空時(shí)編碼技術(shù)及其在未來移動(dòng)通信中的應(yīng)用

1、空時(shí)編碼技術(shù)及其在未來移動(dòng)通信中的應(yīng)用The Space-Time Coding Technology and Its Applications in Future Wireless Communications摘要：文章介紹了分組空時(shí)碼和分層空時(shí)碼，給出了它們?cè)?G和后3G中的解決方案；分析了限制網(wǎng)格空時(shí)碼應(yīng)用的幾個(gè)因素，提出了網(wǎng)格空時(shí)碼應(yīng)用的具體方案；最后對(duì)分組空時(shí)碼、分層空時(shí)碼、網(wǎng)格空時(shí)碼進(jìn)行了比較。關(guān)鍵詞：分組空時(shí)碼；分層空時(shí)碼；空時(shí)傳輸分集；高速下行分組接入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空時(shí)碼是一種基于多天線陣發(fā)送技術(shù)的編碼方案，其將多天線技術(shù)和信道編碼技術(shù)結(jié)合起來，同時(shí)獲得空間分集和時(shí)間分集。貝爾實(shí)驗(yàn)室于1996年提出的分層空時(shí)碼(LSTC)模型1是最早的空時(shí)編碼方案。1998年，朗訊

4、實(shí)驗(yàn)室的Tarokh等人提出了一種基于編碼調(diào)制技術(shù)的空時(shí)編碼方案2-網(wǎng)格空時(shí)碼(STTC)，STTC不僅可獲得較高的頻帶利用率，而且具有較好的抗衰落性能。STTC很快受到人們的重視，并在整個(gè)通信領(lǐng)域掀起了空時(shí)碼的研究熱潮。除了上述兩種空時(shí)編碼方案以外，另外一種較為簡(jiǎn)單的空時(shí)碼是分組空時(shí)碼(STBC)3。以上3種空時(shí)編碼方案均假設(shè)接收端可以準(zhǔn)確地估計(jì)信道。這一前提在某些情況下可以滿足，但在移動(dòng)終端高速移動(dòng)的情況下，信道估計(jì)是十分困難的，因此不需要信道估計(jì)的盲空時(shí)編碼方案便應(yīng)運(yùn)而出，其中包括酉空時(shí)碼和差分空時(shí)碼4-5?？諘r(shí)編碼技術(shù)利用多天線陣提供的并行信道傳輸信息，可以在保證性能的前提下進(jìn)一步提高

5、信息傳輸速率。目前，分組空時(shí)碼和分層空時(shí)碼已經(jīng)被3GPP采用。STTC由于受種種原因限制還很難在實(shí)際系統(tǒng)中采用，為了實(shí)現(xiàn)STTC的應(yīng)用，人們正致力于研究STTC在后3G和4G中的應(yīng)用方案，并取得了一定的進(jìn)展。1 分組空時(shí)碼及其在移動(dòng)通信中的應(yīng)用日本人Alamouti曾提出一種利用兩根發(fā)射天線的傳輸分集方案，雖然該方案無法獲得編碼增益，性能比網(wǎng)格空時(shí)碼(STTC)略有下降，但它的頻帶利用率與STTC相同，且編譯碼復(fù)雜度要比STTC小得多。因此，相對(duì)于STTC，該傳輸分集方案具有更好的實(shí)用價(jià)值。在此基礎(chǔ)上，Tarokh利用廣義正交設(shè)計(jì)原理將其進(jìn)行推廣，提出了分組空時(shí)碼的概念，最簡(jiǎn)單的一種STBC編

6、碼矩陣為：若采用正交移相鍵控(QPSK)調(diào)制，則信息序列以4比特為一組送入STBC編碼器，分別對(duì)應(yīng)于QPSK星座圖中的兩個(gè)信號(hào)點(diǎn)s1和s2，s1與s2按(1)式構(gòu)成信號(hào)矩陣G，G中的每一列對(duì)應(yīng)一根發(fā)送天線，經(jīng)兩個(gè)符號(hào)周期發(fā)送完畢。接收端根據(jù)收到的信號(hào)rj(t)，rj(t+1)和信道特性進(jìn)行最大似然譯碼(j=1, 2)。STBC最大的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單實(shí)用，且性能相對(duì)較好，是一種較有效的傳輸分集解決方案。第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用的傳輸分集方案之一-空時(shí)傳輸分集(STTD)就是一種最簡(jiǎn)單的分組空時(shí)碼。分組空時(shí)碼在移動(dòng)通信系統(tǒng)中應(yīng)用的原理如圖1所示6-7。信息比特經(jīng)信道編碼、速率匹配和隨機(jī)交織處理后，送入S

