技術(shù)研發(fā) Technology Research電子技術(shù)ELECTRONIC TECHNOLOGY空時(shí)編碼技術(shù)的研究劉小群1.2(1.寶雞文理學(xué)院2.西安電子科技大學(xué)摘要:空時(shí)編碼技術(shù)是抗信道衰落和提高系統(tǒng)容量的一種最新編碼方法,介紹了分層空時(shí)碼、空時(shí)格型碼和空時(shí)分組碼的編譯碼原理,比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn),并給出了空時(shí)格型碼的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,最后分析了空時(shí)編碼的研究動(dòng)態(tài)關(guān)鍵詞:空時(shí)編碼;分層空時(shí)碼;空時(shí)格形碼;空時(shí)分組碼Study on space-Time Coding techniqueLiu Xiaoqun1, 2(1. Baoji University of Arts and Science, 2. Xidian University)systems capacity. The coding principles for layered space-time code, space-time lattice code, and space-time block code areintroduced, their advantages and disadvantages are compared, and the design criteria for space-time lattice code are givenFinally the current research status of space-time coding is analyzedKey words: space-time coding: layered space-time code; space-time trellis code; space-time block code0引言后,使用相同的載波由發(fā)射天線同時(shí)發(fā)射。由于移動(dòng)用戶的增多,移動(dòng)通信業(yè)務(wù)從單純的語(yǔ)音業(yè)設(shè)第j子編碼器在i時(shí)刻的輸出符號(hào),c其中j1,2,務(wù)擴(kuò)展到多媒體業(yè)務(wù),無(wú)線頻譜資源日趨緊張,從而追求…m,再將經(jīng)過(guò)分層空時(shí)編碼器編碼送入相應(yīng)的發(fā)射天線,盡可能高的頻譜利用率已成為研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。長(zhǎng)時(shí)根據(jù)分配方式的不同,分層空時(shí)編碼LSTC可以分為下面間以來(lái),人們一直致力于開(kāi)發(fā)高效的編碼、調(diào)制和信號(hào)處三類(lèi):水平分層空時(shí)編碼( Horizontally Layered理技術(shù)以提高無(wú)線頻譜的效率。空時(shí)編碼(STC)[1]是近 Space- Time Coding,HSTC)、對(duì)角分層空時(shí)編碼年來(lái)移動(dòng)通信領(lǐng)域出現(xiàn)的一種新的編碼和信號(hào)處理技術(shù),( Diagonally layered space- Time Coding, LSTC)和垂在發(fā)射端和接收端冋時(shí)使用多個(gè)天線進(jìn)行信息的發(fā)射和直分層結(jié)構(gòu)空時(shí)編碼( Vertical Layered Space-Time接收,在不同天線發(fā)射信號(hào)之間引入時(shí)域和空域相關(guān),綜 Coding, VLSTC)。合利用時(shí)域和空域二維信息,在接收端進(jìn)行分集接收?？?.2譯碼過(guò)程編碼將空間分集、頻率分集及時(shí)間分集結(jié)合在一起,從BLAST系統(tǒng)是一個(gè)(n,m)系統(tǒng),在接收端,用m個(gè)天線通信系統(tǒng)的整體出發(fā)提高多徑衰落信道的通信質(zhì)量和數(shù)分集接收,信道參數(shù)通過(guò)信道估計(jì)獲得利用波束空間分量。從目前發(fā)展來(lái)看,空時(shí)碼主要可以分為兩大類(lèi)一類(lèi)離器(或迫零處理),對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行載波和信號(hào)的分離是分層空時(shí)碼:另一類(lèi)是基于分集的空時(shí)分組碼和空時(shí)編碼信號(hào)經(jīng)解碼后,由多路復(fù)用器重建,達(dá)到對(duì)原始輸格形碼。