MIMO系统中的智能天线技术与空时码快速解码的研究.pdfMIMO系统中的智能天线技术与空时码快速解

文件名称: MIMO系统中的智能天线技术与空时码快速解码的研究.pdf

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详细说明：MIMO系统中的智能天线技术与空时码快速解码的研究杭州屯f科技大学硕士学位论文 ABSTRACT With the development of communication technology and the growing demand for a variety of applications, communications networks are undergoing great change. It is can be expected that mobile communications market will maintain rapid growth trend in the next few years. Whether it is 2G, 3G or the upcoming 4G networks, the demand in wireless communication system is very high in quality, speed and reliability. In the situation of frequency resources come in increasingly tense, how to effectively improve the utilization of frequency resources become the focus of research in wireless communications. miMo technology can exponentially increase spectrum efficiency, system capacity and reduce system error without increasing the system s bandwidth. Therefore, it is the trend that traditional SISO system involves into MIMO system. To achieve MIMO system capacity, it mainly relies on space-time coding. First, the space-time code design criteria is proposed under the condition of sufficient the high signal to noise ratio(SNr) and multipath environment, therefore, the orthogonal space-time block codes(ostBc) which is designed according to the above criteria has excellent performance at high SNR. However, the performance of OSTBC is not outstanding in low SNR. Second, the space-time codes with full rate, full diversity, for example, Golden Code shows a low error rate when decoded with Maximum-Likelihood(ML) detectors. But the complexity of decoding Golden Code with ml detectors is very high and is not conductive to actual use To solve the above problems, this paper covers the following aspects first, the MIMo channel models were introduced, and thus gives the channel model of slow quasi-static flat fading channel del which are studied in this paper, then