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基于發(fā)射分集的空時碼及其應用
摘要：介紹了基于發(fā)射分集的空時碼的結構和編碼原理，總結分析了基于發(fā)射分集的空時碼在移動通信中的應用和性能特點，并對其研究方向和發(fā)展前景進行了探討。關鍵詞：發(fā)射分集空時編碼(STC)
發(fā)射分集的概念由接收分集技術引伸而來。它是為減弱信號衰落的效果，使用多個獨立的天線或相關天線陣列，把發(fā)射信號的復本以空間冗余的形式提供給接收端。分集發(fā)射利用不同基站或同一基站中不同位置的天線發(fā)射信號到達移動臺的不相關性，借助移動臺的Rake分集接收功能，分別接收由不同天線或不同基站發(fā)出的信號再分集合并，從而提高系統(tǒng)性能。
空時編碼(STC)是近年來移動通信領域出現(xiàn)的一種新的編碼和信號處理技術，在發(fā)射端和接收端同時使用多個天線進行信息的發(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，綜合利用時域和空域二維信息，在接收端進行分集接收。空時編碼將空間分集、頻率分集及時間分集結合在一起，從通信系統(tǒng)的整體出發(fā)，提高多徑衰落信道的通信質量和數(shù)量。
圖1
由于移動用戶的增多，移動通信業(yè)務從單純的語音業(yè)務擴展到多媒體業(yè)務，無線頻譜資源日趨緊張，從而追求盡可能高的頻譜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、調制和信號處理技術以提高無線頻譜的效率�；诎l(fā)射分集的空時編碼技術就是能夠有效提高無線頻譜利用率的重要方案之一，這是人們在對發(fā)射分集和空時編碼的重要意義認識的基礎上取得的豐碩成果。
1基于發(fā)射分集的空時碼編碼原理
基于發(fā)射分集的空時碼分為空時格形碼STTC(Space-TimeTrellisCode)和空時分組碼STBC(SpaceTimeBlockCode)，其編碼原理分別如下。
1．1空時格形碼(STTC)
空時格形碼是將格形碼與多個天線相結合的一類空時碼。圖1給出了一種空時格形編碼方案。在第k個時刻有b個比特信息輸入到編碼器中，在該編碼器中還包括若干個存儲器，用于存儲k-1，k-2,……．時刻的輸入信息，這些存儲器的個數(shù)由編碼網(wǎng)格圖的狀態(tài)數(shù)決定。輸入的信息經(jīng)過信道編碼器之后有n個輸出，每個輸出在格(Lattice)Z2b內取值，然后每個輸出分別送人對應的脈沖形成器，其輸出再送到調制器，形成規(guī)模為2b的空間內的星座點發(fā)送出去。Ckj表示第k個時刻第i個天線上發(fā)送的信息符號星座點。如果在準靜態(tài)衰落條件下，即在一幀信息內信道的衰落保持不變，而幀與幀之間的衰落也相互獨立，將lb個輸人比特送人編碼器，把這些比特分為l組，每組b個比特，則重排串符號星座點碼字C11C12…C1nC21C22…C2n…Cl1Cl2…Cln。通過適當?shù)木幋a方式，這種空時編碼方案可分別獲得最佳的分集增益和編碼增益。
1．2空時分組碼(STBC)
從降低譯碼復雜度出發(fā)，Alamouti提出一種利用兩根發(fā)射天線的傳輸方法。在此基礎上，Tarokh利用廣義正交設計原理將其推廣，提出了空時分組碼的概念。
