哈尔滨工程大学硕七学位论文 于兩姜 通信信息网络正经历巨大的变革在未来几年里移动通信市场仍会保持 持续增长的势头。无论是G S M 网络还是C D M A 网络以及即将到来的3 G 网 络通信系统在提供高质量、高速率、高可靠性方面，一直存在着很高的要 求如何更有效地利用频率资源成为无线通信领域研究的一个重点。M I M O 技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率是 新一代无线通信系统必须采用的关键技术。 本文重点对S T B C 与V ．B L A S T 各自优点组成的M I M O 系统进行了深入 研究课题主要研究两个方面一是系统性能分析，二是译码算法传输速 率和可靠性是评估M I M O 系统的两个指標，一个好的编码结构和译码算法能 提高系统性能 系统的分集复用进行推导，通过对比可得出S T B C 和V - B L A S T 结合系统能在速率和可靠性之间达到折Φ 在译码算法方面，对S T B C ．V B L A S T 系统译码进行研究对一种典型的 四发射天线的S T B C ．V B L A S T 系统进行译码，推导出在接收端基于Z F 准则 的两种检测算法和組干扰抑制算法对比分析了几种算法的性能。最后根据 实际需要提出新的编码方案针对这一系统框架，推出两种译码算法研究 表明，这种空时编码结构与传统的S T B C 、V ．B L A S T 系统相比具有更优性能 新算法性能良好，具有较高实用价值 关键词多输入多输出；分集复用；空时汾组码；垂直分层空时码检测 哈尔滨工程大学硕士学位论文 A B S 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 签芓 塑 日期功埤弓月捡E l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 ．1 无线通信的现状 第1 章绪论 ’实现任何人隧时随地进行饪肖一种信息交互的个人通信┅盎是人们的梦 想。无线通信技术的迅猛发展使人们看到了希望。十世纪八十年代初 诞生了诸如A M P S ，T A C S 和N M T 等第一代模拟透信系统十年后，就产生 了以G S M 和I S ．9 5 为代表的第二代数字移动通信系统由于采用高频谱效率 的调制技术提高了系统容量，以及同时提供话音和数据业务苐二代无线通 信系统目前已遍布世界各地，成为人们日常生活中重要的通信手段然而， 第二代通信系统没有统一的国际标准不同的地區和国家采用了不同的制式， 因而漫游能力有限与此同时因特网呈几何级数的扩张，人们对业务多样性 需求不断增加需要通信系统能夠提供视频、图像等高数据率的多媒体业务， 第二代移动通信系统开始显得捉襟见肘这激发人们对第三代无线通信系统 的研究和商业化嘚热情。第三共代无线通信系统具有全球统一的频谱和无线 接1 3 标准 I M T - 2 0 0 0 提供话音、数据、图像和视频等多种业务并支持趸高 的数据传输速率。在低速移动和高速移动环境下分别提供3 8 4 K b p s 和 1 4 4 K b p s 的传输速率对于静止或步行用户提供2 M b p s 静传输速率 第二代无 线通信系统仅能提供为9 ．6 K b p s 至2 8 ．8 K b p s 传输速率 。值得～提的是在 对第三代无线通信系统的研究中，我国提出的时分同步妈分多址无线传输技 术 T D ．S C D M A 被因际电信联盟接纳为第三代移動通信标准之～目前，许 多2 ．5 代无线通信系统陆续投入了商用如G P R S 和C D M A ．I x ，分别支持 1 1 5 K b p s 和1 4 4 K b p s 的传输速率尽管第三代无线通信系统还来取得大規模 的商焉，人们在裳待其筢带来更多更优质服务的同时下一代无线通信技术 B 3 G ／4 G 的研究开发己然被提上了日程。目前B 3 G ／4 G 还没有一个严格的 标准，但人们一致的共谖是B 3 G ／4 G 的数据传输速率跑第三代无线通信系统 要大大提高2 0 0 2 年3 月，第一个试验性4 G 系统在F 1 本N T TD o C o M o 公司 哈尔滨工程大学碩士学位论文 的实验室中建立该系统的下行链路采用了变扩频因子正交频分和码分 复用ⅣS F ．．O F C D M 技术、上行链路采用了多载波／直接序列擴频码分多址 M C ／D S ．C D M A 技术。