空時編碼分層空時結(jié)構(gòu)

分層空時結(jié)構(gòu)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 Layered Space-Time Architecture),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)射端天線數(shù)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(nèi)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 .高速信息流先被解復(fù)用地分成多個單獨的低速數(shù)據(jù)支流 ; 各個支路數(shù)據(jù)分別用各自的信道編碼器編碼,這些編碼器可以是二進制卷積編碼也可以根本就不編碼 ; 各個信道編碼器的輸出再經(jīng)過分層空時結(jié)構(gòu)編碼和調(diào)制后送至各個獨立的發(fā)射天線,并且使用同一個載波頻率/符號波形( 對 TDMA) 同時發(fā)射出去, 對 CDMA 系統(tǒng),使用同樣的擴頻碼 .

由各個信道編碼器的輸出的信號有 3 種分層空時結(jié)構(gòu)編碼方案 : 對角分層空時結(jié)構(gòu) DLST 、垂直分層空時結(jié)構(gòu)VLST 和水平分層空時結(jié)構(gòu) HLST ,其中 DLST 具有較好的空時特性及層次結(jié)構(gòu) ,使用較多. 它們的數(shù)據(jù)分配如表 1 所示,標識符號 a 到 d 表示分配到圖表中的 4 個發(fā)射天線的數(shù)據(jù) ?.

在 接收端 ,一般按照對角線數(shù)據(jù)流層進行譯碼 , 這要經(jīng)過3個步驟的處理: 干擾信號及未檢測信號的迫零( ZF) 消除、已檢測信號的干擾消除和補償 . 前端首先使用一個空間波束形成或者迫零處理 ,從而分開各個單獨的數(shù)據(jù)流層 . 例如對 DLST 的數(shù)據(jù)流層 a 的求解, 是求解 t + 3 時刻的流層 a 的相應(yīng)元素 ,這時利用干擾抑制方法抑制掉 t + 3 時刻該元素上面的數(shù)據(jù)流層 d , c , b 的相應(yīng)元素的影響 ,得到該元素的估值; 然后是求解t + 2 時刻的流層 a 的相應(yīng)元素 ,同樣該元素上面的數(shù)據(jù)流層 d , c 的相應(yīng)元素的影響可以利用干擾抑制方法抑制掉 ,而其下方數(shù)據(jù)流層 b 在 t + 2 時刻的相應(yīng)元素則因為按照對角分層的次序譯碼所以應(yīng)該已經(jīng)得到,其影響可以通過判決反饋得到抵消; 于是,可以得到t + 2 時刻的數(shù)據(jù)流層 a 的相應(yīng)元素; 如此進行下去, 就可以恢復(fù)出數(shù)據(jù)流層 a . 然后再用相同的方法恢復(fù)出數(shù)據(jù)流層 d , 如此得到 DLST 的數(shù)據(jù)層估值 ,再把它們送入各自的解碼器, 各解碼器的輸出再經(jīng)過分層空時結(jié)構(gòu)的逆變換和復(fù)用后重構(gòu)出原始信息比特流的估計 ?.

業(yè)已證明,對 N 個發(fā)射天線和 N 個接收天線的情況, 系統(tǒng)容量隨線性增長 ,當(dāng)采用的天線個數(shù)N =8 時,在 1 %的中斷概率和21dB信噪比條件下的系統(tǒng)的頻譜利用率為42b/( s·Hz- 1) 約為相同發(fā)射功率和帶寬的單發(fā)單收系統(tǒng)的 40 倍 .

1 空時分組碼

正交空時分組編碼( OSTBC) 的原理框圖如圖 2 所示. 正交空時分組編碼( OSTBC) 包括兩大類: ⑴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(shù)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(jīng) V . Tarokh 等人于 1999 年利用正交化設(shè)計思想推廣到多天線情況,稱為空時分組編碼. 數(shù)據(jù)經(jīng)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(jīng)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陣的正交性從而得到基于線性處理的最大似然譯碼算法 . ⑵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. 其中關(guān)鍵部分"分組映射器"和"分組解旋轉(zhuǎn)器"的基本原理在下節(jié)中詳細介紹 ?.

2 空時分組碼的構(gòu)造問題

通常 ,如果在 p 個時隙周期內(nèi) ,有 k 個符號被發(fā)送出去 ,則定義編碼比率為 R =k/ p . 對兩個天線的復(fù)信號的情況 ,共編碼比率為 1 .這里的編碼矩陣的行代表發(fā)射天線的空間維 ,列代表時間維的各個發(fā)射時隙或符號周期 . 空時分組編碼的構(gòu)造問題其實就是碼字矩陣的正交性設(shè)計 ,各陣元所發(fā)射的信號在一幀內(nèi)互相正交, 即碼字矩陣的行正交. 類似地 ,從空時正交性這個基本關(guān)鍵點出發(fā), 也可以設(shè)計出其他多個發(fā)射天線的空時分組碼,它們所提供的分集增僧和通常的發(fā)射天線個數(shù)乘以接收天線個數(shù)的接收最大比合并具有相同的信噪比, 即具有相同的分集增益 .

