Alamouti方案STBC性能分析.doc

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1、保密类别 编 号 毕 业 论 文Alamouti方案STBC性能分析学 院 信息工程学院专 业 电子信息工程班 级 电子信息工程3班姓 名 魏浩博指导教师 张乃谦中 国 传 媒 大 学2012年 5月 21日IIAlamouti方案STBC性能分析魏浩博摘要多输入多输出（MIMO）系统是无线通信领域中的一项新技术，它能够在不增加系统带宽的条件下，通过在发射端和接收端分别设置多个天线，大幅度提高频谱利用率和信道容量。空时编码是无线通信中一种编码和信号处理技术，它使用多个发射和接收天线进行信息的发射与接收，可以大大改善无线通信系统的信息容量和信息率。Alamouti方案是为发射天线数为2的系统提供

2、完全发射分集增益的一种空时分组码，在瑞利衰落信道下，采用2根发送天线m根接收天线的Alamouti方案与1根发送天线2m根接受天线的最大比值合并（MRC）这两种方法推导出多接收天线系统MPSK调制的比特差错率（BER），理论上推导出接受分集的分集增益，系统仿真结果与理论值相比较，得到系统性能评估的准确结果。关键词：MIMO，STBC，Alamouti，瑞利信道Alamouti STBC performance analysisWeiHaoboABSTRACTMultiple input multiple output system is a new technology in the fiel

3、d of wireless communication.In the conditions of not increasing the system bandwidth , through providing with a plurality of antenna respectively in the transmitting end and the receiving end, it can improve the spectrum utilization rate and channel capacity greatly. Space time coding is a coding an

4、d signal processing technology in wireless communications, it used multiple transmit and receive antennas for transmitting and receiving information, can improve the information capacity and information rate greatly in the wireless communication system. The Alamouti program is a space-time block cod

5、e to provide complete transmit diversity gain for transmitting antenna number 2 system , in Rayleigh fading channel, using 2 transmit antenna m root receive antennas Alamouti program and the1transmit antenna 2m root receiving antenna maximum ratio combining of the two methods deduced from the receiv

6、ing antenna system MPSK modulation bit error rate, theoretically accept diversity diversity gain, the simulation results are compared with theoretical values, get the accurate results of system performance evaluation.Keywords: MIMO，STBC，Alamouti，Rayleigh channel目 录摘要IABSTRACTII目 录1一、绪 论1（一）对课题的认识与理解

7、1（二）论文的结构安排2二、MIMO系统3（一）MIMO系统原理3（二）MIMO系统容量61.衰落信道模型62.MIMO系统容量推导82.具有随机信道系数的MIMO系统容量12三、空时编码16（一）空时编码161.空时编码的系统结构172.分集技术17（二）空时分组码191. 空时分组码简介202. 空时分组码系统框图212. 空时分组码性能22四、Alamouti方案24（一） Alamouti方案的编码原理24（二）合并和最大似然译码25（三）有多根接收天线的Alamouti方案26（四）Alamouti方案的性能27五、仿真与结果29六、结论31参考文献32附录33后记34中国传媒大学本

8、科毕业论文一、绪 论随着无线通信特别是移动通信业务的迅速发展，人们对服务的质量和种类提出了更高的要求，高的服务质量和更多的业务种类都需要占用大量的无线带宽。可供利用的无线频谱是一种宝贵的资源，如何有效地利用相对贫乏的频谱资源提供更高质量、更高速率的通信服务成为业界关注的焦点。新一代无线通信技术：MIMO技术、智能天线技术、OFDM技术、调制与编码技术、全IP网络技术以及软件无线电技术等，以其高质量、高速率的移动多媒体传输目标让人耳目一新。在众多的新兴技术中，多输入多输出（MIMO，Multiple-Input Multiple-Output）因其采用多天线，增加发射端和接收端的天线数量，充分开

9、发了空间资源，在无需增加频谱资源和发送功率的情况下，成倍地提升通信系统的容量与可靠性，提高频谱利用率而得到了广泛的关注。MIMO系统中，空时编码（Space-Time Coding）技术是一种达到或接近MIMO系统容量的极具潜力、可行性极高的新技术，空时编码的模型最早是由美国的Lucent Bell实验室提出，并于1996年提出了在无线通信中用多元天线构造的分层空时结构，在此基础上他们开发出了BLAST试验系统。随后，美国AT&T实验室的Vahid Tarokh在此启发下，首先提出空时码(STC)概念，信号在时间域和空间域上都引入编码就称之为空时码。空时编码在编码结构上有多种方法，包括空时分组

10、码（STBC）、空时网格码（STTC）、分层空时码（LSTC）、分组空时码（GTSC）等等。所有这些编码方案的核心思想是使用多径能力来获得较高的频谱利用率和性能增益的目的。其中STBC因其译码复杂度低，而且能得到最大的发射分集增益，引起了通信界的广泛关注。Alamouti方案是STBC中最简单的一种编码方式。该方案的关键特征是：通过一种简单的最大似然译码算法实现了充分的分集增益。同时它也是MIMO历史上第一种为发射天线数为2系统提供完全发射分集的STBC。（一）对课题的认识与理解与有线通信不同，无线通信信道环境特性通常比较恶劣和复杂。载有信息的电磁波在无线信道传输过程中经过反射散射、阴影效应、

