基于MIMO技术的空时编码类型仿真实现

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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.Input Multiple.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，本文介绍常见的两种空时编码技术：分层空时码和空时格型码的性能和复杂度，最后对两种编码方案的优缺点进行总结比较。

本文首先对无线MIMO系统的信道模型、信道容量两个主要方面涉及到的有关理论进行了分析；然后研究和介绍分层空时码和空时格型码的原理和编码方法，及其对MIMO信道改善情况，并且比较两种编码方法各方面的优缺点；最后在瑞利衰落MIMO信道下，对空时格型码进行MATLAB仿真与分析，并给出了有关仿真结果。

关键词： MIMO；MATLAB；空时编码；分层空时码；空时格型码

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Abstract

The future breadband wireless communication systems are expected to provide ubiquitous, high-reliability, and high-data-rats mobile multimedia transmission. MIMO （Multiple-Input Multiple-Output）technique utilizing multiple antennas to realize multiple transmissions and multiple receiving can exploit space resource adequately and can improve channel capacity without any loss in bandwidth and transmitting power. So it can meet the need of high data transmission in future wireless communications, closely associated with MIMO technology is space-time coding.The paper introduces principle of three kinds of common space-time coding oftechnology, introduces emphatically the space-time codes, layered grid space-time code, grouping space-time code three common space-time coding scheme and complexity, the performance of the advantages and disadvantages of the three kinds of encoding scheme is summarized. Firstly, the wireless MIMO system, channel models, channel capacity involves two main aspects of the theory are analyzed; research and introduce the layered space-time codes, space-time trellis codes and space time block codes and the principles and coding methods, with it to MIMO channel improvement situation and compare advantages and disadvantages of various aspects of coding; Finally, in theRayleigh fading MIMO channel, I carry on the MATLAB simulation and analysis for the three codes: layered space-time codes, space-time trellis codes and space-time block codes , and give the simulation results.

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Keywords： MIMO；MATLAB； Space.Time Coding； Space.Time Trellis Coding

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目 录

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绪 论 .................................................................................................................................. 1 1.1 课题背景 ................................................................................................................... 1 1.2 MIMO技术概述 ....................................................................................................... 2 1.3 空时编码技术概述 ................................................................................................... 3

1.3.1 分层空时码 .................................................................................................... 3 1.3.2 空时格型码 .................................................................................................... 3 1.3.3 空时分组码 .................................................................................................... 4

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MIMO技术的基本机理及通信过程 ................................................................................ 5 2.1 MIMO系统 ............................................................................................................... 5 2.2 MIMO空时信号模型 ............................................................................................... 5 2.3 MIMO对系统性能的改善 ....................................................................................... 7 2.4 MIMO研究现状 ....................................................................................................... 8 3 MIMO系统的信道特性及容量分析 ................................................................................ 10

3.1 无线信道的衰落特性 ............................................................................................. 10

3.1.1 大尺度衰落 .................................................................................................. 11 3.1.2 小尺度衰落 .................................................................................................. 12 3.1.3 衰落信道的包络统计特性 .......................................................................... 13 3.2 MIMO系统的信道容量 ......................................................................................... 14

3.2.1 恒参信道的信道容量 .................................................................................. 15 3.2.2 随参信道的信道容量 .................................................................................. 16

4 空时编码类型及仿真 ...................................................................................................... 17

4.1 空时编码技术的简介 ............................................................................................. 17

4.1.1 空时编码的系统模型 .................................................................................... 17 4.2 空时分层码 ............................................................................................................. 18

4.2.1 空时分层码的概念 ...................................................................................... 18 4.2.2 空时分层码的编码方法 .............................................................................. 18 4.3 空时格型码 ............................................................................................................. 20

4.3.1 空时格型码的概念 ...................................................................................... 20 4.3.2 空时格型码的编码方法 .............................................................................. 21

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4.3.3 空时格型码的程序 ...................................................................................... 24 4.3.4 空时格形码仿真与分析 .............................................................................. 28

