第11A期電子學(xué)報(bào)Vol 28 No11A2000年11月ACTA ELECTRONICA SINICA空時(shí)碼張平陶小峰王衛(wèi)東雷鳴(北京郵電大學(xué)移動(dòng)通信新技術(shù)研究室北京100876)摘要:提高頻率利用率一直是移動(dòng)通信系統(tǒng)中的研究熱點(diǎn)而近年來(lái)提岀的空時(shí)碼又是其關(guān)鍵技術(shù)之一.從當(dāng)前的研究情況來(lái)看空時(shí)碼技術(shù)主要分為以下兩大類:是分層空時(shí)砜LST)二是基于發(fā)射分集的空時(shí)分組碼和空時(shí)格碼由于空時(shí)碼具有良好的頻帶利用率及性能3GP已將空時(shí)分組碼作為一可選方案列在所提規(guī)范之中相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)空時(shí)碼必將廣泛應(yīng)用于未來(lái)的移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵詞:空時(shí)碼;分層空時(shí)碼(IST);發(fā)射分集中圖分類號(hào):TN957.52+3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0372112(2000114-011004Space-time CodeZHANG Ping TAO Xiao-feng WANG Wei-dong LET MWireless Technology Innotation Lab., Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, ChinaAbstract: To improve frequency efficiency is always a hotspot in mobile communication systems. One of the key technologiesproposed recently is space-time code. According to the upto-date researches space-timethe layered space-time code The other includes space-time block code and space-time trellis code which are based on transmit diver-sity. Because of good spectrum efficiency and performance space-time code has been proposed as an optional scheme in 3GPP specification. We can imagine that space-time code will be widely applied in mobile telecommunication systems in the near futureKey words: space-time code layered space-time code transmit diversity1引言本文將在第2節(jié)介紹分層空時(shí)碼方案總結(jié)了分層空時(shí)個(gè)人通信所追求的目標(biāo)就是任何人任何時(shí)候可以與任碼的特點(diǎn)給出了分層空時(shí)碼的研究方向在第3節(jié)中介紹基何地方的仼何人進(jìn)行通信當(dāng)前由于移動(dòng)通信系統(tǒng)的普及移于發(fā)射分集的空時(shí)碼給出了單徑瑞利信道空時(shí)格碼與卷積動(dòng)用戶的增多人們正在逐步實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)也碼性能對(duì)比的仿真結(jié)果歸納了分層空時(shí)碼和基于發(fā)射分集呈現(xiàn)出空前的繁榮成為二十世紀(jì)未信息產(chǎn)業(yè)的突出成就之的空時(shí)碼的異同點(diǎn)而且指明了空時(shí)分組碼和空時(shí)格碼各自但是由于移動(dòng)用戶的增多與此同時(shí)人們對(duì)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的研究方向第4節(jié)為結(jié)論,的追求已從單純的語(yǔ)音業(yè)務(wù)擴(kuò)展到多媒體業(yè)務(wù)顏?zhàn)V資源就2分層空時(shí)碼顯得日趨緊張.因此追求盡可能高的頻譜利用率已成為并且分層空時(shí)碼最初是由 Foschin5提出的.