MIMO无线通信系统中的空时编码方法研究

论文摘要

未来的无线通信系统的目标是实现无所不在的、高速、可靠的移动多媒体传输。由多发射和多接收天线组成的多输入多输出（MIMO,Multiple-InputMultiple-Output）技术正是在不牺牲发射功率和信号带宽的条件下,达到这一目标的有效技术之一。MIMO技术在无线通信链路两端均使用多个天线,可以充分利用无线传播中的多径传输,使频谱利用率和链路可靠性得到极大的提高。与MIMO技术紧密相关的就是空时编码。在现有的空时编码方案中,空时格形码（STTC,Space-Time Trellis Coding）和空时分组码（STBC,Space-Time Block Coding）已被第三代移动通信标准采纳。然而,要实现STTC和STBC在实际工程中的应用,仍有许多问题有待解决,例如降低STTC的译码复杂度、改善STTC发射分集增益、以及如何在STBC中有效的引入编码增益等。针对以上问题,本文结合网格编码调制（TCM,Trellis codingmodulation）技术,研究了在衰落信道下高增益的空时编码的方法。具体工作概括如下:1.研究了超正交空时网格码（SOSTTC,Super-Orthogonal Space-Time Trellis Code）和超准正交空时网格码（SQOSTBC,Super-Quasi-Orthogonal Space-Time TrellisCode）的网格图特性,提出了一种基于合并网格传输路径的超正交空时网格编码方法。新方法研究了2×2正交空时分组码和4×4准正交空时分组码之间的结构关系,并利用二重TCM（2-TCM）编码器构造出可用于四发射天线条件下的满速率、SOSTTC;并将2×2正交空时分组码矩阵结合星座图旋转的方法,使得新方法在获得高的编码增益同时,获得满分集增益。试验结果表明,在相同的仿真条件下,新方法获得的编码增益比现有的基于四发射天线的超准正交空时分组编码方法提高2dB以上。2.研究表明,将TCM技术与STBC结合起来可以进一步提高多天线系统的性能。本文研究了空时编码系统在编码增益,分集增益和传输能量效率的限定下最大化传输速率的问题,提出了一种在保留TCM编码方法校验位冗余的同时,还可获得满速率的级联空时分组TCM编码方法。新方法通过引入具有不同功率分集因子的正交发射码字矩阵,并给出新的最大似然（ML,MaximumLikelihood）译码算法,从而使得新方法在获得满速率的同时还可以获得满分集增益。MATLAB仿真结果表明,在相同的编码状态数下,新方法在编码增益上比现有的满速率SOSTTC提高1dB左右。3.研究表明在多天线系统中,可以利用级联结构来逼近信道容量。本文根据交织的STBC串行级联TCM编码设计标准,提出了一种STBC级联不对称网格编码调制（A-TCM,Asymmetic Trellis coding modulation）的优化设计方案,并推导出在空时分组码级联不对称8PSK调制的TCM情况下最优的星座图旋转角度。仿真和分析结果表明,在相同的频谱效益和译码复杂度的情况下,相比传统空时分组码串行级联TCM的方法,这种串行级联不对称星座图A-TCM方案可进一步提高了系统性能。4.理论和实践研究表明,当网格编码方法中存在并行路径时,相对于一般的TCM技术,采用多重网格编码调制（MTCM,Multi-Trellis coding modulation）技术可获得很好的分集增益。本文提出了基于Frobenius范数的空时多网格编码（ST-MTCM）方法。在新方法中,通过确定ST-MTCM方法的网格图中每个网格分支上传输的最优T×N码字矩阵结构,并采用Ungerboeck的星座扩展和集合分割思想,从而在获得满分集增益的同时,也得到了最优的编码增益。仿真结果表明,相对于传统的空时多网格编码方案,这种新的方法可以获得很好的性能改善;并且,网格分支传输矩阵正交性的确定,极大简化了好码的搜寻过程,无需要针对不同的信道衰落条件设计不同的编码方案。5.研究了TCM以及多重网格编码调制（MTCM,Multi-Trellis coding modulation）技术的原理,提出了一种新的串行级联正交空时M-TCM方法,并给出了不同的信道衰落条件下的码字设计方法。分析和仿真结果表明,在准静态Rayleigh衰落信道下,以及具有相同的编码状态数和译码复杂度的情况下,新编码方法相对于现有的串行级联空时编码方法,在编码增益上与仅相差0.4dB,却可以提高50%左右的传输速度,并且无需对系统的状态数进行限定,即在保证满分集增益的同时又允许网格图中存在并行路径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 论文的研究背景及其意义
• §1.2 研究历史与现状
• §1.2.1 MIMO研究历史与现状
• §1.2.2 信道编码调制技术
• §1.2.3 空时编码技术
• §1.3 论文的主要工作
• 第二章 MIMO通信系统模型和信息论基础
• §2.1 引言
• §2.2 MIMO无线信道
• §2.2.1 无线信道模型
• §2.2.2 MIMO信道模型
• §2.2.3 MIMO系统信道容量
• §2.3 空时编码的经典设计准则和性能分析
• §2.3.1 基于成对错误概率的空时编码设计准则
• §2.3.2 基于等价信道容量最大化的空时码设计准则
• §2.4 典型的空时分组码编码方法
• §2.4.1 Alamouti空时分组码
• §2.4.2 正交空时分组码
• §2.4.3 准正交空时分组码
• §2.5 小结
• 第三章 满速率、满分集超正交空时编码方法研究
• §3.1 引言
• §3.2 系统模型
• §3.3 基于正交和准正交设计的空时分组码
• §3.3.1 超正交空时分组码集合
• §3.3.2 超准正交空时分组码集合
• §3.4 可用于四发射天线的超准正交空时编码技术
• §3.4.1 编码方法
• §3.4.2 编码增益分析
• §3.4.3 译码算法
• §3.4.4 仿真结果及分析
• §3.5 小结
• 第四章 满速率串行级联空时分组MTCM编码方法研究
• §4.1 引言
• §4.2 系统模型
• §4.3 码字设计实例
• §4.4 译码算法
• §4.5 性能仿真分析
• §4.5.1 准静态Rayleigh衰落信道
• §4.5.2 快Rayleigh衰落信道
• §4.6 小结
• 第五章 空时分组码级联不对称网格编码调制
• §5.1 引言
• §5.2 系统模型
• §5.3 系统性能分析
• §5.4 空时分组码级联不对称网格编码调制
• §5.5 仿真实验与讨论
• §5.6 小结
• 第六章 空时多网格编码调制（ST-MTCM）
• §6.1 引言
• §6.2 系统模型及码字设计标准
• §6.2.1 系统模型
• §6.2.2 空时网格码的码字设计标准
• §6.3 ST-MTCM的设计
• §6.4 仿真实验与讨论
• §6.4.1 准静态Rayleigh衰落信道下的性能仿真分析
• §6.4.2 快Rayleigh衰落信道下的性能仿真分析
• §6.5 小结
• 第七章 串行级联正交空时多网格码
• §7.1 引言
• §7.2 系统模型与性能标准
• §7.2.1 准静态Rayleigh衰落信道
• §7.2.2 快Rayleigh衰落信道
• §7.3 串行级联正交空时M-TCM编码方案的码字设计
• §7.3.1 准静态Rayleigh衰落信道下的设计
• §7.3.2 快Rayleigh衰落信道下的设计
• §7.4 数值分析与仿真结果
• §7.8 小结
• 第八章 总结
• §8.1 论文工作小结
• §8.2 论文工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 博士学习阶段（合作）发表与撰写的学术论文
• 博士期间参加的科研项目