5 两种编码性能的仿真与分析 .......................................................................................... 30

5.1 两种编码方法的性能仿真 ..................................................................................... 30

5.1.1 空时分层码的性能仿真 .............................................................................. 30 5.1.2 空时格型码的性能仿真 .............................................................................. 30

结 论 ........................................................................................................................................ 33 致 谢 ........................................................................................................................................ 34 参考文献 .................................................................................................................................. 35 附录A：英文原文 .................................................................................................................. 36 附录B：汉语翻译 .................................................................................................................. 43 附录C：源程序 ...................................................................................................................... 48

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1 绪 论

1.1 课题背景

最早的无线通信出现在 1897 年，马可尼(Marconi)首次使用无线电进行信息传输并获得了成功。随后的一百多年里，伴随着计算机技术和大规模集成电路技术的发展，无线通信的理论和技术不断取得进步，并成为当今世界最活跃的科研领域之一。从早期的仅在船舶、航空、列车、公共安全等专用领域应用，到如今成为人们日常生活中不可缺少的重要通信方式，无线通信在社会发展中发挥了越来越重要的作用，无线通信突破了有线通信的物理限制，使得用户可以自由地在任何无线电波能够到达的地方进行通信，大大拓宽了通信的空间范围和活跃度。无线通信系统的发展已经经历了大致三个阶段，而且目前正在向后三代或第四代宽带无线通信系统(B3G/4G)的方向发展[1][2]。

第一代无线通信系统(1G)主要是模拟蜂窝和无绳电话系统，采用的是模拟技术和频分多址(FDMA)技术，其典型的代表有美国的AMPS、英国的TACS，北欧的NMT450/900等模拟蜂窝通信系统等.它的主要缺点是频率利用率低、容量小、业务单一、安全性差，不能满足飞速发展的移动通信业务量的需要，于是人们开始转向研究数字通信，出现了第二代移动通信系统。

第二代无线通信系统(2G)起源于20世纪的80年代末，所采用的技术大致可以分为两大类——数字时分多址(TDMA)技术和数字窄带码分多址(CDMA)技术，其代表分别是欧洲的GSM系统和美国的IS.95系统，2G的这两类系统的容量和功能与第一代模拟系统相比有了很大的提高，但业务种类仍然主要限于话音和低速数据，频率使用率仍然较低，而且这两大系统的实现技术有着本质的区别，无法兼容。

第三代无线通信系统(3G)的概念最早是在1985年由国际电联(ITU)提出的，当时称为未来公共陆地移动通信系统(FPLMTS：Future Public Land mobile Telecommunication System)，后来考虑到该系统预计在2000年左右投入商用，而且工作于2000MHz频段，而改为国际移动通信系统IMT.2000(International MobileTelecommunications.2000)。IMT.2000的目标是全球统一频段，统一标准，全球无缝覆盖及漫游；实现高服务质量，高保密性能，高频谱效率；提供多媒体业务，并使终端结构简单，便于携带，价格较低；可与各种移动通信系统融合：包括蜂窝、无绳电话和卫星移动通信等，并适应多用户环

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号带宽B 所带来的限制：

KPtB? d ? N 0 SNR 0 (3.4)

1?及路径损耗对信号的传播距离带来的限制：

?KPt?d ? ? ? (3.5)

?N0BSNR0?通过以上的推导可以看到，如果不采用其他特殊的技术，大尺度衰落可能会导致数据的符号速率以及电波的传播范围受到很大的限制。但是在一般的蜂窝系统中，由于小区的规模相对较小，所以这种大尺度衰落对无线通信系统的影响并不需要单独加以考虑。

