【文章內(nèi)容簡介】 天線發(fā)送。由Bell實驗室提出的BLAST系統(tǒng)是分層空時編碼的經(jīng)典結(jié)構(gòu)。輸入信號經(jīng)信號分離器分離成n個長度相同的數(shù)據(jù)流，分別輸入n個編碼器。這些編碼器可以是二進(jìn)制的卷積編碼器，也可以不經(jīng)過任何編碼直接輸出，其輸出信號經(jīng)調(diào)制后，使用相同的載波由發(fā)射天線陣同時發(fā)射。 BLAST系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)分配方式的不同分層空時編碼LSTC可以分為下面三類:水平分層空時編碼(HLSTC: Horizontally Layered SpaceTime Coding、對角分層空時編碼(DLSTC: Diagonally Layered SpaceTime Coding)和垂直分層結(jié)構(gòu)空時編碼(VLSTC: Tlertical Layered SpaceTime Coding)。 以上3種編碼方案中，對角分層空時碼具有較好的層次結(jié)構(gòu)及空時特性，但具有傳輸冗余，存在頻譜利用率損耗。垂直分層空時碼和水平分層空時碼的層次結(jié)構(gòu)及空時特性相對較差，但沒有傳輸冗余。其中，垂直分層空時碼的層次結(jié)構(gòu)及空時特性比水平分層空時碼要好，水平分層空時碼小存在子數(shù)據(jù)流之間的編碼，只有子數(shù)據(jù)流內(nèi)的編碼，空時特性最差，因而，在實際應(yīng)用中VBLAST更為廣泛。二、分層空時編碼技術(shù)及應(yīng)用分層空時碼在發(fā)送速率方而具有很大的優(yōu)勢，但小具有分集增益，而空時分組碼具有良好的分集增益，并目‘在多數(shù)實際應(yīng)用場合中，需要的并小是極端的全分集或全速率，而是兩者的折衷考慮，因而人們提出了VBLAST與STBC相結(jié)合的混合空時編碼結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)在分集度和速率兩者之間的折衷。（一）分層空時編碼在自由空間光通信中的應(yīng)用自由空間光通信由于具有無需頻率許可、安裝方便、低成本等優(yōu)點，在近距離高速率的通信中受到廣泛關(guān)注，可用于解決“最后1公里”、成像通信、極短距離芯片間的通信等。根據(jù)大氣信道的特性，王惠琴、柯熙政提出了一種基于垂直分層空時編碼的自由空間光通信系統(tǒng)的信道模型[12]?；舅枷胧? 把高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分為y個低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，通過普通的并行信道編碼器編碼后，冉進(jìn)行分層空時編碼，然后將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，分別由y個天線同頻、同時發(fā)送出去。在接收端用N個天線進(jìn)行分集接收并將其轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行處理。（二）分層空時編碼檢測算法的應(yīng)用 分層空時編碼方案和MIMO檢測技術(shù)是提高帶限系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率、改善無線通信性能的關(guān)鍵技術(shù)。參考文獻(xiàn)[8]提出一種基于次優(yōu)排序QR分解的串行干擾抵消檢測算法。該算法避免了傳統(tǒng)檢測算法中對信道矩陣求逆的過程，從而減小了運算的復(fù)雜度，也克服了排序QR分解檢測復(fù)雜度高的問題。同時，通過串行干擾抵消逐層除出最小錯誤概率的信號，；參考文獻(xiàn)[9]提出了基于最小二乘準(zhǔn)則的自適應(yīng)空時判決反饋均衡檢測算法。相對于迫零、排序串行干擾消除、分布式VBLAST的極大似然等檢測算法，該算法對檢測性能與計算復(fù)雜度有效折衷，目‘自適應(yīng)信道變化，可滿足協(xié)作MIMO下行鏈路節(jié)點的實時性處理要求。