11、多普勒效应、多径效应等复杂效应的作用会产生多径衰落现象。大量的理论分析和实测表明，衰落效应严重影响无线移动通信的性能。物理上的限制对于可靠的无线通信提出了一个技术上的挑战，各种能够改善频谱效率和克服各种信道损害（比如衰落与干扰）的方法，对于无线通信的发展提供了巨大的贡献，而且高速无线通信系统需要比现有系统具有更高容量与更高链接可靠性的技术，MIMO系统被认为有能力完成这些目标，MIMO系统是传统的智能天线（Smart Antennas）系统的一个扩展，传统的智能天线系统在接收端使用多天线，而在一般的MIMO系统中同时在接收端和发射端使用多天线，以及同时与先进的信号处理算法(接收端与发射端)结合

12、，会带来与传统智能天线系统相比巨大的优势容量与分集，MIMO系统一个特性是它能充分利用多径延时，在富多径环境（Rich Multipath Enviremonts）中MIMO系统能够提供与发射天线与接收天线数成线性关系的容量增益。空时编码方案结合了信道编码和多发送天线，通过空时码后的数据被串并转换成n个数据流，每一路数据流经脉冲形成、调制，然后通过n个天线同时发送到无线空间。在接收端，可以用单一天线，也可以用多个天线进行接收。每一个接收天线接收到的是n个发送信号与干扰噪声线性的叠加(衰落系数为权重)，然后通过最大似然检测的方法，正确地识别出发送信号。空时码集发射分集和编码于一体，具有较好的频谱

13、有效性和功率有效性。空时分组码是多输入多输出（MIMO）技术中的一项简单而巧妙的发射分集技术。最早提出的能够为发射天线数为2的系统提供完全发射增益的空时分组码是Alamouti提出的编码方案。然后把这种方案引申到具有更多收发天线的系统中，得到空时分组码。Alamouti编码是一种目前最简单的双路分集传输结构。在Alamouti的方案中，它提出了一个2个发射天线，M个接收天线的编解码方案，这个方案能提供2M的分集增益。同时这个方案发射端不要求信道状态信息，在接收端则假设有完美的信道状态信息。相对于STTC中复杂的解码方法，Alamouti提出的方案能够利用发送信号的正交特性，用线性处理的方法就能

14、解码，大大降低了解码的复杂度。（二）论文的结构安排首先，介绍了MIMO系统的系统模型，推导出了MIMO系统的系统容量，分析了系统参数和天线相关性对MIMO信道容量的影响。其次，对空时编码的性能进行了简单的概述，并详细的研究了空时分组码的相关特性。第三，研究了以Alamouti为代表的空时分组编码算法,了解Alamouti的系统模型与其编译码原理。最后，对其在瑞利衰落信道中的性能进行了仿真分析，得到其采用2根发送天线m根接收天线的Alamouti方案与1根发送天线2m根接受天线的最大比值合并（MRC）这两种方法的MPSK调制的比特差错率（BER）。二、MIMO系统在实际的移动通信环境中，存在多个

15、散射体、反射体，在无线通信链路的发射与接收端存在不止一条传播路径，多径传播对通信的有效性与可靠性造成了严重的影响。多输入-多输出（MIMO）技术却可以利用多径引起的接收信号的某些空间特性实现接收方的信源分离。在通信链路的收发两端均使用多个天线，发端将信源输出的串行码流转换成多路并行子码流，分别通过不同的发射天线同频、同时发送，接收方则利用多径引起的多个接收天线上信号的不相关性从混合信号中分离估计出原来发送的各路子码流。这样实际相当于近距离的频带资源重复利用，因而可以在原有的频带内实现高速率的信息传输。（一）MIMO系统原理MIMO系统可以简单定义为：在其发射端和接收端采用了多天线配置的无线通信

16、系统。MIMO系统中，在发送端，串行数据符号流经过一些必要的空时处理后形成多个子信息流，再由天线发射，在接收端通过检测技术进行数据符号的恢复。如图1-1所示。MIMO 系统在多径环境下能利用多天线来抑制信道衰落，简言之，MIMO 技术的优点主要是通过多天线的配置来充分利用信号的空间资源，在不增加带宽的情况下获得高速率高质量高容量。图1-1：MIMO系统模型对传统的单天线系统而言，MIMO还可以包括SIMO系统和MISO系统。对于MIMO系统，若其N副发射天线与M副接收天线的无线链路信道矩阵的元素是完全独立的，则系统的容量随最小天线数目线性增长。理论上，对于理想的随机信道，如果天线的空间和成本与

17、射频通道不受限制，MIMO系统就能提供无限大的容量。与MISO和SIMO系统相比，MIMO系统的容量成倍增长，它是空间维度充分结合时间维度的结果，即采用空时编码的数据流利用矩阵信道。MIMO技术通常可以分为三类：第一类通过最大化空间增益实现功率效率的改善，包括延迟分集与空时编码技术等。第二类利用分层结构来增加系统的容量，其中最著名的例子就是V-BLAST算法，但是通常空间满分集度不能实现。第三类则是在发射机利用信道的知识时，通过奇异值分解(SVD)技术分解信道系数矩阵，并利用所得到的酉矩阵在发射与接收机处作为滤波器来实现接近容量。MIMO技术利用了无线信道多径传播的固有特性：在无线通信中，如果

