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nakagami衰落信道分析和空时分组码的应用

编辑:admin来源:本站原创作者:admin 时间:2015-12-11 09:26
 
一、对指导教师下达的课题任务的学习与理解
 
    随着宽带高速数据通信服务迅猛增长而无线频谱资源却日益匮乏的今天,以信道编码和无线分集技术相结合的空时编码技术,逐渐成为在不牺牲宽带情况下提高无线移动通信系统传输速率、可靠性、系统容量和抗多径衰落的最有应用前景的发展技术之一。目前空时编码主要包括三种基本类型:分层空时编码、空时格型编码和空时分组码三种。其中,基于正交设计的空时分组编码以其简单的编译码算法和良好的性能逐渐成为当前空时编码研究的热点,并被3GPP正式列入WCDMA提案。当今对空时分组编码的大部分研究都局限于瑞利或莱斯衰落信道,而与真实信道相匹配的基于变参伽马分布密度函数拟合所得的Nakagami衰落分布模型能够更加准确的描述实际无线衰落信道的特性。通过改变分布参数m还能方便得到瑞利或莱斯衰落分布的信道模型。
 
    本课题要求我认真学习并掌握无线通信和无线衰落信道的基本原理,了解多输入多输出(MIMO)的系统模型和空时分组码(STBC)技术。在能够满足高速数据通信业务的多输入多输出(MIMO)系统技术中,空时分组码(STBC)是一种简单却具有独创性的发射分集技术,它能够以相对简单的接收机结构及译码算法来获得最佳编码增益和分集增益,从而有效提高无线通信系统容量。这就是我为什么要在多输入多输出(MIMO)的系统环境下研究空时分组码(STBC)技术的重要原因。空时分组码(STBC)的正交结构提供了对来自不同天线信号的去耦功能,并且使译码复杂度仅仅取决于信号星座规模的大小,所以接收机端的最大似然译码可以用简单的线性处理来实现。通过对空时分组码的分析,我了解到:正是基于这种正交结构,空时分组码的MIMO系统才能够转换为一个等效的单输入单输出(SISO)加性高斯白噪声(AWGN)信道模型。为了研究空时分组码在Nakagami衰落下的信道容量以及系统误码率,接下来我的任务就是通过分析空时分组码等效的单输入单输出模型,及该模型下空时分组码经历瑞利、Nakagami衰落信道下瞬时信噪比的概率密度函数,将Nakagami衰落信道等效为一个m分集系统通过的瑞利衰落信道,利用这种等效可以推出空时分组码在Nakagami衰落下的信道增益的概率密度函数,进而推出空时分组码在Nakagami衰落下的信道容量表达式,在构建系统分析模型和设计适当分析算法后,利用Matlab仿真软件绘制系统信噪比——误码率及信道容量的仿真曲线,最后通过分析绘制的数据图谱,得出空时分组码在Nakagami衰落下的信道容量、多输入多输出系统误码率与系统的发射接收天线数量之间的关系等相关结论。
 
二、阅读文献资料进行调研的综述
 
1、调研途径:
    首先到图书馆借阅相关书籍,然后到baidu、google搜索引擎、校园网图书馆数据库的中国学术期刊往(CNKI)和万方论文数据库上搜索相关资料文献,搜索关键词为包括三个:nakagami衰落信道、空时分组码和MIMO,在对这些文献进行分析之后,确定出课题的关键环节、重点内容以及实验方法。
 
2、文献整理:
    在检索文献的过程中,我先直接利用检索系统检索文献信息,按照关键词(如nakagami衰落信道、空时分组码、MIMO等)或者期刊的名称、作者、论文发表时间等利用检索系统进行文献信息检索,这种方法能收集到这一课题的系统文献;然后我再利用已经掌握的文献末尾所列的参考文献,进行逐一地追溯查找“引文”,可以从查到的“引文”中再追溯查找“引文”,最后我再把上述两种方法加以综合运用即先利用检索工具(系统)检到一批文献,再以这些文献末尾的参考目录为线索进行查找,如此循环进行,直到满足要求时为止。
    文献检索完成后我还需要对他们进行归类整理。文献很多,如果只看而不做任何整理,以后再次查阅资料时肯定会做重复劳动,所以我对看过的有价值的内容做一个链接性的整理:首先对看过的文档编号,并在类似文档的文件名的开头做了同样的编号,以便下次查找;其次,对于内容类似的文档资料进行粗略阅读,删除其中的重复内容,保留对研究该课题有用的内容。这样,在以后查找时,只要确定想找的内容,就能找到看过的相应文档了。
 
3、研究理论依据:
 
    ① Nakagami衰落信道
    Nakagami衰落信道接收包络的分布为:,它描述由于散射过程和多径干涉过程造成的传播场的衰落程度。当m=1/2时,Nakagami分布就成立单边高斯分布;当m=1时,Nakagami分布就变成了瑞利分布。由于Nakagami分布中不含有贝塞尔函数,它可以得到运算比莱斯分布更方便的闭合形式解[1]。
 
