1、武漢理工大學碩士學位論文MIMO中的超正交空時極化網格編碼性能研究姓名：陳宏偉申請學位級別：碩士專業：通信與信息系統指導教師：李平安20080501摘要隨著無線通信技術的不斷發展，提高頻譜利用率已經成為評價通信系統先進性和時效性的一項關鍵指標。多輸入多輸出（）的空時編碼技術是實現未來帶寬資源日益緊張的高速無線數據通信系統的重要技術，它結合了信道編碼、調制和接收端的信號處理，能夠充分利用無線信道中多散射體環境所造成的多徑，提高信號的抗衰落性能。超正交空時編碼（）是近幾年空時編碼領域研究的熱點，它結合了傳統的空時分組編碼碼（）和空時網格編碼（）的特點，使得空時編碼同時具有了空間分集特性和網格編碼增

2、益，是一種高效的先進編碼技術。天線極化分集技術，通過天線的電場和磁場耦合極化的特性，將單根天線極化成了具有水平極化成分和垂直極化成分的多極性結構，各極性間傳輸特性相對獨立。這種天線結構的提出，使得利用單天線系統實現結構成為可能。它在實現高速傳輸的同時，大大減少了傳輸天線的數目，無論是對于發射端（）或是移動終端（）來講都極大的節約了成本，使得通信設備更佳輕巧便攜。本文在研究系統空時編碼準則的基礎上，針對空時編碼在空間分集和極化分集聯合傳輸系統中的應用做了深入的研究，主要工作在于：（）在原有的空時維信道的基礎上，利用極化天線的傳輸特性，對維的空時極化信號傳輸模型進行了分析，并進行了信道建模。（）利

3、用原有的結構，針對空時極化維傳輸系統，提出了一種更適合維信道傳輸的空時極化維編碼方案，該方案相比于原有編碼傳輸結構具有更低的傳輸差錯概率、更高的編碼效率，并且減少了發射和接收端的天線數目。（）將提出的空時極化維編碼方案擴展到了空時極化編碼方案。該種編碼方案具有更高的編碼和交織增益，性能可以極大的向香農限靠近。關鍵詞：，超正交空時極化網格編碼，極化分集，空間分集，（）（），（），（），（），（），：；獨創性聲明本人聲明，所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大

4、學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中作了明確的說明并表示了謝意。簽名：二魚鑫連日期：地：生：！關于論文使用授權的說明本人完全了解武漢理工大學有關保留、使用學位論文的規定，即學校有權保留、送交論文的復印件，允許論文被查閱和借閱；學校可以公布論文的全部或部分內容，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。（保密的論文在解密后應遵守此規定）武漢理工大學碩士學位論文研究背景第章引言無線信道環境存在多徑衰落、多普勒頻移和信道快速時變等許多不利因素，如何克服這些不利因素，是移動通信始終都需要研究的問題。目前，為保證無線信道的可靠傳輸，已經提出很多

5、技術，主要用于補償信道衰落損耗的分集技術就是其中的一項有效方案。分集技術是指，在通信的過程中，系統要能夠提供發射信道的復本，使得接收機能夠獲得更準確的判決信息。根據獲得獨立路徑信號的不同方法可以分為：時間分集、頻率分集和空間分集。在上述中分集技術中，空間分集技術沒有時延和環境的限制，能夠獲得更好的系統性能。這種分集技術分為接收分集和發射分集，傳統的空間分集主要是接收分集，在這種接收方式中，接收機對收到的多個衰落特性相互獨立、但攜帶同一信息的信號進行特定的處理，以降低信號電平的起伏，但是這顯然將導致接收機的復雜度。而發射分集只需要在基站架設多付天線就可以實現，因而成為現階段研究的熱點。空時編碼（

6、）技術是在年由等人提出的一項基于發射分集的技術【。等人認為：如果在發射端使用適合多天線傳輸技術的編碼，同時在接收端進行相應的信號處理技術，能獲得很大的性能增益，這樣就可以實現數據的高速傳輸。信息論也對以上的研究提供了理論上的保障，信息論研究表明，假設多天線系統有根發射天線和根接收天線，并假設在窄帶慢衰落的信道下，就可以建立階反映信道特征的矩陣，其元素為獨立同分布的復高斯隨機變量。這樣系統可以獲得的信道容量比單天線系統高出（，）倍，并且總的發射功率保持不變。然而，由于衰落信道的瞬時信息通常難以捕捉，因此，發射端必需采用信道編碼技術，以保證在多數信道情況下獲得比較好的性能。多家研究機構已經通過試驗

