（通信与信息系统专业论文）空时编码及其在mimo+mccdma中的应用研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 在后三代移动通信系统的研究中，人们将焦点更多的集中在如何将时域资源、频域 资源、空间资源、码字资源以及功率资源等多维资源联合优化。从技术角度来说，后三 代移动通信系统的研究，在物理层的几个关键技术有：正交频分复用( o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n go f d m ) 技术，多输入多输出( m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u tm i m o ) 技术，以及多用户联合检测技术等等。 m i m o 技术通过多个发送和接收天线大大提高了无线信道的容量。空时编码是近几 年发展起来的适用于多天线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。多载波技术( o f d m 、m c c d m a ) 能够有效地抵抗符号间干扰且能提高频谱利用 率。将m i m o 和m c c d m a 结合的技术已经成为下一代移动通信的核心技术之一。 本文首先从m i m o 系统的信息论角度对使用多个发射、多个接收天线的m i m o 系 统的信道容量进行理论推导，得到了使用m i m o 系统可以达到比传统单发单收无线通 信系统高得多的信道容量的结论。然后详细介绍了o f d m 、m c c d m a 系统原理，给出 m c c d m a 发射和接收机模型，并结合m i m o 给出m i m om c c d m a 系统模型。 然后论文研究了主要空时编码技术的编译码算法及其性能，分析了a l a m o u t is t b c 编译码方案并将其推广到多根天线的情况，得出正交的分组码在发射天线数多于2 时， 不能达到全码率的结论。论文还介绍了空时格码( s t t c ) 和分层空时编码( b l a s t ) 的编码方案，研究分析了无需信道估计的差分空时分组编码( d s t b c ) 的编译码算法， 通过仿真与s t b c 的误码性能进行比较。 论文最后对空时分组编码( s t b c ) 和全码率的循环空时编码( c s t b c ) 、联合延 迟码( u d s t c ) 在m i m om c c d m a 系统中的应用进行了研究，推导和分析了这三种 编码同m c c d m a 结合的编译码方案及其性能。论文还介绍了一种用于s t b c m c - c d m a 系统的l m m s e 多用户检测算法，仿真结果表明其相比于普通的最大比合并 ( m r c ) 算法能更好地抑制多址干扰( m a i ) 。 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向：移动通信与无线技术 作者：2 0 0 5 级研究生孙思 题目：空时编码及其在m i m om c c d m a 中的应用研究 英文题目： r e s e a r c ho ns p a c e t i m ec o d i n ga n di t sa p p l i c a t i o ni n m i m om c c d m a 主题词： k e y w o r d s ： 正交频分复用多输入多输出码分多址 空时编码空时分组码循环空时编码 m i m om c c d m a o f d mm i m oc d m a s p a c e t i m ec o d i n g s t b cc s t b cm i m om c c d m a 南京邮电火学硕上研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i mt h e r a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s st e c h n o l o g y ，t h e r e s e a r c h e r so ff u t u r e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sp a ym o r ea t t e n t i o n st ot h ej o i n to p t i m i z a t i o no fm u l t i d i m e n s i o n a l r e s o u r c e ss u c ha st i m e ，f r e q u e n c y ，s p a c e ，c o d e w o r d , a n dp o w e re t c f r o mt e c h n i c a l p e r s p e c t i v e ，p h y s i c a ll a y e rd e s i g n f o rb 3 gt e c h n o l o g i e sc o n c e m ss e v e r a l p r o m i s i n g t e c h n o l o g i e s ：o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ，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 ) a n dj o i n td e t e c t i o na n dj o i n tt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e si nam u l t i u s e ra p p l i c a t i o n e n v i r o n m e n t m i m ot e c h n o l o g yc a ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s ec a p a c i t yo fw i r e l e s sc h a n n e lb yd e p l o y i n g m u l t i p l et r a n s m i ta n dr e c e i v ea n t e n n a s s p a c e t i m ec o d i n ga p p r o p r i a t et om i m oc h a n n e li sa c o d i n gm e t h o dw h i c hh a sa d v a n t a g e so fs p a c ed i v e r s i t ya n dt i m ed i v e r s i t yi nd o u b l e m u l t i c a r r i e rt e c h n o l o g y ( o f d m ，m c c d m a ) h a sr o b u s t n e s st oi n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ( i s i ) a n dh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c ys y s t e m t h ec o m b i n a t i o no fm c c d m aa n dm i m oh a s b e e nc o n s i d e r e da so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fn e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m i nt h i st h e s i s ，t h ec h a n n e lc a p a c i t yf o r m u l ao fm i m oi sd e r i v e da f t e rt h o r o u g ha n a l y s e s f r o mv i e wo fi n f o r m a t i o nt h e o r ya tf i r s t w i t hm u l t i p l et r a n s m i ta n dr e c e i v ea n t e n n a s ，am u c h h i g h e rc a p a c i t yc a l lb ea c h i e v e dc o m p a r e dw i t ht h a to ft h et r a d i t i o n a ls i s os y s t e m t h e nw e i n t r o d u c eo f d m ，m c - c d m ap r i n c i p l ea n dm c c d m at r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rm o d e l m i m om c - c d m a s y s t e mm o d e li sa l s os t u d i e di nt h i st h e s i s s u b s e q u e n t l y ，w ei n v e s t i g a t ec o d i n ga n dd e c o d i n ga l g o r i t h mo fm a i ns p a c e - t i m e c o d i n gt e c h n o l o g y ：s t b c ，s t t ca n db l a s t d i f f e r e n t i a ls t b c ( d s t b c ) w i t h o u tc h a n n e l e s t i m a t i o na tr e c e i v e ri sa l s op r o p o s e d a tl a s t ，w ea p p l ys t b c ，c s t b ca n du d - s t ci nm i m om c - c d m a s y s t e ma n d a n a l y s i st h e i rp e r f o r m a n c e t h e nw es t u d yl m m s em u l t i u s e rd e t e c t i o nu s e df o rs t b c m c c d m a ，i tc a l lr e s t r