空時(shí)編碼技術(shù)的研究

技術(shù)研發(fā) Technology Research電子技術(shù)ELECTRONIC TECHNOLOGY空時(shí)編碼技術(shù)的研究劉小群1.2(1.寶雞文理學(xué)院2.西安電子科技大學(xué)摘要:空時(shí)編碼技術(shù)是抗信道衰落和提高系統容量的一種最新編碼方法,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)格型碼的設計準則,最后分析了空時(shí)編碼的研究動(dòng)態(tài)關(guān)鍵詞:空時(shí)編碼;分層空時(shí)碼;空時(shí)格形碼;空時(shí)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(xiàn)同時(shí)發(fā)射。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)設第j子編碼器在i時(shí)刻的輸出符號,c其中j1,2,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…m,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),盡可能高的頻譜利用率已成為研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。長(cháng)時(shí)根據分配方式的不同,分層空時(shí)編碼LSTC可以分為下面間以來(lái),人們一直致力于開(kāi)發(fā)高效的編碼、調制和信號處三類(lèi):水平分層空時(shí)編碼( Horizontally Layered理技術(shù)以提高無(wú)線(xiàn)頻譜的效率?？諘r(shí)編碼(STC)[1]是近 Space- Time Coding,HSTC)、對角分層空時(shí)編碼年來(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),( Diagonally layered space- Time Coding, LSTC)和垂在發(fā)射端和接收端冋時(shí)使用多個(gè)天線(xiàn)進(jìn)行信息的發(fā)射和直分層結構空時(shí)編碼( Vertical Layered Space-Time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 Coding, VLSTC)。合利用時(shí)域和空域二維信息,在接收端進(jìn)行分集接收?？?.2譯碼過(guò)程編碼將空間分集、頻率分集及時(shí)間分集結合在一起,從BLAST系統是一個(gè)(n,m)系統,在接收端,用m個(gè)天線(xiàn)通信系統的整體出發(fā)提高多徑衰落信道的通信質(zhì)量和數分集接收,信道參數通過(guò)信道估計獲得利用波束空間分量。從目前發(fā)展來(lái)看,空時(shí)碼主要可以分為兩大類(lèi)一類(lèi)離器(或迫零處理),對載波信號進(jìn)行載波和信號的分離是分層空時(shí)碼:另一類(lèi)是基于分集的空時(shí)分組碼和空時(shí)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(diǎn),下面介紹它們的主入信息流的預測。在接收端,由線(xiàn)性判決器反饋均衡器要編譯碼原理及性能。實(shí)現分層反饋干擾抵消,然后進(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)與接收天線(xiàn)之間的1分層空時(shí)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(shí)1.1系統結構間區間發(fā)射天線(xiàn)i到接收天線(xiàn)j間的信道響應為hij,則信分層空時(shí)編碼技術(shù)( 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據業(yè)務(wù)分接為若干低為0、方差為1的復高斯隨機變量,接收天線(xiàn)j上的接收信速數據業(yè)務(wù)。通過(guò)普通的并行信道編碼器后,對其進(jìn)行號r(j=1,2,n)為n個(gè)發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射信號,乳(i=12.n并行的分層編碼,編碼信號經(jīng)調制后用多個(gè)天線(xiàn)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(dòng)。實(shí)現發(fā)射分集。由Bell實(shí)驗室提出的 BLAST系統結構如圖1.3性能分析示LSTC系統各天線(xiàn)的信號取自同一符號集,同時(shí)占用Remy trim某個(gè)信道的整個(gè)帶寬,頻率利用率和傳輸速率高,是單天線(xiàn)系統無(wú)法達到的;充分利用無(wú)線(xiàn)信道的多徑傳播特卡了幽丙21碼器2性來(lái)達到區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(shí),若分層空時(shí)碼系統的收發(fā)天線(xiàn)對位置合適,每個(gè)收發(fā)天線(xiàn)對之間解碼器的信道特性會(huì )產(chǎn)生較大的差異,確定迫零矢量時(shí)的誤差就會(huì )降低,從而可提高系統的性能圖! BLAST系統結構圖接收端輸入信號經(jīng)信號分離器分離成n個(gè)長(cháng)度相同的數據流2空時(shí)格碼分別輸入n個(gè)編碼器。