7、的方法證明：采用貝爾實驗室的分層空時（）編碼技術可以獲得高達的頻譜利用率。這與目前在蜂窩移動系統和無線局域網系統中可以獲得的頻譜利用率相比，是一次顯著的提高【。隨著高速芯片的不段研究，高速武漢理工人學碩士學位論文數字信號處理技術的出現也為高質量的空時編碼技術的發展提供了可制，在近幾十年的歷史里面，空時編碼也由傳統型向著多功能型轉化，從傳統的空時分組編碼（），空時網格編碼（），向著更高速和先進的諸如超正交空時網格編碼（）演進。并且一些更優的分集技術如極化分集，智能天線系統與之相結合使得編碼的性能到達更佳。空時編碼的產生，使得接收分集向發射分集轉化，解決了終端配置多天線帶來的工程上的不便，然而隨著

8、等無線點對點技術的出現，既要能利用分集技術滿足通信中信號誤碼的低要求，又要降低發射端多天線結構的復雜性，這樣的課題又成了當今空時編碼領域研究的熱點。在這樣需求下，單天線的多維極化技術無疑成為了人們關注的焦點，尤其是實現難度較低的雙極化天線的出現一時間為發射分集系統的單天線化這一設想提供了強有利的技術指示。雙極化天線技術利用麥克斯韋的電磁場定理，將獨立傳輸天線進行耦合極化，從而使得單根獨立天線極化為相互正交的電場水平極化方向和磁場垂直極化方向，從而也為物理上的單天線實現發射接收分集，乃至運用空時編碼技術的可能提供了一個優越的條件。論文的主要研究意義隨著因特網和多媒體業務應用在下一代無線通信領域中

9、的集成，寬帶高速數據通信服務的需要正在不斷增長，由于無線頻譜資源的有限性，高數據率只能通過高效的信號處理來實現。信息論領域也表明，在無線信道中使用多輸入輸出（）系統可以顯著的提高信道容量。在無線鏈路兩端設置多元素天線陣列就構成了信道。在信道中，空時碼是可以使信息容量接近理論容量的一種較實用的編碼。空時編碼的依據是將發射信號在空域和時域都引入聯合相關，不僅可以同時取得分集增益和編碼增益，而且能得到很高的頻譜利用率。極化分集天線的出現使得用物理上的單天線系統實現的分集成為可能。然而，空時編碼在極化天線系統這樣一個準維空間中的性能還不得而知，即怎樣利用天線極化這樣一個超維空間構建更好的空時編碼系統還

10、是當今研究領域一項尚未解決的問題。本文就針對這樣的問題展開研究，力求達到兩個方面的突破：一是構建一種基于極化系統的先進編碼系統；二是所構建的編碼系統能夠便于其它高速數字處理技術的融合與應用。本文的主要工作與安排本文主要針對準靜止慢衰落信道下的系統中的空時編碼技術進行了研究，在基于系統的傳輸模型上，對原有空時編碼系統（，）的性能做了進一步的分析。同時研究了雙極化天線系統在結構中的信道模型，提出了一種基于空時極化的維傳輸信道模型并對其新性能進行了驗證和分析。在此基礎上又提出了一種新的基于的空時維編碼方案，在對該方案驗證的同時又給該編碼留出了擴展的余地，并利用編碼的結構對我們提出的方案進行改進，給出

11、了相關仿真和數據。本文主要安排如下：第章主要分析傳統空時碼技術在系統的性能，給出相關編碼準則；第章研究超正交空時網格編碼（）的相關性能；第章研究雙極化天線的相關內容，給出了雙極化系統的信道模型，并進行了相關了性能分析；第章在雙極化系統的基礎上提出了一種新的基于空時極化模型的維編碼技術，構建了新的維傳輸信道，并在提出的新的編碼基礎上結合編碼的遞歸結構，對現有編碼進行改進，提出了一種新的空時極化網格編碼系統，并對其性能進行了驗證和仿真分析。第章總結全文并對未來的研究方向進行了展望。第章無線傳輸信道模型無線衰落信道特性分析移動信道屬于無線信道，它既不同于傳統的固定式的有線信道，也與一般具有可移動性功

