移動(dòng)通信中的空時(shí)信號(hào)處理

前言

　　在剛剛過去的2007年，大家已經(jīng)注意到我國(guó)有這樣一些統(tǒng)計(jì)信息：移動(dòng)電話用戶數(shù)達(dá)到6.3億（含小靈通用戶8000萬），且每月以超過700萬用戶的速度遞增；固定電話用戶數(shù)為2.9億（不含小靈通用戶8000萬），且全年減少800萬用戶；移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶數(shù)約1.5億，且全年增長(zhǎng)1200萬用戶；上海、北京、廣州、成都等正在實(shí)施建設(shè)無線城市計(jì)劃。不僅中國(guó)是這樣，其他國(guó)家大體上也呈上升趨勢(shì)，且已經(jīng)持續(xù)多年。這些信息說明，移動(dòng)通信用戶正在快速增長(zhǎng)，移動(dòng)通信業(yè)務(wù)需求正在高速發(fā)展，移動(dòng)通信逐漸成為人們首選的通信手段和通信方式。這也表明，移動(dòng)通信也必須要有更大的系統(tǒng)容量、更高的傳輸速率、更多的業(yè)務(wù)類型、更好的服務(wù)質(zhì)量，才能滿足社會(huì)對(duì)移動(dòng)通信的巨大需求，這是移動(dòng)通信的光榮使命，但更是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?！　〕松厦鎭碜陨鐣?huì)和用戶需求的挑戰(zhàn)外，與有線通信和其他無線通信（如微波接力通信、無線本地環(huán)路／接入、衛(wèi)星通信等）比較，在這些系統(tǒng)中需要克服的問題移動(dòng)通信也必須解決，同時(shí)，移動(dòng)通信還面臨多徑傳播、用戶隨機(jī)移動(dòng)、用戶量大、頻譜有限等各種因素于一體的特殊挑戰(zhàn)，這些因素的共同作用使得移動(dòng)通信系統(tǒng)的信號(hào)質(zhì)量受到嚴(yán)重的衰落和干擾的影響?！　】朔@些挑戰(zhàn)是移動(dòng)通信理論研究和設(shè)備開發(fā)所面臨的緊要問題，除需要相關(guān)的RF技術(shù)、無線資源調(diào)度、移動(dòng)性管理和移動(dòng)組網(wǎng)技術(shù)發(fā)展外，更需要移動(dòng)通信信號(hào)處理技術(shù)的突破，為此，發(fā)展了一系列通信信號(hào)處理技術(shù)來解決這些問題，其中空時(shí)信號(hào)處理技術(shù)就是其中最重要的創(chuàng)新之一，本書將系統(tǒng)地討論移動(dòng)通信中的空時(shí)信號(hào)處理技術(shù)。　　空時(shí)處理能很好地結(jié)合單時(shí)域處理和單空域處理各自的優(yōu)勢(shì)，充分地利用信號(hào)和信道的空間與時(shí)間特性，具有同時(shí)抑制CCI和ISI、改善接收信噪／信干比、提高天線陣列處理／分集增益、增加頻譜效率和系統(tǒng)容量、擴(kuò)展小區(qū)覆蓋范圍等優(yōu)點(diǎn)。從算法與實(shí)現(xiàn)的角度看，空時(shí)處理技術(shù)包括空時(shí)信道與空時(shí)信道估計(jì)、空時(shí)信道容量、空時(shí)接收處理、空時(shí)傳輸處理、盲空時(shí)處理五個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容?？諘r(shí)信道與空時(shí)信道估計(jì)是空時(shí)處理的基礎(chǔ)，但研究難度較大，所獲結(jié)果不太多。由于MIMO技術(shù)的促進(jìn)，近年來，空時(shí)信道容量研究引起高度重視，已獲得部分成果，但還有很多工作要做。空時(shí)接收處理包括空時(shí)均衡、空時(shí)RAKE接收、空時(shí)多用戶檢測(cè)等，目前研究成果非常豐富?？諘r(shí)傳輸處理可以減少接收機(jī)的處理復(fù)雜度和提高系統(tǒng)性能，是目前通信信號(hào)處理的研究熱點(diǎn)之一，但剛剛起步。盲空時(shí)處理不需要發(fā)送附加的訓(xùn)練序列和導(dǎo)頻信號(hào)，可以提高傳輸效率，是一個(gè)很有吸引力的研究方向?！　”緯靡皂樌霭娴玫讲簧賹＜业膸椭诖?，感謝電子工業(yè)出版社王春寧博士和竺南直博士的幫助和大力支持；作為通信信號(hào)處理叢書之一，感謝中國(guó)通信學(xué)會(huì)通信理論與信號(hào)處理專業(yè)委員會(huì)，特別是專委會(huì)主任鄭寶玉教授的鼓勵(lì)和幫助；感謝國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（60572089）對(duì)本書出版的資助。　　鑒于時(shí)間倉(cāng)促，作者水平有限，加之空時(shí)信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展日新月異，書中難免有疏漏甚至不當(dāng)之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

