【正文】 III 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 移動通信中的空時碼技術(shù)設(shè)計方案 第一章 緒 論 第一節(jié) 無線移動通信的發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù) 移動通信是指通信的一方或雙方是在移動中實現(xiàn)通信的。其中包括:移動臺與移動臺之間通信、移動臺與固定臺之間通信，移動臺通過基站與移動臺或固定臺通信。移動臺與基站之間是無線電通信鏈路。 無線移動通信傳輸信道復(fù)雜(時變的多徑傳播環(huán)境，以及傳播損耗、慢衰落、快衰落、時間選擇性衰落、頻率選擇性衰落、空間選擇性衰落等)。同時無線移動通信系統(tǒng)受到嚴(yán)重的干擾(遠(yuǎn)近效應(yīng)、小區(qū)內(nèi)干擾、小區(qū)間干擾、同道干擾、碼間串?dāng)_等)，對設(shè)備要求更為苛刻(穩(wěn)定性、成本、功能、功耗)，并且頻譜資源有限。目前，無線移動通信方面針對這些特點已經(jīng)發(fā)展了一系列的技術(shù)，包括分集技術(shù)，MIMO系統(tǒng)和空時處理技術(shù)等等。一、無線移動通信的發(fā)展 現(xiàn)代無線通信起源十19世紀(jì)Hertz的電磁波輻射試驗，真正的移動通信技術(shù)的發(fā)展應(yīng)從20世紀(jì)20年代開始，到目前為止移動通信經(jīng)歷了從第一代模擬移動通信系統(tǒng)，第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)GSM(Global System for Mobile)，正向第三代(the 3rd Generation)移動通信系統(tǒng)以及后3G, 4G發(fā)展。 第一代移動通信系統(tǒng)存在的主要問題是:各系統(tǒng)間沒有公共接口；頻譜利用率低；無法與固定網(wǎng)向數(shù)字化推進(jìn)相適應(yīng)。第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)較第一代模擬移動通信系統(tǒng)有很大的改進(jìn)，但是也存在許多問題:沒有統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)；頻譜利用率較低；不能滿足移動通信容量的巨大要求；不能提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；不能有效地支持Internet業(yè)務(wù)。 第二代移動通信系統(tǒng)3G的標(biāo)準(zhǔn)一一IMT2000，是指使用2000MHz左右頻段、提供業(yè)務(wù)速率高達(dá)2000kbps、計劃在2000年左右試運(yùn)行的全球移動通信系統(tǒng)，它有下面特點: ①系統(tǒng)的國際性，提供全球無縫覆蓋和漫游，世界范圍設(shè)計的高度一致性。 ②業(yè)務(wù)的多樣性，提供話音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)，車載通信速率為144kbps， 步行通信速率為384kbps，室內(nèi)通信速率為2Mbps。 ③高質(zhì)量的業(yè)務(wù)，滿足通信質(zhì)量能達(dá)到與固定網(wǎng)相比擬的高質(zhì)量業(yè)務(wù)要求。 ④高度的靈活性，按需分配帶寬，支持大范圍、可變速率的信息傳送。 ⑤頻譜利用率高、通信容量大。 ⑥袖珍、多頻、多模、通用移動終端。 ⑦滿足通信個人化的要求。 ⑧系統(tǒng)初始配置能充分利用第二代系統(tǒng)設(shè)備和設(shè)施，隨后實現(xiàn)平滑升級。 ⑨低的費用，包括設(shè)備和服務(wù)兩方面。目前已被國際電信聯(lián)盟(ITU)同意批準(zhǔn)的3G主流標(biāo)準(zhǔn)有四種: ①3GPP的DSCDMAFDD(也稱WCDMA） ②3GPP2的MCCDMA(也稱CDMA2000） ③美國的S CTDMA(也稱UWC136) ④我國提出的TDSCDMA系統(tǒng)作為第二代移動通信系統(tǒng)DSCDMATDD的低碼片速率選項，這是我國移動通信歷史上的重大突破。