多天線系統(tǒng)中的串行Turbo空時(shí)碼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)課件

多天線系統(tǒng)中的串行Turbo空時(shí)碼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

（SerialTurbospace-timecode)

敖珺

西安電子科技大學(xué)，雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

多天線系統(tǒng)中的串行Turbo空時(shí)碼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

（Serial1主要內(nèi)容：一：引言二：空時(shí)格形碼簡(jiǎn)介三：天線數(shù)目對(duì)系統(tǒng)性能的影響四：多天線系統(tǒng)中空時(shí)碼的設(shè)計(jì)五：Turbo空時(shí)碼編碼器六：總結(jié)主要內(nèi)容：一：引言2一．引言

無(wú)線通信中存在著一些自身特有的難題:有限的頻譜資源多徑衰落；遠(yuǎn)近效應(yīng)系統(tǒng)對(duì)發(fā)射功率的嚴(yán)格要求多徑衰落是影響通信質(zhì)量的決定性因素

分集是對(duì)抗多徑衰落的有效手段

一．引言

無(wú)線通信中存在著一些自身特有的難題:3常用的分集方式

時(shí)間分集頻率分集天線分集

1)空間分集：即令天線間距較大實(shí)現(xiàn)天線分集;2)極化分集：令各天線具有不同的極化方向;3)角度分集：各天線具有不同的方向性常用的分集方式時(shí)間分集4二．空時(shí)碼簡(jiǎn)介

目前有關(guān)空時(shí)編碼與調(diào)制技術(shù)的分類(lèi)

1）

空時(shí)格形碼STTC

2）空時(shí)分組碼STBC3）分層空時(shí)結(jié)構(gòu)

BLAST

二．空時(shí)碼簡(jiǎn)介

目前有關(guān)空時(shí)編碼與調(diào)制技術(shù)的分類(lèi)5空時(shí)格形碼可以提供最大可能的分集增益和編碼增益，然而這種格形碼的構(gòu)造十分復(fù)雜，當(dāng)天線數(shù)目固定時(shí),碼構(gòu)造的復(fù)雜度隨發(fā)射速率的增大呈指數(shù)增加。因此，我們需要用一些其他的方法來(lái)降低碼構(gòu)造復(fù)雜度。已經(jīng)證明將柵格調(diào)制和Turbo碼相結(jié)合可以在獲得大的編碼增益的同時(shí)提高帶寬利用率。正是由于Turbo碼迭代譯碼與空時(shí)格形碼調(diào)制的柵格譯碼特性，我們可以將兩者進(jìn)行巧妙的結(jié)合，從而降低空時(shí)格形碼的碼構(gòu)造復(fù)雜度而不會(huì)損失分集增益。

二．空時(shí)格形碼簡(jiǎn)介

空時(shí)格形碼可以提供最大可能的分集增益和編碼增益，然而6三．增加接受天線數(shù)目對(duì)系統(tǒng)性能

的影響

在Rayleigh衰落信道下，具有N個(gè)發(fā)射天線，M個(gè)接收天線的通信系統(tǒng)在時(shí)間t第j個(gè)天線接收

到的符號(hào)表達(dá)式為總的接收符號(hào)能量

三．增加接受天線數(shù)目對(duì)系統(tǒng)性能

的影響

在Ray7在Rayleigh衰落信道下，解碼器將發(fā)射碼字c錯(cuò)判為e的平均錯(cuò)誤概率為三．增加接受天線數(shù)目對(duì)系統(tǒng)性能

