空时编码技术上课讲义

1、空时编码技术空时编码 STC(Space-Time Coding) 技术在无线通信领域引起了广泛关注 , 空时编码 的概念是基于 Winters 在20世纪 80年代中期所做的关于天线分集对于无线通信容量的重要 性的开创性工作。 空时编码是一种能获取更高数据传输率的信号编码技术，是空间传输信号和时间传输信号的结合， 实质上就是空间和时间二维的处理相结合的方法。在新一代移动通信系统中， 空间上采用多发多收天线的空间分集来提高无线通信系统的容量和信息率； 在时 间上把不同信号在不同时隙内使用同一个天线发射， 使接收端可以分集接收。 用这样的方法 可以获得分集和编码增益， 从而实现高速率的传输。 现

2、在是第三代移动通信系统中提高频谱 利用率的一项技术。空时编码的有效工作需要在发射和接收端使用多个天线 , 因为空时编码 同时利用时间和空间两维来构造码字 ,这样才能有效抵消衰落 ,提高功率效率； 并且能够在传 输信道中实现并行的多路传送 , 提高频谱。需要说明的是 ,空时编码技术因为属于分集的范畴 所以要求在多散射体的多径情况下应用, 天线间距应适当拉开以保证发射、接收信号的相互独立性 , 以充分利用多散射体所造成的多径。1 空时编码技术及其分类 空时编码在不同天线所发送的信号中引入时间和空间的相关性 , 从而不用牺牲带宽就可 以为接收端提供不编码系统所没有的分集增益和编码增益。 空时编码的基

3、本工作原理如下 : 从信源给出的信息数据流 , 到达空时编码器后 , 形成同时从许多个发射天线上发射出去的矢 量输出 , 称这些调制符号为空时符号 (STS) 或者空时矢量符 (STVS) 。与通常用一个复数表示 调制符号类似(复的基带表示),个空时矢量符STVS可以表示成为一个复数的矢量 ,矢量中 数的个数等于发射天线的个数。目前提出的空时编码方式主要有 ： 正交空时分组码 OSTBC (Orthogonal Space2 Time Block Coding) ； 贝尔分层空时结构 BLAST(Bell Layered Space2Time Architecture)；空时格型编码 STTC

4、(Space2Time Trellis Coding)；这 3类接收机需要已知信道传输系数的空时编码, 另外还有适于少数不知道信道传输系数情况的有效期分空时编码。2 典型的空时码2 1 空时分组码正交空时分组编码 (OSTBC) 包括两大类 : 空时发射分集 (STTD) , 最初上 Alamouti 于1998 年以两个发射天线的简单发射分集技术为例提出 , 其基本思想类似于接收分集中的最 大比接收合并MRRC,然后经V Tarokh 等人于1999年利用正交化设计思想推广到多天线情 况, 称为空时分组编码。 数据经过空时编码后 , 编码数据分为多个支路数据流 , 分别经过多个 发射天线同时

5、发射出去 ；接收端的最大似然译码可以通过把不同天线发射的数据解偶来得到 更简单的实现形式 , 利用的是空时码字矩阵的正交性从而得到基于线性处理的最大似然译码 算法。正交发射分集(OTD),由Motorola 做为cdma2000 3G CDMA的标准提出.这两种方 法都具有不扩展信号带宽的优点 , 即可以不同牺牲频谱效率 ；并且解码可以由线性运算按照 最大似然算法给出 , 优于标准的 Viterbi 译码 , 接收机可以比较简单 , 但是它们也不能够提供 编码增益 。2.2 分层空时码 BLAST(Bell Layered Space -Time Architecture) 分层空时结构最初由

6、朗讯公司的贝尔实验室的 G.J.Foschini 于1996 年提出 , 称为BLAST(Bell LayeredSpace2Time Architecture) , 并于 1998 年研制出了实验系统 V-BLAST , 申请了专利 . 它需要在发射端和接收端使用多个天线 ( 接收端天线数目不少于发射端天线 目) , 并且在译码时需要知道精确的信道信息,主要适合于不需要进行有线连接的室内固定不动的办公环境和郊区等地区的固定无线接入。分层空时码先将待传信息流经串并变换为n路，并分别进行一般的信道编码，再将这n路按一定规律分层编码后加载同样的载波由发射天线阵同时发射。分层规则分为：水平分层、垂直

7、分层、对角线分层。收端可采用阵列信号 处理技术结合信道译码技术来进行解调。比如直接矩阵求逆、干扰抵消、迫零反馈均衡等。 分层空时码的最大优点是频带利用率高。由于在发射端没有对信号进行抗衰落处理，其对 无线信道的特性要求很高， 而且因为各层之间的译码是相互独立的， 无法共享其它层的信息 实现联合预测。但由于其编译码简单，可在一些要求不很高的环境中应用。2.3 空时格型编码 (STTC)空时格型编码 STTC(Space-Time Trellis Coding)最初由 V.Tarokh 等人提出 , 它是由Ungerboeck 提出的格型编码调制 TCM(Trellis Coded Modulat

