移動通信11教材

第十一章空時編碼討論MIMO技術與空時編碼。意義隨著無線通信技術的快速發(fā)展，頻譜資源的嚴重不足已經(jīng)日益成為遏制無線通信事業(yè)的瓶頸。如何充分開發(fā)利用有限的頻譜資源，提高頻譜利用率，是當前通信界研究的熱點課題之一。多輸入多輸出(MultiInputMultiOutput,MIMO)無線通信技術的概念非常簡單，任何一個無線通信系統(tǒng)，只要其發(fā)射端和接收端均采用了多個天線或者天線陣列，就構(gòu)成了一個無線MIMO系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用空時處理技術進行信號處理。在多徑環(huán)境下，該技術能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，是新一代移動通信系統(tǒng)必須采用的關鍵技術。意義MIMO技術實質(zhì)上是為系統(tǒng)提供空間復用增益和空間分集增益，目前針對MIMO信道所進行的研究也主要圍繞這兩個方面?？臻g復用技術可以大大提高信道容量，而空間分集則可以提高信道的可靠性，降低信道誤碼率。傳統(tǒng)的分集是只在接收端采用多根天線，又稱接收分集。這種方式由于接收裝置的成本、體積和功率所限，只適用于上行信道，不適用于下行信道。最近幾年，由于第三代無線通信系統(tǒng)所提出的高達2Mbit/s的高比特率數(shù)據(jù)服務，在基站端使用多個發(fā)射天線的發(fā)射分集技術漸漸成為研究熱點，同時基于發(fā)射分集的空時編碼技術也受到了格外的重視。MIMO技術MIMO系統(tǒng)可以用一種非常簡單的方式來定義：考慮一個無線通信系統(tǒng)，在收發(fā)兩端使用多個天線，每個收發(fā)天線對之間形成一個子信道，假定發(fā)送端有n個發(fā)送天線，接收端有m個接收天線，在收發(fā)天線之間形成信道矩陣(其中的元素是任意一對收發(fā)天線之間的路徑增益)，這就可認為是一個MIMO系統(tǒng)。它的核心思想就是空時信號處理。這樣的系統(tǒng)也可以認為是智能天線的一種擴展應用。將傳統(tǒng)無線業(yè)務所認為的不利因素――多徑傳播，變不利為有利，正是MIMO系統(tǒng)的關鍵特性。由此大幅度提升無線通信的性能卻無需以額外頻譜帶寬為代價(僅僅是硬件復雜性的增加)，是其在該領域獲得成功之所在。另外，MIMO系統(tǒng)可以提供發(fā)射分集和接收分集聯(lián)合的更高能級的增益。MIMO技術對于信道矩陣參數(shù)確定的MIMO信道，假定發(fā)送端不知道信道信息，總的發(fā)送功率與發(fā)送天線的數(shù)量無關；接收端的噪聲為加性高斯白噪聲，且功率為1；發(fā)送功率平均分配到每一個發(fā)送天線上，則容量公式為

從上式可以看出，此時的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。也就是說可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。MIMO技術利用

MIMO技術可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。前者是利用MIMO

信道提供的空間復用增益，后者是利用MIMO信道提供的空間分集增益。實現(xiàn)空間復用增益的算法主要有Bell實驗室的BLAST

算法、ZF

算法、MMSE

算法、ML

算法。ML

算法具有很好的譯碼性能，但是復雜度比較大，對于實時性要求較高的無線通信不能滿足要求。ZF

算法簡單易實現(xiàn)，但是對信道的信噪比要求較高。性能和復雜度最優(yōu)的就是BLAST

算法。該算法實際上是使用ZF算法加上干擾刪除技術得出的。目前MIMO

技術領域的一個研究熱點就是空時編碼。空時編碼利用了空間和時間上的分集，從而降低信道誤碼率?？諘r編碼的基本概念

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，到達編碼器后，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(diào)制符號為空時符號或者空時矢量符號。與通常用一個復數(shù)表示調(diào)制符號類似(復的基帶表示)，一個空時矢量符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)。使用空時編碼是達到或接近多輸入多輸出無線信道容量的一種可行、有效的方法。目前空時編碼在編碼結(jié)構(gòu)上最常用的主要有兩種方法，空時格形碼和空時分組碼。所有這些編碼方案的核心思想是使用多徑來獲得較高的頻譜利用率和性能增益的目的。空時編碼的分類

