ec b a n n e la r ep r o p o s e db ya n a l y s i s 1 k ya r ed u a lp o l a r i z a t i o na n t e 皿aa n d c o o p e r a t i v ed i v e r s i 够s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t 1 1 a tb o 也o f 协e s em e l o d sa r ee 丘e c t i v e r e s e a r c h e so f t l l i sp a p e ra r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) c h a l l n c lc 印a c 时a n dp e r f o m 锄c eo fk e y h o l ec h a l l i l e la r ea i l a l y s i s e d 1 k e 鼠c t so fk e y h o l eo nm i m oc h a l l i l e lc a p a c 时a r er e s e a r c h e d 。s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w m a tc h a l l n e lc 印a c 时a i l dp e 0 m a i l c ed e c r e a s e ds i g i l i f i c a n t l yi 1 1 k e y h o l ec 妣l ， c o m p a r e d 晰t hr a y l e i 曲c h a l l i l e l ( 2 ) r e s e a r c ho ns p a c e t i m eb l o c kc o d e si nk e y h o l ec h a n n e li r l c l u ( 王e so r t h o g o n a l 4 扬州大学硕士学位论文 s p a c e t i m e b l o c k c o d e s ，q u a s i - o r t l l o g o n a ls p a c e - t i m e b l o c k c o d e s ，r o t a t i n g q u 硒i - o i t l l o g o n a ls p a c e - t i m eb l o c kc o d e s c h 锄e lm o d e li se s t a b l i s h e d ，t 1 1 e nc o d i n g ， d e c o d i i l g ，s 逾m l a t i o na 1 1 de r r o ra l l a l y s i sa r ef i i l i s h e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tn o m a n c rw h a t 虹n d so fe n c o d i n g ，p e r f b r m a n c ed e c r e a s e ss i g i l i f i c a n t l yi nk e y h o l ec h a n r l e l c o n l p a r e d 砌l 量匕l y l e i 曲c h a 衄e 1 ( 3 ) r e s e a r c ho ns p a c et i i i l e 骶l l i sc o d e si i lk e y h o l ec h a n n e li n c l u d e ss t t cc o d i n g ， p e 响吼孤c ea i l a l y s i s ，c o d i n g 嘶t 嘶o na n dd e s i g n i n go p t i m 眦c o d e s a sc a l lb es e e n f b o mm es i i i l u l a t i o nr e s u l t s ，s 1 v r cp e 面眦a i l c ed e c r e a s e ss i 鲥f i c 肌t l yi nk e y h o l e c h a