基于發(fā)射分集的空時(shí)碼及其應(yīng)用

    摘要：介紹了基于發(fā)射分集的空時(shí)碼的結(jié)構(gòu)和編碼原理，總結(jié)分析了基于發(fā)射分集的空時(shí)碼在移動(dòng)通信中的應(yīng)用和性能特點(diǎn)，并對(duì)其研究方向和發(fā)展前景進(jìn)行了探討。

發(fā)射分集的概念由接收分集技術(shù)引伸而來(lái)。它是為減弱信號(hào)衰落的效果，使用多個(gè)獨(dú)立的天線或相關(guān)天線陣列，把發(fā)射信號(hào)的復(fù)本以空間冗余的形式提供給接收端。分集發(fā)射利用不同基站或同一基站中不同位置的天線發(fā)射信號(hào)到達(dá)移動(dòng)臺(tái)的不相關(guān)性，借助移動(dòng)臺(tái)的Rake分集接收功能，分別接收由不同天線或不同基站發(fā)出的信號(hào)再分集合并，從而提高系統(tǒng)性能。

空時(shí)編碼(STC)是近年來(lái)移動(dòng)通信領(lǐng)域出現(xiàn)的一種新的編碼和信號(hào)處理技術(shù)，在發(fā)射端和接收端同時(shí)使用多個(gè)天線進(jìn)行信息的發(fā)射和接收，在不同天線發(fā)射信號(hào)之間引入時(shí)域和空域相關(guān)，綜合利用時(shí)域和空域二維信息，在接收端進(jìn)行分集接收?？諘r(shí)編碼將空間分集、頻率分集及時(shí)間分集結(jié)合在一起，從通信系統(tǒng)的整體出發(fā)，提高多徑衰落信道的通信質(zhì)量和數(shù)量。

圖1

    由于移動(dòng)用戶的增多，移動(dòng)通信業(yè)務(wù)從單純的語(yǔ)音業(yè)務(wù)擴(kuò)展到多媒體業(yè)務(wù)，無(wú)線頻譜資源日趨緊張，從而追求盡可能高的頻譜利用率已成為研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，人們一直致力于開發(fā)高效的編碼、調(diào)制和信號(hào)處理技術(shù)以提高無(wú)線頻譜的效率。基于發(fā)射分集的空時(shí)編碼技術(shù)就是能夠有效提高無(wú)線頻譜利用率的重要方案之一，這是人們?cè)趯?duì)發(fā)射分集和空時(shí)編碼的重要意義認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上取得的豐碩成果。

1 基于發(fā)射分集的空時(shí)碼編碼原理

基于發(fā)射分集的空時(shí)碼分為空時(shí)格形碼STTC(Space-Time Trellis Code)和空時(shí)分組碼STBC(SpaceTime Block Code)，其編碼原理分別如下。

1．1 空時(shí)格形碼(STTC)

空時(shí)格形碼是將格形碼與多個(gè)天線相結(jié)合的一類空時(shí)碼。圖1給出了一種空時(shí)格形編碼方案。在第k個(gè)時(shí)刻有b個(gè)比特信息輸入到編碼器中，在該編碼器中還包括若干個(gè)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)k-1，k-2,……．時(shí)刻的輸入信息，這些存儲(chǔ)器的個(gè)數(shù)由編碼網(wǎng)格圖的狀態(tài)數(shù)決定。輸入的信息經(jīng)過(guò)信道編碼器之后有n個(gè)輸出，每個(gè)輸出在格(Lattice)Z2b內(nèi)取值，然后每個(gè)輸出分別送人對(duì)應(yīng)的脈沖形成器，其輸出再送到調(diào)制器，形成規(guī)模為2b的空間內(nèi)的星座點(diǎn)發(fā)送出去。Ckj表示第k個(gè)時(shí)刻第i個(gè)天線上發(fā)送的信息符號(hào)星座點(diǎn)。如果在準(zhǔn)靜態(tài)衰落條件下，即在一幀信息內(nèi)信道的衰落保持不變，而幀與幀之間的衰落也相互獨(dú)立，將lb個(gè)輸人比特送人編碼器，把這些比特分為l組，每組b個(gè)比特，則重排串符號(hào)星座點(diǎn)碼字C11C12…C1nC21C22…C2n…Cl1Cl2…Cln。通過(guò)適當(dāng)?shù)木幋a方式，這種空時(shí)編碼方案可分別獲得最佳的分集增益和編碼增益。

    1．2 空時(shí)分組碼(STBC)

從降低譯碼復(fù)雜度出發(fā)，Alamouti提出一種利用兩根發(fā)射天線的傳輸方法。在此基礎(chǔ)上，Tarokh利用廣義正交設(shè)計(jì)原理將其推廣，提出了空時(shí)分組碼的概念。

