淺論寬帶無線接入網(wǎng)中的空時(shí)編碼技術(shù)

1、 n更多企業(yè)學(xué)院：中小企業(yè)管理全能版183套講座+89700份資料總經(jīng)理、高層管理49套講座+16388份資料中層管理學(xué)院46套講座+6020份資料 國學(xué)智慧、易經(jīng)46套講座人力資源學(xué)院56套講座+27123份資料各階段員工培訓(xùn)學(xué)院77套講座+ 324份資料員工管理企業(yè)學(xué)院67套講座+ 8720份資料工廠生產(chǎn)管理學(xué)院52套講座+ 13920份資料財(cái)務(wù)管理學(xué)院53套講座+ 17945份資料 銷售經(jīng)理學(xué)院56套講座+ 14350份資料銷售人員培訓(xùn)學(xué)院72套講座+ 4879份資料n更多企業(yè)學(xué)院：中小企業(yè)管理全能版183套講座+89700份資料總經(jīng)理、高層管理49套講座+16388

2、份資料中層管理學(xué)院46套講座+6020份資料 國學(xué)智慧、易經(jīng)46套講座人力資源學(xué)院56套講座+27123份資料各階段員工培訓(xùn)學(xué)院77套講座+ 324份資料員工管理企業(yè)學(xué)院67套講座+ 8720份資料工廠生產(chǎn)管理學(xué)院52套講座+ 13920份資料財(cái)務(wù)管理學(xué)院53套講座+ 17945份資料 銷售經(jīng)理學(xué)院56套講座+ 14350份資料銷售人員培訓(xùn)學(xué)院72套講座+ 4879份資料寬帶無線接入網(wǎng)中的空時(shí)編碼技術(shù) 2005-10-26 來源:談?wù)褫x 金曉軍 摘要：空時(shí)編碼技術(shù)能提高系統(tǒng)吞吐量，改善非對稱應(yīng)用環(huán)境中下行鏈路的傳輸問題，還可以結(jié)合干擾抑制技術(shù)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量。文章介紹了

3、用于EDGE蜂窩通信系統(tǒng)和寬帶無線接入網(wǎng)的空時(shí)編碼(STC)技術(shù)，重點(diǎn)討論了物理層信道估值、聯(lián)合均衡與編碼以與干擾抑制等信號處理技術(shù)。 關(guān)鍵詞：寬帶無線通信；接入網(wǎng)；空時(shí)編碼技術(shù) Abstract:Space-Time Code (STC) can increase system throughput, and improve downlink transmission under an asymmetric application environment. It can further increase system capacity when combined with interfere

4、nce suppression technique. The paper discusses STC techniques for the EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution) communication system and broadband wireless networks, with a focus on such signaling processing techniques as the physical layer channel estimation, combined coding and equalization,

5、 and interference suppression. Key words:broadband wireless communication; access network;space-time code   隨著Internet和業(yè)務(wù)的普與，越來越多的應(yīng)用需要高速無線接入。由于無線傳輸受到信號衰落和干擾的影響，為了實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率和高業(yè)務(wù)質(zhì)量，要求采用新技術(shù)來提高頻譜效率和改善鏈路可靠性。在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)使用多個(gè)天線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩噍斎攵噍敵?MIMO)技術(shù)，可以在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，成倍地提高頻譜利用率，進(jìn)而成倍地提高無線信道容量。  天線陣列很早就被

6、用于接收機(jī)分集。“智能天線”提出后，天線陣列在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用更得到深入研究。理論上已經(jīng)證明，采用多個(gè)發(fā)射天線能把無線信道分割成多個(gè)并行的窄帶信道，具有提高信道比特傳輸率的潛能，且研究結(jié)果顯示，信道容量隨天線數(shù)量增加而線性增大。與接收分集和智能天線相比，MIMO系統(tǒng)不但能夠提供分集增益和陣列增益，而且可以采用空間復(fù)用(SDM)的方式提高系統(tǒng)容量。此外，采用MIMO構(gòu)成多路信道可以在一定程度上對抗信道衰落，因?yàn)槎鄠€(gè)信道同時(shí)處于深衰落的可能性較小。  由于無論發(fā)射機(jī)還是接收機(jī)的天線數(shù)都是有限的，因此增加分集增益和提高發(fā)射速率是一對矛盾。空時(shí)編碼(STC)能較好地解決這一矛盾。STC是