3.1.2 小尺度衰落

多径传播是陆地无线通信的主要特征。信号在传播的过程中，会遇到很多建筑物、树木以及起伏的地形，会引起能量的吸收、穿透以及电波的反射、散射和绕射等，因而，移动信道就是充满了各种反射波和折射波的复杂的传播环境，使得到达移动台天线的信号不是来自于单一路径，而是从许多路径上来的反射波和折射波的合成。由于信号通过各个路径的距离不同，因而各个反射波和折射波的到达时间和相位也都不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，会出现不同的情况：同相叠加时信号增强，反相叠加时信号减弱；另外，移动台的运动还会引起多普勒频移，这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由多径引起的，所以称为多径衰落。下面将分别介绍多径传播过程中，多径时延扩展引起的衰落和多普勒频移引起的衰落。

平坦衰落与频率选择性衰落。如果无线信道的带宽大于发送信号的带宽，并且在带宽范围内信道具有恒定的增益及线性相位，那么信号就会经历平坦衰落过程。在平坦衰落的情况下，信道的多径结构会使发送信号的频谱特性在接收机端仍保持不变。然而由于多径导致信道增益的起伏，接收信号的强度会随着时间发生变化。在平坦衰落信道中，信号带宽的倒数远大于信道的多径时延，信号带宽比信道带宽窄的多，可以看成窄带信号。信号经历平坦衰落的条件是：

BS??BC或 T S ?? ? ? （3.6）

其中，BS表示信号带宽，Bc表示信道相关带宽，Ts表示信号带宽的倒数，??是多

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径时延扩展。

如果信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围小于发送信号的带宽，则该 信道特性会导致接收信号产生频率选择性衰落。此时，信道冲激响应具有多径时延扩展，其值大于发送信号带宽的倒数：

Bs?Bc或Ts??? （3.7）

接收信号中包含经历衰减和时延的发送信号波形的多径信号，产生接收性能失真。频率选择性衰落是由于信道中发送信号的时间色散引起的，这样会引起码间串扰(Inter.symbol Interference，ISI)，频域中接收信号的某些频率分量会比其他频率分量获得更大的增益。

快衰落与慢衰落。多普勒频移是由于发射机和接收机之间的相对运动所引起的，这种相对运动引起的接收信号的频率偏移就叫做多普勒频移，用多普勒频移和相干时间来描述。

在快衰落信道中，信道冲激响应在符号周期内变化很快，即信道的相干时间比发送信号的信号周期短。由于多普勒频移引起的频率色散（时间选择性衰落），从而导致信号失真。从频移角度可以看出，信号失真随着发送信号带宽的多普勒扩展的增加而加剧。信号经历快衰落的条件是：

? B （3.8）

或 BsD 其中，TS 和BS 分别表示信号的周期和频率，BD 表示信道的多普勒频移，TC 表示相干时间。一般快衰落仅发生在数据率比较低的情况下。在慢衰落信道中，信道冲激响应变化率比发送的基带信号变化率低得多。因此可假设在一个或若干个带宽倒数的间隔内，信道均为静态信道。在频移中，这意味着信道的多普勒频移比基带信号带宽小的多。所以信道经历慢衰落的条件是：

Ts?TcTS??TC衰落。

3.1.3 衰落信道的包络统计特性

且 B ?? B （3.9）

SD显然，移动台的移动速度及基带信号的发送速率，决定了信号是经历快衰落还是慢

对于发射天线数为N T，接收天线数为NR 的多天线发射多天线接收(MIMO)系统，假设信道矩阵 H 的元素表示为：

hij?rij e i=1,2,...,NR,

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j?ijj=1,2,...,NT （3.10）

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其中，rij表示信道增益的幅度，?ij表示相位。这里假设相位?ij 在[0，2?]内均匀分布，而根据信号衰落幅度所服从的不同的统计分布，称信道服从不同的衰落分布，如瑞利（Rayleigh）衰落分布、莱斯（Rice）衰落分布等。

接收信号是由大量的平面波复合而成的，因而接收信号可视为广义平稳的复高斯随机过程。因此，可以用该随机过程来对信道建模。 将信道矩阵 H 的元素表示成实部和虚部的形式：

hij?Re(hij)?jIm( h ij ) (3.11)