圖2是空時(shí)分組碼編碼原理框圖。輸入信息首先分成兩個(gè)符號(hào)一組[C1,C2]。經(jīng)過(guò)空時(shí)分組編碼后，在兩個(gè)符號(hào)周期內(nèi)，兩天線同時(shí)發(fā)射兩個(gè)符號(hào)。第1周期，天線1發(fā)cl，天線2發(fā)c2；在第2周期，天線1發(fā)-c2*，天線2發(fā)c1*(上標(biāo)*表示取復(fù)共軛)。編碼矩陣的每一列符號(hào)同時(shí)在不同天線上發(fā)送出去，在一個(gè)天線上發(fā)送出去的星座點(diǎn)符號(hào)與另外任意天線上發(fā)送出去的符號(hào)是正交的。

2 應(yīng)用舉例

2．1 CDMA系統(tǒng)的空時(shí)格碼調(diào)制

圖3是CDMA系統(tǒng)的空時(shí)格碼調(diào)制STTCM(SpaceTime Trellis Coded Modulation)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)原理方框圖。在此假定m=n=2(m為接收天線個(gè)數(shù)，n為發(fā)射天線個(gè)數(shù))。對(duì)CDMA系統(tǒng)而言，在天線1和天線2上，同一用戶數(shù)據(jù)部分使用相同的擴(kuò)頻碼，但使用不同的導(dǎo)頻。

    圖4是兩天線8狀態(tài)空時(shí)格碼柵格及QPSK星座圖(即空時(shí)編碼柵格圖和星座圖)。卷積編碼為(2，1，3)，碼速率為1／2，卷積碼狀態(tài)數(shù)為8，幀結(jié)構(gòu)為導(dǎo)頻符號(hào)加數(shù)據(jù)。其中s1表示在第一個(gè)天線上發(fā)送，s2表示在第二個(gè)天線上發(fā)送。理論證明，該空時(shí)碼可得到最優(yōu)的特性，即可取得最大分集增益和編碼增益?？諘r(shí)格形碼的譯碼， 可采用VITERBI譯碼或BCJR-MAP算法。

2．2 WCDMA的空時(shí)分組編碼發(fā)射分集(STTD)

由于空時(shí)分組碼相對(duì)簡(jiǎn)單的譯碼算法和較好的性能，WCDMA下行開環(huán)發(fā)射分集中采用了空時(shí)分組編碼技術(shù)。WCDMA的空時(shí)分組編碼發(fā)射分集STTD(SpaceTime transmit Diversity)原理框圖如圖5所示。信源比特流先經(jīng)過(guò)STTD編碼，分成了A、B兩路，每一路又分成I、Q兩路，用信道碼和長(zhǎng)擾碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，最后進(jìn)行正交載波調(diào)制，分別從天線A、B發(fā)射。

    STTD編碼后，每一路都由串變并，進(jìn)行QPSK編碼。實(shí)際上，是將信號(hào)轉(zhuǎn)換成雙比特的復(fù)信號(hào)傳輸。將(2)式的基帶信號(hào)進(jìn)行QPSK載波調(diào)制，并用復(fù)變量表示，得到天線A和天線B上的發(fā)射信號(hào)分別為：

s1=b0+jb1;s2=b2+jb3    (1)

假設(shè)兩根天線是相互獨(dú)立的，兩個(gè)獨(dú)立的衰落信道的沖激響應(yīng)分別為丸h1、h2，則接收的信號(hào)為：

將（2）式的基帶信號(hào)進(jìn)行QPSK載波調(diào)制，并用復(fù)變量表示，得到天線A和天線B上的發(fā)射信號(hào)分別為：

TA1=s1·(cos(wct)Wki+jsin(wct)Wkq)

TA2=s2·(cos(wct)Wki+jsin(wct)Wkq)

TB1=-s2·(cos(wct)Wki+jsin(wct)Wkq)

TB2=-s1·(cos(wct)Wki+jsin(wct)Wkq)

假設(shè)兩根天線是相互獨(dú)立的，兩個(gè)獨(dú)立的衰落信道的沖激響應(yīng)分別為h1、h2，則接收的信號(hào)為：

對(duì)(3)式進(jìn)行載波和擴(kuò)頻解調(diào)，解調(diào)后得到I、Q兩路數(shù)字信號(hào)，送人最大似然判決器，進(jìn)行最大似然解碼。

3 基于發(fā)射分集的空時(shí)碼的性能分析

基于發(fā)射分集的空時(shí)碼集發(fā)射分集與空時(shí)編碼于一體，具有較好的頻率和功率有效性，大大改善了移動(dòng)通信系統(tǒng)的信息容量和信息率，充分利用了無(wú)線頻譜資源。實(shí)驗(yàn)仿真表明，基于發(fā)射分集的空時(shí)碼頻帶利用率可達(dá)到20～40bps／Hz，空時(shí)格形碼和空時(shí)分組碼均可達(dá)到系統(tǒng)提供的最大分集增益。

