移動通信中的空時信號處理

前言

　　在剛剛過去的2007年，大家已經(jīng)注意到我國有這樣一些統(tǒng)計信息：移動電話用戶數(shù)達到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；移動數(shù)據(jù)業(yè)務用戶數(shù)約1.5億，且全年增長1200萬用戶；上海、北京、廣州、成都等正在實施建設無線城市計劃。不僅中國是這樣，其他國家大體上也呈上升趨勢，且已經(jīng)持續(xù)多年。這些信息說明，移動通信用戶正在快速增長，移動通信業(yè)務需求正在高速發(fā)展，移動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)務類型、更好的服務質量，才能滿足社會對移動通信的巨大需求，這是移動通信的光榮使命，但更是嚴峻的挑戰(zhàn)。　　除了上面來自社會和用戶需求的挑戰(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通信也必須解決，同時，移動通信還面臨多徑傳播、用戶隨機移動、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通信系統(tǒng)的信號質量受到嚴重的衰落和干擾的影響?！　】朔@些挑戰(zhàn)是移動通信理論研究和設備開發(fā)所面臨的緊要問題，除需要相關的RF技術、無線資源調度、移動性管理和移動組網(wǎng)技術發(fā)展外，更需要移動通信信號處理技術的突破，為此，發(fā)展了一系列通信信號處理技術來解決這些問題，其中空時信號處理技術就是其中最重要的創(chuàng)新之一，本書將系統(tǒng)地討論移動通信中的空時信號處理技術?！　】諘r處理能很好地結合單時域處理和單空域處理各自的優(yōu)勢，充分地利用信號和信道的空間與時間特性，具有同時抑制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、擴展小區(qū)覆蓋范圍等優(yōu)點。從算法與實現(xiàn)的角度看，空時處理技術包括空時信道與空時信道估計、空時信道容量、空時接收處理、空時傳輸處理、盲空時處理五個方面的研究內容?？諘r信道與空時信道估計是空時處理的基礎，但研究難度較大，所獲結果不太多。由于MIMO技術的促進，近年來，空時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?？諘r接收處理包括空時均衡、空時RAKE接收、空時多用戶檢測等，目前研究成果非常豐富?？諘r傳輸處理可以減少接收機的處理復雜度和提高系統(tǒng)性能，是目前通信信號處理的研究熱點之一，但剛剛起步。盲空時處理不需要發(fā)送附加的訓練序列和導頻信號，可以提高傳輸效率，是一個很有吸引力的研究方向?！　”緯靡皂樌霭娴玫讲簧賹＜业膸椭?，在此，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；作為通信信號處理叢書之一，感謝中國通信學會通信理論與信號處理專業(yè)委員會，特別是專委會主任鄭寶玉教授的鼓勵和幫助；感謝國家自然科學基金項目（60572089）對本書出版的資助。　　鑒于時間倉促，作者水平有限，加之空時信號處理技術的發(fā)展日新月異，書中難免有疏漏甚至不當之處，懇請讀者批評指正。

內容概要

本書探討移動通信中的空時信號處理，首先介紹了空時信號處理概念和與之密切相關的移動通信發(fā)展情況，然后分別探討了空時信道與空時信道估計、空時信道容量、空時接收處理、空時傳輸處理和盲空時處理五個方面，基本涵蓋了空時信號處理的主要內容和最新進展。    本書適用對象為通信、電子、自動化、計算機及相關專業(yè)的研究生、教師、科研和工程技術人員，還可作為研究生第一學期的教學用書。