7、TTD編碼器與其他控制信息復(fù)用，再經(jīng)擴(kuò)頻處理，由兩根發(fā)射天線發(fā)送出去。根據(jù)需要的傳輸速率的不同，信道編碼器可以選擇卷積碼或Turbo碼。若要求的信息速率為12.2 kb/s，則選用碼率為1/3，約束度為9的卷積碼；若系統(tǒng)的傳輸速率較高，如64 kb/s或144 kb/s，則選用8狀態(tài)的Turbo碼。STTD編碼器以4比特信息為一組進(jìn)行編碼，比特映射方式如圖2所示(圖中比特信息“-1”表示0，“+1”表示1)，其中天線1上發(fā)送的是原始信息比特，另外一根天線發(fā)送相應(yīng)的校驗(yàn)信息，且與原始信息保持正交關(guān)系。這種處理方式一方面保證STTD具有良好的向下兼容性，比較符合目前移動(dòng)通信發(fā)展的現(xiàn)狀；另一方面使編

8、譯碼復(fù)雜度相對(duì)較低，譯碼時(shí)延很小，具有更好的實(shí)用性。由于STBC沒有編碼增益，系統(tǒng)性能提高十分困難。另外，由于STBC的頻帶利用率不會(huì)隨著發(fā)送天線數(shù)的增加而增加，因此，只能是一種過渡時(shí)期的替代產(chǎn)品。2 分層空時(shí)碼及其在HSDPA業(yè)務(wù)中的應(yīng)用分層空時(shí)碼是頻帶利用率隨著發(fā)送天線數(shù)線性增加的編碼方式。分層空時(shí)碼的實(shí)現(xiàn)方式很簡(jiǎn)單，信源信息經(jīng)過信道編碼以后，送入一空時(shí)映射器。該映射器根據(jù)不同的映射關(guān)系，將編碼信息分成n個(gè)子比特流，對(duì)應(yīng)于各發(fā)送天線發(fā)送出去(如圖3所示)。根據(jù)信源消息與發(fā)送天線之間的映射關(guān)系，可以將分層空時(shí)碼分為水平、垂直和對(duì)角3種。各子信道因多徑衰落而產(chǎn)生不同的衰落特性，接收端則利用這一

9、特性來提取信息。接收端首先根據(jù)一定的原則來確定每一根接收天線上的加權(quán)值，然后采用迫零檢測(cè)和干擾抵消兩個(gè)步驟檢測(cè)信號(hào)。為獲得更佳的檢測(cè)效果，往往還要經(jīng)過信號(hào)補(bǔ)償，即根據(jù)接收信號(hào)的具體情況來決定不同天線信號(hào)的檢測(cè)順序，保證信噪比大的信號(hào)先檢測(cè)出來，消除其對(duì)其他弱信號(hào)的影響，從而減少弱信號(hào)的錯(cuò)誤概率6。 由于分層空時(shí)碼在解碼時(shí)只利用了信道信息，所以其性能在很大程度上依賴于信道的衰落環(huán)境和對(duì)信道衰落特性估計(jì)的準(zhǔn)確性，只有當(dāng)各子信道所受的衰落差異較大時(shí)，才能較好地恢復(fù)發(fā)送信號(hào)。與其他空時(shí)編碼方式相比，雖然LSTC無法達(dá)到最大分集增益，在性能上有一定損失，但其高頻帶利用率卻受到了人們的關(guān)注。目前，LSTC