18、在发送端与接收端同时采用多天线系统，只要各天线单元间距足够大，无线信道散射传播的多径分量足够丰富，各对发收天线单元间的多径衰落就趋于独立，即各对等效的发收天线间的无线传输信道趋于独立，这些同频率、同时间、同信道特征码的子信道趋于相互正交。发射数据流S被分离为N路子数据流，在调制与射频前端处理后以相同的频率分别经N副天线同时发射出去。经无线信道的散射传播，这些并行子流从不同路径到达接收机，由M副天线接收，接收机采用先进的信号处理技术对各接收信号联合处理，可恢复出原始数据流。假设理想状态下，从每个发射天线发出的信号在每个接收天线处是不相关的，因此，从每个发射天线发出的信号在接收天线处都有它自己的空

19、间特性。MIMO与传统的分集技术不同，分集在发射天线处的信号是完全相同的。接收天线处一般是做一下平均，复杂的接收分集方案可能要计算一下哪根天线上的增益大。但MIMO系统在发端每根天线的信号都是不同的，信道也要求尽量不相关。如果相关就会产生信道矩阵的秩不能达到最大，这样就降低了信道容量，因此MIMO在某种程度上利用了多径。假定一个点对点MIMO系统有nT个发射天线、nR个接收天线。系统框图如图1-1所示。用nT1列矩阵x表示每个符号周期内发射信号，其中第i个元素xi表示第i跟天线发射的信号。图中hmn表示第n根发射天线到第m根接收天线之间的信道增益，根据图中的表示，nT1列矩阵x表示每个符号周期

20、内的发射信号：x= （1-1）其中，第nT个元素便是第nT根天线上发射的信号。对于高斯信道，按照信息论，发射信号的最佳分布也是高斯分布，因此x的元素是零均值独立同分布的高斯变量。发射信号的协方差矩阵为： （1-2）式中，E*代表均值；xH便是x的赫米特（Hermitian）转置矩阵，即x的复共轭装置矩阵。为了在同一条件下论述系统，不管发射天线数是nT多少,总的发射功率限制为P，可以表示成： （1-3）式中，tr（A）代表矩阵A的迹，可以通过对矩阵A的对角元素求和得到。如果信道在发射端未知，则假定从各个天线发射的信号都有相等的功率：P/nT。发射信号的协方差矩阵为： （1-4）式中，InT是nT

21、nT单位矩阵。同时为了分析方便，我们假设发射信号的带宽足够窄，小于相关带宽，即信道的频率响应是平坦的（忽略频率选择性衰落）。换句话说，就是假定信道是无记忆的。MIMO信道用nRnT的复矩阵H来表示：H=hij表示矩阵H的第ij个元素，代表从第j根发射天线到底i根接收天线之间的信道衰落系数。为了规范，假定nR根接收天线中每一根天线的接收功率等于总的发射功率。这种假定，实际上忽略了信号传播过程中的信号衰减和放大，包括阴影、天线增益等。于是得到了有确定系数的信道矩阵H的元素的规范限定，如下式所示： （1-5）信道矩阵H的元素可能是确定的，也可能是随机的。我们重点对与无线通信相关的示例进行分析，包括信

22、道矩阵元素的瑞利(Ray leigh)分布和赖斯(Rician)分布。在多数情况下，假定它是瑞利分布，因为对于非视距(NLOS)无线传播来说，它最具有代表性。可以用nR1的列矩阵描述接收端的噪声，表示为n。它的元素是统计独立的复零均值高斯变量，它具有独立的、方差相等的实部和虚部。接收噪声的协方差矩阵为 （1-6） 如果n的元素之间没有相关性，则接收噪声的协方差矩阵为 （1-7）nR个接受分支中每一个都有相同的噪声功率2。接收端基于最大似然准则，在nR根接收天线上进行联合操作。用nR1的列矩阵描述接收信号，表示为r，其中每个复元素代表一根接收天线。Pr表示每根接收天线输出端的平均功率。每根接收天

23、线处的平均信噪比(SNR)定义为 （1-8）假定每根天线的总接收功率都等于总发射功率，则SNR等于总的发射功率和每根接收天线的噪声功率的比值了，而且它独立于nT，可写为 （1-9）使用线性模型，可将接收矢量表示为 （1-10）接收信号的协方差矩阵定义为ErrH，利用式(1-9)，可以得出 （1-11） 而总接收功率可表示为tr(Rrr)。（二）MIMO系统容量1.衰落信道模型(1).多径传播在蜂窝移动无线环境中，周围的物体（如房屋、建筑或树木）对无线电波会起到反射的作用。这些障碍会产生幅度衰减和相位延迟的反射波。如果发射一个调制信号，那么该发射信号的多个反射波就会从不同方向经过不同传播延迟到达

24、接收天线。这些发射信号经空中各处的接收机天线接收后，根据其随机相位的不同，对接收信号会起到加强或者减弱的作用，这些多径分量的和就形成了一个空间变化的电磁波场。因此，移动单元在这个多径场中移动时就可能接收到幅度和相位剧烈变化的信号。由于周围物体在无线信道中移动，因此当移动单元静止不动是接收信号的幅度也可能发生变化。这种由于信道的时变多径特性引起的接收信号幅度上的波动称为信号衰落。(2).多普勒频移由于发信机和收信机之间的相对运动，每个多径波的频率都会发生一定的偏移。这种由相对运动引起的接收信号的频率偏移叫多普勒频移。频率偏移量与移动单元的运动速度成正比。假定只发射一个频率为fc的单音信号，接收信

