空時編碼技術(共4頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上空時編碼技術空時編碼STC (Space-Time Coding) 技術在無線通信領域引起了廣泛關注,空時編碼的概念是基于Winters 在20世紀80年代中期所做的關于天線分集對于無線通信容量的重要性的開創(chuàng)性工作。空時編碼是一種能獲取更高數(shù)據(jù)傳輸率的信號編碼技術，是空間傳輸信號和時間傳輸信號的結合，實質上就是空間和時間二維的處理相結合的方法。在新一代移動通信系統(tǒng)中，空間上采用多發(fā)多收天線的空間分集來提高無線通信系統(tǒng)的容量和信息率；在時間上把不同信號在不同時隙內使用同一個天線發(fā)射，使接收端可以分集接收。用這樣的方法可以獲得分集和編碼增益，從而實現(xiàn)高速率的傳輸?，F(xiàn)在是第

2、三代移動通信系統(tǒng)中提高頻譜利用率的一項技術?？諘r編碼的有效工作需要在發(fā)射和接收端使用多個天線,因為空時編碼同時利用時間和空間兩維來構造碼字,這樣才能有效抵消衰落,提高功率效率；并且能夠在傳輸信道中實現(xiàn)并行的多路傳送,提高頻譜。需要說明的是,空時編碼技術因為屬于分集的范疇,所以要求在多散射體的多徑情況下應用,天線間距應適當拉開以保證發(fā)射、接收信號的相互獨立性,以充分利用多散射體所造成的多徑。1 空時編碼技術及其分類空時編碼在不同天線所發(fā)送的信號中引入時間和空間的相關性,從而不用犧牲帶寬就可以為接收端提供不編碼系統(tǒng)所沒有的分集增益和編碼增益。 空時編碼的基本工作原理如下:從信源給出的信息數(shù)據(jù)流,到

3、達空時編碼器后,形成同時從許多個發(fā)射天線上發(fā)射出去的矢量輸出,稱這些調制符號為空時符號(STS) 或者空時矢量符(STVS) 。與通常用一個復數(shù)表示調制符號類似(復的基帶表示) ,一個空時矢量符STVS可以表示成為一個復數(shù)的矢量,矢量中數(shù)的個數(shù)等于發(fā)射天線的個數(shù)。目前提出的空時編碼方式主要有：正交空時分組碼OSTBC (Orthogonal Space2 Time Block Coding) ；貝爾分層空時結構BLAST(Bell Layered Space2Time Architecture) ；空時格型編碼STTC(Space2Time Trellis Coding) ；這3類接收機需要已

4、知信道傳輸系數(shù)的空時編碼,另外還有適于少數(shù)不知道信道傳輸系數(shù)情況的有效期分空時編碼。2 典型的空時碼21 空時分組碼正交空時分組編碼(OSTBC) 包括兩大類: 空時發(fā)射分集(STTD) ,最初上Alamouti 于1998 年以兩個發(fā)射天線的簡單發(fā)射分集技術為例提出,其基本思想類似于接收分集中的最大比接收合并MRRC ，然后經V. Tarokh 等人于1999 年利用正交化設計思想推廣到多天線情況,稱為空時分組編碼。 數(shù)據(jù)經過空時編碼后,編碼數(shù)據(jù)分為多個支路數(shù)據(jù)流,分別經過多個發(fā)射天線同時發(fā)射出去；接收端的最大似然譯碼可以通過把不同天線發(fā)射的數(shù)據(jù)解偶來得到更簡單的實現(xiàn)形式,利用的是空時碼字矩

5、陣的正交性從而得到基于線性處理的最大似然譯碼算法。 正交發(fā)射分集(OTD) ,由Motorola 做為cdma2000 3G CDMA 的標準提出. 這兩種方法都具有不擴展信號帶寬的優(yōu)點,即可以不同犧牲頻譜效率；并且解碼可以由線性運算按照最大似然算法給出,優(yōu)于標準的Viterbi 譯碼,接收機可以比較簡單,但是它們也不能夠提供編碼增益。2.2 分層空時碼BLAST(Bell Layered Space-Time Architecture) 分層空時結構最初由朗訊公司的貝爾實驗室的G.J.Foschini 于1996 年提出,稱為BLAST(Bell LayeredSpace2Time Arch

6、itecture) ,并于1998 年研制出了實驗系統(tǒng)V-BLAST ,申請了專利. 它需要在發(fā)射端和接收端使用多個天線(接收端天線數(shù)目不少于發(fā)射端天線目) ,并且在譯碼時需要知道精確的信道信息,主要適合于不需要進行有線連接的室內固定不動的辦公環(huán)境和郊區(qū)等地區(qū)的固定無線接入。分層空時碼先將待傳信息流經串并變換為n路，并分別進行一般的信道編碼，再將這n路按一定規(guī)律分層編碼后加載同樣的載波由發(fā)射天線陣同時發(fā)射。分層規(guī)則分為：水平分層、垂直分層、對角線分層。收端可采用陣列信號處理技術結合信道譯碼技術來進行解調。比如直接矩陣求逆、干擾抵消、迫零反饋均衡等。分層空時碼的最大優(yōu)點是頻帶利用率高。由于在發(fā)射