分層空時編碼方案的MIMO檢測算法基木上是針對傳統(tǒng)集中式MIMO系統(tǒng)以及協(xié)作中繼系統(tǒng)，參考文獻(xiàn)[10]提出了適用于分布式MIMO系統(tǒng)的高效空時編碼方案及接收端的檢測算法，通過分層空時(LST)結(jié)構(gòu)和空時分組碼(STBC)的有效結(jié)合以及接收端采用基于軟干擾抵消和最小均方誤差的迭代檢測算法，改善了系統(tǒng)的傳輸速率和傳輸質(zhì)量。第六節(jié) 本章小結(jié)本章介紹了空時編碼的信息論基礎(chǔ)一一MIMO信道容量、空時編碼設(shè)計準(zhǔn)則、第一類空時編碼中的二種典型的空時編碼，重點分析了二種空時編碼的編譯碼方法、原理和性能。結(jié)果表明STTC具有很好的抗衰落性能，其譯碼較為復(fù)雜。BLAST可以獲得很高的頻帶利用率，但抗衰落性能較差。STBC的性能雖較STTC差一些，而且頻譜利用率較低，但其譯碼方法簡單，便十應(yīng)用。第三章 第二類空時編碼 第二章詳細(xì)介紹了第一類空時編碼，從它們的解碼方式可以看出，接收端需要確切已知信道狀態(tài)信息(CSI： Channel State Information)的情況，當(dāng)然實際的系統(tǒng)中大多是這種情況。但是在某些環(huán)境下，接收端進(jìn)行信道估計會非常困難，有時甚至根本無法估計。因此，如何設(shè)計不需要信道估計的空時編碼顯得十分重要，本章介紹的酉空時編碼(USTC： Unitary SpaceTime Coding)和差分空時編碼(DSTC: Differential SpaceTime Coding)就是根據(jù)這個要求提出的。第一節(jié) 酉空時編碼，它在形式上類似于空時塊編碼，但是其發(fā)送碼知陣為酉知陣，當(dāng)在發(fā)射大線數(shù)目過多或收發(fā)大線之間衰落系數(shù)變化很快的情況卜，酉空時碼作為不需要進(jìn)行信道估計的空時碼解決方案，具有非常重要的意義。 酉空時碼設(shè)計（一）酉空時碼編碼原理在信道衰落持續(xù)T個符號時間內(nèi)，可以用酉空時信號在無線信道上可靠的傳送一進(jìn)制信急， 酉空時碼編碼模型：酉空時調(diào)制的輸入數(shù)據(jù)長度主要取決于信道衰落持續(xù)符號時間T和系統(tǒng)的傳輸速率R,在酉空時調(diào)制器之前把發(fā)送端要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分成長度為TR的數(shù)據(jù)塊，經(jīng)過酉空時調(diào)制后，得到酉空時信號，其中可表示為：=（l=1L), L=，R為信道轉(zhuǎn)輸速率，T為信道衰落系數(shù)不變持續(xù)時間。為TN的酉知陣，它滿足==I，（H表示取知陣的復(fù)共扼轉(zhuǎn)置)，所以酉空時信號也為一個TxN的知陣，其中知陣的第n列表示在T個符號時間內(nèi)第n根發(fā)射人線上發(fā)送的信號當(dāng)信道衰落的持續(xù)時間變?yōu)闀r，酉空時調(diào)制器的輸入數(shù)據(jù)長度將變?yōu)镽，調(diào)制過后的酉空時信號集中元素個數(shù)則變?yōu)長 = ，而酉知陣盡變成一個x N的知陣。（二）酉空時碼設(shè)計 根據(jù)酉空時碼的設(shè)計準(zhǔn)則，判別一個酉空時信號集性能優(yōu)劣主要是看不同信號酉知陣之間相關(guān)系數(shù)的大小，相關(guān)數(shù)越小，使酉知陣集中的仟意不同知陣的互相關(guān)系數(shù)盡可能的小。[28]這里我們可借鑒離散傅立葉變換((DF T)知陣來構(gòu)造。 式（311） 式（312）又因 式（313） 式（314）由酉矩陣的定義可得，為一酉矩陣我們可以在矩陣的L行中有條件的選取T行組成的T行： 式（315）式中的u滿足0≤≤...... ≤L1，可認(rèn)為在L長的DFT變換中，只在.....的位置上不為零，: 式（316）第二節(jié) 差分空時編碼一般在里時編碼解碼時接收端需要信道狀態(tài)信息( CSI) ,因而必須獲得精的信道估計，而差分空時編碼(DSTC)接收端在解碼時不需要CSI,因而不需要信道估計在信道衰落快或信息傳輸速率高的情況下，實時而精確的信道估計非常困難或代價太高，此時接收端不能獲得CSI,因而需要差分里時編碼。