12、能的無線接入的無線信道有所區別，它是移動的動態信道。移動信道的傳輸具有開放性，一切無線信道都是基于電磁波在空間的傳播來實現開放式信息傳輸的，它不同于固定的有線通信，是基于全封閉式的傳輸線來實現信息傳輸的。移動接收的地理環境復雜多樣，一般可以將接收地點的地理環境劃分為類典型區域：高樓林立的城市繁華地區，以一般性建筑物為主體的近郊區域，以山丘、湖泊平原為主的農村及其遠郊區。移動通信用戶的隨機性造成了通信信道的隨機和不可預測性，準靜態室內用戶通信、慢速步行用戶通信和高速車載用戶通信是移動通信中考慮的最多的幾種通信隨機運動模型。移動通信中的電磁波傳播主要分為直射波，反射波和繞射波類。直射波是指在視距范

13、圍內無遮擋的傳播；反射波是指從不同建筑物或其他反射體反射后到達接收機的傳播信號；繞射波是指從較大的建筑物與山丘繞射后到達接收點的傳播信號。由此可知移動通信中的路徑損耗可分為：路徑傳播損耗，它是指電波在空間中傳播的損耗；慢衰落損耗，它主要是指電磁波在傳播路徑上收到建筑物等的阻擋所產生陰影效應而產生的損耗。快衰落損耗，它反應了微觀小范圍內，接收電平平均值起伏變化的趨勢。由于移動環境的散射性，多傳輸路徑效應和移動發射接收特性，會相應的使得接收信號方向角產生角度擴展，接收信道到達接收機時刻不一致而產生時延擴展，并且引起傳輸接收頻率在載波中心頻頻附近產生一定的波動而產生多普勒頻移。幾種典型的傳輸環境下的

14、擴散值如表所示。表典型環境下的典型擴散值地理環境角度擴散時延擴展多普勒頻率擴展室內。農村。都市。丘陵小區移動信道統計模型分析對于實際的傳輸信道，如果完全按照其傳輸特性來分析和仿真，將會使得工作計算量和復雜度大大的增加，因此我們運用數學的模型方法來對實際實際通信信道進行建模。對于窄帶系統，發射信號占據的帶寬通常比信道的相干帶寬（信道衰落過程中相關的頻率范圍）要小。即發射信號的所有頻率成分在相干帶寬范圍內具有相同的衰減，這種衰落稱為頻率“非選擇性衰落或“平坦衰落。如果發射信號的帶寬比信道相干帶寬大，那么頻率間隔大于相干帶寬的發射信號的頻譜成分是獨立衰落的。由于各種頻譜成分之間的關系與發射信號不同，

15、因此接收信號的頻譜會有失真，對于寬帶系統，發射信號通常會發生“頻率選擇性衰落。本文只是考慮平坦衰落信道，下面我們對平坦衰落和衰落作一點說明。衰落假設發射機發出恒幅單頻純正弦波，和為常數，分別為幅度和相位。在典型的移動無線信道中，如果直射波被阻斷，從發送端到接收端不存在直射路徑，接收端只能接收到反射波，如圖所示。則有（）圖散射模型在散射多徑信道，輸出端可以得到由反射波延遲信號之和組成的波形（，），軍。糾。（研三【，】（）。（）其中為多徑數目，）和氣（，）分別為同相和正交分量。（），（，）尼（）當發射機和接收機之間有互相移動時，散射或多徑信道的時變性使得接收波形的同相和正交分量之和的幅度也是時變的

16、，用幅值和相位表示式為：（）（）耐（）】（）其中（）和矽（，）分別為：（）（）（）如）堋觚鬻（）根據中心極限定理，當反射波的數量比較大時，接收信號的兩個正交分量）和（）可以認為是兩個獨立同分布的高斯分布，其均值為，方差為萬。因此任意時刻的接收信號的包絡（）服從概率分布，相位矽（）服從一萬萬的均勻分布。分布的概率密度函數為：（咖爭萬娩（）【分布的均值和方差可以為：壓艿，（一艫，包絡的均方根尺腫。為：。網妒卜億，當信號包絡尺（）降低到均方根包絡值月；以下時，稱信號經歷“衰落，這就是“衰落信道通常用于多徑移動通信信道模型的原因。歸一化的分布為口，言口噸口三蘭。，歸一化分布概率密度函數如圖所示：分布廣

