基于阵列信号处理的空时编码技术研究

【摘要】：基于MIMO的空时编码技术可望在不牺牲发射功率和信号带宽的条件下,满足未来无线通信中高速数据率传输的需求。在现有的空时编码方案中,贝尔分层空时(BLAST,Bell Labs Layered Space-Time)结构和空时分组编码(STBC,Space-Time Block Coding)已被第三代移动通信标准采纳。然而,要实现BLAST和STBC在实际工程中的应用,仍有许多问题亟待解决,例如提高STBC的发射速率、改善BLAST的抗衰落性能以及提高空时码在相关衰落信道中的传输性能等。针对以上问题,本文结合阵列信号处理的方法,研究了两种独立衰落信道下的空时编码结构和相关衰落信道下空时编码的实现方案。主要工作概括如下: 1.针对STBC发射速率较低的问题,提出了一种基于分组干扰抑制算法的分层空时分组编码方案——LSTBC(Layered Space-Time Block Coding)。发射机首先对天线进行分组,每组进行独立的空时分组编码来提高系统的发射速率;接收机采用分组干扰抑制算法实现每组独立的最大似然解码;给出了LSTBC的一种简单的信道估计方法。理论分析和仿真结果表明:在同等条件(相同的传输信道、频带利用率、天线配置和发射功率)下,LSTBC的性能要远优于BLAST,与STBC相比,LSTBC在低信噪比区域也优于STBC。针对频率选择性衰落信道,提出了两种基于OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的LSTBC的实现方案,分别采用奇异值分解和子载波选择矩阵算法来实现组干扰抑制。其中基于子载波选择矩阵的方案有效克服了奇异值分解方案无法应用于下行传输的缺点,实现了单天线接收。 2.针对BLAST抗衰落性能差的问题,提出了一种基于直接序列扩频DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)的分层空时结构——DSSS-BLAST。在保持BLAST分层传输结构的基础上,发射机对每路信号进行扩频处理;接收机通过解扩抑制共信道干扰、分离各路发射信号,实现各路信号的独立检测,并采用RAKE接收以获得最佳的检测性能。通过采用扩频和RAKE接收,DSSS-BLAST同时获得了扩频增益和接收分集增益,并使得信道估计也变得较为简单。理论分析和仿真结果表明:在同等条件下,DSSS-BLAST的性能要远优于BLAST,并且实现了单天线接收,解决了BLAST无法应用于下行传输的问题。除了研究DSSS-BLAST在频率选择性信道下的实现方案,还将DSSS-BLAST的设计思想应用于LSTBC,结合差分空时编码方案,提出了一种无需信道估计、可实现单天线接收的分层差分空时检测方案。 3.研究了信道衰落的相关性对空时分组码性能的影响。采用“单环”信道模型,研究了发射天线间距、接收天线间距与相关系数之间的关系;根据发射分集和接收分集之间的联系,得到了相关衰落信道下空时分组码误码率的解析表示。