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1、认知认知 MIMOMIMO 系统中差分空时编码技术系统中差分空时编码技术摘要：认知 MIMO 系统利用了差分空时编码技术。MIMO 系统中的认知链路和授权链路均采用两个发射天线和一个接收天线。在认知系统中，认知用户可以有机会使用授权的频谱，即可以利用闲置中的授权频带，这样整个频谱效率就提高了。多发射天线多接受天线的空时编码技术能使多径衰减的影响最小且改善性能，提高无线信道的数字传输容量，但是需要假设接收端有最优信道状态信息估计且利用相关检测。然而在一些情况下，如快速移动的环境或者信道快速衰减，精确地估计认知 MIMO 系统的信道状态是很困难的或者代价太高。为解决此问题，我们为认知 MIMO 系
2、统提出了一种差分空时编码技术。1 引言近年来随着无线技术的发展，公共无线频谱资源变得越来越稀少。大多数的无线技术创新都是在未授权频段进行的，因此未授权频段变得拥挤。然而大部分的授权频段在某些时间段和某些地方却未被使用。认知无线（CR）是解决此问题的一项重要的技术，它允许未授权（认知）用户可以有机会使用正在闲置的授权频谱，这样频谱效率就能得到很大的提高。提高无线网络的复杂性和动态环境是现在发展的一个趋势。认知网络就是在这种趋势下发展起来的。而有线网络也有这个趋势，不能被有前景的认知网络排除在外，但是在复杂网络环境中，无线网络是研究的焦点。先前的研究将无线与认知结合时，会产生一系列的问题，认知无线
3、网络为解决这些问题给出了一种新方法。众所周知，多发射天线多接受天线的空时编码技术能使多径衰减的影响最小且改善性能，提高无线信道的数字传输容量。但是在这种条件下，通常假设接收端有最优信道状态信息估计且利用相关检测。当信道状态变化的速度低于符号率时，发射端发送试点序列，接收端可以精确地估计信道状态信息。然而，在一些情况下，如高速移动的环境或者信道衰减变化快速时，精确地估计信道状态信息是很困难的，有时代价太高。对于这样的情况，利用差分空时编码是有效的，因为差分空时编码技术不要求发射机和接收机估计信道状态信息。对于单发射天线，差分方案，如差分相移键控（DPSK） ，在解调时不需要信道估计。差分方案被广
4、泛的应用于实际的蜂窝移动通信系统中。下面我们考虑将差分空时编码方案应用到 MIMO 系统中。我们提出差分空时编码方案，因为解码时接收端不需要信道状态信息。在本文中，将以分布式差分空时编码方案为例，讨论差分空时编码方案的应用。2 认知 MIMO 系统2.1 MIMO 技术MIMO(Multiple-In Multiple-Out，多输入多输出)技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。MIMO 技术能在不增加带宽的情况下，成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。随着世界各国对该技术的不断研究完善，我们有理由相信 MIMO 技术将成为新一代移动通信系统所必须采用的关键技术。MIMO 技术源于无线
5、通信天线分集技术与智能天线技术，它是多入单出（MISO）与单入多出（SIMO）技术的结合，具有两者的优势和特征。MIMO 系统在发射端和接收端均采用多天线单元，运用先进的天线传输与信号处理技术，利用无线信道的多径传播，因势利导，开发空间资源，建立空间并行传输通道，在不增加带宽与发射功率的情况下，成倍地提高无线通信的质量与数据速率，堪称现代通信领域的重要技术突破。MIMO 技术已不是传统的无线通信智能天线，其优势已非常规智能天线所及。智能天线采用加权选择算法驱动波束指向，通过将能量聚集到期望方向而提高信噪比，抑制而不是利用多径传播。对于 MIMO系统，若其 M 副发射天线和 N 副接收天线形成的