這些編碼器可以是二進(jìn)制的卷積編碼1998年,ATT實(shí)驗室的 Tarok等人提出了用于高速數據器,也可以不經(jīng)過(guò)任何編碼直接輸出,其輸出信號經(jīng)調制無(wú)線(xiàn)通信的空時(shí)格型編碼( Space- Time Trellis Coding,技術(shù)研發(fā) Technology Research電子技術(shù)ELECTRONIC TECHNOLOGYsTTC)[4],這種空時(shí)編碼以格型編碼調制為基礎,可以狀態(tài)共同確定編碼器的輸出,即兩個(gè)發(fā)射天線(xiàn)上將要發(fā)提供最大可能的編碼增益和分集增益,而不會(huì )犧牲發(fā)射射的符號。其中數字表示加權系數,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調制,加法器進(jìn)行模4加。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)(n,m)多天線(xiàn)系統,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(gè)數據塊時(shí)間內信道特性不變。hi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)射的碼字可以表示為圖24PSK-4狀態(tài)編碼器的結構g= SCLCGcL GL eL司(1)2.2譯碼過(guò)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(xiě)為c=s,c2Ls天線(xiàn)發(fā)射的空時(shí)碼元向量為C=s,2Ls,接收天線(xiàn)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(xiě)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,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(jiàn),最佳的譯碼算法可以由 Viterbi算法來(lái)Information)確定已知的情況下,接收機將c判決為e的實(shí)現,這樣的譯碼算法復雜度與發(fā)射速率成指數關(guān)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(lái)獲上式中的Es為星座圖中每個(gè)信號點(diǎn)的平均能量,N得信道的信息為每個(gè)接收天線(xiàn)的噪聲單邊功率譜密度,r為誤差矩陣空時(shí)格型碼譯碼復雜度的衡量一一令b為系統的發(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)數看出,這一概率類(lèi)似于衰落信道的格型編碼調制的誤差為2,所以譯碼的復雜度與發(fā)射速率b成指數關(guān)系上限。式中∏表示了由空時(shí)編碼所獲得的系統的編碼增2.3性能分析益,同時(shí),(E/4N廠(chǎng)代表了系統的分集增益為rm,由此可STTC以部分頻帶利用率為代價(jià)換取最大分集增益。見(jiàn),空時(shí)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(gè)信號點(diǎn)的星座圖,在保證最大分集增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,系統達到最優(yōu)。不再隨著(zhù)天線(xiàn)數的增加而增加,這是限制其應用的重要進(jìn)一步對誤差矩陣A做分析:由A的矩陣結構可以看因素之一;在譯碼方面,STTC的譯碼復雜度隨著(zhù)分集增出,A為一 Hermitian矩陣(即A=A(〕表示矩陣的共軛轉益和頻帶利用率的提高成指數增長(cháng),這是限制STTC在實(shí)置)。構造一個(gè)新的矩陣B(c,e):際通信系統中應用的另一關(guān)鍵因素;同時(shí),STC好碼的B(s)--.-LL-設計也是一個(gè)難點(diǎn)。在狀態(tài)數較大的情況下,好碼的格可-,-qLL2-q圖設計非常困難,目前多用計算機搜索來(lái)完成。上述三可-c-dL吲-q個(gè)問(wèn)題也是人們現在研究STc的熱點(diǎn)、難點(diǎn)。4-4.64-GL L4-G3空時(shí)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(shí)數。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)由此可得到最優(yōu)空時(shí)碼的設計準則[5]:a.最大化A隙t,x,考同時(shí)從n根天線(xiàn)上發(fā)送,從發(fā)射天線(xiàn)i到接收的秩,可獲得最大的分集增益。若系統要達到最大的分天線(xiàn)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(gè)烈(s)必須是滿(mǎn)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(xiàn)在時(shí)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。若系統的分集增益為rm,計算集合{4(se)ke∈c}中的每個(gè)才=∑hx+可(8)A(s)=B(ssg'(ce)的所有rXr階的主代數余子式的行列其中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(shí)分組碼(STBC)通常采用一般的星座圖設計,即空時(shí)格型編碼可以用網(wǎng)格圖來(lái)表示,圖2給出了對應在給定時(shí)刻t,將kb比特映射成k個(gè)信息碼式K,每個(gè)的4PSκ-4狀態(tài)的空時(shí)格型編碼的編碼器結構。