空時(shí)編碼技術(shù)的研究

文章編號:1009-0940(209)-01-015-04空時(shí)編碼技術(shù)的研究劉小群寶雞文理學(xué)院寶雞721007摘要:空時(shí)編碼技術(shù)是抗信道表落和提高票統容量的一種最新碼可方法,本文介紹了分層空時(shí)碼、空時(shí)格型碼和空時(shí)分組碼的編譯碼原理比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn),并給出了空時(shí)格碼的設計準則,最后分析了空時(shí)編嗎的研究動(dòng)態(tài)。關(guān)健詞空時(shí)編碼分層空時(shí)碼空時(shí)格形碼空時(shí)分組碼引言由于移動(dòng)用戶(hù)的增多移動(dòng)通信業(yè)務(wù)從單純的語(yǔ)音業(yè)務(wù)擴展到多媒體業(yè)務(wù).無(wú)線(xiàn)頻譜資源日趨緊張從而追求盡可能高的頻諧利用率已成為研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。長(cháng)時(shí)間以來(lái),人們一直致力于開(kāi)發(fā)高效的編碼調制和信號處理技術(shù)以提高無(wú)線(xiàn)頻譜的數0率空時(shí)編碼l(sTc是近年來(lái)移動(dòng)通信領(lǐng)域出現的一種新的編碼和信號處理技術(shù)在發(fā)射端和接收端同時(shí)使用多個(gè)天線(xiàn)進(jìn)行信發(fā)遠贈收息的發(fā)射和接收在不同天線(xiàn)發(fā)射信號之間引入時(shí)域和空域相關(guān)綜合利用時(shí)域和空域二維信息在接收端進(jìn)行分集接收?？請D1BAST系統結構圖時(shí)編碼將空間分集.頻率分集及時(shí)間分集結合在一起從通信系輸入信號經(jīng)信號分離器分離成個(gè)n長(cháng)度相同的數據流,分統的整體出發(fā)提高多徑衰落信道的通信質(zhì)量和數量。從目前發(fā)別輸入n個(gè)編碼器。這些編碼器可以是二進(jìn)制的卷積編碼器,也展來(lái)看空時(shí)碼主要可以分為兩大類(lèi):一類(lèi)是分層空時(shí)碼另一類(lèi)可以不經(jīng)過(guò)任何編碼直接輸出.其輸出信號經(jīng)調制后,使用相是基于分集的空時(shí)分組碼和空時(shí)格形碼。相比較而言它們各有同的載波由發(fā)射天線(xiàn)同時(shí)發(fā)射其優(yōu)缺點(diǎn).下面介紹它們的主要編譯碼原理及性能。設第個(gè)子編碼器在i時(shí)刻的輸出符號C,其中=12.…n分層空時(shí)編碼再將經(jīng)過(guò)分層空時(shí)編碼器編碼送入相應的發(fā)射天線(xiàn),根據分配2.1系統結構方式的不同分層空時(shí)編碼LSTc可以分為下面三類(lèi):水平分層空分層空時(shí)編碼技術(shù)2|3]( LSTC. Layered space-Time Coding)時(shí)編碼 (HSTC: Horizontally Layered Space-- Time Coding).對角的基本思想是把高速數據業(yè)務(wù)分接為若干低速數據業(yè)務(wù).通過(guò)分層空時(shí)編碼[DsTc: Diagonally LayeredSpace-Time Coding)和普通的并行信道編碼器后.對其進(jìn)行并行的分層編碼.編碼信垂直分層結構空時(shí)編碼( LSTC: Vertical Layered Space-Tme號經(jīng)調制后用多個(gè)天線(xiàn)發(fā)射,實(shí)現發(fā)射分集。由B實(shí)驗室提出 Coding)的BAST系統結構如圖1示。2.2譯碼過(guò)程收稿日期:2009-02-10技術(shù)交流◆BLAST系統是一個(gè)nm)系統,在接收端,用m個(gè)天線(xiàn)分集在接收端.若最大似然接收機錯誤地將發(fā)射碼字判決為接收,信道參數通過(guò)信道估計獲得利用波束空間分離器(或迫零e=eeL e'eeL 4L deL e (3)處理).對載波信號進(jìn)行載波和信號的分離.編碼信號經(jīng)解碼同樣地可以將其改寫(xiě)成后.由多路復用器重建.達到對原始輸入信息流的預測。在接e=en,e2, L e,(4)收端。由線(xiàn)性判決器反饋均衡器實(shí)現分層反饋干擾抵消,然后其中e=ceLe,t=1L,n進(jìn)行分層空時(shí)譯碼單個(gè)信道譯碼器完成信道譯碼。發(fā)射天線(xiàn)與定義:小立)m4叫,接收天線(xiàn)之間信道是窄帶.準靜態(tài)的、平坦 Rayleigh衰落環(huán)境為n×刀的誤差矩陣.其中:$表示S的共軛在某一時(shí)間區間發(fā)射天線(xiàn)到接收天線(xiàn)j間的信道響應為h,則當接收機對信道狀態(tài)信息cSl! Channels tatei nformation)確信道傳輸矩陣H內)mxn.