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基于MIMO的窃听信道建模pdf

归档日期:07-04       文本归类:定位信道      文章编辑:爱尚语录

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  ABSTRACT of Keywords:MIMO,Wire—tapchannel,Lowprobability codes. III 图目录 图目录 图1.1无线通信安全与ISO网络结构模型……………………………………….4 图2.1二元线卷积码编码器…………………………………………..9 图2.2调制信道与编码信道模型………………………………………………….9 O 图2.3BSC信道模型………………………………………………………………1 图2.4AWGN信道模型…………………………………………………………..14 图2.5MIMO系统示图……………………………………………………………14 图4.1窃听信道模型………………………………………………………………29 图4.2MIMO窃听信道模型………………………………………………………30 图4.3线性预均衡的系统框图……………………………………………………30 l 图4.4非线性TH预编码结构图……………………...……………………………3 图牟5MIMO安全信道模型………………………………………………………34 图5.1仿真的MIMO信道模型…………………………………………………..40 图5.2AWGN信道模型…………………………………………………………一40 图5.3AWGN信道下仿真模型…………………………………………………一40 图5-4AWGN信道下合法接收者和非法接收者的性能比较…………………..41 图5.5AWGN信道下加信道编码的合法接收者和非法接收者的性能比较…..42 图5-6衰落信道模型………………………………………………………………42 图5.7衰落信道下的仿真模型……………………………………………………43 图5.8衰落信道下合法接收者和非法接收者的性能比较………………………43 图5-9衰落信道下加信道编码的合法接收者和非法接收者的性能比较………44 图5.10秘密信道容量………………………………………………………………45 图6.1香农保密通信系统模型……………………………………………………46 图6.2无条件秘密通信系统模型…………………………………………………49 VI 表目录 表目录 表2.1 表2.2 表5.1MMO预编码仿真参数……………………………………………………39 表6.1陪集表……………………………………………………………………….50 表6.2BCH的对偶码做秘密编码仿真结果……………………………………..51 表6.3基于MIMO的无条件秘密系统性能仿真结果…………………………..51 vI 缩略语 缩略语 MIMO Multiple—InputMultiple-Output 多输入多输出 SNR toNoiseRatio Signal 信噪比 K鼬GRAdditive、ⅣMteGaussian Noise 加性高斯白噪声 LDPCLow CheckCodes Parity 低密度校验码 Density oSI Interconnection OpenSystem 开放系统互联 BER BitErrorRatio 误比特率 BSC Channel BinarySymmetric 二元对称信道 DMCDiscrete Channel Memoryless 离散无记忆信道 BP Belief Propagation 置信传播 CSI ChannelState InformatiOn 信道状态信息 LPI Low of probabilityintercept 小概率窃听 ZFP Zero—ForeingPrecoding 迫零预编码 VIII 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地 方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名:整,:釜:兰!