空时编码技术及其在未来移动通信中的应用

1、空时编码技术及其在未来移动通信中的应用The Space-Time Coding Technology and Its Applications in Future Wireless Communications摘要：文章介绍了分组空时码和分层空时码，给出了它们在3G和后3G中的解决方案；分析了限制网格空时码应用的几个因素，提出了网格空时码应用的具体方案；最后对分组空时码、分层空时码、网格空时码进行了比较。关键词：分组空时码；分层空时码；空时传输分集；高速下行分组接入Abstract:The space-time block codes and layered space-time codes

2、 are briefly described. The solution schemes of their applications in 3G and beyond 3G wireless communication systems are presented. Based on the analysis of problems existed in the application of space-time trellis codes, a practical solutions scheme is proposed. Finally the future applications of

3、space-time block codes (STBC), layered space-time codes (LSTC) and space-time trellis codes (STTC) are outlined.Key words:STBC; LSTC; space-time transmit diversity; high speed downlink packet access空时码是一种基于多天线阵发送技术的编码方案，其将多天线技术和信道编码技术结合起来，同时获得空间分集和时间分集。贝尔实验室于1996年提出的分层空时码(LSTC)模型1是最早的空时编码方案。1998年，朗讯

4、实验室的Tarokh等人提出了一种基于编码调制技术的空时编码方案2-网格空时码(STTC)，STTC不仅可获得较高的频带利用率，而且具有较好的抗衰落性能。STTC很快受到人们的重视，并在整个通信领域掀起了空时码的研究热潮。除了上述两种空时编码方案以外，另外一种较为简单的空时码是分组空时码(STBC)3。以上3种空时编码方案均假设接收端可以准确地估计信道。这一前提在某些情况下可以满足，但在移动终端高速移动的情况下，信道估计是十分困难的，因此不需要信道估计的盲空时编码方案便应运而出，其中包括酉空时码和差分空时码4-5。空时编码技术利用多天线阵提供的并行信道传输信息，可以在保证性能的前提下进一步提高

5、信息传输速率。目前，分组空时码和分层空时码已经被3GPP采用。STTC由于受种种原因限制还很难在实际系统中采用，为了实现STTC的应用，人们正致力于研究STTC在后3G和4G中的应用方案，并取得了一定的进展。1 分组空时码及其在移动通信中的应用日本人Alamouti曾提出一种利用两根发射天线的传输分集方案，虽然该方案无法获得编码增益，性能比网格空时码(STTC)略有下降，但它的频带利用率与STTC相同，且编译码复杂度要比STTC小得多。因此，相对于STTC，该传输分集方案具有更好的实用价值。在此基础上，Tarokh利用广义正交设计原理将其进行推广，提出了分组空时码的概念，最简单的一种STBC编

6、码矩阵为：若采用正交移相键控(QPSK)调制，则信息序列以4比特为一组送入STBC编码器，分别对应于QPSK星座图中的两个信号点s1和s2，s1与s2按(1)式构成信号矩阵G，G中的每一列对应一根发送天线，经两个符号周期发送完毕。接收端根据收到的信号rj(t)，rj(t+1)和信道特性进行最大似然译码(j=1, 2)。STBC最大的特点是简单实用，且性能相对较好，是一种较有效的传输分集解决方案。第3代移动通信系统中采用的传输分集方案之一-空时传输分集(STTD)就是一种最简单的分组空时码。分组空时码在移动通信系统中应用的原理如图1所示6-7。信息比特经信道编码、速率匹配和随机交织处理后，送入S

7、TTD编码器与其他控制信息复用，再经扩频处理，由两根发射天线发送出去。根据需要的传输速率的不同，信道编码器可以选择卷积码或Turbo码。若要求的信息速率为12.2 kb/s，则选用码率为1/3，约束度为9的卷积码；若系统的传输速率较高，如64 kb/s或144 kb/s，则选用8状态的Turbo码。STTD编码器以4比特信息为一组进行编码，比特映射方式如图2所示(图中比特信息“-1”表示0，“+1”表示1)，其中天线1上发送的是原始信息比特，另外一根天线发送相应的校验信息，且与原始信息保持正交关系。这种处理方式一方面保证STTD具有良好的向下兼容性，比较符合目前移动通信发展的现状；另一方面使编

