摘 要：空間分集與編碼調(diào)制技術(shù)相結(jié)合的空時編碼技術(shù)，可以獲得分集和編碼增益，具有優(yōu)異的抗衰落性能。傳統(tǒng)空時編碼和多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)是通過多天線來實(shí)現(xiàn)空間分集的，但是由于移動臺的尺寸和載頻的限制，使多天線技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)?；趶?fù)雜系統(tǒng)自組織MIMO無線傳輸分集和編碼技術(shù)成為解決這一問題的可選方案， 并且無需通過信道反饋信息，動態(tài)分配資源，提高了端到端的通信服務(wù)質(zhì)量(QoS)和信道容量。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜系統(tǒng)；自組織；協(xié)同分集；協(xié)同編碼

中圖分類號：TN911.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004373X(2008)0503703

Technology Route and Research Present State of MIMO Wireless Transmission Diverisity

and Coding Technology Based on Complex System Self-organizing

XIAO Hailin NIE Zaiping2

(1.College of Information and Communication，Guilin University of Electronic Science and Technology，Guilin，541004，China;

2.College of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu，610054，China)

Abstract：Space-time coding technolgy is proposed by combing space diversity and coding modulation technology to obtain diversity and coding gain，and excellently resist fading performance.Traditional space-tiem coding and Multiple-Input Multiple-Output(MIMO) technique exploit space diverisity through multple transmit receive antennas.However，due to the size of a mobile and carrier frequency consrraints，achieving space diverisity though multiple antennas may not be possible.Cooperative deversity has recently emerged as an alternative way to achieve diversity and coding gain，which has not feedback of Channel State Information(CSI)，dynamic resource allocation is proposed，and also improve end-to-end communication quality of service and channel capacity.

Keywords：complex system;self-organnization;cooperative diversity;cooperative coding

1 引 言

隨著移動通信業(yè)務(wù)規(guī)模和種類的迅速發(fā)展，如何有效地利用相對貧乏的頻譜資源提供更高質(zhì)量、更高速率的通信服務(wù)是亟待解決的難題。最近Foschini等學(xué)者從理論和實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了移動通信兩端應(yīng)用多天線收發(fā)(即MIMO技術(shù))，可充分利用信號的空間特性，明顯改善通信質(zhì)量和頻譜利用率，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界引起了高度的重視。

MIMO技術(shù)雖然被認(rèn)為是解決現(xiàn)有無線通信瓶頸，提高通信容量和通信質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，但由于MIMO信號的傳輸機(jī)制復(fù)雜度，嚴(yán)重限制其工程可實(shí)現(xiàn)性。另外，復(fù)雜的無線通信環(huán)境也加大了MIMO技術(shù)的工程實(shí)現(xiàn)難度。

基于復(fù)雜系統(tǒng)自組織MIMO無線傳輸分集和編碼技術(shù)，能對抗復(fù)雜多變的無線通信環(huán)境，繼而顯著改善系統(tǒng)性能，能從物理的角度解釋信號復(fù)雜傳輸機(jī)制，獲得分集增益，無需通過信道反饋信息，動態(tài)分配資源，提高了端到端的通信服務(wù)質(zhì)量(QoS)和信道容量。

2 基于復(fù)雜系統(tǒng)自組織MIMO無線傳輸分集和編碼技術(shù)研究現(xiàn)狀

近年來，基于多發(fā)多收天線技術(shù)^[1，2]的MIMO矢量傳輸方法提供了從根本上提高無線通信系統(tǒng)信道容量和頻譜利用率的新途徑。然而，與常規(guī)單天線收發(fā)通信系統(tǒng)相比，MIMO通信系統(tǒng)中多天線的應(yīng)用面臨大量亟待研究的問題。

2.1 多天線分集系統(tǒng)理論研究

天線分集是一種對付移動通信衰落的有效技術(shù)，其基本原理在于經(jīng)歷不同衰落的多徑信號僅僅是部分相關(guān)的，他們同時處于深衰落的概率很低，適當(dāng)合并他們則可能提高鏈路的可靠性，從而提升傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率或降低系統(tǒng)的發(fā)射功率。決定分集性能的重要因素是分集支路之間的相關(guān)性，為獲得良好的分集性能^[3，4]，要求該相關(guān)性系數(shù)低于0.7。天線分集主要包括空間分集、極化分集和角度分集，他們分屬于天線分集中的空間、極化與角度維，實(shí)際中難以獨(dú)立應(yīng)用各維，而是多維聯(lián)合應(yīng)用。如何協(xié)調(diào)分集技術(shù)，降低信號空域相關(guān)性，提高信息的傳輸速率是信息論方法研究還未解決的難題。

