空时编码技术的研究

文章编号:1009-0940(209)-01-015-04空时编码技术的研究刘小群宝鸡文理学院宝鸡721007摘要:空时编码技术是抗信道表落和提高票统容量的一种最新码可方法,本文介绍了分层空时码、空时格型码和空时分组码的编译码原理比较了它们的优缺点,并给出了空时格码的设计准则,最后分析了空时编吗的研究动态。关健词空时编码分层空时码空时格形码空时分组码引言由于移动用户的增多移动通信业务从单纯的语音业务扩展到多媒体业务.无线频谱资源日趋紧张从而追求尽可能高的频谐利用率已成为研究的热点和重点。长时间以来,人们一直致力于开发高效的编码调制和信号处理技术以提高无线频谱的数0率空时编码l(sTc是近年来移动通信领域出现的一种新的编码和信号处理技术在发射端和接收端同时使用多个天线进行信发远赠收息的发射和接收在不同天线发射信号之间引入时域和空域相关综合利用时域和空域二维信息在接收端进行分集接收。空图1BAST系统结构图时编码将空间分集.频率分集及时间分集结合在一起从通信系输入信号经信号分离器分离成个n长度相同的数据流,分统的整体出发提高多径衰落信道的通信质量和数量。从目前发别输入n个编码器。这些编码器可以是二进制的卷积编码器,也展来看空时码主要可以分为两大类:一类是分层空时码另一类可以不经过任何编码直接输出.其输出信号经调制后,使用相是基于分集的空时分组码和空时格形码。相比较而言它们各有同的载波由发射天线同时发射其优缺点.下面介绍它们的主要编译码原理及性能。设第个子编码器在i时刻的输出符号C,其中=12.…n分层空时编码再将经过分层空时编码器编码送入相应的发射天线,根据分配2.1系统结构方式的不同分层空时编码LSTc可以分为下面三类:水平分层空分层空时编码技术2|3]( LSTC. Layered space-Time Coding)时编码 (HSTC: Horizontally Layered Space-- Time Coding).对角的基本思想是把高速数据业务分接为若干低速数据业务.通过分层空时编码[DsTc: Diagonally LayeredSpace-Time Coding)和普通的并行信道编码器后.对其进行并行的分层编码.编码信垂直分层结构空时编码( LSTC: Vertical Layered Space-Tme号经调制后用多个天线发射,实现发射分集。由B实验室提出 Coding)的BAST系统结构如图1示。2.2译码过程收稿日期:2009-02-10技术交流◆BLAST系统是一个nm)系统,在接收端,用m个天线分集在接收端.若最大似然接收机错误地将发射码字判决为接收,信道参数通过信道估计获得利用波束空间分离器(或迫零e=eeL e'eeL 4L deL e (3)处理).对载波信号进行载波和信号的分离.编码信号经解码同样地可以将其改写成后.由多路复用器重建.达到对原始输入信息流的预测。在接e=en,e2, L e,(4)收端。由线性判决器反馈均衡器实现分层反馈干扰抵消,然后其中e=ceLe,t=1L,n进行分层空时译码单个信道译码器完成信道译码。发射天线与定义:小立)m4叫,接收天线之间信道是窄带.准静态的、平坦 Rayleigh衰落环境为n×刀的误差矩阵.其中:$表示S的共轭在某一时间区间发射天线到接收天线j间的信道响应为h,则当接收机对信道状态信息cSl! Channels tatei nformation)确信道传输矩阵H内)mxn.在瑞利信道中,h是服从均值为0定已知的情况下,接收机将C判决为e的概率的上限为:方差为1的复高斯随机变量,接收天线j上的接收信号r,(i=12…n为n个发射天线发射信号,(=1,2,n)经瑞利衰减信P(e→)s道传输后重叠并伴有高斯白噪声的扰动上式中的Es为星座图中每个信号点的平均能量N为每个2.3性能分析接收天线的噪声单边功率谱密度,r为误差矩阵A的秩,即rankLsTc系统各天线的信号取自同一符号集同时占用某个信(A=rA=1Lr为A的非零特征值,可以看出:这一概率类似道的整个带宽频率利用率和传输速率高.是单天线系统无法于衰减信道的格型编码调制的误差上限式中∏表示了由空时达到的充分利用无线信道的多径传播特性来达到区分同波道信编码所获得的系统的编码增益,同时(E4N厂代表了系统的分号的目的,传播路径越多,检测产生的误码越少,因为空间传播路径较多时,若分层空时码系统的收发天线对位置合适,每集增益为m,由此可见,空时格型码的设计准则为:最大化误个收发天线对之间的信道特性会产生较大的差异.确定迫零矢差矩阵的秩为r。这样就可保证系统的编码增益最大,同时系统的分集增益为最大,系统达到最优。量时的误差就会降低,从而可提高系统的性能空进一步对误差矩阵A做分析:时格码1998年.AT&T实验室的 Tarokh等人提出了用于高速数据无由A的矩阵结构可以看出A为一 Hermitian矩阵(即=f(线通信的空时格型编码STC4].这种空时编码以格型编码调制表示矩阵的共轭转置).构造一个新的矩阵B(c,e为基磁,可以提供最大可能的编码增益和分集增益,而不会牺B(9)-[4--以L山e-牲发射带宽,并且能够有效的抵抗衰落,抑制干扰和噪声。-c,2-cL,-c3.1编译码原理e-C,e -cL, L e-c下面先分析空时格型码的性能设计准则:考虑具有一个(nm)多天线系统,且信道为平坦 Rayleigh衰落的,准静态信道.即在一个数据块时间内信道特性不变g-c, er-C2L, Le-ch为复高斯随机变量(实部与虚部分别为0均值.1/2方差的高可以验证BB*A,由此可知B为A的均方根矩阵.