淺析發(fā)射分集與接收分集技術

1、淺析發(fā)射分集與接收分集技術1概述1.1多天線信息論簡介近年來,多天線系統(tǒng)（也稱為MIMQK統(tǒng)）引起了人們很大的研究興趣,多天線 系統(tǒng)原理如圖1所示，它可以增加系統(tǒng)的容量，改進誤比特率（BER）.然而，獲得這 些增益的代價是硬件的復雜度提高，無線系統(tǒng)前端復雜度、體積和價格隨著天線 數(shù)目的增加而增加。使用天線選擇技術，就可以在獲得MIMO8統(tǒng)優(yōu)勢的同時降低成本。圖1MIMOC統(tǒng)原理丁/I '八/ I有兩種改進無線通信的方法：分集方法、復用方法。分集方法可以提高通信 系統(tǒng)的魯棒性，利用發(fā)送和接收天線之間的多條路徑，改善系統(tǒng)的 BER在接收 端，這種分集與RAK接收提供的類似。分集也可以通過使

2、用多根發(fā)射天線來得到，11 ' I ； 但是必須面對發(fā)送時帶來的相互干擾。這一類主要是空時編碼技術。另外一類MIMO技術是空間復用，來自于這樣一個事實：在一個具有豐富散射的環(huán)境中，接收機可以解析同時從多根天線發(fā)送的信號，因此，可以發(fā)送并行獨立的數(shù)據(jù)流，使得總的系統(tǒng)容量隨著 min（M、Mt）線性增長，其中和吊（是 接收和發(fā)送天線的數(shù)目。1.2空時處理技術 *, . ' ''空時處理始終是通信理論界的一個活躍領域。在早期研究中，學者們主要注 重空間信號傳播特性和信號處理，對空間處理的信息論本質(zhì)探討不多。上世紀九 十年代中期，由于移動通信爆炸式發(fā)展，對于無線鏈路傳輸

3、速率提出了越來越高 的要求，傳統(tǒng)的時頻域信號設計很難滿足這些需求。工業(yè)界的實際需求推動了理論界的深入探索。在MIM皴術的發(fā)展，可以將空時編碼的研究分為三大方向：空間復用、空空間分集技術多天線分集接收是抗衰落的傳統(tǒng)技術手段，但對于多天線發(fā)送分集，長久以來學術界并沒有統(tǒng)一認識。1995年Telatarp3首先得到了高斯信道下多天線發(fā) 送系統(tǒng)的信道容量和差錯指數(shù)函數(shù)。他假定各個通道之間的衰落是相互獨立的。 幾乎同時，F(xiàn)oschini和Gansft4得到了在準靜態(tài)衰落信道條件下的截止信道容 量(OutageCapacity)。此處的準靜態(tài)是指信道衰落在一個長周期內(nèi)保持不變，而周期之間的衰落相互獨立，也

4、稱這種信道為塊衰落信道(BlockFading)。Foschini和Gans勺工作，以及Telatar的工作是多天線信息論研究的開創(chuàng)性 文獻。在這些著作中，他們指出，在一定條件下，采用多個天線發(fā)送、多個天線 接收(MIMO)系統(tǒng)可以成倍提高系統(tǒng)容量，信道容量的增長與天線數(shù)目成線性關系 1.4空時塊編碼(STBC)本文我們主要介紹一類高性能的空時編碼方法一一空時塊編碼 (STBC:SpaceTimeBlockCode)。,STB稀碼最先是由Alamouti1在1998年引入的，采用了簡單的兩天線發(fā)分 集編碼的方式。這種STB麻碼最大的優(yōu)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增益

5、。Tarokh5進一步將2天線STB麻碼推廣到多天線形式, 提出了通用的正交設計準則。2MIMO原理及方案j2.1經(jīng)典最大比接收合成(MRRC方案圖3典型2分支MRRC!帶工作原理圖如圖3所示，在給定的時間，一個信號So被從發(fā)射機發(fā)送出去。包括發(fā)射鏈、 . I 4;空中鏈路、和接收鏈影響的信道可被塑造為由幅度響應和相位響應構成的一個復 數(shù)相乘失真(畸變)。發(fā)射天線和接收天線0間的信道由ho表示，發(fā)射天線和接收 天線1間的信道由h1表示，即兒=11/(1)在兩個接收機中添加上噪聲和干擾。最終接收到的基帶信號為r 二 h1So n1(2)式中n0和n,表示復信噪聲和干擾。假定兀和”為高斯分布，在接

6、收機，對于這些接收信號的最大似然判決規(guī)則是選d2(ro,hoS ) +d2(ri,hiS() <d2(ro,hoSk) +d2",hiSk),已i # k(3)式中d2(x,y)是信號x和y間的歐式距離的平方值，表示為2* .一d (x, y) =(x-y)(x - y )(4)2分支MRRCJ接收機合成方案是,22、.*.*= (：-o ' .-1 )So hon° hi n1(5)展開式(3)并使用式(4)和式(5),我們得到選才¥ Si ,當且僅當30 +ai2)|s|2 -)Si -s0*Si <(ct(2 +32)周2 -Sosk 一