当式(3.11)中的实部Re(hij)和虚部Im(hij)是满足独立同分布，均值为零，方差分别为N0 / 2的高斯随机过程时，信道增益的幅度rij服从 Rayleigh 分布：

? x (3.12)

22xprij(x)?eN02N0,x?0E(hij)?N0 (3.13)

当接收信号还具有镜面或者直达分量时，此时式(3.11)中的实部Re(hij)和虚部

Im(hij)是均值不为零，方差均为N0 / 2的高斯随机过程，此时其包络分布服

从莱斯（Rice）分布：

x?A???22

?2xA?2xN0 p r ( x ) ? , x ? 0 (3.14) ? e I 0 ?ijN0?N0?其中，参数 A是直达信号幅度的峰值；I0( x )是零阶第一类修正的贝塞尔函数。莱斯因子K 定义为直达分量与多径分量的功率之比，可以用莱斯因子K 来描述莱斯分布：

K ? A 2 ( N ) (3.15)

0莱斯因子能够完全地确定莱斯分布。当 A → 0， K→ ?∞ ( dB)时，即直达信号幅度减小时，莱斯分布就转变为瑞利分布。因此，瑞利分布是莱斯分布的一个特例，莱斯分布是瑞利分布的一个扩展。

3.2 MIMO系统的信道容量

信道容量的定义是[6]：在任意小的错误概率情况下，系统所能达到的最大的传输速率。早在1948年Shannon就研究了SISO系统带限噪声信道中的可靠通信问题，提出了

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SISO系统信道容量的基本公式，SISO系统的信道容量C 可以表示为：

C?log2?1??? bits/s/Hz (3.16)

其中，?表示接收端的平均信噪比。该公式给出了SISO系统进行可靠通信的信息传输速率的上限。 3.2.1 恒参信道的信道容量

当发射端未知信道的状态信息时如果发射机不知道信道状况，并且发射向量s是统计独立的，此时的最优方案是将发射功率平均分配到每根天线上，这样得到信道容量[6]为：

C?log2det(INR

rP?HHH)NTN0(3.17)

P??log2(1??i)NTN0i?1其中，r 是矩阵HHH 的秩，?i ( 1, 2,...,r )是其对应的特征值。这样，可以认为无线 MIMO 系统的信道可等效为r 个独立的并行子信道，如果NT>NR，则H的秩不大于NR；如果NT

MIMO 信道的容量就等效于这 r 个 SISO 子信道的容量之和，每个子信道与 H的一个奇异值?i相对应，表示对信号振幅的增益，所以矩阵HHH的特征值就表示信道对信号功率的增益，即每个子信道的功率增益为?i ( 1, 2,...,r ) 发射功率为p?PNT并且与子信道的特征值无关。由此，(3.17）式可以改写为：

pC??log2(1??i)N0i?1r

(3.18)

当发射端已知信道状态信息时如果信道H 对于发射端来说是已知时，就可以使用奇异值分解的方法提取信道矩阵的r 个特征值。为了使整个信道的容量达到最大，可以

按照提取出来的特征值{?i}，来给每一个子信道分配发射功率pi。根据 Gallager[7]的注水定理，给每一个子信道分配的功率满足下列关系式：

1 1 (3.19) p ? 1 ? p ? ? ...?p??L1

?12?2r?rL 为一公共因子，各个子信道所分配到的发射功率要受总发射功率 P 的限制：

r (3.20)

?pi?1i?P

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式（3.20）说明，具有最大特征值的子信道或最高增益的子信道被分配到最大一部分功率。当 1 ? i ? L 时，pi=0，因此，信道容量表达式为：

piC?log(1?? ? 2 i 2 ) (3.21)

i?1r?3.2.2 随参信道的信道容量

当信道不是确定性的而是随机时变的，那么每次信道的使用都是信道所表示的随机过程的一次独立实现，信道容量公式计算的值也将是随机变量。在随参信道的假设下，信道容量被看成是一个随机变量，在这种情况下，可以用平均容量和中断容量来对 MIMO 信道容量进行描述[6]。