则A为斯随机变量】。设数据块长度为1,则发射天线发射的码字可以非负定的.A的特征值特征值为非负的实数。表示为由此可得到最优空时码的设计准则[5]c=GG,L dGGL 'L 4C]LG(1)①最大化A的秩.可获得最大的分集增益。若系统要达到并且令s可=引s"c引则式(1)可改写为c=q1,c2,Le(2)大的分集增益m集合{B()∈C}中的每一个B(G)必须是满秩的.若B(e)的最小秩为r则分集增益最大可达m②最大化A的行列式,可获得最大的编码增益。若系统译码的复杂度与发射速率b成指数关系的分集增益为rm,计算集合{4(e)kC}中的每个32性能分析A(,e)=B(G,e)E'(;e)的所有rxr阶的主代数余子式的行列式和sTC以部分频带利用率为代价换取最大分集增益。例如的r次根得到QALx}集合的最小值决定编码增益若采用有2个信号点的星座图,在保证最大分集增益的前提下空时格型编码可以用网格图来表示,图2给出了对应的SC可达到的最大频带利用率为is/s/,不再随着天线数的4PX×4状态的空时格型编码的编码器的结构,4调制时第增加而增加,这是限制其应用的重要因素之一:在译码方面k时刻有2个比特a输入编码器,而此时的编码器状态由k-1ST的译码复杂度随着分集增益和频带利用率的提高成指数增k-2时刻的输入比特来决定其存储容量是由编码器的状态数长,这是限制STC在实际通信系统中应用的另一关键因素同决定的.由当前的输入比特和编码器的状态共同确定编码器的时,STTC好码的设计也是一个难点。在状态数较大的情况下输出,即两个发射天线上将要发射的符号,其中数字表示加权好码的格图设计非常困难,目前多用计算机搜索来完成上述系数,默认值是1.对应的4-PK调制,加法器进行模4加3个问题也是人们现在研究STC的热点、难点问题四、空时分组码4.1编译码原理假设发射端有n根天线,接收端有m根天线,每个时隙t,xxKx同时从n根天线上发送.从发射天线到接收天线的信d ak b ak- b-l道增益为h,该路径增益建模为每维方差为0.5的复高斯独立随机变量,信道为准静态平衰落信道接收端天线在时刻t的接收信号为=∑b+(8图24.K-4状态编码器的其中可是复高斯随机变量333译码过程空时分组码通常采用一般的星座图设计,即在给定时刻t假定接收机己知信道的状态Ht:=1.2.--.1,发射天线将kb比特映射成k个信息码xxK式每个码元属于2b个发射信发射的空时码元向量为C=c,c2,c接收天线接收到的序列为号星座图中的一个星座点,k个码元经过不同天线和码元间隔进r=r,z2L,最佳的解码算法相当于计算一组向量行编码。其编码矩阵可以表示为下式。其译码通过最大似然法c%%,画,L%,使得后验概率n("()M-2)能达到最大来完成假定所有的码字为等概率的出现,并且噪声向量被假定为多维的AWGN.由文献6]可得到最佳的解码器为Gh,K hc%呵(-,0)%(bKb」由上式可见:最佳的解码算法可以由 Viterbi算法来实现,这其中各列相互正交,它的每一列表示同一天线在不同时隙样的译码算法复杂度与发射速率成指数关系,但具有十分好的发出的信号,每一行表示同-时隙不同天线发出的信号,显然性能,由于信道的信息在解码中要被用到所以必须利用引导/在n个时隙传送k个信号,SBC的码速为R/n训练信号或是盲检测的方空时分组码的译码采用最大似然法[7]以两副发射天线为法来获得信道的信息。例.对于编码矩阵G2,在第一个时腺,有如b比特到达编码器并空时格型码解码复杂度的衡量一令b为系统的发射速选择2个码元0x1,这些码元同时从天线0和天线1发送,而率,则格型的复杂度≥2”,信号星座图的状态数为2.所以在第二个时隙,信号一式亏分别从天线0和天线1发射接收端◆技术交流◆采用最大似然译码就是对所有可能的和计算判决量度息Rate Wireless Communications Performance Criterion andCode Constructio-4-4而+--气(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在编码中引入了复正交设计的理论,只有发射天线数hg-data- ate wireless communications目为2时,才能达到最大的频带利用率:当发送天线大于两根时IEEE Joumal on selected areas in communications vol, 16 No频带利用率只能达到1/2。相对于BAST和ST℃.这是STBC的8ocoe1998缺陷。但由于SBC容易得到最大的发射分集增益NM,译码结构[6John G Proakis. Digital Communications(Four Edition).B特别简单,因此更适用于实际工程应用子工业出版社,2001.刀]张贤达现代信号处理,清华大学出版社,2002尽管目前空时编码已经做了大量的研究但是在如何改进多天线系统使之能够适应实际应用方面仍是一个具有挑战性的工作。这方面的课题包括:快速空时格形码译码算法:空时编码结合其他技术如智能天线技术等结合空时处理技术:空时格形码和空时分组码在不同衰落信道下的性能和复杂度的比较Tbo码级联空时码的方案空时编码方案在频选衰落路径下的性能等等。尤其是智能天线技术等结合空时处理技术,是目前很热门的一个研究课题。参考文献[]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