基本内容

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.

正交空时分组编码(OSTBC)

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.

分层空时结构BLAST

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.

空时格型编码(STTC)

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.