二、第二代移動通信中的關(guān)鍵技術(shù)（一）分集技術(shù) 衰落是影響通信傳輸質(zhì)量的一個主要因素?？焖ヂ涞纳疃瓤蛇_(dá)3040dB，單是利用加大發(fā)射的功率來克服這種深度衰落是不現(xiàn)實的，而且會對其它發(fā)射機(jī)造成嚴(yán)重的干擾。分集技術(shù)則是設(shè)計用來抗衰落的一種有效措施，它已廣泛應(yīng)用十移動通信、短波通信等隨參信道中。分集主要分為兩類:“宏分集”和“微分集”。宏分集主要用于蜂窩移動通信系統(tǒng)中，也稱為“多基站分集”，這是一種減少慢衰落影響的分集技術(shù)，其做法是將多個基站設(shè)置在不同的地理位置上和不同的方向上。微分集是一種減小快衰落的分集技術(shù)，為了達(dá)到信號之間的“不相關(guān)”，可以從空間、頻率、極化、角度及時間等方面實現(xiàn)這種不相關(guān)性。由于快衰落是移動通信的最大挑戰(zhàn)，因此微分集就是通常所指的分集技術(shù)，主要包括空間分集(含角度分集、極化分集)、頻率分集、時間分集(含多徑分集)。（二） MIMO系統(tǒng) 對于一個發(fā)射端有n個天線、接收端有m個天線的多天線系統(tǒng)，我們將它簡記為系統(tǒng)。有時也將一個系統(tǒng)稱為多輸入、多輸出（MultiInput MultiOutput)系統(tǒng)，簡記為MIMO系統(tǒng)。文獻(xiàn)[17,18,19]從信息論的角度研究了多天線系統(tǒng)在衰落信道中的信道容量:對于n個發(fā)射天線和m個接收天線系統(tǒng)，其信道容量為: （bit/s HZ） 式（111）其中det(X)表示對矩陣X求行列式，表示X的共軛轉(zhuǎn)置，是單位陣， 式（112）為階信道衰落系數(shù)矩陣，是從第i個發(fā)射天線到第j個接收天線間的復(fù)的瑞利衰落系數(shù)，表示n個發(fā)射天線發(fā)射的總功率和。可以得到，多天線系統(tǒng)在信道容量上比單天線系統(tǒng)有顯著的提高，這正是空時編碼系統(tǒng)增加無線通信系統(tǒng)容量的理論依據(jù)。（三）空時處理技術(shù)現(xiàn)在的移動通信系統(tǒng)主要用時間域信號處理技術(shù)，智能天線與陣列信號處理是空間域信號處理技術(shù)。時間域處理技術(shù)不能有效的消除同道干擾(CCI), 而空間域處理技術(shù)一般都要求窄帶假設(shè)(即信號經(jīng)過陣列長度所需的時間應(yīng)遠(yuǎn)小于信號相干時間)和同時激活的用戶數(shù)不超過陣兀數(shù)，這樣需要將空間域處理和時間域處理結(jié)合起來，由此產(chǎn)生空時處理技術(shù)。利用空時處理技術(shù)能很好的結(jié)合單時間處理和單空間處理的各自特點，這是近年來通信領(lǐng)域與信號處理領(lǐng)域共同關(guān)注的熱點。空時處理技術(shù)的主要研究方向有空時估計(SpaceTime Estimation)、空時檢測（SpaceTime Detection)、空時編碼(SpaceTime Coding)、空時均衡(SpaceTime Equalisation)、空時分集(SpaceTime Diversity)和空時波束形成(SpaceTime Beamforming)等?？諘r處理技術(shù)充分利用了信號與信道的空間和時間的特性，從而有效地改善了陣列增益和分集增益、有效的消除干擾和抗多徑衰落，從而提高系統(tǒng)的容量。（四）其它移動通信關(guān)鍵技術(shù)其它移動通信關(guān)鍵技術(shù)主要包括:智能天線技術(shù)，同步技術(shù)，功率控制，移動性管理等等。第二節(jié) 空時編碼技術(shù)的發(fā)展過程分集技術(shù)是一種能夠有效克服信道衰落的可行方法。常用的時間分集、頻率分集在提高系統(tǒng)性能時，要犧牲一定的頻帶利用率。