虱 日期∽。力年6月≯日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 导师签名: 签名:蓬,.羞:墨l鱼签名:侄,.盆:墨l鱼 导师签名:圣经篷经 日期:砂,f刁年(月五Et 第一章引言 第一章弟一早 亏I吾引言 1.1课题背景及意义 1.1.1无线通信系统概述 信就开始进入商业应用。在1947年,Bell实验室提出蜂窝移动通信系统的概念, 并在1974年试验成功,这才真正使得无线通信获得了蓬勃的发展。无线通信以广 阔的市场前景,和巨大的发展潜力,已经受到大家越来越多的关注,因此,在无 线通信中,与此相关的各种技术,如MIMO技术,已经得到了广大学者深入的研 究。 移动通信对人类的日常生活,以及对社会的发展产生了巨大的影响,使其成 为通信领域内最为活跃,发展也最为迅速的通信领域之一。自从1978年第一个蜂 窝移动通信系统研制成功以来,无线通信大致经历了三个不同的发展阶段,即通 常所说的第一代、第二代、第三代移动通信系统[34】。 第一代移动通信系统的典型代表有美国的先进移动电话系统(简称为 信技术的标志。 第二代移动通信系统兴起于二十世纪九十年代,其主要代表是欧洲的GSM, 中,取得了巨大成功,极大地影响了人们的生活,推动社会发展,同时也带动了 全球范围内移动通信用户数量的急剧增加。随着移动用户数目的快速增长,在移 动通信系统的设计中就面临这样一个严峻的问题:如何进一步提高系统的频谱利 用率和增大系统的容量,同时,由于因特网已经进入千家万户,光纤也得到了普 及,人们除了需要最基本的话音业务外,还要求移动通信系统具有承载包括视频、 图像等在内的多媒体业务的能力,如实时视频通话,视频会议,网络视频下载。 由于人们对通话质量以及移动通信业务要求提高,而已有的第二代移动通信系统 其单一的业务传输体制以及较低的数据率无法达到这些要求,这就促使ⅡU提出 了第三代移动通信系统(3G)的研究,并于1992年确定其频段范围,以实现任何人 电子科技大学硕士学位论文 在任何时间、任何地点以任何方式与任何人进行通信的目标。ⅡU于1998年确定 了最终的无线传输技术(RTT)标准。 第三代移动通信系统又称为IMT-2000,到目前为止,全球主要有3种主流的 一般认为第三代移动通信系统的主要标志是CDMA通信技术和宽带业务。 目前,第三代移动通信已经进入市场,第四代移动通信的标准和规范正处于 接入)的数据传输速率,以满足灵活多样的通信业务。无线通信的发展也使得它在 人们的日常生活中占有极其重要的地位,改变着人们传统的生活方式、消费方式, 如:利用无处不在的移动通信来进行电子商务和电子银行服务。随着无线通信技 术的飞速发展和普及,其中的安全问题正受到越来越多的关注。 1.1.2无线通信系统安全概述 在第一代移动通信系统里,因为没有采取任何网络安全机制,网络的服务质 量、系统的安全可靠性也就没有保障。第二代移动通信系统中虽然增加了网络安 全机制,但并不完善,所以对使用第二代通信网络的用户而言,信息传输的安全 性和可靠性依然没有足够的保证,这不仅仅对通信双方造成信息泄露,同时也给 网络的运营商的造成了巨大损失,降低了网络的使用效率。虽然在第三代以及以 后的4G无线通信网络中,将增加一些新的通信安全机制,但是以上提到的安全机 制都是在实际的物理层之上来考虑和设计的,所以信息安全依然是无线网络所面 临的严峻问题。 