硕士论文-无线移动通信中空时分组码的研究.pdf

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1、西南交通大学硕士学位论文无线移动通信中空时分组码的研究姓名：滕晓丽申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：王宏霞20090601西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页摘要近些年来，空时编码(S T C，S p a c e-T u n eC o d i n g)技术是在无线通信中新兴的研究方向，它是一种基于多天线发送和接收(M I M O，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 t)系统的信道编码技术。它不仅大幅度地增加了无线通信系统的容量，为无线传输提供了分集增益和编码增益，并且能够提供远高于传统单天线系统的频带利用率。因

2、此，这种技术是实现未来带宽资源日益紧张的高速无线数据通信系统的重要技术。目前提出的空时编码主要有分层空时编码(L S T C，L a y e r e dS p a c e T i m eC o d i n g)、空时网格编码(S I T C，S p a c e-T i m eT r e l l i sC o d i n g)和空时分组编码(S T B C，S p a c e T i m eB l o c kC o d i n g)。其中，空时分组码在性能上有明显的优势，而且其编码和解码方法都比较简单，因此可以和很多技术结合使用，其中之一，就是和基于正交的多路子载波并行传输的正交频分复用(O F

3、 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)技术结合。本论文就此热点课题展开研究，论文工作如下：1)本论文详细研究了空时分组码的编译码算法和性能，包括正交空时分组码和传统准正交空时分组码。它们的优点是编译码简单，且可实现全速率传输，但是传统准正交空时分组编码不能获得满分集增益。2)研究了基于星座旋转和矩阵旋转的准正交空时分组编码，不但获得了全速率和满分集，更好地提高系统性能，而且可以实现线性译码，使译码复杂度大大降低。3)由于通常研究的空时分组编码都是基于窄带无线通信系统，而实际

4、无线移动通信系统都是频率选择性衰落宽带无线信道，因此本文将准正交空时分组编码和O F D M 技术相结合，避免了空时编码系统的设计和实现中的平坦衰落信道的限制，消除由于多径时延引起的码间干扰，进一步减小多径衰落。并通过仿真，对各种情况进行比较，表明了改进方案和结合方案的优势。关键词：空时分组编码；无线移动通信；发射分集；准正交空时分组编码；正交频分复用西南交通大学硕士研究生学位论文第1 I 页A b s t ra c t I nr e c e n ty e a r st h es p a c e t i m ec o d i n g(S T C)m e t h o di sb e c o m

5、i n gan e wr e s e a r c hd i r e c t i o ni nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nf i e l d s I ti sak i n do fc h a n n e lc o d i n gt e c h n o l o g y,w h i c hb a s e dm u l t i p l e-i n p u ta n dm u l t i p l e o u t p u t(M I M O)s y s t e m s I ti n c r e a s e sn o to n l yg r e a t l

6、 yt h ec a p a c i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s，w h i c hp r o v i d ed i v e r s i t yg a i na n dc o d i n gg a i nf o rt h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n,b u ti ti sa l s oa b l et op r o v i d et h eb a n d w i d t he f f i c i e n c y,w h i c hi sf a s t

7、e rt h a nt h et r a d i t i o n a ls i n g l ea n t e n n as y s t e m s T h e r e f o r e，t h i st e c h n i q u ei s 缸e n d e dt op r o v i d en e ws o l u t i o n st ot h ep r o b l e mo fl i m i t e db a n d w i d t ha n da p p l i c a t i o n sb a s e do nt h i st e c h n o l o g yw i l lb eu

8、s e di nt h ef u t u r eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sf o rh i g hs p e e dd a t at r a n s m i s s i o n N o wt h em a i nt h r e ek i n d so fS T Ch a v eb e e np r o p o s e da Sl a y e r e ds p a c e-t i m ec o d m g(L S T C)，s p a c e t i m et r e l l i sc o d i n g(s

9、T r c)a n ds p a c e-t i m eb l o c kc o d i n g(S T B C)T h e r e i n t o，S T B Ch a so b v i o u ss u p e r i o r i t yo np e r f o r m a n c ea n di t se n c o d i n ga n dd e c o d i n ga r er e l a t i v e l ys i m p l e S T B Cc a nb ec o m b i n e dw i t hm a n yt e c h n o l o g i e s，o n eo

