技術研發(fā) Technology Research電子技術ELECTRONIC TECHNOLOGY空時編碼技術的研究劉小群1.2(1.寶雞文理學院2.西安電子科技大學摘要:空時編碼技術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,并給出了空時格型碼的設計準則,最后分析了空時編碼的研究動態(tài)關鍵詞:空時編碼;分層空時碼;空時格形碼;空時分組碼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)射天線同時發(fā)射。由于移動用戶的增多,移動通信業(yè)務從單純的語音業(yè)設第j子編碼器在i時刻的輸出符號,c其中j1,2,務擴展到多媒體業(yè)務,無線頻譜資源日趨緊張,從而追求…m,再將經(jīng)過分層空時編碼器編碼送入相應的發(fā)射天線,盡可能高的頻譜利用率已成為研究的熱點和重點。長時根據(jù)分配方式的不同,分層空時編碼LSTC可以分為下面間以來,人們一直致力于開發(fā)高效的編碼、調(diào)制和信號處三類:水平分層空時編碼( Horizontally Layered理技術以提高無線頻譜的效率?？諘r編碼(STC)[1]是近 Space- Time Coding,HSTC)、對角分層空時編碼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,( Diagonally layered space- Time Coding, LSTC)和垂在發(fā)射端和接收端冋時使用多個天線進行信息的發(fā)射和直分層結(jié)構(gòu)空時編碼( Vertical Layered Space-Time接收,在不同天線發(fā)射信號之間引入時域和空域相關,綜 Coding, VLSTC)。合利用時域和空域二維信息,在接收端進行分集接收?？?.2譯碼過程編碼將空間分集、頻率分集及時間分集結(jié)合在一起,從BLAST系統(tǒng)是一個(n,m)系統(tǒng),在接收端,用m個天線通信系統(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)通過信道估計獲得利用波束空間分量。從目前發(fā)展來看,空時碼主要可以分為兩大類一類離器(或迫零處理),對載波信號進行載波和信號的分離是分層空時碼:另一類是基于分集的空時分組碼和空時編碼信號經(jīng)解碼后,由多路復用器重建,達到對原始輸格形碼。比較而言它們各有其優(yōu)缺點,下面介紹它們的主入信息流的預測。在接收端,由線性判決器反饋均衡器要編譯碼原理及性能。實現(xiàn)分層反饋干擾抵消,然后進行分層空時譯碼。單個信道譯碼器完成信道譯碼。發(fā)射天線與接收天線之間的1分層空時編碼信道是窄帶、準靜態(tài)的、平坦瑞利衰落環(huán)境。在某一時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間的信道響應為hij,則信分層空時編碼技術( 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)務分接為若干低為0、方差為1的復高斯隨機變量,接收天線j上的接收信速數(shù)據(jù)業(yè)務。通過普通的并行信道編碼器后,對其進行號r(j=1,2,n)為n個發(fā)射天線發(fā)射信號,乳(i=12.n并行的分層編碼,編碼信號經(jīng)調(diào)制后用多個天線發(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。實現(xiàn)發(fā)射分集。由Bell實驗室提出的 BLAST系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.3性能分析示LSTC系統(tǒng)各天線的信號取自同一符號集,同時占用Remy trim某個信道的整個帶寬,頻率利用率和傳輸速率高,是單天線系統(tǒng)無法達到的;充分利用無線信道的多徑傳播特卡了幽丙21碼器2性來達到區(qū)分同波道信號的目的,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,每個收發(fā)天線對之間解碼器的信道特性會產(chǎn)生較大的差異,確定迫零矢量時的誤差就會降低,從而可提高系統(tǒng)的性能圖! BLAST系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖接收端輸入信號經(jīng)信號分離器分離成n個長度相同的數(shù)據(jù)流2空時格碼分別輸入n個編碼器。