移动通信网络的信息传输通道是无线信道,而传统的有线电话网络的信息传 输通道则是有线的,这也是现代网络与传统网络间一个显著区别。由于无线信道 的广播特性,因此比起传统的有线网络,就更易收到来自外界的干扰,这些干扰 包阔自然界的噪声干扰,也包括人为的对信息进行窃听、攻击或者篡改。为了降 低无线通信网络受外界的影响程度,我们可以采用加密或者认证的机制,但尽管 这样,无线网络还是面临着极大的挑战和威胁,我们将在第四章具体分析在MIMO 通信系统里所面临的小概率窃听问题,并以此展开对安全性的分析。 在无线通信网络中,其安全性主要包括无线链路安全、服务网络安全和终端 安全三个方面,如果将这三个方面结合起来考虑的话,那么想实现信息传输的安 全性和可靠性就更加困难。要实现这三个方面的安全,实际上就是考虑三个特殊 2 第一章引言 因素:空中接口带宽的受限性、用户身份和位置信息的保密性、移动设备运算能 力的局限性,这与前面提到的线链路安全、服务网络安全和终端安全是相互对应 的。 在目前的无线通信网络中,大都是依靠传统的密码体制来实现其安全性,如 不与物理层安全结合来考虑,往往都是运用于物理层之上,独立于物理层的。正 是因为这样,我们就有了在物理层上实现安全通信的可能。我们现在先结合图1.1 来说明那些传统的密码体制或者安全体制的特点以及存在的问题。图1—1列举了几 种安全性实现的机制:Wi.Fi保护接入、互联网协议安全、传输层安全以及PGP 加密机制,并在显示出了它们实现时所处在的网络层次。我们明显可以看出,Wi.Fi 保护接入设计的层次是离物理层最近的,其次是口协议安全,所有的这些安全机 制都是运用在物理层之上的。这些传统的安全机制几乎都存在着安全方面的漏洞, 我们以Wi.Fi保护接入为例来说明其安全性方面存在的问题。在Wi.Fi保护接入的 无线局域网中,其安全威胁主要来自于下面两个方面。(1)会话劫持(SessionHijack) 别易受攻击。(2)在传统有线网络环境下,单向认证不存在问题,但在无线网络中, 信息传输时就可能会遭到“非法窃听者”的攻击。如黑客对服务器伪装成客户端,而 对无线客户端伪装成AP(AccessPoint),即无线访问接入点,这样黑客在经过单向 认证之后,这个“非法窃听者”便充当中间人角色,来完全窃取无线信道中的任何数 据。此外,在这些密码体制实现都有一个共同的假设:信息在物理层的传输是完 美无差错的。然而对于无线信道而言,到目前为止,还没有足够的证据来表明这 样的假设是完全成立的。 传统的安全通信措施都是假设物理层能够提供无差错的连接,并且是在物理 层之上考虑。无线信道是开放的、没有直接物理连接的信道,同时具有广播的特 性,这就使得移动通信网络存在着更多的不安全性因素,包括自然因素和人为的 因素,我们在第二章以BSC信道和AWNG信道为例,考虑噪声对信道的影响。 而在第四章,我们将以MIMO窃听信道为例,来考虑小概率窃听对网络安全的影 响。无线通信网络里,窃听者可以更加容易截获信号,伪造、欺骗信号,这样无 线系统的信息保密性和信息可信度就面临着极大的威胁,因此我们有必要考虑无 线通信的物理层安全措施。 由于无线通信信道多变的物理特性,而这些多变的信道特性正好为通过信道 统计特性建立安全机制提供了可能性,这就是在物理层建立安全措施的基本思想。 电子科技大学硕士学位论文 物理层的安全方案包括两点:(1)物理层的加密机制;(2)物理层的认证体制,方案 (1)是通过物理层的信号处理实现信息的保密传输;方案(2)或通过对信号特征性分 析、比较,从而来实现信号的可靠性认证。本论文采用的是方案(1),即在发送段 通过秘密编码的方式来对信号进行处理。 