25、号也只由一个和运动方向成夹角的波组成，则接收信号的多普勒频移（用fd表示）可以由得出，式中，v是车辆运动的速度；c是光的传播速度。多径传播时延环境中的多普勒频移展宽了多径信号的带宽，变化范围是，其中是最大多普勒频移，由式给出。最大多普勒频移也成为最大衰落速率。因此，单频发射信号由于多普勒频移对引起接收信号的频谱宽度非零。这种现象称为信道的频率色散。(3).瑞利衰落在典型的陆地移动无线信道中，假设直射波被阻断，并且移动单元只能接收到反射波。根据中心极限定理，当反射波的数量比较大时，接收信号的两个正交分量是均值为零、方差为的互不相关的高斯随机过程，因此，任意时刻的接收信号包络服从瑞利概率分布，相位

26、服从的均匀分布。瑞利分布的概率密度函数为 （1-12）瑞利分布随机变量的均值（用表示）和方差（用表示）可以表示为 （1-13）对式（1-12）中的概率密度函数进行归一化，及使平均信号功率为单位值，则归一化瑞利分布为 （1-14）则均值和方差为（1-15）归一化瑞利分布的概率密度函数，如图1-21所示。图1-21：瑞利分布的概率密度函数在最大多普勒频移为的衰落信道中，接收信号会经历频率扩展，并且带宽会限定在范围内。假设存在接收水平到达波的全向天线和大量发射波，并且接收功率在入射角均匀分布，则衰落幅度的功率谱密度（用表示）可以表示为 （1-16）式中，f是频率；是最大衰落速率。的值是最大衰落速率对

27、符号速率的归一化值，它是信道记忆的一种测度。对有限记忆的相干信道而言，该参数的变化范围是。衰落过程的自相关函数可以表示为 （1-17）式中，代表第一种零阶贝塞尔函数。2.MIMO系统容量推导系统容量定义为在保证误码率任意小的条件下的最大发射速率。首先，假设信道矩阵在发射端为未知，在接收端为已知。由奇异值分解(SVD)理论，任何一个矩阵H可以写成 （1-18）式中，D是非负对角矩阵；U和V分别是和的酉矩阵。则有UUH=InR和VVH=InT，其中InR和InT分别是和单位阵。D的对角元素是矩阵HHH的特征值的非负平方根。HHH的特征值(用表示)定义为 ， （1-19）式中，y是与相对应的维矢量，

28、成为特征矢量。特征值的非负平方根也成为H的奇异值，而且U的列矢量是HHH的特征矢量，V的列矢量是HHH的特征矢量。把式（1-18）代入式（1-10），可以得到接收矢量r （1-20）引入下列变换： （1-21）U和V可逆的。显然，式（1-21）中定义的矩阵r、x和n与相应矩阵的乘积仅有一个缩放比例的效果。矢量是一个零均值高斯随机变量，其实部和虚部独立同分布。这样，前面讨论的信道与下式所描述的信道是等价的。 （1-22）矩阵HHH的非零特征值的数量等于矩阵H的秩，用r表示。对矩阵H，秩的最大值为，也就是说，至多有m个奇异值是非零的。用表示H的奇异值。将代入式（1-21），得到接收信号元素为： （

29、1-23）式（1-23）显示，接收元素并不依赖于发射信号，即信道增益是零。另一方面接收元素仅仅取决于发射元素。因此，可以认为，通过式（1-22）得到的等效MIMO信道是由r个去耦平行子信道组成的。为每个子信道分配的矩阵H的奇异值，相当于信道幅度增益。因此，信道功率增益等于矩阵HHH的特征值。例如，如果，由于H的秩不可能比高，那么式（1-23）显示了在等效 MIMO信道中，最多有个非零增益子信道，如图1-2所示.图1-2：时的等效MIMO信道框图另一方面，如果，在等效的MIMO信道中，最多有个非零增益子信道，如图1-3所示、特征值谱是对MIMO信道的一种描述方式，适用于对最佳发射路径进行评估。图

30、1-3：时的等效MIMO信道框图由式（1-21），可以导出信号、和的协方差矩阵和它们的迹 （1-24） （1-25）以上关系显示，、和的协方差矩阵有相等的对角元素和，从而有相等的功率；而对于原始信号、和，它们是各不相等的。考虑到式（1-23）所描述的等价MIMO信道模型中，子信道是去耦的，因此其容量可以直接相加。假设在等效MIMO信道中，每根天线的发射功率为P/nT，运用香农容量公式，可以估算出总的信道容量（用C表示）为 （1-26）式中，W是每个子信道的带宽；Pri是在第i个子信道中接收的信号功率，有下式给出 （1-27）式中，是信道矩阵H的奇异值，因此信道容量可以写成 （1-28）假定m=

31、min(nR，nT)，式（1-25）定义了特征值-特征矢量的关系，可重新写为 （1-29）式中，Q是威沙特（Wishart）矩阵，定义为 （1-30）即当且仅当是奇异矩阵时，是Q的一个特征值。因此的行列式必定为零，即 （1-31）通过查找式（1-31）的根，即可计算出信道矩阵的奇异值。式（1-31）左边的特征多项式p()为 （1-32）其幂次为m，因为的拉普拉斯最小项乘积式中，的每一行对应的一次乘积项。由于复系数m次多项式刚好有m个零点，因此特征多项式可以写成 （1-33）式中，是特征多项式p()的根，等于信道矩阵的奇异值。式（1-31）可以写作 =0 （1-34）进而令式（1-31）和式（1

