1、移动通信的发展状况word版本第1章绪论1.1 移动通信的发展状况继第三代移动通信系统成功开发，新一代无线通信（B3G，Beyond 3rd Generation和4G，4th Generation）系统的研究成为新的热点，可以提供的数据传输速率高达100Mbit/s以上，支持的业务从语音到多媒体业务，可以满足高移动速度环境的数据传输。随着“创新国家”战略的提出，我国也从国家战略的高度上，将“宽带无线通信网技术”作为重大项目，投入大量的研究力量，实现关键技术的突破和自主创新，以期在未来移动通信标准的竞争中继TD-SCDMA之后获得更大的主动权。相关的研究热点主要包括：先进的信道编码（Turbo
2、码、LDPC码）、自适应编码调制（AMC）、混合自动请求重传（HARQ）、正交频分复用（OFDM）、多输入多输出（MIMO）天线技术等。从1948年Shannon发表通信的数学理论到1993年Turbo码的提出，再到Gallager提出的LDPC码被重新发现，随机编码和迭代译码的思想越来越渗透到通信研究领域的各个方面，推动着整个学科的进步。Turbo码和LDPC码都是性能接近Shannon极限的好码，Turbo码已经被3G标准采用，LDPC码在某些方面具有更加优秀的性能，是目前实验中最接近Shannon极限的信道编码，也是下一代宽带移动通信系统中纠错编码的主要备选方案。在2005年10月18日
3、结束的ITU-RWP8F第17次会议上，ITU（国际电信联盟）给了B3G技术一个正式的名称IMT-Advanced。ITU规定：IMT-2000技术和IMT-Advanced技术拥有一个空同的前缀“IMT”，表示移动通信：当前的WCDMA、HSDPA等技术统称为IMT-2000技术；未来的新的空中接口技术，叫做IMT-Advanced技术。B3G无线通信系统需要在非视距范围内提供好的覆盖、可靠的传输、高的数据传输率和频谱效率。预计在2010年以后在终端高速移动、多用户和多蜂窝环境中，对数据率的需求达到2Mbps，在中等移动速度下将达到20Mbps，在低速移动速度下将达到50-100Mbps。无
4、线通信不同于加性高斯白噪声通道，因散射、反射、折射等而具有多径和衰落，还存在时间和频率的扩展，这些对数据传输率和通道容量都是限制。为此必须采用新的信号处理技术、新的接入方式和新的空中接口技术等。这就引出了新的天线分集技术多输入多输出MIMO（Multiple Input and Multiple Output）天线技术，与单输入单输出（SISO Single Input Sing Output）天线系统相比，在散射环境下应用多输入多输出天线分集技术，可以减弱多径衰落的影响，提高信道容量并实现高数据速率，在有效利用频谱方面也可以发挥很大的作用，降低建立新无线网络的成本，优化网络服务质量，实现多技
5、术标准网络的交叉协同运转，已经成为某些3G无线通信系统的强制标准，也必定被3G系统广泛使用。由此，MIMO技术已经成为无线通信系统的一个关键技术。MIMO技术利用空间增加的传输信道，在发射端和接收端采用多天线同时发送和接收信号。由于各发射天线同时发送的信号占用同一个频带，所以在带宽不增加的情况下，系统容量比单输入单输出系统有成倍地增加，同时频谱利用率也能够得到提高。广义的MIMO技术涉及广泛，主要包括发射分集技术和空间复用技术1。其中发射分集技术指在不同的天线上发射包含同样信息的信号（信号可能并不相同），从而达到空间分集的效果。近几年来，发射分集由于其只需在基站端增加天线，实现起来比较简单，因
6、此受到了人们的关注。发射分集技术本质上有个共同点，那就是接收端不管采用什么方法都必须能够区分出来自不同天线的信号，使它们合并在一起，从而获得分集增益。目前MIMO系统中使用的发射方式主要包括：贝尔分层空时结构BLSTA(Bell Layered Space Time Architecture)、正交空时分组码OSTBC(Orthogonal Space Time Block Coding)、空时格型编码STTC(Space Time Trellis Coding)。这三种方案都是在接收端已知信道传输矩阵的情况下，采用迫零(ZF)、最小均方误差(MMSE)或者最大似然(ML)准则来进行译码。1.