10、 ft h e mi sc o m b i n gw i t hO F D M T h i st h e s i si n v e s t i g a t e st h e s ei s s u e sr e l a t e dt ot h i sh o tr e s e a r c ht o p i c，t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa l ea sf o l l o w s：1)T h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n ga l g o r i t h mo fS T B Ci ss t u d i e

11、di nd e t a i li nt h i st h e s i s，i n c l u d i n go l t h o g o n a ls p a c e-t i m eb l o c kc o d i n ga n do l dq u a s i-o r t h o g o n a ls p a c e-t i m eb l o c kc o d i n g(Q O S T B C)T h e yh a v es i m p l ye n c o d e da n dd e c o d e da l g o r i t h ma n dc a na c h i e v ef u l

12、 l-r a t et r a n s m i s s i o n B u tt h eo l dQ O S T B Cc 姐ta c h i e v ef u l ld i v e r s i t y 2)A na p p r o p r i a t es c h e m eo fQ O S T B Ci ss t u d i c di nt h i st h e s i s，w h i c hb a s e do nc o n s t e l l a t i o nr o t a t i o na n dm a t r i xr o t a t i o n S o，t h ef u l l

13、r a t ea n df u l ld i v e r s i t yg a i l la l en o to n l yo b t a i n e dt oo p t i m i z et h es y s t e mp e r f o r m a n c e，b u ta l s ol i n e a rd e c o d i n gi sa c h i e v e dt og r e a t l yr e d u c et h ed e c o d i n gc o m p l e x i t y 3)I ng e n e r a l l y,t h es p a c e t i m

14、eb l o c kc o d i n gi ss t u d i e db a s e do nn a r r o w b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s B u tt h ea c t u a lw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r eb r o a d b a n d，w h i c hi sf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g M o r e o v

15、e rQ O S T B Ci sc o m b i n e dw i t hO F D Mi nt h i st h e s i s，w h i c hc a na v o i dr e s t r i c t i o n so ff i a tf a d i n gi nd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fS T B Ca n de l i m i n a t ei n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c ec a u s e d西南交通大学硕士研究生学位论文第1 I I 页b yt h em

16、 u l t i p a t hd e l a y F i n a l l y，a d v a n t a g e so ft h i ss c h e m eh a sb e e ns h o w nt h r o u g hs i m u l a t i o na n dc o m p a r i s o n k e yw o r d s：s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g(：S T B C)；w i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n；t r a n s m i td i v e r s

17、i t y；q u a s i-o r t h o g o n a ls p a c e t i m eb l o c kc o d i n g(Q O S T B C)；o r t h o g o n a lb 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(O F D M)西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本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

18、描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1 保密口，在年解密后适用本授权书；2 不保密醴使用本授权书。(请在以上方框内打“4”)学位论文作者签名：膝糍丽指导老师签名：宝嗍砷孑日期b p 形了宕落一西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下：本论文主要研究了基于星座旋转和矩阵旋转的准正交空时分组编码，不但获得了全速率

19、和满分集，而且可以实现线性译码，降低了译码复杂度。为了将准正交空时分组编码的研究引入宽带无线移动通信系统，本文选择与O F D M 技术结合，把整个信道转变为并行相关的频率非选择性衰落信道，增加了符号周期，消除了由于多径时延引起的码间干扰，减小了多径衰落，从而提高通信系统的误码性能。学位论文作者签名：日期：滕一疆历谢 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页第1 章绪论空时编码技术作为第三代无线通信系统抗衰落技术的最新发展动态，是一种新的编码和信号处理技术。它将空间分集、频率分集以及时间分集结合在一起，在不牺牲带宽的情况下，可获得更高的编码增益和分集增益，从而有效提高无线通信系统容量，对满足

20、今后高速可靠的无线数据通信产生了极大的影响力。1 1 新一代无线移动通信的发展史和关键技术随着社会的不断发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信的要求也越来越高。理想的通信目标就是能在任何时候、任何地方、与任何人都能及时沟通联系、交流信息。显然，没有无线移动通信，这种愿望很难实现。早在1 8 9 7 年，马可尼在陆地和一只拖船之间，就用无线电传输了消息，这是无线移动通信的最开端。N-十世纪下半叶，无线移动通信技术正式发展起来，经过几十年的时间取得的成就给全世界带来了巨大的革新。1 9 7 1 年1 2 月，B e l l 公司向美国联邦通信委员会(F(、C)提出了蜂窝移动通信系统H C M T