比較而言它們各有其優(yōu)缺點(diǎn),下面介紹它們的主入信息流的預(yù)測(cè)。在接收端,由線性判決器反饋均衡器要編譯碼原理及性能。實(shí)現(xiàn)分層反饋干擾抵消,然后進(jìn)行分層空時(shí)譯碼。單個(gè)信道譯碼器完成信道譯碼。發(fā)射天線與接收天線之間的1分層空時(shí)編碼信道是窄帶、準(zhǔn)靜態(tài)的、平坦瑞利衰落環(huán)境。在某一時(shí)1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)間區(qū)間發(fā)射天線i到接收天線j間的信道響應(yīng)為hij,則信分層空時(shí)編碼技術(shù)( Layered Space- Time Coding,道傳輸矩陣H=(hi)m×n,在瑞利信道中,hij是服從均值LSTC)[2][3]的基本思想是把高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分接為若干低為0、方差為1的復(fù)高斯隨機(jī)變量,接收天線j上的接收信速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。通過(guò)普通的并行信道編碼器后,對(duì)其進(jìn)行號(hào)r(j=1,2,n)為n個(gè)發(fā)射天線發(fā)射信號(hào),乳(i=12.n并行的分層編碼,編碼信號(hào)經(jīng)調(diào)制后用多個(gè)天線發(fā)射經(jīng)瑞利衰減信道傳輸后重疊并伴有高斯白噪聲的擾動(dòng)。實(shí)現(xiàn)發(fā)射分集。由Bell實(shí)驗(yàn)室提出的 BLAST系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.3性能分析示LSTC系統(tǒng)各天線的信號(hào)取自同一符號(hào)集,同時(shí)占用Remy trim某個(gè)信道的整個(gè)帶寬,頻率利用率和傳輸速率高,是單天線系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到的;充分利用無(wú)線信道的多徑傳播特卡了幽丙21碼器2性來(lái)達(dá)到區(qū)分同波道信號(hào)的目的,傳播路徑越多,檢測(cè)產(chǎn)生的誤碼越少,因?yàn)榭臻g傳播路徑較多時(shí),若分層空時(shí)碼系統(tǒng)的收發(fā)天線對(duì)位置合適,每個(gè)收發(fā)天線對(duì)之間解碼器的信道特性會(huì)產(chǎn)生較大的差異,確定迫零矢量時(shí)的誤差就會(huì)降低,從而可提高系統(tǒng)的性能圖! BLAST系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖接收端輸入信號(hào)經(jīng)信號(hào)分離器分離成n個(gè)長(zhǎng)度相同的數(shù)據(jù)流2空時(shí)格碼分別輸入n個(gè)編碼器。這些編碼器可以是二進(jìn)制的卷積編碼1998年,ATT實(shí)驗(yàn)室的 Tarok等人提出了用于高速數(shù)據(jù)器,也可以不經(jīng)過(guò)任何編碼直接輸出,其輸出信號(hào)經(jīng)調(diào)制無(wú)線通信的空時(shí)格型編碼( Space- Time Trellis Coding,技術(shù)研發(fā) Technology Research電子技術(shù)ELECTRONIC TECHNOLOGYsTTC)[4],這種空時(shí)編碼以格型編碼調(diào)制為基礎(chǔ),可以狀態(tài)共同確定編碼器的輸出,即兩個(gè)發(fā)射天線上將要發(fā)提供最大可能的編碼增益和分集增益,而不會(huì)犧牲發(fā)射射的符號(hào)。其中數(shù)字表示加權(quán)系數(shù),默認(rèn)值是1,對(duì)應(yīng)的帶寬,并且能夠有效地抵抗衰落,抑制干擾和噪聲4-PSK調(diào)制,加法器進(jìn)行模4加。下面先分析空時(shí)格型碼的性能設(shè)計(jì)準(zhǔn)則考慮具有一個(gè)(n,m)多天線系統(tǒng),且信道為平坦瑞利d ak b a-lbk衰落的、準(zhǔn)靜態(tài)信道,即在一個(gè)數(shù)據(jù)塊時(shí)間內(nèi)信道特性不變。hi為復(fù)高斯隨機(jī)變量(實(shí)部與虛部分別為0均值,1/2方差的高斯隨機(jī)變量)。