10、已被3GPP中的高速數(shù)據(jù)分組接入(HSDPA)業(yè)務(wù)采用。當(dāng)采用n根發(fā)送天線和M組擴(kuò)頻碼時(shí)，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理如圖4所示。圖4中，編碼后的數(shù)據(jù)流經(jīng)多碼復(fù)用器處理后，被劃分成M組，每組包含n個(gè)子數(shù)據(jù)流，形成M×n組子數(shù)據(jù)流；然后利用M個(gè)擴(kuò)頻碼分別對(duì)上述M組子數(shù)據(jù)流進(jìn)行擴(kuò)頻處理；最后對(duì)擴(kuò)頻后的所有M×n個(gè)子數(shù)據(jù)流進(jìn)行分組合并。將M×n個(gè)子數(shù)據(jù)流中的第j，n+j, 2n+j (M-1)×n+j共M組相加，得到的信息經(jīng)擾碼處理后對(duì)應(yīng)于第j根發(fā)送天線發(fā)送出去。這樣，接收端可利用不同的擴(kuò)頻碼來區(qū)分同一根天線上的M組子數(shù)據(jù)流，而對(duì)于采用同一擴(kuò)頻碼的n個(gè)子數(shù)據(jù)流，則利用多

11、天線技術(shù)提供的空間信息加以區(qū)別。一般情況下，接收端至少需要n根接收天線。采用圖4給出的解決方案，不僅可以保證與傳統(tǒng)解決方案的兼容性，同時(shí)還可獲得更好的性能。在相同傳輸速率條件下，采用圖4給出的方案需要的調(diào)制階數(shù)和信噪比都要小得多；如果采用相同的調(diào)制階數(shù)，圖4給出的方案則會(huì)達(dá)到更高的傳輸速率。文獻(xiàn)8給出了十分詳盡的分析結(jié)果。3 網(wǎng)格空時(shí)碼在未來移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用網(wǎng)格空時(shí)碼把編碼和調(diào)制結(jié)合在一起考慮，不僅可獲得最大分集增益，還具有較高的編碼增益。但相對(duì)于STBC和LSTC來說，STTC的實(shí)用化進(jìn)程則緩慢得多。這主要是由以下幾個(gè)問題所造成。(1)編譯碼復(fù)雜度太大若STTC采用有2b個(gè)信號(hào)點(diǎn)的信號(hào)星

12、座圖，編碼器中包含2v個(gè)狀態(tài)數(shù)，且?guī)L(zhǎng)為Nf個(gè)符號(hào)，則在STTC的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中共有2v2bNf 條路徑，即STTC的編譯碼復(fù)雜度隨狀態(tài)數(shù)、調(diào)制階數(shù)和幀長(zhǎng)的增加而呈指數(shù)增加。如果將其應(yīng)用于圖1所示的系統(tǒng)中，編譯碼復(fù)雜度將是一個(gè)不容忽視的問題。(2)譯碼延時(shí)較大STTC譯碼時(shí)，若采用一般的Viterbi譯碼，可基本忽略譯碼延時(shí)的問題。但為提高系統(tǒng)性能，一般采用軟輸入軟輸出的最大后驗(yàn)概率(MAP)算法，此時(shí)需將一幀信號(hào)完全接收以后才可做出判決。對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來說，采用MAP算法譯碼引起的時(shí)延或許還可忍受，但對(duì)于語音業(yè)務(wù)來說，這將是無法忍受的。(3)碼優(yōu)化難度大STTC應(yīng)用于3G和后3G系統(tǒng)首先需要解決

13、其兼容性問題，同時(shí)還要考慮碼優(yōu)化問題。文獻(xiàn)9詳細(xì)研究了串行級(jí)連網(wǎng)格空時(shí)碼，發(fā)現(xiàn)原來基于秩準(zhǔn)則和行列式準(zhǔn)則優(yōu)化得到的碼字，在串行級(jí)連系統(tǒng)中并沒有同樣的優(yōu)化效果，因此必須重新確立適用于串行級(jí)連系統(tǒng)的STTC優(yōu)化準(zhǔn)則。目前還沒有這方面的研究結(jié)果。3.1 網(wǎng)格空時(shí)碼在WCDMA中的解決方案對(duì)于將網(wǎng)格空時(shí)碼應(yīng)用于WCDMA，我們做了一些初步研究。我們先采用8狀態(tài)STTC，提出了STTC在WCDMA中的應(yīng)用方案10，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化，取得了較好的結(jié)果。STTC在解決方案中的發(fā)射機(jī)模型如圖5所示。信源信息經(jīng)信道編碼和交織器處理后送入STTC編碼器。STTC編碼器的輸出序列分別與不同發(fā)送天線上的控制信息