l l i l e lc o i n p a r e d 谢mr a y l e i g hc h a n n e l ( 4 ) p r o p o s i n g 铆om e t h o d st oi m p r o v et l l ep e 订o r m a n c eo fk e y h o l ec h 猢e 1 t h e y a r ed l i a lp o l a r i z a t i o na n t e m ma r l dc o o p e r a t i v ed i v e r s i 够s i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i 匆t 1 1 e v a l i d i 锣o f t i l e s et v 旧m e t h o d s 锄db o t ho f l e mr e d u c et l l eb i te r r o rr a t i oo ft l l es y s t e m k e y w o r d ：m i m o ，i n u l t i p a t l l - f a d i n g ，k e y h 0 1 ec h a m e l ，r a y l e i 曲c h 锄e l ，s p a c et i m e c o d i n g ，c 0 0 p e r a t i v ed i v e r s i 吼 李琳基于匙孔信道的空时编码技术研究 6 5 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究 成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 李蛛 签字魄_ 年石月够日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、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学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本 人授权扬州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，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信 息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 学位论文作者签名： 李蛛 签字噍 1 年6 月4 日 导师签名： 签字日期：沙弋年多月十日 李琳基于匙孔信道的空时编码技术研究5 1 1 课题研究背景 第一章绪论 无线通信技术是当前通信领域研究的热门课题之一。由于无线个人移动通信和 无线网络极大的应用市场，世界各国都以战略的眼光在这一领域加大人力和财力的 投入，争取掌握关键和核心技术，促进本国的经济发展。随着第三代( 3 g ：t h e r d g e n e r a t i o n ) 无线通信技术的成熟和逐步推广应用，对下一代无线通信技术( 4 g ： t h ef o u m lg e n e r a t i o n ) 的研究已经进入了研究工作者的视野。国际上著名的大学、 研究机构和电子公司等都已经相继投入了研究。在我国，对4 g 相关的技术开展广 泛的理论和应用研究。解决理论上的关键和核心的技术问题，对我国在新一轮国际 通信技术的竞争中，技术上不受制于人，保持一定的技术领先，参与和制定新的国 际标准，均有重要的意义。 作为一种信道编码技术，空时编码具有非常诱人的性能，因此受到了人们的极 大重视。从目前研究背景来看，空时编码技术已经被写入到了第三代蜂窝移动通信 的标准中( 如c d m a 2 0 0 0 【l j 和w c d m a l 2 j ) 以及无线本地环路应用( 如l u c e n t 的 b l a s t 方案【3 】) 中。第三代移动通信系统中所采用的空时发射分集( s t t d ：s p a c e t i m et r a n s m “d i v e r s 姆) 等发送分集方式就包含了空时编码的思想，而空时分组码 和分层空时码等空时编码方式在c d m a 中的应用方案也相继提出【4 ，5 】。 