21、S，蜂窝小区设计技术的应用标志着第一代无线通信系统(1 G)的诞生。美国的先进移动电话系统(A M P S)、英国的T A C S、日本的N A M T S、北欧的N M T S 等【1 l 这些基于不同标准的模拟蜂窝移动通信系统，统称为第一代蜂窝移动通信系统，主要用于传输单一的语音信号，因此也称为模拟蜂窝移动通信系统。它主要采用了模拟技术、F M 调制、F D M A 多址技术，最重要的突破是采用蜂窝网概念，通过频率复用，大大提高了系统容量。但缺点也很多：它没有发展成一个全球统一的标准，各系统间无法互连互通，同时频谱利用率低，通信容量小，保密性差，设备复杂，成本高，且不能提供非语音业务等，这

22、些促使第二代移动通信系统(2 G)的出现。第二代移动通信系统最大的特点是完全采用数字技术，因此也称为数字蜂窝移动通信系统，主要有欧洲的G S M、美国的D A M P S(I S 5 4，现在的I S 1 3 6)和C D M A(I S 9 5)、日本的P D C l 2 1。2 G 的主要特点有：采用微蜂窝小区结构及西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页数字化技术，引入新的调制方式G M S K 和Q P S K 以及多址技术T D M A 和C D M A，提高了频谱利用率和用户容量，能提供更多种类的业务，降低开发成本，提供更有效的管理和更优质的服务。但很多方面仍没实现最初的目标，同时也

23、由于技术的发展和人们对于系统传输能力的要求愈来愈高，一些新的技术不能有效实现。在此情况下，9 0 年代中期，出现了以G P R S 系统、H S C S D 系统和E D G E 系统为代表的第2 5 代移动通信(2 5 G)技术，成为向第三代移动通信技术过渡的中间技术。随着I n t e r a c t 的迅速发展，人们要求无线移动通信系统具有承载包括视频、图像在内的大数据量、高速率的多媒体业务的能力，因此需要更新的无线移动通信系统来满足人们要求。这样，以大容量、高数据率和承载多媒体业务为主要目的第三代无线移动通信系统(3 G)登上了历史舞台。9 0 年代，为了适应移动数据、移动计算及移动多

24、媒体需要，I T U 以全球通用、综合业务作为基本出发点，大力组织研究作为第三代的未来公众移动通信系纠3 1，一般认为C D M A 技术和宽带业务是它的主要标志。3 G 的主要业务是在2 G 提供的话音数据的基础上，进一步提供多媒体服务，如静态图像、移动图像等多种服务。3 G 采用微蜂窝结构，宽带C D M A 技术，Q P S K 调制、自适应调制方式，T D M C D M A 多址技术，交换方式从电路交换到分组交换。目前，第三代移动通信的各种标准和规范已达成协议，并在欧美等许多国家开始商用。但仍有许多不足之处，如：3 G 缺乏全球统一标准；3 G 所采用的语音交换结构仍是电路交换，而不

25、是纯I P 方式；实际能达到的数据传输率与理想传输率差距还很大；流媒体(视频)的应用不尽人意等。所以，在3 G 还没有完全实用化的时候，已有不少国家开始展开对第四代移动通信系统(4 G)的研究。4 G 将提供高达1 0 0 M b 肛甚至更高的数据传输速率，支持从语音到多媒体的业务，实现商业无线网络、局域网、蓝牙、电视卫星通信等的无缝连接，相互兼容。与3 G 相比，4 G 移动通信系统的技术有许多超越之处，其特点主要有1 4】：1)带宽更宽。每个信道将占有1 0 0 M H z 或更多带宽，而3 G 网络的带宽则在5-2 0 M H z 之间。2)速率更高。对于大范围高速移动用户(2 5 0

26、k m h)，数据速率为2 M b s；对于中速移动用户(6 0 k m h)，数据速率为2 0 M b s；对于低速移动用户(室内或步行者)，数据速率为1 0 0 M b s。西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页3)容量更大。在4 G 里将采用新的网络技术来极大地提高系统的容量，来满足未来大信息量的需求。如S D M A(空分多址)技术，M I M O 技术等。4)智能性更高。4 G 移动通信系统采用智能技术使其能自适应地进行资源分配，能对通信过程中不断变化的业务流大小进行相应处理而满足通信要求，采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行信号的正常发送与接收，有很强的智能性、适应

