空时编码技术的研究

技术研发 Technology Research电子技术ELECTRONIC TECHNOLOGY空时编码技术的研究刘小群1.2(1.宝鸡文理学院2.西安电子科技大学摘要:空时编码技术是抗信道衰落和提高系统容量的一种最新编码方法,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,并给出了空时格型码的设计准则,最后分析了空时编码的研究动态关键词:空时编码;分层空时码;空时格形码;空时分组码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,使用相同的载波由发射天线同时发射。由于移动用户的增多,移动通信业务从单纯的语音业设第j子编码器在i时刻的输出符号,c其中j1,2,务扩展到多媒体业务,无线频谱资源日趋紧张,从而追求…m,再将经过分层空时编码器编码送入相应的发射天线,尽可能高的频谱利用率已成为研究的热点和重点。长时根据分配方式的不同,分层空时编码LSTC可以分为下面间以来,人们一直致力于开发高效的编码、调制和信号处三类:水平分层空时编码( Horizontally Layered理技术以提高无线频谱的效率。空时编码(STC)[1]是近 Space- Time Coding,HSTC)、对角分层空时编码年来移动通信领域出现的一种新的编码和信号处理技术,( Diagonally layered space- Time Coding, LSTC)和垂在发射端和接收端冋时使用多个天线进行信息的发射和直分层结构空时编码( Vertical Layered Space-Time接收,在不同天线发射信号之间引入时域和空域相关,综 Coding, VLSTC)。合利用时域和空域二维信息,在接收端进行分集接收。空1.2译码过程编码将空间分集、频率分集及时间分集结合在一起,从BLAST系统是一个(n,m)系统,在接收端,用m个天线通信系统的整体出发提高多径衰落信道的通信质量和数分集接收,信道参数通过信道估计获得利用波束空间分量。从目前发展来看,空时码主要可以分为两大类一类离器(或迫零处理),对载波信号进行载波和信号的分离是分层空时码:另一类是基于分集的空时分组码和空时编码信号经解码后,由多路复用器重建,达到对原始输格形码。比较而言它们各有其优缺点,下面介绍它们的主入信息流的预测。在接收端,由线性判决器反馈均衡器要编译码原理及性能。实现分层反馈干扰抵消,然后进行分层空时译码。单个信道译码器完成信道译码。发射天线与接收天线之间的1分层空时编码信道是窄带、准静态的、平坦瑞利衰落环境。在某一时1.1系统结构间区间发射天线i到接收天线j间的信道响应为hij,则信分层空时编码技术( Layered Space- Time Coding,道传输矩阵H=(hi)m×n,在瑞利信道中,hij是服从均值LSTC)[2][3]的基本思想是把高速数据业务分接为若干低为0、方差为1的复高斯随机变量,接收天线j上的接收信速数据业务。通过普通的并行信道编码器后,对其进行号r(j=1,2,n)为n个发射天线发射信号,乳(i=12.n并行的分层编码,编码信号经调制后用多个天线发射经瑞利衰减信道传输后重叠并伴有高斯白噪声的扰动。实现发射分集。由Bell实验室提出的 BLAST系统结构如图1.3性能分析示LSTC系统各天线的信号取自同一符号集,同时占用Remy trim某个信道的整个带宽,频率利用率和传输速率高,是单天线系统无法达到的;充分利用无线信道的多径传播特卡了幽丙21码器2性来达到区分同波道信号的目的,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,每个收发天线对之间解码器的信道特性会产生较大的差异,确定迫零矢量时的误差就会降低,从而可提高系统的性能图! BLAST系统结构图接收端输入信号经信号分离器分离成n个长度相同的数据流2空时格码分别输入n个编码器。这些编码器可以是二进制的卷积编码1998年,ATT实验室的 Tarok等人提出了用于高速数据器,也可以不经过任何编码直接输出,其输出信号经调制无线通信的空时格型编码( Space- Time Trellis Coding,技术研发 Technology Research电子技术ELECTRONIC TECHNOLOGYsTTC)[4],这种空时编码以格型编码调制为基础,可以状态共同确定编码器的输出,即两个发射天线上将要发提供最大可能的编码增益和分集增益,而不会牺牲发射射的符号。其中数字表示加权系数,默认值是1,对应的带宽,并且能够有效地抵抗衰落,抑制干扰和噪声4-PSK调制,加法器进行模4加。