全 一一一一一一一 网络层 网络层 一·4一◆ 数据链路层 数据链路层 一一4一一● 一一一 A 物理层 物理层 一一I-●’ 一一一 无线接入 Protected WPA:Wi.Fi保护接入(wi.FiAccess) Protocol IPsec:IP协议安全(Iternetsecurity) TLS:传输层安全(TransportLayerSecurity) Good PGP:PmttyPrivacy 图1.1无线通信安全与ISO网络结构模型 因为传统的安全体制有一个共同的假设:物理层能够提供无差错的连接。为 ofinformation.theoretic 了消除这样的假设,信息理论安全原理(Pmciple security)qb 出现了无条件安全的概念【_71,WynertlJ在此概念的基础上提出了窃听信道的模型, 同时他证明了合法通信双方在不需要共享密钥的情况下,建立无条件安全通信系 secrecycapacity)p】,文献[10】对干扰信道、广播信道以及多用户信道的安全性问题 进行了分析和研究。在本文里,我们就在Wyner提出的窃听信道I的基础上构建 MIMO窃听信道,通过在物理层秘密编码方案来达到合法接收者的信道性能优于 窃听信道,建立一个无条件秘密通信系统,来实现文酬7】中所提到的无条件安全通 4 第一章引言 信。 1.2本文的结构安排以及取得的成果 本文结构如下: 第一章是引言,通过分析传统的安全体制引出在物理层上考虑信息传输安全 的思路。 第二章介绍一些基础知识,分两部分。第一部分介绍MIMO技术的概念,模 型,历史和发展现状。第二部分介绍信道编码技术的基本知识。 .第三章从信息论的角度分析了MIMO系统的信道容量的秘密容量,以及无条 件安全通信与相互信息量之I;{『的关系,最后得出结论,只有在合法接收者的信道 性能优于窃听者的信道性能时,才能实现MIMO信道的秘密容量。 第四章第一部分分析了无线信道的信道特性,然后给出了Wyner的窃听信道 模型,并在此基础上引出了基于MIMO系统的窃听信道模型;在第二部分中,从 线性预编码和非线性预编码两个方面介绍了有关MIMO预编码技术。 第五章在第四章搭建好基于MIMO的窃听信道模型的基础上,结合秘密编码 的思想,运用在无条件秘密通信系统中,并在最后给出了仿真结果。 第六章为全文的总结以及未来的工作展望。 本文主要取得如下研究结果: 过仿真实现了合法接收者的信道性能优于窃听者的信道性能的目的。 2、在基于MIMO的窃听模型建立好后,给出了这种模型的实际运用——无条 件秘密通信系统,通过结合秘密编码思想,实现合法接收者的错误转移概率几乎 趋于0,而窃听者的错误转移概率趋于0.5。 7.4.0 仿真工具:Matlab 电子科技大学硕士学位论文 第二章信道编码和MIMO技术的基本理论 2.1信道编码概述 在二十世纪四十年代,香农就开始信道编码【ll】的研究工作:在文献[1l】中,他 提出了无差错的编码原理,旨在解决信息传输中可靠性和有效性的问题。在香农 的无差错的编码原理中,有种随机编码传输的思想,这个思想促进了数字通信的 传输信号设计,以及编码工程技术应用和发展;同时,汉明(Hamming)提出了信道 的纠错编码技术,旨在解决信息存储中可能会出现的比特错误问题,这种技术具 有一定的构造性和组合性。这也打开了“纠错码”的先河,并产生了许多数学上的分 支学科。 一个码要成为好码需具备以下的条件:最小码距与码长之比要随着码的长度 增加而趋于常数值,即在码的长度增大时,可纠正的错误比特数同比例增长,从 而可能以非零的码率无差错进行信息的传输。从这个意义上来说,编码的发展方 向就是:通过各种方法来找到好的码的构造途径,并找出与其相相应的最佳的译 码方法。 总的说来,编码的研究可以大致分为以下四个基本方面。 (1)码的构造:具体的码的构造,以及实现这个码的低复杂度。 (2)译码算法的研究:具体的码的纠检错性能。 (3)编码在信息传输系统中的应用研究。 (4)编码在其他领域的应用:比如在网络安全领域的应用。 码主要分为分组码和卷积码,线性码和非线性码。分组码和卷积码是按消息 与码字分组之间对应的关系进行分类,对应的关系有一对一、一对多或者多对一。 按码字集合是否满足线线性分组码 [,z,明分组码【12】,k是指每段消息中含有的信息比特数,k个信息比特经过编码 器后,成为n个码元的一组,将这n个码元作为[,z,明线性分组码的一个传输码。 n维的线 第二章信道编码和MIMO技术的基本理论 空问。这样产生2‘个码字集合,从而构成了尼维线性的一个子空间,则我们称它 为m,翻线性的分组码。 假设m是一个消息序列矢量,G为一个矩阵,则 c=mG (2—1) 那么我们就可以称式(2.1)为一个编码过程,其中G为疗×七矩阵,矢量 go go,1 n■ 蜀 gl,1 o G= ● : : ● ‰‰;跏 卜 gk一1 gk一1,1 i 我们把G 称为生成矩阵。 K表示即维线性空间,曙”‘’表示圪中一个维数为即--k的对偶空间,【刀,明 线性分组码属于圪的~个子集,则在,z维线性空间K中必存在这样一个嘭”¨。对 偶空间以”‘)中存在一个h,z一明线性分组码,其生成矩阵可以记做: % 一 %.。 … %+, 扛 p 岛.。 … 矗+, H= %玩; %击1 魂4一 吃小l_l 在这里根据对偶空I’目J的定义,我们可知GH7’=0或者HG71=0。 因此可以得到下式: cH 7’=臼 (2-2) 式子(2.2)实际就是判断在接收段接收到的信息是否是C中的一个码字。若乘 积为零矢量,则必然为码C中的一个码字,反之则不是。我们称矩阵H为线性分 组码[聆,明的校验矩阵。 一个线性分组码,若它的任一码字左移或右移一位后,得到的仍是该码的一 电子科技人学硕:{:学位论文 个码字,这种码称为循环码。该类码由于实现简单,在应用中得到广泛的关注。 2.1.2 BCH码 BCH码是一类非常重要的循环码子类,其优点在于在构造前就能获知码距等 码的结果性能,BCH码运用有限域的数学工具构造,在构造BCH码时,可以先确 定其纠错能力,然后W求解生成多项式。在实际应用中使用最多的是二进制BCH 码,二进制BCH码的构造方法如下: 设有正整数m,并且口是GF(2…)的本原元,有参数艿,要求艿满足万=2t+1, r是设计的BCH码应该有的纠正任意随机错误比特个数,若m.(x)是元素口‘, f-1,2,…,万一2的最小多项式,则BCH码的生成多项式是: (2—3) g(x)=LCM(ml(x),m2(x),…,m2,(x)) 则由此生成fI,J BCH码是码长为门≤2”一1的,能纠正任意t个随机错误比特的 本原BCH码。还有多元BCH码和非本原BCH码,由于我们只使用本原二进制 BCH码,所以对其它BCH码的构造不作介绍。 2.1.3卷积码 1954年,伊米斯(Elais)提出卷积码【l21。卷积码充分利用了各组信息比特位之间 的相关特性。相关特性是指:本组的校验单元不仅仅与本组的信息比特元相关, 而且本组的信息比特元也可以影响以后若干组的校验单元;在译码的过程中,接 收者不仅可以从孩时刻所收到的码组中恢复相关的信息,而且还利用以前或以后 若干时刻收到的fi:75组来恢复有关信息。 图2.1表示的二元线,k,N)卷积码编码器的结构图,,z为编码长度,k为 每组信息的比特数,n(N+1)为卷积码的约束长度。二进制数据“移位输入到卷积 码编码器中,沿彳i移位寄存器,每次移动k个信息比特位,卷积码由发送的信息序 列通过一个线一陀的、-彳J.限状态的移位寄存器产生。通常,该移位寄存器由Ⅳ级(每 级矗比特)代数函数/Ji成器,以及玎个线性的代数函数生成器组成,每一个玎比特长 的输出序列对应‘个k比特长的输入序列。,z个输出信息比特不但与当前的七个输 入信息比特有关,而且与以前的(Ⅳ一1)尼个输入信息比特有关。