7、)*Sk, Vi ¥k(6)U / £ -1或者等效為選擇S ,當且僅當I； ；i .1； ； I/2 上 2 I 2 2 2 .2|2 上2/ x w ,1 /-7、(口0 +5-1)|s +d (so,Si)«(%+% -1)|Sk +d (So,Sk) , Vi#k 對于PSK信號(同等能量星座)1Si 2 = |sk=E s , Vi, k (8)式中以是信號能量。因此，對于 PSKJ號，在式 中的判決規(guī)則或許被簡化為選才¥ Si ,當且僅當d2(o,Si) <d2(so,sk) , Wk(9)接著，最大比合成器構建出信號 京，如圖1所示，

8、最大似然檢測器產(chǎn)生1，它是寫。的一個最大似然估計值。2.2空時塊編碼(STBC)STBCS碼最先是由Alamouti引入的，理論模型如下圖2.2:圖2.2Alamouti空時塊編碼器結(jié)構單接收機雙分支發(fā)射分集方案：圖4單接收機、雙分支發(fā)射分集方案的基帶原理圖如上圖所示，該方案使用2個發(fā)射天線和1個接收天線。該方案可由下述3項 功能定義：(1)在發(fā)射機端的信息符號編碼和發(fā)射序列；(2)在接收機端的合成方案；(3)最大似然檢測定判決規(guī)則。2.2.1 編碼和發(fā)射序列在一個給定的符號周期中，兩個信號同時從兩個天線上被發(fā)射出去。從天線 0上發(fā)射的信號記作s。，從天線1上發(fā)射的信號記作導1。在下一個符號周

9、期天線0 發(fā)射信號(-S；)，天線1發(fā)射信號這里的？表示復數(shù)共腕操作。這個序列如表1 所列。表1中，在空間和時間進行編碼(空間-時間編碼)。然而，此編碼也可在空間 和頻率上進行。取代兩個相鄰符號周期，使用兩個相鄰載波(空間-頻率編碼)。表1用于雙分支發(fā)射分集方案的編碼和發(fā)射序列在時刻t,對于發(fā)射天線0信道可由一個復數(shù)乘積失真(畸變)ho(t)表示；對 于發(fā)射天線1信道可由一個復數(shù)乘積失真(畸變)E(0表示。假定跨越連續(xù)兩個符 號的衰落保持不變，我們能夠?qū)懗鯻j -吊Ih1(t) =%(t T)=工=Mej?(10)式中T是符號持續(xù)時間。接著，接收到的信號能夠表示為： w %*1 8 r. _

10、* * .r1 = r(t T) = -hoSi hSo n1(11)式中ro和A是在時刻t和t+T接收到的信號，“口和是復值隨機變量，代表接收到 的噪聲和干擾。2.2.2 合成方案圖4所示的合成器構造了下述兩個合成的信號，它們被送到最大似然檢測器：, *，*si = h1 r0 - h0r1(12)需要注意的是這個合成方案不同于式(5)中MRRC合成方案。將式(10)和式(11) 帶入式(12)我們得到，22*. *（13）Si =（-0： 1 ）Si hoBhn。2.2.3 最大似然判決規(guī)則這些合成的信號接著被送到最大似然檢測器，在那里，對于信號 s。和后1 ,使用在式 或式（9）中給出的

11、判決規(guī)則（針對PSKt號）。最終在式（13）中的合成信號等同于從式（5）雙分支MRRC案的合成信號。唯 一的差別是噪聲部分的相位旋轉(zhuǎn)，它不會降低有效 SNR因此，新單接收機雙分 支發(fā)射分集方案的分集階數(shù)等同于雙分支 MRR C分集階數(shù)。B、M個接收機雙分支發(fā)射分集或許存在需要較高的分集階數(shù)，同時遠端單元允許配置多個接收天線的應用 場景。在此情況下，采用2個發(fā)射天線、M小接收天線，提供2瀕量的分集階數(shù)是 可能的。例如，我們詳細討論2個發(fā)射天線、2個接收天線的情況。一般來說，對 M個接收天線的歸納是不重要的。圖5使用2個接收機的新雙分支分集方案表2發(fā)射天線和接收天線間信道定義表3對2個接收天線中的