書籍目錄

第1章  空時信號處理概念  1.1  移動通信的發(fā)展  1.2  一維通信信號處理的局限  1.3  空時信號處理概念  1.4  本書內容安排  參考文獻第2章  空時信道與信號模型  2.1  移動通信信道的基本特征    2.1.1  陰影衰落    2.1.2  多徑效應與小尺度衰落  2.2  空時信道    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  離散空時信號模型    2.3.1  SISO離散信號模型    2.3.2  SIMO離散信號模型    2.3.3  MISO離散信號模型    2.3.4  MIMO離散信號模型    2.3.5  信道矩陣的奇異值分解  參考文獻第3章  空時信道容量  3.1  概述  3.2  信道系數(shù)確定的單用戶空時信道的容量    3.2.1  發(fā)射機不知信道狀態(tài)接收機確知信道狀態(tài)    3.2.2  發(fā)射機和接收機都確知信道狀態(tài)  3.3  信道系數(shù)隨機時單用戶空時信道的容量    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)計描述  3.4  單用戶頻率選擇性空時信道的容量  3.5  空間相關下的信道模型與容量    3.5.1  發(fā)射機不知信道狀態(tài)接收機確知信道狀態(tài)    3.5.2  發(fā)射機和接收機都不知信道狀態(tài)  3.6  多用戶空時信道的容量    3.6.1  發(fā)射機和接收機都已知信道狀態(tài)    3.6.2  發(fā)射機不知信道狀態(tài)而接收機確知信道狀態(tài)  參考文獻第4章  空時信道估計  4.1  空域和時域處理的等效性  4.2  空時二維譜估計  4.3  聯(lián)合角度—時延估計  4.4  時延和空間特征估計  4.5  結合DOA的空時信道估計  4.6  通用MIMO信道估計  參考文獻第5章  空時均衡技術  5.1  概述  5.2  空時MLSE均衡  5.3  空時MMSE均衡  5.4  空時ZF均衡和性能比較  5.5  空時DFE均衡  5.6  基于子空間的算法  5.7  空時兩段處理方法  參考文獻第6章  空時RAKE接收機和多用戶檢測  6.1  概述  6.2  基于波束成形的空時RAKE接收機  6.3  基于匹配濾波的空時RAKE接收機  6.4  基于RLS-Kalman算法的空時RAKE接收機  6.5  最優(yōu)空時聯(lián)合檢測  6.6  線性空時聯(lián)合檢測  6.7  空時干擾抵消  參考文獻第7章  盲空時處理  7.1  概述  7.2  盲空時信道估計    7.2.1  基于子空間方法的盲信道估計    7.2.2  有色信道環(huán)境下的去相關盲估計方法    7.2.3  基于線性預測的盲信道估計  7.3  盲空時均衡    7.3.1  基于恒模的盲空時均衡器    7.3.2  基于盲波束成形的盲自適應均衡    7.3.3  基于序貫蒙特卡羅法的盲自適應均衡  7.4  盲空時RAKE接收機    7.4.1  信號模型    7.4.2  盲空時RAKE接收機設計    7.4.3  仿真實例及性能分析  7.5  盲空時聯(lián)合檢測    7.5.1  同步CDMA中盲空時聯(lián)合檢測器    7.5.2  異步多徑CDMA中盲空時聯(lián)合檢測器  參考文獻第8章  空時傳輸分集  8.1  概述  8.2  正交空時分組編碼    8.2.1  正交空時分組碼的原理    8.2.2  Alamouti空時分組碼    8.2.3  基于正交設計的空時分組碼  8.3  差分空時分組碼    8.3.1  差分編碼    8.3.2  差分解碼  8.4  空時Trellis碼    8.4.1  慢衰落信道下空時Trellis碼的設計準則    8.4.2  快衰落信道下空時Trellis碼的設計準則    8.4.3  空時Trellis碼的編碼方案    8.4.4  空時Trellis碼的譯碼和性能  8.5  空時編碼在3G中的應用    8.5.1  空時編碼在WCDMA系統(tǒng)中的應用    8.5.2  空時編碼在cdma2000系統(tǒng)中的應用    8.5.3  空時格碼在TD-SCDMA系統(tǒng)中的應用  8.6  空時協(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)點及問題  參考文獻第9章  空分復用  9.1  概述  9.2  空分復用方法  9.3  空分復用接收技術    9.3.1  迫零（ZF）檢測算法    9.3.2  最小均方誤差（MMSE）檢測算法    9.3.3  最大似然（ML）檢測算法    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  空時傳輸分集和空分復用的選擇    9.4.1  基于差錯概率的空時編碼傳輸方案選擇    9.4.2  空時傳輸分集和空分復用的折中    9.4.3  空時傳輸分集和空分復用的結合  參考文獻第10章  空時傳輸預處理  10.1  概述  10.2  空時預RAKE    10.2.1  Pre -RAKE技術原理    10.2.2  Pre -RAKE仿真與討論  10.3  空時聯(lián)合傳輸    10.3.1  空時聯(lián)合傳輸?shù)膬?yōu)點    10.3.2  JT的基本原理    10.3.3  聯(lián)合傳輸?shù)暮喕惴?   10.3.4  JT在TD-SCDMA系統(tǒng)中的應用  10.4  空時線性預均衡和預編碼    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編碼（TxMF）    10.4.3  發(fā)送迫零預編碼（TxZF）    10.4.4  發(fā)送維納/MMSE預編碼（TxWF/TxMMSE）    10.4.5  線性預編碼性能比較  10.5  空時非線性預均衡和預編碼    10.5.1 “臟報紙”預編碼（DPC）    10.5.2  THP預編碼    10.5.3  網(wǎng)格預編碼（Trellis預編碼）    10.5.4  非線性發(fā)送迫零預編碼（TxNZF）    10.5.5  格型簡化輔助預編碼（LRAP）  參考文獻