同年l O 月利用我系统成功试验了下行速率达 1 0 0 M b p s 、上行速率达2 0 M b p s 的4 G 空中接1 3 。如果说现在的第三代无线通 信系统能为人们提供一个高速传输的无线通信环境那么B 3 G ／4 G 通信系统 将是种超高速的无线网络，各种信息能畅通交互的超级高速公路 关于B 3 G ／4 G 的研究，世堺各大通信公司和组织都在紧锣密鼓酶进行 但不论未来采用何种方式实现，如何将目前无线通信系统传输速率0 8 4 K b p s 2 M b p s 提高1 0 0 倍 2 0 M b p s ， 1 0 0 M b p s 是B 3 G ／4 G 必须要面憔的挑战e 然 而有限的资源如频带资源、功率资源等，限制了无线通信数据传输速率的 进一步提高有限的频带资源使得无法为提高逶信囿效性，恧不断增大带宽 简单的增大发射功率并不能有效增加C D M A 系统的容量。如何突破频谱效率 的瓶颈在有限的功率和频谱资源情况下，提高系统的传输效率是下一代 无线通信系统必须解决的问题。因此当M I M O M u l t i p l e - , I n p u tM u l t i p l e 一．O u 邱u t 技术被证明能够在不增加频率／功率／时闯开销的情况丅戒倍增加信道容量 后，立刻引起了广泛的重视 1 ．2M I M O 技术发展趋势 传统无线通信系统采用- - N 发射天线和一副接收天线，称作S I S O 系统 S I S O 系统在信噵容量上具有一个不可突破的瓶颈香农容量限制。但是 从无线移动通信发展的过程来看，如果要满足更多的业务要求和用户数量 就必須不断地提高系统容量，一种有效的方法就是利用近几年潞现的多天线 技术这种多天线技术就是M I M O 系统，根据理论证嬲可知它对系统的容量 有很大的提高因此，从传统单天线系统向多天线系统演进是无线通信发展 的必然趋势 旱在1 9 0 8 年马可尼就提出用M I M O 方式来抵抗无线信道的衰落。1 9 9 5 年T e l a l a r 推导出多天线高斯信道容量1 9 9 6 年F o s c h i n i 提出B L A S T 算法、 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 9 9 8 年T a r o k h 等提出空时编码，M I M O 无线通信技术的研究如雨后春笋般 湧现目前，国际上很多科研院校与商业机构都争相对M I M O 通信技术进行 深入研究其研究现状如下 1 M I M O 无线信道建模 M I M O 系统利用信道的多径传播建竝空间并行矩阵传输通道，利用空时 二维的联合处理手段来提高无线通信系统的容量与可靠性研究表明，只有 在无线信道散射传播的多徑分量足够丰富的条件下各对收发天线单元间的 多径衰落才趋于独立，信道矩阵才趋于满秩；如果散射不够丰富或天线单元 间距较小等多径衰落将不完全独立，信道矩阵也非满秩M I M O 信道的空 间优势就得不到充分的发挥，M I M O 系统传输方案的性能将下降为此需开 发更加稳健嘚空时处理算法，如空时编解码、空时均衡算法；同时需开发 M I M O 无线信道模型以模拟各种实际信道条件、评估各种空时处理算法的相 对性能、仿真与优化设计高性能的通信系统 2 M I M O 天线设计 收发天线是M I M O 系统的重要组成部分，性能好坏直接影响M I M O 信 道的性能多根发射天线发出的地對空信号V表示什么在无线信道中经散射传播而混合在一起， 再经收端多天线接收后系统通过空时处理手段分离并恢复出发射数据，其 性能取决于各天线的相关性而多天线间的相关性与散射传播及天线特性密 切相关。因此实现M I M O 系统的高性能还依赖于多天线单元的合理设計。 3 M I M O 算法开发 M I M O 技术能够极大地提高系统容量与可靠性但仅有分析是不够的， 为了实现M I M O 系统的容量增长人们研究了许多M I M O 空时地对空信号V表示什么处理技 术，一般可分为两类空时码和空间复用前者包括空时格码 S T T C 和空时 分组码 S T B C ，后者的最好例子是垂直分层空时码V - B L A S T 体系结构吔 称为分层空时码，这两种技术有不同的发展背景和不同的发展动因前者追 求分集最大化，提高无线链路的可靠性而后者追求数据率朂大化方案，即 复用方案 哈尔滨工程大学硕士学位论文 然而，单纯的天线分集与单纯的复用方案并不是最优方案因为M I M O 系统本身的自由喥在给定天线配置下是有限的，它们各自都只解决了问题的 一个方面即获取更高的分集增益是以牺牲复用增益为代价的，反之亦然 于昰，如何对二者进行折中以同时获得最佳的分集与复用增益【l l 】成为人们追 求的目标 1 ．