7、2 空时编码技术1998年，Alamouti 研究发现，在接收信噪比相同的情况下，采用发射分集，即在发射端采用多个天线发射信号，可以达到和接收分集一样的性能增益。这样，就不用在接收端增加天线数目，只需要在基站设置多个天线进行信号发送来改善下行链路通信质量，即基站到用户的通信质量。同时，Alamouti 提出了具有两根发射天线的系统，它是可以提供完全发射分集增益的第一种空时分组码，即Alamouti 编码 1。空时编码的基本理论是Tarokh、Seshadri 和 Calderband 在1998年提出的一种基于发射分集的编码技术2。Tarokh 等人认为，如果在发射端采用适合多天线传输的编码技
8、术，同时在接收端进行相应的信号处理技术，能获得很大的性能增益，这样就能够实现数据的高速传输。这一编码技术实质上是时间和空间的二维编码，因此被称为“空时码”。这是在Shannon极限定理指导下采用多维空间处理有效提高容量潜力的一个明显例证。在MIMO系统中空时编码可以使信息容量接近理论容量，能够有效的利用频谱资源、抵抗干扰，是一种比较实用的编码。空时编码在无线通信领域取得了广泛的应用和飞速的发展。1999年，Tarokh在Alamouti研究的基础上，应用正交设计理论，提出了著名的空时分组码（Space-time block codes, STBC）。分组码的编码部分采用正交设计，因此可以得到最
9、大的发射分集增益，并且，它的译码部分采用基于线性处理的最大似然估计，故具有很低的译码复杂度。空时分组码正是由于其简单的译码方法和较好的性能，是研究和应用最广泛的一种空时编码技术。目前，空时分组码已经用于改善无限局域网、GSM（全球移动通信系统 Global System for Mobile）的性能、提高GSM改进方案的传输速率，并且现已经被列入W-CDMA和cdma2000的标准，其中有：1） 空时编码技术已经在移动通信和宽带固定无线接入中被采用。2） CDMA2000 系统中采用了多种传输分集技术：多载波发送分集、正交发送分集和空时扩频传输分集。3) WCDMA 提案中下行发送分集共有两种
10、：时间切换发送分集和空时发送分集。正交空时分组码能够实现全发射分集，而且能够在接收端采用线性最大似然准则对接收信号进行单独译码。Tarokh等人在Alamouti码的基础上，把发射矩阵的正交设计进行一般化，推广到多个发射天线，构成了正交空时分组码。根据信号星座图的不同类型，可以将空时分组码分为有实信号的空时分组码和有复信号的空时分组码，其中实信号和复信号的正交设计是不同的。定义在n个时隙内传输k个符号，码速率为。对于实信号星座的STBC，根据发射天线不同，下列分别是28根发射天线时的实信号星座STBC设计： （1.1） （1.2） （1.3） （1.4） （1.5） （1.6） （1.7）（1
11、.1）、（1.2）、（1.3）、（1.4）、（1.5）、（1.6）和（1.7）均为全速码率，即码速率为1，并可以实现完全分集。对于复信号星座STBC而言，只有系统具有两个发射天线，按照Alamouti方案进行编码的时候，才能够达到全速码率，其它发射矩阵设计方案码速率均小于1，故对于发射天线数大于2的复信号星座STBC，不存在全速码率的正交设计。（1.8）是发射天线为2，按Alamouti方案设计的码字，即Alamouti码。 （1.8）但对于任意复信号星座来说，都有对任意给定天线数能够实现速率的空时分组码。（1.9）和（1.10）分别是发射天线为3和4、码率为的复信号星座的正交设计： （1.9
12、） （1.10）（1.11）和（1.12）分别是发射天线为3和4、码率为的复信号星座的正交设计，它们比（1.9）和（1.10）具有更高的传输速率。 （1.11） （1.12）文献10中还介绍了另外一个复信号星座上天线数为3的速率的空时分组码为： （1.13）图1.1 1接收天线不同传输速率下Alamouti码的性能图1.2 多接收天线下Alamouti码的性能图1.1和图1.2是Alamouti码性能的仿真结果。从图1.1可以看出，随着发射速率的提高，误码率也会随之提高；而从图2可以看出，接收分集会大大改善系统的性能。图中QPSK、8PSK以及16QAM调制均使用格雷映射来完成对星座符号的分配