而在實現(xiàn)空間分集時，信號既沒有在時間域內(nèi)引入冗余，也沒有在頻率域內(nèi)引入冗余，只是將信號賦予一定的空間結(jié)構(gòu)，在空域上引入了冗余。因此空間分集沒有降低頻帶利用率，這對高速傳輸特別有利?？臻g分集按照實現(xiàn)的位置不同，可分為發(fā)射分集(Transmit Diversity)和接收分集（Receiver Diversity)。關(guān)于接收分集的研究已有大量的文獻(xiàn)資料，技術(shù)比較成熟；而對于發(fā)射分集則是這幾年新興的研究方向，由于下行傳輸?shù)男诺酪话闶俏粗?，加之移動端的體積和功率的限制，很難在移動端設(shè)計多個天線來實現(xiàn)接收分集，所以分集的任務(wù)很自然的落在了基站，因此發(fā)射分集的研究就具有更大的挑戰(zhàn)性，其研究成果對提高無線通信的信道容量、抑制干擾和噪聲具有重要的現(xiàn)實意義。 與多天線發(fā)射分集相對應(yīng)的信道編碼技術(shù)就是空時編碼技術(shù)?？諘r編碼技術(shù)利用多發(fā)射和多接收天線，將發(fā)射分集技術(shù)和接收分集技術(shù)相結(jié)合，在各陣元的發(fā)射信號之間引入時域和空域的相關(guān)，并且將信號處理技術(shù)與編碼技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在了一起，因而具有非常優(yōu)異的性能?？諘r編碼技術(shù)能有效地補(bǔ)償信道的衰減、增加系統(tǒng)的容量、抑制噪聲和干擾，并獲得很高的分集增益和編碼增益，因此具有廣闊的應(yīng)用前景?？諘r編碼的工作最初起源于20世紀(jì)90年代初期Stanford的Raleigth和Cioffi的工作[15]以及瑞士ASCOM的Wiittneben [l6]，近期有突出工作的主要有Lucent Labs的Foschini與Gans[1]以及ATamp。T Research Labs的Tarokh [2]等?？諘r編碼的模型最早是由美國的Lucent Bell實驗室提出的，并于1996年提出了在無線通信中用多元天線構(gòu)造的分層空時結(jié)構(gòu)[3]，在此基礎(chǔ)上他們開發(fā)出了BLAST試驗系統(tǒng)。隨后，美國ATamp。T實驗室的Vahid Tarokh在此啟發(fā)下，首先提出空時編碼[2]（ STC: SpaceTime Code）概念，信號在時間域和空間域上都引入編碼就稱之為空時編碼?？諘r編碼將發(fā)射分集和編碼集于一體，具有較好的頻譜有效性和功率有效性。在該文獻(xiàn)中用格狀編碼調(diào)制(TCM)構(gòu)造了的一種空時編碼，稱為空時格型編碼(STTC: SpaceTime Trellis Code）。后來，[5]發(fā)現(xiàn)了一種簡單的發(fā)射分集技術(shù)，在此分集技術(shù)中他實際上采用了簡單的正交分組編碼，這在后來的文獻(xiàn)[6]中被歸納為空時分組編碼(STBC: SpaceTime Block Code）。這二種空時編碼———BLAST, STTC, STBC在解碼時都假設(shè)接收端知道信道狀態(tài)（Channel State Information）的確切信息，需要在接收端進(jìn)行信道估計。 在某些環(huán)境下，接收端進(jìn)行信道估計會非常困難，有時甚至根本無法估計。因此，如何設(shè)計不需要信道估計的空時編碼顯得十分重要，酉空時編碼[8][9]和差分空時編碼[9，10，11]就是根據(jù)這個要求提出的。酉空時編碼(USTC: Unitary SpaceTimecode)[8]在形式上類似于STBC，是Hochwald根據(jù)文獻(xiàn)[14]的結(jié)論構(gòu)造的一種接收端不需信道估計的空時編碼。差分空時編碼的概念最早由Tarokh[11]提出，Hughes[10]犧空時編碼的思想推廣到多天線信道，給出了一種基于酉空時編碼的差分空時編碼。 