32、-34）的左边相等 （1-35）用替换式（1-35）中的，得到 （1-36）由式（1-28）得到的容量公式，可以写成 （1-37）由于HHH和HHH的非零特征值相等，信道矩阵H和HH的信道容量也相等。如果信道系数是随机变量，则式（1-28）和式（1-37）表示的是瞬时容量交互信息量。可以通过对所有信道系数的实现取平均得到平均信道容量。2.具有随机信道系数的MIMO系统容量首先，假定接收端能够正确估计信道系数，而发射端不了解信道条件。其次假定信道矩阵的元素是零均值复高斯随机变量，它的实部和虚部是独立同分布零均值高斯复随机变量，每个方差为1/2。信道矩阵的每个元素的幅度服从瑞利分布，相位服从均匀分

33、布，幅度二次方的期望等于1，即。瑞利分布随机变量（其中和是零均值统计独立正交高斯随机变量，且每个具有方差）的概率密度为 （1-38）在此分析中，归一化为1/2.天线间隔足够大，从而确保信道矩阵的元素互不相关。根据信道参数的变化频率，可分为三种情况：（1）矩阵H是随机的。它的元素在每个符号间隔T的开始处随机变化，并且在一个符号间隔内保持不变，这个信道模型可以称为快衰落信道。（2）矩阵H是随机的。它的元素是随机的，但在固定数量的符号间隔中保持恒定，而且保持时间比总的发射时间短的多。称这个信道模型为块衰落。（3）矩阵H是随机的，但它在发射开始时是选定的，并在发射期间一直保持恒定。信道模型可称为慢衰落

34、或准静态衰落模型。本文将主要研究MIMO慢瑞利衰落信道容量。对于一个MIMO信道，其H矩阵服从瑞利分布，在传输开始时是随机选择的，并在一个传输数据块期间保持恒定。此类系统的一个示例是高数据率慢衰落无线LAN，衰落可能在100多万个符号周期上保持恒定。该系统中，式（1-37）估计的容量是一个随机变量。它甚至可能是0，这是由于存在非零的概率，即不管选择什么样的码型，H的一个特定实现是不可能支持任意低的误码率的。这种情况下，可以估计容量的互补累积分布函数（ccdf）。互补累计分布函数定义了达到特定容量等级的概率，用Pc来表示。用Pout表示容量中断概率，它表示没有达到一定容量等级的概率，等于容量累积

35、分布函数（cdf）或1-Pc。图1-41和图1-51显示了慢瑞利衰落信道中通过式（1-26）仿真得到的容量ccdf曲线。横坐标为容量n/（bit/s.Hz），纵坐标为大于横坐标的概率容量n横坐标的概率。图1-41：MIMO慢瑞利信道衰落信道，SNR=45dB，以天线数为变量，每根天线的容量ccdf曲线图1-51：MIMO慢瑞利衰落信道，nT=nR=8，以SNR为变量，每根天线的容量ccdf曲线图1-4是在假定SNR恒定的情况下，对应不同的天线数画出的。它说明天线数增加时，容量达到一个特定等级的概率迅速增加。图1-5显示了天线数恒定，SNR不同时的ccdf曲线。也就是说，当天线数增加时，每根天线

36、的容量大致保持恒定，换句话说，在有很多天线的MIMO信道中，总容量与天线数呈线性增长关系。根据图1-6所示：慢瑞利衰落信道在99%的时间能达到信道容量，即只有1%的时间达不到。例如，对于一个SNR为20dB，两端各有8根天线的系统，容量可以达到37bit/s/Hz。这与第二代蜂窝移动系统中所达到的频谱利用率（在12bit/s/Hz之间）形成鲜明对比。图1-6:对于MIMO慢瑞利衰落信道，当中断概率为1%时，以SNR为变量，不同数量的发射/接收天线可达到的信道容量横坐标为信噪比，纵坐标为容量n如图所示：1、天线数固定时，MIMO系统容量随着信噪比的增加而增加。2、天线数量增加时，MIMO系统容量

37、也在随着增长。三、空时编码（一）空时编码随着用户的高速增长，以及对更高速率数据业务的巨大需求，第三代移动通信技术的发展得到了极大地推动。第三代移动通信系统以世界范围内的个人通信和多媒体通信为目标，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许多优点，如频谱利用率高、服务质量好、成本低、保密性较强等。在移动通信系统的迅猛发展过程中，许多新的技术不断被研究和应用，其中主要有：新的编解码技术、Rake分集接收技术、功率控制技术、自适应调制技术、多用户检测技术和多天线技术等。其中空时编码(space-time cod

38、ing)技术由于具有抑制干扰、抗衰落和提高系统容量等优点，正受到越来越多的关注。1996年，美国Lucent公司BELL实验室Foschini等人提出了空时编码技术的框架，并于1998年研制出了空时编码的实验室系统V-BLAST。1998年美国AT&T公司中央研究院V.Tarokh，A.F.Naguib等人提出了用于高速数据无线通信的空时格型编码(STTC)。随后，美国Cadence公司的研究人员给出了一种基于正交设计的空时编码，由于它的处理简单，很快受到重视，这种空时编码本质上是分组编码，简称为空时分组编码(STBC)。在多于两根天线的情况下，想要设计全分集、全速率的基于正交的空时分组码是不