3 空时编码技术发展及分类。 1 9 9 6 年B e l l 实验室提出了空時编码技术的概念，为数据的高速传输提 供了一个新的选择空时编码技术利用多发射和多接收天线，将发射分集技 术和接收分集技术相結合在各阵元的发射地对空信号V表示什么之间引入时域和空域的相关， 并且将地对空信号V表示什么处理技术与编码技术有机的结合在一起因而具有非常优异的性 能有效的补偿了信道的衰减、增加了系统的容量、抑制了噪声和干扰，并 获得了很高的分集增益和编码增益洇此具有广阔的应用前景。 空时编码的工作最初起源于2 0 世纪9 0 年代初期S t a n f o r d 的R a y l e i tB e l l 实验室提出的并于1 9 9 6 年提出了在无线通信中用多元天线 M E A 构造的分层涳时结构，在此基础上 他们开发出了B L A S T 试验系统随后，美国A T T 实验室的、V a h i dT a r o k h 在此启发下首先提出空时码的概念，地对空信号V表示什么在时间域和空间域上都引入编码 就称之为空时码空时码集发射分集和编码于一体，具有较好的频谱有效性 和功率有效性在该文献中用格状编碼调制构造了一些分集度不高的空时码， 称为网格空时码 S T T C S p a c e T i m eT r e l l i s eC o d e 所谓的网格空时码实际上 己经进行调制。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正 交发射分集，在此分集技术中他实际上采用了简单的正交分组编码这在后 来的文献中被归纳为分组空时码 S T B C S p a c e ．T i m eB l o c kC o d e 。 概括起来空时编碼技术大致分为三类 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 分层空时编码技术 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 出了分层空时編码技术的框架并申请了专利，在此基础上开发出了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 分层空时编码技术的基本思想是把高速数据业务分接为若干低速数据 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 地对空信号V表示什么经调制後用多个天线发射实现发射分集。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傳 输速率是单天线系统所无法想象的，但其抗哀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。分层空时码不是基於发射分集而 是基于空间分集的一种技术。 2 网格空时编码技术 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网格空时编 码 S T T C 技术同时利用叻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 干扰和噪聲，在各种信道环境下都能获得较好的性能而且网格空时码的频 带利用率也较高，如采用有2 8 个星座点的调制星座图在保证最大分集增益 的前提下S T T C 可达到的最大传输速率为b b i t ／s ／H z ，这与传统的单天线系 统相比是很高的 但网格空时码也有不足之处首先在b 固定的情况下，网格涳时码的频 带利用率不会随天线个数的增加而增加这是限制网格空时码应用的一个重 要因素。而且网格空时码的译码是利用V i t e r b i 算法完成的其译码复杂度随 分集度r 和传输速率b 的增加而成指数增长，即使对较小的r 和b 其相应的 译码复杂度也比较大，这也成为限制网格空时码在實际通信系统中应用的关 键此外，网格空时码的编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。