8、译码复杂度相对较低，译码时延很小，具有更好的实用性。由于STBC没有编码增益，系统性能提高十分困难。另外，由于STBC的频带利用率不会随着发送天线数的增加而增加，因此，只能是一种过渡时期的替代产品。2 分层空时码及其在HSDPA业务中的应用分层空时码是频带利用率随着发送天线数线性增加的编码方式。分层空时码的实现方式很简单，信源信息经过信道编码以后，送入一空时映射器。该映射器根据不同的映射关系，将编码信息分成n个子比特流，对应于各发送天线发送出去(如图3所示)。根据信源消息与发送天线之间的映射关系，可以将分层空时码分为水平、垂直和对角3种。各子信道因多径衰落而产生不同的衰落特性，接收端则利用这一

9、特性来提取信息。接收端首先根据一定的原则来确定每一根接收天线上的加权值，然后采用迫零检测和干扰抵消两个步骤检测信号。为获得更佳的检测效果，往往还要经过信号补偿，即根据接收信号的具体情况来决定不同天线信号的检测顺序，保证信噪比大的信号先检测出来，消除其对其他弱信号的影响，从而减少弱信号的错误概率6。 由于分层空时码在解码时只利用了信道信息，所以其性能在很大程度上依赖于信道的衰落环境和对信道衰落特性估计的准确性，只有当各子信道所受的衰落差异较大时，才能较好地恢复发送信号。与其他空时编码方式相比，虽然LSTC无法达到最大分集增益，在性能上有一定损失，但其高频带利用率却受到了人们的关注。目前，LSTC

10、已被3GPP中的高速数据分组接入(HSDPA)业务采用。当采用n根发送天线和M组扩频码时，对应的系统实现原理如图4所示。图4中，编码后的数据流经多码复用器处理后，被划分成M组，每组包含n个子数据流，形成M×n组子数据流；然后利用M个扩频码分别对上述M组子数据流进行扩频处理；最后对扩频后的所有M×n个子数据流进行分组合并。将M×n个子数据流中的第j，n+j, 2n+j (M-1)×n+j共M组相加，得到的信息经扰码处理后对应于第j根发送天线发送出去。这样，接收端可利用不同的扩频码来区分同一根天线上的M组子数据流，而对于采用同一扩频码的n个子数据流，则利用多

11、天线技术提供的空间信息加以区别。一般情况下，接收端至少需要n根接收天线。采用图4给出的解决方案，不仅可以保证与传统解决方案的兼容性，同时还可获得更好的性能。在相同传输速率条件下，采用图4给出的方案需要的调制阶数和信噪比都要小得多；如果采用相同的调制阶数，图4给出的方案则会达到更高的传输速率。文献8给出了十分详尽的分析结果。3 网格空时码在未来移动通信系统中的应用网格空时码把编码和调制结合在一起考虑，不仅可获得最大分集增益，还具有较高的编码增益。但相对于STBC和LSTC来说，STTC的实用化进程则缓慢得多。这主要是由以下几个问题所造成。(1)编译码复杂度太大若STTC采用有2b个信号点的信号星

12、座图，编码器中包含2v个状态数，且帧长为Nf个符号，则在STTC的状态转移图中共有2v2bNf 条路径，即STTC的编译码复杂度随状态数、调制阶数和帧长的增加而呈指数增加。如果将其应用于图1所示的系统中，编译码复杂度将是一个不容忽视的问题。(2)译码延时较大STTC译码时，若采用一般的Viterbi译码，可基本忽略译码延时的问题。但为提高系统性能，一般采用软输入软输出的最大后验概率(MAP)算法，此时需将一帧信号完全接收以后才可做出判决。对于数据业务来说，采用MAP算法译码引起的时延或许还可忍受，但对于语音业务来说，这将是无法忍受的。(3)码优化难度大STTC应用于3G和后3G系统首先需要解决

13、其兼容性问题，同时还要考虑码优化问题。文献9详细研究了串行级连网格空时码，发现原来基于秩准则和行列式准则优化得到的码字，在串行级连系统中并没有同样的优化效果，因此必须重新确立适用于串行级连系统的STTC优化准则。目前还没有这方面的研究结果。3.1 网格空时码在WCDMA中的解决方案对于将网格空时码应用于WCDMA，我们做了一些初步研究。我们先采用8状态STTC，提出了STTC在WCDMA中的应用方案10，然后在此基础上进行简化，取得了较好的结果。STTC在解决方案中的发射机模型如图5所示。信源信息经信道编码和交织器处理后送入STTC编码器。STTC编码器的输出序列分别与不同发送天线上的控制信息