27、性和灵活性。5)兼容性强。4 G 移动通信系统实现全球统一的标准，让所有移动通信运营商的用户享受共同的4 G 服务，真正实现一部手机在全球的任何地点都能进行通信。6)能实现更高质量的多媒体通信。4 G 通信能提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等，大量信息透过宽频信道传送出去，因此它也是一种实时的、宽带的以及无缝覆盖的多媒体无线通信。7)高度自组织、自适应的网络。4 G 移动通信系统是一个完全自治、自适应的网络，拥有对结构的自我管理能力，以满足用户在业务和容量方面不断变化的需求。8)先进的技术应用。4 G 移动通信系统以几项突破性技术为基础，如：O F D M多址接入方式、智能天线和

28、空时编码技术、无线链路增强技术、软件无线电技术、高效的调制解调技术、高性能的收发信机和多用户检测技术等。为了适应移动通信用户日益增长的高速多媒体数据业务需求，具体实现4 G系统较3 G 的优越之处，4 G 移动通信系统将主要采用以下关键技术【剐1 6】：1)接入方式与多址方案。O F D M 是将来4 G 系统最有可能采用的高速传输技术。O F D M 的主要优点有：可以消除或减小信号波形间的干扰，对多径衰落和多普勒频移不敏感，提高了频谱利用率，可实现低成本的单波段接收机。主要缺点是功率效率不高。2)调制与编码技术。4 G 系统将会采用多载波正交频分复用调制技术以及单载波自适应均衡技术等调制方

29、式，以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿命。并采用更高级的信道编码方案(如T u r b o 码、级联码和L D P C 码等)、自动重发请求(A R Q)技术和分集接收技术等，从而在极低的信噪比情况下保证足够的性能。3)-无线链路增强技术。可以提高容量和覆盖的无线链路增强技术有：分集西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页技术和多天线技术。4)高效的频谱使用方案。提高频谱效率的方法有：使用3 G H z 以上的频段，由于可以使用的带宽更宽，因此将具有更高的传输容量。3 G 系统的频谱效率只有2 b p s H z，而4 G 系统的频谱效率应达到5b p s H z。5)基于I P 的核心网。

30、4 G 系统应当是一个全I P 的网络。采用全I P 的优点有：可以实现不同网络间的无缝互连；是一种低成本的集成目前网络的方法。4 G 系统的核心网独立于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的l P 业务；能同已有的核心网和P S T N 兼容。6)软件无线电技术。软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。它使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口。能支持采用不同空中接口的多模式手机和基站，能够实现各种应用的可变服务质量(Q O S)。它将有助于不同标准和系统的融合。7)智能天线与

31、M I M O 技术。智能天线和M I M O 技术可以消除或抑制干扰信号，实现空间分集，因此将会在4 G 系统中得到应用。8)多用户检测技术。多用户检测是宽带C D M A 通信系统中抗干扰的关键技术。将会在4 G 系统的基站和终端中得到应用。多用户检测器具有优良的抗干扰性能，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链路频谱资源，显著提高系统容量。4 G 移动通信系统目前还只是一个基本概念，处于实验室研究开发阶段。但可以肯定的是，随着互联网高速发展，4 G 将会高速发展，成为多功能集成的宽带移动通信系统，以满足未来市场的需求。1 2 空时编码技术的研究背景、

32、意义以及研究现状1 2 1 空时编码技术的研究背景和意义在无线移动通信中，信道特性十分复杂，载有信息的电磁波在无线信道传输过程中要经过反射、折射、散射、阴影效应以及多普勒效应等作用，从而产生多种衰落现象，严重影响了移动通信系统的性能。同时，随着无线通信技术的迅速发展，移动用户的增多，以及人们对移动通信j I 匕务的追求已从单纯的语西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页音业务扩展到多媒体业务，频谱资源就显得日趋紧张。因此，追求尽可能高的频谱利用率在今后若干年内将是一个充满挑战的问题，这种挑战使得人们努力开发高效的编码、调制以及信号处理技术来提高无线频谱的效率。近1 0 年来，针对发射分集的研究就