3 譯碼算法

對任何空時分組碼,用最大似然解碼算法都可以在接收機處通過線性處理來實現(xiàn) , 這就意味著, 接收機的結(jié)構(gòu)可以很簡單, 而這一點在實際應(yīng)用中對移動用戶的接收機設(shè)計很在意義 ?.

類似地,其他空時分組碼的譯碼器同樣可以推導(dǎo)得出, 對各個符號的檢測判斷可以相互獨立地通過線性運算得出 ,其實上面的最大似然檢測是一種相干檢測方法, 這種相干檢測方案可以使空時編碼的譯碼性能獲得所能達到的最佳性能 .

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(guān)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(diào)制符號為空時符號( STS) 或者空時矢量符( STVS). 與通常用一個復(fù)數(shù)表示調(diào)制符號類似( 復(fù)的基帶表示), 一個空時矢量符 STVS可以表示成為一個復(fù)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:⑴正交空時分組碼 OSTBC( Orthogonal SpaceTime Block Coding);⑵貝爾分層空時結(jié)構(gòu) BLAST( Bell Layered Space-Time Architecture);⑶空時格型編碼 STTC( Space-Time Trellis Coding);這 3 類接收機需要已知信道傳輸系數(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 .

當(dāng)前空時編碼( STC) 技術(shù)在無線通信領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)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(guān)于天線分集對于無線通信容量的重要性的開創(chuàng)性工作 . 90 年代 Stanford 的 Raleigh 和Cioffi ,瑞士 ASCOM 的 Wittneben 進一步奠定了空時碼的基礎(chǔ) ; 最近幾年來 , Lucent Labs 的 Foschini 和 Gan ,AT& T 的 Tarokh 及其同事們在這方面作了關(guān)鍵性工作 ,率先提出了空時編碼的概念. 空時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(gòu)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 ,提高頻譜效率. 需要說明的是 ,空時編碼技術(shù)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(yīng)用 ,天線間距應(yīng)適當(dāng)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 ?.

空時格型編碼 STTC 編譯碼的基本原理: TCM 編碼器的基本結(jié)構(gòu)在多數(shù)情況下可以看作一個有限狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移器, 最新的信息源比特流數(shù)據(jù)用來確定編碼器的從當(dāng)前狀態(tài)到下一個狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移,狀態(tài)轉(zhuǎn)移的結(jié)果就是要從多個發(fā)射天線上同時發(fā)射出去的一個空時矢量符 STS . STS 的組成符號從原理上可以選擇任何星座圖, 如 QPSK , 8-PSK , 16QAM 等 .

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(diào)制 TCM(Trellis Coded Modulation) 的推廣. 一個空時格型碼的例子, 它是兩天線的 8-PSK 的 8 態(tài)的空時編碼 ,可以看到它與 TCM 編碼很相像, 只不過每一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移結(jié)果的空時矢量符 STS ,代表同一時刻分別從兩個天線發(fā)射出去的符號 .

空時編碼可以根據(jù)編碼增益和分集增僧準則設(shè)計出來, 只是好碼字的搜索設(shè)計非常麻煩, V . Tarokh 給出的幾種空時碼都呆以達到滿分集增益( 滿分集增益等于發(fā)射天線數(shù)乘接收天線數(shù)) , 但它們的編碼增佃沒有達到最大 ,其他學(xué)者也提出了一些新的空時格型編碼 . 空時格型編碼的設(shè)計其實是在接收端已知信道信息條件下最大化任意兩個碼字矩陣之間的歐氏距離,可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率、分集增益和格型復(fù)雜度及譯碼復(fù)雜度的最佳折中, 所以在 3 種空時編碼方案中 ,它的性能是最佳的 ,但是目前因為其譯碼復(fù)雜度而影響了它的應(yīng)用, 空時分組編碼就是基于此考慮所提出的 ,目前以其較低的編 、譯碼復(fù)雜度得到了廣泛認同 ?.