14、復(fù)用，形成所要求的時(shí)隙和幀結(jié)構(gòu)。不同天線上的信號(hào)分別進(jìn)行QPSK擴(kuò)頻調(diào)制?？刂菩畔鬏斈Ｊ浇M合標(biāo)志(TFCI)和傳輸功率控制(TPC)在兩根天線上可以選用相同形式，但導(dǎo)引序列(Pilot)應(yīng)正交。為保證基于STTC的WCDMA系統(tǒng)的向下兼容性，所選用的STTC也是一種符號(hào)意義上的系統(tǒng)碼，同時(shí)為降低系統(tǒng)的編譯碼復(fù)雜度，采用基于QPSK調(diào)制的兩狀態(tài)網(wǎng)格空時(shí)碼(TS-STTC)，其編碼過程如圖6所示。其中b0´為寄存器中的信息，b0和b1是當(dāng)前的輸入信息。STTC編碼按照?qǐng)D6標(biāo)示的過程構(gòu)成輸出序列，通過兩根天線發(fā)送出去，同時(shí)將當(dāng)前的輸入信息b0存放在寄存器b0´ 中。由圖6可知，

15、兩狀態(tài)STTC在第1根天線上發(fā)送的信號(hào)是當(dāng)前的輸入信息，是一種符號(hào)意義上的系統(tǒng)碼，因此具有類似于STTD的向下兼容性。在基于網(wǎng)格空時(shí)碼的發(fā)送機(jī)模型中，采用了將STTC編碼器的輸出序列直接與控制信息進(jìn)行復(fù)用、成幀處理的方法。需要指出的是，一般STTC編碼器都需要進(jìn)行歸零處理，為了保證與STTD成幀過程的兼容性，在這里采用了不歸零的處理方法。圖5中的STTC也可采用基于QPSK調(diào)制的延時(shí)分集編碼。為了對(duì)各種編碼方案進(jìn)行比較，我們進(jìn)行了仿真，仿真中選用基于STTD、STTC和TS-STTC的3種WCDMA系統(tǒng)，所有系統(tǒng)都采用兩根發(fā)送天線、一根接收天線，外碼都采用碼率為1/3、約束度為9的卷積碼，且8

16、進(jìn)制表示的生成多項(xiàng)式為：g0=557、g1=663、g2=771。所有系統(tǒng)中外碼和空時(shí)碼之間的交織器采用隨機(jī)交織器。設(shè)系統(tǒng)的傳輸速率為12.2 kb/s，終端移動(dòng)速度為3 km/h，接收端有兩條可以區(qū)分的路徑，各路徑的時(shí)延和功率參數(shù)遵守3GPP規(guī)定。3.2 網(wǎng)格空時(shí)碼在OFDM中的解決方案正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)具有較高的頻帶利用率和較強(qiáng)的抗頻率選擇性衰落的能力，很有可能在未來的后3G或者4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用，STTC與OFDM結(jié)合的系統(tǒng)模型如圖7所示：STTC與OFDM的簡(jiǎn)單級(jí)連時(shí)，只能通過OFDM的高頻帶利用率來提高系統(tǒng)的傳輸速率。如果采用STTC和OFDM聯(lián)合編碼，則既可以利用

17、頻率選擇性衰落對(duì)OFDM各子載波的影響來提供頻率分集，又可以利用STTC降低同步問題對(duì)OFDM的影響，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。相關(guān)的內(nèi)容正在研究當(dāng)中。4 結(jié)束語分組空時(shí)碼最大的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較低，但由于其沒有編碼增益，很難進(jìn)一步優(yōu)化，使系統(tǒng)性能提高受到很大的限制，所以它只能是一種過渡時(shí)期的解決方案。與分組空時(shí)碼相比，網(wǎng)格空時(shí)碼的優(yōu)點(diǎn)之一就是可以進(jìn)一步優(yōu)化編碼增益，如果能解決其兼容性和性能優(yōu)化問題，將具有一定的應(yīng)用前景。但由于其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度相對(duì)較高，要完全替代分組空時(shí)碼還需要進(jìn)一步研究。相對(duì)于STBC和STTC，LSTC是一種很有發(fā)展前途的空時(shí)編碼方案，但它要求接收天線數(shù)必需不少于發(fā)送天線數(shù)，要求

18、接收端必需能準(zhǔn)確地估計(jì)信道，這些因素在一定程度上限制了LSTC的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，因此其應(yīng)用目前還僅限于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。5 參考文獻(xiàn)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

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