    ② 空时分组
    空时编码是无线通信的一种新的编码和信号处理技术,它使用多个发射和接收天线进行信息的发射与接收,可以大大改善无线通信系统的信息容量和信息率。Alamouti提出了2天线空时分组码,传输率为1符号/秒且译码算法简单。Tarokh提出了空时分组码的正交设计准则,分析了几种空时分组码的译码准则及性能,并给出了空时分组码在Rayleigh慢衰落环境下一种信道估计方法[2]。
    由于空时分组码相对于空时码具有译码简单的特点,在 CDMA系统的应用有较好的前景。Y.Zhang等人分析了结合空时分组码的CDMA下行链路干扰对消的问题,给出了结合空时分组码的CDMA下行链路的两种解决方案[4]。最近,M.Damen提出了对上行链路的一种处理方法,但由于它对用户发出的信号先进行空时编码,再扩频送至发射天线,所以每个用户需要的扩频码字与发射天线相同。
    空时分组码是在正交设计理论基础上结合Alamouti发送分集发展起来的一种编码方式。对于采用M进制调制的空时码,每m=log2(M)个比特映射一个星座点,即一个符号xi。把来自信源的二进制信息每Km个比特为一组进行调试后可得到K个符号,再把这K个符号送入空时分组编码器根据编码矩阵进行编码,编码后的码块矩阵分别从nt根发送天线上同时发送出去。
 
    ③ MIMO技术
    对于未来移动通信系统而言,如何能够在非视距和恶劣信道下保证高服务质量(QoS)是一个关键问题,也是移动通信领域的研究重点。对于单输入单输出(Single lnput Single Output,SISO)系统,如果要满足上述要求,就需要较多的频谱资源和复杂的编码调制技术,而频谱资源的有限和移动终端的特性都制约着SISO系统的发展,因而MIMO是未来移动通信的关键技术。MIMO技术主要有两种表现形式,即空间复用和空时编码,这两种形式在WiMAX中都得到了应用。WiMAX还给出了同时使用空间复用和空时编码的形式,支持MIMO是协议中的一种可选方案[6]。根据多输入多输出系统的概念和特点,MIMO系统的总体结构方框图如图1所示。
    一方面,在传统的SISO系统中,一组N条下行物理信道(代码)将在许多用户之间共享传输;另一方面,当使用具有M副发射天线的开环MIMO体系结构时,使用同一组代码,每个代码可以重用n次,且每个代码可以调制不同的子流。更准确地说,高速数据源可以进行编码、速率匹配和交织。MIMO发射机的工作原理如图2所示,图中该数据流被解复用为MN个数据子流,且M个数据子流的第n组(n=1,...,N)子流可以使用第n个扩展码进行扩展。每组的第m个数据子流(m=1,..,M)可以进行相加,并通过第 m副天线传送出去,这样共享同一扩展码的子流就可通过不同的天线进行发送。对于M=2或M=4的天线,我们可以使用导频符号序列2或序列4天线的STTD(Space Time  transmit Diversity,空时发送分集)闭环发射分集。
    用户站(SS)使用多副天线和空间信号处理,来区分共享同一扩展码M个子流。 MIMO接收机的工作原理如下,每对发射/接收天线对都需要UE端的一致性检测和复杂的幅度信道估计。MP复杂信道系数代表了平滑衰落信道的特点,而LMP系数(其中L为RAKE接收机数)则代表了频率选择性信道的特点。我们通过计算接收信号与M个正交导频序列的相关性来获取信道估计结果,与传统单天线接收机相比,该接收机具有较高的复杂性(因子为M)。为了对数据进行检测,每副天线需要用到一组与N个扩展码匹配的滤波器,如每副天线需要一个LN解扩器。空时RAKE操作(即通过对相应信道估计值进行复杂的共轭运算,得到对应的LP解扩器输出,进行相加形成充分统计量),可应用于每个不同的MN数据子流中[9]。
    如图3和图4所示,构建一个MIMO系统,由2个发射天线和2个接收天线组成,发射天线1和天线2在时刻(t-1)分别发射信号x1和x2,在时刻t分别发送-x1和-x2。在时刻(t+1)一组2m比特信息达到编码器,2m比特信息用于选择两个复系数。
 