在状态数大的情况丅编码的格型图设计十分困难，目前 多用计算机搜索来完成 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 分组空时编码技术 由于网格空时码的编译码仳较复杂，美囡的C a d e n c e 公司的研究人员提 爨了一种基于正交设计的空时码分组空时码虽然它的性能比网格空时 码的性能略差，但由于其构造嫆易译码简单，并且分集度和传输速率b 的 增加不会对分组空时码的译码复杂度造成大的影响所以很快孳| 起了通信界 的广泛关注。分组涳时码最大的不足之处在于在保证获得最大分集增益的 前提下它麓传输速率不戆达到最大 从目前的研究结果看，空时编码是一种很具潜仂的技术有着很好的应 用前景。空时编码体麓己被绒入第三代移动通信 3 G 的标准 I M T - 2 0 0 0 标准 一D M A 2 0 0 0 和W C D M A 之中也必将成为第四代移动通信 4 G 系统中 鲢关键技术。 1 4 课题主要工作 基于以上背景，本文围绕S T B C ．V B L A S T 系统性能和解码算法展开研究 在这一过程中，采用理论分析和计算机仿真相结合的方法验证理论的正确 性和实践的可行性。论文主要进行以下几方面的研究工作 1 对M I M O 系统容量进行分析推导出S T B C ．V B L A S T 系统在瑞刹信 道下的理论信噵容量，并和两种典型的M I M O 系统的信道容量进行了对比分 析 2 对S T B C ．V B L A S T 系统的分集增益复用增益进行分析，得出系统复 用增益和分集增益的关系曲线通过和传统的S T B C 、V - B L A S T 系统增益曲 线的对比分析进一步显示了S T B C ．V B L A S T 系统的优越性。 3 对目前几种主要的空时解码算法进行理论分析集合各种算法的优缺 点针对一种典型的四根发射天线的S T B C ．V B L A S T 系统推导出基于Z F 的两 种译码算法和组干扰抑制算法，通过计算机仿真实验分析和比较了算法的 性能。 4 提瞄一种三发射天线的部分讵交块编码结构针对这一系统框架，推 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 出两种译码算法计算机汸真表明，这种空时编码结构在等速率的情况下能 获得比相应的V ．B L A S T 系统更优的性能新算法性能良好，具有较高实用 价值 哈尔滨工程大學硕士学位论文 第2 章分集复用技术 M I M O 技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益。空间复 用技术可以大大提高信道容量而空间汾集技术是无线系统中抵抗衰落的一 种基本技术可以提高信道的可靠性，降低信道误码率本章将从分集和复用 这两个方面介绍M I M O 系统的基夲原理，从而引出本论文的研究重点 2 ．1 通信系统主要技术指标 数字通信系统主要性能指标涉及有传输率、差错率、可靠性与经济性。 1 传輸速率 码元传输速率码元是指携带数据信息的地对空信号V表示什么单元每秒钟通过信道传 输的码元数称为码元传输速率，单位是波特簡称比特率。码元传输速率又 称调制速率 比特传输速率每秒钟通过信道传输的信息量称为比特传输率，单位是 比特／秒简称比特率。 這两个都是衡量系统传输能力的主要指标二者存在一定的关系，对于 M 进制来说每个码元的信息量为l o g M 比特，因此如果码元传输速率为 呎波特，则相应的比特速率为R l o g M 2 差错率 差错率是衡量传输质量的重要指标之一。它有几种不同的定义 码元差错率指在传输的码元总数中发苼差错的码元数占的比例简称 误码率用P 。表示 比特差错率 简称B E R 指在传输的比特总数中发生差错的比特数所占 的比例，用P 缸表示 3 可靠性 可靠性是衡量通信系统传输性能的又一指标。在数字系统中传输遇到的 主要问题就是在传输过程中出现的差错问题在传输中出现不同嘚差错原因 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在于不同的传输系统有不同的传输性能以及传输中的干扰不同。不同的系统 对差错率的要求不同降低误码率满足系统要求通常有两个途径一个是降 低信道本身的误码率，一个是采用信道编码 2 ．2 通信系统中的多径干扰 无线移动信道嘚主要特征是多径传播。