4PSK調制碼元屬于2b個(gè)發(fā)射信號星座圖中的一個(gè)星座點(diǎn)。k個(gè)碼元時(shí),第k時(shí)刻有2個(gè)比特烏輸入編碼器,而此時(shí)的編碼器經(jīng)過(guò)不同天線(xiàn)和碼元間隔進(jìn)行編碼。其編碼矩陣可以表狀態(tài)由k-1,k-2…時(shí)刻的輸入比特來(lái)決定,其存儲容量是示為下式。其譯碼通過(guò)最大似然法來(lái)完成。由編碼器的狀態(tài)數決定的,由當前的輸入比特和編碼器的h, Khe(9)h, k he技術(shù)研發(fā) Technology Research電子技術(shù)EL上 CTRONIC TECHNOLOGY其中各列相互正交,它的每一列表示同一天線(xiàn)在不作者簡(jiǎn)介:同時(shí)隙發(fā)出的信號,每一行表示同一時(shí)隙不同天線(xiàn)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(gè)時(shí)隙傳送k個(gè)信號,STBC的碼速為學(xué)通信工程學(xué)院碩士研究生,研究方向為通信與信息系R=k/n統,現執教于寶雞文理學(xué)院物理系。STBC的譯碼采用最大似然法[7],以?xún)筛卑l(fā)射天線(xiàn)為例,對于編碼矩陣G2,在第一個(gè)時(shí)隙,有2b比特到達編基金項目:寶雞文理學(xué)院項目(YK0823)碼器,并選擇2個(gè)碼元X0,X1,這些碼元同時(shí)從天線(xiàn)0和天線(xiàn)1發(fā)送,而在第二個(gè)時(shí)隙,信號一x,x分別從天線(xiàn)0和天線(xiàn)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(yè))天線(xiàn)數目為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),頻帶利用率只能達到1/2。相對于 BLAST作者簡(jiǎn)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(xué)院物理發(fā)射分集增益NM,譯碼結構特別簡(jiǎn)單,因此更適用于實(shí)系,研究方向:電子信息科學(xué)與技術(shù)。際工程應用常菁(1986-),女,陜西省漢中市人,陜西理工學(xué)院物理系,研究方向:電子信息科學(xué)與技術(shù)。盡管目前對空時(shí)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(xué)院物理如何改進(jìn)多天線(xiàn)系統,使之能夠適應實(shí)際應用方面仍是項具有挑戰性的工作。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; Turbo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:[1] Tarokh V, Seshadri N, Calderbank A R. Space(上接65頁(yè))time codes for high data rate wirelesscommunications: Performance criterionand由于現在的汽車(chē)大多已取消了內胎,因此給TPMS發(fā)射code construction []. IEEE Trans Inform模塊的安裝帶來(lái)了極大的方使,目前TPS發(fā)射模塊在汽Theory,I998,44(2):744-765車(chē)輪胎內的安裝有兩種方式:利用氣門(mén)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(wú)論采用哪種方式,安裝完TPMs發(fā)for wireless communication in fading environment射模塊后車(chē)輪的平衡性將被打破,給車(chē)輛行駛的穩定性、when using multiple antennas[J]. Bell Labs安全性、NH性能都帶來(lái)新的問(wèn)題,因此必須對輪胎重新Technical Journal 1996, 1(2): 41-59做動(dòng)平衡檢驗,解決問(wèn)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(chē)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. A space- time coding modem[2]顏重光.TPMs設計方案的思考[J].電子設計應用for high-data-rate wireless communications2004,(12)IEEE Journal on Selected Areas in Communications,[3]吳義保,周海清.TPMS產(chǎn)品結構設計研究[J].機械1998,16(8):1459-1478研究與應用,2007,(01)[5] Proakis J G. Digital Communications(Four[4]青葉堯.注射成型實(shí)用袖珍手冊[M.北京:化學(xué)工Edition)[M].北京:電子工業(yè)出版社,200業(yè)出版社[6】張賢達現代信號處理[M].北京:清華大學(xué)出版社,