本書探討移動(dòng)通信中的空時(shí)信號(hào)處理，首先介紹了空時(shí)信號(hào)處理概念和與之密切相關(guān)的移動(dòng)通信發(fā)展情況，然后分別探討了空時(shí)信道與空時(shí)信道估計(jì)、空時(shí)信道容量、空時(shí)接收處理、空時(shí)傳輸處理和盲空時(shí)處理五個(gè)方面，基本涵蓋了空時(shí)信號(hào)處理的主要內(nèi)容和最新進(jìn)展。    本書適用對(duì)象為通信、電子、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的研究生、教師、科研和工程技術(shù)人員，還可作為研究生第一學(xué)期的教學(xué)用書。

書籍目錄

第1章  空時(shí)信號(hào)處理概念  1.1  移動(dòng)通信的發(fā)展  1.2  一維通信信號(hào)處理的局限  1.3  空時(shí)信號(hào)處理概念  1.4  本書內(nèi)容安排  參考文獻(xiàn)第2章  空時(shí)信道與信號(hào)模型  2.1  移動(dòng)通信信道的基本特征    2.1.1  陰影衰落    2.1.2  多徑效應(yīng)與小尺度衰落  2.2  空時(shí)信道    2.2.1  SISO信道    2.2.2  SIMO信道    2.2.3  MISO信道    2.2.4  MIMO信道    2.2.5  多用戶ST信道  2.3  離散空時(shí)信號(hào)模型    2.3.1  SISO離散信號(hào)模型    2.3.2  SIMO離散信號(hào)模型    2.3.3  MISO離散信號(hào)模型    2.3.4  MIMO離散信號(hào)模型    2.3.5  信道矩陣的奇異值分解  參考文獻(xiàn)第3章  空時(shí)信道容量  3.1  概述  3.2  信道系數(shù)確定的單用戶空時(shí)信道的容量    3.2.1  發(fā)射機(jī)不知信道狀態(tài)接收機(jī)確知信道狀態(tài)    3.2.2  發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都確知信道狀態(tài)  3.3  信道系數(shù)隨機(jī)時(shí)單用戶空時(shí)信道的容量    3.3.1  在M足夠大的情況下HW信道的容量    3.3.2  信息速率的統(tǒng)計(jì)描述  3.4  單用戶頻率選擇性空時(shí)信道的容量  3.5  空間相關(guān)下的信道模型與容量    3.5.1  發(fā)射機(jī)不知信道狀態(tài)接收機(jī)確知信道狀態(tài)    3.5.2  發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都不知信道狀態(tài)  3.6  多用戶空時(shí)信道的容量    3.6.1  發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都已知信道狀態(tài)    3.6.2  發(fā)射機(jī)不知信道狀態(tài)而接收機(jī)確知信道狀態(tài)  參考文獻(xiàn)第4章  空時(shí)信道估計(jì)  4.1  空域和時(shí)域處理的等效性  4.2  空時(shí)二維譜估計(jì)  4.3  聯(lián)合角度—時(shí)延估計(jì)  4.4  時(shí)延和空間特征估計(jì)  4.5  結(jié)合DOA的空時(shí)信道估計(jì)  4.6  通用MIMO信道估計(jì)  參考文獻(xiàn)第5章  空時(shí)均衡技術(shù)  5.1  概述  5.2  空時(shí)MLSE均衡  5.3  空時(shí)MMSE均衡  5.4  空時(shí)ZF均衡和性能比較  5.5  空時(shí)DFE均衡  5.6  基于子空間的算法  5.7  空時(shí)兩段處理方法  參考文獻(xiàn)第6章  空時(shí)RAKE接收機(jī)和多用戶檢測(cè)  6.1  概述  6.2  基于波束成形的空時(shí)RAKE接收機(jī)  6.3  基于匹配濾波的空時(shí)RAKE接收機(jī)  6.4  基于RLS-Kalman算法的空時(shí)RAKE接收機(jī)  6.5  最優(yōu)空時(shí)聯(lián)合檢測(cè)  6.6  線性空時(shí)聯(lián)合檢測(cè)  6.7  空時(shí)干擾抵消  參考文獻(xiàn)第7章  盲空時(shí)處理  7.1  概述  7.2  盲空時(shí)信道估計(jì)    7.2.1  基于子空間方法的盲信道估計(jì)    7.2.2  有色信道環(huán)境下的去相關(guān)盲估計(jì)方法    7.2.3  基于線性預(yù)測(cè)的盲信道估計(jì)  7.3  盲空時(shí)均衡    7.3.1  基于恒模的盲空時(shí)均衡器    7.3.2  基于盲波束成形的盲自適應(yīng)均衡    7.3.3  基于序貫蒙特卡羅法的盲自適應(yīng)均衡  7.4  盲空時(shí)RAKE接收機(jī)    7.4.1  信號(hào)模型    7.4.2  盲空時(shí)RAKE接收機(jī)設(shè)計(jì)    7.4.3  仿真實(shí)例及性能分析  7.5  