a i nt h em u l t i - a d d r e s si n t e r f e r e n c e ( m a dm o r ee f f e c t i v e l yt h a n t r a d i t i o n a lm a x i m a lr a t i oc o m b i n g ( m r c ) 1 1 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向：移动通信与无线技术 作者：2 0 0 5 级研究生孙思 题目：空时编码及其在m i m om c c d m a 中的应用研究 英文题目： r e s e a r c ho ns p a c e t i m ec o d i n ga n di t sa p p l i c a t i o ni n m i m om c c d m a 主题词： k e y w o r d s ： 正交频分复用多输入多输出码分多址 空时编码空时分组码循环空时编码 m i m om c c d m a o f d mm i m oc d m a s p a c e t i m ec o d i n g s t b cc s t b cm i m om c c d m a 南京邮电大学学位论文独创性声明 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 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一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：圣巫显日期：至2 盟：笙坐 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：多丑& 导师签 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 移动通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分，它是指通信双方至少有一方在 运动状态中进行信息传输。 以传输语音业务为主要目的的第一代模拟移动通信系统已经很少使用，广泛使用 的是第二代数字移动通信系统。第三代移动通信系统将提供语音、数据以及视频等多 媒体通信业务，处于正在大规模商用化的前夕。目前，继第三代以后的下一代移动通 信系统“b 3 g 或“未来移动通信系统”的技术研究和标准建议工作正在紧张展开， 下一代移动通信系统预计系统速率可达室外2 0 m b p s ，室内1 0 0 m b p s 。多载波( o f d m ， m c c d m a 等) 技术、m i m o 技术、近香农界信道编码技术、a c m 技术、h a r q 技 r 1 1 术、多用户联合检测技术等作为下一代移动通信发展中物理层的几种关键技术1 ，成 为下一代移动通信系统研究的重点。 移动通信已从模拟通信发展到了数字移动通信阶段，并且朝着个人通信这一更高 级阶段发展。未来移动通信的目标是，能在任何时间、任何地点、向任何人提供快速 可靠的通信服务。 1 1 本论文的研究背景 1 1 1 移动通信的发展 第一代蜂窝移动通信系统p 1 简称为1 g ，以1 9 7 8 年美国贝尔实验室研究开发的模 拟蜂窝通信系统高级移动通信系统( a m p s ) 为标志，采用频分多址和模拟技术， 包括模拟蜂窝和无绳电话系统。第一代典型移动通信系统还有英国的全接入通信系统 ( t a c s ) ，北欧的移动电话( n m t ) ，日本的n t t 等等。模拟系统的缺点包括：系 统容量小、频谱利用率低、移动设备复杂、费用较高、业务种类单一仅限于语音、系 统保密性差，抗干扰能力差等。 蜂窝模拟网的容量己不能满足日益增长的移动用户的需求，第二代蜂窝移动通信 系统p 1 开始于二十世纪八十年代中期，采用时分多址码分多址和数字技术。典型系统 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 采用t d m a 技术的有：欧洲全球移动系统g s m ，欧洲电信标准协会制定的数字无绳 电话d e t c ，美国贝尔公司提出的个人接入通信系统p a c s ，日本个人手提电话系统 p h s ；采用c d m a 技术的有：美国通信工业协会颁布的i s 9 5 等。它们提供了更高的 频谱利用率，更好的数据业务，以及比第一代系统更先进的漫游能力。然而第二代移 动通信系统主要为支持话音和低速率的数据业务设计，随着人们对通信业务范围和业 务速率要求的不断提高，已有的第二代移动通信网很难满足新的业务需求，不能实现 全球覆盖无缝漫游。 为了适应对移动通信个人化、智能化、多媒体化的要求，2 0 世纪末，国际电信联 盟( i t u ) 矛i 世界上其他的电信标准实体和研究单位都开始了对3 g 系统的研究，提出了 3 g 系统标准并按照此标准开发3 g 系统p j 。最终确定的3 g 标准有欧洲提出的基于 g s m 的w c d m a 、北美提出的基于l s 9 5 的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 。 第三代移动通信系统以全球范围的个人通信和多媒体通信为目标，它是一个支持多速 率、多业务、宽频带的系统，能够满足移动性、高比特率、可变业务等需求。