     ④ 差分空时分组编码
    推导空时编码的构造准则和在接收端进行译码时都需要知道较为准确的信道信息CSI,这多数情况下是可行的;但是,在快衰落或者发射、接收天线数目较多时等少数情况下,就可能得不到精确的信道估计,这就需要研究发射端和接收端都不需要信道衰落系数的空时编码。受常规的单发单收无线通信系统中的差分调制技术的启示,人们试图将差分调制方法推广到多发射天线的情况。Hochwald和Marzetta提出了酉空时编码(Unitary Space-Time Codes),最优酉守时码的设计是最小化任意两个码字矩阵之间的相关系数,但是它们的指灵敏级的编码、译码复杂度,使得其更像一种理论上的最优编码。随后,Hochwald 等人又提出了具有多项式编码复杂度和指数级译码复杂度的第二种结构,这同样在实际环境中难以使用。几乎与此同时,V.Tarokh 等人提出了针对两个发射天线的基于正交设计和空时分组编码的真正的差分编码方案,该方案是第一个具有简单的编译码复杂度的差分编码方案,随Jafarkhan和Tarokh又将该差分方案利用广义正交化设计方法推广到多个发射天线的情况。其他学者也提出了一些其他形式的算法,但是其译码复杂度均要大大超过差差分检测方案的只是天线数目和数据传输速率的线性关系的译码复杂度,所以目前差分检测方案应该是适合实际应用的未知信道信息的发射分集方案。需要指出的是,这种差分空时编码的性能也要比空时分组编码的相干检测性能要有3dB的损失,这也算是对无需信道估计所付出的代价。
 
    4、主要解决的问题和技术路线:
    掌握nakagami无线衰落信道特性和空时编码原理的基础上,本论文将重点研究基于nakagami-m信道环境下的空时分组码,搭建系统模型,设计出合适的方案和算法,并通过Matlab仿真软件分析,得出结果,绘出随着信噪比变化的系统误码率仿真曲线。通过分析和仿真结果得出差分空时分组码在nakagami信道下的优越性能,明确该研究的现实意义。
    接着利用差分空时的方案进行检测,得出差分空时编码组在nakagami衰落信道下的误比特率。最后通过理论分析和仿真测试,来验证误比特率表达式的正确性,并根据该特性提出nakagami衰落信道分析及空时分组码的应用。
 
    5、预期成果:
    掌握nakagami无线衰落信道特性和空时编码原理的基础上,本论文将重点研究基于nakagami-m信道环境下的空时分组码,搭建系统模型,设计出合适的方案和算法,并通过Matlab仿真软件分析,得出结果,绘出随着信噪比变化的系统误码率仿真曲线,并推导出误比特率的表达式,和仿真曲线进行比较验证,最后利用matlab 的GUI设计一套nakagami衰落信道分析及空时分组码误码分析系统。
 
三、执行方案(含具体进度计划)
 
    第一周--第二周:收集资料,阅读文献,对nakagami衰落信道、空时分组码等知识有深入全面的认识,从文献中整理出nakagami衰落信道、空时分组码相应的原理及其性能,写出开题报告,制定出适合自己的设计内容和进度安排。
    第三周--第五周:学习无线通信原理的相关知识,研究衰落信道的传输特性,掌握信道容量的理论分析计算,查找相关的书籍和资料,学会用Matlab软件分析其性能。
    第六周--第九周:掌握各种空时编码原理和方法,了解基于nakagami-m信道环境下的空时编码的算法,用Matlab软件对基于nakagami-m信道环境下的空时编码算法进行仿真分析。
    第十周--第十二周:在无线衰落信道环境下,搭建系统模型,用Matlab软件仿真并分析其性能。
    第十三周--第十四周:进一步完善课题,撰写毕业论文,进行论文答辩。
 
四、参考文献
 
[1]S M Alamouti. A simple transmit diversity technique for wireless communications [J] . IEEE J . Selet . Are-as Commun. , 1998,16 (8) :1451~1458.
[2]V Tarokh , H J afarkhani and A R Calderbank. Space-time block codes from orthogonal designs [J ] . IEEE Trans. Inform. Theory , 1999 , 45 (5) :1456~1467.
[3]许晓红,廖桂生,李勇朝,王峰. 基于分层结构的空时分组码[J]电波科学学报 , 2004,(02) . 
[4]曹铭,王勇,王涛,陈抗生.一种新颖而简单的空时分组码设计方法[J]通信学报 , 2004,(03) .
[5]李轶鹏,叶中付.多天线Rayleigh衰落相关信道的平均信道容量[J]. 数据采集与处理 , 2005,(04).
[6]Mischa Dohler, E. Lefranc, H. Aghvami, ”Space-Time Block Codes for Virtual Antenna Arrays”, IEEE PIMRC 2002, Lisbon,Portugal, 2002, Conference CD-ROM.
[7]Medard M. The effect upon channel capacity in wireless communications of perfect and imperfect knowledge of the channel [J]. IEEE Trans.Inform. Theory, 2000-05, 46(3): 933 -946.
[8]李焜,王喆.MIMO系统中的空时分组码(STBC)的性能分析[J]. 兰州交通大学, 2005,(04)
[9]罗涛,乐光新.多天线无线通信原理与应用[J]. 北京邮电大学出版社, 2005
[10]《掌握和精通Matlab》.张志涌. 北京航空航天大学出版社.
[11]《数字通信》.J.G.Proakis.张力军等译.电子工业出版社.第四版.

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