它將信源數(shù)據(jù)分在今后仍然是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的問(wèn)題這種挑戰(zhàn)使得人們努力為幾個(gè)子數(shù)據(jù)流獨(dú)開(kāi)發(fā)高效的編碼、調(diào)制以及信號(hào)處理技術(shù)來(lái)提高無(wú)線頻率的立地進(jìn)行編碼、調(diào)效率而近年來(lái)提出的空時(shí)碼就是能夠有效提高無(wú)線頻譜利制因而它不是基于用率最重要的方案之一,在空時(shí)碼的研究之中,一方面,發(fā)射分集的圖1是Berkeley0的 Da-shan Shiu Joseph M.khf和B的G.D.Cod分層空時(shí)碼的基本棒gRX解調(diào)n Foschin2等在分層空時(shí)碼(s)做了很多工作一方結(jié)構(gòu)發(fā)射機(jī)有n根訓(xùn)面ATRT的 Taroko34等人總結(jié)了前人關(guān)于發(fā)射分集研究的發(fā)射天線接收機(jī)有譯碼基礎(chǔ)上在基于發(fā)射分集的空時(shí)碼的研究上做了一些開(kāi)創(chuàng)性m根接收天線(m≥的工作所有的分析和仿真表明上述兩種空時(shí)碼頻率利用率n)在發(fā)射機(jī)內(nèi)信道可達(dá)20-40s/H具有良好的頻帶利用率可以預(yù)料應(yīng)用編碼過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)被空時(shí)碼的未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)將具有更大的系統(tǒng)容量、更好的分為n路分別輸出通信質(zhì)量、更高的頻帶利用率到n根天線,接收端圖1分層空時(shí)碼框圖2電子學(xué)報(bào)000年m根接收天線同時(shí)接收編器非的接收分集和發(fā)射分集都屬于空間分集但在實(shí)際的移動(dòng)通根發(fā)射天線的信號(hào)然后進(jìn)信系統(tǒng)中由于移動(dòng)臺(tái)尺寸、電池能量以及多媒體業(yè)務(wù)的不對(duì)行解課信道估計(jì)譯碼,*長(zhǎng)稱性的限制最佳的方式是基站使用多根天線實(shí)現(xiàn)接收分集分層空時(shí)碼按發(fā)射端輸器2和發(fā)射分集而移動(dòng)臺(tái)則不強(qiáng)求使用多根天線而目前的商用分路的方式不同分為水平系統(tǒng)采用的主要方式是接收分集.鑒于此ATRT的 Tarokh等分層空時(shí)碼和對(duì)角分層空?qǐng)D2分層空時(shí)碼發(fā)射端人在發(fā)射延遲分集的基礎(chǔ)上提出了基于發(fā)射分集的空時(shí)碼時(shí)碼如圖2-圖4所示一般認(rèn)為發(fā)射分集將是今后提高無(wú)線鏈路性能的一項(xiàng)重要對(duì)角分層空時(shí)碼的性能較水平分層空時(shí)碼優(yōu)越但復(fù)雜技術(shù)文獻(xiàn)3~4玠介紹了空時(shí)碼的構(gòu)造、性能以及空時(shí)格碼調(diào)度高水平分層空時(shí)碼和對(duì)角分層空時(shí)碼最明顯的區(qū)別在于制技術(shù).基于發(fā)射分集的空時(shí)碼按照編碼方式的不同又可分它們的編碼方式對(duì)角分層空時(shí)碼各子數(shù)據(jù)流之間存在分組為空時(shí)分組碼 Space-Time Block Code和空時(shí)格碼 Space-Time編碼圖4所示.這種編碼方式導(dǎo)致很高的頻譜利用率而水 Trellis Code)平分層空時(shí)碼不存在子數(shù)據(jù)流之間的編碼,只有通常的子數(shù)3.1空時(shí)分組碼據(jù)流之內(nèi)的編碼所以頻譜利用率較對(duì)角分層空時(shí)碼低.空時(shí)分組碼□區(qū)[一線首先是由Tark46等人提空時(shí)分至天線1出的.圖5是空時(shí)分組編碼調(diào)制IGE,I星座快射框圖.由于空時(shí):格碼考慮了前后輸入的關(guān)聯(lián),所發(fā)射天線圖3水平分層空時(shí)碼編碼以它比空時(shí)分組圖5空時(shí)分組編碼調(diào)制碼應(yīng)該具有更好□■[至天線0的性能但是對(duì)于發(fā)射天線數(shù)固定的空時(shí)格碼而言其譯碼至天線1復(fù)雜度與傳輸數(shù)據(jù)速率呈指數(shù)關(guān)系.