与第二 代移动通信系统相比，第三代移动通信系统具有高频谱利用率、高服务质量、低成本、 高保密性等许多优点。该系统能够为移动用户提供全球漫游、无缝覆盖的业务，能为 移动用户提供与固定网络相当的话音、非话音以及多媒体等多种速率的业务，其最高 传输速率可达2 m b p s 以上，并且满足上、下行链路业务量不对称需求。 尽管目前第三代移动通信系统十分引人注目，但通信界也存在不同的观点。这种 观点认为，目前第三代移动通信的方案实际只能是第二代移动通信方案的改进，算不 上真正意义上的宽带接入网络，并且由于3 g 系统的核心网还没有完全脱离第二代移 动通信的核心网结构，所以有理由认为第三代移动通信仅仅是一个从窄带向未来移动 通信系统过渡的阶段。目前，人们已经把目光投向后三代的移动通信系统，它可以容 纳庞大的用户数、改善现有通信质量，以及达到高速率数据传输的要求。从技术层面 来看，第三代移动通信系统主要是以c d m a 核心技术，后三代的移动通信系统则以多 载波如正交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 最受瞩目。 根据国际电联i t u r 的建议要求，第四代移动通信系统要能在1 5 0 k m h 2 0 0 k m h 的移 动状态下提供10 0 m b p s 数据传输能力，在静止状态下提供高达1g b p s 的数据传输能力； 同时可在不同网络之间自由的切换，不断向通信的终极目标个人通信( p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n s ) 迈进，即利用各种可能的网络技术，实现任何人( w h o e v e r ) 在任何时间 2 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 ( w h e n e v e r ) 、任何地点( w h e r e v e r ) 与任何人( w h o e v e r ) 进行任何种类( w h a t e v e r ) 的信息交 换。第三代移动通信可以说是其初级阶段。现在人们正在研究的后三代移动通信，它 将进一步向个人通信靠近，具有更宽的频带和采用更高的射频频率，能传输更高速率 的数据和多媒体信息。 。 1 1 2 下一代移动通信系统的关键技术 用户对于通信带宽，个性化服务、智能化、高度移动性不断增长的需求推动着移 动通信系统的飞速发展。目前的移动通信系统包括第三代移动通信系统都无法支持高 于2 0 m b p s 的数据传输，不能满足对不同q o s 业务的需求，因此在第四代移动通信系 统物理层的研究中，采用什么技术能够有效的抑制或者利用无线信道的特性如多径效 应、多普勒频移、多址接入干扰等等，倍受人们的关注。 在后三代移动通信系统的研究中，人们将焦点更多的集中在如何将时域资源、频 域资源、空间资源、码字资源以及功率资源等等多维资源联合优化。从技术角度来说， 后三代移动通信系统的研究，在物理层的几个热点技术举例如下： l 、多载波技术l j 。b 】，如o f d m 技术，它是一种并行的传输技术，它利用许多并 行的，频率正交的，低传输速率的数据子载波来实现高数据速率的通信。由于每个码 元相对持续时间较长，o f d m 符号加上了循环前缀，符号间的干扰可以有效的消除。 o f d m 技术以其频谱效率高、均衡简单、频率资源分配灵活等优点而在过去的十几年 间受到了广泛的研究与应用。进入二十世纪九十年代以来，o f d m 技术的研究深入到 无线调频信道上的宽带数据传输。目前o f d m 己成功用于a d s l ，d v b ，w l a n 等 固定无线、有线通信。m c c d m a 是c d m a 和o f d m 的结合，成为另一个研究热点。 2 、m i m o 技术 7 _ 10 1 ，即多输入多输出技术，在发送端和接收端都采用多天线， 提供的空间分集或空间复用或波束成形增益，具有高信道容量和高频谱效率；m i m o 技术则在不额外增加功率和频率资源的同时能使系统的容量得到倍增，性能得以极大 提高。m i m o 的这些优点使其在频谱资源日趋紧张的今天倍受青睐。因此，能有效对 抗频率选择性衰落的o f d m 技术与能利用空间分集( 如空时分组码、空时格码等) 有 效对抗快衰落或能有效提高系统容量( 如基于空间复用的分层空时码) 的m i m o 技术 的结合就成为必然的趋势。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 3 、多用户联合检测技术【1 1 1 3 1 ，在多载波的c d m a 系统，多用户的环境中由于 多址接入，同信道干扰等干扰的存在，对信号解调的性能有很大影响，因此，多用户 检测技术在改善系统性能方面显得尤其重要。它解决了远近效应问题、降低了系统对 功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用上行链路频谱资源，显著增加系统容 亘 戛o 4 、近香农界信道编码技术、a c m 技术、h a r q 技术等也是物理层几个研究热点。 1 2 论文的内容安排 本文主要研究空时编码技术及其在m i m om c c d m a 系统中的应用。