1、平均容量

MIMO 信道的平均容量也可以称为各态历经容量(ergodic capacity)，是对随机信道容量的所有可能的实现进行平均的结果，也就是说只有对无限长的独立衰落数据分组进行编码才有可能达到这个容量。平均容量的表达式如下：

C log det( I H ) (3.22) ? E? HH2

2、中断容量

?H??NRPNTN0???平均容量需要考虑无限长的数据分组，但在实际中数据分组的长度往往都是有限的，最常见的例子如语音传输。在这种情况下，我们相应的给出中断容量[3] (outage capacity)的概念。中断容量是系统能以某一较高确定概率保证的速率，其定义如下：

如果系统的容量小于某一固定值Cout的概率为一个较小的数值pout，即有

p ? { C C } (3.23) ?outout则称pout为中断概率，而称Cout为中断容量。

从上述的定义可以看出，中断概率和中断容量是相互对应的。也就是说，系统能以1.pout的概率保证容量高于定值Cout，或者说，系统所有实现中，容量低于定值Cout 的概率是某一确定值pout。因而谈到中断容量，必然有一个中断概率与之对应，反之亦然。

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4 空时编码类型及仿真

4.1 空时编码技术的简介

空时编码在不同天线所发送的信号中引入时间和空间的相关性，从而不用牺牲带宽就可以为接收端提供编码系统所没有的分集增益和编码增益。目前的空时码可以分为两大类：一类是以最大分集为目标，包括有空时分组码（STBC）、空时格型码（STTC）等；一类是以最大速率为目标，其中以贝尔实验室的空时分层码（BLAST）方案最为出名。目前，空时分组码和空时分层码已被3GPP采用。空时格形码可以提供最大可能的分集增益和编码增益，而不会牺牲发射带宽。然而，这种码的译码却需要使用Viterbi译码器的向量形式，复杂度较高，对于目前还是资源有限的无线通信系统显得不太实用，空时分组码则克服空时格码译码复杂度高的缺点。 4.1.1 空时编码的系统模型

考虑一个具有Nt个发射天线、Nr个接收天线的无线通信系统，如图4.1所示。

xt1ct空时编码器rt1接收机信源xt串并转换器调制xtNt调制rtNr 图4.1 空时编码的系统模型

将发射数据送入空时编码器进行编码。在t时刻，将由m个二进制信息符号组成的块ct送入空时编码器，这个块可表示为：

ct??ct1ct2?ctm? （4.1）

空时编码器将M =2m个点的信号集中的m个二进制输入数据映射成nr个调制符号。将这个编码数据送到串并变换器，得到nr个并行的符号序列，表示为：

xt?x?1tx2t?xNtt?T （4.2）

式中，T表示矩阵的转置。Nt个并行输出由Nt根不同的天线同时发射出去，这样符

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号xt?1?i?Nt?表示是由发射天线阵列的第i个天线发射出去的符号，并且所有发射符

i号都有相同的时间宽度Ts。假定信道是无记忆的，那么从一根发射天线到一根接收天线的每一个链路都可以用平坦衰落模型来表示。发射天线数为Nt接收天线数为Nr的MIMO信道在t时刻可以用信道矩阵H表示为：