在瑞利信道中,h是服從均值為0定已知的情況下,接收機將C判決為e的概率的上限為:方差為1的復高斯隨機變量,接收天線(xiàn)j上的接收信號r,(i=12…n為n個(gè)發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射信號,(=1,2,n)經(jīng)瑞利衰減信P(e→)s道傳輸后重疊并伴有高斯白噪聲的擾動(dòng)上式中的Es為星座圖中每個(gè)信號點(diǎn)的平均能量N為每個(gè)2.3性能分析接收天線(xiàn)的噪聲單邊功率譜密度,r為誤差矩陣A的秩,即rankLsTc系統各天線(xiàn)的信號取自同一符號集同時(shí)占用某個(gè)信(A=rA=1Lr為A的非零特征值,可以看出:這一概率類(lèi)似道的整個(gè)帶寬頻率利用率和傳輸速率高.是單天線(xiàn)系統無(wú)法于衰減信道的格型編碼調制的誤差上限式中∏表示了由空時(shí)達到的充分利用無(wú)線(xiàn)信道的多徑傳播特性來(lái)達到區分同波道信編碼所獲得的系統的編碼增益,同時(shí)(E4N廠(chǎng)代表了系統的分號的目的,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(shí),若分層空時(shí)碼系統的收發(fā)天線(xiàn)對位置合適,每集增益為m,由此可見(jiàn),空時(shí)格型碼的設計準則為:最大化誤個(gè)收發(fā)天線(xiàn)對之間的信道特性會(huì )產(chǎn)生較大的差異.確定迫零矢差矩陣的秩為r。這樣就可保證系統的編碼增益最大,同時(shí)系統的分集增益為最大,系統達到最優(yōu)。量時(shí)的誤差就會(huì )降低,從而可提高系統的性能空進(jìn)一步對誤差矩陣A做分析:時(shí)格碼1998年.AT&T實(shí)驗室的 Tarokh等人提出了用于高速數據無(wú)由A的矩陣結構可以看出A為一 Hermitian矩陣(即=f(線(xiàn)通信的空時(shí)格型編碼STC4].這種空時(shí)編碼以格型編碼調制表示矩陣的共軛轉置).構造一個(gè)新的矩陣B(c,e為基磁,可以提供最大可能的編碼增益和分集增益,而不會(huì )犧B(9)-[4--以L(fǎng)山e-牲發(fā)射帶寬,并且能夠有效的抵抗衰落,抑制干擾和噪聲。-c,2-cL,-c3.1編譯碼原理e-C,e -cL, L e-c下面先分析空時(shí)格型碼的性能設計準則:考慮具有一個(gè)(nm)多天線(xiàn)系統,且信道為平坦 Rayleigh衰落的,準靜態(tài)信道.即在一個(gè)數據塊時(shí)間內信道特性不變g-c, er-C2L, Le-ch為復高斯隨機變量(實(shí)部與虛部分別為0均值.1/2方差的高可以驗證BB*A,由此可知B為A的均方根矩陣.則A為斯隨機變量】。設數據塊長(cháng)度為1,則發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射的碼字可以非負定的.A的特征值特征值為非負的實(shí)數。表示為由此可得到最優(yōu)空時(shí)碼的設計準則[5]c=GG,L dGGL 'L 4C]LG(1)①最大化A的秩.可獲得最大的分集增益。若系統要達到并且令s可=引s"c引則式(1)可改寫(xiě)為c=q1,c2,Le(2)大的分集增益m集合{B()∈C}中的每一個(gè)B(G)必須是滿(mǎn)秩的.若B(e)的最小秩為r則分集增益最大可達m②最大化A的行列式,可獲得最大的編碼增益。若系統譯碼的復雜度與發(fā)射速率b成指數關(guān)系的分集增益為rm,計算集合{4(e)kC}中的每個(gè)32性能分析A(,e)=B(G,e)E'(;e)的所有rxr階的主代數余子式的行列式和sTC以部分頻帶利用率為代價(jià)換取最大分集增益。例如的r次根得到QALx}集合的最小值決定編碼增益若采用有2個(gè)信號點(diǎn)的星座圖,在保證最大分集增益的前提下空時(shí)格型編碼可以用網(wǎng)格圖來(lái)表示,圖2給出了對應的SC可達到的最大頻帶利用率為is/s/,不再隨著(zhù)天線(xiàn)數的4PX×4狀態(tài)的空時(shí)格型編碼的編碼器的結構,4調制時(shí)第增加而增加,這是限制其應用的重要因素之一:在譯碼方面k時(shí)刻有2個(gè)比特a輸入編碼器,而此時(shí)的編碼器狀態(tài)由k-1ST的譯碼復雜度隨著(zhù)分集增益和頻帶利用率的提高成指數增k-2時(shí)刻的輸入比特來(lái)決定其存儲容量是由編碼器的狀態(tài)數長(cháng),這是限制STC在實(shí)際通信系統中應用的另一關(guān)鍵因素同決定的.由當前的輸入比特和編碼器的狀態(tài)共同確定編碼器的時(shí),STTC好碼的設計也是一個(gè)難點(diǎn)。在狀態(tài)數較大的情況下輸出,即兩個(gè)發(fā)射天線(xiàn)上將要發(fā)射的符號,其中數字表示加權好碼的格圖設計非常困難,目前多用計算機搜索來(lái)完成上述系數,默認值是1.