17、魯、？÷廠；一、。圖分布概率密度函數在有些傳播環境中，如衛星或微波移動無線信道中，可視路徑上沒有障礙物。從發送端到接收端存在直射路徑，接收信號由直射波和許多散射波組成。直射波是幅度恒定的無衰落信號，發射波是獨立的隨機信號，如圖所示。（）圖散射模型散射波的和稱為接收信號的散射分量，其包絡服從概率分布。幅值恒定的直射波和分布的散射波信號構成了一個包絡服從分布的信號。其概率密度函數為：腫，：睜警厶（等）刎眨，【口其中為直射信號的功率，厶（）為修正的第一類零階貝塞爾函數。將總平均信號功率進行歸一化處理可得歸一化分布密度函數為：（口）：口（尼）一。”厶（口、麗）口（）【口為因子，表示直射信號與

18、散射信號的功率之比，定義為：（）其均值和方差分別為：坍：！臣二畦）蠆、麗“一（）：一衰落的信道由于存在直視傳播路徑（），故其衰落滿足累積分布特性，其累積分布函數（）為：（）叫耳（）為修正的第一類階貝塞爾函數。其衰落分布和如圖和圖所示。（）序口一武漢理工大學碩士學位論文窩一一：尸一奢筍；鬻：班礦掣，一武漢理：大學碩士學位論文信道描述矩陣，其中，表示從第根發射天線到第，根接收天線之間的信道衰落系數。在發射功率和接收功率都歸一化后，接收向量可以表示為：（）為接收端的噪聲向量，其元素為統計獨立的復零均值高斯變量，它具有獨立的方差相等的實部和虛部。信道矩陣的元素可能是確定的，也可能是隨機的。在多數情況下

19、都是認為中的元素是服從分布的。因為對于無直射路徑的散射信道，分布最具有代表性。由此理想信道可以有如下矩陣表示扛。向刪；（）【，但是在實際的信道都是非理想的，即子信道之間獨立但并非完全的不相關，對于不同的傳輸方式，信道的分析模型也有所區別，對于每種模型的詳細分析將在以下各章節中詳細闡述。武漢理大學碩士學位論文第章空時編碼及其設計準則空時碼模型及編碼準則從前文中可知使用多根發射天線和多根接收天線可以使無線通信系統的信息容量得到明顯提高，對于具有多根發射和接收天線，且接收機端已知獨立平坦衰落信道的系統而言，信息容量隨收、發天線數目的最小值呈線性增長。空時編碼（）是一種用于多發射天線的編碼技術，它是達

20、到或者接近多輸入多輸出（）無線信道容量的一種可行、有效的方法。該編碼在多根發射天線和各個時間周期的發射信號之間能夠產生空域和時間域的相關性。這種相關性可以使接收機克服信道衰落和減少發射誤碼。對于空間未編碼系統，空時編碼可以在不犧牲帶寬的情況下起到發射分集和功率增益的作用。傳統的空時碼根據其構造和設計的不同方式可以分為：空時分組碼（），空時網格編碼（），空時分層碼（）。近幾年來，隨著空時編碼理論的不斷發展，專家和學者們又提出了諸如準正交空時碼（）以及超正交空時編碼（）等改進的空時碼結構【】【】。空時編碼系統模型空時編碼的系統模型，可以在系統的模型下加以闡述，以下是基于系統的空時碼的研究模型：信源

21、剛空時編碼器丑接收機圖空時編碼基帶系統模型假設系統的發射天線數為，接收天線數為，發射數據送入空時編碼器進行武漢理：大學碩士學位論文編碼。在每個時刻，將有個二進制信息符號組成的塊，送入空時編碼器，這個塊可以表示為：，（，彳，）（）空時編碼器將從”個點的信號集中的個二進制信號輸入數據映射成慚個調制符號，將這個編碼數據送到并串（）變換器，得到一個件個并行符號的序列，表示為怫×列矢量，（，矽）（）個并行輸出由件根不同天線同時發射出去，這樣符號（）是由第根發射天線發射的，并且所有發射符號都有相同的時間寬度乙。來自不同天線的編碼符號的矢量稱為空時符號，該系統的頻譜利用率為：刁丟聊研（）式中，是數