简单说来,整个编 码过程这么认为:…移位寄存器模2加和连接方式决定了一种序列,而编码的结 第二章信道编码和MIMO技术的基本理论 果就是输入的信息序列与这种序列的卷积。卷积码(,z,k,Ⅳ)的编码效率为R=kin。 消息输入 -——_·—’-l—_——__J c(f) 图2-1二元线性仰,k,Ⅳ)卷积码编码器 2.1.4调制信道与编码信道 通信就是利用信号传送信息。图2.2是通信系统的框图。 图2.2调制信道与编码信道模型 信息由消息表示,消息经过编码器、调制器、发射机等通信设备变换为某种 特定的信号,如光信号、电信号等。转变后的信号通过传输媒质到达接收端,再 经过接收机、解调器、译码器等通信设备反变换为消息,解出信息。 信号的传输媒质称为狭义信道。 如果除传输媒质外,还包括通信系统的某些设备,例如天线、收发信机、编 译码器、调制解调器等所构成的部份称为广义信道。由调制器、传输媒质、解调 9 电子科技大学硕士学位论文 器组成的广义信道称为编码信道;由发射机、天线、传输媒质、天线、接收机所 组成的广义信道称为调制信道,如图2.2所示。 2.2多种信道条件下的信道容量 在衡量纠错编码性能的时候,信道容量是一个很重要的指标,它指出了在实 际的系统中,纠错编码所能达到的性能极限。自从香农在1948年提出有噪信道编 码定理【lJ以来,众多的学者一直致力于寻找纠错的能力强,译码的复杂度低,以及 硬件实现相对简单的纠错码的构造【l31。由于信号传输的信道不同,因而编码方法 的性能也有所差异。下面两节我们就考虑二进制对称信道(BSC也称为二元对称信 号)和高斯白噪声信号(AWNG)的信道模型,并在模型的基础上分析了信道容量的 问题。 2.2.1二元对称信道(BSC) 二元对称信道信道模型如图2.3所示。二元对称信道模型由一个允许输入值 条件概率(转移概率)组成。信道噪声和其他干扰导致传输的二进制序列发生统计独 立的差错,且条件概率对称,即 lP(Y=o/x=o)=p(r=1/x=1)=P 我们也将概率P称为相关概率,以为二元对称信道的错误概率。 O O p 图2-3BSC信道模型 香农定义的信道容量C为: lO 第二章信道编码和MIM0技术的基本理论 C=m,ax,(X;y) p(xJ =萎霎盹胁川/·。g筹 那么,根据Shannon对信道容量的定义,二元对称信道的信道容量C可以表 示为 c=觜姬;耻喜喜毗抛/圳。g掣 (2-5) =1+p。l092Pe+(1一Pe)1092(1一Pe) 二元熵函数巩[E(P)]的定义为 (2-6) 对于BSC信道又有 H6【只(e)】=Hb(见) (2-7) 因此不采用信道编码(即码率为1)时的信道容量C为 C=m,ax、I(X;Y)=1一%(见) (2-8) PI工I 即每个比特携带1一玩(见)的信息。 若采用码率为R的信道编码,在传输错误概率为只(P)时,每个消息比特携带 的信息量为 R(1一巩(£(P))) (2-9) 由于信道容量始终是大于信息量的,因此可以得到二元对称信道信道容量C 与码率R和传输错误概率Pb(e)之间的关系 电子科技大学硕士学位论文 对于BSC信道,采用BPSK调制时,传输错误概率£(P)与信道信噪比之间的 关系为 特Q(哥] (2—11) 其中,Q(·)为误差函数,表示式为 删=去fe{班 (2—12) 若定义信息比特能量为色,信息符号的平均能量为巨,则当编码速率为R时, 有如下关系式 Es=REb (2—13) 若要传输错误概率Pb(e)一0,只有当编码速率R—O时所需的信道信噪比最 小,根据式(2.10),有 忡lira。{1一玩【只(g)】】 =limC R—÷oR =1im—1+Pb(e)l092Pb(e)+[1—-Pb(e)]l092[1-Pb(e)] (2.14) E’(P) E(e)+£(e’i五i丽1 =矗li.m。J【Pb7(e)l092 其中 踢 1 。