一、差分編碼方法T arokh等人根據(jù)單天線條件下的差分編碼思想提出基于正交設(shè)計的差分空時分組編碼[29，31]，它用在發(fā)射端和接收端都不需要知道信道狀態(tài)信息，編碼也很簡單，在接收端，解碼也有很低的解碼復(fù)雜度。根據(jù)文獻(xiàn)[29 ,30], 。 2根發(fā)射天線時的差分STBC原理框圖 首先發(fā)射2個參考信號xi和xz，發(fā)送的碼字矩陣采用Alamouti方案： 式（321） 發(fā)射機在第一個符號周期從兩根發(fā)射天線發(fā)射的符號向量是=[，在第二個符號周期從兩根發(fā)射天線發(fā)射的符號向量是=[,，這兩次發(fā)射信號不攜帶信息，只是作為參考信號，以后發(fā)射機采用差分方式對數(shù)據(jù)編碼進(jìn)行發(fā)射。假設(shè)在第2t1(t≥2)夕個符號周期從第一根和第二根發(fā)射天線發(fā)射的符號分別是和，在第2t個符號周期從第一根和第二根發(fā)射天線發(fā)射的符號分別是和。在第2t + 1個符號周期，一組2m個比特到達(dá)編碼器，并產(chǎn)生對應(yīng)的系數(shù)向量(, )，編碼器根據(jù)前兩個符號周期發(fā)射的符號向量和當(dāng)前系數(shù)向量(, )計算出后續(xù)兩次發(fā)射的符號：根據(jù)和進(jìn)行Alamouti編碼在第2t+ 1和2t+ 2個符號周期發(fā)射信號，以后一直按照這種方式發(fā)射信號。調(diào)制符號的星座圖A一般選用PSK方式。對于PSK，由于2根發(fā)射天線，為了歸一化發(fā)射符號功率，使每個符號周期發(fā)射符號向量的功率是1。星座圖可以表示為： 式（322）它的系數(shù)可寫為： 對于給定的星座圖和參考信號，有個不同的系數(shù)向量對應(yīng)于不同的信號向量。系數(shù)向量構(gòu)成的集合V中，任意一組2rn個信息比特和其中的一個系數(shù)向量是一一對應(yīng)的關(guān)系。第三節(jié) 本章小結(jié) 本章重點介紹了第二類空時編碼一一酉空時編碼和差分空時編碼，它們的最大特點是編碼和解碼時都不需要知道信道狀態(tài)信息，接收端采用非相干檢測，而且同樣可以達(dá)到滿分集增益，但是與空時分組編碼的相關(guān)檢測相比性能會下降3dB。由于酉空時編碼較復(fù)雜，所以差分空時編碼是本章的重點。雖然第一類空時編碼和第二類空時編碼出發(fā)點不同，設(shè)計準(zhǔn)則不同一一第一類空時編碼需要優(yōu)化差矩陣特性，第二類空時編碼需要優(yōu)化相關(guān)矩陣特性，但如果采用差分調(diào)制，兩類空時編碼的設(shè)計即可統(tǒng)一起來。第四章 空時編碼在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用第一節(jié) 分層空時碼在HSDPA業(yè)務(wù)中的應(yīng)用 與其他空時編碼方式相比，雖然分層空時碼無法達(dá)到最大分集增益，但其高頻帶利用率卻受到了人們的關(guān)注。目前，LSTC己被3GPP中的高速數(shù)據(jù)分組接入(HSDPA)業(yè)務(wù)采用，在HSDPA系統(tǒng)中當(dāng)采用n根發(fā)送天線和M組擴頻碼時， 分層空時碼在HSDPA中的應(yīng)用 ，編碼后的數(shù)據(jù)流經(jīng)過多碼復(fù)用器處理后，劃分成M組，每組包含n個子數(shù)據(jù)流，形成Mn。組子數(shù)據(jù)流。然后利用M個擴頻碼分別對上述M組子數(shù)據(jù)流進(jìn)行擴頻處理。最后對擴頻后的所有Mn個子數(shù)據(jù)流進(jìn)行分組合并。將Mn個子數(shù)據(jù)流中的第j,n+j, 2n+j ...(M1)n+j共M組相加，得到的信息經(jīng)擾碼處理后，經(jīng)對應(yīng)于第J根發(fā)送天線發(fā)送出去。這樣，接收端可利用小同的擴頻碼來區(qū)分同一根天線上的M組子數(shù)據(jù)流，而對于采用同一擴頻碼的n個子數(shù)據(jù)流，則利用多天線技術(shù)提供的空間信息加以區(qū)別。