設(shè)數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度為1,則發(fā)射天線發(fā)射的碼字可以表示為圖24PSK-4狀態(tài)編碼器的結(jié)構(gòu)g= SCLCGcL GL eL司(1)2.2譯碼過(guò)程并且令:s=cLq,g=LL9=qLq假定接收機(jī)己知信道的狀態(tài)H(t),t=1,2,…1,發(fā)射則式(1)可改寫(xiě)為c=s,c2Ls天線發(fā)射的空時(shí)碼元向量為C=s,2Ls,接收天線接收在接收端,若最大似然接收機(jī)錯(cuò)誤地將發(fā)射碼字判到的序列為r=,2L,最佳的解碼算法相當(dāng)于計(jì)算決為=出eLg"虬L吼嗎L司(3)組向量&臥L靜,使得后驗(yàn)概率P((,1=1.L)能同樣可以將其改寫(xiě)成:g=,exL當(dāng)(4)達(dá)到最大。其中,g=eeLe,t=1.2假定所有的碼字為等概率出現(xiàn),并且噪聲向量被假定義:A(s)=∑e-")(4-e)pq=12Ln定為多維的AwGN,由文獻(xiàn)[6】可得到最佳的解碼器為為mxn的誤差矩陣,其中表示S的共軛c=嗎:。p(F(()當(dāng)接收機(jī)對(duì)信道狀態(tài)信息CSI( Channel State由式()可見(jiàn),最佳的譯碼算法可以由 Viterbi算法來(lái)Information)確定已知的情況下,接收機(jī)將c判決為e的實(shí)現(xiàn),這樣的譯碼算法復(fù)雜度與發(fā)射速率成指數(shù)關(guān)系概率的上限為:Pe→9)5∏(Ew但具有十分好的性能,由于信道的信息在解碼中要被用到,所以必須利用引導(dǎo)/訓(xùn)練信號(hào)或是盲檢測(cè)的方法來(lái)獲上式中的Es為星座圖中每個(gè)信號(hào)點(diǎn)的平均能量,N得信道的信息為每個(gè)接收天線的噪聲單邊功率譜密度,r為誤差矩陣空時(shí)格型碼譯碼復(fù)雜度的衡量一一令b為系統(tǒng)的發(fā)射的秩,即rank(A)=:禮=12為4的非零特征值,可以速率,則格型的復(fù)雜度≥2(x-1),信號(hào)星座圖的狀態(tài)數(shù)看出,這一概率類(lèi)似于衰落信道的格型編碼調(diào)制的誤差為2,所以譯碼的復(fù)雜度與發(fā)射速率b成指數(shù)關(guān)系上限。式中∏表示了由空時(shí)編碼所獲得的系統(tǒng)的編碼增2.3性能分析益,同時(shí),(E/4N廠代表了系統(tǒng)的分集增益為rm,由此可STTC以部分頻帶利用率為代價(jià)換取最大分集增益。見(jiàn),空時(shí)格型碼的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為:最大化誤差矩陣的秩為r。例如,若采用有2個(gè)信號(hào)點(diǎn)的星座圖,在保證最大分集增這樣就可保證系統(tǒng)的編碼增益最大,同時(shí)系統(tǒng)的分集增益的前提下STc可達(dá)到的最大頻帶利用率為bits/s/Hz益最大,系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)。不再隨著天線數(shù)的增加而增加,這是限制其應(yīng)用的重要進(jìn)一步對(duì)誤差矩陣A做分析:由A的矩陣結(jié)構(gòu)可以看因素之一;在譯碼方面,STTC的譯碼復(fù)雜度隨著分集增出,A為一 Hermitian矩陣(即A=A(〕表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)益和頻帶利用率的提高成指數(shù)增長(zhǎng),這是限制STTC在實(shí)置)。構(gòu)造一個(gè)新的矩陣B(c,e):際通信系統(tǒng)中應(yīng)用的另一關(guān)鍵因素;同時(shí),STC好碼的B(s)--.-LL-設(shè)計(jì)也是一個(gè)難點(diǎn)。在狀態(tài)數(shù)較大的情況下,好碼的格可-,-qLL2-q圖設(shè)計(jì)非常困難,目前多用計(jì)算機(jī)搜索來(lái)完成。上述三可-c-dL吲-q個(gè)問(wèn)題也是人們現(xiàn)在研究STc的熱點(diǎn)、難點(diǎn)。4-4.64-GL L4-G3空時(shí)分組碼可以驗(yàn)證B*A,由此可知B為A的均方根矩陣,則A3.1編譯碼原理為非負(fù)定的,A的特征值為非負(fù)的實(shí)數(shù)。假設(shè)發(fā)射端有n根天線,接收端有m根天線,每個(gè)時(shí)由此可得到最優(yōu)空時(shí)碼的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[5]:a.最大化A隙t,x,考同時(shí)從n根天線上發(fā)送,從發(fā)射天線i到接收的秩,可獲得最大的分集增益。若系統(tǒng)要達(dá)到最大的分天線j的信道增益為hij。該路徑增益建模為每維方差為集增益皿,集合{eεe}中的每一個(gè)烈(s)必須是滿秩0.5的復(fù)高斯獨(dú)立隨機(jī)變量,信道為準(zhǔn)靜態(tài)平衰落信道←的,若B(se的最小秩為r,,則分集增益最大可達(dá)rm。b.