的影響

其中，為路徑增益矩陣A的特征值

在Rayleigh衰落信道下，解碼器將發(fā)射碼字c錯(cuò)判為e的平8三．增加接受天線數(shù)目對(duì)系統(tǒng)性能

的影響

當(dāng)M趨向無(wú)窮時(shí)，上式又為

因?yàn)榫仃嘇的特征值之和等于A的對(duì)角元素之和

三．增加接受天線數(shù)目對(duì)系統(tǒng)性能

的影響

當(dāng)M趨向9

由此可見(jiàn)錯(cuò)誤概率僅依賴于發(fā)射端碼字間的歐氏距離。同時(shí)碼字的性能也只與矩陣A的對(duì)角元素有關(guān)。由A的定義可知，A的對(duì)角線的元素可以用來(lái)計(jì)算各發(fā)射天線碼字間的距離，而非對(duì)角線的元素可以用來(lái)計(jì)算不同發(fā)射天線中碼序列間的干擾。以上結(jié)果表明，當(dāng)M趨于無(wú)窮大時(shí)，碼間干擾最終可被被消除。

三．增加接受天線數(shù)目對(duì)系統(tǒng)性能

的影響

由此可見(jiàn)錯(cuò)誤概率僅依賴于發(fā)射端碼字間的歐氏距10四．多天線系統(tǒng)中空時(shí)碼的設(shè)計(jì)

當(dāng)M大于N幾時(shí)，我們可以不用考慮矩陣A中的所有項(xiàng)而只用考慮矩陣A中對(duì)角線上的元素，設(shè)計(jì)空時(shí)碼時(shí)，主要考慮矩陣A的對(duì)角線上的元素，也即單個(gè)天線發(fā)射的符號(hào)，而不用考慮各個(gè)發(fā)射天線間的碼序列干擾。這樣就極大的減少了空時(shí)格形碼的復(fù)雜度和解碼過(guò)程

四．多天線系統(tǒng)中空時(shí)碼的設(shè)計(jì)當(dāng)M大于N幾時(shí)，我們可以不用考11一般情況下，M最多是約等于N。唯一的一個(gè)使得MN的方法就是將發(fā)射天線劃分為幾個(gè)組，并為每一個(gè)發(fā)射天線組設(shè)計(jì)獨(dú)立的空時(shí)碼。這個(gè)方法使得M的值遠(yuǎn)大于發(fā)射天線組數(shù)。當(dāng)發(fā)射天線組間的碼間干擾可以忽略時(shí)，空時(shí)碼的復(fù)雜度就得到極大的降低，同時(shí)發(fā)射天線組中的每一個(gè)空時(shí)格形碼的碼狀態(tài)數(shù)也減少了。值得注意的是，為每一個(gè)發(fā)射天線組設(shè)計(jì)的空時(shí)碼只能在該發(fā)射組中才能實(shí)現(xiàn)天線分集，而不是在所有的N個(gè)發(fā)射天線中。四．多天線系統(tǒng)中空時(shí)碼的設(shè)計(jì)一般情況下，M最多是約等于N。唯一的一個(gè)使得MN的12圖1新型空時(shí)碼的能量矩陣A四．多天線系統(tǒng)中空時(shí)碼的設(shè)計(jì)圖1新型空時(shí)碼的能量矩陣A四．多天線系統(tǒng)中空時(shí)碼的設(shè)計(jì)13然而，將天線分組會(huì)導(dǎo)致分集天線增益的損耗，這是由于每一個(gè)編碼器的傳輸信息都集中在各自的天線組。為了讓以上方法能夠獲得發(fā)射天線的全部分集增益，我們可以采用一些交織的方法。這就意味者，不同的碼組之間可以周期性的相交換各自的天線組，從而充分利用分集增益。下面我們將證明，TURBO碼結(jié)構(gòu)引入空時(shí)編碼，將會(huì)提高空時(shí)格形碼字的性能。

四．多天線系統(tǒng)中空時(shí)碼的設(shè)計(jì)然而，將天線分組會(huì)導(dǎo)致分集天線增益的損耗，這是由于每一14五．Turbo空時(shí)碼Turbospace-time碼編碼器一.Turbo空時(shí)碼編碼器

