淺析發(fā)射分集與接收分集技術(shù)

1、淺析發(fā)射分集與接收分集技術(shù) 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MIMO系統(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(jìn)誤比特率(BER).然而,獲得這些增益的代價(jià)是硬件的復(fù)雜度提高,無線系統(tǒng)前端復(fù)雜度、體積和價(jià)格隨著天線數(shù)目的增加而增加。使用天線選擇技術(shù)，就可以在獲得MIMO系統(tǒng)優(yōu)勢的同時(shí)降低成本。圖1 MIMO系統(tǒng)原理 有兩種改進(jìn)無線通信的方法：分集方法、復(fù)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RAKE接收提供的類似。分集也可以通過使用多根發(fā)射天線來得到，但

2、是必須面對發(fā)送時(shí)帶來的相互干擾。這一類主要是空時(shí)編碼技術(shù)。另外一類MIMO技術(shù)是空間復(fù)用，來自于這樣一個(gè)事實(shí)：在一個(gè)具有豐富散射的環(huán)境中， 接收機(jī)可以解析同時(shí)從多根天線發(fā)送的信號(hào)，因此，可以發(fā)送并行獨(dú)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M和Mt是接收和發(fā)送天線的數(shù)目。1.2 空時(shí)處理技術(shù)空時(shí)處理始終是通信理論界的一個(gè)活躍領(lǐng)域。在早期研究中，學(xué)者們主要注重空間信號(hào)傳播特性和信號(hào)處理，對空間處理的信息論本質(zhì)探討不多。上世紀(jì)九十年代中期，由于移動(dòng)通信爆炸式發(fā)展，對于無線鏈路傳輸速率提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)的時(shí)頻域信號(hào)設(shè)計(jì)很難滿足這些需求。工業(yè)界的實(shí)際需求推動(dòng)了理論界的深

3、入探索。在MIMO技術(shù)的發(fā)展，可以將空時(shí)編碼的研究分為三大方向：空間復(fù)用、空間分集與空時(shí)預(yù)編碼技術(shù)，如圖2所示。發(fā)射機(jī)接收機(jī)MIMO多天線技術(shù)空間復(fù)用技術(shù)(SM)空間分集技術(shù)(空時(shí)編碼/分集接收)空時(shí)預(yù)編碼技術(shù)(波束成形)復(fù)用增益分集增益/編碼增益天線增益/干擾抑制折中折中提高數(shù)據(jù)速率/頻譜效率減小差錯(cuò)率/提高可靠性提高數(shù)據(jù)速率/減小差錯(cuò)率圖2 MIMO技術(shù)的發(fā)展 1.3 空間分集研究多天線分集接收是抗衰落的傳統(tǒng)技術(shù)手段，但對于多天線發(fā)送分集，長久以來學(xué)術(shù)界并沒有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。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(cuò)指數(shù)函數(shù)。他假定各個(gè)通道之間的衰落是相互獨(dú)立

4、的。幾乎同時(shí)， Foschini和Gans在4得到了在準(zhǔn)靜態(tài)衰落信道條件下的截止信道容量(Outage Capacity)。此處的準(zhǔn)靜態(tài)是指信道衰落在一個(gè)長周期內(nèi)保持不變，而周期之間的衰落相互獨(dú)立，也稱這種信道為塊衰落信道(Block Fading)。Foschini和Gans的工作，以及Telatar的工作是多天線信息論研究的開創(chuàng)性文獻(xiàn)。在這些著作中，他們指出，在一定條件下，采用多個(gè)天線發(fā)送、多個(gè)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(guān)系1.4 空時(shí)塊編碼 (STBC)本文我們主要介紹一類高性能的空時(shí)編碼方法空時(shí)塊編碼( STBC: Space Time

5、 Block Code)。 STBC編碼最先是由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STBC編碼最大的優(yōu)勢在于，采用簡單的最大似然譯碼準(zhǔn)則，可以獲得完全的天線增益。 Tarokh5進(jìn)一步將2天線STBC編碼推廣到多天線形式，提出了通用的正交設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。2 MIMO原理及方案2.1 經(jīng)典最大比接收合成 (MRRC)方案圖3 典型 2分支MRRC基帶工作原理圖如圖3所示，在給定的時(shí)間，一個(gè)信號(hào)被從發(fā)射機(jī)發(fā)送出去。包括發(fā)射鏈、空中鏈路、和接收鏈影響的信道可被塑造為由幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)構(gòu)成的一個(gè)復(fù)數(shù)相乘失真(畸變)。發(fā)射天線和接收天線0間的信道由表示，發(fā)射天線和