研究表明对于多径衰落环境下的无线通信系统，多天线技术能够有效地提高频 谱效率而不需要增加额外的带宽【6 】。但在实际的传播环境中，由于“匙孔 现象所 引起的秩较小会降低多输入多输出( m i m o ：m u l t i i n p u t m u n i o u t p u t ) 系统的容量 及其性能【_ 7 1 。为此，s 等从理论上对“匙孔”效应进行了初步分析，给出了不相 关的瑞利衰落m i m o 信道下平均容量的具体表达式，但是该表达式含有非常复杂的 m e i j e r g 特殊函数，不便数值计算和分析；c u i 等首次考虑了空间相关以及“匙孔 效应的联合影响，并且给出了系统容量的一个边界值【8 】；l e e 等研究了不相关的 k e y h o l en a k a g a n l i 衰落信道，得出了平均误码率的具体表达式【9 】，但其结果也是包 含特殊函数的积分表达式，不便进行分集增益性能的分析及其数值计算。目前，对 整个匙孔信道的研究还处于初级阶段。 假设无线通信系统的信道矩阵是独立的复高斯随机变量，按照这种理想假设推 导出来的m i m o 系统信道的容量在实际信道中可能会有所减小。而且通常情况下， 如果到达接收端的信号是相关的，则推导出的m i m 0 系统容量公式预测的频谱利用 6 扬州大学硕士学位论文 率会降低。文献【l o ，1 1 详细论述了空间衰落相关性对m i m o 系统信道容量的影响， 并指出可以通过增加天线之间的相关距离来减小天线之闻的相关性。 通常情况下k 天线之间的相关性并不能有效保证频谱利用率的提高。事实上， 在实际信道中，恶化的传输条件( 通常称为靠匙孔抒效应) 给m ：叫o 信道容量带来 相当大的影响。匙孔效应降低了信道矩阵的秩，从而减小了系统的信道容量。匙孔 效应通常发生在长长的走廊、狭窄的街道、隧道、信号穿过建筑物上的小窗户进行 传播，或者是发射天线和接收天线距离非常远的时候【l 烈。此时系统的容量和性能急 剧下降。本文的研究就是针对匙孔信道的，对其进行分析并提出有效的改善匙孔信 道性能的方法。 董2 空时编码技术 空时编码技术是w i 嬲戮在二十世纪夕十年代中期首次提出来的，九十年代底 至今一直受到广泛的关注，是多输入多输出信道编码的一种方法。它将空间分集、 频率分集以及时间分集结合在一起，从通信系统的整体出发，提高多径衰落信道下 的通信质量。在不牺牲带宽的情况下，空时编码可获得更高的编码增益，从而有效 提高无线通信系统容量，为解决无线信道的带宽问题提供了新的解决途径。这对满 足今后实现高速可靠的无线数据通信具有极大的吸弓l 力。 1 2 1 分集技术 分集技术是通信中的一种相对比较低廉的投资就可以大幅度改善无线链路性 能的有效的接入技术【1 3 l 弱。它是利用自然界无线传播环境中独立的或者高度不相关 的多径信号来实现的，已广泛应用于移动通信、短波通信等参数信道中。分集的概 念可以简单解释如下：如果一条无线传播路径中的信号经历了深度衰落，而另一条 相对独立的路径中可能包含着较强的信号，那么可以在多径信号中选择两条或者两 条以上的信号，这样做能够提高接收端的瞬时信噪比和平均信噪比，通常可以提高 2 乳3 0 d b 。多输入多输出天线的使用使得分集技术得到了极大的发展。 分集技术的分类： ( 1 ) 时间分集；把同一信号在几个非相关时间段上传输，在接收端就可以得到 时间分集。时间分集通信随着时阅的经过根据错误修正或错误检测的理论进行编码 的，同一内容的代码字作为无线信号多次发射，接收装置接收上述代码字并根据错 误修芷或错误检测的理论将该代码字进行译码。该接收装置具有对通过多次接收的 同一内容的代码字进行判断并为译码做出正确地选择。采用有限的交织技术可获得 李琳基于匙孔信道的空时编码技术研究 7 信道编码的时间分集。这种信道编码技术在快衰落的环境中可以提供不错的性能， 但在慢衰落情况中，会有明显得交织延迟。纠错编码技术也可获得时间上的分集。 ( 2 ) 频率分集：在不同频率上传输同一信号，这些信号经历不同的多径和相互 独立的衰落，因而在接收天线可获得频率分集。在时分多址接入系统中，频率分集 的实现是通过均衡器；在g s m 系统中采用的是跳频技术。在直序码分多址接入系 统中是利用r a k e 接收机来实现频率分集。 ( 3 ) 空间分集：是一种实用有效使用范围很广的分集技术，用以克服多径信道 的深衰落。同一信号在相同时间片断相同的频率片断内在多个非相关或相关度较小 的无线信道上传输。