正交空时分组编码的仿真与分析法

*****************实践教学*****************2013年春季学期创新课程设计题目：正交空时分组编码的仿真与分析专业班级：姓名：学号：指导教师：成绩：摘要本设计主要是对空时分组码在各种衰落信道下的性能的分析，利用接收天线处信噪比的分布求出系统的误码率性能。主要是当前比较热门的几种空时编码方案在瑞利信道下，在MPSK调制方式下的误码率性能。另外，设计对仿真过程中随机变量的产生也做了深入的研究和总结。本设计用Matlab软件对整个通信过程进行了仿真，利用仿真来验证理论推导的正确性。本文的最后以曲线的形势给出了各种条件下空时分组码的误码率性能，既可以加深对空时编码的认识，又可以对实际中在不同情况下对空时编码方案的选择起到理论指导作用。结果验证了空时分组码能够大幅度提高无线传输的误码率性能，同时系统的频带利用率也远高于传统的单天线系统。关键词：空时编码；多输入多输出系统；最大似然目录前言.........................................................................1一、空时编码概述.............................................................22.1、空时编码定义........................................................22.2、空时编码的应用前景..................................................22.3、空时编码的研究现状及发展方向........................................22.4、空时编码的分类......................................................3二、基本原理.................................................................52.1、空时分组编码的原理..................................................52.1.1、空时分组编码的概念............................................52.1.2、空时分组编码的系统模型........................................52.1.3空时分组编码的原理.............................................62.2、最大似然译码的原理..................................................72.3、MIMO系统..........................................................102.3.1、MIMO信道模型................................................102.3.2、MIMO系统模型................................................112.4、瑞利衰落信道.......................................................11三、仿真结果................................................................133.1MPSK调制的仿真函数.................................................133.2最大似然检测的仿真函数..............................................133.3瑞利衰落信道的仿真函数..............................................133.4两根接收天线数目的仿真结果..........................................14总结........................................................................15参考文献....................................................................16致谢........................................................................17附录........................................................................181前言移动通信是现代通信中不可缺少的组成部分。现代移动通信的发展始于20世纪20年代，但一直到70年代才迎来了移动通信蓬勃的发展。它是目前最具发展前途的一种通信方式。它的发展与普及改变了社会，也改变了人类的生活方式。随着因特网和多媒体应用在下一代无线通信中的集成，宽带高速数据通信服务的需要正不断增长。由于可用无线频谱资源的有限性，高速数据传输只能通过高效的信号处理实现。信息领域的研究表明在无线通信中使用MIMO（多输入多输出）系统可以显著提高通信容量和误码率性能。非常适合下一代移动通信中高速率业务的要求。它利用空间增加的传输信道，在发射端和接收端采用多天线同时发射和接收信号。它能够克服传统通信系统中存在的多径衰落因素的影响，有效利用随机衰落和可能存在的多径传播来提高传输性能，另外，由于各发射天线同时发送信号占用同一个信道，所以在不增加带宽的情况下系统频谱利用率也会由大幅的提高。2一、空时编码概述2.1、空时编码定义空时编码的基本理论是由Foschini、Seshadri和Calderbank于1998年提出。