39、可能的。2001年，Hamid Jafarkhani论述了一阵基于准正交设计（Quasi-orthogonal design）的空时分组码。这种码是以牺牲全分集来获取更高的传输速率。分层空时码、空时格型码和空时分组码都假设接收端可准确地估计信道状态信息，这在信道参数变化比较快或者收发天线数比较多的情况下比较困难甚至是不可能。基于这种考虑，Bell实验室提出了接收端不需信道估计的酉空时码(Unitary Space-Time Codes)，它要求发送码矩阵为酉矩阵，但如何简单有效地构造性能较好的酉空时码是个难点。差分空时码的概念最早由Tarokh提出。Hughes和Hochwald从两个不同角度

40、研究了差分空时码，却得出了几乎一样的结论：如果采用差分编码，在不进行信道估计的情况下，BLAST、STBC 或STTC 系统结构也可获得较好的性能，唯一的差别是比进行信道估计的情况下有3dB的性能损失，同样，在进行信道估计的情况下使用酉空时码或差分空时码也能获得较好的性能。这一结论与单天线条件下采用差分调制的情况十分相似。1.空时编码的系统结构考虑一个无线通信系统，其中基站有r个发射天线，用户端有加个接收天线，如图3-1所示。图3-1：空时编码的系统模型其中为从发射天线i到接收天线j的路径增益，假设信道为准静态平坦衰落信道，在一帧内保持恒定，各帧之间独立变化。数据发送过程为：信号首先通过信道编

41、码器进行编码，编码器的输出通过一个串/并转换器被分成n个长度相同的数据流，每一个数据流作为一个脉冲形成器的输入，然后经过调制，由发射天线同时发射。在每个时隙t，信号在不同的发射天线同时被发射，并且所有这些信号具有相同的持续时间T。将发射阵列同时发射的己调信号称为空时码元或空时码元矢量。为了保证信号星座点平均能量的归一化，用对信号星座进行加权。在接收端，接收机对接收到的信号做与发射机相反的处理，每一路接收天线都通过一个匹配滤波器对其接收到的信号同时进行检测，所有m路匹配滤波器的输出形成一个检测统计向量，其每一个元素均为噪声与经MIMO信道衰落后的n个发射信号的线性叠加。在时刻t，接收天线j上的接

42、收信号为： （3-1）式中表示从发射天线i到接收天线j所经历的衰落系数，为独立的复高斯随机变量，其均值为0，每维方差为0.5；噪声为零均值，每维方差为N02的复高斯随机变量的独立采样。2.分集技术空时编码技术实质上就是传输分集的扩展，它的基本特点就是将信道编码技术与传输分集技术进行了结合。通过多个发射天线之间进行联合编码的调整和优化，从而最大化无线连接的可靠性。正是由于采用了分集技术，系统的抗衰落性能才得到了提高，而信道编码技术为无线传输提供了高质量的数据传输。在窄带无线通信系统中，多径衰落是一个重要的问题。多径衰落导致信号幅度发生变化，从而降低BER 性能。快衰落的深度可以达到30-400,

43、但是利用增大发射功率来克服这种衰落是不现实的，而且对其它发射机造成严重的干扰。分集的基本原理就是通过多个信道接收到承载相同信息的多个副本，由于这多个信道的传输特性不同，信号多个副本的衰落也是不相同的，接收机使用这多个副本包含的信息能比较准确地恢复出原发送的信号。如果不采用分集技术，在噪声受限条件下，发射机必须发送较高的功率，才能保证信道情况较差时的链路正常连接。在移动系统中，由于移动终端的电池容量非常有限，所以反向链路中所能获得的功率也非常有限，而采用分集的方法可以降低发射功率，提高通信系统的质量。分集技术根据获得独立路径信号方法的不同可分为时间分集、频率分集和空间分集等。在采用分集技术时，为

44、了获得好的分集效果，要求分集接收到的各个信号副本之间的相关性应尽可能的小。分集是一种简单的提高无线通信可靠性的方法。通常分集是通过提供在时间、空间、频率上的信号的不同副本来实现的。而按照分集是在发射端还是接收端运用来分，分集方案也可以分为接收分集或者发射分集。（1）.时间分集在这种方案中，传输波形的副本是通过时间域来提供的（通过组合使用信道编码和交织）。这种形式的分集能产生作用的关键是信道能提供时间上的足够的变化。进一步说，就是信道的相干时间必须比期望的交织符号持续时间短。（2）.频率分集在这种方案中，传输波形的副本是通过频域来提供的。这种形式的分集能产生作用的关键是信道的相干带宽和信号的带宽

45、相比要足够小。同时这种准则假设这个相关的谱的不同部分会经历独立的衰落。（3）.空间分集所谓的空间分集就是天线分集。这是非常实用的，有效地，并且被广泛使用的来降低多径衰落的方法。在这种方案中，传输波形的副本是通过接收机的不同天线来获得的。这种形式的分集能产生作用的关键是，天线之间的距离必须大于相干距离，以保证不同的天线上能获得独立的衰落。有很多种传统的空间分集方案，比如：选择分集(selection diversity),反馈分集（feedback diversity）,最大比例接收分集(MMRD:maximal ratio receiver diversity)，和相等增益分集(equal g

46、ain diversity)。在后面的部分，将看到，空时编码利用了空间分集（空时分集）。值得强调的是，所有分集方案的有效性依赖于由于信道的随机性而产生的独立衰落的各部分传输信号（即各个信号的副本经历独立的衰落信道），所以两个或多个信号副本经历相同的衰落的概率是非常小的。分集方案中对相干时间（coherence time），相干带宽(coherence bandwidth)，相干距离(coherence distance)的限制正是保证了各个方案中关于独立信道的条件得到满足。然后各个分集方案对接收到的信号（分集信号）进行组合使得最后的信号质量最佳。（4）.发射分集传统的智能天线(smart an