五．Turbo空時(shí)碼Turbospace-time碼編碼15二.Turbo空時(shí)碼譯碼器Turbo空時(shí)譯碼器的基本工作原理：由于在空時(shí)碼的編碼器前端采用了Turbo碼的編碼器的結(jié)構(gòu)，那么在譯碼端，我們采用的也是與Turbo碼譯碼相類(lèi)似的次優(yōu)化迭代譯碼算法。該迭代譯碼算法的由兩部分組成：分組碼的MAP譯碼器和兩個(gè)概率更新計(jì)算器——MAP譯碼的輸出概率和信息比特流的先驗(yàn)概率。分組MAP譯碼器對(duì)相應(yīng)的分組碼進(jìn)行譯碼，并根據(jù)奇偶校驗(yàn)位和前一個(gè)MAP譯碼器的輸出來(lái)改變這兩個(gè)概率值。并將新的先驗(yàn)概率輸出到下一個(gè)成分譯碼器。為了得到更好的譯碼性能，將此過(guò)程迭代數(shù)次。

二.Turbo空時(shí)碼譯碼器Turbo空時(shí)譯碼器的基本工作16分組MAP譯碼算法的輸入包括先驗(yàn)信息和分支矩陣。基本上，MAP譯碼器的輸入矩陣是由接收符號(hào)與發(fā)射符號(hào)間的歐氏距離決定的。

為接收天線j在時(shí)間t收到的信號(hào)

為發(fā)射天線在t時(shí)刻發(fā)射的信號(hào)

A.矩陣計(jì)算和第一個(gè)譯碼過(guò)程

分組MAP譯碼算法的輸入包括先驗(yàn)信息和分支矩陣?；旧?，MA17B．多分支MAP譯碼器及信息交換MAP譯碼器輸出的比特概率U，用表示內(nèi)部空時(shí)編碼器的輸入序列的第k個(gè)（包含奇偶校驗(yàn)位）比特位，y表示接收序列：B．多分支MAP譯碼器及信息交換MAP譯碼器輸出的比特18在下一個(gè)譯碼器工作之前，根據(jù)接收的奇偶校驗(yàn)碼對(duì)先驗(yàn)信息進(jìn)行更新：

當(dāng)所有R個(gè)接收碼字譯碼完成后，則該階段譯碼器的概率輸出為：在下一個(gè)譯碼器工作之前，根據(jù)接收的奇偶校驗(yàn)碼對(duì)先驗(yàn)信息19五．總結(jié)

本文介紹了在半穩(wěn)態(tài)和獨(dú)立瑞利衰落環(huán)境下，分集多天線系統(tǒng)中的串行結(jié)構(gòu)的Turbospace-time碼的設(shè)計(jì)方法。這種方法使得人們可以用少量的空時(shí)碼去構(gòu)造大的多天線系統(tǒng)，從而不會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時(shí)也保證了系統(tǒng)天線的充分分集。該方法可以通過(guò)選擇不同的R來(lái)調(diào)節(jié)性能和譯碼復(fù)雜度之間的關(guān)系。此外，由于此種空時(shí)碼的一般性結(jié)構(gòu)，使得人們可以很容易的調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)來(lái)適應(yīng)不同的環(huán)境需求。五．總結(jié)

本文介紹了在半穩(wěn)態(tài)和獨(dú)立瑞利衰落環(huán)境下，分集多天線20謝謝!謝謝!21多天線系統(tǒng)中的串行Turbo空時(shí)碼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

（SerialTurbospace-timecode)

敖珺

西安電子科技大學(xué)，雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

多天線系統(tǒng)中的串行Turbo空時(shí)碼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

（Serial22主要內(nèi)容：一：引言二：空時(shí)格形碼簡(jiǎn)介三：天線數(shù)目對(duì)系統(tǒng)性能的影響四：多天線系統(tǒng)中空時(shí)碼的設(shè)計(jì)五：Turbo空時(shí)碼編碼器六：總結(jié)主要內(nèi)容：一：引言23一．引言

無(wú)線通信中存在著一些自身特有的難題:有限的頻譜資源多徑衰落；遠(yuǎn)近效應(yīng)系統(tǒng)對(duì)發(fā)射功率的嚴(yán)格要求多徑衰落是影響通信質(zhì)量的決定性因素