6、无线链路 MN 信道矩阵的元素是完全独立的，则系统的容量随最小天线数目线性增长。理论上，如果天线的空间和成本与射频通道不受限制，MIMO 系统就能提供无限大的容量，这是空间维数充分结合时间维数的结果，即采用空时编码的数据流利用的是矩阵信道而不是智能天线系统中的向量信道传输数据。MIMO 技术利用了无线信道多径传播的固有特性。如果在发送端与接收端同时采用多天线系统，只要各天线单元间距足够大，无线信道散射传播的多径分量足够丰富，各对发/收天线单元间的多径衰落就趋于独立，即各对等效的发/收天线间的无线传输信道趋于独立，即这些同频率、同时间、同信道特征码的子信道趋于相互正交。2.2 MIMO 技术研究
7、进程无线通信系统的 3 个最主要的有害因素是信号衰落、码间干扰（ISI）和共信道干扰（CCI） 。信号衰落和码间干扰是由无线信道的多径传播产生的，CCI 一般是由共信道用户或系统中未知的干扰源产生的。为了对抗信号衰落，单用户 MIMO 系统采用分集技术来处理，如空间分集、时间分集、极化分集和频率分集。空间分集和极化分集通过采用阵列天线而获得；频率分集可通过利用多径物理信道来获得；时间分集可通过具体的（编码调制）发射技术而获得。为了消除或者利用无线通信系统中的 ISI，信道均衡技术包括自适应均衡或者 rake 接收，可以用来均衡多径信道。为了消除共信道干扰，自适应波束形成是在干扰信息未知时所采用
8、的技术。当干扰信息在接收器中是已知时，采用多用户检测技术是更好的选择。自适应波束形成技术与多用户检测技术的结合可以进一步提高系统的性能，但它是以系统复杂度的增加为条件的。采用阵列天线技术，MIMO 系统能够充分利用信号的所有空时频域特性：（1）利用或去除多径衰落。MIMO 技术能充分采用多径的各种发射/合成技术，提高无线通信系统的性能。（2）消除共信道干扰。MIMO 系统能采用自适应波束形成技术或者多用户检测技术对共信道干扰进行有效抑制或消除。（3）提高频谱利用率，增强发射效率，减小发射功率，减小空间电磁干扰及增大系统容量。由于阵列天线可以减低共信道干扰和多径衰落的影响，因而在一定的 SNR（
9、信噪比）条件下可以降低误码率，或者在一定的误码率下可以降低检测所需要的信噪比。MIMO 系统能够抑制或者消除共信道干扰以及码间干扰，同时利用分集技术提高接收信号的信噪比，因此基站和移动终端的发射功率可以得到一定程度的降低，同时减小空间电磁干扰的影响，延长移动终端电池使用时间，减小对生态环境的影响，降低系统对功率控制精度和器件要求。下面介绍 MIMO 空间复用系统的若干关键技术的研究现状。（1）预编码技术的研究对于线性预编码中的 SVD 预编码技术，它通过将 MIMO 信道分解成平行的子信道，并且可通过发送端的注水技术（Water Pouring）以达到系统的最大容量。但是，对分解后不同的子信道
10、，每个子信道的信号干扰噪声比（SINR）并不相同，故它需要严格的比特分配（Bit Allocation）技术来匹配每个子信道。但是比特分配技术不仅增加了收发两端编/译码的复杂性，而且因为信号星座的颗粒性会造成容量的损失。（2）检测技术的研究检测一般是指在接收端对基带信号进行处理以恢复发射符号的一个过程。基于最大似然准则的检测算法在性能上是最优的，但其计算复杂度却随天线数目及调制阶数的增加呈指数增长，所以如何在计算复杂度和检测性能之间取得好的折中一直是此类研究的一个热点。从检测的机理上可以将检测算法分为两大类：一类是最大似然检测的近似，这样的检测方法从减少最大似然检测中穷尽搜索的次数出发，同时保
11、证性能尽量逼近最大似然；另一类则从矩阵求逆的角度出发，如迫零检测，MMSE 检测，以及在此基础上引入其他一些准则形成的检测算法，如排序串行干扰抵消、并行多级检测，这样的一些检测方法相对于最大似然具有复杂度低但性能损失较大的特点。（3）机会波束成型技术的研究在多用户 MIMO 系统中，如果一个时频资源块只是调度给一个信道条件好的用户，则往往不能充分利用 MIMO 系统的空间自由度。发射端每次调度先随机产生多个波束，然后把每个波束分配给信道条件匹配的多个用户，这样可以同时获得多用户分集增益和空间复用增益。在随机的正交波束空分多址技术中，产生承载多个用户数据的多个波束时要求各个波束之间相互正交，随着