实现空间分集的典型方式是使用多个接收天线和多个发射天 线。利用合并，选择或者开关技术来提高接收信号的质量，这种分集称为接收分集， 但由于无线移动通信中的接收机尺寸、功率、重量等因素的限制，接收分集的实际 利用率并不高。发射分集是指在发射端将待发信号按照某种分配和变换方案从多个 天线发射信号，从而使接收方增强接收效果，改进下行链路的性能。 1 2 2 空时编码原理 串 + 脉冲 形成器 l 熟卜 并 l 编码器i 转 换 器 一熬 图l l 空时编码的系统模型 如图1 1 所示，空时编码的基本结构是一个在发射端有蜥个发射天线，在接收 端有个接收天线的无线通信系统。假定信道为窄带平坦衰落信道。空时编码器首 先对信源数据进行编码，通过一个串并转换器，将编码数据分割成脚个数据流， 每个数据流作为一个脉冲形成器的输入，然后经过调制由脚个发射天线同时发射。 发射信号在接收端由个接收天线接收，每个接收天线的接收信号是带有噪声干扰 的珥个发射信号的线性叠加。到达接收机经译码和解调之后，重建原始信号。 空时编码就是使不同天线上发射的信号具备空间和时间上的相关性，在接收端 8扬州大学硕士学位论文 获得分集增益的同时获得编码增益，提高频带利用率和信噪比，从而增加无线通信 系统的系统容量。空时编码的理论依据为天线阵的信道容量定理： 、 c 唧l 0 9 2 i 争嘲，i ( 1 - 1 ) 7 h 式中脚是发射天线数，是接收天线数，j 珊是信噪比。 当不变时，系统容量c 随发射天线数目脚的增加而近似线性增大，所以增 加发射天线数目，可以有效提高系统容量。同样，当珥不变时，系统容量c 随接 收天线数目的增加而增大，所以增加接收天线数目也能有效提高系统容量。 若每个发射天线发射的功率是尽，发射的总功率是p ，则p = 件尽，乓= p ，i r ， 那么信道容量为： c = l 0 9 2 ( 1 e t ( i 淼+ ( p h ) h h h ) 伽心 ( 1 - 2 ) 式中h = 啊j j l ： 7 i l 嘶 如t红： 吃唧 z k 竹 为侏嘶阶信道衰落系数矩阵，是从第f 个发射天 线到第，个接收天线间的衰落系数。d e t ( x ) 表示对矩阵x 求行列式，i 。是脚阶单 位矩阵，h 为共轭转置。 多天线系统在信道容量上比单天线系统有显著提高，这还可以用来提高信息传 输速率，也可以不提高信息速率而通过增加信息冗余度来提高通信系统的可靠性， 或者在两者之间取一个合理的折衷。 当发射天线之间的距离大于等于二分之一波长时( 即满足空间分集的条件) ， 信号在不同路径中的传播过程可以看成是独立的衰减过程。空时编码的特征就是多 天线技术，即使用多发射和多接收天线进行信息的发射和接收，从而大大提高系统 的信息容量。它通过在不同天线的发射信号引入时间和空间相关，在接收端进行分 集接收，对发送信号进行判决，与不采用空时编码的系统相比，它能够在不牺牲带 宽的情况下获得更高的编码增益，而且接收机结构简单，其空时结构还能有效地提 高无线系统的容量。空时编码的特点是将编码技术和天线阵列技术有机地结合在一 起，实现了空分多址，从而提高了系统的抗衰落性能；它利用衰落信道多径传播的 特点以及发射分集和接收分集来提供高速率、高质量的数据传输；与不使用空时编 码的系统相比，空时编码提高了抗干扰和噪声的能力，特别是在无线通信系统的下 行( 基站到移动端) 传输中，空时编码的应用使移动端的设计负担转移到了基站。 李琳基于匙孔信道的空时编码技术研究 9 1 2 3 常见的空时编码机制 空间分集技术追求的是m 蹦o 系统中传输速率的最大化，它在不同的天线上传 输的是承载不同信息的符号流。为了消除由于无线信道衰落和噪声带来的干扰，通 过空时编码的方式，使不同天线上传输的符号包含的信息在时间和空间上具有一定 的相关性，从而使原始的信息在接收端被正确地译码，也就是使系统传输信息中断 概率最小，或等价于中断容量最大化，这也是空时编码研究的目的。在这种情况下 多天线仅提供空间分集的作用，而信息传输的速率没有增加。目前，以提高传输可 靠性为目的空时编码研究主要包括：空时网格编码( s t t c ：s p a c et i m et r e l l i sc o d e s ) 和空时分组编码( s t b c ：s p a c e1 h eb l o c kc o d e s ) 。 