8、ion) 的推广。2.4 差分空时编码推导空时编码的构造准则和在接收端进行译码时都需要知道较为准确的信道信息CSI ,这多数情况下是可行的 ; 但是 , 在快衰落或者发射、接收天线数目较多时等少数情况下, 就可能得不到精确的信道估计 , 这就需要研究发射端和接收端都不需要信道衰落系数的空时编码 受常规的单发单收无线通信系统中的差分调制技术的启示 , 人们试图将差分调制方法推广到 多发射天线的情况.Hochwald和Marzetta 提出了酉空时编码(Unitary Space-Time Codes),最优酉守时码的设计是最小化任意两个码字矩阵之间的相关系数, 但是它们的指灵敏级的编码、译码复杂

9、度 , 使得其更像一种理论上的最优编码 . 随后 ,Hochwald 等人又提出了具有多 项式编码复杂度和指数级译码复杂度的第二种结构 , 这同样在实际环境中难以使用 . 几乎 与此同时 ,V.Tarokh 等人提出了针对两个发射天线的基于正交设计和空时分组编码的真正 的差分编码方案 , 该方案是第一个具有简单的编、 译码复杂度的差分编码方案 , 随 Jafarkhan 和Tarokh又将该差分方案利用广义正交化设计方法推广到多个发射天线的情况。其他学者 也提出了一些其他形式的算法 , 但是其译码复杂度均要大大超过差差分检测方案的只是天线 数目和数据传输速率的线性关系的译码复杂度 , 所以目前

10、差分检测方案应该是适合实际应用 的未知信道信息的发射分集方案 . 需要指出的是 , 这种差分空时编码的性能也要比空时分组 编码的相干检测性能要有 3dB的损失，这也算是对无需信道估计所付出的代价。3 应用前景众所周知，第三代3G及一代无线通讯系统的主要目的之一就是为移动和静止用户提供宽带接 入， 实时的多媒体业务如视频会议所要求的数据速率将会是现在无线技术所能提供速率的两 到三倍以上，速率可能要求高达2Mb/s以上.而很明显，使用多个发射或接收天线可以取得更 高的频谱效率 . 这样在多径衰落无线信道中使用多个发射天线结合空时编码技术就很有可 能提供功耗和频谱效率的最佳折中 . 而事实上也的确如

11、此 ， 空时编码技术和多个发射天线的 信号处理技术最近已经被第三代蜂窝移动通讯标准如CDMA2000和W2CDMA采纳,另外,也被建议应用到无线地环路及广域分级接入中去 . 具体地说 ， 空时编码技术可以结合当前的窄带 TDMA蜂窝移动通讯系统，使系统的传输速率得到大大提高 ；它也可以通过抑制干扰大大提高 无线通讯系统的容量或吞吐量 ；另外，它还可以结合OFDM!通讯技术用于宽带无线通讯系统 . 所以，空时编码技术在未来的无线通讯系统中包括宽带固定无线接入FWA无线局域网LAN甚至蜂窝移动通信系统中也有着广阔的应用前景。4 研究现状及发展方向作为一种新的通信信号处理技术和方法 ，自从空时编码提

12、出以来 ， 全球无线通信领域内 掀起了研究空时编码的热潮 ， 除了对如何构造空时编码和空时编码与其他信道编码方式如 Turbo 码相结合方面的研究外 ， 许多和工程应用紧密联系的研究方向正在形式 .当前虽然关 于空时编码的构造和应用有了一些成果 ， 但是这些理论大多假设信道是准静态、平衰落的 ， 各衰落路径也是假设是相互独立的 ， 而实际信道为频率选择性衰落、快变化以至各衰落路径 有可能相关 ， 所以为了推动空时编码技术的实用性 ， 有必要对空时编码在信道为频率选择性衰落、快变化 18 以至各衰落路径相关 19 的情况下的性能以及相应的改进措施进行理论和 实践研究.同时,如何将空时编码和第三代移动通讯的标准相结合，研究在CDMA ,WCDM环境下空时编码技术的性能以及和其他技术如多用户检测技术的结合目前也吸引了不少的研究 人员进行研究，如空时编码和OFDM!通讯技术的结合,使其适用于宽带无线通讯系统。另外 , 如何将空时编码和阵列信号处理技术如波束形成技术 (Beamforming) 和干扰抵 消技术 ( InterferenceCancellation)有机地结合起来 ， 充分发挥二者的优点 ， 进一步提高其性能 ， 提高它的实