12、用户数的不断增长，它能渐进地达到多天线系统广播信道容量的增长速度。但当用户数目有限时，该方案的性能会急剧下降。这些问题需要进一步研究解决。（4）天线选择技术的研究尽管 MIMO 系统能够有效提高频谱效率，但它的缺点在于收发双方都采用多根天线，与 SISO 系统相比，MIMO 系统必定会增加系统复杂度和成本，尤其是射频链路（包括低噪声放大器，变频器，A/D、D/A 转换器等）价格昂贵。因此，可以考虑在多根天线当中选择某一根或者某几根信道质量较好的天线来进行数据传输，因而其他信道质量较差的天线被放弃使用，这样可以在基本保持系统整体性能的情况下，显著降低系统的复杂度和硬件成本。常用的天线选择准则包括
13、最大化最小欧氏距离、最大处理后信噪比、最大化最小奇异值和最大化系统容量等。3 认知系统用户无线服务和设备的扩展，例如移动通信，公共安全，WiFi 和电视播放服务是现代社会对无线频谱的依赖程度如何大的最无争议的例子。值得注意的是，未授权频带（例如 ISM 和 UNII）在无线生态系统中起着很重要的作用，因为这个频带的使用未受到及时的监管和支配，这将导致新应用过多，包括上一公里宽带无线接入，无线PANs/LANs/MANs 和无线电话。无授权操作的突破性成功和技术的很大进步来源于此，而且，频谱占有测量显示授权频带如电视频段，严重使用不足，使得监督机构（例如 FCC）考虑开放更多频带为未授权用户使用
14、。无线认知（CR）可被看作是当前无线频谱利用率较低的解决方案。它将无线操作的特征用于实际环境条件中，使得频谱利用灵活，有效，可靠。无线认知有大规模的智能使用未开发频谱的潜力，且不影响频带授权设备的正常使用。无线认知是一种快速发展的重要的无线技术， （例如，软件定义的无线，频率灵活性，功率控制等） ，特征是使用破坏性技术如宽带频谱感知，实际-时间频谱分配和获取，以及实际-时间传播方案 RFCs，以对认知无线的潜力和问题有个好的理解。认知无线电技术(CR)是软件无线电技术的演化，是一种新的智能无线通信技术。认知无线电技术的主要特点，就是根据环境不断调整参数以适应通信的需求从而提高通信质量。目前宽带
15、无线通信系统有正交频分复用(OFDM)，多输入多输出(MIMO)等关键技术。将 CR 引进 MIMO 系统中，采用特殊的天线设计，感知宽带的传输特征，从空间、时间、频率、调制方式等多维度共享无线频谱，能提高频谱利用的灵活性，有效抑制窄带干扰。LTE 是由 3GPP 定义的下一个移动宽带网络标准，基于 OFDM、MIMO 等关键技术，论述了实现 CR 的过程。认知无线电(CR)的概念是由 Joseph Mitola 博士提出的，就是在软件无线电的基础上，增加检测需求并主动改变功能的能力，使无线设备能自动适应外界环境和自身需求的变化。其常见的三种频率资源管理方式是：集中式，分布式和集中分布式。CR
16、 系统是可以感知外界通信环境的智能通信系统，通过学习不断地感知外界的变化，并自适应地调整其内部的通信机理来达到对环境变化的适应，即具备检测、分析、调整、推理、学习等过程，这一系列的过程组成认知循环。这样的自适应调整过程一方面改进了系统的稳定性，另一方面提高了频谱资源的利用率。由此可知，CR 具有以下几个特点：（1）对环境的感知能力（2）对环境变化的学习能力（3）对环境变化的自适应性（4）通信质量的高可靠性（5）对频谱资源的充分利用（6）系统功能模块的可重构性认知无线电网络具有动态、灵活、智能地使用频谱资源，提高频谱利用率的特点，其网络结构和协议体系的设计是实现上述网络功能的关键。现有基于认知无线电技术的网络架构主要有美国的 CORVUS系统，基于 IEEE 802.22 的无线局域网(WRAN)和支持多信道多接口的无线 Mesh 网络；协议体系有 CORVUS 协议体系，军用的 XG 系统协议及 WRAN 协议等。随着无线应用的范围不断扩展，频谱资源的稀缺成为无线应用研究领域无法回避的重要问题。现有无线通信系统分配频谱大多是基于固定分配方式，这种分配方式的频谱利用率极低，不符合日