推導(dǎo)空時編碼的構(gòu)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, 這晨多數(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(diào)制技術(shù)的啟示, 人們試圖將差分調(diào)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(shè)計是最小化任意兩個碼字矩陣之間的相關(guān)系數(shù) ,但是它們的指靈敏級的編碼、譯碼復(fù)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(fù)雜度和指數(shù)級譯碼復(fù)雜度的第二種結(jié)構(gòu),這同樣在實際環(huán)境中難以使用 . 幾乎與此同時, V .Tarokh 等人提出了針對兩個發(fā)射天線的基于正交設(shè)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(fù)雜度的差分編碼方案 ,隨后 Jafarkhan 和 Tarokh 又將該差分方案利用廣義正交化設(shè)計方法推廣到多個發(fā)射天線的情況. 其他學(xué)者也提出了一些其他形式的算法, 但是其譯碼復(fù)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(guān)系的譯碼復(fù)雜度, 所以目前差分檢測方案應(yīng)該是適合實際應(yīng)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 ?.

眾所周知, 第三代 3G 及一代無線通訊系統(tǒng)的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(wù)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(shù)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(jié)合空時編碼技術(shù)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(shù)和多個發(fā)射天線的信號處理技術(shù)最近已經(jīng)被第三代蜂窩移動通訊標準如 CDMA2000 和W-CDMA所采納 ,另外 ,也被建議應(yīng)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(shù)可以結(jié)合當(dāng)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(jié)合OFDM 等通訊技術(shù)用于寬帶無線通訊系統(tǒng) . 所以 ,空時編碼技術(shù)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(wǎng) LAN 甚至蜂窩移動通信系統(tǒng)中也有著廣闊的應(yīng)用前景 ?.

作為一種新的通信信號處理技術(shù)和方法 ,自從空時編碼提出以來 ,全球無線通信領(lǐng)域內(nèi)掀起了研究空時編碼的熱潮,除了對如何構(gòu)造空時編碼和空時編碼與其他信道編碼方式如 Turbo 碼相結(jié)合方面的研究外,許多和工程應(yīng)用緊密聯(lián)系的研究方向正在形式 ?.

當(dāng)前雖然關(guān)于空時編碼的構(gòu)造和應(yīng)用有了一些成果, 但是這些理論大多假設(shè)信道是準靜態(tài)、平衰落的,各衰落路徑也是假設(shè)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(guān) ,所以為了推動空時編碼技術(shù)的實用性 ,有必要對空時編碼在信道為頻率選擇性衰落 、快變化以至各衰落路徑相關(guān)的情況下的性能以及相應(yīng)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(jié)合, 研究在CDMA ,WCDMA 環(huán)境下空時編碼技術(shù)的性能以及和其他技術(shù)如多用戶檢測技術(shù)的結(jié)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(shù)的結(jié)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(shù)如波束形成技術(shù)( Beamforming)和干擾抵消技術(shù)( Interference Cancellation) 有機地結(jié)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 ,是當(dāng)前研究的另一個熱點和方向; 由于二者均是多個陣元天線系統(tǒng)的重要而有效的信號處理技術(shù) ,所以它們的結(jié)合應(yīng)用就具有的應(yīng)用基礎(chǔ) ,最先提出和研究空時編碼技術(shù)的研究人員也正在進行這方面的研究和探索工作,但是此項工作剛剛開始, 具有很大的理論和實際研究價值. 當(dāng)然 ,有關(guān)在接收端和發(fā)射端均得不到信道信息的差分空時編碼方面的研究對于空時編碼在未來移動蜂窩系統(tǒng)中的應(yīng)用也是很有意義的 ?.

內(nèi)容簡介

本書主要圍繞空時編碼的基本理論及在無線通信系統(tǒng)中的相關(guān)應(yīng)用，如碼劈多址(CDMA)和正交頻分復(fù)用(OFDMA)進行介紹，既有各種性能分析與仿真結(jié)果，又有生動的應(yīng)用舉例，還提供了基于科研導(dǎo)向的觀點。

本書適用對象為無線通信工程及相關(guān)專業(yè)的研究生、工程師和科研人員。

版 次:初版

目錄

譯者序

原書前言

術(shù)語表

第1章 多輸入多輸出無線通信系統(tǒng)的性能局限

1.1 概述

1.2 MIMO系統(tǒng)模型

1.3 MIMO系統(tǒng)容量推導(dǎo)

1.4 自適應(yīng)發(fā)送功率分配的MIMO信道容量的推導(dǎo)

1.5 具有固定系數(shù)信道的MIMO容量實例

1.6 具有隨機信道系數(shù)的MIMO系統(tǒng)容量

1.6.1 快瑞利衰落和塊瑞利衰落信道的MIMO信道容量

1.6.2 MIMO慢瑞利衰落信道容量

1.6.3 MIMO慢瑞利衰落信道容量的示例

1.7 系統(tǒng)參數(shù)和天線相關(guān)性對MIMO信道容量的影響

1.7.t LOSMIMO信道的相關(guān)模型

1.7.2 瑞利衰落信道MIMO相關(guān)模型

1.7.3 賴斯MIMO信道的相關(guān)模型

1.7.4 匙孔效應(yīng)