7、一類采用多發(fā)射天線、單接收天線(或多接收天線)，有機(jī)結(jié)合信道編碼與空域發(fā)射分集，實(shí)現(xiàn)發(fā)射速率與分集增益折衷的MIMO通信技術(shù)。在不增加總發(fā)射功率和總傳輸帶寬的前提下，數(shù)據(jù)經(jīng)過STC并通過多個(gè)天線發(fā)射出去，各發(fā)射符號間在空域和時(shí)域具有相關(guān)性，因而可獲得分集增益和編碼增益。  無線高速應(yīng)用環(huán)境下，在基站和移動用戶終端間采用STC傳輸，基站采用雙天線時(shí)，即使不增加用戶終端接收天線的數(shù)目，STC系統(tǒng)也能提高系統(tǒng)吞吐量，從而改善非對稱應(yīng)用環(huán)境中下行鏈路傳輸“瓶頸”問題。如果移動用戶終端采用雙天線，還可以結(jié)合干擾抑制技術(shù)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的容量1。1 空時(shí)格碼和空時(shí)分組碼  隨著第三代移

8、動通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的出臺，發(fā)射分集技術(shù)受到了空前重視，多種發(fā)射分集技術(shù)被納入標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中。北美CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)采用的兩種發(fā)射分集技術(shù)分別是空時(shí)擴(kuò)展(STS)和正交發(fā)射分集(OTD)。在歐洲的WCDMA標(biāo)準(zhǔn)中，前向鏈路發(fā)射分集分為開環(huán)發(fā)射分集和閉環(huán)發(fā)射分集，其中開環(huán)發(fā)射分集采用空時(shí)發(fā)射分集(STTD)，閉環(huán)發(fā)射分集采用閉環(huán)模式一(CL1)和閉環(huán)模式二(CL2)。  傳統(tǒng)的發(fā)射分集技術(shù)不能滿足帶寬或發(fā)射速率的要求，因此要想在不損失帶寬和發(fā)射速率的前提下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全空間分集增益，應(yīng)該采用分集與編碼相結(jié)合的方法，于是AT&T實(shí)驗(yàn)室的Tarokh等人提出了空時(shí)碼(STC)的概念2。STC

9、的提出可以認(rèn)為是多天線MIMO系統(tǒng)以與發(fā)射分集研究進(jìn)程中的一個(gè)重要里程碑。STC分為空時(shí)格碼(STTC)和空時(shí)分組碼(STBC)。到目前為止，無論是STBC還STTC，大數(shù)量發(fā)射天線的編碼問題還是一個(gè)難點(diǎn)。因此，如何尋找能夠?qū)崿F(xiàn)更高編碼增益以與全空間分集增益的好碼目前是STC研究領(lǐng)域的重要課題。1.1 空時(shí)格碼  STTC的基本原理是，原始數(shù)據(jù)流通過信道編碼器進(jìn)行編碼，編碼數(shù)據(jù)經(jīng)過串/并轉(zhuǎn)換分成nt個(gè)數(shù)據(jù)流；每個(gè)數(shù)據(jù)流形成脈沖后進(jìn)行調(diào)制，在每個(gè)時(shí)刻t，調(diào)制器i的輸出信號從第i個(gè)天線發(fā)射出去。這樣，nt個(gè)信號從ni個(gè)不同的天線同時(shí)發(fā)射，每個(gè)信號的比特周期保持一樣。接收機(jī)采用Viterb