對應的4-PK調制,加法器進(jìn)行模4加3個(gè)問(wèn)題也是人們現在研究STC的熱點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題四、空時(shí)分組碼4.1編譯碼原理假設發(fā)射端有n根天線(xiàn),接收端有m根天線(xiàn),每個(gè)時(shí)隙t,xxKx同時(shí)從n根天線(xiàn)上發(fā)送.從發(fā)射天線(xiàn)到接收天線(xiàn)的信d ak b ak- b-l道增益為h,該路徑增益建模為每維方差為0.5的復高斯獨立隨機變量,信道為準靜態(tài)平衰落信道接收端天線(xiàn)在時(shí)刻t的接收信號為=∑b+(8圖24.K-4狀態(tài)編碼器的其中可是復高斯隨機變量333譯碼過(guò)程空時(shí)分組碼通常采用一般的星座圖設計,即在給定時(shí)刻t假定接收機己知信道的狀態(tài)Ht:=1.2.--.1,發(fā)射天線(xiàn)將kb比特映射成k個(gè)信息碼xxK式每個(gè)碼元屬于2b個(gè)發(fā)射信發(fā)射的空時(shí)碼元向量為C=c,c2,c接收天線(xiàn)接收到的序列為號星座圖中的一個(gè)星座點(diǎn),k個(gè)碼元經(jīng)過(guò)不同天線(xiàn)和碼元間隔進(jìn)r=r,z2L,最佳的解碼算法相當于計算一組向量行編碼。其編碼矩陣可以表示為下式。其譯碼通過(guò)最大似然法c%%,畫(huà),L%,使得后驗概率n("()M-2)能達到最大來(lái)完成假定所有的碼字為等概率的出現,并且噪聲向量被假定為多維的AWGN.由文獻6]可得到最佳的解碼器為Gh,K hc%呵(-,0)%(bKb」由上式可見(jiàn):最佳的解碼算法可以由 Viterbi算法來(lái)實(shí)現,這其中各列相互正交,它的每一列表示同一天線(xiàn)在不同時(shí)隙樣的譯碼算法復雜度與發(fā)射速率成指數關(guān)系,但具有十分好的發(fā)出的信號,每一行表示同-時(shí)隙不同天線(xiàn)發(fā)出的信號,顯然性能,由于信道的信息在解碼中要被用到所以必須利用引導/在n個(gè)時(shí)隙傳送k個(gè)信號,SBC的碼速為R/n訓練信號或是盲檢測的方空時(shí)分組碼的譯碼采用最大似然法[7]以?xún)筛卑l(fā)射天線(xiàn)為法來(lái)獲得信道的信息。例.對于編碼矩陣G2,在第一個(gè)時(shí)腺,有如b比特到達編碼器并空時(shí)格型碼解碼復雜度的衡量一令b為系統的發(fā)射速選擇2個(gè)碼元0x1,這些碼元同時(shí)從天線(xiàn)0和天線(xiàn)1發(fā)送,而率,則格型的復雜度≥2”,信號星座圖的狀態(tài)數為2.所以在第二個(gè)時(shí)隙,信號一式虧分別從天線(xiàn)0和天線(xiàn)1發(fā)射接收端◆技術(shù)交流◆采用最大似然譯碼就是對所有可能的和計算判決量度息Rate Wireless Communications Performance Criterion andCode Constructio-4-4而+--氣(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在編碼中引入了復正交設計的理論,只有發(fā)射天線(xiàn)數hg-data- ate wireless communications目為2時(shí),才能達到最大的頻帶利用率:當發(fā)送天線(xiàn)大于兩根時(shí)IEEE Joumal on selected areas in communications vol, 16 No頻帶利用率只能達到1/2。相對于BAST和ST℃.這是STBC的8ocoe1998缺陷。但由于SBC容易得到最大的發(fā)射分集增益NM,譯碼結構[6John G Proakis. Digital Communications(Four Edition).B特別簡(jiǎn)單,因此更適用于實(shí)際工程應用子工業(yè)出版社,2001.刀]張賢達現代信號處理,清華大學(xué)出版社,2002盡管目前空時(shí)編碼已經(jīng)做了大量的研究但是在如何改進(jìn)多天線(xiàn)系統使之能夠適應實(shí)際應用方面仍是一個(gè)具有挑戰性的工作。這方面的課題包括:快速空時(shí)格形碼譯碼算法:空時(shí)編碼結合其他技術(shù)如智能天線(xiàn)技術(shù)等結合空時(shí)處理技術(shù):空時(shí)格形碼和空時(shí)分組碼在不同衰落信道下的性能和復雜度的比較Tbo碼級聯(lián)空時(shí)碼的方案空時(shí)編碼方案在頻選衰落路徑下的性能等等。尤其是智能天線(xiàn)技術(shù)等結合空時(shí)處理技術(shù),是目前很熱門(mén)的一個(gè)研究課題。參考文獻[]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