2.2 空時編、解碼與處理

空時編、解碼與處理是實(shí)現(xiàn)MIMO的關(guān)鍵技術(shù)^[5-8]，傳輸信息首先經(jīng)空時編碼形成多個數(shù)據(jù)子流，由多天線發(fā)射陣的各天線并行發(fā)射出去，經(jīng)無線多徑信道傳輸后，多天線多通道接收機(jī)將多路接收信號空時處理算法分離數(shù)據(jù)流并解碼，以實(shí)現(xiàn)近于最佳的處理。典型代表為空時格形碼和空時分組碼?？諘r網(wǎng)格碼要求矢量Viterbi算法譯碼，設(shè)備相當(dāng)復(fù)雜。空時分組碼提供的分集增益和空時網(wǎng)格碼一樣，都與發(fā)射天線數(shù)相等，不足之處是提供的編碼增益最小，甚至為0。除這兩種編碼外，還有幾種先進(jìn)的空時編碼，如線性擴(kuò)展碼、正交空時分組編碼(OSTBC)、線性擴(kuò)展空時碼以及Turbo編碼等。然而，至今還不清楚究竟哪種編碼最好、采用哪種編碼技術(shù)對接收數(shù)據(jù)解調(diào)和譯碼效果最佳。

2.3 復(fù)雜性科學(xué)

復(fù)雜性科學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的最前沿理論大融合的產(chǎn)物，他擁有大量交互成分，其內(nèi)部關(guān)系復(fù)雜、不確定性，總體形成具有非線性。隨著科學(xué)的發(fā)展，特別是復(fù)雜性科學(xué)的發(fā)展，物理學(xué)的研究方法大量移植到不同的研究領(lǐng)域，如信息領(lǐng)域，為揭示信息傳輸?shù)膹?fù)雜性提供了有效的工具^[9]。和常規(guī)單天線收發(fā)通信系統(tǒng)相比，多輸入多輸出(MIMO)通信是一個復(fù)雜系統(tǒng)，傳輸信號滿足復(fù)雜系統(tǒng)的4個特點(diǎn)：中等大少數(shù)目的元素；自適應(yīng)性；局部演化規(guī)則；自組織性。因此，可以運(yùn)用復(fù)雜性和復(fù)雜系統(tǒng)方面的理論指導(dǎo)對MIMO系統(tǒng)內(nèi)在機(jī)制的研究。

自組織屬于復(fù)雜性科學(xué)的領(lǐng)域，自是“自發(fā)”，“組織”是說明系統(tǒng)中所包含的各個運(yùn)動變化的子過程間的相互協(xié)作、競爭，使過程演化為有序。復(fù)雜系統(tǒng)自組織(耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)、超循環(huán)理論等)具有廣闊的應(yīng)用范圍，他在物理學(xué)、化學(xué)、生物、天文學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會學(xué)以及管理科學(xué)等許多方面都取得了重要的應(yīng)用成果^[10-15]。但總體來說，運(yùn)用復(fù)雜系統(tǒng)自組織的方法來研究新一代無線通信系統(tǒng)的成果還是非常的少。

3 基于復(fù)雜系統(tǒng)自組織MIMO無線傳輸分集和編碼技術(shù)路線

3.1 協(xié)同分集技術(shù)研究

無線通信中，在發(fā)送端與接收端同時采用多天線系統(tǒng)，他能夠提供空間分集、極化分集和角度分集、陣列分集、編碼分集等。但由于空間的限制，多天線系統(tǒng)勢必造成信號空域相關(guān)性，天線單元互藕以及通道的互藕，這都將影響MIMO系統(tǒng)性能。合理利用多天線分集技術(shù)要考慮天線數(shù)目以及多天線硬件的復(fù)雜度。在此基礎(chǔ)上，采用協(xié)同分集技術(shù)能簡化編碼和解碼的復(fù)雜度，降低接收硬件的難度，而且無需信道估計(jì)帶來的性能損失。

MIMO技術(shù)利用了無線信道多徑傳播的固有特性。在無線通信中，在發(fā)送端與接收端同時采用多天線系統(tǒng)，他能夠提供空間分集、極化分集和角度分集、陣列分集、編碼分集等。此外，MIMO技術(shù)還能得到協(xié)同分集，具體實(shí)施包括正交協(xié)同分集和非正交協(xié)同分集。

正交協(xié)同分集：兩端對端的MIMO用戶各自利用1/4的時間傳輸N/4個數(shù)據(jù)符號且相互接收對方傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，再分別利用1/4的時間為對方傳輸數(shù)據(jù)符號。在n=1，…，N/4時:

其中xr[n]是中繼傳輸?shù)男盘枺瑈d[n]是信宿接收到的信號。每個終端均只能傳輸N/4個數(shù)據(jù)符號。正交協(xié)同分集中，各用戶數(shù)據(jù)均通過兩個用戶天線傳輸，提供了協(xié)同分集，且對兩個用戶均可實(shí)現(xiàn)1/2碼率信道編碼。