這些編碼器可以是二進制的卷積編碼1998年,ATT實驗室的 Tarok等人提出了用于高速數(shù)據(jù)器,也可以不經(jīng)過任何編碼直接輸出,其輸出信號經(jīng)調(diào)制無線通信的空時格型編碼( Space- Time Trellis Coding,技術研發(fā) Technology Research電子技術ELECTRONIC TECHNOLOGYsTTC)[4],這種空時編碼以格型編碼調(diào)制為基礎,可以狀態(tài)共同確定編碼器的輸出,即兩個發(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,而不會犧牲發(fā)射射的符號。其中數(shù)字表示加權系數(shù),默認值是1,對應的帶寬,并且能夠有效地抵抗衰落,抑制干擾和噪聲4-PSK調(diào)制,加法器進行模4加。下面先分析空時格型碼的性能設計準則考慮具有一個(n,m)多天線系統(tǒng),且信道為平坦瑞利d ak b a-lbk衰落的、準靜態(tài)信道,即在一個數(shù)據(jù)塊時間內(nèi)信道特性不變。hi為復高斯隨機變量(實部與虛部分別為0均值,1/2方差的高斯隨機變量)。設數(shù)據(jù)塊長度為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譯碼過程并且令:s=cLq,g=LL9=qLq假定接收機己知信道的狀態(tài)H(t),t=1,2,…1,發(fā)射則式(1)可改寫為c=s,c2Ls天線發(fā)射的空時碼元向量為C=s,2Ls,接收天線接收在接收端,若最大似然接收機錯誤地將發(fā)射碼字判到的序列為r=,2L,最佳的解碼算法相當于計算決為=出eLg"虬L吼嗎L司(3)組向量&臥L靜,使得后驗概率P((,1=1.L)能同樣可以將其改寫成:g=,exL當(4)達到最大。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[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(()當接收機對信道狀態(tài)信息CSI( Channel State由式()可見,最佳的譯碼算法可以由 Viterbi算法來Information)確定已知的情況下,接收機將c判決為e的實現(xiàn),這樣的譯碼算法復雜度與發(fā)射速率成指數(shù)關系概率的上限為: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/訓練信號或是盲檢測的方法來獲上式中的Es為星座圖中每個信號點的平均能量,N得信道的信息為每個接收天線的噪聲單邊功率譜密度,r為誤差矩陣空時格型碼譯碼復雜度的衡量一一令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,則格型的復雜度≥2(x-1),信號星座圖的狀態(tài)數(shù)看出,這一概率類似于衰落信道的格型編碼調(diào)制的誤差為2,所以譯碼的復雜度與發(fā)射速率b成指數(shù)關系上限。式中∏表示了由空時編碼所獲得的系統(tǒng)的編碼增2.3性能分析益,同時,(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換取最大分集增益。見,空時格型碼的設計準則為:最大化誤差矩陣的秩為r。例如,若采用有2個信號點的星座圖,在保證最大分集增這樣就可保證系統(tǒng)的編碼增益最大,同時系統(tǒng)的分集增益的前提下STc可達到的最大頻帶利用率為bits/s/Hz益最大,系統(tǒng)達到最優(yōu)。不再隨著天線數(shù)的增加而增加,這是限制其應用的重要進一步對誤差矩陣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,這是限制STTC在實置)。構(gòu)造一個新的矩陣B(c,e):際通信系統(tǒng)中應用的另一關鍵因素;同時,STC好碼的B(s)--.-LL-設計也是一個難點。在狀態(tài)數(shù)較大的情況下,好碼的格可-,-qLL2-q圖設計非常困難,目前多用計算機搜索來完成。上述三可-c-dL吲-q個問題也是人們現(xiàn)在研究STc的熱點、難點。4-4.64-GL L4-G3空時分組碼可以驗證B*A,由此可知B為A的均方根矩陣,則A3.1編譯碼原理為非負定的,A的特征值為非負的實數(shù)。假設發(fā)射端有n根天線,接收端有m根天線,每個時由此可得到最優(yōu)空時碼的設計準則[5]:a.最大化A隙t,x,考同時從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}中的每一個烈(s)必須是滿秩0.5的復高斯獨立隨機變量,信道為準靜態(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rm。b.接收端天線在時刻t的接收信號為: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,計算集合{4(se)ke∈c}中的每個才=∑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是復高斯隨機變量。式和的r次根得到44L}集合的最小值決定編碼增益?？