6、接收天線1間的信道由表示，即 (1)在兩個(gè)接收機(jī)中添加上噪聲和干擾。最終接收到的基帶信號(hào)為: (2) 式中和表示復(fù)值噪聲和干擾。假定和為高斯分布，在接收機(jī)，對于這些接收信號(hào)的最大似然判決規(guī)則是選擇，當(dāng)且僅當(dāng), (3)式中是信號(hào)x和y間的歐式距離的平方值，表示為 (4)2分支MRRC的接收機(jī)合成方案是 (5)展開式(3)并使用式(4)和式(5)，我們得到選擇，當(dāng)且僅當(dāng), (6)或者等效為選擇，當(dāng)且僅當(dāng)， (7)對于PSK信號(hào)(同等能量星座) ， (8) 式中Es是信號(hào)能量。因此，對于PSK信號(hào)，在式(7)中的判決規(guī)則或許被簡化為選擇，當(dāng)且僅當(dāng)， (9) 接著，最大比合成器構(gòu)建出信號(hào)s0，如圖1所

7、示，最大似然檢測器產(chǎn)生s0,它是s0的一個(gè)最大似然估計(jì)值。2.2 空時(shí)塊編碼 (STBC)STBC編碼最先是由Alamouti引入的，理論模型如下圖2.2：圖2.2 Alamouti空時(shí)塊編碼器結(jié)構(gòu)單接收機(jī)雙分支發(fā)射分集方案： 圖4 單接收機(jī)、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(gè)發(fā)射天線和1個(gè)接收天線。該方案可由下述3項(xiàng)功能定義：（1）在發(fā)射機(jī)端的信息符號(hào)編碼和發(fā)射序列；（2）在接收機(jī)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(gè)給定的符號(hào)周期中，兩個(gè)信號(hào)同時(shí)從兩個(gè)天線上被發(fā)射出去。從天線0上發(fā)射的信號(hào)記作s0，從天線1上發(fā)射的信號(hào)記作。在下一

8、個(gè)符號(hào)周期天線0發(fā)射信號(hào)（-s*），天線1發(fā)射信號(hào)s*。這里的表示復(fù)數(shù)共軛操作。這個(gè)序列如表1所列。表1中，在空間和時(shí)間進(jìn)行編碼(空間-時(shí)間編碼)。然而，此編碼也可在空間和頻率上進(jìn)行。取代兩個(gè)相鄰符號(hào)周期，使用兩個(gè)相鄰載波(空間-頻率編碼)。表 用于雙分支發(fā)射分集方案的編碼和發(fā)射序列在時(shí)刻t，對于發(fā)射天線0信道可由一個(gè)復(fù)數(shù)乘積失真(畸變) h0t表示；對于發(fā)射天線1信道可由一個(gè)復(fù)數(shù)乘積失真(畸變) h1(t)表示。假定跨越連續(xù)兩個(gè)符號(hào)的衰落保持不變，我們能夠?qū)懗?(10)式中T是符號(hào)持續(xù)時(shí)間。接著，接收到的信號(hào)能夠表示為： (11)式中和是在時(shí)刻t和t+T接收到的信號(hào)，n0和n1是復(fù)值隨機(jī)變量

9、，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(gòu)造了下述兩個(gè)合成的信號(hào)，它們被送到最大似然檢測器： （12）需要注意的是這個(gè)合成方案不同于式(5)中MRRC的合成方案。將式(10)和式(11)帶入式(12)我們得到 （13）2.2.3 最大似然判決規(guī)則這些合成的信號(hào)接著被送到最大似然檢測器，在那里，對于信號(hào)和，使用在式(7)或式(9)中給出的判決規(guī)則(針對PSK信號(hào))。最終在式(13)中的合成信號(hào)等同于從式(5)雙分支MRRC方案的合成信號(hào)。唯一的差別是噪聲部分的相位旋轉(zhuǎn)，它不會(huì)降低有效SNR。因此，新單接收機(jī)雙分支發(fā)射分集方案的分集階數(shù)等同于雙分支MRRC的分集階數(shù)。B、M個(gè)