10、i譯碼對信號進(jìn)行判決。圖1所示為8狀態(tài)8PSK的STTC狀態(tài)和編碼。除提供額外編碼增益外，這個(gè)STTC等效于延時(shí)分集傳輸。其中，經(jīng)過8狀態(tài)8PSK映射后，送給第二副天線的延時(shí)符號X(k-1)為奇數(shù)時(shí)，延時(shí)符號乘以因子1；當(dāng)延時(shí)符號為偶數(shù)時(shí)，延時(shí)符號乘以因子-1。  雖然STTC集合了前向差錯(cuò)控制編碼和分集，提供信號星座、傳輸速率、分集增益和網(wǎng)格復(fù)雜度之間的最佳折衷方案，帶來的增益非?？捎^，但代價(jià)是增加了處理復(fù)雜度。例如，當(dāng)發(fā)射天線數(shù)目固定時(shí)，其解碼復(fù)雜度隨分集重?cái)?shù)和傳輸速率呈指數(shù)性增加。1.2 空時(shí)分組碼  盡管STTC比其他發(fā)射分集技術(shù)具有更好的綜合性能，但是當(dāng)系統(tǒng)要求的

11、發(fā)射天線較多時(shí)，STTC的復(fù)雜度將嚴(yán)重阻礙其在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用。鑒于這種情況，Tarokh等人隨后又提出了STBC。STBC的特點(diǎn)為：發(fā)射機(jī)不要求接收機(jī)反饋信道狀態(tài)信息(CSI)，沒有帶寬擴(kuò)展，譯碼簡單，在不損失發(fā)射速率的前提下達(dá)到與最大比合并(MRC)接收分集一樣的分集增益。  雖然STBC實(shí)現(xiàn)簡單、性能優(yōu)越，但是由于每個(gè)天線的發(fā)射功率只有原來的一半，因此信噪比比MRC降低了3 dB；另外，與STTC相比，STBC沒有編碼增益，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要與信道編碼相結(jié)合。  對于圖1的結(jié)構(gòu)，STBC輸入成對符號，即在時(shí)刻k，符號Xk和Xk+1分別從天線1和天線2發(fā)射；在時(shí)刻k1

12、，符號-X*k+1和X*k分別從天線1和天線2發(fā)射。其中( ·)*表示復(fù)共軛。這樣可保證欲發(fā)射符號具有正交空時(shí)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成完全時(shí)域分集。該結(jié)構(gòu)已經(jīng)被IS-136、WCDMA和CDMA2000等移動通信標(biāo)準(zhǔn)所采納。2 空時(shí)編碼中的信號處理2.1 寬帶信道模型  假設(shè)進(jìn)行空時(shí)編碼傳輸?shù)男诺朗穷l率選擇性衰落的，且從第i副發(fā)射天線到單個(gè)接收天線的信道脈沖響應(yīng)(CIR)為無線脈沖響應(yīng)hi。hi的D變換為：其中，V為信道記憶長度，D為單位延時(shí)，hi(k)為hi的第k個(gè)元素。2.2 信道估值  在接收端的聯(lián)合均衡與編碼與干擾抑制中，CSI起著關(guān)鍵作用。為使估值過程簡單，估值結(jié)果可

13、靠，一般采取在傳輸數(shù)據(jù)中嵌入訓(xùn)練序列的方式輔助CSI估值。估值時(shí)會有兩個(gè)問題：一是，對于單發(fā)射天線傳輸，嵌入的訓(xùn)練序列應(yīng)有高自相關(guān)和低互相關(guān)，即具有聯(lián)合序列最佳根(PRUS)的特性；二是，對于多發(fā)射天線的傳輸，隨需要估值的信道參數(shù)個(gè)數(shù)增加，每副發(fā)射天線的發(fā)射功率卻減少。后者的解決方法是對單一訓(xùn)練序列進(jìn)行空時(shí)編碼，產(chǎn)生有限的ni個(gè)相關(guān)的訓(xùn)練序列，其性能雖比PRUS要差一些，但也屬次優(yōu)，而此時(shí)訓(xùn)練序列的搜索空間尺寸從C    減少到C  (C為輸入和輸出字符集的大小，Nt為訓(xùn)練序列長度)。(1)STTC編碼訓(xùn)練序列  具有m個(gè)二進(jìn)制存儲記憶單元和信