,,、 ‰ (2-15) 气【P,2一: Z 由于 12 第二章信道编码和MIMO技术的基本理论 、 1 (2-1 舰%,=舰Q( j=圭 6’ 从而式(2—14)等价于 lim 、(2.17) 月—}O xln2 :一2墨 No 实现无差错传输时,g(O=0,]/k而Hb【Pb(e)]=0,故 8) Ⅳn 2 即只有在信道信噪比大于0.37dB时才可能实现无差错传输,因此BSC信道 的Shannon极限为0.37dB。 信噪比--min(SNR)的数值仿线 BPSK信号BSC信道时的最小SNR(dB) \月 P涞入 O 10--6 10-5 10-4 10-3 10-2 10—1 O.0l 0.3910 0.3910 0.3908 0.389l 0.3760 0.2836 0.2730 0.30 1.1129 1.1129 1.1127 1.1106 1.0950 0.985l 0.3327 0.50 1.7725 1.7725 1.7722 1.7697 1.7510 1.6198 O.8574 0.80 3.3701 3.3701 3.3696 3.3654 3.3334 3.1140 1.9639 0.99 6.9572 6.9566 6.9522 6.9171 6.6765 5.6324 3.1565 2.2.2 AWNG信道 从通信系统来看,高斯白噪声被认为是最基本的噪声来源;但是从调制信道 的角度来看,到达或集中于解调器输入端的噪声并不是上述白噪声本身,而却是 它的某种变换方式——通常是一种通带型噪声。这是因为,在到达解调器之前, 起伏噪声通常要经过接收转换器,而接收转换器主要作用之一是滤出有用信号和 13 电子科技大学硕士学位论文 部分的滤除噪声,因此,它可等效为一个带通滤波器。它的输出噪声是通带型噪 声。由于这种噪声通常满足“窄带”的定义,故常称它为窄带噪声。又考虑到带通滤 波器常常是一种线性网络,其输入端的噪声是高斯白噪声。因此,它的输出窄带 噪声应是窄带高斯噪声。 道编码定理,输入输出均为连续的带限AWGN信道的信道容量公式为 c圳%(,+专) 协南 式(2.19)中 C——信道容量,信道所能达到的最大传输能力,单位为比特/秒, 形——信道带宽, 尸——信号功率,fff_且.P=寺∑‘2。 』v i=0 薯和Ⅳ分别为传输符号和传输符号数Ⅳ0/2一高斯噪声的双边功率谱密度。 ,lL‘,~』’ (o,盯2) ∈{-A,么)1r ~/一 、 . 少∈{一,一) 图2-4AWGN信道模型 当编码速率为R,信息比特能量为邑时,有 芳=l092(·+每] 陋2。, 当信道带宽W)∞时,得到Shannon极限的渐进值为 SNR:E,,blim型:ln2:一1.6(riB) C)12.2( N、x十 缈 即只有当信噪比不小于.1.6dB时,才可能实现无差错传输,这就是理想情况 14 第二章信道编码和MIMO技术的基本理论 下AWGN的Shannon极限。 表2.2给出了不同码率条件下在二元输入连续输出AWGN信道上为满足特定 误比特率要求而需要的最小信噪比。 表2-2BPSK信号AWGN信道时的最小SNR(dB) \月 0 104 10一5 10.4 10—3 10-2 10—1 P谦入 O.01 —1.5616 .1.5617 .1.5624 .1.5681 .1.6118 .1.9299 -4.3248 0.30 —0.6176 .O.6177 .O.6185 .0.6256 .0.6797 .1.0699 .3.8460 0.50 0.1871 0.1870 O.1859 0.1774 O.1115 .0.3573 .3.4891 0.80 2.0401 2.0398 2.0380 2.0230 1.9093 1.1516 .2.8867 0.99 6.0168 6.0147 5.9990 5.8772 5.1818 2.9931 —2.4430 2.3MIM0技术 在MIMO系统里,通过一个无线信道发送和接收两个或更多的不同数据流, 这意味着系统可以在每个信道上提供两倍或更高的数据率。