m i m o 系 统可以极大地提高通信系统在衰落信道下的信道容量，o f d m 技术具有良好的抗多径 衰落性能，适于高速的数据传输，与c d m a 技术结合成为m i m om c 。c d m a 技术， 具有良好的应用前景，是第四代系统可能将被采用的技术之一。文章分析了s t b c ， s t t c ，b l a s t 三种主要的空时编码方案和不需要信道估计的d s t b c 编码。针对正 交空时分组编码在发射天线数大于2 时码率不高的特点，提出了联合延迟码( u d s t c ) 和循环空时编码( c s t b c ) 两种全码率编码方案，并通过仿真对它们应用在m i m o m c c d m a 的通信系统中的误码性能做了比较。 文章内容安排如下： ， 第一章，绪论，主要介绍移动通信和空时编码的发展情况，第四代移动通信系统 的关键技术，课题研究的背景和意义。 第二章，介绍无线信道和j a k e s 信道模型，还研究了m i m o 系统原理和容量。 第三章，详细介绍了m c c d m a 系统原理和系统模型，分析了其和单载波系统相 比的特点，最后结合m i m o 给出m i m om c c d m a 系统模型。 第四章，研究了空时编码原理，仿真分析了基于正交的空时分组码、空时格栅码、 分层空时码的误码性能，还研究了不需要信道估计的差分空时编码的编译码方式。 第五章，研究空时编码在m i m om c c d m a 系统中的应用，给出a l a m o u t i 正交 空时分组编码( s t b c ) 、循环空时分组编码( c s t b c ) 和联合延迟分集( u d s t c ) 结合m c - c d m a 系统模型，通过仿真比较其性能。为抑制多址干扰，将l m m s e 多用 户检测方案用到了系统中。 第六章，总结全文，讨论下一步的研究方向。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线信道及m i m o 系统的信道容量 第二章无线信道及m i m o 系统的信道容量 信道是发射端到接收端之间传播媒介的总称，可分为有线信道和无线信道两大类， 有线信道是平稳可预测的，而无线信道是则是随机衰落的。移动无线信道的传播模型分 为大尺度传播模型和小尺度传播模型，大尺度模型主要用来预测无线覆盖范围( 几百米到 几公里) ，小尺度模型主要描述在非常短的距离或时间内由于多径传播、收发信机的移动 造成的信号幅度和相位迅速变化的情况。这一章首先介绍移动无线信道的一些特性和信 道模型，紧接着介绍了m i m o 系统的基本原理及系统容量。 。 2 1 无线信道特性 由发射机到接收机之间的无线链路成为无线信道。发射机与接收机之间的传播路径 非常复杂，从简单的视距传播到各种复杂的各种各样障碍物，如建筑物、山脉、街道和 其它移动的物体而引起的反射、折射、和绕射传播。这样，到达接收机时将是从多条路 径传来的多个信号的叠加。多径传播引起接收信号的幅度、相位和到达时间的随机变化， 同相叠加使信号增强，反相叠加使信号减弱。从而导致接收信号幅度的剧烈变化以及接 收信号在不同维的扩展( 时间、频率、空间) ，产生所谓的多径衰落，严重影响信号传输 质量【1 4 】。 移动信道环境中任意时刻t 接收到的瞬时衰落复信号，( d 可以写为 ，( f ) = a ( t ) e 力( 2 - 1 ) 其中，口( ，) 代表接收信号的包络，伊( f ) 表示相位，因此接收信号在幅度和相位两方 面受影响。 2 1 1 包络特性 接收信号的包络口( f ) 可以分解为慢衰落q ( f ) 和快衰落q ( f ) 两个分量的积： 口( f ) = q ( f ) 孵( f ) ( 2 - 2 ) 慢衰落表示接收信号的长期变化，反映的是强度的中值随时间出现缓慢变化的情况。 电波在传播路径上遇到障碍物会产生电磁场的阴影区，收集通过不同阴影区会引起中值 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线信道及m i m o 系统的信道容量 变化，因此这种衰落也叫阴影衰落。慢衰落信号强度近似服从对数正态分布。 快衰落对应接收信号于接收信号在空间的快速扰动，它主要由正在运动中的移动用 户附近的障碍物对信号的散射引起的，因此口，( f ) 实际上是大量的散射波在接收端叠加合 成后的包络。在不存在直射路径( l o s ) 的情况下，接收端的接收信号包络服从r a y l e i g h 分布，此时信道称为r a y l e i g h 信道，快衰落服从瑞利分布： p ( ) = 争p 万- t ，0 f 或r 瓦时，信号的波形就有可能发生变化，会产 生时间选择性衰落；反之，如果瓦 t o ，则认为是非时间选择性衰落。 注意，快衰落和慢衰落关注的是信道的时间变化速率和发射信号之间的关系，不涉 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线信道及m i m o 系统的信道容量 及传播路径损失模型。 3 ) 角度扩展 接收端的角度扩展( a n g l es p r e a d ) 指的是多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽。 同样发射端的角度扩展指的是由多径的反射和散射引起的发射角展宽。在某些情况下， 一路径的到达角( 或发射角) 与路径时延是统计相关的。