introduced the space-time code design criteria, several common space-time codes and smart antennas in the fixed beam-forming technology. Second, for the space-time code defects, we proposed a new system which is based on optimization of performance and combined OSTBC with fixed beam-forming. We give a specific mathematical expression of channel division, the derivation of the proposed system's error probability upper bound. The simulation results show that the proposed system can effectively improve the performance of Space-time Codes in lOw SNR. After the introduction of the basic oblique projection theory, we proposed a new fast decode method which combined oblique projection and the advantage of ML decoder. Simulation results show the proposed method has lower decoding complexity with less ber loss Keywords: MIMO, OSTBC, Smart Antenna, Oblique Projection, Golden Code 杭州电子科技大学硕学位论文第1章绪论在过去的数十年甲,不管是无线环境下的多媒体业务还是高速率连接的需求,都出现了较大的增长。为了满足这一的需求,设计一个具有较高频谱效率的信号发射、接收方案成为项重要的工作。提高频谱利用率的一个重要途径,就是开发系统中的空间资源,也就是在发射端和接收端使用多幅天线。多天线系统间的通信也叫做多输入多输出( Multiple Input Multiple Output, MIMO)通信。若一个MIMO系统所有的发射天线均被个发射器使用,且所有的接收天线均被一个接收器使用,则这个系统被称为点对点MIMQ。把具有多个发射器, 且具有一个接收器的系统称为多播MMO,同样的,将具有多个发射器和多个接收器的系统称为广播MIMO 在不增加系统带宽的前提下,MMO系统能成倍地提高系统容量和频谱利用率,同时也能降低误码率,使得系统的可靠性有所提升。由于 Telatar和 Foschini等人开创性的工作, MTMO技术成为无线通信领域内的研究热点。一些符合满分集增益的编码方案相继被提出, 这些工作开辟了空时编码( Space-Time Coding,STc)领域,并吸引了许多研究者对其进行研究。 1.选题背景意义及研究现状早在十多年前,多名学者便从理论上分析了多天线系统所具有的极大传输速率,即信道容量。研究表明:随着发送端与接收端最小天线数目的增长,多天线系统的容量也随之增长, 且符合线性关系。这样,在理论上证明了MMO系统的系统容量能够达到传统单天线系统容量的数倍。但是,对容量的分析只是从理论上证明了多天线系统的优越性,若要达到这些容量,则需要采用恰当的信道编码实现。 20世纪90年代中后期,在多天线信号发送原理的基础上,诞生了一种新技术—空时编码。虽然人们已经提出了空时码的设计准则,并且设计出了许多基于这些准则的空时码(包括线性分组码、空时格码、黄金码等)。方面,必须看到空时码的设计准则是在一定的条件下提出的,且有其适用范围,具体地说,就是以下几点: 高信噪比是空时码设计准则的一个前提假设即在空时码设计准则指导下设计出的码字,一般适用于高信噪比的无线环境。 ●充裕的多径环境是空时码的适用条件,空时码适用的数学模型是多天线的,且在此模型中,假设信道衰落均是服从复高斯分布的 ●空时码技术集中于发射方,主要解决如何发送信号的问题,但在接收方如何接收信号的问题上,并没有过多涉及。杭州电子科技大学硕士学位论文由于空时码技术通过空域和时域上的编码,充分利用了多天线技术的时间分集和空间分集,使多天线系统获得了较高传输速率的同时也得到了较低的误码率,且接收端的解码复杂度较低。