為了降低空時(shí)碼的譯碼坐天線2復(fù)雜度 Tarokh在 Alamouti研究的基礎(chǔ)上應(yīng)用了正交設(shè)計(jì)理論提出了空時(shí)分組碼空時(shí)分組碼的譯碼也可象分層空時(shí)碼那樣采用聯(lián)合檢測(cè)算法譯碼但通常利用正交性用最大似圖4對(duì)角分層空時(shí)碼編碼然譯碼算法實(shí)現(xiàn)故空時(shí)分組碼具有很低的譯碼復(fù)雜度而且分層空時(shí)碼具有以下特點(diǎn)還可能能得到最大的發(fā)射分集增益.接收譯碼框圖見(jiàn)圖6.(1)n根發(fā)射天線使用同一頻帶符號(hào)同步使用同樣的星座圖;的狀判決最大似然判決4(2加n根天線上發(fā)射的信號(hào)對(duì)應(yīng)的信源是不同的故分層空時(shí)碼不是基于發(fā)射分集的線性合并器排(3)射單元天線的總功率恒定與發(fā)射天線數(shù)n無(wú)關(guān)(4將單個(gè)高SNR的信道分割成n個(gè)相互重疊的低SNRr=In'n'I最大似然判決信道以此來(lái)達(dá)到提高頻譜效率的目的(5痊時(shí)分層空時(shí)碼的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)m≥n時(shí)可以證明系統(tǒng)容量與發(fā)射天線個(gè)數(shù)n近似成正比(6)不同的收發(fā)天線之間信道增益不相關(guān)e的狀判次分層空時(shí)碼的譯碼一般可采用類似于基于迫ZF和最小均方羞M(jìn)MSE進(jìn)則的該檢測(cè)算法由于該檢測(cè)算法的復(fù)雜圖6空時(shí)分組碼的接收譯碼度較高所以研究新的分層空時(shí)碼的譯碼算法尤其是對(duì)角分空時(shí)分組編碼正是由于其相對(duì)簡(jiǎn)單的譯碼算法和較好的層空時(shí)碼的譯碼算法是當(dāng)今的研究方向之性能已經(jīng)被正式列入 WCDMA提案. WCDMA提案中下行開(kāi)環(huán)發(fā)射分集共有兩種空時(shí)發(fā)射分集 spce time transmit diversi3基于發(fā)射分集的空時(shí)碼ty STTD)和時(shí)域切換時(shí)間分集( Time switched time diversity移動(dòng)通信系統(tǒng)中分集是提供可靠通信最重要的方法之TSTD)其中的SrD技術(shù)即為基于發(fā)射分集的空時(shí)分組編常用的分集方式有以下幾種(1對(duì)間分集如信道編碼、碼提案中的發(fā)射分集分為兩種模式開(kāi)環(huán)模式和閉環(huán)模式第11A期張平空時(shí)碼回路來(lái)獲得信道信息8]同一物理信道不能同時(shí)使用這兩種仿真原理圖)在此假定m=n=2對(duì)CDMA系統(tǒng)而言在天模式表1列出了開(kāi)環(huán)模式以sT為例和閉環(huán)模式發(fā)射分線1和天線2上同一用戶數(shù)據(jù)部分使用相同的擴(kuò)頻碼但使集在 WCDMA下行信道中可能的應(yīng)用9用不同的導(dǎo)頻表1發(fā)射分集在 WCDMA下行信道中的應(yīng)用物理信道類型開(kāi)環(huán)模式閉環(huán)模式P-CCPCH00010203SCH10l1213S-CCPCH2022223DPCHX303|323322232021XCSICHQPsK星座說(shuō)明X表示能被應(yīng)用“-“表示不能被應(yīng)用圖8兩發(fā)射天線8狀態(tài)空時(shí)格碼柵格及QK星座圖正交設(shè)計(jì)是空時(shí)分組碼的核心雖然目前已有通用的實(shí)圖8是兩發(fā)射天線8狀態(tài)空時(shí)格碼柵格及QK星座圖正交及復(fù)正交設(shè)計(jì)方案但我們認(rèn)為正交設(shè)計(jì)仍然有研究的(即空時(shí)編碼柵格圖和星座圖卷積編碼為23)幀結(jié)構(gòu)為必要將空時(shí)分組碼與功率控制相結(jié)合,調(diào)整單根發(fā)射天線的導(dǎo)頻符號(hào)加數(shù)據(jù))碼速率為1/2卷積碼狀態(tài)數(shù)為8功率及相位以使對(duì)方接收機(jī)具有最佳的性能也是研究的方7.0E01向之一再者由于空時(shí)分組碼具有相對(duì)簡(jiǎn)單的譯碼算法和較OE-OSTICH好的性能所以存在將空時(shí)分組碼與其他前沿技術(shù)相結(jié)合的可能.比如正交頻分復(fù)用( Orthogonal frequency division multoDN相結(jié)合不但可以得到極佳的性能而且還可以有效8plex,OFDM)是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一將空時(shí)分組碼與降低OFDM盲信道估計(jì)的難度3.2空時(shí)格碼基于發(fā)射分集的空時(shí)碼是在空時(shí)延時(shí)分集基礎(chǔ)之上提出的.