角度扩展给出接收信号主要能量 的角度范围，产生空间选择性衰落( s p a c es e l e c t i v ef a d i n g ) ，意即信号幅值与天线的空间位 置有关。空间选择性衰落用相干距离描述。相干距离定义为两副天线上的信道响应保持 强相关时的最大空间距离。相干距离越短，角度扩展越大：反之，相干距离越长，则角 度扩展越小。 2 2j a k e s 信道模型 信道模型是对物理媒质传输特性的数学表达。信道模型可能建立在某些已知的基本 物理现象之上，或者根据对信道特性观测得到的数学统计模型而产生。大多数信道模型 是根据特定环境下的接收信号特性进行观测得到的。通常采用可以最恰当描述接收信号 特性的模型作为该物理信道的模型。 多径衰落信道常用的信道模型的包络和相位量一般由j a k e s 模型和改进的j a k e s 模型产生，但是这两个模型的缺点是单路瑞利复信号的实部和虚部之间，多路衰落信号 之间的互相关函数并不能恒为零。本文采用文献【1 6 】中的方法产生多路独立的瑞利衰落。 具体的公式如下： f1n o 一1 瓦o ) 2 持丢【c o s c o mc o s a ! n k t + 丸) + s i n ( c o “州厶) 】 ( 2 - 9 ) 其中口础= 等+ 朵+ 南， 口0 0 。互而 缈。：2 xv - f 。， k = 0 ，1 ，2 ，j ，m 一1 ，n o - - n 4 m 为独立的r a y l e i g h 分布的多径数，n 为反射点的个数( 通常取为3 2 ) ，f c 为载波 频率，v 代表移动端的移动速度，丸和以是满足一定条件的随机相位种子。 本文将以此信道模型为基础进行研究。根据c l a r k e 的分析【1 9 】，移动端的多普勒效 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线信遒及m i m o 系统的信道容量 应使得其复包络满足瑞利分布，其自相关函数为零阶贝赛尔函数，对应的功率谱密度呈 现u 型分布，相位满足 o ，2 口 上的均匀分布。根据文献【1 矗1 引，本文进行了信道仿真， 仿真了多径独立的j a k e s 信道模型的单径包络分布和多径之间统计互相关，统计自相关 特性，得到仿真结果如图2 - 1 所示。 从图中可以看出，仿真信道的包络的自相关特性与瑞利分布的理论值( 第一种 b e s s e l 函数j o ( w 。t ) ，其中w 。最大多普勒频移，t 为归一化的信道时间) 相符，两 径的互相关几乎为0 。 时间i ，秒 j a k e s 信道单径包络分布 j a k e s 信道仿真，口f 日磐；釜器芋菪萎；间1 变分盘自帽关 理论自相关函数 两径的互相关 图2 - 1j a k e s 仿真信道 2 3m i m o 通信系统的原理和信道 多输入多输出( m i m o ) 通信系统是在接收端和发送端都采用多个天线，这样可以极大 地提高通信系统在衰落信道下的信道容量，m i m o 通信系统的框图如图2 - 2 所示。 一鲁一剖醛谗髅 眦 。 眦 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道及m i m o 系统的信道容量 天线 i 空时： 译码 解调 氟 图2 2m 1 m o 通信系统的框图 由信源产生的二进制的信息比特经过信道编码后，以m 个比特为一组送入2 肼星座 调制器中，输出k 个调制符号，然后经过空时编码后形成m 路数据同时由f 个发射天 线发射出去。各发射信号占用同一频带，因而并不增加带宽。若各发射接收天线间的通 道响应独立，则m i m o 系统可以产生多个并行空间信道，通过这些并行空间信道独立地 传输信息，使得数据传输率得以提高。经空间信道后由，个接收天线接收，多天线接收 机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流。 无线m i m o 信道如图2 3 所示，采用m 个发送天线，个接收天线，设 ，为第f 个 发送天线到第歹个接收天线之间的复信道增益( c h a n n e lg a i n ) 。h 为n x m 的信道矩阵。 图2 3m i m o 的信道模型 h = 啊。向： 吃。魄： ，： 啊 7 ，i o j 引( 2 - 1 0 ) i j 系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。m i m o 信道与s i s o ( s i n g l ei n p u ts i n g l e0 u t p u t ) 信道相比，有着相当大的提高 2 0 - 2 1 。根据信 息论的结论，下面给出在发送端不知道信道条件的情况下的信道容量。 ( 1 ) 对于受到加性白色高斯噪声( a w g n ) 干扰的无记忆系统，其信道容量由著名的 1 0 b p bu 誓u 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线信道及m i m o 系统的信道容量 s h a n n o n 公式给出： c = l 0 9 2 ( 1 + 力b i t s h z ( 2 1 1 ) 其中p 为接收信噪比。从上式可知，信道容量要增加l b p s h z ，则需要多3 d b 的信 噪比。