如图2.5所示,通过允 许同时发送多个数据流,MIMO在不使用额外的频谱条件下使无线数据传输容量 数倍增加。传统的无线电信号被称作“单维信号”,因为即使是使用多个天线,在无 线电信道中都只传送一个数据流。而在MIMO系统中峰值吞吐量增加的倍数等于 在无线信道中传输的信号流数量,由于从不同的无线电和天线发送出多个信号, 从这个角度来说,因此某些时候MIMO信号也就被称为“多维信号”。 MIMO技术通过多天线方式来发射多数据流,并由多天线接收来达到最佳处 理实现更高速率传输的目的,其本质就是空间分集和空间复用的相结合,空间复 用主要是用于提高系统的传输速率,空间分集旨在有效地提高信号传输的可靠性。 在一般的无线通信系统中,多径通常都会引起衰落,从而被视为系统一个不利因 素,但是在MIMO系统中,反而是利用多径传播这个重要特征,使它成为通信系 统中的一个有利因素。如果在发射端和接收端同时采用多天线系统,并且保持任 意一个发射天线阵元到任意一个接收天线阵元间的无线信道是相互独立的,或者 说只具有很小的相关性的条件下,那么接收机端的天线所接收的多径信号的衰落 就趋于独立,从而就可以将多径传播充分利用。MIMO技术的实现过程如下,在 发射端,输入的信息比特流通过差错控制编码、调制、加权/映射转换成多路并行 的相互独立子码流,在发射端通过多个发射天线阵元同时发送至多径信道,提高 系统的最大传输速率;在接收端,同样利用多个接收天线阵元进行接收,并利用 15 电子科技大学硕士学位论文 空时检测技术对多路接收信号进行加权/逆映射,然后再通过相应的解调、解码进 行数据的恢复,从而达到信号的最佳处理,并恢复出原始信息数据比特。由于这 些数据流同时发送,占用同一频带,因而并没有增加带宽,所以可以这样说,MIMO 技术能够大大提高无线通信系统的容量和性能,但是并不增加系统带宽。 消费者的需求已经从高带宽应用如互联网接入和电子邮件发展到包含游戏、 音频流和视频流等对数据传输率更高的业务。进一步的手机处理器技术集成技术 (如将更高的数百万像素相机、视频等集成到手机中),这必然会增加更多带宽消耗, 需要更有效地利用网络运营商的有限频谱以及网络覆盖范围更广。如3G、WiMAX、 802.11和4G这些标准组织已经在探讨MIMO的使用,某些标准组织已经将该技术 运用在了他们各自的技术领域。 图2-5MIMO系统示意图 2.3.1MIMO的研究现状 目前,各国学者对于MIMO的理论、性能、算法和实现的各方面正广泛进行 研究,在MIMO系统理论及性能研究方面已有一批文献,这些文献涉及相当广泛 的内容。但是由于无线移动通信MIMO信道是一个时变、非平稳多入多出系统, 尚有大量问题需要研究。比如说,各文献大多假定信道为分段恒定衰落信道,但 这对于宽带信号的4G系统和室外快速移动系统来说是不够的,因此在进行研究 时,还必须采用更加复杂的模型。现在已有不少学者在进行这方面的工作,即对 移动台快速移动情况以及信道为频率选择性衰落进行研究。在这些研究中,均假 16 第二章信道编码和MIMO技术的基本理论 定接收机精确已知多径信道参数,为此,接收机要通过发射机发射的训练序列来 进行训练,如果移动台移动速度过快而导致训练时间太短,那么盲处理或者说快 速信道估计就成为重要的研究内容。 另外实验系统是MIMO技术研究非常重要的一步。如何在移动终端实现多天 线和多路接收是实际系统的一个重要问题,学者们正大力进行这个问题的研究。 由于对于

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