10、接收機(jī)雙分支發(fā)射分集或許存在需要較高的分集階數(shù)，同時(shí)遠(yuǎn)端單元允許配置多個(gè)接收天線的應(yīng)用場景。在此情況下，采用2個(gè)發(fā)射天線、M個(gè)接收天線，提供2M數(shù)量的分集階數(shù)是可能的。例如，我們詳細(xì)討論2個(gè)發(fā)射天線、2個(gè)接收天線的情況。一般來說，對M個(gè)接收天線的歸納是不重要的。圖5 使用個(gè)接收機(jī)的新雙分支分集方案表 發(fā)射天線和接收天線間信道定義表 對個(gè)接收天線中的接收信號(hào)的標(biāo)識(shí)圖5為采用2個(gè)發(fā)射天線和2個(gè)接收天線的新方案的基帶原理。此配置中信息符號(hào)的編碼和發(fā)射序列等同于單接收機(jī)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(gè)接收天線中已接收信號(hào)的表示方法。這里 (14)，和是代表接收機(jī)

11、熱噪聲和干擾的復(fù)值隨機(jī)變量。圖3中的合成器建立了下述兩個(gè)被發(fā)送到最大似然檢測器的信號(hào)： (15)帶入適當(dāng)?shù)姆匠?，可得?（16）這些合成信號(hào)接著被送到最大似然檢測器，對于信號(hào)該判決器使用式(17)給出的判決標(biāo)準(zhǔn)(或者對于PSK信號(hào)使用式(18)。選擇，當(dāng)且僅當(dāng) (17)選擇，當(dāng)且僅當(dāng), （18）類似，對于，使用此判決規(guī)則選擇信號(hào)，當(dāng)且僅當(dāng) (19)或者，對于PSK信號(hào)，選擇，當(dāng)且僅當(dāng), (20)在式(16)中的合成信號(hào)等同于4分支MRRC的合成信號(hào)(4分支MRRC本文沒有介紹)。因此，采用2接收機(jī)的新雙分支發(fā)射分集的分集階數(shù)等于4分支MRRC方案的分集階數(shù)。值得注意的是，來自2接收天線的合成信

12、號(hào)是來自每一個(gè)接收天線合成信號(hào)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(gè)發(fā)射和M個(gè)接收天線，我們能夠?yàn)槊總€(gè)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(hào)，從而獲得與2M分支MRRC同樣的分集階數(shù)。換句話講，在發(fā)射機(jī)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)。一個(gè)有趣的配置或許是在鏈路的每一端使用2個(gè)天線，用一個(gè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)鏈連接到每一個(gè)天線，以便在鏈路兩邊獲得4階分集階數(shù)。3 matlab仿真實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析3,1 仿真程序見附件中的final_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

13、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?yàn)閷Πl(fā)射功率做了限制，而沒有對接收功率進(jìn)行限制。如果都限制的話，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(gè)信噪比的誤碼率值并沒有給出。4 結(jié)論一個(gè)新型發(fā)射分集方案已經(jīng)提出。使用2個(gè)發(fā)射天線、1個(gè)接收天線的新方案提供與采用1個(gè)發(fā)射天線/2個(gè)接收天線的MRRC相同的分集階數(shù)。該方案可進(jìn)一步演變成2個(gè)發(fā)射天線、M個(gè)接收天線方案，以便提供2M階分集。新方案的明顯應(yīng)用是提供無線系統(tǒng)中遠(yuǎn)端單元的分集改善，用在基站使用2個(gè)發(fā)射天線取代在所有遠(yuǎn)端單元中使用2個(gè)接收

14、天線。該方案不需要任何從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)的反饋，并且它的計(jì)算復(fù)雜性類似MRRC。當(dāng)與MRRC比較時(shí)，如果總輻射功率保持不變，因?yàn)閬碜詢蓚€(gè)天線的不同符號(hào)的同時(shí)發(fā)射，此發(fā)射分集方案有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MRRC需要1個(gè)全功率放大器相比，此方案僅需要兩個(gè)1/2功率放大器，這對于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)或許是個(gè)優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)使用導(dǎo)頻插入和提取時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)信道估計(jì)，新方案也需要兩倍數(shù)目的導(dǎo)頻符號(hào)。 參考文獻(xiàn)1 S. M. Alamouti. A simple transmit diversity technique for wireless communi

15、cations. IEEE Journal on selected areas in communications, 1998, 16(8): 1451-14582 Branka Vucetic, Jinhong Yuan. Space-Time Coding. Chichester, England: Wiley, 20033 I. E. Telatar. Capacity of Multi-Antenna Gaussian ChannelsJ. Technical report, AT&T Bell Laboratories Internal Technical Memorandum, June 1995 4 G. J. Foschini, M. J. Gans. On limits of wireless communications in a fading environment when using