1998年Tarokh等提出了空時編碼的概念，空時編碼能較好地利用由多發(fā)送多接收天線構(gòu)成的多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)提供的信道容量，可以在不增加帶寬和發(fā)送功率的情況下提高信息傳輸速率，改善信息傳輸性能。從設計目的的角度，目前已提出的各種空時編碼方法可分為3類:第1類以改善傳輸性能為目的，利用MIMO系統(tǒng)所能提供的分集度，設計具有滿分集度的空時碼，以提高信息傳輸?shù)目煽啃?，代表性的有空時網(wǎng)格碼(STTC)、空時正交設計(STOD)碼以及對角代數(shù)空時(DAST)塊碼等。第2類以提高信息符號傳輸速率為目的，利用MIMO系統(tǒng)所能提供的傳輸自由度，設計達到全速率信息傳輸?shù)目諘r碼，以提高信息傳輸?shù)挠行裕湫偷挠胸悹柗謱涌諘r結(jié)構(gòu)(BLAST)、線性彌散(LD)碼等。第3類是最近兩三年提出的，同時以提高信息傳輸性能和速率為目的，力圖設計達到滿分集度全速率的空時碼，如線狀代數(shù)空時(TAST)塊碼、線性復數(shù)域預編碼(LFC)空時碼等?？諘r編碼的模型

信息源空時編碼器接收機空時編碼的模型若干個信息比特C由空時編碼器編碼成N個碼元,其中表示時隙t從第i個天線上發(fā)送的信號,若表示時隙t天線j收到的信號(假定理想的定時和頻率信息)，則接收信號可以寫成零均值復高斯白噪聲過程的采樣，每維具有的雙邊功率普密度?？諘r編碼的模型從N個發(fā)射天線到M個接收天線的無線信道可以用M×N信道矩陣H表示

H=則上式也可以用以下矩陣形式加以描述

其中空時編碼的設計準則

采用多個發(fā)射天線和多個接收天線所獲得的分集增益，它決定了信噪比－誤碼率曲線的斜率；編碼所能獲得的編碼增益，它在分集增益確定的情況下，決定信噪比－誤碼率曲線的平移。常見的空時編碼

當前比較成熟的空時編碼技術是：空時分組碼（Space-TimeBlockCode）和空時網(wǎng)格碼（Space-TimeTrellisCode）。空時分組碼提供分集增益，不提供編碼增益；空時網(wǎng)格碼是一種將差錯控制編碼、調(diào)制、發(fā)射和接收分集聯(lián)合在一起進行設計的空時編碼?？諘r格型碼（STTC）

空時格型碼（STTC）是較早提出的一類空時編碼技術，適用于多種無線信道環(huán)境。STTC把編碼和調(diào)制結(jié)合起來，能夠達到編譯碼復雜度、性能和頻帶利用率之間的最佳折中，是一種最佳碼?？諘r格型碼每次輸入一個碼元產(chǎn)生一列向量碼元，其長度代表天線，并把輸入碼片流編碼成輸出向量碼片流。因為譯碼器具有記憶性，所以這些向量碼片在時間上是相關的。譯碼借助最大似然序列估計來完成。像用于單天線信道的傳統(tǒng)TCM(TrellisCodedModulation，格型編碼調(diào)制)一樣，空時格型碼提供了一定的編碼增益，此外還提供了全部的分集增益。STTC8PSK八狀態(tài)時延分集用作空時網(wǎng)格碼STTC左下角最左邊的數(shù)字為星座編號，對應為PSK信號的八個狀態(tài)；格形圖表示這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移。在右下角部分所示矩陣中，每行的元素S1S2編號的含義是：從第一根天線發(fā)射出去的字符為S1，從第二根天線發(fā)射的字符為S2

。由于是八進制調(diào)制，故空時編碼器的輸入比特串每三個比特被分成一組，每組映射為八個星座點中的一點，例如000表示星座圖中的點0，而111表示點7等。即使是同一進制PSK碼，也可以具有不同的狀態(tài)數(shù)。STTC空時格型碼可以提供最大可能的分集增益和編碼增益，而不會犧牲發(fā)射帶寬。然而，這種碼的譯碼需要使用Viterbi

譯碼算法。當天線數(shù)目固定時，譯碼復雜度隨發(fā)射速率的增大呈指數(shù)增加，顯得不太實用。因此，這里不對空時格型碼的編碼和譯碼作更多的介紹。空時格型碼除了上述的構(gòu)造方法以外現(xiàn)在有不少文獻討論空時格型碼的不同構(gòu)造方法，例如多層格狀編碼調(diào)制、Turbo編碼調(diào)制、串行級聯(lián)的卷積編碼加Gray映射等等?？諘r分組碼（STBC）