t?h1,1?t?h2,1Ht????t?hN?r,1tth1,2th2,2?thNr,2t?h1,Nt?t?h2,Nt????? （4.3）

t??hNr,Nt??其中，用hj,i表示从第i根发射天线到第j根接收天线之间的信道衰减系数。

4.2 空时分层码

4.2.1 空时分层码的概念

分层空时码（LSTC）(Layered Space.Time Coding)是最早提出的一种空时编码方式，又俗称贝尔实验室分层空时结构(BLAST， Bell Labs Layered Space.Tirrae )，是由贝尔实验室在1998年提出的一种利用多根发射天线实现数据流的多路并行无线传输的方法。BLAST的特点是系统结构简单，易于实现，频带利用率随着发射天线数目的增加而线性增加，它所能达到的传输速率是单天线系统无法想像的。分层空时码通过一维信号处理方法来处理多维信号，一般适于接收天线数多于发送天线数的无线MIMO系统。BLAST能提供一定的接收分集增益，但由于BLAST没有直接在空域上引入不同发射天线发送信号间的相关性，因此不提供发射分集增益，所以，从严格意义上讲分层空时码不能算作为一种真正的空时编码方法。BLAST根据信号构造方式的不同可以分为对角结构(D.BLAST)垂直结构( V.BLAST )和水平结构( H.BLAST )，D.BLAST接收端的检测复杂度高，但性能较好;而V.BLAST检测复杂度低，较为实用。 4.2.2 空时分层码的编码方法

分层空时码的编码结构如图4.2所示。它的基本思想是：先把高速数据业务分解成若干低速数据业务，然后通过普通的并行信道编码器编码，再对其进行并行的分层编码。编码后的信号经调制后从多个天线发送，实现发送分集。

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输入多路分解器编码器1编码器N波束形成空间分离器译码器1复用器译码器N输出 图4.2 分层空时码编码框图

从m个并行信道编码器送出的信号有三种分层空时编码方案:对角分层空时编码(DLSTcoding)、垂直分层空时编码(YLST coding)和水平分层空时编码(HLST coding)。为方便，设m=4，信道编码器的输出如图4.3所示。

图4.3 信道编码器输出

传统信道编码加交织本质上是时间编码，对角分层空时编码器接收从并行信道编码器的输出，按对角线进行空间编码，其原理如图所示。从图4.4中可以看出，为处理规范右下方排m( m一1)/2个0码元后，第一个信道编码器输出的开始m个码元排在第一条对角线，第二个信道编码器输出的开始m个码元排第二条对角线，一般第i个信道编码器输出的第j批m个码元排在第(i + (j一1) ? m)条对角线。编码后的空时码元矩阵中的每一列，经m个发送天线同时发送。

······c81 c44 c43 c42 c41 c04 c03 c02 c01 至天线1 ······c54 c53 c52 c51 c14 c13 c12 c11 0 至天线2 ······c63 c62 c61 c24 c23 c22 c21 0 0 至天线3 ······c72 c71 c34 c33 c32 c31 0 0 0 至天线4

图4.4 对角空时编码原理

垂直分层空时编码器接收从并行信道编码器的输出，按垂直方向进行空间编码，其

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原理如图4.5所示。从图4.5中可以看出，第一个信道编码器输出的开始m个码元排在第一列，第二个信道编码器输出的开始m个码元排第二列，一般第i个信道编码器输出的第j批m个码元排在第(i+ (j一1) ?m)列。编码后的空时码元矩阵中的第一列，经m个发送天线同时发送。

······c44 c43 c42 c41 c04 c03 c02 c01 至天线1 ······c54 c53 c52 c51 c14 c13 c12 c11 至天线2 ······c64 c63 c62 c61 c24 c23 c22 c21 至天线3 ······c74 c73 c72 c71 c34 c33 c32 c31 至天线4

图4.5 垂直空时编码原理

水平分层空时编码器接收从并行信道编码器的输出，按水平方向进行空间编码，即每个信道编码器编码后的码元直接送对应的天线(信道编码器与天线是一一对应的)发送出去，其原理如图4.6所示。

······c51 c41 c31 c21 c11 c01 ······c52 c42 c32 c22 c12 c02 ······c53 c43 c33 c23 c13 c03 ······c54 c44 c34 c24 c14 c04