7、端沒有對信號進行抗衰落處理，其對無線信道的特性要求很高，而且因為各層之間的譯碼是相互獨立的，無法共享其它層的信息實現(xiàn)聯(lián)合預測。但由于其編譯碼簡單，可在一些要求不很高的環(huán)境中應用。2.3 空時格型編碼(STTC)空時格型編碼STTC(Space-Time Trellis Coding) 最初由V.Tarokh 等人提出,它是由Ungerboeck 提出的格型編碼調制TCM(Trellis Coded Modulation) 的推廣。2.4 差分空時編碼推導空時編碼的構造準則和在接收端進行譯碼時都需要知道較為準確的信道信息CSI ,這多數(shù)情況下是可行的;但是,在快衰落或者發(fā)射、接收天線數(shù)目較多時等

8、少數(shù)情況下,就可能得不到精確的信道估計,這就需要研究發(fā)射端和接收端都不需要信道衰落系數(shù)的空時編碼. 受常規(guī)的單發(fā)單收無線通信系統(tǒng)中的差分調制技術的啟示,人們試圖將差分調制方法推廣到多發(fā)射天線的情況. Hochwald 和Marzetta 提出了酉空時編碼(Unitary Space-Time Codes) ,最優(yōu)酉守時碼的設計是最小化任意兩個碼字矩陣之間的相關系數(shù),但是它們的指靈敏級的編碼、譯碼復雜度,使得其更像一種理論上的最優(yōu)編碼. 隨后,Hochwald 等人又提出了具有多項式編碼復雜度和指數(shù)級譯碼復雜度的第二種結構 ,這同樣在實際環(huán)境中難以使用. 幾乎與此同時,V.Tarokh 等人提出

9、了針對兩個發(fā)射天線的基于正交設計和空時分組編碼的真正的差分編碼方案 ,該方案是第一個具有簡單的編、譯碼復雜度的差分編碼方案,隨Jafarkhan 和Tarokh 又將該差分方案利用廣義正交化設計方法推廣到多個發(fā)射天線的情況。其他學者也提出了一些其他形式的算法,但是其譯碼復雜度均要大大超過差差分檢測方案的只是天線數(shù)目和數(shù)據(jù)傳輸速率的線性關系的譯碼復雜度,所以目前差分檢測方案應該是適合實際應用的未知信道信息的發(fā)射分集方案. 需要指出的是,這種差分空時編碼的性能也要比空時分組編碼的相干檢測性能要有3dB的損失 ,這也算是對無需信道估計所付出的代價。3 應用前景眾所周知,第三代3G及一代無線通訊系統(tǒng)的

10、主要目的之一就是為移動和靜止用戶提供寬帶接入,實時的多媒體業(yè)務如視頻會議所要求的數(shù)據(jù)速率將會是現(xiàn)在無線技術所能提供速率的兩到三倍以上,速率可能要求高達2Mb/s以上. 而很明顯,使用多個發(fā)射或接收天線可以取得更高的頻譜效率. 這樣在多徑衰落無線信道中使用多個發(fā)射天線結合空時編碼技術就很有可能提供功耗和頻譜效率的最佳折中. 而事實上也的確如此,空時編碼技術和多個發(fā)射天線的信號處理技術最近已經被第三代蜂窩移動通訊標準如CDMA2000 和W2CDMA所采納,另外,也被建議應用到無線地環(huán)路及廣域分級接入中去. 具體地說,空時編碼技術可以結合當前的窄帶TDMA 蜂窩移動通訊系統(tǒng),使系統(tǒng)的傳輸速率得到大

11、大提高;它也可以通過抑制干擾大大提高無線通訊系統(tǒng)的容量或吞吐量;另外,它還可以結合OFDM等通訊技術用于寬帶無線通訊系統(tǒng). 所以,空時編碼技術在未來的無線通訊系統(tǒng)中包括寬帶固定無線接入FWA、無線局域網LAN 甚至蜂窩移動通信系統(tǒng)中也有著廣闊的應用前景。4 研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向作為一種新的通信信號處理技術和方法,自從空時編碼提出以來,全球無線通信領域內掀起了研究空時編碼的熱潮,除了對如何構造空時編碼和空時編碼與其他信道編碼方式如Turbo 碼相結合方面的研究外,許多和工程應用緊密聯(lián)系的研究方向正在形式.當前雖然關于空時編碼的構造和應用有了一些成果,但是這些理論大多假設信道是準靜態(tài)、平衰落的,各衰

12、落路徑也是假設是相互獨立的,而實際信道為頻率選擇性衰落、快變化以至各衰落路徑有可能相關,所以為了推動空時編碼技術的實用性,有必要對空時編碼在信道為頻率選擇性衰落、快變化18 以至各衰落路徑相關19 的情況下的性能以及相應的改進措施進行理論和實踐研究. 同時,如何將空時編碼和第三代移動通訊的標準相結合,研究在CDMA ,WCDMA 環(huán)境下空時編碼技術的性能以及和其他技術如多用戶檢測技術的結合目前也吸引了不少的研究人員進行研究,如空時編碼和OFDM等通訊技術的結合,使其適用于寬帶無線通訊系統(tǒng)。另外,如何將空時編碼和陣列信號處理技術如波束形成技術(Beamforming) 和干擾抵消技術( InterferenceCancellation) 有機地結合起來 ,充分發(fā)揮二者的優(yōu)點,進一步提高其性能,提高它的實用性,