星座关联的非线性空时编码技术研究

For both coherent and noncoherent communications,space-time code can make the best of MIMO system in terms of diversity and multiplexing potential.By utilizing the conception of UFCP(Uniquely Factorized Constellation Pair),a novel non-linear space-time coding scheme is proposed based the existing code with full-diversity，full-rate and low-complexity detection.The relevant collaborated constellations from UFCP form cooperative modulated symbols rather the independent ones,further enhancing the system transmission performance in terms of coding gain.Three aspects are involved. Firstly,the uniquely identifid method of optimal design for common constellations is to be researched.Secondly,for existing MIMO linear space-time code,the non-linear collaboration scheme,resources allocation among constellations and corresponding fast detection algorithm to be explored. Thirdly, the mapping scheme from reciprocal channel parameters to collaborative constellation is to be researched.By the research, it is hoped that the system transmission performance and security from physical layer will be enhanced.Furtherly,the investigation,development and application in the wireless communications are going to be promoted.

无论是在相干，还是非相干条件下，空时编码都可以充分挖掘MIMO系统的分集和复用等诸多方面的潜能。本项目引入唯一可分解星座对（UFCP）的概念，在现有全分集、全速率、低复杂度检测等线性空时分组码的基础上，利用UFCP使得原本相互独立的符号间产生某种关联性，从而构造出一种非线性空时编码，进一步提升了空时编码的传输性能。项目着重研究三个方面的问题：一是针对常见调制星座，设计最优的可唯一辨识的子星座分解方法；二是针对现有典型线性空时编码，研究相干和非相干条件下，非线性关联关系的构建方法，星座间资源分配方法以及快速检测算法；三是在相干条件下，利用信道互易性，提取信道对等参数，研究有效的信道随机参数到关联矩阵的映射方法。通过本项目的研究，将可以进一步提高空时编码的传输性能和物理层安全性能，必将在未来无线通信的实际应用中发挥重要作用。

为充分挖掘MIMO 系统的分集和复用等诸多方面的潜能，本项目深入研究了基于星座关联的空时编码理论和技术研究。首先，为解决本项目的关键科学问题，实现本申请的研究目标，按照计划的技术路线，本项目建立了乘性关联星座组（Multiplicatively Uniquely Factorable Constellation Group, MUFCG）分解理论和加性关联星座分解（Additively Uniquely Decomposable Constellation Group, AUDCG）理论，为后续的高效空时编码设计奠定了坚实的理论基础，也是本项目后续研究的理论出发点。其次，基于建立的关联星座分解理论框架，本项目对MUFCG和AUDCG的性能进行了分析，推导了MUFCG和AUDCG的性能准则。一方面，建立了正交空时码信道模型，通过关联多维符号，推导了最大似然接收机的成对错误概率。另一方面，针对AUDCG，根据信道增益和传输路数不同进行了功率分配设计，增加了通信多路并行传输的辨识度，在最优检测准则下以接收向量之间的最小欧式距离为准则，推导了误符号率。这些工作为本项目后续的系统设计提供了切实可行的性能准则。最后，本项目应用上述理论结果设计高效关联空时编码。1）利用星座分解理论，设计了基于QAM和PAM的高效星座分解方法；2）为了提升系统在低通频选信道下传输性能，将MUFCG理论中的QAM分解具体应用于可见光通信，构造了星座关联的VLC OFDM技术和星座关联的多LED移相空时码。3）通过将MUFCG技术与块级联移相空时码相结合，提出了一种星座关联的块级联移相空时码，其实质在于将块级联移相空时码中不同支路的符号关联起来，联合解调以获得增益。 4）针对单LED传输速率受限的问题，提出了多LED移相空时叠加传输方法，实现了传输速率的成倍提升。5）采用LED内部的多个灯芯实现并行传输，通过相对移相后，利用光在空间的自然线性叠加特性，构造出了一种等效的多输入、单输出传输系统。设计了分块移相空时码，给出了其快速检测算法。6）利用AUDCG理论设计高效非正交多址和多层调制方案。通过本项目的研究，提高空时编码的传输性能，实现了理论突破和技术创新，为无线通信的实际应用中提供了重要技术支撑。