章節(jié)摘錄

　　第1章　空時信號處理概念　　1.1 移動通信的發(fā)展　　現(xiàn)代無線通信起源于19世紀Hertz的電磁波輻射試驗，使人們認識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了電波攜帶信息的能力，而理論基礎由Maxwell的電磁波方程組奠定?！　〉钦嬲囊苿油ㄐ偶夹g的發(fā)展應從20世紀20年代開始，其代表是工作于2MHz的美國底特律警察局使用的專用移動通信（車載）系統(tǒng)。20世紀30年代初，移動發(fā)射機出現(xiàn)，第二次世界大戰(zhàn)極大地促進了移動通信的發(fā)展，各國武裝部隊采用了大量的無線電通信系統(tǒng)。第二次世界大戰(zhàn)結束后開始了建立公眾移動通信系統(tǒng)階段，1946年美國在圣路易斯建立了世界第一個公用汽車電話網(wǎng)，其后加拿大、前西德、荷蘭等國陸續(xù)開設了公用汽車電話業(yè)務，采用大區(qū)制，可以實現(xiàn)人工交換與公眾電話網(wǎng)的接續(xù)。20世紀60年代中期開始了自動交換與公眾電話網(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，公眾陸地移動通信經(jīng)歷了從第一代模擬移動通信系統(tǒng)到第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)再到第三代準寬帶移動通信系統(tǒng)階段，正在向第四代寬帶移動通信系統(tǒng)發(fā)展?！　〉谝淮M移動通信系統(tǒng)的發(fā)展大致從20世紀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實驗室提出了蜂窩系統(tǒng)概念，進而發(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通信系統(tǒng)。典型代表有：美國的AMPS、英國的TACS、北歐的NMT-450／900、德國的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)字化推進相適應。　　為了解決第一代模擬移動通信系統(tǒng)存在的缺陷和市場對移動通信容量的需求問題，20世紀80年代初期，歐洲電信管理部門成立了一個被稱為GSM（移動特別小組）的專題小組研究和發(fā)展泛歐各國統(tǒng)一的數(shù)字移動通信系統(tǒng)技術規(guī)范。1988年確定了采用以TDMA為多址技術的主要建議與實施計劃，1990年開始試運行，然后進行商用，到1993年中期已經(jīng)取得相當成功，吸引了全世界的注意，現(xiàn)已成為世界上最大的移動通信網(wǎng)。美國于1990年確定了采用以TDMA為多址技術的數(shù)，模兼容的數(shù)字移動通信系統(tǒng)D-AMPS（IS-54／136）；1992年美國Qualcomm公司發(fā)展了基于CDMA多址技術的IS-95數(shù)字移動通信系統(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為多址技術的數(shù)字移動通信系統(tǒng)JDC，但該系統(tǒng)僅在日本國內使用。雖然第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)較第一代模擬移動通信系統(tǒng)有很大的改進，但是也存在許多問題：沒有統(tǒng)一的國際標準，頻譜利用率較低，不能滿足移動通信容量的巨大要求，不能提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務，不能有效地支持Intenet業(yè)務?！　?hellip;…

編輯推薦

　　《移動通信中的空時信號處理》全書共分十章，主要介紹了空時信道與信號模型、空時信道容量、空時信道估計、空時RAKE接收機和多用戶檢測、盲空時處理、空時傳輸分集、空分復用、空時傳輸預處理等內容。

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