下面先分析空时格型码的性能设计准则考虑具有一个(n,m)多天线系统,且信道为平坦瑞利d ak b a-lbk衰落的、准静态信道,即在一个数据块时间内信道特性不变。hi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表示为图24PSK-4状态编码器的结构g= SCLCGcL GL eL司(1)2.2译码过程并且令:s=cLq,g=LL9=qLq假定接收机己知信道的状态H(t),t=1,2,…1,发射则式(1)可改写为c=s,c2Ls天线发射的空时码元向量为C=s,2Ls,接收天线接收在接收端,若最大似然接收机错误地将发射码字判到的序列为r=,2L,最佳的解码算法相当于计算决为=出eLg"虬L吼吗L司(3)组向量&卧L静,使得后验概率P((,1=1.L)能同样可以将其改写成:g=,exL当(4)达到最大。其中,g=eeLe,t=1.2假定所有的码字为等概率出现,并且噪声向量被假定义:A(s)=∑e-")(4-e)pq=12Ln定为多维的AwGN,由文献[6】可得到最佳的解码器为为mxn的误差矩阵,其中表示S的共轭c=吗:。p(F(()当接收机对信道状态信息CSI( Channel State由式()可见,最佳的译码算法可以由 Viterbi算法来Information)确定已知的情况下,接收机将c判决为e的实现,这样的译码算法复杂度与发射速率成指数关系概率的上限为:Pe→9)5∏(Ew但具有十分好的性能,由于信道的信息在解码中要被用到,所以必须利用引导/训练信号或是盲检测的方法来获上式中的Es为星座图中每个信号点的平均能量,N得信道的信息为每个接收天线的噪声单边功率谱密度,r为误差矩阵空时格型码译码复杂度的衡量一一令b为系统的发射的秩,即rank(A)=:礼=12为4的非零特征值,可以速率,则格型的复杂度≥2(x-1),信号星座图的状态数看出,这一概率类似于衰落信道的格型编码调制的误差为2,所以译码的复杂度与发射速率b成指数关系上限。式中∏表示了由空时编码所获得的系统的编码增2.3性能分析益,同时,(E/4N厂代表了系统的分集增益为rm,由此可STTC以部分频带利用率为代价换取最大分集增益。见,空时格型码的设计准则为:最大化误差矩阵的秩为r。例如,若采用有2个信号点的星座图,在保证最大分集增这样就可保证系统的编码增益最大,同时系统的分集增益的前提下STc可达到的最大频带利用率为bits/s/Hz益最大,系统达到最优。不再随着天线数的增加而增加,这是限制其应用的重要进一步对误差矩阵A做分析:由A的矩阵结构可以看因素之一;在译码方面,STTC的译码复杂度随着分集增出,A为一 Hermitian矩阵(即A=A(〕表示矩阵的共轭转益和频带利用率的提高成指数增长,这是限制STTC在实置)。构造一个新的矩阵B(c,e):际通信系统中应用的另一关键因素;同时,STC好码的B(s)--.-LL-设计也是一个难点。在状态数较大的情况下,好码的格可-,-qLL2-q图设计非常困难,目前多用计算机搜索来完成。上述三可-c-dL吲-q个问题也是人们现在研究STc的热点、难点。4-4.64-GL L4-G3空时分组码可以验证B*A,由此可知B为A的均方根矩阵,则A3.1编译码原理为非负定的,A的特征值为非负的实数。假设发射端有n根天线,接收端有m根天线,每个时由此可得到最优空时码的设计准则[5]:a.最大化A隙t,x,考同时从n根天线上发送,从发射天线i到接收的秩,可获得最大的分集增益。若系统要达到最大的分天线j的信道增益为hij。该路径增益建模为每维方差为集增益皿,集合{eεe}中的每一个烈(s)必须是满秩0.5的复高斯独立随机变量,信道为准静态平衰落信道←的,若B(se的最小秩为r,,则分集增益最大可达rm。b.接收端天线在时刻t的接收信号为:最大化A的行列式,可获得最大的编码增益。若系统的分集增益为rm,计算集合{4(se)ke∈c}中的每个才=∑hx+可(8)A(s)=B(ssg'(ce)的所有rXr阶的主代数余子式的行列其中n是复高斯随机变量。式和的r次根得到44L}集合的最小值决定编码增益。空时分组码(STBC)通常采用一般的星座图设计,即空时格型编码可以用网格图来表示,图2给出了对应在给定时刻t,将kb比特映射成k个信息码式K,每个的4PSκ-4状态的空时格型编码的编码器结构。4PSK调制码元属于2b个发射信号星座图中的一个星座点。k个码元时,第k时刻有2个比特乌输入编码器,而此时的编码器经过不同天线和码元间隔进行编码。其编码矩阵可以表状态由k-1,k-2…时刻的输入比特来决定,其存储容量是示为下式。其译码通过最大似然法来完成。