空時編碼技術及其在未來移動通信中的應用

1、空時編碼技術及其在未來移動通信中的應用The Space-Time Coding Technology and Its Applications in Future Wireless Communications摘要：文章介紹了分組空時碼和分層空時碼，給出了它們在3G和后3G中的解決方案；分析了限制網(wǎng)格空時碼應用的幾個因素，提出了網(wǎng)格空時碼應用的具體方案；最后對分組空時碼、分層空時碼、網(wǎng)格空時碼進行了比較。關鍵詞：分組空時碼；分層空時碼；空時傳輸分集；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空時碼是一種基于多天線陣發(fā)送技術的編碼方案，其將多天線技術和信道編碼技術結(jié)合起來，同時獲得空間分集和時間分集。貝爾實驗室于1996年提出的分層空時碼(LSTC)模型1是最早的空時編碼方案。1998年，朗訊

4、實驗室的Tarokh等人提出了一種基于編碼調(diào)制技術的空時編碼方案2-網(wǎng)格空時碼(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，并在整個通信領域掀起了空時碼的研究熱潮。除了上述兩種空時編碼方案以外，另外一種較為簡單的空時碼是分組空時碼(STBC)3。以上3種空時編碼方案均假設接收端可以準確地估計信道。這一前提在某些情況下可以滿足，但在移動終端高速移動的情況下，信道估計是十分困難的，因此不需要信道估計的盲空時編碼方案便應運而出，其中包括酉空時碼和差分空時碼4-5?？諘r編碼技術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一步提高

5、信息傳輸速率。目前，分組空時碼和分層空時碼已經(jīng)被3GPP采用。STTC由于受種種原因限制還很難在實際系統(tǒng)中采用，為了實現(xiàn)STTC的應用，人們正致力于研究STTC在后3G和4G中的應用方案，并取得了一定的進展。1 分組空時碼及其在移動通信中的應用日本人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)格空時碼(STTC)略有下降，但它的頻帶利用率與STTC相同，且編譯碼復雜度要比STTC小得多。因此，相對于STTC，該傳輸分集方案具有更好的實用價值。在此基礎上，Tarokh利用廣義正交設計原理將其進行推廣，提出了分組空時碼的概念，最簡單的一種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，分別對應于QPSK星座圖中的兩個信號點s1和s2，s1與s2按(1)式構(gòu)成信號矩陣G，G中的每一列對應一根發(fā)送天線，經(jīng)兩個符號周期發(fā)送完畢。接收端根據(jù)收到的信號rj(t)，rj(t+1)和信道特性進行最大似然譯碼(j=1, 2)。STBC最大的特點是簡單實用，且性能相對較好，是一種較有效的傳輸分集解決方案。第3代移動通信系統(tǒng)中采用的傳輸分集方案之一-空時傳輸分集(STTD)就是一種最簡單的分組空時碼。分組空時碼在移動通信系統(tǒng)中應用的原理如圖1所示6-7。信息比特經(jīng)信道編碼、速率匹配和隨機交織處理后，送入S

7、TTD編碼器與其他控制信息復用，再經(jīng)擴頻處理，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)送相應的校驗信息，且與原始信息保持正交關系。這種處理方式一方面保證STTD具有良好的向下兼容性，比較符合目前移動通信發(fā)展的現(xiàn)狀；另一方面使編

8、譯碼復雜度相對較低，譯碼時延很小，具有更好的實用性。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，只能是一種過渡時期的替代產(chǎn)品。2 分層空時碼及其在HSDPA業(yè)務中的應用分層空時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。分層空時碼的實現(xiàn)方式很簡單，信源信息經(jīng)過信道編碼以后，送入一空時映射器。該映射器根據(jù)不同的映射關系，將編碼信息分成n個子比特流，對應于各發(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系，可以將分層空時碼分為水平、垂直和對角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，然后采用迫零檢測和干擾抵消兩個步驟檢測信號。為獲得更佳的檢測效果，往往還要經(jīng)過信號補償，即根據(jù)接收信號的具體情況來決定不同天線信號的檢測順序，保證信噪比大的信號先檢測出來，消除其對其他弱信號的影響，從而減少弱信號的錯誤概率6。 由于分層空時碼在解碼時只利用了信道信息，所以其性能在很大程度上依賴于信道的衰落環(huán)境和對信道衰落特性估計的準確性，只有當各子信道所受的衰落差異較大時，才能較好地恢復發(fā)送信號。與其他空時編碼方式相比，雖然LSTC無法達到最大分集增益，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注。目前，LSTC