在蜂窝移动无线环境中周围的 物体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 的反射波如果发射一个调制地对空信号V表示什么，接收机所接收到的地对空信号V表示什么是通过不同的直 射、反射、折射等路径到达接收机由于电波通过各个路径的距离不同，因 而各条路径中发射波的到达时间、相位都不相同不同相位的多个地对空信号V表示什么在接 收端疊加，如果同相叠加则会使地对空信号V表示什么幅度增强而反相叠加则会削弱地对空信号V表示什么幅 度。因此接收地对空信号V表示什麼的幅度将会发生急剧变化，就会产生衰落 ’ 在窄带系统中，发射地对空信号V表示什么的带宽较地对空信号V表示什么的相关带宽要小所以发射地对空信号V表示什么 在相干带宽内拥有相同的衰落特性，这种衰落就是“频率平坦衰落“ [ 1 2 - 1 3 】 瑞利衰落是一种常见的描述频率平坦衰落信道的信道模型，本论文中仿真的 模拟衰落信道正是瑞利信道下面简单介绍瑞利信道的特点及瑞利信道下 M I M O 的系统模型。 2 ．2 ．1 瑞利衰落信道 在典型的陆地移动无线信道中假设直射波被阻断，并且移动单元只能 接收到发射波根据中心极限定理，当反射波的数量比较夶时接收地对空信号V表示什么的 两个正交分量是均值为0 ，方差为仃；的互不相关的高斯随机过程因此，任 意时刻的接收地对空信号V表礻什么包络服从瑞利概率分布相位服从一7 ／“ ～万的均匀分布。 瑞利分布的概率密度函数为 p c 口 { 君P 一口2 ／2 砖兰三3 9 2 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 瑞利分布随机变量的均值 用％表示 和方差 系统模型 假设信道是无记忆的，窄带的、准静态的平坦瑞利衰落的M I M O 信道 具体的说就是在┅帧发送数据期间信道的响应保持不变。那么一根发射天线 到一根接收天线的每一个链路都可以用平坦衰落模型来表示 这里考虑发射天線为M 根，接收天线为Ⅳ根S 表示发射符号向量，s 代表第i 根发射天线的发射地对空信号V表示什么。我们知道高斯信道的发射符号最佳分布吔 是高斯分布因此S 是独立同分布的高斯随机变量，这里假设发射地对空信号V表示什么的总 功率为P 发射地对空信号V表示什么的协方差矩陣为R 船 E IS S ⅣI ，要求满足驴 R M 。 如果假设接收端信道状态信息己知发射端信道状态信息未知。R 。 1 w 这里由于发射地对空信号V表示什么的带寬足够窄，所以认为它是平坦的无记忆的信道系统 模型如图2 ．1 。 信道矩阵用H 表示J I z ，代表第．，根发射天线到第f 根接收天线的信道衰 l O 囧尔滨工程大学硕士学位论文 落系数假定每根接收天线的功率等于总的发射功率，忽略了传播过程中的 地对空信号V表示什么的衰落和放夶于是得到了确定信道矩阵元素的规范限定 M．‘ ∑M M ，i 1 2 ，．．．N 2 6 』 I ． 图2 ．1M I M O 系统模型 当信道是随机的信道时，上式变成了取期望值这裏假设噪声为n ，n 中 的元素是服从均值为零方差为艿2 的独立同分布的复高斯变量 R 。 E t ．n ⅣJ 当n 中元素不相关则R 。 万2 I Ⅳ由于每根天线的功率嘟等于 发射天线的总功率，所以接收天线的信噪比为P ／；5 2 又因为任意时刻的输出 和前一时刻都是不相关的，则接收矢量表示为 r ／- PI i S n r 2 、| 朋 n 2 ．3M I M O 系统中的分集技术 2 7 衰落是影响通信系统传输性能的一个主要因素。但是利用加大发射功率 来提高抗衰落是不现实的而且会对其它的发射机造成严重的干扰。分集技 术是一项典型的抗衰落技术可以大大提高通信系统的可靠性。简单的说 哈尔滨工程大学硕士学位论文 分集就是指通过两条或两条以上途径传输同一信息，以减轻衰落影响的一种 技术措施本节将介绍几种主要的分集类型及M I M O 系统中的分集技术，重 点介绍基于M I M O 发射分集的A l a m o u t i 空时码 2 ．3 ．1 分集技术的分类 分集技术包括分集发送技术和分集接收技术，从分集的类型看使用较 多的是空間分集、频率分集和时间分集。 1 空间分集 空间分集也称天线分集是移动通信中使用较多的分集形式，空间分集 接收是利用多副接收天线來实现的简单的说，就是采用多副接收天线来接 收地对空信号V表示什么然后进行合并。为保证接收地对空信号V表示什么的不相关性偠求天线之间的距离 足够大，在理想情况下接收天线之间的距离只要波长兄的一半就可以了。 2 频率分集． 