虽然空时码技术有上述优点,但也不得不看到,空时码技术也有其应用场合的限制, 如果在系统在低信噪比或传输路径不够丰富的条件下采用空时码技术进行信号传输,就会引起系统性能的下降。因此,从提高系统频谱利用率的角度出发,可将空时码和智能天线技术相结合,取长补短,从而提高系统性能。此前的一些研究4都是在智能天线的基础上级联一级空时编码的模型上展开研究的,此模型需要发射端知道所有的信道信息,这就需要接收端反馈大量信息给发射端。此模型虽然能够提高系统的性能,但缺点是接收端所需反馈的比特数较多。本文提出的结合方式为空时码技术与智能天线技术并联使用的模型,这样,接收端只需要反馈一个比特信息给发射端,用以选择两种发射方案中的一种。这样,虽然系统在性能上有所下降, 但是新系统所需的反馈比特数较少,貝有一定的新颖性另一方面,空时码中基于代数域扩张理论设计的黄金码是全速率、满秩的。在一个2发射天线和2接收天线且接收端使用ML解码的MIMo未编码系统中,黄金码的误码性能比之前的码字都要好。但是黄金码使用ML解码,其解码复杂度相当高,但是由于黄金码的误码性能较好,采用次优的解码方法对黄金码进行解码成为了研究的热点。本文提岀通过采用斜投影解码与ML相结合的方法,对黄金码进行解码。在降低解码复杂度的同时,使系统性能不至有太大的损失。作为投影理论的一个分支,斜投影( Oblique Projection)可以看做是正交投影( Orthogonal Projection)的扩展形式。上世纪三十年代, Murray、Lorh便从数学的角度提出了斜投影的概念,并进行了讨论。随后,人们又从数学的角度对斜投影进行了更滦的研究。时至今日, 斜投影理论随着应用的增加,也日益完善和丰富。 Kayalar和 Weine在阵列信号处理中引入了斜投影算子,并给出了斜投影算子的新的计算公式和对应的迭代算法。 Behrent和 Scharf 在1994年撰文6介绍了斜投影在信号与信息处理中的应用,阐述了由列满秩矩阵张成的子空间的斜投影理论,并由此给出了斜投影算子的数学表达式。本文针对空时码的应用限制,结合智能天线的优势,提出了一种正交空时分组码 ( Orthogonal Space-Time Block Codes, OSTBCs)和智能天线中固定波束形成技术相结合的新型多天线系统。即:当系统处的低信噪比较低时,采用智能天线技术,当系统处于高信噪比时,采用空时码技术。理论和仿真均表明,新系统与单一采用智能天线技术或空时码技术的系统相比,在误码性能上有一定的提高。而基于代数扩展理论的黄金码虽然具有较好的误吗性能和较高的码率,但是其在接收端的解码复杂度较大。如何降低其解码复杂度是研究的热点之一。本文提出了利用斜投影解码与传统的ML解码相结合的解码方式,这样,在适当减小解码复杂度的同时,也保证了系统的性能不至损失过多。杭州电子科技人学硕:学位论文 1.2M|M0系统的发展及研究现状传统的无线通信系统仅在发射端和接收端使用一副天线进行信号的发射和接收,这样的系统称为SISo(Sing! e Input Single Ouψput)系统。香农容量是SISO系统信道容量的理论上限73。但是,随着无线移动通信的不断发展,各种无线应用层出不穷,人们对无线通信系的传输速率也提出了更高的要求。近几年出现的MIMO多天线技术成为了一种有效提高系统容量的方法。依据收端和发端天线数量的不同,MMo技术可以分为单入多出( Single Input Multiple Output,SMo)、多入单出( Multiple Input Single Output,MSO)和多入多出( Multiple Input Multiple Output,MMo)。如图1所示,M为输入天线数目。N为输出天线数目,对于MISO 系统,N-1;对于SMO系统,M=1 MISO 输入信避输出输入信道样输出 MIMO 输人信道 N输出图1.1多天线系统类型根据理论可以证明,由于MIMO多天线系统采用了分集技术,从而具有了比传统SSO 无线通信系统更高的信道容量。可以预见,无线通信的发展趋势是从传统的SISO无线通信系统向MIMO多天线系统演进随着 MIMO技术在理论上的不断深化和扩展,再加上一些实验性系统的成功,标志着 MMO技术逐渐成熟,并朝着实用化的方向发展。贝尔(Bel)实验室在1995年提出了分层空时码( Bell Labs layered Space-Time, BLAST)的概念。202年10月,Be1实验室发布了面相移动设备且能够以19,2Mbps速率进行通信的两款 BLAST系统原型芯片。