接收端天線在時(shí)刻t的接收信號(hào)為:最大化A的行列式,可獲得最大的編碼增益。若系統(tǒng)的分集增益為rm,計(jì)算集合{4(se)ke∈c}中的每個(gè)才=∑hx+可(8)A(s)=B(ssg'(ce)的所有rXr階的主代數(shù)余子式的行列其中n是復(fù)高斯隨機(jī)變量。式和的r次根得到44L}集合的最小值決定編碼增益?？諘r(shí)分組碼(STBC)通常采用一般的星座圖設(shè)計(jì),即空時(shí)格型編碼可以用網(wǎng)格圖來(lái)表示,圖2給出了對(duì)應(yīng)在給定時(shí)刻t,將kb比特映射成k個(gè)信息碼式K,每個(gè)的4PSκ-4狀態(tài)的空時(shí)格型編碼的編碼器結(jié)構(gòu)。4PSK調(diào)制碼元屬于2b個(gè)發(fā)射信號(hào)星座圖中的一個(gè)星座點(diǎn)。k個(gè)碼元時(shí),第k時(shí)刻有2個(gè)比特烏輸入編碼器,而此時(shí)的編碼器經(jīng)過(guò)不同天線和碼元間隔進(jìn)行編碼。其編碼矩陣可以表狀態(tài)由k-1,k-2…時(shí)刻的輸入比特來(lái)決定,其存儲(chǔ)容量是示為下式。其譯碼通過(guò)最大似然法來(lái)完成。由編碼器的狀態(tài)數(shù)決定的,由當(dāng)前的輸入比特和編碼器的h, Khe(9)h, k he技術(shù)研發(fā) Technology Research電子技術(shù)EL上 CTRONIC TECHNOLOGY其中各列相互正交,它的每一列表示同一天線在不作者簡(jiǎn)介:同時(shí)隙發(fā)出的信號(hào),每一行表示同一時(shí)隙不同天線發(fā)出劉小群,女,(1977-),講師,西安電子科技大的信號(hào)。顯然,在n個(gè)時(shí)隙傳送k個(gè)信號(hào),STBC的碼速為學(xué)通信工程學(xué)院碩士研究生,研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系R=k/n統(tǒng),現(xiàn)執(zhí)教于寶雞文理學(xué)院物理系。STBC的譯碼采用最大似然法[7],以?xún)筛卑l(fā)射天線為例,對(duì)于編碼矩陣G2,在第一個(gè)時(shí)隙,有2b比特到達(dá)編基金項(xiàng)目:寶雞文理學(xué)院項(xiàng)目(YK0823)碼器,并選擇2個(gè)碼元X0,X1,這些碼元同時(shí)從天線0和天線1發(fā)送,而在第二個(gè)時(shí)隙,信號(hào)一x,x分別從天線0和天線1發(fā)射。接收端采用最大似然譯碼就是對(duì)所有可能的和計(jì)算判決量度息∑-b-+一-氣(10)并使其最小。3.2性能分析STBC在編碼中引入了復(fù)正交設(shè)計(jì)的理論,只有發(fā)射(上接63頁(yè))天線數(shù)目為2時(shí),才能達(dá)到最大的頻帶利用率;當(dāng)發(fā)送天線大于兩根時(shí),頻帶利用率只能達(dá)到1/2。相對(duì)于 BLAST作者簡(jiǎn)介:和STTC,這是STBC的缺陷。但由于STBC容易得到最大的張遷(1987-),男,陜西省漢中市人,陜西理工學(xué)院物理發(fā)射分集增益NM,譯碼結(jié)構(gòu)特別簡(jiǎn)單,因此更適用于實(shí)系,研究方向:電子信息科學(xué)與技術(shù)。際工程應(yīng)用常菁(1986-),女,陜西省漢中市人,陜西理工學(xué)院物理系,研究方向:電子信息科學(xué)與技術(shù)。盡管目前對(duì)空時(shí)編碼已經(jīng)做了大量的研究,但是在盧超(979-),男陜西省漢中市人,陜西理工學(xué)院物理如何改進(jìn)多天線系統(tǒng),使之能夠適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用方面仍是項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。這方面的課題包括:快速空時(shí)格形碼譯碼算法;空時(shí)編碼結(jié)合其他技術(shù),如智能天線技術(shù)等結(jié)合空時(shí)處理技術(shù);空時(shí)格形碼和空時(shí)分組碼在不同衰落信道下的性能和復(fù)雜度的比較; Turbo碼級(jí)聯(lián)空時(shí)碼的方案;空時(shí)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(shí)處理技術(shù),是目前很熱門(mén)的一個(gè)研究課題參考文獻(xiàn):[1] Tarokh V, Seshadri N, Calderbank A R. 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