12、接收信號的標識圖5為采用2個發(fā)射天線和2個接收天線的新方案的基帶原理。此配置中信息符 號的編碼和發(fā)射序列等同于單接收機情況， 如表1所列。表2定義了發(fā)射天線和 接收天線間的信道，表3定義了在2個接收天線中已接收信號的表示方法。這里 , I ,*,*3 =-h2s h3s n3（14）no, m,門2和門3是代表接收機熱噪聲和干擾的復值隨機變量。圖 3中的合成器 建立了下述兩個被發(fā)送到最大似然檢測器的信號：, *1 =I0 -horh3r2帶入適當?shù)姆匠?，可得?,2222、 * , * * , *& =（口0 +% +«2 +«3）S1 -hoQ +工 no -h2

13、n3 +h3n2 （16）這些合成信號接著被送到最大似然檢測器，對于信號乳該判決器使用式（17）給出 的判決標準（或者對于PSK信號使用式（18）來源：網(wǎng)絡轉(zhuǎn)載選擇Si,當且僅當/222,2 八一(Cf0 +，+口2 +13 -1) S2.2 .、.2222d (0, 5) - (> 0 "二1 - ：' 2 :"13 一 1)22Sk +d (S0,Sk)(17)選擇Si,當且僅當d2(o,Si) <d2(o,Sk), yik(18)類似，對于S1,使用此判決規(guī)則選擇信號 嗡，當且僅當22 -1)|Sk +d (1,Sk)(19)2222.22 一(二

14、 0 二1 : 2 1 3 -1)Sd (1,)< (：或者，對于PSK信號，選擇Si,當且僅當2®,S) <d2(5,Sk), Vi =k(20)在式(16)中的合成信號等同于4分支MRRC勺合成信號(4分支MRR本文沒有介 紹)。因此，采用2接收機的新雙分支發(fā)射分集的分集階數(shù)等于 4分支MRRCf案 的分集階數(shù)。值得注意的是，來自2接收天線的合成信號是來自每一個接收天線合成信號 的簡單相加，即，此合成方案等同于單接收天線情況。我們或許可因此得出結(jié)論： 使用2個發(fā)射和M個接收天線，我們能夠為每個接收天線使用合成器， 接著簡單 相加來自所有接收天線的合成信號，從而獲得與

15、2M分支MRRC樣的分集階數(shù)。換句話講，在發(fā)射機使用2根天線，本方案可翻倍采用單發(fā)射天線、多接收天線 系統(tǒng)的分集階數(shù)。,飛r - Z ''一個有趣的配置或許是在鏈路的每一端使用2個天線，用一個發(fā)射機和接收機鏈連接到每一個天線，以便在鏈路兩邊獲得4階分集階數(shù)。3matlab仿真實現(xiàn)及結(jié)果分析3.1 仿真程序見附件中的巾nal_project19.m文件。3.2 仿真結(jié)果3.3 結(jié)果分析結(jié)果表明：發(fā)射分集與接收分集非常的類似。雙分集的發(fā)射分集與接收分集性能是一樣的。從圖中我們可以看到1x2的系統(tǒng)比2x1系統(tǒng)有3dB的優(yōu)勢，這是因為對發(fā)射功 率做了限制，而沒有對接收功率進行限制。如果

16、都限制的話，效果是一樣的。 由于仿真?zhèn)€數(shù)有限，對于2x2系統(tǒng)最后的幾個信噪比的誤碼率值并沒有給出。4結(jié)論一個新型發(fā)射分集方案已經(jīng)提出。使用2個發(fā)射天線、1個接收天線的新方案提供與采用1個發(fā)射天線/2個接收天線的MRRCI同的分集階數(shù)。該方案可進 一步演變成2個發(fā)射天線、M個接收天線方案，以便提供2M階分集。新方案的 明顯應用是提供無線系統(tǒng)中遠端單元的分集改善，用在基站使用2個發(fā)射天線取 代在所有遠端單元中使用2個接收天線。該方案不需要任何從接收機到發(fā)射機的 反饋，并且它的計算復雜性類似 MRRC當與MRRCL較時，如果總輻射功率保持 不變，因為來自兩個天線的不同符號的同時發(fā)射，此發(fā)射分集方案有

17、3dB劣勢。另外，如果總輻射功率加倍，那么它的性能等同于MRRC此外，假定輻射功率相同，與MRRCS要1個全功率放大器相比，此方案僅需要兩個1/2功率放大器， 這對于系統(tǒng)實現(xiàn)或許是個優(yōu)點。當使用導頻插入和提取時，為了實現(xiàn)信道估計， 新方案也需要兩倍數(shù)目的導頻符號。 參考文獻LJ / 廣二一一1"；一1S.M.Alamouti.Asimpletransmitdiversitytechniqueforwirelesscommunications.IEEEJournalonselectedareasincommunications,1998,16(8):1451-14582BrankaVucetic,JinhongYuan.Space-TimeCoding.Chichester,England:Wiley, I 20033I.E.Telatar.CapacityofMulti-AntennaGaussianChannelsJ. Technicalreport,A *,. ' ''T&TBellLaboratoriesInternalTechnicalMemorandum,June19954G.J.Foschin