MIMO多天线系统是一个具有挑战的领域。由信息论得出的MMO系统信道容量表明,MMO系统具有巨大的潜在容量有待挖掘,但在实际中如何获取这个容量的全部或部分以及为此需要花费的代价等都值得人们仔细研究。目前,全球的许多研究所、大公司都在对MIMo技术进行更深入的研究Ⅲ4,致力于推动这项技术朝着实用化的方向发展。若使用传统的无线调制技术,蜂窝移动通信系统能取得15bps/Hz的频谱效率,点对点微波通信系统能取得10-12bps/Hz的频谱效率,在30kH的带宽范围内,贝尔实验室在上述频谱效率上取得了05-Mpb的数据传输杭州电子科技大学硕士学论文速率,而使用传统的SISO,在该带宽内的数据传输速率仅能达到50Kpbs。当前,MMO技术的研究可分为下面几个方面: ●MMO信道建模 MIMO多天线系统利用无线信道的多径传播建立空问上并行的传输通道同时通过使用空域和时域二维联合处理手段提高系统的可靠性与容量。研究表明,仅在无线信道的多径分量较为丰富的条件下,信道矩阵趋于满秩,各收发天线间的多径衰落趋于独立;若天线间距较小或多径分量不够丰富,将导致各天线间的多径衰落具有相关性, 从而信道矩阵也非满秩。若如此,则MIMO信道的多天线优势不能充分发挥,从而引起MIMO系统性能下降。对此,需要开发更为稳健的空时处理算法,譬如空时均衡、空时编解码算法;同时需要开发模拟各种实际信道条件的MMO无线信道模型、评估空时处理方法的相对性能 MMO天线设计收发天线是MIMo多天线系统的重要组成部分,其性能优劣对MMO信道的性能产生直接影响。发射端的多副天线发出的信号由于散射等因素,在传播过程中混合在起,经由接收端多天线接收后,MMO系统通过空时算法恢复发射数据,系统性能取决于各天线间的相关性。多天线间的相关性与天线特性和散射传播等密切相关。可见, 若要实现MMO多天线系统的高性能,还需依赖合理的天线设计。 ●MMO算法研究 MMo多天线系统与传统的SSO系统相比,能极大地提高系统可靠性与容量。但这仅是理论上的分析,还需要具体的空时信号处理技术把潜在的系统性能挖据出来。般来说,空时信号处理技术可分为两类:空间复用和空时码。前者最有代表的就是垂直分层空时码 V-BLAST( ertical Bell Labs layered Space-Time),也称分层空时码, 后者包括空时分组码(STBC)、空时格码、黄金码等。前者以数据率最大化为己任, 后者以分集增益最大化,提高链路可靠性为目标。 1.3空时码的发展及研究现状对于MMO多天线系统,可以通过空时编码利用空间分集和时间分集,提高系统的容量并降低错误概率。自空时码概念诞生以来,人们设计出了多种类型的空时码,主要可以分为以下几类 ●正交空时分组码( OSTBC) 正交空时码是最早出现的具有系统性构造方法的空时码。 alamouti码是最先被提出, 也是在正交空时码中比较特殊的码字。 Tarokh借助数学中的正交设计理论,提出了构造正交空时码的一般构造方法。这类码由于满足正交性,在解码时能够通过简单的 ML解码方法实现充分的分集增益。但是,正交空时码的符号速率不够高。对于复正交设计,在发射天线数大于2时,其码率最高能够达到3/4。杭州电f科技大学硕上学位论文准正交空时分组码( Quasi orthogonal Space- Time Block Codes, QOSTBC) 针对正交空时码的复正交设计在发射天线数大于2时不能达到满速率的缺陷, Jafarkhani放宽了正交条件,并由此提出了准正交空时分组码,使其能够达到满速率, 但是由于破坏了正交性,增加了解码的复杂度。为了降低准正交空时分组码的解码复杂度,有Yucm等提出,后由Wang15等完善的新解码方案,使得准正交空时分组码与正交空时分组码具有几乎相同的解码复杂度。空时格码( Space-Time Trellis Codes,sTrC) STC的思想与格型编码一致,与上述閃种空时码有很大的差异。它结合了编码和调制,对编码增益和分集增益进行了综合优化,使得频带利用率、性能和编解码复杂度得到最佳的折中。与上述两种空时码相比,STC以译码复杂度的增加换取编码增益。在G32,G981,G994.1,等协议中均有应用。 ●分层空时码( Layered Space-Time Codes,lsTC) 最早由贝尔实验室提出了基于空分复用的原理的 BLAST系统。是适用于高速数据传输的强有力结构。分层空时码将原始数据流划分为与天线数目相同的数据子流,并通过各发射天线发射。