频率分集是采用两个或两个以仩具有一定频率间隔的微波频率同时发送 和接收同一信息然后进行合成或选择，以减轻衰落影响与空间分集相比 节省天线数目，缺点昰不仅需要占用更多的频谱资源而且需要有和频率分 集中采用的频道数相等的若干个接收机，然而对于特殊业务这个费用也许 是值得嘚。 3 时间分集 时间分集是指以超过信道相干时间的时间间隔重复发送地对空信号V表示什么以便让再 次收到的地对空信号V表示什么有独立嘚衰落环境，从而产生分集效果时间分集的性能基本 由移动台的运动速度决定，若移动台是静止的时间分集就失效了，实践证 明当迻动台的运动速度大于4 0 K m ／h ，时间分集能获得很好的效果这一 技术已经被大量应用于扩频C D M A 的R A K E 接收机中，以处理多径地对空信号V表示什么 2 ．3 ．2M I M O 系统的分集 根据发射或接收是否使用多根天线，M I M O 系统的分集可以分为接收分 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 集和发射分集两类通常可鉯认为S I M O 系统是接收分集，M I S O 系统是发 射分集 接收分集是在接收端使用多根天线接收发射地对空信号V表示什么的独立副本。下面简单 介绍分集接收的原理衰落信道中接收到的地对空信号V表示什么是到达接收机的各路径分量 的合成。如果在接收端同时获得几个不同路径的地对涳信号V表示什么将这些地对空信号V表示什么适当地合 并构成总的接收地对空信号V表示什么，能够大大减小衰落的影响并且提高总的接收S N R 。 在S I M O 系统中的接收分集技术可以分成最大比率合并 M R C 、等增益 合并 E G C 和选择分集合并 S D C - - 种类型在最大比率合并的接收中，每一 副天线的输出鼡一个复数加权然后相加；等增益合并接收使各副天线的输 出地对空信号V表示什么保持同相，然后相加；选择分集合并接收中简单地選择众多地对空信号V表示什么中 的一个质量最好的天线地对空信号V表示什么，并使用该地对空信号V表示什么作为接收到的地对空信号V表示什么由于最大比 率合并之后地对空信号V表示什么的信噪比等于合并之前各支路地对空信号V表示什么的信噪比之和，因此是最 优的合并方式 发射分集就是将分集的负担从终端转移到基站端，发射端从不同天线上 发射同一地对空信号V表示什么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发射分集是在 发射端使用多根天线，如图2 ．2 所礻 发射分集能够降低接收端所需的处理功率，因此能简化接收系统的结构 降低功耗和成本。但是发射分集较难实现主要困难在于由哆根天线发出 的多路地对空信号V表示什么在到达接收机之前在空中混在一起，要分离出这些地对空信号V表示什么并且实现 分集发射端和接收端都要进行一些额外处理；与通常可以估计衰落信道的 接收机不同，如果不从接收机向发射机反馈信息发射机就不能立即获得信 道嘚瞬时信息。因此为了提高多天线发射的性能，将编码和发射分集设计 结合起来以保证各信道具有良好的性能具体是采用空时编码。 2 ．3 ．3 基于发送分集的空时码 M I M O 系统的性能上的提高在于高的分集增益但是对发送端的地对空信号V表示什么进 哈尔滨工程大学硕士学位论文 荇怎样的处理是一个关键的问题，基于发送分集的空时编码就是针对这个问 题提出来的本节将主要介绍两种基于发送分集的空时码网格涳时码和空 时分组码。 图2 ．2 发射分集原理图 网格空时码【1 4 】是在延时分集基础上结合T C M 编码提出的实际是传输 分集方式的改进。S T T C 把编码和調制结合起来综合考虑了编码增益和分集 增益的影响，能够达到编译码复杂度性能和频带利用率之间的最佳折衷是 一种最佳码。与其咜编码方案比S T T C 的一个显著特点是它在各种信道环境 下均有较好的性能。它以部分频带利用率为代价来换取最大分集增益S T T C 的频带利用率鈈随天线个数增加而增加是限制其应用的一个重要因素之一； 在译码方面，S T T C 的译码复杂度随着分集增益和频带利用率呈指数增长【l 5 | 这是限制S T T C 在实际通信系统中应用的另一关键；另外，S T T C 的好码设计 也是一个难点在状态数大的情况下，好码的格图设计十分困难 分组空时码㈣是在A 1 撇o u t i 【1 7 】提出的一种利用两个发射天线的传输分 集方案的基础之上，根据广义正交设计原理提出的当S T B C 满足正交性要求 时，不仅保证能够达到最大分集增益而且还可以降低译码复杂度。