13、。我们定义：给定误码率下，编码过后与未编码相比较节省的信噪比为编码增益。如图1.1和1.2所示，在系统误码率为时，BPSK调制方式分别要比QPSK、8PSK和16QAM调制方式高3dB、8dB和9dB的编码增益，而在采用2接收天线情况下，QPSK和BPSK调制分别比单接收天线下都高7dB的编码增益。通常空时分组码只需要在接收端利用信道信息进行译码，而在发射端不需要任何信道信息。为了进一步提高性能，目前好多学者已经着眼于在系统的发射端也知道部分信道信息的空时分组码，成为“具有部分反馈的空时分组码”。大多数编码都是基于信道差错满足统计独立特性设计的，但实际信道往往是突发错误和随机错误并存的综合信道
14、。而交织技术是一种时间/频率的扩展技术，它使得信道错误的相关度减小。所以交织技术被广泛的研究，并部分投入实际的生产中，成为改善信道性能的重要手段之一。而一种“坐标间交织正交发射分集最小二乘软译码方法及实现装置”已经被应用，它通过交换发射端发送矢量的虚部，而在接收端再进行相应处理。装置能确保在多根天线下满发射分集，且编码率为1，可以实现单符号译码，提高接收链路的分结增益。传统的空时分组码在接收端必须要对信道进行准确的估计，并使用相干检测的方法进行译码。但在高速移动的环境下或者信道衰落条件快速变化时，要准确的估计信道参数很困难，或者代价很高，这样就在空时编码中引入了差分空时分组码。对于单发射天线而
15、言，可以在不使用信道估计的情况下，解调差分方案（如差分相移键控DPSK）。差分方案已经在实际蜂窝移动通信系统中被广泛使用。例如，美国数字蜂窝系统标准IS-54就使用了-DPSK。差分空时分组码的接收端不需要对信道进行估计，就可以进行解调和解码，但在性能方面，它比传统的编码方案要稍差一点。除了差分空时分组码还有其它不需要信道信息的空时码，比如酉空时码（Unitary space-time codes）和差分空时调制（Differential space-time modulation）。1.3 准正交空时分组码的设计文献中指出，对于复线性处理的正交设计在发射天线大于2时不能同时达到发射速率和全编
16、码速率。仅当发射天线为2时，存在传输矩阵各元素为复数满速率正交设计，也就是上文中提到的Alamouti码。为了在较多天线情况下获得较高速率，Jafarkhani等人分别独立提出准正交空时编码概念，所构成的准正交空时分组码具有部分正交的特性，在保证达到一定误码率的前提下可以实现全速率传输。文献10中，Jafarkhani提出了准正交空时分组编码的设计方案。所提出的结构中，发射矩阵的列是分成组的，而每组里的列相互之间是不正交的，不同的组相互正交，我们叫这样的结构为准正交设计。用准正交设计表明了发射的字符对可以独立地进行译码。这种结构用于所设计的码中则能够提供更高的发射速率但同时牺牲最大分集。具有最
17、大速率和最大分集的空时分组码为：、和 （1.14）、和 （1.15）其中（1.14）为实信号星座设计码字，（1.15）为复信号星座设计码字。1） 当发射天线为4时，速率为1的复信号星座准正交空时分组码为： （1.16）Jafarkhani文中还提出另外的3种4根发射天线准正交空时分组码的设计方案： （1.17）当发射天线为8时，速率为1的复信号星座准正交空时分组码为： （1.18）（1.18）的编码方案实际上是在（1.16）和（1.17）的基础上构成的。文中提的另一种码率为的8天线准正交空时分组码（1.19），它是（1.18）中令某个编码方案两个符号为0，而构成的。 （1.19）2）当发射天线