10、已被3GPP中的高速數(shù)據(jù)分組接入(HSDPA)業(yè)務采用。當采用n根發(fā)送天線和M組擴頻碼時，對應的系統(tǒng)實現(xiàn)原理如圖4所示。圖4中，編碼后的數(shù)據(jù)流經(jīng)多碼復用器處理后，被劃分成M組，每組包含n個子數(shù)據(jù)流，形成M×n組子數(shù)據(jù)流；然后利用M個擴頻碼分別對上述M組子數(shù)據(jù)流進行擴頻處理；最后對擴頻后的所有M×n個子數(shù)據(jù)流進行分組合并。將M×n個子數(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)擾碼處理后對應于第j根發(fā)送天線發(fā)送出去。這樣，接收端可利用不同的擴頻碼來區(qū)分同一根天線上的M組子數(shù)據(jù)流，而對于采用同一擴頻碼的n個子數(shù)據(jù)流，則利用多

11、天線技術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給出的方案則會達到更高的傳輸速率。文獻8給出了十分詳盡的分析結(jié)果。3 網(wǎng)格空時碼在未來移動通信系統(tǒng)中的應用網(wǎng)格空時碼把編碼和調(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。但相對于STBC和LSTC來說，STTC的實用化進程則緩慢得多。這主要是由以下幾個問題所造成。(1)編譯碼復雜度太大若STTC采用有2b個信號點的信號星

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

13、其兼容性問題，同時還要考慮碼優(yōu)化問題。文獻9詳細研究了串行級連網(wǎng)格空時碼，發(fā)現(xiàn)原來基于秩準則和行列式準則優(yōu)化得到的碼字，在串行級連系統(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連系統(tǒng)的STTC優(yōu)化準則。目前還沒有這方面的研究結(jié)果。3.1 網(wǎng)格空時碼在WCDMA中的解決方案對于將網(wǎng)格空時碼應用于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中的應用方案10，然后在此基礎上進行簡化，取得了較好的結(jié)果。STTC在解決方案中的發(fā)射機模型如圖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、復用，形成所要求的時隙和幀結(jié)構(gòu)。不同天線上的信號分別進行QPSK擴頻調(diào)制。控制信息傳輸模式組合標志(TFCI)和傳輸功率控制(TPC)在兩根天線上可以選用相同形式，但導引序列(Pilot)應正交。為保證基于STTC的WCDMA系統(tǒng)的向下兼容性，所選用的STTC也是一種符號意義上的系統(tǒng)碼，同時為降低系統(tǒng)的編譯碼復雜度，采用基于QPSK調(diào)制的兩狀態(tài)網(wǎng)格空時碼(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是當前的輸入信息。STTC編碼按照圖6標示的過程構(gòu)成輸出序列，通過兩根天線發(fā)送出去，同時將當前的輸入信息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)送的信號是當前的輸入信息，是一種符號意義上的系統(tǒng)碼，因此具有類似于STTD的向下兼容性。在基于網(wǎng)格空時碼的發(fā)送機模型中，采用了將STTC編碼器的輸出序列直接與控制信息進行復用、成幀處理的方法。需要指出的是，一般STTC編碼器都需要進行歸零處理，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)制的延時分集編碼。為了對各種編碼方案進行比較，我們進行了仿真，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、進制表示的生成多項式為：g0=557、g1=663、g2=771。所有系統(tǒng)中外碼和空時碼之間的交織器采用隨機交織器。設系統(tǒng)的傳輸速率為12.2 kb/s，終端移動速度為3 km/h，接收端有兩條可以區(qū)分的路徑，各路徑的時延和功率參數(shù)遵守3GPP規(guī)定。3.2 網(wǎng)格空時碼在OFDM中的解決方案正交頻分復用技術(OFDM)具有較高的頻帶利用率和較強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移動通信系統(tǒng)中得到應用，STTC與OFDM結(jié)合的系統(tǒng)模型如圖7所示：STTC與OFDM的簡單級連時，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OFDM的影響，進一步提高系統(tǒng)的性能。相關的內(nèi)容正在研究當中。4 結(jié)束語分組空時碼最大的優(yōu)點是實現(xiàn)復雜度較低，但由于其沒有編碼增益，很難進一步優(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期的解決方案。與分組空時碼相比，網(wǎng)格空時碼的優(yōu)點之一就是可以進一步優(yōu)化編碼增益，如果能解決其兼容性和性能優(yōu)化問題，將具有一定的應用前景。但由于其實現(xiàn)復雜度相對較高，要完全替代分組空時碼還需要進一步研究。相對于STBC和STTC，LSTC是一種很有發(fā)展前途的空時編碼方案，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、接收端必需能準確地估計信道，這些因素在一定程度上限制了LSTC的進一步發(fā)展和應用，因此其應用目前還僅限于數(shù)據(jù)業(yè)務。5 參考文獻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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