非正交協(xié)同分集傳輸：兩端對端的MIMO用戶各自利用1/4的時間傳輸N/4個數(shù)據(jù)符號且相互接收對方傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，再共同利用剩下的1/2的時間同時為對方傳輸數(shù)據(jù)符號。在n=1，…，N/4時:

接收到的信號。每個終端均只能傳輸N/4個數(shù)據(jù)符號，在剩下的1/2時間內(nèi)，由于收發(fā)端都已獲得對方的數(shù)據(jù)，且在同一個時段上傳輸，這種情況與有N/2個數(shù)據(jù)符號需要傳輸類似，可實(shí)現(xiàn)總碼率1/3。

針對協(xié)同中繼點(diǎn)選擇的公平性問題，利用一種新的自組織MIMO協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的策略，即通過跨層設(shè)計(jì)獲得公平性。同時，采用計(jì)數(shù)器排除利己主義的用戶從而保證了整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的公平性。方差的使用則確保吞吐量最大化在一定方差的約束。

采用多載波差分協(xié)同分集，把MIMO協(xié)同分集和差分正交頻分復(fù)用(OFDM)結(jié)合起來，并給出其性能分析。

3.2 協(xié)同編碼技術(shù)研究

信道編碼的方法通常要考慮譯碼算法和接收設(shè)備復(fù)雜度。再加上MIMO技術(shù)本身由于收發(fā)端信道的不對稱而引起的性能損失，信道編碼作用就相當(dāng)重要。采用協(xié)同編碼(速率匹配刪除卷積碼或Turbo碼)技術(shù)能克服收發(fā)端信道的不對稱而造成的分集度和性能損失，而且還帶來編碼增益，為提高系統(tǒng)容量和降低誤碼率找到最佳的途徑。

MIMO協(xié)同編碼設(shè)計(jì)初衷是協(xié)同中提供比有檢驗(yàn)DF(解碼前傳)使用的重復(fù)碼更加高效的編碼，從而帶來更多的編碼增益。最簡單有效的實(shí)現(xiàn)方法就是速率匹配刪除卷積碼或Turbo碼，協(xié)同方案是碼字第一部分的編碼比特可以通過刪除低碼率的碼字得到，刪除的比特作為碼字第二部分的傳輸數(shù)據(jù)。具體實(shí)施結(jié)構(gòu)如圖2所示。

總碼率設(shè)為1/3，假設(shè)采用等長度分割，那么碼字第一部分碼率1/2碼率，直接在Turbo編碼器的第一個RSC(Recusive System Code)編碼器后面加一個2位的串并轉(zhuǎn)換器，就可以直接得到一個刪余后的1/2碼率卷積碼作為碼字第一部分，用戶采用相同的隨機(jī)交織器和RSC，就可以滿足編碼系統(tǒng)的第二個條件，即通過解碼再編碼得到協(xié)同的第二部分碼字。

在基站和移動端采用MIMO系統(tǒng)，基站在第T個時隙接收信號為：

假設(shè)信道為不同衰落信道，HTm，n為第T個時隙信道衰落系數(shù)，αm，n為信道發(fā)射信號的預(yù)乘相位幅度調(diào)整，cT(n)為接收噪聲，一般采用加載高斯白噪聲來近似，其方差為N0。假設(shè)發(fā)送端已知或可預(yù)測HTm，n，且在接收端就可以實(shí)現(xiàn)信號的最大比合并。系統(tǒng)傳輸一個比特的總能量設(shè)為Et，則SNR=Et/2N0，數(shù)據(jù)幀長為128 b，Turbo碼RSC編碼器為G(7，5)。

在編碼協(xié)同的基礎(chǔ)上還可以引入MIMO自適應(yīng)空時編碼協(xié)同，他的基本原理是接收端(基站)在第一時隙對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼視接收情況決定第二時隙內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸安排。也就是說，如果第一時隙內(nèi)基站己經(jīng)成功接收了某用

戶的第一幀數(shù)據(jù)，那么在第二個時隙內(nèi)該用戶的數(shù)據(jù)將不再發(fā)射，而節(jié)省下來的能量用于發(fā)射其他用戶的數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

本文主要分析基于復(fù)雜系統(tǒng)自組織MIMO無線傳輸分集和編碼技術(shù)研究現(xiàn)狀及其技術(shù)路線。用復(fù)雜系統(tǒng)自組織研究MIMO技術(shù)是一種新方法，能對抗復(fù)雜多變的無線通信環(huán)境，繼而顯著改善系統(tǒng)性能，能從物理的角度解釋信號復(fù)雜傳輸機(jī)制，獲得分集增益，無需通過信道反饋信息，動態(tài)分配資源，提高了端到端的通信服務(wù)質(zhì)量(QoS)和信道容量。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文?！?/p>