18、为4时，速率为1的实信号星座准正交空时分组码为： （1.20） （1.21）同理当发射天线为8时，速率为1的实信号星座准正交空时分组码为： （1.22） （1.23）3） 类似于正交STBC，去掉准正交空时分组码的某一列或某几列，我们就可以得到针对较少发射天线数时的一种新的STBC。（1.24）式即为（1.16）去掉一列而构成的，它是发射天线为3时，码率为1的准正交空时分组码。 （1.24）1.4 超正交空时格型码空时分组码（STBC）不但能够提供满分集增益，而且具有较低的译码复杂度。STBC可以作为多天线系统，但是这样一种编码方案没有编码增益。同时，并不是对于每个发射天线数都存在满速率设计的
19、STBC。另一方面，1998年，AT&T的Tarokh等人首次提出一种基于编码调制技术的空时编码方案空时网格码（STTC），它可以获得满分集增益和更高的编码增益，但是它的译码复杂度较高。超正交空时格码（SOSTTC）的主要思想是将STBC作为多发射天线系统的一种编码方法。根据矩阵论的知识，我们可以知道用一个酉矩阵左乘或右乘一个正交STBC会得到另外一个正交STBC。下面，我们考虑用如下酉矩阵右乘生成矩阵：。其结果就是将生成矩阵的第一列进行旋转。在这里我们考虑用酉矩阵U右乘Alamouti码可以得到如下的一族正交设计： （1.25）当时，（1.25）式实际上就是Alamouti码。这样的一族正交
20、设计在下文中将会用到。1.5 采用数论的空时分组码及球形译码算法在文献中提出了一种可以提供满分集增益并且没有互信息的损失的STBC。这种码是线性的，但并不是正交的，所以不能进行独立的ML（最大似然）译码。取而代之，球形译码可用于对符号进行译码。 （1.26）上述码是发射天线为2、时隙为2上传输的STBC。定义，其中是一个设计参数。选择正确的星座和参数，该码字也可以提供满分集。例如，若是一个代数数且星座图是复整数环的一个子集，那么（1.26）可以提供码率为2的满分集，这是正交空时分组码所不可能达到的。多天线无线通信系统中的最大似然（Maximum Likelihood, ML）检测本质上是整数域
21、的最小二乘问题，同时也是一个NP-难度（Non-deterministic Polynomial-time hard）的问题。球形译码算法是解决此类问题的有效方法。它首先将发送信号矢量集合映射为一个M维的网格。这样寻找最小二乘整数解的问题就转化成为在以接收信号矢量为中心，适当大小为半径的超球内寻找距球心最近的网格点的问题，而搜索空间的大小将决定算法的复杂度。在高信噪比时，球形译码算法能够通过压缩搜索空间将ML检测算法的复杂度降低到接近ZF-DFE算法的复杂度，问题在于如何降低球形译码算法在低信噪比时计算复杂度。针对这一问题，Rakaya修改了搜索策略，给出了一种适用于有限网格的SE算法；Guo
22、指出修改半径约束 进一步降低SE算法，但是这种修改需要靠事先的仿真来确定参数的选取，有欠实用性；Kang的算法通过加强网格坐标约束降低了复杂度，但是牺牲了高信噪比时的性能。Cui借用了多层编码与级联解码的思想，提出了MSD算法，它使用两个级联的针对“低阶调制”的球形译码器完成高阶调制符号序列的ML检测。但是，该算法对于发送天线数较多的情形收效甚微，而且在搜索半径选取上存在困难。1.6 本文主要研究和结构安排全文分为五章，文章的具体结构如下：在本文第二章中，将运用超正交编码理论提出基于坐标交织的超正交空时分组码，并研究当发射天线数为3、4、5、6、7和8时的编码方案。再利用超正交编码特点，用差分空时编码理论提出该码的差分设计方案，并在Matlab仿真软件上实现传统译码方案和差分方案的性能仿真，并作出比较。在本文第三章中，将运用第二章中提出的编码理论结合准正交编码理论，提出基于坐标交织的超准正交空时分组码，并研究当发射天线数为3、4、5、6、7和8时的编码方案。再利用旋转星座图设计理论，提出基于坐标交织的旋转超准正交空时分组码，并在Matlab仿真软件上实现两种方案的性能仿真，并作出比较。在本文第四章中，介绍了双极化天线技术与STBC相结合的应用，提出了在发射天线数大于2时的该码字构造的方案，以及以后研究过程中所需要考虑的问题。本文第五章是对全文的总结，并对未来工作进行了展望。
