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翻译Siavash M. Alamouti的《A Simple Transmit Diversity Technique for...
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更新于2023-03-03
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Alamouti于1998年发表的《A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications》是空时块码方面的基础文章。该文给出了一种简单的2分支发射分集方案。使用2个发射天线和1个接收天线,该方案可提供与采用1个发射天线、2个接收天线的最大比例接收机合成(MRRC)相同的分集阶数。本文还指出,该方案可较容易地实现2发射天线和M个接收天线的演进方案,以便提供2M的分集阶数。该方案不需要任何带宽扩展、不需要任何从接收机到发射机的反馈,该方案的计算复杂程度类似于MRRC。
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本文翻译者: weicq2000 。
A Simple Transmit Diversity Technique
for Wireless Communications
Siavash M. Alamouti
一种应用于无线通信的简单发射分集技术
Siavash M. Alamouti
摘录 : 本文给出了一种简单的 2 分支发射分集新方案 。 使用 2 个发射天线和 1 个接收天
线,新方案可提供与采用 1 个发射天线、 2 个接收天线的最大比例接收机合 成 (MRRC) 相同
的分集阶数 。 本文还 指出 , 本方案可较容易地实现 2 发射天线和 M 个接收天线的演进方案
,
以便提供 2M 的分集阶数 。 新方案不需要任何带宽扩展 、 不需要任何从接收机到发射机的反
馈,新方案的计算复杂 程度 类似于 MRRC 。
索引术语: Antenna
Antenna
Antenna
Antenna array
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array
array processing,
processing,
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processing, baseband
baseband
baseband
baseband processing,
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diversity,
diversity,
diversity, estimation
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estimation
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and
and
and
detection,
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fade
fade
fade mitigation,
mitigation,
mitigation,
mitigation, maximalratio
maximalratio
maximalratio
maximalratio combining,
combining,
combining,
combining, Rayleigh
Rayleigh
Rayleigh
Rayleigh fading,
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fading, smart
smart
smart
smart antennas,
antennas,
antennas,
antennas, space
space
space
space
block
block
block
block coding,
coding,
coding,
coding, space
space
space
space –
–
–
– time
time
time
time coding,
coding,
coding,
coding, transmit
transmit
transmit
transmit diversity,
diversity,
diversity,
diversity, wireless
wireless
wireless
wireless communications.
communications.
communications.
communications.
文章来源:
IEEE JOURNAL ON SELECT AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL. 16, NO. 8, OCTOBER
1998 1451
一、引言
下一代无线系统需要有类似目前蜂窝移动无线标准的高话音质量 , 并提供高比特率数据
服务 ( 直到 2Mb/s) 。同时远端单元必须是既小又轻的手机。进一步,它们必须在不同类型环
境中可靠工作:宏蜂窝、微蜂窝和飞蜂窝;在城区、郊区和乡村;室内和室外。换句话讲
,
下一代系统被要求有较好的通信质量和覆盖,是更加功率 / 带宽有效的,并且被部署在各种
各样的环境中 。 然而 , 为了被市场接受服务质量不能下降 。 此外 , 新的分组通信必须保持相
对简单 。 然而 , 幸运的是大规模应用允许基站结构可以较为复杂 。 事实上 , 增加基站复杂性
是实现下一代无线系统需求的基本趋势。
造成无线传输困难的主要原因是时变多径衰落 [1] 。 正是时变多径衰落使得无线传输质
量远不及光纤、同轴电缆、视距微波、甚至卫星传输。
在多径衰落信道提高传输质量 , 或者减少有效误码率是极端困难的 。 在附加白色高斯噪
声 (AWGN) 中 , 使用典型调制和编码方案 , 减少有效比特误码率 (BER) 从 1 到 10dB 或许仅仅需
要 1 或 2dB 高的信噪比 (SNR) 。 然而 , 在多径衰落环境中达到同样的效果需要最多 10dB 的 SNR
改善 。 SNR 的改善或许不能通过提高发射功率或附加带宽来实现 , 因为这些措施同下一代系
统的要求相矛盾 。 因此 , 不增加功率或不牺牲带宽条件下 , 在基站和远端单元有效地抗击或
减少多径衰落的影响是至关重要的。