1.7.5 有發(fā)射和接收散射體的MIMO相關(guān)衰落信道

1.7.6 系統(tǒng)參數(shù)對匙孔傳播的影響

附錄1.1 注水原理

附錄1.2 Cholesky分解

參考文獻

第2章 空時編碼的性能分析和編碼設(shè)計

2.1 概述

2.2 衰落信道模型

2.2.1 多徑傳播

2.2.2 多普勒頻移

2.2.3 衰落信道的統(tǒng)計模型

2.3 分集

2.3.1 分集技術(shù)

2.3.2 分集合并方法

2.3.3 發(fā)射分集

2.4 空時編碼系統(tǒng)

2.5. 空時編碼的性能分析

2.5.1 慢衰落信道的差錯率

2.5.2 快衰落信道的差錯率

2.6 空時編碼設(shè)計準則

2.6.1 慢瑞利衰落信道的編碼設(shè)計準則

2.6.2 快瑞利衰落信道的編碼設(shè)計準則

2.6.3 中低SNR范圍的編碼性能

2.7 編碼性能的準確評估

參考文獻

第3章 空時分組碼

3.1 概述

3.2 Alamouti空時編碼

3.2.1 Alamouti空時編碼器

3.2.2 合并和最大似然譯碼

3.2.3 有多根接收天線的Alamouti方案

3.2.4 Alamouti方案的性能

3.3 空時分組碼(STBC)

3.4 實信號星座的STBC

3.5 復(fù)信號星座的STBC

3.6 STBC的譯碼

3.7 STBC的性能

3.8 非理想信道估計對性能的影響

3.9 天線相關(guān)性對性能的影響

參考文獻

第4章 空時網(wǎng)格碼

4.1 概述.

4.2 STTC編碼器結(jié)構(gòu)

4.2.1 生成器簡介

4.2.2 生成多項式簡介

4.2.3 舉例

4.3 慢衰落信道上的空時網(wǎng)格碼設(shè)計

4.3.1 基于秩與行列式準則的最佳STTC

4.3.2 基于跡準則的最佳STTC

4.4 慢衰落信道上的性能評估

4.4.1 基于秩與行列式準則的編碼性能

4.4.2 基于跡準則的編碼性能

4.4.3 基于不同設(shè)計準則的編碼性能對比

4.4.4 發(fā)射天線數(shù)對編碼性能的影響

4.4.5 接收天線數(shù)對編碼性能的影響

4.4.6 信道相關(guān)性對編碼性能的影響

4.4.7 非理想的信道估計對編碼性能的影響

4.5 快衰落信道下空時網(wǎng)格碼的設(shè)計

4.6 快衰落信道上的性能評估

參考文獻

第5章 空時Turbo網(wǎng)格編碼

5.1 概述

5.2 遞歸STTC的性能

5.3 空時Turbo網(wǎng)格編碼(STTurboTC)

5.4譯碼算法

5.5 STTurboTC的性能

5.5.1 STTurboTC和STTC的比較

5.5.2 記憶長度和交織器容量的影響

5.5.3 迭代次數(shù)的影響

5.5.4?分量編碼設(shè)計的影響

5.5.5 譯碼器的EXIT表

5.5.6 交織器類型的影響

5.5.7 發(fā)射天線和接收天線數(shù)量的影響

5.5.8 天線相關(guān)的影n向

5.5:9 非理想信道估計的影響

5.5.10 快衰落信道上的性能

附錄 最大后驗概率算法

參考文獻

第6章 分層空時編碼

6.1 概述

6.2 LST發(fā)射機

6.3 LST接收機

6.3.1 QR分解干擾抑制和干擾抵消

6.3.2?最小均方誤差(MMSE)干擾抑制和干擾抵消

6.3.3迭代LST接收機

6.3.4 具有PIC的迭代接收機

6.3.5迭代MMSE接收機

6.3.6 迭代MMSE接收機和迭代PIC-DSC接收機的比較

6.4 不同LST結(jié)構(gòu)的比較

附錄QR分解

參考文獻

第7章 差分空時分組碼

7.1 概述

7.2 單根發(fā)射天線的差分編碼

7.3 發(fā)射天線數(shù)為2的差分STBC

7.3.1 差分編碼

7.3.2 差分譯碼

7.3.3 性能仿真

7.4 發(fā)射天線數(shù)為3和4的實信號星