圖2是空時分組碼編碼原理框圖。輸入信息首先分成兩個符號一組[C1,C2]。經(jīng)過空時分組編碼后，在兩個符號周期內，兩天線同時發(fā)射兩個符號。第1周期，天線1發(fā)cl，天線2發(fā)c2；在第2周期，天線1發(fā)-c2*，天線2發(fā)c1*(上標*表示取復共軛)。編碼矩陣的每一列符號同時在不同天線上發(fā)送出去，在一個天線上發(fā)送出去的星座點符號與另外任意天線上發(fā)送出去的符號是正交的。
2應用舉例
2．1CDMA系統(tǒng)的空時格碼調制
圖3是CDMA系統(tǒng)的空時格碼調制STTCM(SpaceTimeTrellisCodedModulation)發(fā)射機和接收機原理方框圖。在此假定m=n=2(m為接收天線個數(shù)，n為發(fā)射天線個數(shù))。對CDMA系統(tǒng)而言，在天線1和天線2上，同一用戶數(shù)據(jù)部分使用相同的擴頻碼，但使用不同的導頻。
圖4是兩天線8狀態(tài)空時格碼柵格及QPSK星座圖(即空時編碼柵格圖和星座圖)。卷積編碼為(2，1，3)，碼速率為1／2，卷積碼狀態(tài)數(shù)為8，幀結構為導頻符號加數(shù)據(jù)。其中s1表示在第一個天線上發(fā)送，s2表示在第二個天線上發(fā)送。理論證明，該空時碼可得到最優(yōu)的特性，即可取得最大分集增益和編碼增益�？諘r格形碼的譯碼，可采用VITERBI譯碼或BCJR-MAP算法。
2．
2WCDMA的空時分組編碼發(fā)射分集(STTD)
由于空時分組碼相對簡單的譯碼算法和較好的性能，WCDMA下行開環(huán)發(fā)射分集中采用了空時分組編碼技術。WCDMA的空時分組編碼發(fā)射分集STTD(SpaceTimetransmitDiversity)原理框圖如圖5所示。信源比特流先經(jīng)過STTD編碼，分成了A、B兩路，每一路又分成I、Q兩路，用信道碼和長擾碼進行擴頻調制，最后進行正交載波調制，分別從天線A、B發(fā)射。
STTD編碼后，每一路都由串變并，進行QPSK編碼。實際上，是將信號轉換成雙比特的復信號傳輸。將(2)式的基帶信號進行QPSK載波調制，并用復變量表示，得到天線A和天線B上的發(fā)射信號分別為：
s1=b0+jb1;s2=b2+jb3(1)
假設兩根天線是相互獨立的，兩個獨立的衰落信道的沖激響應分別為丸h1、h2，則接收的信號為：
將（2）式的基帶信號進行QPSK載波調制，并用復變量表示，得到天線A和天線B上的發(fā)射信號分別為：
TA1=s1·(cos(wct)Wki+jsin(wct)Wkq)
TA2=s2·(cos(wct)Wki+jsin(wct)Wkq)
TB1=-s2·(cos(wct)Wki+jsin(wct)Wkq)
TB2=-s1·(cos(wct)Wki+jsin(wct)Wkq)
假設兩根天線是相互獨立的，兩個獨立的衰落信道的沖激響應分別為h1、h2，則接收的信號為：
對(3)式進行載波和擴頻解調，解調后得到I、Q兩路數(shù)字信號，送人最大似然判決器，進行最大似然解碼。
3基于發(fā)射分集的空時碼的性能分析
基于發(fā)射分集的空時碼集發(fā)射分集與空時編碼于一體，具有較好的頻率和功率有效性，大大改善了移動通信系統(tǒng)的信息容量和信息率，充分利用了無線頻譜資源。實驗仿真表明，基于發(fā)射分集的空時碼頻帶利用率可達到20～40bps／Hz，空時格形碼和空時分組碼均可達到系統(tǒng)提供的最大分集增益。