空時(shí)延時(shí)分集是指兩根發(fā)射天線同時(shí)發(fā)射同一信息,只不過(guò)信息通過(guò)兩根天線時(shí)有一個(gè)符號(hào)的時(shí)延.在這個(gè)基礎(chǔ)上 Tarokh Seshadri alderaan3提出了空時(shí)編碼方案.空時(shí)延遲分集可看成空時(shí)砜空時(shí)格碼〕一個(gè)特例.文獻(xiàn)3衛(wèi)給出圖9空時(shí)格碼及卷積碼的誤碼率曲線對(duì)比了柵格圖表示的空時(shí)延遲分集文獻(xiàn)3還給出了 Rayleigh圖9基于CDMA系統(tǒng)的空時(shí)格碼及卷積碼的性能曲線ican信道下的性能限、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則空時(shí)編碼還可以以多級(jí)空曲線srTM為兩根發(fā)天線、兩根收天線快衰落單徑瑞利信道時(shí)編碼實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)3出了n=38SK下的多級(jí)空時(shí)編碼的的空時(shí)格碼譯碼曲線Ⅴ ITERBI為單根發(fā)天線、單根收天線快實(shí)現(xiàn)方案衰落單徑瑞利信道的維特比譯碼〔對(duì)于曲線 STTCM而言,Es圖7是我們給出的CDMA系統(tǒng)的空時(shí)格碼調(diào)制Spee為兩根發(fā)天線的能量和,于曲線ⅤTER而言,E為單根time trellis coded modulation STTCM潑射機(jī)和接收機(jī)方框圖即發(fā)天線的能量信道為車(chē)速160km/h的單徑瑞利衰落信道)發(fā)射天線(n)空時(shí)格碼目前的研究方向當(dāng)前空時(shí)碼的設(shè)計(jì)中主要使成型濾被器用的是內(nèi)積距離和漢明距離在空時(shí)碼編碼中如何尋找更合信源 HSTTCMH擴(kuò)頻適的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是一個(gè)值得深入研究的方向.再者,雖然文獻(xiàn)成型濾波器[3珨出了 Rayleigh, ricean信道下的性能限但是仍然缺乏更進(jìn)一步衰落信道的容量分析.空時(shí)碼是與其他技術(shù)的結(jié)合如技收天線(m)智能天線、多用戶檢測(cè)、多重格碼調(diào)制( Multiple Trellis Coded匹配濾波器H解擴(kuò)信道估計(jì)Modulation mtCm結(jié)合已成為研究的熱點(diǎn)3.3分層空時(shí)碼與基于發(fā)射分集的空時(shí)碼的比較分層空時(shí)碼和基于發(fā)射分集的空時(shí)碼都具有較為優(yōu)越的匹配濾被器解擴(kuò)口信道估計(jì)性能但是它們?cè)谧g碼復(fù)雜度、最適于何種信道環(huán)境、對(duì)天線的要求等方面又有所不同表2給出了分層空時(shí)碼與基于發(fā)電子學(xué)報(bào)2000年表2分層空時(shí)碼與基于發(fā)射分集的空時(shí)碼的比較7 S M. Alamouti. A simple transmitter diversity scheme for wireless com-分層空時(shí)碼基于發(fā)射分集的空時(shí)碼munications[J]. IEEE Journal on Selected Area in Communication是否基于發(fā)射分集否是Ot,998A6:1451-1458對(duì)信道環(huán)境的要求一般為室內(nèi)環(huán)境無(wú)特別要求[8 Americo ,et al. Space-time transmitter diversity schemes for wideband對(duì)接收天線的要求接收天線不少于發(fā)射天線無(wú)特別要求[Al. IEEE 5lst Vehicular Technology Conference Tokyo Japan May譯碼復(fù)雜度較空時(shí)格碼為低空時(shí)格碼的復(fù)雜度高2000:15-18.[9]3GT25.21lV3.2.0[4結(jié)論[10] Wittenben et al. a new bandwidth efficient transmit antenna modulation diversity scheme for linear digital modulation[ C I. in Proc IEEE空時(shí)碼是近年來(lái)提出的一項(xiàng)充滿希望的關(guān)鍵技術(shù).