空时编码

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), 一个空时矢量符 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:⑴正交空时分组码 OSTBC( Orthogonal SpaceTime Block Coding);⑵贝尔分层空时结构 BLAST( Bell Layered Space-Time Architecture);⑶空时格型编码 STTC( Space-Time 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 .

分层空时结构最初由朗讯公司的贝尔实验室的 G . J . Foschini 于 1996 年提出,称为 BLAST( Bell Layered Space-Time 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数目),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 .高速信息流先被解复用地分成多个单独的低速数据支流 ; 各个支路数据分别用各自的信道编码器编码,这些编码器可以是二进制卷积编码也可以根本就不编码 ; 各个信道编码器的输出再经过分层空时结构编码和调制后送至各个独立的发射天线,并且使用同一个载波频率/符号波形( 对 TDMA) 同时发射出去, 对 CDMA 系统,使用同样的扩频码 .

由各个信道编码器的输出的信号有 3 种分层空时结构编码方案 : 对角分层空时结构 DLST 、垂直分层空时结构VLST 和水平分层空时结构 HLST ,其中 DLST 具有较好的空时特性及层次结构 ,使用较多. 它们的数据分配如表 1 所示,标识符号 a 到 d 表示分配到图表中的 4 个发射天线的数据  .

在 接收端 ,一般按照对角线数据流层进行译码 , 这要经过3个步骤的处理: 干扰信号及未检测信号的迫零( ZF) 消除、已检测信号的干扰消除和补偿 . 前端首先使用一个空间波束形成或者迫零处理 ,从而分开各个单独的数据流层 . 例如对 DLST 的数据流层 a 的求解, 是求解 t + 3 时刻的流层 a 的相应元素 ,这时利用干扰抑制方法抑制掉 t + 3 时刻该元素上面的数据流层 d , c , b 的相应元素的影响 ,得到该元素的估值; 然后是求解t + 2 时刻的流层 a 的相应元素 ,同样该元素上面的数据流层 d , c 的相应元素的影响可以利用干扰抑制方法抑制掉 ,而其下方数据流层 b 在 t + 2 时刻的相应元素则因为按照对角分层的次序译码所以应该已经得到,其影响可以通过判决反馈得到抵消; 于是,可以得到t + 2 时刻的数据流层 a 的相应元素; 如此进行下去, 就可以恢复出数据流层 a . 然后再用相同的方法恢复出数据流层 d , 如此得到 DLST 的数据层估值 ,再把它们送入各自的解码器, 各解码器的输出再经过分层空时结构的逆变换和复用后重构出原始信息比特流的估计  .

业已证明,对 N 个发射天线和 N 个接收天线的情况, 系统容量随线性增长 ,当采用的天线个数N =8 时,在 1 %的中断概率和21dB信噪比条件下的系统的频谱利用率为42b/( s·Hz- 1) 约为相同发射功率和带宽的单发单收系统的 40 倍 .

1 空时分组码

正交空时分组编码( OSTBC) 的原理框图如图 2 所示. 正交空时分组编码( OSTBC) 包括两大类: ⑴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 . ⑵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. 其中关键部分"分组映射器"和"分组解旋转器"的基本原理在下节中详细介绍  .

2 空时分组码的构造问题

通常 ,如果在 p 个时隙周期内 ,有 k 个符号被发送出去 ,则定义编码比率为 R =k/ p . 对两个天线的复信号的情况 ,共编码比率为 1 .这里的编码矩阵的行代表发射天线的空间维 ,列代表时间维的各个发射时隙或符号周期 . 空时分组编码的构造问题其实就是码字矩阵的正交性设计 ,各阵元所发射的信号在一帧内互相正交, 即码字矩阵的行正交. 类似地 ,从空时正交性这个基本关键点出发, 也可以设计出其他多个发射天线的空时分组码,它们所提供的分集增僧和通常的发射天线个数乘以接收天线个数的接收最大比合并具有相同的信噪比, 即具有相同的分集增益 .

3 译码算法

对任何空时分组码,用最大似然解码算法都可以在接收机处通过线性处理来实现 , 这就意味着, 接收机的结构可以很简单, 而这一点在实际应用中对移动用户的接收机设计很在意义  .