1 空时网格码 空时网格码最早是由v t a k h 等人提出的，是最早提出的一种空时编码方法。 在该空时编码系统中，空时网格码是把一组信号j ( ，2 ) 通过个卷积编码器( 或者通 过有个输出的编码器) 编码后，经过个天线发射出去。接收端解码采用维特比 译码算法。空时网格码设计的码字在不损失带宽效率的前提下，可提供最大的编码 增益和分集增益。最大分集增益等于发射天线数。 2 空时分组码 空时网格码虽然能获得很大的编码增益和分集增益，但是由于在接收端采用维 特比译码，其译码复杂度随着天线数和网格码状态数的增加成指数增加，因此在实 际中应用有些困难，这就出现了空时分组编码。 空时分组码则是根据码字的正交设计原理来构造空时码字，空时分组码最早 由舢a m o u t i 提出的。其设计原则就是要求设计出来的码字各行各列之间满足正交 性。接收端采用最大似然检测算法进行解码，由于码字之间的正交性，在接收端 只需做简单的线性处理即可。 扬州大学硕士学位论文 1 3 无线传播环境 13 1 多径传播 i 国号赫 图1 2 多径传播模型 在蜂窝移动通信环境中，周围的物体( 如房屋、建筑或树木) 会对无线电波有 反射作用。这些障碍物会产生幅度衰减和相位延迟的反射波。如果发射一个调制信 号，那么该发射信号的多个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，根据其相位的不同，对接收信号 会起到加强或减弱的作用。这些多径分量豹和就形成了一个空间变化的电磁波场。 因此，移动单元在这个多径场中移动时就可能接收到幅度和相位剧烈变化的信号。 周国物体在无线信道也会不停地移动，因此当移动单元静止不动时接收信号的幅度 也可能发生变化。这种由于信道的时变多径特性引起的接收信号幅度上的波动称为 信号衰落，图1 2 给出了多径传播的示意图。 1 32 多普勒频移 由于发信机和收信机之间的相对运动，每个多径波的频率都会发生一定的偏 移。这种由于相对运动引起的接收信号的频率偏移叫多普勒频移。频率偏移量与移 动单元的运动速度成正比。假定发射信号的一个频率为f 的单音信号，接收信号也 只是由一个和运动方向夹角目的波组成。则接收信号的多普勒频移( 用正表示) 可 以由下式得出： 一， 正= ! 丝c o s ( 口) ( 1 3 ) 李琳基于匙孔信道的空时编码技术研究 1 l 式中1 ，是接收站运动速度，c 是光的传播速度。多径传播时延环境中的多普勒频移 展宽了多径信号的带宽，变化范围是z 厶一，式中力一是最大多普勒频移，由下 式给出： 石一= 堕 ( 1 4 ) o 最大多普勒频移也称作最大衰落速率。因此，单频发射信号由于多普勒频移会 引起接收信号频谱宽度非零，这种现象称为信道的频率色散。 1 3 3 快衰落和慢衰落 对快衰落和慢衰落的区分在衰落信道的数学建模和基于这些衰落信道的通信 系统的性能分析方面有很重要的作用。它和信道的相干时间z 有关，相干时间用来 衡量信道变化的快慢，相干时间越大，信道变化越慢。相干时间也和多普勒频移几 有关，关系如下： z 兰去 他5 ， 假设符号时间为z ，如果瓦小于相干时间乃，我们认为信道是慢衰落；反之则 认为信道是快衰落。在慢衰落中，一个特定的衰落会影响多个连续的发送符号，这 有可能会引起突发差错。在快衰落信道中，信道从一个发送符号到下一个发送信号 都会发生变化。 1 3 4 平衰落和频率选择性衰落 频率选择性也是衰落信道的一个重要特性。如果信道对发送信号的所有频率分 量的影响是一样的，认为是非频率选择性衰落信道或平衰落信道。如果发送信号的 带宽远小于信道的相干带宽五( 相干带宽表示信道在两个频率处的频率响应保持 强相关情况下的最大频差) ，则信道是非频率选择性衰落的；反之，信道是频率选 择性衰落的。 1 4 论文主要研究和结构安排 1 论文的研究主要包括以下几个方面： ( 1 ) 分析了匙孔信道的信道容量和性能，研究了匙孔效应对m i m o 系统信道 容量的影响，并通过仿真证实在匙孔信道下信道容量与瑞利信道相比明显降低，系 1 2 扬州大学硕士学位论文 统的性能较瑞利信道也明显下降。 ( 2 ) 研究了基于匙孔信道的空时分组码，主要包括匙孔信道下的正交空时分 组码，准正交空时分组码，旋转准正交空时分组码。首先建立信道模型，然后进行 编码设计、译码、仿真及差错分析。仿真结果表明，论哪种编码方式，匙孔信道中 的性能与瑞利信道相比都明显下降，分集增益也减小。 ( 3 ) 对基于匙孔信道的空时网格码进行了研究，包括空时网格码的编码，性 能分析，匙孔信道下的编码准则，并依据此编码准则进行匙孔信道最佳编码的设计， 得到最佳码字。通过仿真表明，同一码字在匙孔信道中的性能与瑞利信道相比要差， 匙孔信道中的最佳编码与瑞利信道下的最佳编码相比性能有所改善。 ( 4 ) 提出了两种改善匙孔效应性能的方法，在匙孔信道中引入双极化天线技术 和协作分集技术。通过仿真表明，这两种技术都能极大的改善匙孔信道的性能，降 低系统的误码率。 2 论文主要内容安排： 第一章主要论述了课题的研究背景，目前m i m o 技术的发展概括和课题研究的 可行性和必要性，空时编码技术的原理和常见的空时编码机制。介绍了两种以提高 传输可靠性为目的的空时编码机制，空时网格编码和空时分组编码。除此之外，本 章还论述了无限传播环境，包括多径传播，多普勒频移，快衰落和慢衰落对比，平 衰落和频率选择性衰落。为全文的研究奠定了理论基础。 第二章的研究主要针对匙孔信道的信道容量。首先介绍了衰落信道的统计模 型，包括瑞利信道模型，莱斯信道模型和匙孔信道模型。计算出匙孔信道的容量， 并进行了性能分析，通过仿真表明，匙孔信道的容量较瑞利信道明显下降，影响了 无线通信的服务质量，性能较瑞利信道也明显下降。 第三章的主要内容是介绍匙孔信道中的空时分组码。包括三个方面的内容，匙 孔信道中的正交空时分组码，匙孔信道中的准正交空时分组码，匙孔信道中的旋转 星座准正交空时分组码。分别介绍了这三种编码方式的编码设计，译码和仿真结果。 仿真结果表明，无论对哪一种编码方式而言，相同的码字在匙孔信道中性能较瑞利 信道明显下降。 第四章的主要内容是基于匙孔信道中的空时网格码。建立了s t t c 的系统模型， 进行编码设计、译码，总结出在匙孔信道中的编码准则，并根据这个编码准则设计 出匙孔信道中的最佳空时编码。通过仿真证实了这种码字比瑞利信道中的最佳编码 性能提高了1 d b 。 为了改善了匙孔信道的性能，第五章引入了两种技术双极化天线技术和协作分 李琳基于匙孔信道的空时编码技术研究1 3 集技术。本章论述了双极化天线技术、四元素准正交设计、译码和仿真结果。建立 了协作分集的系统模型，进行了性能分析，并得到了仿真结果。仿真结果表明无论 哪种方式都能够极大的改善匙孔信道的性能。 第六章则总结了全文并对课题进行了展望。 1 5 本章小结 本章介绍了课题的研究背景，空时编码技术和无线传播环境，为全文的研究奠 定了理论基础。并概括了全文的主要研究工作和结构安排。 1 4 扬州大学硕士学位论文 第二章匙孑l 信道的容量和性能分析 2 1m 【m o 信道 m i m o 系统，通常是指在通信链路的发送端与接收端均使用多个天线阵元的传 输系统。它能够将传统通信系统中存在的多径衰落变成对用户通信性能有利的因 素，从而成倍地提高业务传输速率。 图2 - 1m i m o 系统模型的基本结构 m i m o 系统模型的基本结构如图2 1 所示。在发送端，输入的串行码流通过某 种方式( 编码、调制、加权、映射) 转换成几路并行的独立码流，通过不同的发射 天线发送出去( 不同的码字同时同频带地发送) 。在接收端，利用多个接收天线组 进行接收，并利用测出的信道传输特性和发送码字之间的编码关系，对多路接收信 号进行空域与时域上的处理，从而分离出几路发送码字流，再转换成串行数据输出。 2 2 衰落信道的统计模型 当信道为平坦衰落信道时，脉冲响应由一个冲激函数来近似；而当信道为频率 选择性衰落信道时，脉冲响应由多个冲激函数来近似。多径信道的本性就是这些冲 激函数的幅度是随机的。该随机性主要是由于多径以及环境的随机分布所造成的。 因此，需要用统计模型来描述接收信号的幅度和功率。在本节，我们将讨论一些重 要的模型。 2 2 1 瑞利信道模型 因为不同冲击函数的衰落相互独立，所以频率选择性衰落信道的结果与之非常 相似。这里假设在发射机和接收机之间没有视线传播。在一个有j 条多径信道中， 以载波频率正发射一个信号，接收端接收到的信号为，个不同径的信号成分与一个 李琳基于匙孔信道的空时编码技术研究1 5 高斯噪声叠加，被描述为： ， ，( f ) = 口jc o s ( 2 万正r + 谚) + 刁( r ) ( 2 1 ) j 卫l 式中哆和谚分别为第，径信号成分的幅度和相位；巧( ，) 是高斯噪声。