基于陣列信號處理的空時編碼技術研究.pdf

1、基于MIMO的空時編碼技術可望在不犧牲發(fā)射功率和信號帶寬的條件下，滿足未來無線通信中高速數據率傳輸的需求。在現有的空時編碼方案中，貝爾分層空時(BLAST，BellLabsLayeredSpace-Time)結構和空時分組編碼(STBC，Space-TimeBlockCoding)已被第三代移動通信標準采納。然而，要實現BLAST和STBC在實際工程中的應用，仍有許多問題亟待解決，例如提高STBC的發(fā)射速率、改善BLAST的抗衰落性能以

2、及提高空時碼在相關衰落信道中的傳輸性能等。針對以上問題，本文結合陣列信號處理的方法，研究了兩種獨立衰落信道下的空時編碼結構和相關衰落信道下空時編碼的實現方案。主要工作概括如下：1.針對STBC發(fā)射速率較低的問題，提出了一種基于分組干擾抑制算法的分層空時分組編碼方案——LSTBC(LayeredSpace-TimeBlockCoding)。發(fā)射機首先對天線進行分組，每組進行獨立的空時分組編碼來提高系統的發(fā)射速率；接收機采用分組干擾抑制算法

3、實現每組獨立的最大似然解碼；給出了LSTBC的一種簡單的信道估計方法。理論分析和仿真結果表明：在同等條件(相同的傳輸信道、頻帶利用率、天線配置和發(fā)射功率)下，LSTBC的性能要遠優(yōu)于BLAST，與STBC相比，LSTBC在低信噪比區(qū)域也優(yōu)于STBC。針對頻率選擇性衰落信道，提出了兩種基于OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)的LSTBC的實現方案，分別采用奇異值分解和子載波選擇矩陣算法

4、來實現組干擾抑制。其中基于子載波選擇矩陣的方案有效克服了奇異值分解方案無法應用于下行傳輸的缺點，實現了單天線接收。 2.針對BLAST抗衰落性能差的問題，提出了一種基于直接序列擴頻DSSS(DirectSequenceSpreadSpectrum)的分層空時結構——DSSS-BLAST。在保持BLAST分層傳輸結構的基礎上，發(fā)射機對每路信號進行擴頻處理；接收機通過解擴抑制共信道干擾、分離各路發(fā)射信號，實現各路信號的獨立檢測，并采

5、用RAKE接收以獲得最佳的檢測性能。通過采用擴頻和RAKE接收，DSSS-BLAST同時獲得了擴頻增益和接收分集增益，并使得信道估計也變得較為簡單。理論分析和仿真結果表明：在同等條件下，DSSS-BLAST的性能要遠優(yōu)于BLAST，并且實現了單天線接收，解決了BLAST無法應用于下行傳輸的問題。除了研究DSSS-BLAST在頻率選擇性信道下的實現方案，還將DSSS-BLAST的設計思想應用于LSTBC，結合差分空時編碼方案，提出了一種無

6、需信道估計、可實現單天線接收的分層差分空時檢測方案。 3.研究了信道衰落的相關性對空時分組碼性能的影響。采用“單環(huán)”信道模型，研究了發(fā)射天線間距、接收天線間距與相關系數之間的關系；根據發(fā)射分集和接收分集之間的聯系，得到了相關衰落信道下空時分組碼誤碼率的解析表示。 Monte-Carlo仿真驗證了誤碼率公式的正確性，利用所得到的公式代替Monte-Carlo仿真，計算了不同相關系數以及天線間距下空時分組碼的誤碼率，結果表明

7、：基于獨立衰落信道設計的空時分組碼在相關衰落信道下也具有一定的穩(wěn)健性。 4.針對發(fā)射衰落相關、接收衰落獨立的下行傳輸信道，提出了一種基于特征波束形成的空時編碼結構——空時特征波束編碼(STEBC，Space-TimeEigenbeamCoding)。發(fā)射機對空域協方差矩陣進行特征值分解，利用所得到的特征向量作為發(fā)射陣列的加權向量，在空間形成相互正交的特征波束來承載空時碼。分集技術和波束形成技術的有機結合，使得STEBC同時獲得了

8、陣列增益和分集增益，并通過降維處理大大降低了系統的復雜度，因此STEBC特別適合于發(fā)射端路徑較多的無線環(huán)境。實驗仿真驗證了不同條件下STEBC的有效性，結果表明：路徑數和發(fā)射陣元數的增加都可以提高STEBC的性能。我們還分析了信道估計誤差對STEBC性能的影響，證明了信道估計誤差對發(fā)射端的特征波束形成不會造成影響。最后，將DSSS-BLAST應用于下行相關衰落信道，提出了一種基于DSSS的分層空時特征波束編碼結構，該結構具有與獨立衰落信