类似地,其他空时分组码的译码器同样可以推导得出, 对各个符号的检测判断可以相互独立地通过线性运算得出 ,其实上面的最大似然检测是一种相干检测方法, 这种相干检测方案可以使空时编码的译码性能获得所能达到的最佳性能 .

当前空时编码( STC) 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 . 90 年代 Stanford 的 Raleigh 和Cioffi ,瑞士 ASCOM 的 Wittneben 进一步奠定了空时码的基础 ; 最近几年来 , Lucent Labs 的 Foschini 和 Gan ,AT& T 的 Tarokh 及其同事们在这方面作了关键性工作 ,率先提出了空时编码的概念. 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 ,提高频谱效率. 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  .

空时格型编码 STTC 编译码的基本原理: TCM 编码器的基本结构在多数情况下可以看作一个有限状态的状态转移器, 最新的信息源比特流数据用来确定编码器的从当前状态到下一个状态的状态转移,状态转移的结果就是要从多个发射天线上同时发射出去的一个空时矢量符 STS . STS 的组成符号从原理上可以选择任何星座图, 如 QPSK , 8-PSK , 16QAM 等 .

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 Modulation) 的推广. 一个空时格型码的例子, 它是两天线的 8-PSK 的 8 态的空时编码 ,可以看到它与 TCM 编码很相像, 只不过每一个状态转移结果的空时矢量符 STS ,代表同一时刻分别从两个天线发射出去的符号 .

空时编码可以根据编码增益和分集增僧准则设计出来, 只是好码字的搜索设计非常麻烦, V . Tarokh 给出的几种空时码都呆以达到满分集增益( 满分集增益等于发射天线数乘接收天线数) , 但它们的编码增佃没有达到最大 ,其他学者也提出了一些新的空时格型编码 . 空时格型编码的设计其实是在接收端已知信道信息条件下最大化任意两个码字矩阵之间的欧氏距离,可以实现数据传输速率、分集增益和格型复杂度及译码复杂度的最佳折中, 所以在 3 种空时编码方案中 ,它的性能是最佳的 ,但是目前因为其译码复杂度而影响了它的应用, 空时分组编码就是基于此考虑所提出的 ,目前以其较低的编 、译码复杂度得到了广泛认同  .

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W-CDMA所采纳 ,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 等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  .

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, 这晨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 ,随后 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  .

作为一种新的通信信号处理技术和方法 ,自从空时编码提出以来 ,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 、快变化以至各衰落路径相关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 ,WCDMA 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 等通讯技术的结合, 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( Interference Cancellation) 有机地结合起来,充分发挥二者的优点, 进一步提高其性能 , 提高它的实用性 ,是当前研究的另一个热点和方向; 由于二者均是多个阵元天线系统的重要而有效的信号处理技术 ,所以它们的结合应用就具有的应用基础 ,最先提出和研究空时编码技术的研究人员也正在进行这方面的研究和探索工作,但是此项工作刚刚开始, 具有很大的理论和实际研究价值. 当然 ,有关在接收端和发射端均得不到信道信息的差分空时编码方面的研究对于空时编码在未来移动蜂窝系统中的应用也是很有意义的  .

内容简介

本书主要围绕空时编码的基本理论及在无线通信系统中的相关应用，如码劈多址(CDMA)和正交频分复用(OFDMA)进行介绍，既有各种性能分析与仿真结果，又有生动的应用举例，还提供了基于科研导向的观点。