33、是在这种需求环境下产生的，多方面研究表明，发射分集同样可以达到接收分集所表现出来的种种性能上的提高，由此所产生的M I M O 技术的理论发展日益成熟。在第三代无线移动通信系统中，空时编码是抗信道衰落和提高系统容量的一种新技术。它的理论依据是将发射信号在空域和时域都引入联合相关，将多天线技术和信道编码技术及调制技术结合起来，同时获得空间分集和时间分集，不仅可以同时取得分集增益和编码增益，大幅度提高无线通信系统的信息容量和传输速率，并能有效地抵抗多径衰落、抑制噪声和干扰。因此，空时编码技术越来越多的应用于提高数据传输率的业务和宽带无线信道中的移动计算。而近年来，空时编码技术在O F D M 中得

34、到了较好的应用。空时编码在频率选择性衰落信道上接近最大可能分集增益，分集增益的值为发射分集、接收分集和时间分集的乘积。此外，在现有空时编码技术和O F D M 技术结合使用的同时，还引入一些其它的技术(如交织编码技术，预编码技术等)来从时域和频域两个角度来对抗频率选择性衰落和时间选择性衰落，提高系统的性能。总之，在多径衰落无线信道中使用多个发射天线结合空时编码技术能提供功耗和频谱效率的最佳折中，最近已经被第三代蜂窝移动通信I M T2 0 0 0 标准如C D M A 2 0 0 0 和W-C D M A 所采纳，将成为4 G 移动通信系统的关键技术之一。1 2 2 空时编码技术的研究现状空时

35、编码的工作最初起源于上世纪9 0 年代初R a l e i g h 和C i o f f i l 7 J 以及W i t t n c b c n 的工作1 8 J，而它的模型最早是由美国的L u c e n tB e l l 实验室提出，并于1 9 9 6 年提出了在无线通信中用多天线阵(M E A)构造的分层空时结构【9 J，在此基础上他们开发出了结构简单、易于实现的B L A S T 试验系统。随后，美国A T&T实验室的V T a r o k h 在此启发下首先提出空时码1 1 0 J 的概念，信号在时间域和空间域上都引入编码。空时编码集发射分集和编码于一体，具有较好的频谱性和功率有效性

36、。文献【1 0】中用格状编码调制T C M 构造了一些分集度不高的空时码，称为空时网格码。1 9 9 8 年，S M A l a m o u t i 1 1】发现了一种十分简单的发射分集技西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页术，在此技术中采用了简单的正交空时分组编码，使用两个发射天线和一个接收天线，获得与一个天线发送，两个天线接收相同的分集增益，接收机对信号的处理只包含线性运算，实现比较简单。V T a r o k h 等人提出正交空时分组码(O S T B C，O r t h o g o n a lS p a c e-T i m eB l o c k C o d i n g)，并深入讨论，

37、在H u r w i t z R a d o n正交原理的理论基础上，提出广义实正交、复正交和广义复正交的设计方案，研究了其编码和译码算法【1 2 1。这种方案对于采用实数调制和复数调制星座的通信系统都可以构造出任意数量的发射天线和接收天线的方案。为体现空时分组码系统快速译码处理的特点，众多研究者在空时分组码的编码矩阵设计上做了大量的工作。国外主要研究有：S u、X i a 及L i a n g 提出几种满分集度高码率的空时分组码1 1 3 1 1 1 4 l【删，但不能实现全速率传输，会在发射端造成数据的积压，这是新一代移动通信系统不能容忍的问题。G a 扯s 柚和S t o i c a 从

38、信噪比的角度深入探讨空时分组码的特性，提出了一种称之为友好正交方案【1 6 1。J a f a r k h a n i 另辟蹊径，提出了一种准正交空时分组码，以牺牲码的正交性为代价达到最大传输速率为1，并且译码算法相对简单【1 7 1，但是却不能获得满分集，因此在高性噪比条件下，性能反不如正交空时分组码。N S h a r m a 提出了一种星座旋转的方法使编码矩阵的秩为4，从而在任何信噪比条件下准正交空时分组码的误码率均优于正交空时分组码【1 8】。J H o u 分析了多种准正交空时分组码的矩阵特性，进而比较了几种码字的性能1 1 9 J。P o p o v i c 提出基于可调制正交序列