22、據速度，曰是信道帶寬。假定信道是無記憶的，那么發射天線數為仰和接收天線為的信道可以用一個（）的信道矩陣來表示。在，時刻，信道矩陣可以表示為：，磁，磁：唧噬，噬，：噬，竹砍，竹（）其中，第噬，表示從第根發射天線到第根接收天線的路徑衰減系數，它是方差為，均值為“。的獨立復高斯隨機變量。在接收機端，根接收天線上的每個信號都是仰根發射信號經衰落信道衰減后的噪聲信號的疊加。在時刻，第（，）根天線上的接收信號（用，：表示）可以表示為：，；蟛耐（）式中，是第根接收天線在時刻的噪聲分量，它是單邊功率譜密度為的零均值復高斯隨機變量。用列矢量表示時刻上根接收天線上的接收信號武漢理大學碩士學何論文（，；，）（）接收

23、端的噪聲可以用的列矢量啊表示，（坷，彳，妒）（）每個分量表示一個接收天線上的噪聲取樣。因此，接收信號矢量可以表示為：，（）假設接收機的譯碼器使用最大似然算法估計發射信息序列，并且接收機能夠獲得信道上理想的信道狀態信息（）；另一方面，發射機沒有關于信道的任何信息。在接收端。依據假定的接收序列和真實序列之間的平方歐幾里德距離計算判決度量：。，一（）譯碼器選擇具有最小判決度量的碼字作為輸出。慢衰落信道下空時碼的設計準則對于侮×的空時編碼系統，可以定義碼字差別矩陣（，）為（，）一爿蔓一是一鞋彳一茸一霹毫一愛冀一泌避一進武一觀同時構造一個×碼字距離矩陣（，），定義為（，）（，）爿（）

24、【，）由于（，文）（）【，文），且矩陣（，文）的特征值為非負數，矩陣和實對角矩陣，滿足（，）日矩陣的對角元素是矩陣（，文）的特征值五，江，。可以表示為：（）（）因此存在酉（）則對角矩陣（，五，）（）并假設友。等人己在文獻中推導出，當信噪比武漢理下大學碩士學位論文較大時，其信道下的成對差錯概率的上界近似為：幡，啡八甜其中。是各個發射天線上每個符號的能量。可以看出，慢衰落信道的沒計準則取決于聊的值。聊。的最大值為唧。件值較小時，對應的獨立子信道數較小；較大的時候，差錯概率主要由所有可能碼字對上的矩陣（，文）的最小秩數決定。最小秩數和接收天線的乘積稱為最小分集。要使得最小秩數最大，就要找出使矩陣（，

25、文）滿秩（如，）的空時編碼。但是由于編碼結構的限制，一般不易得到滿秩。對于方陣而言，特征值的和等于矩陣主對角線上所有元素的和，稱為矩陣的跡，可表為：（，文）以（毫一八一霉）（）此式說明矩陣（，文）的跡與碼字和文之間的歐式平方距離相等。因此，如果唧比較小，可以得到慢衰落信道下的空時編碼設計準則的秩準則：（）所有不同碼字對的矩陣（，文）的最小秩最大；（）具有最小秩的所有不同碼字對矩陣（，文）最小非零特征值乘積最大。如果秩不能滿足最小的情況下，對于理想空時碼的設計可以采用跡準則：（）確保所有不同碼字對矩陣（，艾）的最小秩，滿足。；（）所有不同碼字對矩陣（，文）的最小跡元最大。空時分組編碼（）編碼最先

26、是由引入的，采用了簡單的兩天線發射分集編碼的方式。這種編碼最大的優勢在于，采用簡單的最大似然譯碼準則，可以獲得完全的天線分集增益。實質上是將同一信息經過正交編碼后從兩根天線發射出去，兩路信號由于具有正交性，在接收端就能夠將兩路信號區別出來，只要做簡單的合并就可以獲得分集增益。但是的正交碼組的構建還是存在一定的問題的。對于實數信號星座圖（星座），可以構造編碼速率為的空時編碼算法。但是，對于一個普武漢理工大學碩士學位論文通的復數信號星座圖，例如或，當發射天線陣子數目大于時，就很難構建出編碼效率為的碼組。目前對于發射天線數目等于，以及大于的系統，如果采用復數信號星座圖，那么最大的空時編碼速率也只能達