理论上讲 , 在无线信道中减轻多径衰落影响最有效的技术是功率控制 。 如果在无线链路
一边的接收机将信号要经历的信道条件反馈给无线信道另一边的发射机 , 发射机能够预先校
正发射信号 , 以便克服接收机面临的无线信道的不良影响 。 采用此种方法时存在两个基本问
题 。 主要问题是被要求的发射机动态范围 。 发射机要克服一定强度的衰落 , 它必须增加它的
发射功率到同样的强度 , 这在大多数情况下是不实际的 , 因为辐射功率是受到限制的 , 以及
放大器的大小和成本。第二个问题是发射机没有任何关于接收机将要经历的信道条件的知
识,除非系统中上行 ( 远端到基站 ) 和下行 ( 基站到远端 ) 发射在相同的频率上实现。因此,信
道信息必须从接收机反馈给发射机 , 这导致吞吐量降低 , 以及增加了发射机和接收机的复杂
性。况且,在某些应用中或许不存在一个反馈信道信息的链路。
其他的有效技术是时间和频率分集。时间交织与信道编码相结合能够提供分集改善 , 类
似技术还有扩展频谱。然而,当信道正在缓慢变化时时间交织会导致较大的延时。同样 , 当
信道相干带宽比扩展带宽更大时扩展频谱技术是无效的 , 或者 , 等价于信道中存在相对小的
延时扩展。
在大多数散射环境中 , 天线分集是一个容易实现的 、 有效的 、 因此是广泛采用的减少多
径衰落影响的技术 [1] 。典型方法是在接收端使用多个天线,并且执行合并或选择和交换,
以便改善接收信号质量 。 采用接收分集方法的主要问题是成本 、 天线尺寸 , 以及远端单元的
功率。多个天线和射频链 ( 或者选择和交换电路 ) 的使用使得远端单元体积增大,成本增加
。
结果 , 分集技术几乎无一例外地被应用在基站以便改善它们的接收质量 。 基站通常服务于成
百上千个远端单元 。 因此 , 与远端单元相比 , 在基站端增加设备更为合理 。 正是由于此原因
,
发射分集方案非常有吸引力 。 例如 , 基站或许添加一个天线和一个发射链来改善该基站覆盖
区域内所有远端单元的接收质量 1 。替代方案是为所有远端单元增加天线和接收机。显然前
者更为经济。
最近 , 一些有意思的发射分集方法被开发出来 。 延时分集方案由 Wittdben[2] 、 [3] 提出
,
应用于基站当前和稍后信号的联合发射,二者相互独立。一个类似方案由 Seshadri 和
Winters[4] 、 [5] 提出,应用于单基站,在那里相同信号的复制品通过多个天线,在不同时刻
发射,由此创立了一个人造的多径衰落,接着使用最大似然序列估计器 (MLSE) 或最小均方
误差 (MMSE) 均衡器分解出多径衰落并获得分集增益。另外一种有趣的方法是空 - 时格码 ( 参
见 [6]) ,那里多个符号按照多个天线编码,通过这些天线符号被同时发射出去,在接收端使
用最大似然解码器解码 。 此方案非常高效 , 因为它结合了 FEC 编码和分集发射的优点 , 以便
提供相当可观的性能收益 。 此方案的成本是增加了额外的处理 , 作为带宽效率 (bit/s/Hz) 和要
求的分集阶数的函数 , 处理工作量按指数规律增加 。 因此 , 对于一些应用此方案或许不具有
实践价值,也不是成本有效的。
在本文中建议的技术是一个简单发射分集方案,它通过跨越对边上的 2 个发射天线的简
单处理 , 在链路另一端的接收机处改善了信号质量 。 获得的分集阶数相当于在接收机使用 2
个天线的最大比接收机合成 (MRRC) 。此方案也容易拓展到 2 个发射天线和 M 个接收天线模
式,以便提供 2M 分集阶数。此方案不需要任何从接收机到发射机的反馈,并且具有较小的
计算复杂性 。 本方案不需要任何带宽扩展 , 因为在跨越多个天线的空间使用了冗余 , 而不是
在时域或频域中使用冗余。
新的发射分集方案能够改善误码性能 、 数据速率 、 或者无线系统的容量 。 降低对衰落的
灵敏度或许允许使用较高阶调制方案以便增加有效数据速率 , 或者在一个多小区环境中减小
复用因子以便增加系统容量 。 此方案也可被用来增加无线系统覆盖范围 。 换句话讲 , 新方案
在系统容量受到多径衰落限制的应用环境的所有方面是有效的 , 并且 , 新方案或许因此是一
个不需要对现存系统进行完全重新设计就可以满足市场对质量和效率要求的简单和成本有
效方法 。 此外 , 对于下一代无线系统此方案似乎也是一个极好的候选者 (1 事实上 , 许多蜂窝
基站已经有 2 个接收天线用于接收分集 。 同样数目的天线也可被用于发射分集 ) 。 因为在基站
使用多个发射天线可在远端单元有效减少衰落的影响。
第二节将讨论经典最大比接收分集合并 , 并给出简单数学描述 。 第三节将讨论新的采用
1 个和 2 个接收天线的双分支发射分集方案。第四节讨论采用 BPSK 调制的新方案的比特误码
性能 , 并与 MRRC 进行比较 。 本文提出的方案在实际执行上与经典 MRRC 存在成本和性能上
的差异,这些差异将在第五节详细讨论。
二、经典最大比接收合成 (MRRC) 方案
图 1 所示为典型 2 分支 MRRC 基带工作原理图。
在给定的时间 , 一个信号 s
0
被从发射机发送出去 。 包括发射链 、 空中链路 、 和接收链影
响的信道可被塑造为由幅度响应和相位响应构成的一个复数相乘失真 ( 畸变 ) 。 发射天线和接
收天线 0 间的信道由 h
0
表示,发射天线和接收天线 1 间的信道由 h
1
表示,即
1
0
11
00
θ
θ
α
α
j
j
eh
eh
=
=
(1)
在两个接收机中添加上噪声和干扰。最终接收到的基带信号为
1011
0000
nsh
nsh
+=
+=
τ
τ
( 2 )
式中 n
0
和 n
1
表示复值噪声和干扰。
假定 n
0
和 n
1
为高斯分布,在接收机,对于这些接收信号的最大似然判决规则是选择 s
i
,
当且仅当
kishdshdshdshd
kkii
≠∀+≤+ ),,(),(),(),(
11
2
00
2
11
2
00
2
ττττ
( 3 )
式中 d
2
(x, y) 是信号 x 和 y 间的欧氏距离的平方值,表示为
d
2
(x, y) = (x-y)(x*-y*) 。 (4)
2 分支 MRRC 的接收机合成方案是
。
1
*
10
*
00
2
1
2
0
101
*
1000
*
0
1
*
10
*
0
0
)(
)()(
nhnhs
nshhnshh
hhs
+++=
+++=
+=
−
αα
ττ
(5)
展开式 (3) 并使用式 (4) 和式 (5) ,我们得到
选择 s
i
,当且仅当
kissssssssss
kkkiii
≠∀−−+≤−−+
−−−−
,)()(
*
0
*
0
2
2
1
2
0
*
0
*
0
2
2
1
2
0
αααα
(6)
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