文章編號:1009-0940(209)-01-015-04空時編碼技術(shù)的研究劉小群寶雞文理學(xué)院寶雞721007摘要:空時編碼技術(shù)是抗信道表落和提高票統(tǒng)容量的一種最新碼可方法,本文介紹了分層空時碼、空時格型碼和空時分組碼的編譯碼原理比較了它們的優(yōu)缺點,并給出了空時格碼的設(shè)計準則,最后分析了空時編嗎的研究動態(tài)。關(guān)健詞空時編碼分層空時碼空時格形碼空時分組碼引言由于移動用戶的增多移動通信業(yè)務(wù)從單純的語音業(yè)務(wù)擴展到多媒體業(yè)務(wù).無線頻譜資源日趨緊張從而追求盡可能高的頻諧利用率已成為研究的熱點和重點。長時間以來,人們一直致力于開發(fā)高效的編碼調(diào)制和信號處理技術(shù)以提高無線頻譜的數(shù)0率空時編碼l(sTc是近年來移動通信領(lǐng)域出現(xiàn)的一種新的編碼和信號處理技術(shù)在發(fā)射端和接收端同時使用多個天線進行信發(fā)遠贈收息的發(fā)射和接收在不同天線發(fā)射信號之間引入時域和空域相關(guān)綜合利用時域和空域二維信息在接收端進行分集接收?？請D1BAST系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖時編碼將空間分集.頻率分集及時間分集結(jié)合在一起從通信系輸入信號經(jīng)信號分離器分離成個n長度相同的數(shù)據(jù)流,分統(tǒng)的整體出發(fā)提高多徑衰落信道的通信質(zhì)量和數(shù)量。從目前發(fā)別輸入n個編碼器。這些編碼器可以是二進制的卷積編碼器,也展來看空時碼主要可以分為兩大類:一類是分層空時碼另一類可以不經(jīng)過任何編碼直接輸出.其輸出信號經(jīng)調(diào)制后,使用相是基于分集的空時分組碼和空時格形碼。相比較而言它們各有同的載波由發(fā)射天線同時發(fā)射其優(yōu)缺點.下面介紹它們的主要編譯碼原理及性能。設(shè)第個子編碼器在i時刻的輸出符號C,其中=12.…n分層空時編碼再將經(jīng)過分層空時編碼器編碼送入相應(yīng)的發(fā)射天線,根據(jù)分配2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方式的不同分層空時編碼LSTc可以分為下面三類:水平分層空分層空時編碼技術(shù)2|3]( LSTC. Layered space-Time Coding)時編碼 (HSTC: Horizontally Layered Space-- Time Coding).對角的基本思想是把高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分接為若干低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù).通過分層空時編碼[DsTc: Diagonally LayeredSpace-Time Coding)和普通的并行信道編碼器后.對其進行并行的分層編碼.編碼信垂直分層結(jié)構(gòu)空時編碼( LSTC: Vertical Layered Space-Tme號經(jīng)調(diào)制后用多個天線發(fā)射,實現(xiàn)發(fā)射分集。由B實驗室提出 Coding)的BAST系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1示。2.2譯碼過程收稿日期:2009-02-10技術(shù)交流◆BLAST系統(tǒng)是一個nm)系統(tǒng),在接收端,用m個天線分集在接收端.若最大似然接收機錯誤地將發(fā)射碼字判決為接收,信道參數(shù)通過信道估計獲得利用波束空間分離器(或迫零e=eeL e'eeL 4L deL e (3)處理).對載波信號進行載波和信號的分離.編碼信號經(jīng)解碼同樣地可以將其改寫成后.由多路復(fù)用器重建.達到對原始輸入信息流的預(yù)測。在接e=en,e2, L e,(4)收端。由線性判決器反饋均衡器實現(xiàn)分層反饋干擾抵消,然后其中e=ceLe,t=1L,n進行分層空時譯碼單個信道譯碼器完成信道譯碼。發(fā)射天線與定義:小立)m4叫,接收天線之間信道是窄帶.準靜態(tài)的、平坦 Rayleigh衰落環(huán)境為n×刀的誤差矩陣.其中:$表示S的共軛在某一時間區(qū)間發(fā)射天線到接收天線j間的信道響應(yīng)為h,則當(dāng)接收機對信道狀態(tài)信息cSl! Channels tatei nformation)確信道傳輸矩陣H內(nèi))mxn.在瑞利信道中,h是服從均值為0定已知的情況下,接收機將C判決為e的概率的上限為:方差為1的復(fù)高斯隨機變量,接收天線j上的接收信號r,(i=12…n為n個發(fā)射天線發(fā)射信號,(=1,2,n)經(jīng)瑞利衰減信P(e→)s道傳輸后重疊并伴有高斯白噪聲的擾動上式中的Es為星座圖中每個信號點的平均能量N為每個2.3性能分析接收天線的噪聲單邊功率譜密度,r為誤差矩陣A的秩,即rankLsTc系統(tǒng)各天線的信號取自同一符號集同時占用某個信(A=rA=1Lr為A的非零特征值,可以看出:這一概率類似道的整個帶寬頻率利用率和傳輸速率高.