由编码器的状态数决定的,由当前的输入比特和编码器的h, Khe(9)h, k he技术研发 Technology Research电子技术EL上 CTRONIC TECHNOLOGY其中各列相互正交,它的每一列表示同一天线在不作者简介:同时隙发出的信号,每一行表示同一时隙不同天线发出刘小群,女,(1977-),讲师,西安电子科技大的信号。显然,在n个时隙传送k个信号,STBC的码速为学通信工程学院硕士研究生,研究方向为通信与信息系R=k/n统,现执教于宝鸡文理学院物理系。STBC的译码采用最大似然法[7],以两副发射天线为例,对于编码矩阵G2,在第一个时隙,有2b比特到达编基金项目:宝鸡文理学院项目(YK0823)码器,并选择2个码元X0,X1,这些码元同时从天线0和天线1发送,而在第二个时隙,信号一x,x分别从天线0和天线1发射。接收端采用最大似然译码就是对所有可能的和计算判决量度息∑-b-+一-气(10)并使其最小。3.2性能分析STBC在编码中引入了复正交设计的理论,只有发射(上接63页)天线数目为2时,才能达到最大的频带利用率;当发送天线大于两根时,频带利用率只能达到1/2。相对于 BLAST作者简介:和STTC,这是STBC的缺陷。但由于STBC容易得到最大的张迁(1987-),男,陕西省汉中市人,陕西理工学院物理发射分集增益NM,译码结构特别简单,因此更适用于实系,研究方向:电子信息科学与技术。际工程应用常菁(1986-),女,陕西省汉中市人,陕西理工学院物理系,研究方向:电子信息科学与技术。尽管目前对空时编码已经做了大量的研究,但是在卢超(979-),男陕西省汉中市人,陕西理工学院物理如何改进多天线系统,使之能够适应实际应用方面仍是项具有挑战性的工作。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; Turbo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:[1] Tarokh V, Seshadri N, Calderbank A R. Space(上接65页)time codes for high data rate wirelesscommunications: Performance criterionand由于现在的汽车大多已取消了内胎,因此给TPMS发射code construction []. IEEE Trans Inform模块的安装带来了极大的方使,目前TPS发射模块在汽Theory,I998,44(2):744-765车轮胎内的安装有两种方式:利用气门嘴安装或者利用紧[2] Foschini G J. Layered space- time architecture箍扣安装在轮毅上。无论采用哪种方式,安装完TPMs发for wireless communication in fading environment射模块后车轮的平衡性将被打破,给车辆行驶的稳定性、when using multiple antennas[J]. Bell Labs安全性、NH性能都带来新的问题,因此必须对轮胎重新Technical Journal 1996, 1(2): 41-59做动平衡检验,解决问题,使之重新达到平衡要求。[3] Siu D, Khan J M. Layered space-time codesfor wireless communications using multiple参考文献:transmit antennas.Proc. of Ieee Intl.conf,[1]余志生.汽车理论(第3版)[M].北京:机械工业on Communication, Vancouver: June 6-10 1999[C]出版社,2000,10[4] Naguib F, Tarokh v. A space- time coding modem[2]颜重光.TPMs设计方案的思考[J].电子设计应用for high-data-rate wireless communications2004,(12)IEEE Journal on Selected Areas in Communications,[3]吴义保,周海清.TPMS产品结构设计研究[J].机械1998,16(8):1459-1478研究与应用,2007,(01)[5] Proakis J G. Digital Communications(Four[4]青叶尧.注射成型实用袖珍手册[M.北京:化学工Edition)[M].北京:电子工业出版社,200业出版社[6】张贤达现代信号处理[M].北京:清华大学出版社,