47、tenna)系统使用接收分集方案（就象最大比例组合(Maximum Ratio Combing)）来提高接收信号质量。这种方案的主要问题是移动端要有更高的成本，更大的体积和更高的功率要求。接收分集已被广泛的研究。但是，最近另一种被称为发射分集的方案正获得广泛的研究兴趣（比如空时码）。（5）.接收分集这种想法的关键是在发射端加入可控的冗余，而接收端能够通过适当的信号处理技术来利用这些冗余。注意到传统的信道编码可以被认为是发射分集的一种方式，但是随着空时分组码(STBC,空时码的一种类型)的到来，这种概念被扩展为包含空间分集的方案。MIMO系统中的空时码一般同时利用系统的传输分集和接收分集，所以比

48、传统的无线传输系统(一般只利用接收分集)有更多的分集优势。在现代移动通信系统中使用发射分集的另一个好处是可以减少移动端器件的复杂度（把这种复杂度转到基站上）。因为手持的移动端设备要求低的价格和复杂度。虽然规模生产会使得移动设备价格下降，但是在新一代移动通信中，通过使用空时码(增加基站的复杂度)是唯一的另一个可能方法。（二）空时分组码空时分组码是空间发射分集的一项新技术，它的最大特点是将编码技术和多元天线阵列(Multi-Element Array)技术有机的结合在一起，实现了空分多址，从而提高了系统的抗衰落性能。空时分组码可以使频谱利用率得到显著的提高，由于其在宽带系统中可以实现非常高的数据传

49、输率，因此，空时分组码被越来越多地应用于提供高数据传输率的业务和宽带无线信道中的移动计算。1. 空时分组码简介当发射天线数目固定时，空时格码的译码复杂度（由格码状态数量所决定）将随着分集度和传输速率呈指数级别的增加。空时分组码就是为了解决译码复杂度的问题而被提出的。空时分组码对输入符号块进行操作，产生一个输出矩阵，其中列表示时间，而行表示天线。与加性白高斯噪声（AWGN）信道中的单天线分组码不同，空时分组码一般不能提供编码增益（Coding Gain），除非与外编码（Outer Code）相级联或者采用多符号联合检测方法等。它的主要特点是能以非常简单的解码机制提供全分集（Full Divers

50、ity）或者部分分集。空时分组码在接收端使用线性信号处理来实现最大似然译码算法（ML，Maximum-Likelihood），该译码算法以及码字构造方法计算复杂度比较低，同时能提供发射天线和接收天线所能给出的最大的分集度，因而被得到广泛应用，如WCDMA 和CDMA2000，均引入了基于Alamouti的STBC 分集方案。空时分组码的研究最早是由Alamouti提出的。在Alamouti 的方案中，他提出了一个2个发射天线，M个接收天线的编解码方案，这个方案能提供2M的分集增益。同时这个方案发射端不要求信道状态信息(CSI)，在接收端则假设有完美的信道状态信息。相对于STTC中复杂的解码方法

51、，Alamouti 提出的方案能够利用发送信号的正交特性，用线性处理的方法就能解码，大大降低了解码的复杂度。Alamouti方案的扩展由Tarokh 等人在4中得到研究。在4中提出了一个通用的构造N2（N 为发射天线）情况下的空时分组码的技术。同时，这种方案能够提供MIMO 系统所能实现的最大的分集增益。并且这种方法保留了和Alamouti 方案一样简单的调制、解码算法。它证明了，对于实数星座图（PAM星座图）,空时分组码能构造出码率为1 的传输方案。对于复信号星座图（如PSK，QAM），能够设计出任意发射天线下的空时分组码，这些码可以提供满空间分集，达到空时码理论最大可能传输速率的一半。在发

52、射天线数为3 或4 时甚至能达到最大可能传输速率的四分之三。但是，对于一般的复数星座图（比如M-QAM，M-PSK），不能确定传输码率为1、并且能提供最大分集增益的线性处理方案是否存在。而且它也证明了，发射天线为N,传输符号数为N,传输这些符号的时间也为N 的空时分组码方案是不存在的。但是，如果传输码率小于1，这样的码可以找到。注意到上述的方案在接收端需要信道状态信息(CSI)，信道状态信息可以通过传输训练序列或者导频信息来得到。对于单传输天线的情况，存在差分检测技术（比如DPSK），这种方案在接收端和发射端都不需要信道状态信息。这些差分检测技术在很多系统中得到使用(比如：IS-54 蜂窝标准

53、（pi/4-DPSK）)。这种想法被利用到寻找多发射天线系统中的差分检测方案。一个部分的解决方案由Tarokh在5中提出，这个方案针对22 的系统，并且假设接收端不知道信道状态信息。Tarokh、Alamouti 、Poon 等人在5中提出了针对22 编码(Alamouti)的差分方案，这种方案假设接收端不知道信道信息。在这种方案中，检测到的t-1时刻的一对符号被用来估计接收端的信道状态信息，然后这个估计的信道状态信息被用来判决t 时刻的一对符号。所以这种方案要求在每一块数据传输的头部都先传输一对已知的符号，所以不是完全差分的。同时这种方案假设在一块数据内，信道状态信息不会发生改变。由于是采用