而实际的无线信道是时变的，受到随机衰落的影响，则s i s o 系统的信道容量为： 。 c = l 0 9 2 ( 1 + p l h l 2 ) b i t s h z ( 2 - 1 2 ) 其中h 为从发射天线到接收天线间的复r a y l e i g h 衰落系数； ( 2 ) 对于接收端有副天线的s i m o 系统，信道增益为，h = 【扛，吃，】，则随机信 道容量应为： c = l 0 9 2 ( 1 + p h h ) ( 2 - 1 3 ) 这里上标h 表示矩阵的共扼转置运算，其中p 为发射端的总功率与单根天线的噪声 功率之比的平均值； ( 3 ) 类似地，对于发送端有彤副天线的m i s o 系统，h = 喃，红】，如果发送端未 知信道状况( 如在f d d 系统中) ，则其信道容量为： c = 1 0 9 2 ( 1 + h h 肌、 ( 2 1 4 ) 其中用m 作归一化是为了保证总发送功率不变； ( 4 ) 对于发送天线数目为m 接收天线数目为的m i m o 系统，且发送天线等分总 的发射功率，信道矩阵如式( 2 - 1 0 ) 所示，则m i m o 系统的s h a n n o n 容量为： c = l 。g ：( d e t ( 1 + 乡乞h h 日) ) ( 2 - 1 5 ) 其中d e t ( ) 表示取方阵行列式，i v 是单位矩阵，尸为发射端的总功率与单根天 线的噪声功率之比的平均值。在理想情况下，m i m o 信道等效为最大数目的独立的、等 增益、并行的瑞利衰落子信道时，得到最大的s h a n n o n 容量： c l n a xm i 0 9 2 ( g 1 + 昙价( 2 - 1 6 ) 当m = n 时： c m 舣= m l 0 9 2 ( 1 + p )( 2 - 1 7 ) 上式表明，m i m o 系统的最大容量或容量上限随发射天线数的增加而线性增加。 从上面得到的随机信道容量的公式中可以看出，s i s o 、s i m o 以及m i s o 的容量与 天线数成对数关系，也就是说增加天线数对信道容量的提高不是很快，而m i m o 系统的 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道及m i m o 系统的信道容量 容量与信道矩阵的秩有关，一般情况下矩阵的秩等于m i n ( m , n ) ，且信道容量与m i n ( m , n ) 成正比关系。由此可见m i m o 在容量方面有着很大的提高，这也是其成为热门研究技术 的重要原因。 下面对不同天线配置情况下平均信道容量进行一个简单的比较，由于求平均信道容 量的积分非常复杂，这里采用蒙特卡罗仿真的方法来对平均容量进行近似，假设信道是 r a y l e i g h 信道，仿真的结果如图2 4 所示。 n 壬 c t o 删 馋 裂 图2 4 平均信道容量的比较 由图2 - 4 可以看出，当接收天线和发送天线的数目都是8 根和4 根，且平均信噪比 为2 0 d b 时，链路容量可以高达4 4 b p s h z 和2 5 b p s h z ，而单天线系统仅为5 b p s h z 左右， 可见系统容量大大得到了提高。 2 4 本章小节 这一章主要介绍了无线信道的一些特征，包括多普勒扩展、时延扩展及角度扩展， 以及由这些扩展而形成的信道分类。然后详细描述了产生r a y l e i g h 衰落信道的多径独立 的j a k e s 模型，最后介绍了m i m o 系统的基本原理，m i m o 系统由于发射端和接收端 使用多根天线而使系统的容量有了巨大的提高，理论研究和仿真都证明了这一点。 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章m i m om c c d m a 系统 第三章m i m om c c d m a 系统 无线信道时间弥散会限制无线信道传输速率的提高。在无线环境中，由于存在多径 效应，到达接收机的信号是由一些通过不同路径到达信号叠加而成的。这些幅度衰减和 时延不同的信号相互叠加造成信号失真。特别是在高速数据传输时，路径的时延扩展大 于传输数据周期，信号问的干扰更加严重。另外，数据传输速率较高时，信号占有的频 带变宽，当信号带宽接近或大于信道相干带宽时，信道的时间弥散将对接收信号造成频 率选择性衰落。因此在复杂多变的无线信道中，需要设计出性能良好的能够抗多径干扰 的无线传输技术，对信道具有很强的适应能力。正交频分复用( o r t h o g o n mf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术网络结构高度可扩展，具有良好的抗噪声性能和抗干 扰能力以及频谱利用率高，而被普遍认为是下一代移动通信系统必不可少的技术。 码分多址技术( c d m a ，c o d ed i v e r s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 是一项发展成熟、很有前途 的技术。c d m a 技术能让很多的用户共享相同的频谱资源，而不会产生明显的干扰，因 此在多用户情况下可以提高频谱效率。 m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技术是第三代和未来移动通信系统实现高数 据速率、高系统容量，提高传输质量的重要途径。