是單天線系統(tǒng)無法于衰減信道的格型編碼調(diào)制的誤差上限式中∏表示了由空時達到的充分利用無線信道的多徑傳播特性來達到區(qū)分同波道信編碼所獲得的系統(tǒng)的編碼增益,同時(E4N廠代表了系統(tǒng)的分號的目的,傳播路徑越多,檢測產(chǎn)生的誤碼越少,因為空間傳播路徑較多時,若分層空時碼系統(tǒng)的收發(fā)天線對位置合適,每集增益為m,由此可見,空時格型碼的設(shè)計準則為:最大化誤個收發(fā)天線對之間的信道特性會產(chǎn)生較大的差異.確定迫零矢差矩陣的秩為r。這樣就可保證系統(tǒng)的編碼增益最大,同時系統(tǒng)的分集增益為最大,系統(tǒng)達到最優(yōu)。量時的誤差就會降低,從而可提高系統(tǒng)的性能空進一步對誤差矩陣A做分析:時格碼1998年.AT&T實驗室的 Tarokh等人提出了用于高速數(shù)據(jù)無由A的矩陣結(jié)構(gòu)可以看出A為一 Hermitian矩陣(即=f(線通信的空時格型編碼STC4].這種空時編碼以格型編碼調(diào)制表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置).構(gòu)造一個新的矩陣B(c,e為基磁,可以提供最大可能的編碼增益和分集增益,而不會犧B(9)-[4--以L山e-牲發(fā)射帶寬,并且能夠有效的抵抗衰落,抑制干擾和噪聲。-c,2-cL,-c3.1編譯碼原理e-C,e -cL, L e-c下面先分析空時格型碼的性能設(shè)計準則:考慮具有一個(nm)多天線系統(tǒng),且信道為平坦 Rayleigh衰落的,準靜態(tài)信道.即在一個數(shù)據(jù)塊時間內(nèi)信道特性不變g-c, er-C2L, Le-ch為復(fù)高斯隨機變量(實部與虛部分別為0均值.1/2方差的高可以驗證BB*A,由此可知B為A的均方根矩陣.則A為斯隨機變量】。設(shè)數(shù)據(jù)塊長度為1,則發(fā)射天線發(fā)射的碼字可以非負定的.A的特征值特征值為非負的實數(shù)。表示為由此可得到最優(yōu)空時碼的設(shè)計準則[5]c=GG,L dGGL 'L 4C]LG(1)①最大化A的秩.可獲得最大的分集增益。若系統(tǒng)要達到并且令s可=引s"c引則式(1)可改寫為c=q1,c2,Le(2)大的分集增益m集合{B()∈C}中的每一個B(G)必須是滿秩的.若B(e)的最小秩為r則分集增益最大可達m②最大化A的行列式,可獲得最大的編碼增益。若系統(tǒng)譯碼的復(fù)雜度與發(fā)射速率b成指數(shù)關(guān)系的分集增益為rm,計算集合{4(e)kC}中的每個32性能分析A(,e)=B(G,e)E'(;e)的所有rxr階的主代數(shù)余子式的行列式和sTC以部分頻帶利用率為代價換取最大分集增益。例如的r次根得到QALx}集合的最小值決定編碼增益若采用有2個信號點的星座圖,在保證最大分集增益的前提下空時格型編碼可以用網(wǎng)格圖來表示,圖2給出了對應(yīng)的SC可達到的最大頻帶利用率為is/s/,不再隨著天線數(shù)的4PX×4狀態(tài)的空時格型編碼的編碼器的結(jié)構(gòu),4調(diào)制時第增加而增加,這是限制其應(yīng)用的重要因素之一:在譯碼方面k時刻有2個比特a輸入編碼器,而此時的編碼器狀態(tài)由k-1ST的譯碼復(fù)雜度隨著分集增益和頻帶利用率的提高成指數(shù)增k-2時刻的輸入比特來決定其存儲容量是由編碼器的狀態(tài)數(shù)長,這是限制STC在實際通信系統(tǒng)中應(yīng)用的另一關(guān)鍵因素同決定的.由當(dāng)前的輸入比特和編碼器的狀態(tài)共同確定編碼器的時,STTC好碼的設(shè)計也是一個難點。在狀態(tài)數(shù)較大的情況下輸出,即兩個發(fā)射天線上將要發(fā)射的符號,其中數(shù)字表示加權(quán)好碼的格圖設(shè)計非常困難,目前多用計算機搜索來完成上述系數(shù),默認值是1.對應(yīng)的4-PK調(diào)制,加法器進行模4加3個問題也是人們現(xiàn)在研究STC的熱點、難點問題四、空時分組碼4.1編譯碼原理假設(shè)發(fā)射端有n根天線,接收端有m根天線,每個時隙t,xxKx同時從n根天線上發(fā)送.從發(fā)射天線到接收天線的信d ak b ak- b-l道增益為h,該路徑增益建模為每維方差為0.5的復(fù)高斯獨立隨機變量,信道為準靜態(tài)平衰落信道接收端天線在時刻t的接收信號為=∑b+(8圖24.K-4狀態(tài)編碼器的其中可是復(fù)高斯隨機變量333譯碼過程空時分組碼通常采用一般的星座圖設(shè)計,即在給定時刻t假定接收機己知信道的狀態(tài)Ht:=1.2.