諘r分組碼(STBC)通常采用一般的星座圖設計,即空時格型編碼可以用網(wǎng)格圖來表示,圖2給出了對應在給定時刻t,將kb比特映射成k個信息碼式K,每個的4PSκ-4狀態(tài)的空時格型編碼的編碼器結(jié)構(gòu)。4PSK調(diào)制碼元屬于2b個發(fā)射信號星座圖中的一個星座點。k個碼元時,第k時刻有2個比特烏輸入編碼器,而此時的編碼器經(jīng)過不同天線和碼元間隔進行編碼。其編碼矩陣可以表狀態(tài)由k-1,k-2…時刻的輸入比特來決定,其存儲容量是示為下式。其譯碼通過最大似然法來完成。由編碼器的狀態(tài)數(shù)決定的,由當前的輸入比特和編碼器的h, Khe(9)h, k he技術研發(fā) Technology Research電子技術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介:同時隙發(fā)出的信號,每一行表示同一時隙不同天線發(fā)出劉小群,女,(1977-),講師,西安電子科技大的信號。顯然,在n個時隙傳送k個信號,STBC的碼速為學通信工程學院碩士研究生,研究方向為通信與信息系R=k/n統(tǒng),現(xiàn)執(zhí)教于寶雞文理學院物理系。STBC的譯碼采用最大似然法[7],以兩副發(fā)射天線為例,對于編碼矩陣G2,在第一個時隙,有2b比特到達編基金項目:寶雞文理學院項目(YK0823)碼器,并選擇2個碼元X0,X1,這些碼元同時從天線0和天線1發(fā)送,而在第二個時隙,信號一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所有可能的和計算判決量度息∑-b-+一-氣(10)并使其最小。3.2性能分析STBC在編碼中引入了復正交設計的理論,只有發(fā)射(上接63頁)天線數(shù)目為2時,才能達到最大的頻帶利用率;當發(fā)送天線大于兩根時,頻帶利用率只能達到1/2。相對于 BLAST作者簡介: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,陜西理工學院物理發(fā)射分集增益NM,譯碼結(jié)構(gòu)特別簡單,因此更適用于實系,研究方向:電子信息科學與技術。際工程應用常菁(1986-),女,陜西省漢中市人,陜西理工學院物理系,研究方向:電子信息科學與技術。盡管目前對空時編碼已經(jīng)做了大量的研究,但是在盧超(979-),男陜西省漢中市人,陜西理工學院物理如何改進多天線系統(tǒng),使之能夠適應實際應用方面仍是項具有挑戰(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,如智能天線技術等結(jié)合空時處理技術;空時格形碼和空時分組碼在不同衰落信道下的性能和復雜度的比較; Turbo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等結(jié)合空時處理技術,是目前很熱門的一個研究課題參考文獻:[1] Tarokh V, Seshadri N, Calderbank A R. Space(上接65頁)time codes for high data rate wirelesscommunications: Performance criterionand由于現(xiàn)在的汽車大多已取消了內(nèi)胎,因此給TPMS發(fā)射code construction []. IEEE Trans Inform模塊的安裝帶來了極大的方使,目前TPS發(fā)射模塊在汽Theory,I998,44(2):744-765車輪胎內(nèi)的安裝有兩種方式:利用氣門嘴安裝或者利用緊[2] Foschini G J. Layered space- time architecture箍扣安裝在輪毅上。無論采用哪種方式,安裝完TPMs發(fā)for wireless communication in fading environment射模塊后車輪的平衡性將被打破,給車輛行駛的穩(wěn)定性、when using multiple antennas[J]. Bell Labs安全性、NH性能都帶來新的問題,因此必須對輪胎重新Technical Journal 1996, 1(2): 41-59做動平衡檢驗,解決問題,使之重新達到平衡要求。[3] Siu D, Khan J M. Layered space-time codesfor wireless communications using multiple參考文獻:transmit antennas.Proc. of Ieee Intl.conf,[1]余志生.汽車理論(第3版)[M].北京:機械工業(yè)on Communication, Vancouver: June 6-10 1999[C]出版社,2000,10[4] Naguib F, Tarokh v. 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