在基于瑞利衰落信道、信道有大量的散射体、信道系数无关、最优编解码、发射端信息在接收端准确可知的假设下，从理论上证明了在接收和发射端均使用多天线可使传输性能大幅提高和信道容量成倍增加，即在Nt个发射天线，和Nr个接收天线的MIMO系统中，信道容量随着Min(Nt,Nr)线性增加，这一结论引发了MIMO技术研究的浪潮，从此，空时编码和相关的MIMO信号处理技术便在无线通信领域取得了飞速发展和广泛应用。具体表现在：空时编码技术已经在移动通信和宽带固定无线接入中被采用,CDMA2000系统中采用了多种传输分集技术，多载波发送分集、正交发送分集和空间扩频传输分集；WCDMA提案中下行发射分集采用时间切换发送分集和空时发送分集。2.2、空时编码的应用前景众所周知,第三代3G及一代无线通讯系统的主要目的之一就是为移动和静止用户提供宽带接入,实时的多媒体业务如视频会议所要求的数据速率将会是现在无线技术所能提供速率的两到三倍以上,速率可能要求高达2Mb/s以上.而很明显,使用多个发射或接收天线可以取得更高的频谱效率.这样在多径衰落无线信道中使用多个发射天线结合空时编码技术就很有可能提供功耗和频谱效率的最佳折中.而事实上也的确如此,空时编码技术和多个发射天线的信号处理技术最近已经被第三代蜂窝移动通讯标准如CDMA2000和W2CDMA所采纳,另外,也被建议应用到无线地环路及广域分级接入中去.具体地说,空时编码技术可以结合当前的窄带TDMA蜂窝移动通讯系统,使系统的传输速率得到大大提高;它也可以通过抑制干扰大大提高无线通讯系统的容量或吞吐量;另外,它还可以结合OFDM等通讯技术用于宽带无线通讯系统.所以,空时编码技术在未来的无线通讯系统中包括宽带固定无线接入FWA、无线局域网LAN甚至蜂窝移动通信系统中也有着广阔的应用前景。2.3、空时编码的研究现状及发展方向作为一种新的通信信号处理技术和方法,自从空时编码提出以来,全球无线通信领域内掀起了研究空时编码的热潮,除了对如何构造空时编码和空时编码与其他信道编码方式如Turbo码相结合方面的研究外,许多和工程应用紧密联系的研究方向正在形式.当前虽然关于空时编码的构造和应用有了一些成果,但是这3些理论大多假设信道是准静态、平衰落的,各衰落路径也是假设是相互独立的,而实际信道为频率选择性衰落、快变化以至各衰落路径有可能相关,所以为了推动空时编码技术的实用性,有必要对空时编码在信道为频率选择性衰落、快变化以至各衰落路径相关的情况下的性能以及相应的改进措施进行理论和实践研究.同时,如何将空时编码和第三代移动通讯的标准相结合,研究在CDMA,WCDMA环境下空时编码技术的性能以及和其他技术如多用户检测技术的结合目前也吸引了不少的研究人员进行研究,如空时编码和OFDM等通讯技术的结合,使其适用于宽带无线通讯系统。另外,如何将空时编码和阵列信号处理技术如波束形成技术(Beamforming)和干扰抵消技术(InterferenceCancellation)有机地结合起来,充分发挥二者的优点,进一步提高其性能,提高它的实用性,是当前研究的另一个热点和方向;由于二者均是多个阵元天线系统的重要而有效的信号处理技术,所以它们的结合应用就具有的应用基础,最先提出和研究空时编码技术的研究人员也正在进行这方面的研究和探索工作,但是此项工作刚刚开始,具有很大的理论和实际研究价值.当然,有关在接收端和发射端均得不到信道信息的差分空时编码方面的研究对于空时编码在未来移动蜂窝系统中的应用也是很有意义的。2.4、空时编码的分类目前空时编码有分层空时编码，空时网格码和空时分组码三种最基本的类型，三种空时编码的研究现状如下：1．分层空时编码：贝尔实验室的GerardJ.Foschini于1996年提出分层空时编码(LST)结构。分层空时编码技术将高速的数据流分为若干低速数据流，利用空间和时间的结合，它将信源数据分为几个子数据流并独立的进行编码和调制。它的译码一般采用类似于迫零（ZF）和最小均方误差（MMSE）准则的检验算法，但该检验算法的复杂度较高。常见的分层空时编码有三种方案：水平分层空时编码（HLSTC）、垂直分层空时编码（VLSTC）和对角分层空时编码（DLSTC）。2.空时网格码：空时网格码由Tarokh、Seshadri和Calderbank首次引入，它是基于空时延迟分集基础上提出的，延迟分集可以看作是重复码和延迟因子的结合，最近提出了一种简单有效的空时网格码设计方案：广义延迟分集码,将普通的延迟分集4中的重复码替换成某些简单的分组码，以提高编码增益。空时网格码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，能够达到编码复杂度、性能和频谱利用率等因素的最佳折中，是一种最佳码,所以研究空时网格码在实际系统中往往和其他技术相结合，如阵列处理、多用户检测等。但是，空时网格码的译码一般采用维特比（Viterbi）译码算法，其译码复杂度随着传输速率的增加成指数上升，因此，寻找更有效的译码算法，将是解决空时网格码在实际通信系统中应用的一个关键问题。另外空时网格码的好码的设计也是一个难点，所以构造更有效的空时网格码也是研究的重要方向。3．空时分组码空时分组编码最先由Alamouti引入的，简单的两天线发分集的编码方式。这种编码的最大优点是采用最简单的最大似然译码准则，可以获得完全的天线增益。Tarokh进一步将两天线的STBC编码扩展到多天线的形式，提出了通用的正交设计准则。目前，对空时分组码的研究很多，主要包括对译码算法的研究、对空时分组码本身正交设计的研究以及空时分组码在不同衰落信道下的性能的研究。研究表明空时分组码编码相对比较简单，误码率性能和容量也有大幅的提升，是一种适于高速无线通信的优选方案。5二、基本原理2.1、空时分组编码的原理2.1.1、空时分组编码的概念空时分组码(STBC，Space-TimeBlockCodes)将无线MIMO系