空時碼在衰落信道中性能優(yōu)化的研究.pdf

1、多入多出(MIMO)通信技術(shù)比單入單出(SISO)通信技術(shù)最吸引入的優(yōu)勢是能夠同時獲得復(fù)用增益和分集增益。MIMO通信系統(tǒng)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，成為3G和B3G無線通信系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)?？諘r編碼(STC)是MIMO通信系統(tǒng)中被廣泛采用的編碼調(diào)制技術(shù)。正交空時塊編碼(OSTBC)因其簡單的編解碼算法和良好的分集性能得到深入研究和廣泛應(yīng)用。因為當發(fā)射天線數(shù)目超過2的時候，OSTBC的編碼速率總小

2、于1。所以，空時碼家族中陸續(xù)出現(xiàn)了在分集增益和編碼效率之間平衡的編碼方案，如通用分層空時碼(GLSTC)、準正交空時塊編碼(QOSTBC)等。MIMO信道中陣元接收電波的波達方向具有非全向性以及非均勻性，空間上反射體和散射體的分布具有不均勻性，造成處于不同位置陣元的接收信號具有不同程度的空間相關(guān)特性。和衰落與噪聲一樣，信道之間的空間相關(guān)會導(dǎo)致MIMO信道容量和通信性能下降。在本文中主要討論了幾類STC在衰落MIMO信道中性能優(yōu)化的算法。

3、
　　 OSTBC系統(tǒng)能夠在接收端實現(xiàn)單符號的極大似然(ML)解碼，并且可以對發(fā)射符號的實數(shù)部分和虛數(shù)部分分別進行實數(shù)域的極大似然解碼，從而降低計算復(fù)雜度。然而，極大似然解碼算法的計算量會隨著調(diào)制階次的增加而呈指數(shù)級別增加。隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，MIMO系統(tǒng)中使用的發(fā)射天線數(shù)目越來越多，調(diào)制階次也越來越大，極大似然解碼算法的計算量會成為制約OSTBC使用的一個重要的因素。本文提出了一種簡化的OSTBC解碼算法。首先把通信系

4、統(tǒng)的接收方程寫成等效信道的表達形式，引用迫零(ZF)解碼的原理得到發(fā)射符號的估計矢量，再分別對得到的估計矢量的實數(shù)部分和虛數(shù)部分進行球形解碼。等效信道矩陣列間的正交性使迫零解碼能夠達到極大似然解碼的性能。球形解碼算法中球半徑和可能坐標集合的確定會增加部分額外的計算量，但隨著發(fā)射符號調(diào)制階次的增加，球形解碼算法的總計算量不會隨著調(diào)制階的增加呈指數(shù)增加。與兩種極大似然解碼算法相比，球形解碼算法節(jié)省的計算量越來越多。
　　 信道估計是

5、許多無線通信技術(shù)的基礎(chǔ)，使用訓(xùn)練序列和插值是基本的信道估計技術(shù)。通信過程中發(fā)送過多的訓(xùn)練序列降低了信道利用率，訓(xùn)練序列過少會引起信道估計誤差增大降低性能。由于使用了空時碼結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)能夠獲得分集增益而具有較低的錯誤概率，可以把解碼后的數(shù)據(jù)還原成發(fā)射時的狀態(tài)作為訓(xùn)練序列。本文提出了一種重編碼插值信道估計方案。接收端每隔一段時間將接收到的信號重新進行空時編碼并作為訓(xùn)練序列來估計最新的信道信息，其他時間段的信道參數(shù)通過插值算法獲得。重編碼插值信

6、道估計算法能夠更好地適應(yīng)時變的無線信道，與使用訓(xùn)練序列插值算法相比，在同等通信環(huán)境，誤碼率10-6時有1.5 dB的性能增益。并且重編碼插值算法能夠在保證性能的前提下僅僅使用非常少的訓(xùn)練序列，可以作為一項準盲信道估計技術(shù)。
　　 GLSTC是貝爾實驗室空時結(jié)構(gòu)(BLAST)和STC結(jié)合的一種技術(shù)。發(fā)射端把發(fā)射天線分組分別在每個組內(nèi)進行空時編碼，在接收端使用組干擾抑制和組干擾消除算法進行解碼。先前解碼組發(fā)生解碼錯誤的情況下會對后續(xù)