14、號坐標(biāo)大小為C的空時(shí)編碼器，嵌入CIR的STTC編碼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生等效的記憶長度為m+v的單輸入單輸出(SISO)CIR。對于圖1的雙發(fā)射天線和單接收天線的8狀態(tài)8PSK STTC，嵌入CIR的空時(shí)編碼器在信道上產(chǎn)生記憶長度為V+1的等效SISO信道，其信道脈沖響應(yīng)h1的D變換為：其中，pk等于+1還是-1取決于欲傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。在分組傳輸期間，可以認(rèn)為信道脈沖響應(yīng)h1和h2不變。在發(fā)射偶數(shù)訓(xùn)練符號Ce0,2,4,6時(shí)，pk=+1；此時(shí)等效信道為he(D)=h1(D)+Dh2(D)。而在發(fā)射奇數(shù)訓(xùn)練符號Co1,3,5,7時(shí)，pk=-1；此時(shí)等效信道為ho(D)=h1(D)-Dh2(D)。在估值he(D)

15、和ho(D)參數(shù)后，可得到：  若訓(xùn)練序列寫成SSe，So，其中Se長度為Nt/2，取值位于Ce子坐標(biāo)。而So的長度為Nt/2，取值位于Co子坐標(biāo)。若Se是he(D)在最小均方誤差(MMSE)準(zhǔn)則下的最佳估值序列，則So=exp(       )，k1,3,5,7也是ho(D)在MMSE準(zhǔn)則下的最佳估值序列。這樣，訓(xùn)練序列S的搜索空間可從8  減少到序列Se的搜索空間4    ，簡化了估值算法。(2)STBC編碼訓(xùn)練序列  STBC編碼器把連續(xù)輸入的分組S1和S2映射到兩副天

16、線上，轉(zhuǎn)換成欲發(fā)射分組S1,-     和S2,     。其中，(·)表示時(shí)間倒置序列，如SS(0)，S(1)，S(Nt-1)，則S =S(Nt-1),S(1),S(0)。若接收到第1和第2分組信號y1和y2表示為：  其中，z1、z2表示噪聲。  當(dāng)兩個(gè)訓(xùn)練序列互不相關(guān)時(shí)，即在訓(xùn)練序列相關(guān)矩陣S*S中的非對角線元素為零時(shí)，可得MMSE準(zhǔn)則下信道估值。欲達(dá)到MMSE準(zhǔn)則下的信道估值，可進(jìn)行下述選擇：· 選擇序列S1，使S1與其中心對稱且具有良好自相關(guān)特性，并令S2S1。&#

17、183; 選擇序列S1，使S1具有良好自相關(guān)特性，并令S2=     。  可見，空時(shí)編碼結(jié)構(gòu)可簡化訓(xùn)練序列設(shè)計(jì)。對于STBC，由于Alamouti正交結(jié)構(gòu)帶來兩個(gè)輸入間解耦，可免除對訓(xùn)練序列之間低互相關(guān)的要求。2.3 聯(lián)合均衡  對于寬帶傳輸，均衡是消除符號間干擾必須的技術(shù)，均衡的關(guān)鍵是均衡和解碼聯(lián)合方案的設(shè)計(jì)。通過空時(shí)編碼和均衡，可以用相等功率同時(shí)傳輸多重相關(guān)信號3。(1)STTC均衡  在8狀態(tài)8PSK STTC中，基于格型聯(lián)合均衡和具有8V+1狀態(tài)的空時(shí)解碼可降低均衡/解碼的復(fù)雜度。否則，格型均衡需要82V狀態(tài)，ST