39、的循环空时分组码I 捌。D a m e n 提出基于星座图旋转和H a d a m a r d 变换的对角代数空时分组码【2 1】阎。为了把窄带通信系统的空时编码研究引入宽带无线通信系统，突破频率非选择性信道的限制，D A g r a w a l 等人提出了宽带高速率无线通信中的S T C O F D M l 2 3 1。但只是正交空时分组编码与O F D M 的结合，并没有把性能更好的准正交空时分组编码与 复士厶一(一多口口。国内主要研究有：曹铭等基于准正交方阵嵌入码的概念，提出了一种新颖而简单的方阵嵌入空时分组码的设计方法【矧；武萌等提出了一种准正交空时分组码的快速译码算法，使译复杂度与最

40、大似然译码方法相比大大降低【冽；卢璩等提出了一种旋转不变空时编码方法，可以有效地克服多天线系统采用相干解调时引入的载相位模糊【2 6】；王磊等通过对非正交空时分组码信道相关矩阵采用矩阵旋转的方法，提出了一种可以获得最大传输速率、部分分集增益以及接收西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页端线性解码的正交空时分组码【2 7】；邓单等提出了一种基于随机旋转的准正交空时分组码1 2 8 1；米楠等提出一种复杂度适中的分组全分集全码率空时编码方案 2 9 1。吴晓军在O F D M 系统提出了一种半速率旋转不变性联合空频编码方法并采用无需了解信道状态信息(c s D 的直接解码算法【州。总之，随着新一代

41、无线移动通信的发展，空时编码的研究在不断深入，空时编码的应用也越更加广泛，与新技术的结合【3 1】也是越来越多。1 3 本文的主要工作及内容安排空时编码技术不仅能在有限的频带上实现高速率的信息传输，而且还能够改善无线通信系统的性能，可以说非常符合下一代宽带无线通信系统对高速率通信能力的要求。而与其他技术的结合也是我们研究重点和热点，例如O F D M技术，它以其具有有效对抗多径的特点吸引了人们的关注，不但在广播式数字音频和视频领域得到了广泛的应用，并且已经被引入无线局域网的标准。预计在下一代移动通信技术中O F D M 技术将成为主流技术，空时编码技术与O F D M技术的结合可以实现一种具有

42、高容量、高可靠性的宽带无线通信系统。我们的研究目标是研究无线空时信道的特性和空时编码的编译码方法；结合O F D M 技术和现有的空时编码方法进行改进，实现编码性能的进一步提高。全文具体内容安排如下：第一章是绪论，主要介绍了课题的相关背景，即无线移动通信的发展历史和关键技术、空时编码技术的研究背景、意义以及研究现状等。第二章首先系统地介绍了无线信道的传播特征，接着介绍了M I M O 系统，然后概述了空时编码技术。第三章主要分了两大部分，一部分是正交空时分组码的研究，另一部分是准正交空时分组码的研究。在第一部分，首先介绍了空时编码的设计准则和正交分组编码的编码原理，并进行实验仿真，说明了空时编

43、码系统优于无编码的系统，并比较了不同调制方式、不同发射天线数目、以及不同接收天线数目下正交空时分组编码的性能。在第二部分，主要介绍了两种典型的准正交空时分组编译码算法，并进行了性能仿真和结果分析。第四章首先对O F D M 进行简单介绍，接着介绍了一种新的准正交空时分组编码和译码，虽然性能提高了，但只实现了全速率传输，没达到满分集增益，西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页并且译码复杂度没有降低。为克服此困难，我们对编码矩阵进行了变换，使用了王磊的矩阵旋转方法1 2 7】和文献f 3 2 1 中对准正交空时分组编码的改进方法之一，这样就可以得到改善效果。而后，由于我们研究的空时编码都是基于窄带

44、无线通信系统，而实际的无线移动通信系统为宽带的，故进一步提出把准正交空时分组编码与O F D M 技术结合，避免了空时编码系统的设计和实现中的平坦衰落信道的限制，进一步减小I S I，使整个无线移动通信系统性能提高，并进行了性能仿真和结果分析。最后总结全文，对本论文作总体概括并展望未来的研究工作。西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页第2 章无线信道以及空时编码技术任何一个通信系统，信道都是不可少的组成部分，信道按传输媒质分为有线信道和和无线信道；按信道特性参数随外界各种因素的影响而变化的快慢，通常氛围“恒参信道一和“随参信道一。在移动通信中，传输特性随时随地而变化，因此移动信道属于随参信道。

