移動通信的發展狀況

1.1 移動通信的發展狀況

繼第三代移動通信系統成功開發，新一代無線通信（B3G，Beyond 3rd Generation和4G，4th Generation）系統的研究成為新的熱點，可以提供的資料傳輸速率高達100Mbit/s以上，支援的業務從語音到多媒體業務，可以滿足高移動速度環境的資料傳輸。随着“創新國家”戰略的提出，我國也從國家戰略的高度上，将“寬帶無線通信網技術”作為重大項目，投入大量的研究力量，實作關鍵技術的突破和自主創新，以期在未來移動通信标準的競争中繼TD-SCDMA之後獲得更大的主動權。相關的研究熱點主要包括：先進的信道編碼（Turbo碼、LDPC碼）、自适應編碼調制（AMC）、混合自動請求重傳（HARQ）、正交頻分複用（OFDM）、多輸入多輸出（MIMO）天線技術等。

從1948年Shannon發表《通信的數學理論》到1993年Turbo碼的提出，再到Gallager提出的LDPC碼被重新發現，随機編碼和疊代譯碼的思想越來越滲透到通信研究領域的各個方面，推動着整個學科的進步。Turbo碼和LDPC碼都是性能接近Shannon極限的好碼，Turbo碼已經被3G标準采用，LDPC碼在某些方面具有更加優秀的性能，是目前實驗中最接近Shannon極限的信道編碼，也是下一代寬帶移動通信系統中糾錯編碼的主要備選方案。

在2005年10月18日結束的ITU-RWP8F第17次會議上，ITU（國際電信聯盟）給了B3G技術一個正式的名稱—IMT-Advanced。ITU規定：IMT-2000技術和IMT-Advanced技術擁有一個空同的字首“IMT”，表示移動通信：目前的WCDMA、HSDPA等技術統稱為IMT-2000技術；未來的新的空中接口技術，叫做IMT-Advanced技術。

B3G無線通信系統需要在非視距範圍内提供好的覆寫、可靠的傳輸、高的資料傳輸率和頻譜效率。預計在2010年以後在終端高速移動、多使用者和多蜂窩環境中，對資料率的需求達到2Mbps，在中等移動速度下将達到20Mbps，在低速移動速度下将達到50-100Mbps。

無線通信不同于加性高斯白噪聲通道，因散射、反射、折射等而具有多徑和衰落，還存在時間和頻率的擴充，這些對資料傳輸率和通道容量都是限制。為此必須采用新的信号處理技術、新的接入方式和新的空中接口技術等。這就引出了新的天線分集技術—多輸入多輸出MIMO（Multiple Input and Multiple Output）天線技術，與單輸入單輸出（SISO Single Input Sing Output）天線系統相比，在散射環境下應用多輸入多輸出天線分集技術，可以減弱多徑衰落的影響，提高信道容量并實作高資料速率，在有效利用頻譜方面也可以發揮很大的作用，降低建立新無線網絡的成本，優化網絡服務品質，實作多技術标準網絡的交叉協同運轉，已經成為某些3G無線通信系統的強制标準，也必定被3G系統廣泛使用。由此，MIMO技術已經成為無線通信系統的一個關鍵技術。

MIMO技術利用空間增加的傳輸信道，在發射端和接收端采用多天線同時發送和接收信号。由于各發射天線同時發送的信号占用同一個頻帶，是以在帶寬不增加的情況下，系統容量比單輸入單輸出系統有成倍地增加，同時頻譜使用率也能夠得到提高。

廣義的MIMO技術涉及廣泛，主要包括發射分集技術和空間複用技術[1]。其中發射分集技術指在不同的天線上發射包含同樣資訊的信号（信号可能并不相同），進而達到空間分集的效果。近幾年來，發射分集由于其隻需在基站端增加天線，實作起來比較簡單，是以受到了人們的關注。發射分集技術本質上有個共同點，那就是接收端不管采用什麼方法都必須能夠區分出來自不同天線的信号，使它們合并在一起，進而獲得分集增益。

目前MIMO系統中使用的發射方式主要包括：貝爾分層空時結構BLSTA(Bell Layered Space Time Architecture)、正交空時分組碼OSTBC(Orthogonal Space Time Block Coding)、空時格型編碼STTC(Space Time Trellis Coding)。

這三種方案都是在接收端已知信道傳輸矩陣的情況下，采用迫零(ZF)、最小均方誤差(MMSE)或者最大似然(ML)準則來進行譯碼。

1.2 空時編碼技術

1998年，Alamouti 研究發現，在接收信噪比相同的情況下，采用發射分集，即在發射端采用多個天線發射信号，可以達到和接收分集一樣的性能增益。這樣，就不用在接收端增加天線數目，隻需要在基站設定多個天線進行信号發送來改善下行鍊路通信品質，即基站到使用者的通信品質。同時，Alamouti 提出了具有兩根發射天線的系統，它是可以提供完全發射分集增益的第一種空時分組碼，即Alamouti 編碼 [1]。

空時編碼的基本理論是Tarokh、Seshadri 和 Calderband 在1998年提出的一種基于發射分集的編碼技術[2]。Tarokh 等人認為，如果在發射端采用适合多天線傳輸的編碼技術，同時在接收端進行相應的信号處理技術，能獲得很大的性能增益，這樣就能夠實作資料的高速傳輸。這一編碼技術實質上是時間和空間的二維編碼，是以被稱為“空時碼”。這是在Shannon極限定理指導下采用多元空間處理有效提高容量潛力的一個明顯例證。在MIMO系統中空時編碼可以使資訊容量接近理論容量，能夠有效的利用頻譜資源、抵抗幹擾，是一種比較實用的編碼。空時編碼在無線通信領域取得了廣泛的應用和飛速的發展。

1999年，Tarokh在Alamouti研究的基礎上，應用正交設計理論，提出了著名的空時分組碼（Space-time block codes, STBC）。分組碼的編碼部分采用正交設計，是以可以得到最大的發射分集增益，并且，它的譯碼部分采用基于線性處理的最大似然估計，故具有很低的譯碼複雜度。空時分組碼正是由于其簡單的譯碼方法和較好的性能，是研究和應用最廣泛的一種空時編碼技術。目前，空時分組碼已經用于改善無限區域網路、GSM（全球移動通信系統 Global System for Mobile）的性能、提高GSM改進方案的傳輸速率，并且現已經被列入W-CDMA和cdma2000的标準，其中有：