空時格型碼在編碼時考慮了前后輸入的關聯(lián)，因此其性能是比較好的，但是由于空時格型碼的復雜度是與傳輸數(shù)據(jù)速率呈指數(shù)關系上升的，因此在提高性能的同時，整個系統(tǒng)的復雜度也大大提升。為此，Tarokh在Alamouti研究的基礎上，應用正交設計的理論，提出了空時分組碼。空時分組碼通常利用其正交性，采用最大似然譯碼，使得譯碼復雜度大大下降，同時還能夠獲得最大的分集增益?？諘r格型碼與空時分組碼之間的一個不同特性是典型的空時分組碼是復數(shù)域上的線性碼。這些復數(shù)實質(zhì)上是帶有M個點星座圖的二維調(diào)制域上的碼元?？諘r格型碼可以是有限域上的線性碼，但它們在復數(shù)域上不是線性的。在工作點的性能上的區(qū)別是，空時格型碼被設計用來實現(xiàn)高端的信噪比性能，空時分組碼用來設計中低信噪比性能。由于空時分組碼具有相對簡單的譯碼算法和較好的性能，所以可以將其和其它前沿技術相結(jié)合，WangLX指出，將空時分組碼與正交頻分復用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)相結(jié)合，不但可以得到極佳的性能，而且還可以有效地降低OFDM盲信道估計的難度。Alamouti空時編碼

Alamouti空時編碼假定采用M進制調(diào)制方案。在Alamouti

空時編碼中，首先調(diào)制每一組m

（）個信息比特。然后，編碼器在每一次編碼操作中取兩個調(diào)制符號和的一個分組，并根據(jù)如下給出的編碼矩陣將他們映射到發(fā)射天線

編碼器的輸出在兩個連續(xù)發(fā)射周期里從兩根發(fā)射天線發(fā)射出去。在第一個發(fā)射周期中，信號和同時從天線1和天線2分別發(fā)射。在第二個發(fā)射周期中，信號從天線1發(fā)射，而從天線2發(fā)射，其中是的復共軛。AlamoutiSTBC方案編碼和發(fā)射序列分別用和來表示天線1和2上的發(fā)射序列。Alamouti

方案的主要特征是兩根發(fā)射天線的發(fā)射序列是正交的，也就是說，序列和的內(nèi)積為0，如下式編碼矩陣具有如下的特性

式中，是一個2×2的單位矩陣。Alamouti

方案的接收機在t時刻從第一和第二根發(fā)射天線到接收天線的衰落信道系數(shù)分別用和表示。假定衰落系數(shù)在兩個連續(xù)符號發(fā)射周期之間不變，則可以表示為

和

式中，和（i=1,2）分別是發(fā)射天線到接收天線的幅度增益和相移，T為持續(xù)時間。在接收天線端，兩個連續(xù)符號周期中的接收信號（t時刻和t+T時刻的接收信號分別表示為和）可以表示為其中和是每一位均值為0且功率普密度為的獨立復變量，分別表示t時刻和t+T時刻上加性高斯白噪聲的取樣。

STBC編碼器實信號星座的STBC

復信號星座的STBC

空時分組碼的譯碼

其它種類的空時編碼技術

不論是空時格型碼、空時分組碼這樣的基于發(fā)射分集的空時碼，還是分層空時碼，在接受端譯碼時都需要了解信道狀態(tài)信息(CSI)，但是在實際情況中，為了獲得信道狀態(tài)信息，就必須花費一些代價。為此，發(fā)射端需要發(fā)射一些訓練序列對接收端進行訓練，從而得出信道估計的參數(shù)，但是這樣就損失了頻帶利用率，而且即使是這樣，對于快衰落和移動臺移動速度較快的情況也是不適用的。因此，許多專家提出了酉空時碼的概念，即不需要對信道狀態(tài)信息進行估計的空時編碼。前面所述的第1類空時碼均假設接收端可以準確地估計信道狀態(tài)信息，這在慢衰落信道下是可行的。但若信道屬于快變衰落信道，即信道參數(shù)變化比較快，或者收發(fā)天線數(shù)目比較多時，接收端進行信道估計就會非常困難，有時甚至根本無法估計?；谶@種考慮，人們開始研究不需信道狀態(tài)信息也能取得良好性能的空時編碼方案。酉空時碼和差分空時碼就是根據(jù)這個要求提出的第2類空時碼(盲空時碼)。酉空時碼

酉空時碼（UnitarySpace-TimeCodes）在形式上類似于STBC，是Hochwald所構(gòu)造的一種接收端不需進行信道估計的空時碼，要求發(fā)送碼矩陣為酉矩陣。酉空時碼的設計與前述幾種空時碼截然不同，它不再優(yōu)化歐氏距離，而是要優(yōu)化相關矩陣的矩陣范數(shù),它的值越小，酉空時碼的性能越好。酉空時碼作為快變衰落信道下的一種空時碼解