研究ICC1993:1630-1634表明空時(shí)碼是提高頻譜利用率最有效的方法之一必將在未來(lái)的移動(dòng)通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用但我們也應(yīng)看到空時(shí)作者簡(jiǎn)介碼的系統(tǒng)理論分析還有許多待完善的地方而且空時(shí)碼如何有效地與智能天線技術(shù)、多用戶檢測(cè)技術(shù)、均衡技術(shù)、MICM張平1990年在北京郵電大學(xué)獲得博士技術(shù)等相結(jié)合仍需要做大量的工作.鑒于此我們應(yīng)大力加學(xué)位.1994年至1995年作為國(guó)家科委優(yōu)秀青年強(qiáng)這方面的研究工作獲得相關(guān)的技術(shù)及專利以便在制定末科學(xué)家在韓國(guó)通信研究開(kāi)發(fā)院個(gè)人通信實(shí)驗(yàn)室來(lái)的基于空時(shí)碼的通信系統(tǒng)中取得發(fā)言權(quán)進(jìn)行CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的博土后研究現(xiàn)為北京郵電大學(xué)教授博士生導(dǎo)師.已在參考文獻(xiàn)IEEE Transaction on Vehicular Technology,Electronics通信學(xué)報(bào)等國(guó)內(nèi)外科學(xué)雜志和1 J D Shiu and J M. Kahn. Layered space-time codes for wireless comm學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表70多篇學(xué)術(shù)論文承擔(dān)了包括信息產(chǎn)業(yè)部、國(guó)家自然nications using multiple transmit antennas A ] ICC 99, VancouverCanada June 1999基金委員會(huì)、諾基亞、華為、中興、大唐的多項(xiàng)研究課題,參加了對(duì)2 J Golden G. D. et al. V-BlAST :An architecture for realizing veryWCDMA和CDMA-2000FD模式的系統(tǒng)評(píng)估工作,目前是國(guó)家科技部data rates over the rich-scattering wireless channel C ].Proo98移動(dòng)通信系統(tǒng)的技術(shù)研究工作包活WCDM以及信息產(chǎn)業(yè)部傳輸所Int Symp. on Advanced Radio Technologies, Boulder, Colorado, 9-11提出的 TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估和研究3 J V. Tarokh et al. Space-time codes for high data rate wireless communication Performance criterion and code construction [J]. IEEE Trans陶小峰1993年畢業(yè)于西安交通大學(xué)電氣Info. Theory 1998 A4 744-765工程系獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位.199年畢業(yè)于北京郵[ 4] V. Tarokh et al. Space-time block codes from orthogonal designs[J]IEEE Trans. Info Theory uly 1999 A5: 1456-1467電大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)獲工學(xué)碩士學(xué)位現(xiàn)為[5]GJFoschini, Layered space-time architecture for wireless communica-該校博士研究生.主要從事多用戶檢測(cè)、智能天tion in a fading environment when using multi-element antennas[ J]線、空時(shí)碼的研究Bell Lahs Technical Joumal Autumn 1996