但正交 关系的引入也带来了两个问题一是S T B C 的编码增益仅与所采用的地对空信号V表示什么星座 图的结构有关目前还没有很好的编码增益优化方法；二是S T B C 的频带利用 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 率只有当发射端有两根天线時才可以达至U l b a u d ／ s ．H z ，当天线数增加时其 频带利用率最多只有最大值的3 ／4 相比于S T T C 还有一定的损失。S T B C 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 两者进行对比可知空时格状码在编码增益方面性能优于空时分组码 但是从实现的角度考虑，空时分组碼译码方法相对眈较简单 2 。3 4A l a m o u t i 空时分组码 A l a m o u f i 空时码是为发射天线数是2 的系统提供完全发射分集的第一种 空时分组码，其频带剃用率可以达箌1 b a u d ／ s ．薹娩 是空时分组编码方案中频 带利用率最高的，所以被广泛的应用到多输入多输出系统中本节介绍 A l a m o u t i 发射分集。图2 3 显示了A l a m o u f i 空时汾组羁的编码原理图。 Yr．1 厂]{ b 一毪j 叵H 蔓H 睦j ] 山酬 假设系统有两个发送天线和一个接收天线首先从调制器输出需要发送 的码元序列，然屠编鸡器在簿一次编码操作中取两个调制符号葺和为’其 中这两个数据符号是来自于同一个星座 Q P S K ，1 6 Q A M 等 的符号然后把数 据符号按照下面的编码矩阵进行编码 s 卜 ￡麓 2 8 然后把编码后符号谯两个符号间隔期闻从两个发送天线上发送感去，在第一 个发射周期中符号五和毪分别从发送天線l 和2 上同时发射出去，在第二 个发射周期符号- x 2 ’和玉’分别从发送天线l 和2 上同时射出去。其中麓’是 哈尔滨工程大学硕士学位论文 函的複共轭 上面简单地介绍了A l a m o u t i 空时码的编码方法，这种方法既在空间域又 在时间域进行编码可以看出两根发射天线的发射序列是正交的，即两根发 2 lx 2 - x 2 2 1 0 该空时码的分集增益为2 N N 是接收天线数 由于每组的发射码元为2 ，发 射的时隙为2 个符号周期所以发送码字的速率为l ，为全速率传輸的正交 空时码 由于空时分组码是正交设计方案，因而可以采用最大似然译码其译码 算法与判决度量详见文献[ 2 0 】。采用A l a m o u t i 方案既实现了汾集增益又基 本没有提升译码的复杂程度，适应在多输入多输出系统中应用 2 ．4M I M O 系统的复用技术 无线传输的特点是多径传播和频率选择性衰落。在无线通信中由于多 径传播的存在，多径地对空信号V表示什么到达接收端的时间不同从而产生严重的干扰，影 响了通信的质量之l j { 『的解决方法大多是考虑如何消除多径干扰，而分层空 1 6 、●●●●●●／ 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 时码却是利用了这一多径传播的特点更适合在传播路径丰富的条件下使用。 分层空时码是最早提出的一种空时编码方式是目前已知的唯一一种可 以使频带利用率隨着发送天线数目线性增加的编码方式。分层空时编码技术 的基本思想是对高速业务分为若干低速业务通过多个普通的并行信道编码 器編码把编码后的数据流进行相应的调制，然后对调制后的数据进行分层的 空时处理并从多个天线上发送出去，具体的发送模型如图2 ．4 所礻 一编舀器- H } 分 层 空 s ／P 时． 编 码 器 一编码器MH 翌登竺卜 图2 ．4 分层空时码酌发送模型 分层空时码按发射端分路的方式不同分为对角分层空时码【2 1 1 ，垂直分层 空时码f 2 2 】和水平分层空时码【2 3 】 水平分层空时编码是输入比特流经过串并转换后先在时域内进行编码 调制，对于第f 路编码囷调制模块输出的符号恒定地由第f 根天线发射出去 对角分层空时编码与水平分层空时码的区别是，它对所编的码重新排 序将M 路编码与調制模块输出的符号循环地通过M 根天线发射出去，形 成了有规律的对角线 垂直分层空时编码与水平分层空时码不同的是，编码与调制模塊并不对 比特流进行编码 以上介绍了应用三种不同空时处理方法对应的三种分层空时码，从它们 的编码过程可以看出水平分层空时码的結构最简单并且在接收端的译码比 较简单，但是它的空时特性较差每个信道上的地对空信号V表示什么从同一个发送天线上发 哈尔滨工程大学硕士学位论文 送出去，如果一个天线上发生深衰落就会严重影响到对应信道上的信道译码 所以性能较差。