移动通信11教材

第十一章空时编码讨论MIMO技术与空时编码。意义随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的严重不足已经日益成为遏制无线通信事业的瓶颈。如何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，是当前通信界研究的热点课题之一。多输入多输出(MultiInputMultiOutput,MIMO)无线通信技术的概念非常简单，任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端均采用了多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线MIMO系统。该系统采用空时处理技术进行信号处理。在多径环境下，该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。意义MIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，目前针对MIMO信道所进行的研究也主要围绕这两个方面。空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。传统的分集是只在接收端采用多根天线，又称接收分集。这种方式由于接收装置的成本、体积和功率所限，只适用于上行信道，不适用于下行信道。最近几年，由于第三代无线通信系统所提出的高达2Mbit/s的高比特率数据服务，在基站端使用多个发射天线的发射分集技术渐渐成为研究热点，同时基于发射分集的空时编码技术也受到了格外的重视。MIMO技术MIMO系统可以用一种非常简单的方式来定义：考虑一个无线通信系统，在收发两端使用多个天线，每个收发天线对之间形成一个子信道，假定发送端有n个发送天线，接收端有m个接收天线，在收发天线之间形成信道矩阵(其中的元素是任意一对收发天线之间的路径增益)，这就可认为是一个MIMO系统。它的核心思想就是空时信号处理。这样的系统也可以认为是智能天线的一种扩展应用。将传统无线业务所认为的不利因素――多径传播，变不利为有利，正是MIMO系统的关键特性。由此大幅度提升无线通信的性能却无需以额外频谱带宽为代价(仅仅是硬件复杂性的增加)，是其在该领域获得成功之所在。另外，MIMO系统可以提供发射分集和接收分集联合的更高能级的增益。MIMO技术对于信道矩阵参数确定的MIMO信道，假定发送端不知道信道信息，总的发送功率与发送天线的数量无关；接收端的噪声为加性高斯白噪声，且功率为1；发送功率平均分配到每一个发送天线上，则容量公式为

从上式可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。MIMO技术利用

MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用MIMO

信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。实现空间复用增益的算法主要有Bell实验室的BLAST

算法、ZF

算法、MMSE

算法、ML

算法。ML

算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。ZF

算法简单易实现，但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂度最优的就是BLAST

算法。该算法实际上是使用ZF算法加上干扰删除技术得出的。目前MIMO

技术领域的一个研究热点就是空时编码。空时编码利用了空间和时间上的分集，从而降低信道误码率。空时编码的基本概念

空时编码的基本工作原理如下：从信源给出的信息数据流，到达编码器后，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或者空时矢量符号。与通常用一个复数表示调制符号类似(复的基带表示)，一个空时矢量符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。使用空时编码是达到或接近多输入多输出无线信道容量的一种可行、有效的方法。目前空时编码在编码结构上最常用的主要有两种方法，空时格形码和空时分组码。所有这些编码方案的核心思想是使用多径来获得较高的频谱利用率和性能增益的目的。空时编码的分类

1998年Tarokh等提出了空时编码的概念，空时编码能较好地利用由多发送多接收天线构成的多输入多输出(MIMO)系统提供的信道容量，可以在不增加带宽和发送功率的情况下提高信息传输速率，改善信息传输性能。从设计目的的角度，目前已提出的各种空时编码方法可分为3类:第1类以改善传输性能为目的，利用MIMO系统所能提供的分集度，设计具有满分集度的空时码，以提高信息传输的可靠性，代表性的有空时网格码(STTC)、空时正交设计(STOD)码以及对角代数空时(DAST)块码等。第2类以提高信息符号传输速率为目的，利用MIMO系统所能提供的传输自由度，设计达到全速率信息传输的空时码，以提高信息传输的有效性，典型的有贝尔分层空时结构(BLAST)、线性弥散(LD)码等。第3类是最近两三年提出的，同时以提高信息传输性能和速率为目的，力图设计达到满分集度全速率的空时码，如线状代数空时(TAST)块码、线性复数域预编码(LFC)空时码等。空时编码的模型

信息源空时编码器接收机空时编码的模型若干个信息比特C由空时编码器编码成N个码元,其中表示时隙t从第i个天线上发送的信号,若表示时隙t天线j收到的信号(假定理想的定时和频率信息)，则接收信号可以写成零均值复高斯白噪声过程的采样，每维具有的双边功率普密度。空时编码的模型从N个发射天线到M个接收天线的无线信道可以用M×N信道矩阵H表示

H=则上式也可以用以下矩阵形式加以描述

其中空时编码的设计准则

采用多个发射天线和多个接收天线所获得的分集增益，它决定了信噪比－误码率曲线的斜率；编码所能获得的编码增益，它在分集增益确定的情况下，决定信噪比－误码率曲线的平移。常见的空时编码

当前比较成熟的空时编码技术是：空时分组码（Space-TimeBlockCode）和空时网格码（Space-TimeTrellisCode）。空时分组码提供分集增益，不提供编码增益；空时网格码是一种将差错控制编码、调制、发射和接收分集联合在一起进行设计的空时编码。空时格型码（STTC）