由于空時(shí)格形碼考慮了前后輸入的關(guān)聯(lián)，它除了可以獲得分集增益外還可以在不犧牲系統(tǒng)帶寬的前提下獲得一定的編碼增益。因此，它比空時(shí)分組碼具有更好的性能，抗衰落能力較強(qiáng)。窆時(shí)格形碼的主要缺點(diǎn)是編碼時(shí)搜索好碼比較困難，譯碼過(guò)程也比較復(fù)雜。對(duì)于發(fā)射天線數(shù)固定的空時(shí)格形碼而言，其譯碼復(fù)雜度(由譯碼器網(wǎng)格圖中的狀態(tài)數(shù)來(lái)衡量)將隨著傳輸速率的增加呈指數(shù)增加?？諘r(shí)格形碼另外兩個(gè)缺點(diǎn)是：采用軟輸入軟輸出的最大后驗(yàn)概率MAP算法譯碼時(shí)譯碼延時(shí)較大，對(duì)于語(yǔ)音業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)無(wú)法忍受；碼優(yōu)化難度大，串行級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的STYC碼優(yōu)化準(zhǔn)則目前還沒有確立。正是由于以上問題的存在，空時(shí)格形碼的實(shí)用化進(jìn)程比較緩慢，實(shí)現(xiàn)難度較大。

空時(shí)分組碼構(gòu)造容易，譯碼簡(jiǎn)單。通過(guò)編碼正交設(shè)計(jì)，發(fā)射分集獲得了兩個(gè)顯著特性：一是正交設(shè)計(jì)使系統(tǒng)在全分集時(shí)提供了最大的發(fā)送速率，因而沒有損失傳送帶寬；二是應(yīng)用編碼矩陣列之間的正交性，接收端獲得最佳信噪比，可以用最簡(jiǎn)單的最大似然解碼算法進(jìn)行解碼?？諘r(shí)分組碼的主要缺點(diǎn)是性能改善有限，不能像空時(shí)格形碼一樣通過(guò)增加狀態(tài)數(shù)來(lái)改善性能，抗衰落性能也不是很理想。此外，在譯碼時(shí)需要知道準(zhǔn)確的信道衰落系數(shù)，這就要求發(fā)射端發(fā)射不同的導(dǎo)頻序列，接收端采用大量的信道估計(jì)運(yùn)算，才可以達(dá)到空時(shí)分集效果。當(dāng)空時(shí)分組碼與交織技術(shù)結(jié)合使用時(shí)，性能則有較大改善。根據(jù)正交設(shè)計(jì)理論的空時(shí)分組碼雖然不能獲得編碼增益，卻具有很低的譯碼復(fù)雜度，并且還可能得到最大的發(fā)射分集增益，所以已經(jīng)被正式列入WCDMA提案中。

圖5

4 基于發(fā)射分集的空時(shí)碼的研究方向和發(fā)展展望

當(dāng)前空時(shí)格形碼的設(shè)計(jì)中主要使用內(nèi)積距離和漢明距離，在空時(shí)格碼編碼中如何尋找更合適的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是一個(gè)值得深入研究的方向。V．Tarokh等人雖然給出了Rayleigh Ricean信道下的性能限，但是仍然缺乏更進(jìn)一步對(duì)衰落信道的容量分析?？諘r(shí)格形碼與其它技術(shù)的結(jié)合(如智能天線、多用戶檢測(cè)和多重格碼調(diào)制MTCM的結(jié)合)已成為研究的熱點(diǎn)。

正交設(shè)計(jì)是空時(shí)分組碼的核心。雖然目前已有實(shí)正交和復(fù)正交設(shè)計(jì)方案，但正交設(shè)計(jì)仍然有研究的必要。為使對(duì)方接收機(jī)具有最佳的性能，將空時(shí)分組碼與功率控制相結(jié)合調(diào)整單根發(fā)射天線的功率及相位，也是研究的方向之一。再者由于空時(shí)分組碼具有相對(duì)簡(jiǎn)單的譯碼算法和較好的性能，所以存在將空時(shí)碼與其它前沿技術(shù)相結(jié)合的可能。例如，正交頻分復(fù)用(OFDM)是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)之一，將空時(shí)分組碼與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(jì)的難度。

基于發(fā)射分集的空時(shí)碼是近年來(lái)提出的一項(xiàng)充滿希望的關(guān)鍵技術(shù)。在當(dāng)前頻譜資源日趨緊張的情況下，人們必須不斷挖掘頻譜資源潛力，以滿足日益增長(zhǎng)的移動(dòng)多媒體通信業(yè)務(wù)的需求。研究表明，基于發(fā)射分集的空時(shí)碼是提高無(wú)線頻譜利用率的最有效的方法之一，必將在未來(lái)的移動(dòng)通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。但同時(shí)也應(yīng)看到，空時(shí)碼的系統(tǒng)理論分析還有許多待完善的地方，而且基于發(fā)射分集的空時(shí)碼如何有效地與智能天線技術(shù)、多用戶檢測(cè)技術(shù)、均衡技術(shù)、MTCM技術(shù)、OFDM技術(shù)等相結(jié)合，仍有大量工作需要去做。鑒于此，應(yīng)大力加強(qiáng)這些方面的研究工作，在核心技術(shù)上不斷取得突破，在理論上不斷成熟和完善，從而在未來(lái)的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，使基于發(fā)射分集的空時(shí)碼為提高頻譜利用率發(fā)揮出更加突出的作用。