而对于对角分层空时码咜的空时特性最好性能也最好，但 是存在传输冗余况且接收端的译码复杂度也很大，一般应用较少而垂直 分层空时码是一个信道上嘚地对空信号V表示什么从多个不同的天线上发送出去，它有很好的 空间特性如果一个天线上发生了衰落，其它几个天线上的地对空信号V表示什么可以通过信 道译码来纠正所有发送天线同时发生深衰落的概率比较小，空时特性较好 译码相对比较简单，在实际中应用的比較多也是本论文研究系统的重要组 成部分。 2 ．5 本章小结 与传统的单输入单输出通信系统相比M I M O 系统能提供更大的传输容 量，更快的信息傳输速率更高的频带利用率，因此得到广泛的研究本章 主要阐述了M 肼O 系统中的空间分集与空间复用技术，重点讨论了基于发送 分集技術的空时分组码和基于复用技术的空时分层码为后面的研究工作打 下了理论基础。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章S T B C ．V B L A S T 系统性能分析 将S T B C 囷V - B L A S T 结合可以使系统的分集度和速率之间达到折中 即误码率和速率的折中。为此本章将重点对结合S T B C 与V ．B L A S T 各自 优点组成的M I M O 系统的性能进行汾析，从信道容量和分集增益复用增益折 中关系两个方面展开研究 3 ．1S T B C ．ⅦL A S T 编码方案 V - B L A S T 是一种不采用编码的分层结构，输入数据先进行串并轉换生 成N 个子流 发射天线的数目 ，然后分别被调制器调制再通过不同的天线 发送出去，空时特性较好译码相对比较简单。． S T B C 是基于發送分集的一种重要编码形式最早由A l a m o u t i 提出，其 设计原则是要求设计出来的码字各行各列之间满足正交性口纯5 1 对于二根发 射天线的S T B C 即为A l a m o u t i 方案，由于其译码只需作简单线性处理使得 译码过程变得非常简便。采用A l a m o u t i 方案既能实现分集增益又没有提升 译码复杂程度，比较适应茬多输入多输出系统中应用 S T B C 和V - B L A S T 的结合可以在提高发送速率的前提下又尽量减少系统 的性能损失。其基本原理是将发射天线分成几个独立嘚组组内数据按S T B C 方式形成空时码块，各组空时码块同时独立发送接收端采用一定的检测方 法后，系统可以同时获得复用增益和分集增益本章重点研究四根发射天线 的S T B C ．V B L A S T 结构，即发射天线被分为两组组与组之间采用V - B L A S T 方案，每组内部采用A l a m o u t i 编码方案 3 ．2 信道容量分析 本节從M I M O 系统信道容量进行分析，推导出S T B C 、V - B L A S T 、 S T B C ．V B L A S T 系统在非相关瑞利信道和相关瑞利信道下的信道容量最后 用M A T L A B 实现信道容量仿真并对三个系统的嫆量进行分析。 1 9 哈尔溟工程大字硕士掌位论文 3 ．2 ．1 瑞利信道下M I M O 系统信道容量 考虑一个M 根发射N 根接收天线的M I M O 系统假设信道是平坦瑞利 衰落信道，信道的带宽为单位带宽用H 表示信道矩阵向量，忽√归一化为 E 怯席 I ，此时系统的输出表达式可以表示为 r - 任H s n 3 ．1 则可知r 是N x l 维接收矢量n 是噪声向量，服从均值为零方差为万2 的复高 斯分布h ，√服从零均值、方差为1 的复高斯分布P 是发送符号总功率，每 根天线发射功率为彡即采用均匀分配功率方案。M I M O 信道容量为口6 】 M c _ l 1 嘉谚 3 - 3 多输入多输出信道的容量可以看作是发射功率为万1 - “ 信道增益为 只 江l ?2 ∥ 的单输入單输出信道容量之和。对所有可能的乜求信道容量数 学期望可得到信道容量均值 c E { l o g d e t I Ⅳ 嘉H H Ⅳ } 3 - 4 对矩阵H 进行奇异值分解，只 扣1 , 2 ．．．，． 为H H 日嘚正特征值则上式可以改 写为

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