它利用空中增加的传输信道，在发送 端和接收端采用多天线( 或天线阵列) 同时发送信号。由于各发射天线同时发送的信号 占用同一个频带，所以未增加带宽，若各发射接收天线间的信道冲击响应独立，则m i m o 系统可以创造多个并行空间信道。因而能够成倍的提高系统的容量和频谱利用率。 m i m om c c d m a 系统将这三种技术结合，继承o f d m 、c d m a 、m i m o 系统的优 点，合理地利用了空间、频率和码字资源。 3 1o f d m 技术 o f d m 技术v 1 首先是r o b e r tw c h a n g 在他的关于多信道传输的带宽受限信号的合 成的论文中提出的。在论文中，c h a n g 提出了一种通过线性带宽受限信道中无信道问干 扰( i c i ) 和符号间干扰( i s i ) 的，可同时传输信息的方式。将可得到的谱划分为几个信道， 每个信道在进一步划分为多个子信道。同时子信道的谱之间是重叠的和正交的，可实现 高效的谱利用。正是由于满足这种正交性，就不需要在临近的信道间加入保护带宽，而 这在传统的频分复用方案中是必须加入的。 1 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章m i m om c - c d m a 系统 后来w e i n s t e i n 和e b e r t 提出使用离散傅立叶变换( d f t ) 来实现基带调制和解调。为 了抵抗i s i 和i c i ，他们在符号间使用了保护间隔，并在时域使用了升余弦窗。 为解决子载波间的正交性问题，p e l e d 和r u i z 引入了循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 或称 为循环扩展的概念。他们用o f d m 符号的循环扩展来取代原先所使用的空的保护间隔， 这就确保了在弥散信道中当循环前缀比信道脉冲响应长时子载波间的正交性，使接收到 的信号无符号间干扰i s i 和载波间干扰i c i 。 进入二十世纪九十年代以来，o f d m 技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据 传输。目前o f d m 己成功用于a d s l ，d v b ，w l a n 等固定无线、有线通信。 o f d m 利用了多径效应在频域上的特性，使信道的频域均衡更易实现，适合高速数 据传送。它的基本原理是将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，在多个载波上 同时进行传播。由于各子载波相互正交，所以扩频调制后的频谱可以相互重叠，不但减 少了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。对于低速并行的子载波而言，由 于符号周期展宽，多径效应造成的时延扩展相对变小，只要保证时延扩展小于码元周期， 就不会造成码间干扰；只要子信道的带宽小于相干带宽，使每一个子信道的频谱特性都 近似平坦，也可以有效对抗频率选择性衰落。这种方案可以解决信道的时间弥散性问题。 但是，如果子载波处于深衰落时，如不采用纠错编码，会产生很高的误比特率。另外， 因为引入保护间隔，在保护间隔大于多径时延的情况下，可以最大限度的消除多径带来 的符号间干扰( i s i ) 。o f d m 系统的一个主要优点是正交的子载波可以利用快速傅立叶 变换f f t i f f t 来实现调制和解调。 在o f d m 系统设计中，有几个关键参数需要考虑。如子载波的数目、保护间隔、符 号周期、载波间隔、每个载波的调制方式及前向纠错编码的选择。其中保护间隔一般采 用循环前缀的方式，以保证在接收端的f f t 周期内o f d m 符号的时延副本包含的波形 周期个数是整数。这样时延小于保护间隔的信号就不会在解调过程中产生子载波间干扰。 在具体实现循环前缀的时候，我们是将经过i f f t 变换的数据的后面几位复制到前面， 之后再通过并串变换发送即可。 3 2m c c d m a 系统原理 c d m a 技术是让窄带信号通过与扩频信号相乘而扩展为宽带信号后进行发射。使用 的扩频信号可以是伪随机代码序列，码片速率比原数据速率高若干个数量级。通过扩频 技术不但可以将某一特定扩频信号从其他信号中恢复出来，还能有效的对抗窄带干扰， 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章m i m om c c d m a 系统 因为窄带干扰只影响扩频信号中的- d , 部分信号。c d m a 是大多数3 g 移动通信系统采 用的技术，具有高用户容量的特点，但是受限于多址干扰和频率选择性衰落引入的干扰。 可以将o f d m 和c d m a 结合在一起，可以继承多载波技术有效抵抗符号间干扰( i s i ) 的特点，同时继承c d m a 系统的高容量的优点。 目前提出的以o f d m 和c d m a 为基础的多载波c d m a 的方案，它们可以分为两大 类：一类是用给定的扩频序列对经过串并变换后的数据流进行扩频，也就是在对应的每 路载波上进行类似d s c d m a 的操作，即在时域上进行数据扩频；另一类是用给定的扩 频序列对原始数据流扩频，用扩频序列中对应的每个码片将数据调制到不同的子载波上， 即在频域上进行