图4.6 水平空时分层码的编码原理

比较上述三种分层空时编码方案，对角分层空时编码具有较好的空时特性及层次结构但有m( m一1)/2bit的传输冗余。垂直分层空时编码的空时特性及层次结构较对角分层空时编码差，但没有传输冗余。水平分层空时编码的空时特性很差。本文下面的讨论中都是针对垂直分层空时编码技术。

4.3 空时格型码

4.3.1 空时格型码的概念

空时格型码(STTC，Space.Time Trellis Codes)是继空时分层码之后提出的另一种空时编码技术，将无线MIMO系统的调制器和空时编码器两个模块联合起来考虑，采用差错控制编码、调制与发送分集相结合，在空间域和时间域进行联合编码的方式。STTC能够在不增加系统带宽的前提下得到最大可能的分集增益和编码增益，从而提高信息传

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输质量。图3.7所示为基于QPSK调制的4状态STTC的状态转移图。STTC不同于其他TCM编码，他的每一条状态转移分支上分配有两个QPSK符号，分别经由两个天线同时发送出去。

若采用2b 个信号点的星座图，在保证最大分集增益前提下STTC可达到的频率利用率最大为 b bit/s/Hz；但空时格型码最大的缺点是译码必须采用Viterbi译码算法，其译码复杂度随分集阶数r和频带利用率b按指数增长，即使对于较小的r和b，相应的译码复杂度也会很大，因此，对于高速率信息传输的系统显得不实用；其次，对于任意数目的发射天线，空时格型码的设计十分困难，对特定发射天线数的MIMO系统空时格码的设计一般借助计算机搜索的方法来完成。如何较好地解决上述问题是今后重要的研究方向。

4.3.2 空时格型码的编码方法

空时格型码的编码原理框图如图4.8所示。它是在延时分集的基础上结合TCM（Trllis Coding Modulation）编码提出的，实际上是发送分集方式的改进。STTC把编码和调制结合起来，综合考虑了编码增益和分集增益的影响，充分利用多发送天线的空间分集和信道编码及交织的时间分集，提高了频带利用率。格型编码器采用多进制调制方式，可以提高系统的传输速率，但采用多进制后，信号之间的差别减小，要达到相同的误码率性能，多进制方式所需的信噪比要比二进制高。所以，只有在信道衰落比较小的时候，才可以考虑使用更高频谱效率的调制方式来提高平均数据速率。空时格型码编码方案可以获得与最大比合并接收（MRC：Maximal Ratio Combining）相同的分集增益。除了分集增益外，良好的空时格型码还可以获得大量的编码增益。

输入脉冲形成1信道编码格型编码脉冲形成N调制器1 调制器N图4.8 空时格型编码框图

空时格形码以格形编码调制为基础，是一种重要的非线性编码方法，空时格码的一个直观特征就是它可以通过一个栅格结构生成和表达，这可以通过维特比算法非常方便

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图5.3 瑞利信道下Alamouti算法的误码率

从图中四条曲线可以看到采用Alamouti编码的MIMO系统的误码率要明显小于不采用空时编码的单发单收系统，随着信噪比的不断增加，这种优势越加明显。采用最大比值合并方式的一发二收和采用Alamouti编码的二发一收编码对系统误码率的改善情况大致相同，例如，在信噪比为10dB时与信噪比为15dB时，两种方式的误码率之差基本相同，这一趋势不会随着信噪比的变化而变化。采用Alamouti编码的二发二收的MIMO系统的误码率明显低于不采用空时编码的单发单收系统和采用最大比值合并的接收分集系统并且随着信噪比的不断增加改善效果更为明显，通过空时编码提高信道容量，增强抗衰落特性。同时还可以看出，随着分集数的增加，采用Alamouti编码的MIMO系统性能将越来越好，我们可以看到，当信噪比在13dB时候，二发二收的MIMO系统的误码率已经降到了10.5。对比第一条曲线和第三条曲线，可以看出采用分集技术的多天线系统的性能要优于单天线系统。我们有理由相信，随着接受天线数的增加，MIMO系统的误码率会得到进一步的降低，性能也越加优越。