54、递推的方法进行解码，所以这种方案会带来错误的扩散。在7中，提出了一种真正的差分检测方案。这种方案有许多DPSK的优点。它能够在接收端有或者没有信道状态信息的情况下，进行解调。同时，在两种情况下都能实现完全的分集增益。然而，这种方案也有一些限制：首先，编码方案扩展了非2 进制信号的星座图；然后，这种方案只适用于N=2 的复数星座图STBC,或者N=8的实数星座图。在8中，BrianL.Hughs 提出了基于Group Code的发射分集差分调制方案。这种方法能运用于任意的星座图和天线数。这种码的组结构极大的简化了这种方案的分析，并且能够用来产生更简单明晰的调制和解调方案。在接收端不知道信道状态信

55、息的情况下，一种不同于差分方案的发射分集检测方案在910中被提出，被称为酉空时编码（Unitary Space-time Code），但是这种方法需要按指数增加的编码和解码复杂度。2. 空时分组码系统框图具有N根发送天线和M根接收天线的采用空时编码的通信系统如下图所示。在发送端，信源产生的信息经过传统的信道编码、调制之后，经过空时编码器形成编码序列C=(, , )，并经N根发送天线同时发送；在接收端，M根接收天线上的信号经过空时译码、解调和信道译码恢复为原始发送信号。图3-2：空时分组码系统框图假设各发送接收天线对之间的子信道是统计独立的平坦瑞利衰落信道。衰落因子服从均值为0，每维方差1/2的

56、复高斯分布。第m根接收天线在第t时刻收到的信号r可以表示为： （3-1）其中hn,m为从第n根发送天线到第m根接收天线的信道衰落因子，为在t时刻第n根发送天线上发送的码字，为在第t时刻叠加到第m根接收天线上的加性复高斯噪声。2. 空时分组码性能假定仿真过程汇总接收机了解正确的信道状态信息，各种发射天线数的3bit/s/Hz STBC误比特率（BER）如图3-31所示。为了方便比较，图中还描述了未编码8-PSK的性能。图3-31：接收天线数为1的3bit/s/Hz的STBC在瑞利衰落信道中的误比特率性能当发射天线数为2时，采用码率为1的码字和8-PSK调制。当发射天线数为3和4时，分别采用码率为

57、3/4的码字和以及16-QAM。因此，所有示例中的传输速率均为3bit/s/Hz。从图3-3中可以看出，在BER为10-5处，码分别比码和码好大约7dB和25dB。图3-41显示了当接收天线数为1时，发射天线数为2、3和4的2bit/s/Hz STBC在瑞利衰落信道上的BER性能。当发射天线为2时，STBC采用码率为1/2的码字和QPSK调制。发射天线数为3和4时，STBC分别采用码率为1/2的码字和以及16-QAM调制。可以看出，在BER为10-5处，发射天线数为4的码相对于发射天线数为2和3的码能够获得大约5dB和3dB的增益。图3-41：单一接收天线时2bit/s/Hz的STBC在瑞利衰

58、落信道中的误比特率性能有各种数量发射天线和单一接收天线的1bit/s/Hz码的BER性能如图3-51所示。当发射天线数为2时，STBC采用码率为1的码字和BPSK调制。当发射天线数为3和4时，STBC分别采用码率为1/2的码字和速率以及QPSK调制。可以看出，在BER为10-5处，发射天线为4的码分别比发射天线数为2和3的码好大约8dB和25dB。图3-51：单一接收天线时1bit/s/Hz的STBC在瑞利衰落信道中的误比特率性能仿真结果显示：增加发射天线数可以显著改善性能。因为译码仅作线性处理，因此当发射天线数很大时，STBC译码复杂性的增加时很小的。为了进一步提高编码性能，可以将外码（如网

59、格码或turbo码）和作为内码的STBC进行级连。四、Alamouti方案Alamouti提出了一种利用2根发射天线的发送分集方案,使用2发1收的天线组合可以获得与使用1发2收天线组合最大比合并(MRC)方案一样的分集阶数。该方案还可以扩展到2发NR收的天线组合通信系统中,获得2NR的分集阶数.这种简单的发送分集方案被认为是空时分组码研究的创始。Alamouti方案是STBC中一种最简单的编码方式，由Alamouti于1998年提出，该方案为发射天线数为2的系统提供完全发射分集增益的一种空时分组码。（一） Alamouti方案的编码原理图4-1：Alamouti空时编码器原理框图在Alamou

60、ti空时编码中，采用M进制调制方案，首先调制每一组m(m=lgM)个信息比特。编码器在每一次编码操作中取两个调制符号x1和x2的一个分组，并根据下面的编码矩阵将它们映射到发射天线： (4-1)编码器的输出在两个连续的发射周期里从两根发射天线发射出去。在第一个发射周期中,信号x1和x2同时从天线1和天线2分别发射。在第二个发射周期中,信号-x*2从天线1发射,而x*1从天线2发射。既在空间域又在时间域进行编码。Alamouti方案的主要特征是两根发射天线的发射序列是正交的,也就是说,序列x1和x2的内积为0。根据正交性可知,公式(3-1)的编码矩阵具有如下特性:XXH= (4-2)I2是一个2*2的单位矩阵。在时刻从第一和第二发射天线到接收天线的信道衰落系数分别用h1(t)和h2(t)表示, 假定衰落系数在两个连续符号发射周期之间保持不变, 则可以表示为:h1(t)=h1(t+T)=h1=|h1|ej1；h2(t)=h2(t+T)=h2=|h2|e j2 （4-3)式(3)中,和i分别是发射天线i到