空时格型码（STTC）是较早提出的一类空时编码技术，适用于多种无线信道环境。STTC把编码和调制结合起来，能够达到编译码复杂度、性能和频带利用率之间的最佳折中，是一种最佳码。空时格型码每次输入一个码元产生一列向量码元，其长度代表天线，并把输入码片流编码成输出向量码片流。因为译码器具有记忆性，所以这些向量码片在时间上是相关的。译码借助最大似然序列估计来完成。像用于单天线信道的传统TCM(TrellisCodedModulation，格型编码调制)一样，空时格型码提供了一定的编码增益，此外还提供了全部的分集增益。STTC8PSK八状态时延分集用作空时网格码STTC左下角最左边的数字为星座编号，对应为PSK信号的八个状态；格形图表示这些状态之间的转移。在右下角部分所示矩阵中，每行的元素S1S2编号的含义是：从第一根天线发射出去的字符为S1，从第二根天线发射的字符为S2

。由于是八进制调制，故空时编码器的输入比特串每三个比特被分成一组，每组映射为八个星座点中的一点，例如000表示星座图中的点0，而111表示点7等。即使是同一进制PSK码，也可以具有不同的状态数。STTC空时格型码可以提供最大可能的分集增益和编码增益，而不会牺牲发射带宽。然而，这种码的译码需要使用Viterbi

译码算法。当天线数目固定时，译码复杂度随发射速率的增大呈指数增加，显得不太实用。因此，这里不对空时格型码的编码和译码作更多的介绍。空时格型码除了上述的构造方法以外现在有不少文献讨论空时格型码的不同构造方法，例如多层格状编码调制、Turbo编码调制、串行级联的卷积编码加Gray映射等等。空时分组码（STBC）

空时格型码在编码时考虑了前后输入的关联，因此其性能是比较好的，但是由于空时格型码的复杂度是与传输数据速率呈指数关系上升的，因此在提高性能的同时，整个系统的复杂度也大大提升。为此，Tarokh在Alamouti研究的基础上，应用正交设计的理论，提出了空时分组码。空时分组码通常利用其正交性，采用最大似然译码，使得译码复杂度大大下降，同时还能够获得最大的分集增益。空时格型码与空时分组码之间的一个不同特性是典型的空时分组码是复数域上的线性码。这些复数实质上是带有M个点星座图的二维调制域上的码元。空时格型码可以是有限域上的线性码，但它们在复数域上不是线性的。在工作点的性能上的区别是，空时格型码被设计用来实现高端的信噪比性能，空时分组码用来设计中低信噪比性能。由于空时分组码具有相对简单的译码算法和较好的性能，所以可以将其和其它前沿技术相结合，WangLX指出，将空时分组码与正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)相结合，不但可以得到极佳的性能，而且还可以有效地降低OFDM盲信道估计的难度。Alamouti空时编码

Alamouti空时编码假定采用M进制调制方案。在Alamouti

空时编码中，首先调制每一组m

（）个信息比特。然后，编码器在每一次编码操作中取两个调制符号和的一个分组，并根据如下给出的编码矩阵将他们映射到发射天线

编码器的输出在两个连续发射周期里从两根发射天线发射出去。在第一个发射周期中，信号和同时从天线1和天线2分别发射。在第二个发射周期中，信号从天线1发射，而从天线2发射，其中是的复共轭。AlamoutiSTBC方案编码和发射序列分别用和来表示天线1和2上的发射序列。Alamouti

方案的主要特征是两根发射天线的发射序列是正交的，也就是说，序列和的内积为0，如下式编码矩阵具有如下的特性

式中，是一个2×2的单位矩阵。Alamouti

方案的接收机在t时刻从第一和第二根发射天线到接收天线的衰落信道系数分别用和表示。假定衰落系数在两个连续符号发射周期之间不变，则可以表示为

和

式中，和（i=1,2）分别是发射天线到接收天线的幅度增益和相移，T为持续时间。在接收天线端，两个连续符号周期中的接收信号（t时刻和t+T时刻的接收信号分别表示为和）可以表示为其中和是每一位均值为0且功率普密度为的独立复变量，分别表示t时刻和t+T时刻上加性高斯白噪声的取样。

STBC编码器实信号星座的STBC

复信号星座的STBC

空时分组码的译码

其它种类的空时编码技术

不论是空时格型码、空时分组码这样的基于发射分集的空时码，还是分层空时码，在接受端译码时都需要了解信道状态信息(CSI)，但是在实际情况中，为了获得信道状态信息，就必须花费一些代价。为此，发射端需要发射一些训练序列对接收端进行训练，从而得出信道估计的参数，但是这样就损失了频带利用率，而且即使是这样，对于快衰落和移动台移动速度较快的情况也是不适用的。因此，许多专家提出了酉空时码的概念，即不需要对信道状态信息进行估计的空时编码。前面所述的第1类空时码均假设接收端可以准确地估计信道状态信息，这在慢衰落信道下是可行的。但若信道属于快变衰落信道，即信道参数变化比较快，或者收发天线数目比较多时，接收端进行信道估计就会非常困难，有时甚至根本无法估计。基于这种考虑，人们开始研究不需信道状态信息也能取得良好性能的空时编码方案。酉空时码和差分空时码就是根据这个要求提出的第2类空时码(盲空时码)。酉空时码

酉空时码（UnitarySpace-TimeCodes）在形式上类似于STBC，是Hochwald所构造的一种接收端不需进行信道估计的空时码，要求发送码矩阵为酉矩阵。酉空时码的设计与前述几种空时码截然不同，它不再优化欧氏距离，而是要优化相关矩阵的矩阵范数,它的值越小，酉空时码的性能越好。酉空时码作为快变衰落信道下的一种空时码解