分集是對(duì)抗多徑衰落的有效手段

一．引言

無(wú)線通信中存在著一些自身特有的難題:24常用的分集方式

時(shí)間分集頻率分集天線分集

1)空間分集：即令天線間距較大實(shí)現(xiàn)天線分集;2)極化分集：令各天線具有不同的極化方向;3)角度分集：各天線具有不同的方向性常用的分集方式時(shí)間分集25二．空時(shí)碼簡(jiǎn)介

目前有關(guān)空時(shí)編碼與調(diào)制技術(shù)的分類(lèi)

1）

空時(shí)格形碼STTC

2）空時(shí)分組碼STBC3）分層空時(shí)結(jié)構(gòu)

BLAST

二．空時(shí)碼簡(jiǎn)介

目前有關(guān)空時(shí)編碼與調(diào)制技術(shù)的分類(lèi)26空時(shí)格形碼可以提供最大可能的分集增益和編碼增益，然而這種格形碼的構(gòu)造十分復(fù)雜，當(dāng)天線數(shù)目固定時(shí),碼構(gòu)造的復(fù)雜度隨發(fā)射速率的增大呈指數(shù)增加。因此，我們需要用一些其他的方法來(lái)降低碼構(gòu)造復(fù)雜度。已經(jīng)證明將柵格調(diào)制和Turbo碼相結(jié)合可以在獲得大的編碼增益的同時(shí)提高帶寬利用率。正是由于Turbo碼迭代譯碼與空時(shí)格形碼調(diào)制的柵格譯碼特性，我們可以將兩者進(jìn)行巧妙的結(jié)合，從而降低空時(shí)格形碼的碼構(gòu)造復(fù)雜度而不會(huì)損失分集增益。

二．空時(shí)格形碼簡(jiǎn)介

空時(shí)格形碼可以提供最大可能的分集增益和編碼增益，然而27三．增加接受天線數(shù)目對(duì)系統(tǒng)性能

的影響

在Rayleigh衰落信道下，具有N個(gè)發(fā)射天線，M個(gè)接收天線的通信系統(tǒng)在時(shí)間t第j個(gè)天線接收

到的符號(hào)表達(dá)式為總的接收符號(hào)能量

三．增加接受天線數(shù)目對(duì)系統(tǒng)性能

的影響

在Ray28在Rayleigh衰落信道下，解碼器將發(fā)射碼字c錯(cuò)判為e的平均錯(cuò)誤概率為三．增加接受天線數(shù)目對(duì)系統(tǒng)性能

的影響

其中，為路徑增益矩陣A的特征值

在Rayleigh衰落信道下，解碼器將發(fā)射碼字c錯(cuò)判為e的平29三．增加接受天線數(shù)目對(duì)系統(tǒng)性能

的影響

當(dāng)M趨向無(wú)窮時(shí)，上式又為

因?yàn)榫仃嘇的特征值之和等于A的對(duì)角元素之和

三．增加接受天線數(shù)目對(duì)系統(tǒng)性能

的影響

當(dāng)M趨向30

由此可見(jiàn)錯(cuò)誤概率僅依賴于發(fā)射端碼字間的歐氏距離。同時(shí)碼字的性能也只與矩陣A的對(duì)角元素有關(guān)。由A的定義可知，A的對(duì)角線的元素可以用來(lái)計(jì)算各發(fā)射天線碼字間的距離，而非對(duì)角線的元素可以用來(lái)計(jì)算不同發(fā)射天線中碼序列間的干擾。以上結(jié)果表明，當(dāng)M趨于無(wú)窮大時(shí)，碼間干擾最終可被被消除。

三．增加接受天線數(shù)目對(duì)系統(tǒng)性能

的影響

由此可見(jiàn)錯(cuò)誤概率僅依賴于發(fā)射端碼字間的歐氏距31四．多天線系統(tǒng)中空時(shí)碼的設(shè)計(jì)