概括起來空時編碼技術(shù)按照發(fā)射端和接收端是否需要知道信道狀態(tài)信息分為兩大類: 第一類空時編碼:解碼時需要確切知道CSI的，具體可分為下面三種: ①分層空時編碼(LSTC: Layered SpaceTime Coding)技術(shù):1996年，美國Bell實驗室提出了分層空時編碼的概念，并于1998年提出了分層空時編碼技術(shù)的框架[3]，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了BLAST （Bell Layered SpaceTime)試驗系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。頻帶利用率隨著發(fā)射天線的增加線性增加，它所能達(dá)到的頻帶利用率和傳輸速率是單天線系統(tǒng)所無法想象的，但其抗衰落性能不是很好。②空時格型編碼(STTC: SpaceTime Trellis Coding)技術(shù):ATamp。T實驗室的Tarokh等人提出的用于高速數(shù)據(jù)無線通信的格型空時編碼(STTC)技術(shù)[2]同時利用了傳輸分集和信道編碼技術(shù)。這種空時編碼以格型編碼調(diào)制為基礎(chǔ)，具有很高的編碼增益和分集增益，但是編碼和解碼復(fù)雜度極高，目前多用計算機(jī)搜索實現(xiàn)，這是它應(yīng)用受限的關(guān)鍵。 ③空時分組編碼(STBC: SpaceTime Block Coding)技術(shù): 由于空時格型編碼的編譯碼比較復(fù)雜，美國的Cadence公司的研究人員提出了一種基于正交設(shè)計的空時編碼——空時分組編碼[5，6，7]。雖然它的性能比空時格型碼的性能略差，但其構(gòu)造容易，譯碼簡單。但是空時分組編碼在保證獲得最大分集增益的前提下它的傳輸速率不能達(dá)到最大。 第二類空時編碼:編解碼時發(fā)射端和接收端都不需要知到CSI，具體分為兩種: ①酉空時編碼(USTC: Unitary SpaceTime Coding)技術(shù): 酉空時編碼[8]在形式上類似于STBC，是Hochwald根據(jù)文獻(xiàn)[14]的結(jié)論構(gòu)造的一種接收端不需信道估計的空時編碼，要求發(fā)送碼矩陣為酉矩陣。 酉空時編碼作為快衰落信道下的一種空時編碼解決方案，因為好性能的酉空時編碼需要大量的酉矩陣[13]，如何更系統(tǒng)有效地解決這一問題則是今后一個重要的研究方向。 ②差分空時編碼(DSTBC: Differential SpaceTime Coding)技術(shù): Tarokh[11]提出一種簡單的提供分集的發(fā)射方案，基本思想類似于單天線條件下的差分調(diào)制技術(shù)。它用在發(fā)射端和接收端都不知道信道狀態(tài)信息。H. Jafarkhani,Vahid Tarokh[12]基于廣義的正交空時分組編碼將此種差分檢測方案由兩個發(fā)射天線推廣至多個發(fā)射天線。差分空時編碼的最大優(yōu)點是編譯碼都不需要CSI，在接收端它也支持最大線性解碼，但是它與相應(yīng)的空時分組編碼相比，性能上要差3dB。 從目前的研究結(jié)果看，空時編碼是一種極具潛力的技術(shù)，有著很好的應(yīng)用前景?？諘r編碼體制已被納入第二代移動通信(3G)的標(biāo)準(zhǔn)(IMT2000標(biāo)準(zhǔn))—CDMA2000和WCDMA之中，也必將成為第四代移動通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。第三節(jié) 本文的主要工作 本文主要討論空時編碼技術(shù): ，討論了空時編碼的基本思想和原理，通過分析空時編碼的性能，得到空時編碼的分集增益和編碼增益的度量，并給出了空時編碼的一般設(shè)計準(zhǔn)則。 、特點和性能進(jìn)行分析，給出了相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則，并分別研究了空時格型碼的編碼過程、仿真結(jié)果分析，分層空時編碼(LSTC)的構(gòu)造及應(yīng)用和空時分組編碼(STBC）的構(gòu)造過程和仿真分析。 、特點和性能進(jìn)行分析，以及研究了酉空時碼的設(shè)計和差分空時編碼的編碼方法。 ，具體列舉了分層空時碼