27、到和。可見，對于高階調制的高速率多天線無線通信系統，如果直接采用空時分組碼的方案，不可能充分的利用系統的有效性，這也為本文探究用極化分集擴展傳統的空時編碼留下了可能，詳細的討論將在第章中闡述。編碼方案該方案采用兩根發射天線進行編碼，在這種編碼方案中，每組比特信息首先調制為”進制符號。然后編碼器選取連續的兩個符號，根據下述變換將其映射為發送信號矩陣。：五一（）而天線發送信號為矩陣的第一行，天線發送信號為矩陣的第二行。由發送矩陣形式可知空時編碼是在時域和空域上進行編碼。令天線和上的發送信號矢量為，一蔓，（）這種編碼的關鍵思想就在于兩個發射天線發送的信號矢量相互正交，即（）爿一五（）相應地，編碼矩陣

28、具有如下性質而：恐）（）。而、。”叫式中，是×的單位矩陣。將每一個稱為一個碼字，假設空時碼的傳輸信道為慢衰落信道，且滿足以下幾個條件：（）假設是平坦衰落信道（）假設各個發射天線到接收天線之間的信道是獨立的隨機信道（）假設在一個碼字的時間內，信道是準靜態的，增益為常數（）假設噪聲是均值為的高斯隨機噪聲設信道矩陣為：武漢理工大學碩十學位論文陸沙。，其中，鬼艮，分布的信道衰落因子，鴯表示信道頻率及其相位變化的聯合因子，依假設，衰落系數在兩個連續符號發射周期內不變曩（，）曩（丁），鴨）（）（）接收端接收到的信號為：叭纂搿麓，惕，傷為均值為的加性高斯白噪聲，這種兩發一收的接收機結構如圖所示。圈

29、女夕尸圖兩發一收的接收機結構武漢理大學碩士學位論文最大似然譯碼準則對于發的編碼模式，我們一股采用最大似然譯碼（）算法進行譯碼運算。假設接收機可以獲得理想信道估計，則最大似然譯碼算法要求在信號星座圖上最小化式（）的歐式距離度量：（，毫紅是）（吃，一啊籬紅茸）一啊毫一吃是眨一忽并（）式中毫，是都是星座圖上的信號點。將上式展開就可以得到判決準則為：（是，是）“，）（啊）（毫：）（薯，蜀）（夏，五）（）式中表示調制符號對的組合，墨，是統計判決量，表示為砰：（）【毫；一向可以進一步簡化為（啊忽五耳繡囈（）【愛（啊吃）而一囈繡由此可知，給定信道相應，則兩個判決統計量分別只是各自發送信號的函數，則最大似然譯

30、碼準則可以分解為兩個獨立的準則，即島梨（，啊），曼，（暑，）（）而。、，紅）之（爰，五）當采用調制方式的時候，對于所有的信號點（向），江，是常量，因此，可進一步簡化為。（墨，）。，。一，塢，一毫（）槲（暴，顯）噻脅一啊一鐘這樣，信息位就從碼字中分離出來，每個符號可以獨立的進行判決。解碼非常簡單，所以具有很強的實用性。從上式可以知，改方案的編碼具有階的分集增益，而目編碼速率為，即保持全速率，頻譜利用率沒有損失。武漢理大學碩七學位論文多天線數時空時編解碼方案給出的傳輸方案，在兩天線的系統中，無論從分集增益，編碼速率和帶寬使用率等方面都達到了最佳，但是為了達到更大的分集增益，需要將兩根發射天線擴充到

31、大于的形式，這個時候，對于分組碼的設計，就有許多指標不能完全滿足。對于發射天線大于的任意實信號星座點，只有當發射天線數目為坼或時，才存在具有傳輸矩陣。的空時分組碼。這些碼的全速率是，并實現完全的發生分集協。發射天線數為和的傳輸矩陣分別如下所示和葺一而一瑪一而五矗一黽屯一昀而砭矗而一屯而（）（）從矩陣中可以看出，對于一組個調制消息符號來說，無論是發射天線數坼還是傳輸這組碼所需的時問周期數都等于消息分組的長度，因此該種方案不需要帶寬擴展，可實現完全的碼率。對于任意的復信號星座來說，都有對任意給定天線數能夠實現速率的空時分組碼，三根發射天線和四根發射天線的系統分別如矩陣；和：而一恐一恐一面一蔓一一；