，小僅可以保證與傳統(tǒng)解決方案的兼容性，同時還可獲得更好的性能。在相同傳輸速率條件下。若采用相同的調(diào)制階數(shù)。第二節(jié) 分組空時碼在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用 、速率匹配和隨機交織處理后，送入時空發(fā)送分集(STTD )編碼器與其他控制信息復(fù)用，再經(jīng)擴頻處理，由發(fā)射天線發(fā)送出去飛根據(jù)需要的傳輸速率小同，信道編碼器可以選擇卷積碼或Turbo碼。 分組空時碼在移動通信中的模型雖然STBC的譯碼算法比較簡單，但是由于STBC沒有編碼增益，因此系統(tǒng)性能提高十分困難〔飛另外，由于STBC的頻帶利用率小會隨著發(fā)送天線數(shù)的增加而增加，因此只能是一種過渡時期的替代產(chǎn)品。第三節(jié) 空時格碼在OFDM中的解決方案 正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM )是一種新的、高效的多載波調(diào)制技術(shù)，它能有效地對抗多徑傳播，使受到干擾的信號能夠可靠地接收。OFDM和相應(yīng)的分集技術(shù)結(jié)合起來，可以更好地對抗無線環(huán)境中的多經(jīng)衰落，因此可以將MIMO系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)結(jié)合起來構(gòu)成MIMO OFDM系統(tǒng)(該系統(tǒng)利用的是空間分集)。 STTC(空時格碼)。信息比特經(jīng)過信道編碼器和STTC編碼器之后，再進(jìn)行多載波調(diào)制，然后由發(fā)射天線發(fā)射出去。在接收端，由多個接收天線接收信號。 IFFT:快速傅立葉逆變換 FFT:快速傅立葉變換 STTC與OFDM結(jié)合的系統(tǒng)模型STTC與OFDM簡單級連時只能通過OFDM的高頻帶利用率來提高系統(tǒng)的傳輸速率；若采用STTC和OFDM聯(lián)合編碼，則既可以利用頻率選擇性衰落對OFDM各子載波的影響來提供頻率分集，又可以利用STTC降低同步問題對OFDM的影響，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。結(jié)束語 空時編碼在近兒年來得到了廣泛關(guān)注，將信道編碼和陣列信號處理技術(shù)有機地結(jié)合，在不同發(fā)射天線上的發(fā)射信號之間引入時間和空間相關(guān)性，可以更有效地利用空間特性和時間特性?？諘r編碼為無線傳輸同時提供分集增益和編碼增益，并且能夠提供遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)單天線系統(tǒng)的頻帶利用率，特別是為無線通信的下行傳輸提供了一個新的解決力一案。空時編碼是一種空時二維的處理方法，使用多副發(fā)射和接收天線，它將信道編碼技術(shù)和信號處理技術(shù)有機的結(jié)合在了一起，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，很好的利用了信號與信道的時間特性和空間特性，從而有效地改善了分集增益和編碼增益，顯著地提高了無線通信系統(tǒng)的信息傳輸容量。網(wǎng)格空時碼和分組空時碼是兩種很重要的空時編碼技術(shù)。網(wǎng)格空時碼的優(yōu)點是碼的性能較好，抗衰落能力也較強，但是這種編碼方案搜索好碼比較困難，譯碼過程也比較復(fù)雜，并且其譯碼復(fù)雜度隨分集度廠和傳輸速率b成指數(shù)增長。分組空時碼克服了網(wǎng)格空時碼譯碼復(fù)雜的缺點，其譯碼非常簡單，接收端只需進(jìn)行線性處理，并且分組空時碼構(gòu)造容易，但分組空時碼的性能一定(只與分集度有關(guān))，不能像網(wǎng)格空時碼那樣可以通過提高狀態(tài)數(shù)來改善性能，而且由于分組空時碼的分組長度很小，并且不同分組之間是不相關(guān)的，所以分組空時碼所獲得的編碼增益是很有限的，因而其性能比網(wǎng)格空時碼要差。所有的分析和仿真都表明，空時