本书适用对象为无线通信工程及相关专业的研究生、工程师和科研人员。

版 次:初版

目录

译者序

原书前言

术语表

第1章 多输入多输出无线通信系统的性能局限

1.1 概述

1.2 MIMO系统模型

1.3 MIMO系统容量推导

1.4 自适应发送功率分配的MIMO信道容量的推导

1.5 具有固定系数信道的MIMO容量实例

1.6 具有随机信道系数的MIMO系统容量

1.6.1 快瑞利衰落和块瑞利衰落信道的MIMO信道容量

1.6.2 MIMO慢瑞利衰落信道容量

1.6.3 MIMO慢瑞利衰落信道容量的示例

1.7 系统参数和天线相关性对MIMO信道容量的影响

1.7.t LOSMIMO信道的相关模型

1.7.2 瑞利衰落信道MIMO相关模型

1.7.3 赖斯MIMO信道的相关模型

1.7.4 匙孔效应

1.7.5 有发射和接收散射体的MIMO相关衰落信道

1.7.6 系统参数对匙孔传播的影响

附录1.1 注水原理

附录1.2 Cholesky分解

参考文献

第2章 空时编码的性能分析和编码设计

2.1 概述

2.2 衰落信道模型

2.2.1 多径传播

2.2.2 多普勒频移

2.2.3 衰落信道的统计模型

2.3 分集

2.3.1 分集技术

2.3.2 分集合并方法

2.3.3 发射分集

2.4 空时编码系统

2.5. 空时编码的性能分析

2.5.1 慢衰落信道的差错率

2.5.2 快衰落信道的差错率

2.6 空时编码设计准则

2.6.1 慢瑞利衰落信道的编码设计准则

2.6.2 快瑞利衰落信道的编码设计准则

2.6.3 中低SNR范围的编码性能

2.7 编码性能的准确评估

参考文献

第3章 空时分组码

3.1 概述

3.2 Alamouti空时编码

3.2.1 Alamouti空时编码器

3.2.2 合并和最大似然译码

3.2.3 有多根接收天线的Alamouti方案

3.2.4 Alamouti方案的性能

3.3 空时分组码(STBC)

3.4 实信号星座的STBC

3.5 复信号星座的STBC

3.6 STBC的译码

3.7 STBC的性能

3.8 非理想信道估计对性能的影响

3.9 天线相关性对性能的影响

参考文献

第4章 空时网格码

4.1 概述.

4.2 STTC编码器结构

4.2.1 生成器简介

4.2.2 生成多项式简介

4.2.3 举例

4.3 慢衰落信道上的空时网格码设计

4.3.1 基于秩与行列式准则的最佳STTC

4.3.2 基于迹准则的最佳STTC

4.4 慢衰落信道上的性能评估

4.4.1 基于秩与行列式准则的编码性能

4.4.2 基于迹准则的编码性能

4.4.3 基于不同设计准则的编码性能对比

4.4.4 发射天线数对编码性能的影响

4.4.5 接收天线数对编码性能的影响

4.4.6 信道相关性对编码性能的影响

4.4.7 非理想的信道估计对编码性能的影响

4.5 快衰落信道下空时网格码的设计

4.6 快衰落信道上的性能评估

参考文献

第5章 空时Turbo网格编码

5.1 概述

5.2 递归STTC的性能

5.3 空时Turbo网格编码(STTurboTC)

5.4译码算法

5.5 STTurboTC的性能

5.5.1 STTurboTC和STTC的比较

5.5.2 记忆长度和交织器容量的影响

5.5.3 迭代次数的影响

5.5.4?分量编码设计的影响

5.5.5 译码器的EXIT表

5.5.6 交织器类型的影响

5.5.7 发射天线和接收天线数量的影响

5.5.8 天线相关的影n向

5.5:9 非理想信道估计的影响

5.5.10 快衰落信道上的性能

附录 最大后验概率算法

参考文献

第6章 分层空时编码

6.1 概述

6.2 LST发射机

6.3 LST接收机

6.3.1 QR分解干扰抑制和干扰抵消

6.3.2?最小均方误差(MMSE)干扰抑制和干扰抵消

6.3.3迭代LST接收机

6.3.4 具有PIC的迭代接收机

6.3.5迭代MMSE接收机

6.3.6 迭代MMSE接收机和迭代PIC-DSC接收机的比较

6.4 不同LST结构的比较

附录QR分解

参考文献

第7章 差分空时分组码

7.1 概述

7.2 单根发射天线的差分编码

7.3 发射天线数为2的差分STBC

7.3.1 差分编码

7.3.2 差分译码

7.3.3 性能仿真

7.4 发射天线数为3和4的实信号星