32、砭五一而一（）【一五葛一葛和廂勛砟而乃崩耽而席鯫藏屈廂缸弼鋤席耘屈新廂兩廂局吖噸噸噸五吃鼉矗崩崩廂確鯫所所辦五總新鯫廖所確斯所所廂新眨島島勺龜武漢理工人學碩士學位論文：五一而而五而一心一一五恐一一而一恐一矗一一矗而而屯一恐而（）對于這類編碼可以采用通用的譯碼結構，假設信道系數吃，（，）在個符號周期內恒定。勺，（，）勺，（）傳輸信號的判決統計為置：蘭藝，（）；剛）（）式中，表示從第一列到第，列的符號排列，第列中行的位置由，（）表示，第，列中的符號用，（）表示。由于傳輸矩陣的兩兩正交性，使得最大似然矩陣最小：一（）等效于使聯合判決度量最小：喜霉一（喜善哆一，由于的值僅依賴于碼字符號，因此對于給定的

33、接收信號、路徑系數和正交傳輸矩陣的結構而言，使聯合判決度量最小可以等效為使每個獨立的判決度量最小：置一薯，（）該算法通過對每個傳輸信號各自獨立地譯碼，大大簡化了聯合譯碼。每一未編碼發收：爭發收瀚。：鼉一、酬弋簍。邂善投。！一、。翼一、一、圖空時分組碼的誤碼性能圖給出在單徑信道下面的誤比特概率（）與信噪比（）間的關系，為體現空時編碼在復信號上面處理的優勢，仿真均采用調制方式，并分別用發收的編碼方式、發收的編碼方式和未編碼的系統進行比較，仿真看出在單徑信道下，采用空時編碼的系統的性能明顯優于未編碼系統，同時隨著發射天線數目的增多，信道的相關性越小，系統將會獲得更大的分集增益。空時網格編碼（）空時網

34、格編碼（）是等人在年提出來的。它是由空時延遲分集發展而來的，而空時延遲分集可以看作是空時網格編碼的一個特例。空時網格碼具有卷積碼的特性，它將編碼、調制、發射分集結合在一起，可以同時獲得分集增益和編碼增益，并且使系統的性能有很大的提升。空時網格碼利用某種網格圖，將同一信息通過多根天線發射出去，在接收端采用基于歐式距離的譯碼算法，因此譯碼的復雜度較高，而且譯碼的復雜度將隨著傳輸速率的增加而呈指數的增加。空時網格碼的編碼結構同空時分組碼的設計準則相似的，假設信道增益在一幀內是恒定的，而在每幀到每幀之間是變化的，也就是信道為準靜態平坦衰落。空時網格編碼的設計一般都是在獨立準平坦衰落下進行的。所謂獨立準

35、平坦衰落，是指各條路徑之間的衰落相互獨立，其衰落因子在一幀中保持恒定】。的編碼器可分為前饋和遞歸兩種形式，基于前饋生產多項式的編碼器結構和基于遞歸生成多項式的編碼器結構分別如圖和所示。（窳贏）圖前饋結構空時網格編碼器圖遞歸結構空時網格編碼器在如圖和圖所示的編碼器中，將個二進制輸入序列，”饋入編碼器中，其中編碼器由個前饋遞歸移位寄存器組成。將第武漢理工大學碩十學位論文個輸入序列（菇，彳，呸，）（七，聊）送入第個移位寄存器，并與一個編碼器系數集相乘。將所有移位寄存器的乘法器輸出模相加，得到編碼器的輸出（，艫）。移位寄存單元和模加法器之間的關系可以由個乘法系數集序列表示：【（萌，；，竹），（：，：，

36、硝，嘶），（：，：，盛，嘶）】（）式中，汪，（后，；，；，仰）是信號星座圖集中的一個元素，心是第個移位寄存器的記憶長度，編碼器全部記憶長度的和，為咋的總和，即（）。爿表示時刻編碼器對發射天線的輸出，可由下式得出：卅川（，）（）對于，空時網格編碼能夠實現豇的帶寬利用率。與空時分組碼相同，空時網格編碼的設計依舊可以依據秩準則和行列式準則。一般情況下當編碼系數，和系統接收天線的乘積聊。時，秩與行列式準則適用，當聊足時，則采用跡準則。在這兩種準則下，最佳的生產多項式是由計算機搜索產生的，當采用編碼發射，發收的空時網格編碼生成多項式的計算可由表給出。表空時網格編碼的生產多項式結構生產序列秩行列式【（，）