将公式( 2 一1 ) 中的c o s ( ) 项展开将得到： ， ，o ) = c o s ( 2 万力) 口j c o s ( 红) 一s i n ( 2 万正f ) 哆s i n ( 识) + 刁( f ) ( 2 - 2 ) j 毒lf l l ， 由于物体在环境中是随机分布的，所以么= qc o s ( 谚) 项和b = 哆s i n ( 办) 项 扭lf = l 是，个随机变量之和。当，值很大时，彳和b 是独立同分布的高斯随机变量。接收 信号的包络为r = 彳2 + 召2 服从瑞利分布。瑞利随机变量的概率密度函数为： 肌，= 孝e x p f 吾卜。 协3 ， 式中仃2 是随机变量彳和b 的方差，如图2 2 所示即为瑞利分布的概率密度函数示意 图。接收到的功率是一个服从指数分布的随机变量，其概率密度函数为： m ，= 刍唧b 卜。 协4 ， 严 f |l - t 、 。f 、- 图2 2 瑞利分布的概率密度函数 公式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 中接收信号描述的是在接收机的第一级的模拟信号。我 们通常处理的是经过匹配滤波并且经过采样和保持模块之后的基带数字信号。用 1 6 扬州大学硕士学位论文 来表示接收机输入，( r ) 经由匹配滤波器之后的解调输出，最和7 7 f 分别是发射信号 j ( f ) 和噪声叩( f ) 的离散时间形式。在上面的分析中，发射信号是隐含于其中的。应 用上述变量，可以将基带信号之间的关系表示为： ，：= 鸱+ 仇 ( 2 5 ) 式中口是复高斯随机变量，或者说衰落系数口的实部和虚部都是零均值的高斯随机 变量。衰落系数的幅度h 是瑞利随机变量。公式( 2 5 ) 所描述的输入输出关系被 称为衰落信道模型。系数口被称之为路径增益，而加性噪声成分碾通常为高斯噪声。 2 2 2 莱斯信道模型 在平坦衰落信道中，若除了随机多径成分以外，还存在有一个起主导作用的静 态成分，那么高斯变量a 和b 就不再是零均值了。这通常发生在发射机和接收机 之间存在视线传播的情形。在这种情况下，包络随机变量r 的分布为莱斯分布，其 概率密度函数为 肌) ：孝e x p f 掣 厶阱圳皿。 沼6 ， 式中d 是起主导作用的信号峰值幅度，厶( ) 为修正型第一类零阶贝塞尔函数。当主 导信号消失时，即d 斗0 ，莱斯分布收敛于瑞利分布。 l a w s n r 、 t | f 一 f 。f - r f l 图2 - 3 莱斯分布的概率密度函数 与瑞利衰落信道模型类似，莱斯衰落信道衰落模型的离散时间输入输出关系也 由公式( 2 6 ) 所决定的，其主要的差别就是路径增益口的实部和虚部为非零均值的 4 2 1 8 6 4 2 o 1 1 0 0 o 0 李琳基于匙孔信道的空时编码技术研究1 7 高斯随机变量，幅度h 的分布是莱斯而不是瑞利分布。如图2 - 3 所示即为莱斯分布 的概率密度函数示意图。 2 2 3 匙孑l 信道模型 通常情况下，恶化的传输条件即匙孔效应给系统容量和性能带来了极大地影 响。在衰落m i m o 系统中，如果发射天线和接收天线被散射体包围且不相关，那么 该系统在正常的传播条件下，产生一个各元素都独立的复高斯变量的矩阵，其容量 较高。如果收发天线间被一个有一个小孔的平面分离，如图2 4 所示，就会得到被 称为“匙孔 的传播环境i l 酬，传播发射信号的唯一路径就是穿过小孔。这种现象通 常发生在波阵面只能在单一角度上进行传播的情况下。例如，信号穿过建筑物上的 小窗户进行传播，或者是在狭窄的街道的传播，或是在长长的走廊，隧道里，或是 发射和接收天线距离非常远的室外环境中等等，都存在匙孔效应。在匙孔传播环境 中，m i m o 信道只有一维的自由度【l 刀。 圈2 - 4 匙孔信遭不恿图 如图2 4 所示在匙孔传播环境中，假设信道是非频率选择性的慢衰落信道，发 射的天线数是唧，接收天线数是刀r ，如果将发射信号表示为： x = ( 毛，恐，) 1 ( 2 - 7 ) 式中x f 表示从第f 个天线上发射的信号。则小孔处的信号y l 可以表示为： m = h 1 x ( 2 - 8 ) 式中 h 。= ( 口2 ，口竹) ( 2 - 9 ) 式中q ，口2 ，口加分别是发射天线到小孔的信道系数，用独立的复高斯变量表示。 扬州大学硕士学位论文 小孔另一端的信号( 用y 2 表示) 可以表示为： y 22 秒l 式中g 是匙孔衰减。 接收天线处的信号矢量( 用r 表示) 为： r = h 2 y 2 式中h