--.1,發(fā)射天線將kb比特映射成k個信息碼xxK式每個碼元屬于2b個發(fā)射信發(fā)射的空時碼元向量為C=c,c2,c接收天線接收到的序列為號星座圖中的一個星座點,k個碼元經(jīng)過不同天線和碼元間隔進r=r,z2L,最佳的解碼算法相當(dāng)于計算一組向量行編碼。其編碼矩陣可以表示為下式。其譯碼通過最大似然法c%%,畫,L%,使得后驗概率n("()M-2)能達到最大來完成假定所有的碼字為等概率的出現(xiàn),并且噪聲向量被假定為多維的AWGN.由文獻6]可得到最佳的解碼器為Gh,K hc%呵(-,0)%(bKb」由上式可見:最佳的解碼算法可以由 Viterbi算法來實現(xiàn),這其中各列相互正交,它的每一列表示同一天線在不同時隙樣的譯碼算法復(fù)雜度與發(fā)射速率成指數(shù)關(guān)系,但具有十分好的發(fā)出的信號,每一行表示同-時隙不同天線發(fā)出的信號,顯然性能,由于信道的信息在解碼中要被用到所以必須利用引導(dǎo)/在n個時隙傳送k個信號,SBC的碼速為R/n訓(xùn)練信號或是盲檢測的方空時分組碼的譯碼采用最大似然法[7]以兩副發(fā)射天線為法來獲得信道的信息。例.對于編碼矩陣G2,在第一個時腺,有如b比特到達編碼器并空時格型碼解碼復(fù)雜度的衡量一令b為系統(tǒng)的發(fā)射速選擇2個碼元0x1,這些碼元同時從天線0和天線1發(fā)送,而率,則格型的復(fù)雜度≥2”,信號星座圖的狀態(tài)數(shù)為2.所以在第二個時隙,信號一式虧分別從天線0和天線1發(fā)射接收端◆技術(shù)交流◆采用最大似然譯碼就是對所有可能的和計算判決量度息Rate Wireless Communications Performance Criterion andCode Constructio-4-4而+--氣(10IEEE Transactions on Information Theory, Mar 1998, 44, Pp744-并使其最小4.2性能分析F Naguib, V Tarokh, A space-time odinsTBC在編碼中引入了復(fù)正交設(shè)計的理論,只有發(fā)射天線數(shù)hg-data- ate wireless communications目為2時,才能達到最大的頻帶利用率:當(dāng)發(fā)送天線大于兩根時IEEE Joumal on selected areas in communications vol, 16 No頻帶利用率只能達到1/2。相對于BAST和ST℃.這是STBC的8ocoe1998缺陷。但由于SBC容易得到最大的發(fā)射分集增益NM,譯碼結(jié)構(gòu)[6John G Proakis. Digital Communications(Four Edition).B特別簡單,因此更適用于實際工程應(yīng)用子工業(yè)出版社,2001.刀]張賢達現(xiàn)代信號處理,清華大學(xué)出版社,2002盡管目前空時編碼已經(jīng)做了大量的研究但是在如何改進多天線系統(tǒng)使之能夠適應(yīng)實際應(yīng)用方面仍是一個具有挑戰(zhàn)性的工作。這方面的課題包括:快速空時格形碼譯碼算法:空時編碼結(jié)合其他技術(shù)如智能天線技術(shù)等結(jié)合空時處理技術(shù):空時格形碼和空時分組碼在不同衰落信道下的性能和復(fù)雜度的比較Tbo碼級聯(lián)空時碼的方案空時編碼方案在頻選衰落路徑下的性能等等。尤其是智能天線技術(shù)等結(jié)合空時處理技術(shù),是目前很熱門的一個研究課題。參考文獻[]Vahid Tarokh, NambiSeshadri, and Calderbank AR Space TimeCodes for High Data Rate Wireless Commmunications: PerformanceCriterionand Code Construction [J]. IEEE Trans. Inform Theory, 1998-[2].J Foschini, Layered Space-Time Architecture for WirelessCammunication inFading Environment When Using Multiple Antennas", Bell LabTechnical Jo ural 1996 1(2).4 1-59[p Siu and J M Khan, " Layered Space-Time Codes far WirelessCommunications Using Multiple Transmit Antennas,, Proc. of IEEEIntl Conf on Communication Va nc ou ver. J ne6 10 1999[4Vahid Tarokh Nambi Seshadri, A R Calderbankce-I ImECodes forHigh Data