37、，（，）】，【（，），（，）】（，），（，）】，【（，），（，），（，）】【（，），（，），（，）】，【（，），（，），（，）】【（，），（，），（，），（，）】，【（，），（，），（，），（，）】空時網格編碼的網格圖可以看到基于生產多項式的空時網格碼結構不利于表示和描述，所以通常采用網格狀態轉移圖的形式表示空時網格編碼。網格圖的狀態數取決于圖武漢理工大學碩士學位論文或圖中每路編碼器中狀態寄存器的個數七，并有最。，采用的發射天線的狀態和狀態網格圖如圖所示。，圖空時網格碼狀態和狀態的網格圖因為采用發射天線的結構，上圖每一橫向支路表示在該狀態，下輸入比特為，時輸出的符號序列。編碼狀態沿著支路從，轉

38、移到，然后開始下一個時刻的編碼。譯碼算法及性能分析對于空時網格碼的譯碼，采用基于空時度量的算法。在理想信道狀態信息下，信道衰落因子對于譯碼器來說已知。假設是接收天線，在時間，的接收信號，則轉移分支與接收信號矢量的歐式距離可以通過如式（）實現：，；一匆用糟（）算法是用于計算最小累積距離的，在進行“加比選操作時，首先對進入同一狀態節點的分支計算出這些分支與接收信號矢量間的歐式距離，選出具有最小歐式距離的分支，同時舍去其他分支。圖是狀態調制的采用巧算法時的譯碼路徑圖，橫武漢理大學碩士學位論文坐標表示譯碼時刻，各支路上的數據表示譯碼結束時輸出的符號。：【】圖空時網格碼的譯碼支路圖給出了和在平坦衰落下的

39、曲線，從仿真可以看出，在單徑平坦衰落信道下相比而言具有相同的分集增益。但是相比而言，性能略優于，其增益就來源于網格編碼來帶了的更多的編碼增益。岳；十丌一；！；、。吣；摹耄弋薹一、一、。一、弋一？、：一篝、！弋、。、。、：、第章超正交空時編碼及極化分集超正交空時碼概述如前所述的空時網格編碼改進了多天線系統的差錯概率，這種編碼方式在獲得附加信噪比優點的同時，可以提高全額的分集增益。但是采用這種編碼規則來達到全額分集增益卻往往不能達到最佳化，隨著網格狀態數的不斷增多，也并沒有更多的通用規則來進行編碼設計。怎樣通過擴大信號點距離來到達更大的編碼增益，一直時空時編碼領域研究的熱點。等人在年提出了一種所謂

40、的超正交空時網格編碼（），這是對傳統空時編碼的一種改進，很多研究人員已經通過實驗室的方法驗證改編碼方式能同時夠達到較高的編碼和分集增益【】。超正交空時碼的編碼規則超正交空時網格編碼由空時分組碼和空時網格編碼聯合構造而成，可以達到全編碼速率的復信號空時分組碼方案可由以下矩陣表示：，工一、（五，）。（）一屯五這種方案可用于發射天線數，接收天線數目為任意數目的天線系統。這種方案在每兩個符號周期傳輸比特數據，所利用的維（一）星座圖大小為。對于每個傳輸塊，每比特進行編碼，編碼器選取兩種調試符號和和矗。于是，使用這樣的傳輸塊之后，在第一個傳輸時刻，編碼器從第一根天線發送，從第二根天線發送而。同樣在第二發送時刻，分別從第一和第二根天線上發送的符號為一和薪，這種系統提提供了滿分集增益，但是并沒有附加的編碼增益。在外編碼中聯合使用空時網格編碼，我們可以取得一些附加性能的增益。以的正交空時分組碼矩陣（信號星座點）為例，外部的網格編碼的任務就是根據當前的狀態和比特的輸入信息，從信號點中選擇一組信號作為發射矢量信號。文獻【】中已經表明，對于慢衰落信道，網格編碼在需要遵從“編碼方案”信道下的信號分集