14、复用，形成所要求的时隙和帧结构。不同天线上的信号分别进行QPSK扩频调制。控制信息传输模式组合标志(TFCI)和传输功率控制(TPC)在两根天线上可以选用相同形式，但导引序列(Pilot)应正交。为保证基于STTC的WCDMA系统的向下兼容性，所选用的STTC也是一种符号意义上的系统码，同时为降低系统的编译码复杂度，采用基于QPSK调制的两状态网格空时码(TS-STTC)，其编码过程如图6所示。其中b0´为寄存器中的信息，b0和b1是当前的输入信息。STTC编码按照图6标示的过程构成输出序列，通过两根天线发送出去，同时将当前的输入信息b0存放在寄存器b0´ 中。由图6可知，

15、两状态STTC在第1根天线上发送的信号是当前的输入信息，是一种符号意义上的系统码，因此具有类似于STTD的向下兼容性。在基于网格空时码的发送机模型中，采用了将STTC编码器的输出序列直接与控制信息进行复用、成帧处理的方法。需要指出的是，一般STTC编码器都需要进行归零处理，为了保证与STTD成帧过程的兼容性，在这里采用了不归零的处理方法。图5中的STTC也可采用基于QPSK调制的延时分集编码。为了对各种编码方案进行比较，我们进行了仿真，仿真中选用基于STTD、STTC和TS-STTC的3种WCDMA系统，所有系统都采用两根发送天线、一根接收天线，外码都采用码率为1/3、约束度为9的卷积码，且8

16、进制表示的生成多项式为：g0=557、g1=663、g2=771。所有系统中外码和空时码之间的交织器采用随机交织器。设系统的传输速率为12.2 kb/s，终端移动速度为3 km/h，接收端有两条可以区分的路径，各路径的时延和功率参数遵守3GPP规定。3.2 网格空时码在OFDM中的解决方案正交频分复用技术(OFDM)具有较高的频带利用率和较强的抗频率选择性衰落的能力，很有可能在未来的后3G或者4G移动通信系统中得到应用，STTC与OFDM结合的系统模型如图7所示：STTC与OFDM的简单级连时，只能通过OFDM的高频带利用率来提高系统的传输速率。如果采用STTC和OFDM联合编码，则既可以利用

17、频率选择性衰落对OFDM各子载波的影响来提供频率分集，又可以利用STTC降低同步问题对OFDM的影响，进一步提高系统的性能。相关的内容正在研究当中。4 结束语分组空时码最大的优点是实现复杂度较低，但由于其没有编码增益，很难进一步优化，使系统性能提高受到很大的限制，所以它只能是一种过渡时期的解决方案。与分组空时码相比，网格空时码的优点之一就是可以进一步优化编码增益，如果能解决其兼容性和性能优化问题，将具有一定的应用前景。但由于其实现复杂度相对较高，要完全替代分组空时码还需要进一步研究。相对于STBC和STTC，LSTC是一种很有发展前途的空时编码方案，但它要求接收天线数必需不少于发送天线数，要求

18、接收端必需能准确地估计信道，这些因素在一定程度上限制了LSTC的进一步发展和应用，因此其应用目前还仅限于数据业务。5 参考文献1 Foschini G J. Layered Space-Time Architecture for Wireless Communication in Fading Environment When Using Multiple Antennas J. Bell Labs Technical Journal, 1996,1(2): 41-59.2 Tarokh V, Seshadri N, Calderbank A R. Space-Time Codes forHi

19、gh Data Rate Wireless Communication: Performance Criterion and Codes Construction J. IEEE Trans. on IT, 1998, 44(2): 744-765.3 Tarokh V, Jafarkhani H, Calferbank A R. Space-Time Block Codes from Orthogonal Designs J. IEEE Trans. on IT, 1999,45(5): 1456-1467.4 Hochwald B M, Marzetta T L. Unitary Spac

20、e-Time Modulationfor Multiple-Antenna Communications in Rayleigh Flat Fading J. IEEE Trans. on IT, 2000,46(6): 543-563.5 Hughes B L. Differential Space-Time Modulation J. IEEETrans. on IT, 2000,46(7): 2567-2578.6 Golden G D, Foschini G J, Valenzuela R A. Detection Algorithm and Initial Laboratory Results Using V-BLAST Space