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结 论

在这几个月的时间里，本课题主要完成了以下几个方面的工作：

1. 通过所学知识以及查阅资料了解MIMO信道下的各种编码方法，其中包括分层空时码和空时格型码。

2. 学习Matlab软件，用来对各种编码方法对信道性能改善情况进行仿真，其中包括信道容量和增强抗衰落特性。

3. 选取不同的天线数，对空时格型码和分层空时码的信道容量随发射和接收天线数的变化关系进行仿真，从而得出结论。

经过MIMO空时编码的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。利用MIMO空时编码技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。本课题通过对空时格型码、分组空时码和分层空时码的编码方法进行仿真，将其进行对比，从而直观的展示出MIMO系统的优越性。

当然，文中还有很多的缺点和不足之处，主要有以下几点：

1. 由于本科所学的知识有限和科研能力的不足，不能对MIMO信道空时编码技术更深层次的研究。

2. 由于毕业设计的时间有限和之前对MIMO系统的不了解，查找资料和学习相关软件占用了一定的时间，真正深入研究的时间较少。

今后的工作和学习中我一定会更加深入的研究MIMO空时编码技术来完善自己的毕业设计的。

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致 谢

在我大学即将毕业之际，首先感谢我的母校—理工大学四年来对我的培养。在四年的学习生活中，我的母校不仅给我提供了学习的环境、气氛，传授给我知识，还给了我求知的欲望，为我以后走向社会打下了良好的基础，并使我树立了正确的人生观，世界观，价值观。在这里，我也向辛勤培育我们的老师们表示最真挚的感谢，是他们让我的理想变为现实，给了我足够的能力顺利完成我的毕业设计工作，没有母校和老师的栽培，就不会有我的知识和能力。

一段时间的辛勤忙碌之后，我顺利完成了毕业设计。在毕业设计期间，很多老师和同学给了我无私的奉献和帮助。在此，我尤其感谢我的指导老师隋老师。隋老师利用他宝贵的时间给予了我悉心的指导，帮助我解决设计中遇到的难题。同时帮助我们借阅大量资料，使我们的毕业设计不至于无的放矢。

总之，我的毕业设计的完成不是我一个人的功劳，是集结了大家的结晶。我衷心的向帮助我毕业设计完成的老师和同学表示感谢。

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参考文献

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附录A：英文原文

An overview of MIMO Space-time coded wireless systems

Summary

This paper presents an overview of recent progress in the area of multiple-input multiple-output MIMO space-time coded wireless systems. After some background on the research leading to the discovery of the enormous potential of MIMO wireless links, we highlight the different classes of techniques and algorithms proposed which attempt to realize the various benefits of MIMO including spatial multiplexing and space-time coding schemes. These algorithms are often derived and analyzed under ideal independent fading conditions. We present the state of the art in channel modeling and measurements, leading to a better understanding of actual MIMO gains. Finally the paper addresses current questions. Keywords：Spectrum efficiency; wireless systems; MIMO; smart antennas; diversity; Shannon capacity; space-time coding; 3G; beamforming; spatial multiplexing. I .INTRODUCTION

Digital communication using MIMO (multiple-input multiple-output)，sometimes called a \to volume\wireless link, has recently emerged as one of the most significant technical breakthroughs in modern communications. The technology figures prominently on the list of recent technical advances with a chance of resolving the bottleneck of traffic capacity in future Internet一intensive wireless net- works. Perhaps even more surprising is that just a few years after its invention the technology seems poised to penetrate large-scale standard、一driven commercial wireless products and networks such as broadband wireless access systems, Wireless Local Area Networks (WLAN)，3G networks and beyond. MIMO systems can be defined simply. Given an arbitrary wireless communication system, weconsider a link for which the transmitting end as well as the receiving end is equipped with multiple antenna elements. Such a setup is illustrated in Fig. 1.The idea behind MIMO is that

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