盲空時(shí)聯(lián)合檢測(cè)    7.5.1  同步CDMA中盲空時(shí)聯(lián)合檢測(cè)器    7.5.2  異步多徑CDMA中盲空時(shí)聯(lián)合檢測(cè)器  參考文獻(xiàn)第8章  空時(shí)傳輸分集  8.1  概述  8.2  正交空時(shí)分組編碼    8.2.1  正交空時(shí)分組碼的原理    8.2.2  Alamouti空時(shí)分組碼    8.2.3  基于正交設(shè)計(jì)的空時(shí)分組碼  8.3  差分空時(shí)分組碼    8.3.1  差分編碼    8.3.2  差分解碼  8.4  空時(shí)Trellis碼    8.4.1  慢衰落信道下空時(shí)Trellis碼的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則    8.4.2  快衰落信道下空時(shí)Trellis碼的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則    8.4.3  空時(shí)Trellis碼的編碼方案    8.4.4  空時(shí)Trellis碼的譯碼和性能  8.5  空時(shí)編碼在3G中的應(yīng)用    8.5.1  空時(shí)編碼在WCDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用    8.5.2  空時(shí)編碼在cdma2000系統(tǒng)中的應(yīng)用    8.5.3  空時(shí)格碼在TD-SCDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用  8.6  空時(shí)協(xié)作分集    8.6.1  協(xié)作分集的原理    8.6.2  協(xié)作傳輸方式    8.6.3  協(xié)作分集的優(yōu)點(diǎn)及問題  參考文獻(xiàn)第9章  空分復(fù)用  9.1  概述  9.2  空分復(fù)用方法  9.3  空分復(fù)用接收技術(shù)    9.3.1  迫零（ZF）檢測(cè)算法    9.3.2  最小均方誤差（MMSE）檢測(cè)算法    9.3.3  最大似然（ML）檢測(cè)算法    9.3.4  基于QR分解的串行干擾反饋抵消    9.3.5  性能仿真  9.4  空時(shí)傳輸分集和空分復(fù)用的選擇    9.4.1  基于差錯(cuò)概率的空時(shí)編碼傳輸方案選擇    9.4.2  空時(shí)傳輸分集和空分復(fù)用的折中    9.4.3  空時(shí)傳輸分集和空分復(fù)用的結(jié)合  參考文獻(xiàn)第10章  空時(shí)傳輸預(yù)處理  10.1  概述  10.2  空時(shí)預(yù)RAKE    10.2.1  Pre -RAKE技術(shù)原理    10.2.2  Pre -RAKE仿真與討論  10.3  空時(shí)聯(lián)合傳輸    10.3.1  空時(shí)聯(lián)合傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)    10.3.2  JT的基本原理    10.3.3  聯(lián)合傳輸?shù)暮?jiǎn)化算法    10.3.4  JT在TD-SCDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用  10.4  空時(shí)線性預(yù)均衡和預(yù)編碼    10.4.1  一般的線性發(fā)送系統(tǒng)    10.4.2  基于匹配濾波器的預(yù)編碼（TxMF）    10.4.3  發(fā)送迫零預(yù)編碼（TxZF）    10.4.4  發(fā)送維納/MMSE預(yù)編碼（TxWF/TxMMSE）    10.4.5  線性預(yù)編碼性能比較  10.5  空時(shí)非線性預(yù)均衡和預(yù)編碼    10.5.1 “臟報(bào)紙”預(yù)編碼（DPC）    10.5.2  THP預(yù)編碼    10.5.3  網(wǎng)格預(yù)編碼（Trellis預(yù)編碼）    10.5.4  非線性發(fā)送迫零預(yù)編碼（TxNZF）    10.5.5  格型簡(jiǎn)化輔助預(yù)編碼（LRAP）  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章　空時(shí)信號(hào)處理概念　　1.1 移動(dòng)通信的發(fā)展　　現(xiàn)代無線通信起源于19世紀(jì)Hertz的電磁波輻射試驗(yàn)，使人們認(rèn)識(shí)到電磁波和電磁能量是可以控制發(fā)射的，其后Marconi的跨大西洋無線電通信證實(shí)了電波攜帶信息的能力，而理論基礎(chǔ)由Maxwell的電磁波方程組奠定?！　〉钦嬲囊苿?dòng)通信技術(shù)的發(fā)展應(yīng)從20世紀(jì)20年代開始，其代表是工作于2MHz的美國(guó)底特律警察局使用的專用移動(dòng)通信（車載）系統(tǒng)。20世紀(jì)30年代初，移動(dòng)發(fā)射機(jī)出現(xiàn)，第二次世界大戰(zhàn)極大地促進(jìn)了移動(dòng)通信的發(fā)展，各國(guó)武裝部隊(duì)采用了大量的無線電通信系統(tǒng)。