它可以分为下述几种结构:水平分层空时码( Horizontal bell Laboratories Layered Space-Time, HBLAST),垂直分层空时吗( Vertical blast)和对角分层空时码( Diagnal BLAST)。 ●线性色散分组码( Linear Dispersion Space-Time Block Codes, LD-STBC) 空时格码和正交空时分组码均可获得较高的增益,由于分别受到复杂性和码字冗余的影响,在数据高速传输方面有所欠缺。分层空时码虽然能够提供较高的码率,但由于没有充分利用分集优势,无法提高系统整体性能。为了得到速率和分集上的折中,且使空时码能适用于任意发射天线数,文献[7提出了线性色散分组码。它具有简单的线性编码结构,且编码方式更为一般,上述的正交空时分组码就可看做是线性色散分组码的一种特例。由于其一般性,线性色散分组码的设计也具有较大的灵活性。此后, Belfiore等提出了基于代数城扩张理论的2x2的黄金空时码18,它具有全速率、满分集增益。 1.4本文的主要工作内容及安上文中已经阐述了MIMO技术的优势,正由于MIMo有这些优势,使其成为4G中相当热门的话题。但是MMO本身只是一种多天线通信技术,并不足以构成一个完整的移动通信系统标准。MMO技术通过在接收端和发射端配置多个天线,达到利用多径信道、提高系统容量的目的。空时码通过在空域和时域进行编码,充分利用空间分集和时间分集,提高了无线通信系统的性能。但是空时码也存在着一些不足。首先,空时码在信噪比较低的情况下性能较差。其次,基于代数域扩张理论提出的空时码——黄金码,虽然具有满分集增益和ML解码误码杭州电子科技人学硕士学位论文率较低的优势,但使用ML对其进行解码的复杂度较高。因此探求一种次优的解码方法成为人们研究的热点。针对低信噪比下空时码误码性能较差的不足,本文提出了一种将空时码与智能天线中的固定波束形成技术相结合的新型多天线系统。针对采用M对黄金码解码带来的解码复杂度高的缺点,本文提出了一种ML与斜投影法相结合的解码方法,以损失少量误码性能的代价降低了解码复杂度。因此,本文的工作重点主要集中在两方面。一方面是通过对空时码和智能天线的研究分析,提出了一种基于性能优化的新型多天线系统,并对新系统进行了仿真。另一方面,通过对斜投影技术进行研究,并结合ML解码的优势,提出了一种基于斜投影的黄金码快速解码方法,并对该方法进行了性能仿真。本文主要章节的安排如下: 第二章介绍了MMo多天线系统的基本原理及其相关技术。首先介绍了电磁波在空间中的传播特征,并由此引出MIMO多天线系统中几种常见的信道统计模型,接着着重介绍了本文所使用的信道模型_—准静态平坦慢衰落信道,并给出了该信道假设下的系统容量。在此基础上,介绍了空时码、固定波束形成等与本文相关的MMO多天线技术,为下文提出的新系统进行理论铺垫。第三章是本文的重点。在分析智能天线与空时码的优劣后,通过信道划分,找到了两者的结合点,并在此基础上提出了新型多天线系统。同时,对新系统的错误概率上界进行了推导,并对新系统进行了计算机性能仿真。第四章详细介绍了斜投影法。首先介绍了子空间的一些重要概念,并给出了数学上计算斜投影算子的方法,然后给出了斜投影算子的一些常用性质,以及斜投影算子与正交投影算子之间的关系。为下文提出的黄金码解码算法做铺垫。第五章亦是本文的重点。在前一章对斜投影算子介绍的基础上,利用斜投影的相关理论和优势,经过数学推导,提出了结合斜投影与ML解码的新解码算法,并对其进行了性能仿真。第六章在对全文做系统总结的基础上,对接下来的研究方向进行了展望。本文主要的理论创新如下 ●本文着眼于改进MMO多天线系统的利用率。当前的一般理论认为,空时码能通过分利用MMO系统提供的时间分集和空间分集,达到降低系统的误码性能(增加系统可靠性)和提高系统信息传输速率(增加系统有效性)的目的。但是,由于空时码的设计准则是在系统具有高信噪比和丰富的多径环境下提出的,因此空时码有其应用限制。对此,有学者提出在智能天线的基础上再级联一级空时编码,这样就需要接收端向发射端反馈多个比特传递信道信息。本文提出了一种空时码与智能天线并联的新型系统,接收端只需反缋1比特给发射端,减少了反馈的比特数,同时在误码性能上, 新系统的性能又比单独使用空时码或智能天线的系统性能更优杭州电子科技大学硕十学位论文黄金码具有较高的码率和较好的性能,但是,使用ML对黄金码解码,其复杂度较高。本文在分析现有的斜投影技术的基础上,对斜投影和ML解码进行结合,提出了一种基于斜投影的黄金码快速解码算法。仿真结果表明该算法以损失少量误码性能的代价降低了解码复杂度。 7

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