18、TC解碼需要8狀態(tài)。(2)STBC均衡  采用 STBC可兼顧性能指標(biāo)與復(fù)雜度指標(biāo)。在頻率選擇性信道中，欲獲取多徑分集增益，需在時(shí)域和頻域以分組塊形式實(shí)施單載波頻域均衡(SCFDE)。SCFDE 的復(fù)雜度類似于OFDM。由于SCFDE采用不同于OFDM的單載波方式，還可避免峰均比(PAPR)大和對頻率誤差敏感度高等缺點(diǎn)。  設(shè)第i副天線第k個(gè)發(fā)射分組塊中第n個(gè)符號表示為Xi(k)(n)，信息源在時(shí)刻k0,2,4產(chǎn)生長度為N的分組塊對，即為X1 (n)和X2    (n)(其中0nN-1)。在SCFDE/STBC的發(fā)射分集中，有：其中，n0,1,

19、N-1；k0,2,4，(·)N表示模N運(yùn)算。長度為V的循環(huán)前綴(CP)嵌入欲發(fā)射的分組塊中來消除分組塊之間干擾(IBI)。經(jīng)過A/D變換后，刪除接收分組塊中CP，長度為N的成對分組塊經(jīng)過快速傅里葉變換(FFT)至頻域，產(chǎn)生兩個(gè)分組塊。  其中，X1   和X2  分別是信息塊x1   和x2 的FFT，Z是噪聲。經(jīng)過FFT后，循環(huán)矩陣呈現(xiàn)對角矩陣特性，即意味可刪除載波間干擾。1和2分別為含有h1和h2的N個(gè)FFT系數(shù)的維數(shù)為N×N對角矩陣。  欲消除天線間干擾，可增設(shè)線性組合器*。線性組合器輸出的解耦分組

20、塊分別利用MMSE準(zhǔn)則下含有N個(gè)復(fù)抽頭的頻域均衡來消除符號間干擾。MMSE 準(zhǔn)則下頻域均衡的輸出經(jīng)過逆快速傅里葉變換(IFFT)再從頻域變換回時(shí)域。2.4 干擾抵消  若在基站增設(shè)第二副接收天線，并采用干擾抵消技術(shù)，可以成倍增加系統(tǒng)容量而并不增加無線頻譜資源。在兩個(gè)STBC用戶中，每個(gè)用戶裝設(shè)兩副接收天線，式(6)改寫成：  其中，Y1和Y2分別為來自第1和第2副天線的待處理信號，S為來自干擾用戶的第1和第2副天線欲發(fā)射兩個(gè)信息塊的FFT矢量，兩個(gè)STBC用戶采用線性迫零干擾抵消器來解耦。  其中，(·)-1表示逆運(yùn)算。xdef=x-xs-1s，sdef=s-sx-1x。這里s和s均為正交Alamouti型矩陣。3 結(jié)束語  早期STC研究集中在平衰落窄帶信道環(huán)境，欲把STC應(yīng)用于多用戶寬帶頻率選擇性衰落信道環(huán)境，將面臨寬帶信道長時(shí)延擴(kuò)散的挑戰(zhàn)。因?yàn)殚L時(shí)延擴(kuò)散會帶來信道估值參數(shù)數(shù)目的增加，進(jìn)而導(dǎo)致聯(lián)合均衡與格型編碼數(shù)的增加和計(jì)算復(fù)雜度與功耗的劇增。STC技術(shù)在寬帶信道中的信道估值、聯(lián)合均衡與編碼、干擾抑制信號處理算法上的突破會提高系統(tǒng)的吞吐量和系統(tǒng)的容量，從而獲得系統(tǒng)編碼增益。  在無線高速應(yīng)用環(huán)境下，基站和移動用戶終端間采用STC傳輸，能提高系統(tǒng)吞