45、基于信道的传播特征，M I M O 系统可以利用多天线来抑制信道衰落，而空时编码是一种M I M O 系统中信道编码、调制、发射分集和接收分集的联合设计方法。2 1 无线信道的传播特征2 1 1 无线信道的主要特点及信号传播方式对于无线电波而言，它从发送端传送到接收端，其间并没有一个有形的连接，它的传播路径也有可能不只一条，但是我们为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，我们想象两者之间有一个看不见的道路衔接，把这条衔接通路称为无线信道。对于移动通信系统而言，基站天线和移动台天线之间的传播路径为无线信道，从某种意义上来说，对无线传播环境的研究就是对无线信道的研究，而在本文中我们所涉及的无线信道

46、主要是指无线移动信道。无线移动信道是一个非常复杂的动态信道，其信道参数是时变的，因此我们必须首先分析和掌握信道的基本特点和实质，然后才能针对存在的问题逐个对症下药，给出相应的技术解决方案。无线移动信道具有以下特点：1)传播的开放型。一切无线信道都是基于电磁波在空间传播来实现信息传输的。2)接收点地理环境的复杂性与多样性。一般可将地理环境分为下列三类典型区域：高楼林立的城市中心繁华区，以一般性建筑物为主的近郊小城镇区，以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区。3)移动通信用户的随机移动性。包括：慢速步行时的通信和高速车载时不间断通信。西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页在无线环境下进行高效通信

47、是一件具有挑战性的事。尤其在城市进行无线通信，想象设在高楼的基站与行人高度的手机通信，信号可能要经过许多的障碍物，如大楼、街道、树和移动的汽车等。信号的传播途径大致可分为四种：1)直线传播。直线传播可按自由空间传播来考虑。所谓自由空间才传播，是指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想的传播途径。在较开阔的地区，基站和移动台可以直线传播，如郊区或农村。然而在城市环境中，直线传播很少见。2)反射。移动台的信号往往经过大的建筑物、平坦的地面和高山反射而到达基站。反射是信号传播的一种重要途径。3)折射。信号经过障碍物的边界时，经折射绕过障碍物而到达目的地。信号经折射后衰减很大。因此，在无线信道模型

48、中，一般忽略这种传播途径。4)散射。当信号遇到一个或多个较小的障碍物时，出现散射现象，即信号分成了许多个随机方向的信号。散射在城市移动通信中为最重要的一种传播方式。信号经散射后很难预测，因此理论上的建模往往建立在统计分析的基础上。在实际的蜂窝环境中，信号利用障碍物的反射、散射或直线传播经多条路径到达基站，图2 1 为一个典型的无线传播途径。图2 1 典型的无线多径传播环境根据障碍物(由不同位置决定)所起的不同作用，分成几类：1)移动台本地散射物(1 0 c a ls c a t t e ra tm o b i l e)。本地散射区域的大小与移动台所处的环境和通信所用的波长有关。wC YL e

49、e 给出了用波长表示的散射西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页区域半径范围，2 0 0 入1 0 0 入。移动台本地散射的一个最大特征是信号经本地散射后到达基站，多径信号的时延扩展相对于传送的基带信号符号持续时间非常小。另一个特征是到达基站的所有信号的相位是相同分布的随机变量，在【O，2 孤)内均匀分布。信号之间叠加或者相互增强或者相互削弱，因此当移动台移动时，信号会呈现高低起伏变化，即所谓的时间选择性衰落。2)远地反射物(r e m o t es c a t t e ro rd o m i n a t es c a t t e r)，如大的建筑物，高山等。移动台的信号或经本地散射后的信

50、号经远地反射物到达基站。与前面的多径信号相比，这种多径信号有较大的时延和角度扩展。因此，会引起信号的频率选择性衰落和空间选择性衰落。3)基站本地散射物(1 0 c a ls c a t t e ra tb a s es t a t i o n)。一般当基站的天线的高度不太高时，还能接收到基站本地散射的信号。这类信号的一个特点是相对于移动台本地散射信号有较大的角度扩展，信号强度很弱。在不同的移动通信环境，上述的几种传播途径会呈现不同的变化。如，在宏蜂窝环境(1 0 公里)一般有直线传播和远地散射或反射，没有基站本地散射；在城市蜂窝环境(几公里)，一般以移动台本地散射最为典型，没有直线达到的路径。