當(dāng)M大于N幾時(shí)，我們可以不用考慮矩陣A中的所有項(xiàng)而只用考慮矩陣A中對(duì)角線上的元素，設(shè)計(jì)空時(shí)碼時(shí)，主要考慮矩陣A的對(duì)角線上的元素，也即單個(gè)天線發(fā)射的符號(hào)，而不用考慮各個(gè)發(fā)射天線間的碼序列干擾。這樣就極大的減少了空時(shí)格形碼的復(fù)雜度和解碼過(guò)程

四．多天線系統(tǒng)中空時(shí)碼的設(shè)計(jì)當(dāng)M大于N幾時(shí)，我們可以不用考32一般情況下，M最多是約等于N。唯一的一個(gè)使得MN的方法就是將發(fā)射天線劃分為幾個(gè)組，并為每一個(gè)發(fā)射天線組設(shè)計(jì)獨(dú)立的空時(shí)碼。這個(gè)方法使得M的值遠(yuǎn)大于發(fā)射天線組數(shù)。當(dāng)發(fā)射天線組間的碼間干擾可以忽略時(shí)，空時(shí)碼的復(fù)雜度就得到極大的降低，同時(shí)發(fā)射天線組中的每一個(gè)空時(shí)格形碼的碼狀態(tài)數(shù)也減少了。值得注意的是，為每一個(gè)發(fā)射天線組設(shè)計(jì)的空時(shí)碼只能在該發(fā)射組中才能實(shí)現(xiàn)天線分集，而不是在所有的N個(gè)發(fā)射天線中。四．多天線系統(tǒng)中空時(shí)碼的設(shè)計(jì)一般情況下，M最多是約等于N。唯一的一個(gè)使得MN的33圖1新型空時(shí)碼的能量矩陣A四．多天線系統(tǒng)中空時(shí)碼的設(shè)計(jì)圖1新型空時(shí)碼的能量矩陣A四．多天線系統(tǒng)中空時(shí)碼的設(shè)計(jì)34然而，將天線分組會(huì)導(dǎo)致分集天線增益的損耗，這是由于每一個(gè)編碼器的傳輸信息都集中在各自的天線組。為了讓以上方法能夠獲得發(fā)射天線的全部分集增益，我們可以采用一些交織的方法。這就意味者，不同的碼組之間可以周期性的相交換各自的天線組，從而充分利用分集增益。下面我們將證明，TURBO碼結(jié)構(gòu)引入空時(shí)編碼，將會(huì)提高空時(shí)格形碼字的性能。

四．多天線系統(tǒng)中空時(shí)碼的設(shè)計(jì)然而，將天線分組會(huì)導(dǎo)致分集天線增益的損耗，這是由于每一35五．Turbo空時(shí)碼Turbospace-time碼編碼器一.Turbo空時(shí)碼編碼器

五．Turbo空時(shí)碼Turbospace-time碼編碼36二.Turbo空時(shí)碼譯碼器Turbo空時(shí)譯碼器的基本工作原理：由于在空時(shí)碼的編碼器前端采用了Turbo碼的編碼器的結(jié)構(gòu)，那么在譯碼端，我們采用的也是與Turbo碼譯碼相類(lèi)似的次優(yōu)化迭代譯碼算法。該迭代譯碼算法的由兩部分組成：分組碼的MAP譯碼器和兩個(gè)概率更新計(jì)算器——MAP譯碼的輸出概率和信息比特流的先驗(yàn)概率。分組MAP譯碼器對(duì)相應(yīng)的分組碼進(jìn)行譯碼，并根據(jù)奇偶校驗(yàn)位和前一個(gè)MAP譯碼器的輸出來(lái)改變這兩個(gè)概率值。并將新的先驗(yàn)概率輸出到下一個(gè)成分譯碼器。為了得到更好的譯碼性能，將此過(guò)程迭代數(shù)次。

二.Turbo空時(shí)碼譯碼器Tu