由于空時格形碼考慮了前后輸入的關聯(lián)，它除了可以獲得分集增益外還可以在不犧牲系統(tǒng)帶寬的前提下獲得一定的編碼增益。因此，它比空時分組碼具有更好的性能，抗衰落能力較強。窆時格形碼的主要缺點是編碼時搜索好碼比較困難，譯碼過程也比較復雜。對于發(fā)射天線數(shù)固定的空時格形碼而言，其譯碼復雜度(由譯碼器網(wǎng)格圖中的狀態(tài)數(shù)來衡量)將隨著傳輸速率的增加呈指數(shù)增加�？諘r格形碼另外兩個缺點是：采用軟輸入軟輸出的最大后驗概率MAP算法譯碼時譯碼延時較大，對于語音業(yè)務來說無法忍受；碼優(yōu)化難度大，串行級聯(lián)系統(tǒng)的STYC碼優(yōu)化準則目前還沒有確立。正是由于以上問題的存在，空時格形碼的實用化進程比較緩慢，實現(xiàn)難度較大。
空時分組碼構造容易，譯碼簡單。通過編碼正交設計，發(fā)射分集獲得了兩個顯著特性：一是正交設計使系統(tǒng)在全分集時提供了最大的發(fā)送速率，因而沒有損失傳送帶寬；二是應用編碼矩陣列之間的正交性，接收端獲得最佳信噪比，可以用最簡單的最大似然解碼算法進行解碼�？諘r分組碼的主要缺點是性能改善有限，不能像空時格形碼一樣通過增加狀態(tài)數(shù)來改善性能，抗衰落性能也不是很理想。此外，在譯碼時需要知道準確的信道衰落系數(shù)，這就要求發(fā)射端發(fā)射不同的導頻序列，接收端采用大量的信道估計運算，才可以達到空時分集效果。當空時分組碼與交織技術結合使用時，性能則有較大改善。根據(jù)正交設計理論的空時分組碼雖然不能獲得編碼增益，卻具有很低的譯碼復雜度，并且還可能得到最大的發(fā)射分集增益，所以已經(jīng)被正式列入WCDMA提案中。
圖5
4基于發(fā)射分集的空時碼的研究方向和發(fā)展展望
當前空時格形碼的設計中主要使用內積距離和漢明距離，在空時格碼編碼中如何尋找更合適的設計準則是一個值得深入研究的方向。V．Tarokh等人雖然給出了RayleighRicean信道下的性能限，但是仍然缺乏更進一步對衰落信道的容量分析。空時格形碼與其它技術的結合(如智能天線、多用戶檢測和多重格碼調制MTCM的結合)已成為研究的熱點。
正交設計是空時分組碼的核心。雖然目前已有實正交和復正交設計方案，但正交設計
仍然有研究的必要。為使對方接收機具有最佳的性能，將空時分組碼與功率控制相結合調整單根發(fā)射天線的功率及相位，也是研究的方向之一。再者由于空時分組碼具有相對簡單的譯碼算法和較好的性能，所以存在將空時碼與其它前沿技術相結合的可能。例如，正交頻分復用(OFDM)是當今研究的熱點之一，將空時分組碼與OFDM相結合，不但可以得到極佳的性能，而且還可以有效地降低OFDM盲信道估計的難度。
基于發(fā)射分集的空時碼是近年來提出的一項充滿希望的關鍵技術。在當前頻譜資源日趨緊張的情況下，人們必須不斷挖掘頻譜資源潛力，以滿足日益增長的移動多媒體通信業(yè)務的需求。研究表明，基于發(fā)射分集的空時碼是提高無線頻譜利用率的最有效的方法之一，必將在未來的移動通信系統(tǒng)中得到廣泛的應用。但同時也應看到，空時碼的系統(tǒng)理論分析還有許多待完善的地方，而且基于發(fā)射分集的空時碼如何有效地與智能天線技術、多用戶檢測技術、均衡技術、MTCM技術、OFDM技術等相結合，仍有大量工作需要去做。鑒于此，應大力加強這些方面的研究工作，在核心技術上不斷取得突破，在理論上不斷成熟和完善，從而在未來的移動通信系統(tǒng)中，使基于發(fā)射分集的空時碼為提高頻譜利用率發(fā)揮出更加突出的作用。
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