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后開始了建立公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)階段，1946年美國(guó)在圣路易斯建立了世界第一個(gè)公用汽車電話網(wǎng)，其后加拿大、前西德、荷蘭等國(guó)陸續(xù)開設(shè)了公用汽車電話業(yè)務(wù)，采用大區(qū)制，可以實(shí)現(xiàn)人工交換與公眾電話網(wǎng)的接續(xù)。20世紀(jì)60年代中期開始了自動(dòng)交換與公眾電話網(wǎng)的接續(xù)，并且由于頻率合成器的出現(xiàn)，信道間隔縮小，信道數(shù)目增加。到目前為止，公眾陸地移動(dòng)通信經(jīng)歷了從第一代模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)到第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)再到第三代準(zhǔn)寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)階段，正在向第四代寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展?！　〉谝淮M移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展大致從20世紀(jì)70年代中期到90年代初期，主要是解決用戶增加而頻道有限的情況下，如何提高頻譜利用率的問題。Bell實(shí)驗(yàn)室提出了蜂窩系統(tǒng)概念，進(jìn)而發(fā)展了小區(qū)制大容量系統(tǒng)，這就是目前還在商用的第一代模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)。典型代表有：美國(guó)的AMPS、英國(guó)的TACS、北歐的NMT-450／900、德國(guó)的C-450／900和日本的NAMTS等。存在的主要問題是：各系統(tǒng)間沒有公共接口，頻譜利用率低，無法與固定網(wǎng)向數(shù)字化推進(jìn)相適應(yīng)。　　為了解決第一代模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)存在的缺陷和市場(chǎng)對(duì)移動(dòng)通信容量的需求問題，20世紀(jì)80年代初期，歐洲電信管理部門成立了一個(gè)被稱為GSM（移動(dòng)特別小組）的專題小組研究和發(fā)展泛歐各國(guó)統(tǒng)一的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范。1988年確定了采用以TDMA為多址技術(shù)的主要建議與實(shí)施計(jì)劃，1990年開始試運(yùn)行，然后進(jìn)行商用，到1993年中期已經(jīng)取得相當(dāng)成功，吸引了全世界的注意，現(xiàn)已成為世界上最大的移動(dòng)通信網(wǎng)。美國(guó)于1990年確定了采用以TDMA為多址技術(shù)的數(shù)，模兼容的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)D-AMPS（IS-54／136）；1992年美國(guó)Qualcomm公司發(fā)展了基于CDMA多址技術(shù)的IS-95數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅數(shù)／模兼容，而且系統(tǒng)容量是模擬系統(tǒng)的20倍，數(shù)字TDMA系統(tǒng)的4倍，IS-95現(xiàn)已成為僅次于GSM的第二大移動(dòng)通信網(wǎng)。日本也于1993年發(fā)展了自成一體的采用TDMA為多址技術(shù)的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)JDC，但該系統(tǒng)僅在日本國(guó)內(nèi)使用。雖然第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)較第一代模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)有很大的改進(jìn)，但是也存在許多問題：沒有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，頻譜利用率較低，不能滿足移動(dòng)通信容量的巨大要求，不能提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，不能有效地支持Intenet業(yè)務(wù)?！　?hellip;…

編輯推薦

　　《移動(dòng)通信中的空時(shí)信號(hào)處理》全書共分十章，主要介紹了空時(shí)信道與信號(hào)模型、空時(shí)信道容量、空時(shí)信道估計(jì)、空時(shí)RAKE接收機(jī)和多用戶檢測(cè)、盲空時(shí)處理、空時(shí)傳輸分集、空分復(fù)用、空時(shí)傳輸預(yù)處理等內(nèi)容。

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