7、的組產(chǎn)生干擾，影響后面解碼的性能。由于誤碼的分布非常復(fù)雜，很難直接得到誤碼傳播的概率分布密度，現(xiàn)有文獻中對誤碼傳播的影響或者忽略，或者簡單認為誤碼傳播肯定會造成之后的解碼出錯。本文使用理論分析結(jié)合數(shù)值仿真的方法定量分析了GLSTc系統(tǒng)中誤碼傳播對總體性能和功率分配結(jié)果的影響，并在考慮誤碼傳播的影響為GLSTC系統(tǒng)構(gòu)造了一個更加準確的誤符號率函數(shù)模型，在這個模型的基礎(chǔ)上使用拉格朗日乘子法得出最優(yōu)功率分配的結(jié)果。仿真結(jié)果表明考慮了誤碼傳播的

8、功率分配策略在和現(xiàn)有的幾類功率分配算法相比能夠取得一定的性能改進，在低信噪比時候有大約1.0 dB的性能增益，并且無論在低信噪比還是高信噪比的時候所提功率分配算法的性能都是最佳。此外，根據(jù)接收端組干擾抑制和組干擾消除算法的原理，結(jié)合無線個人區(qū)域網(wǎng)(WPAN)的特點設(shè)計了一類多址接入技術(shù)，仿真結(jié)果顯示使用組干擾抑制和組干擾消除算法能夠滿足高速率通信的WPAN中的多址接入。
　　 QOSTBC是在STBC基礎(chǔ)上犧牲全分集增益實現(xiàn)更高

9、速率傳輸?shù)木幋a技術(shù)。本文提出一個OOSTBC和前向糾錯(FEC)碼級聯(lián)結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)化算法。在接收端，先利用QOSTBC聯(lián)合檢測方案解出發(fā)射的符號，在糾錯之后重構(gòu)發(fā)射符號并分組，實行并行干擾消除(PIC)的處理方法。經(jīng)過干擾消除之后的系統(tǒng)等效于兩個OSTBC。這時對系統(tǒng)使用一個雙正交空時塊解碼運算重新檢測出發(fā)射的符號。在整個解碼的過程中，級聯(lián)結(jié)構(gòu)干擾消除算法可以獲得和OSTBC一樣的全分集增益，能夠獲得QOSTBC的編碼效率，還可以獲得F

10、EC的編碼增益。仿真結(jié)果也表明，除了在信噪比非常低的情況下，級聯(lián)方案的性能遠遠優(yōu)于了單個OSTBC或QOSTBC結(jié)構(gòu)的性能。應(yīng)用了并行干擾消除之后的解碼算法能夠進一步提高級聯(lián)發(fā)射方案的性能。對星座旋轉(zhuǎn)QOSTBC級聯(lián)FEC碼方案而言，干擾消除算法和完全沒有干擾時雙正交空時塊編碼結(jié)構(gòu)的性能損失小于0.5dB。并且本文提出的干擾消除算法對最低的接收端天線數(shù)目沒有要求。
　　 時變性和空間相關(guān)是MIMO無線信道的兩個特點，衰落和相關(guān)都

11、影響通信系統(tǒng)的性能。MIMO通信系統(tǒng)中自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)技術(shù)能夠根據(jù)時變信道特征選擇發(fā)射方案提高通信性能。本文提出了一種實時、判決簡單且不需要大量信息反饋的AMC方案。根據(jù)MIMO通信系統(tǒng)內(nèi)不同發(fā)射方案性能在不同的信噪比區(qū)間受空間相關(guān)的影響不同，選擇受影響較小的發(fā)射方案，達到在多變的信道環(huán)境中改善誤碼性能。之前的一些自適應(yīng)通信系統(tǒng)都需要復(fù)雜的切換判決算法計算所有可能發(fā)射方案的信道容量或者誤碼性能，并且需要大量的信息反饋，本文把發(fā)射