空时编码的性能分析和编码设计.docVIP

空时编码的性能分析和编码设计准则 一、概述 多入多出(MIMO)技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破。MIMO技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。普遍认为，MIMO将是新一代无线通信系统必须采用的关键技术。而使用空时编码（STC）是达到或接近MIMO无线信道容量的一种可行、有效的方法。空时编码是一种用于多发射天线的编码技术。该编码在多根发射天线和各个时间周期的发射信号之间能够产生空域和时域的相关性。这种相关性可以使接收机克服MIMO信道衰落并且减少发射误码。对于空间未编码系统，空时编码可以在不牺牲带宽的情况下，起到发射分集和功率增益的作用。空时编码在编码结构上有多种方法，包括空时分组码（STBC），空时网格码（STTC），空时tuber网格码，分层空时码。所有这些编码方案的核心思想是使用多径能力来获得较高的频谱利用率和性能增益。 二、基本概念 1．多径传播 在蜂窝移动无线环境中，周围的物体（包括静止的和移动的）对无线电波会起到反射的作用，接收天线收到的信号是从不同方向经过不同迟延的各个信号的叠加。根据其随机相位的不同，对接收信号会起到加强或减弱的作用。这种由于信道的时时变多径特性引起的接收信号幅度上的波动称为信号衰落。在多径传播的无线信道中，我们基本上可以认为信道的统计特性服从瑞利衰落。 2．多普勒频移 由于发射机和接收机之间的相对运动，每个多径波的频率都会发生一定的偏移。这种由于相对运动引起的接收信号的频率偏移叫多普勒频移。多径传播迟延环境中的多普勒频移就会展宽多径信号的带宽。因此，单频发射信号由于多普勒频移会引起接收信号的频谱宽度非零，这种现象称为频率色散。 3．分集技术 在无线移动通信中广泛使用分集技术来减小多径衰落的影响，并且在不增加发射功率或牺牲带宽的情况下提高传输的可靠性。分集技术在接收端需要接收发射信号的多个样本信号，每个接收信号携带相同的信息，但是在衰落统计特性上具有较小的相关性。这就意味着所有样本信号同时低于给定门限电平的概率要比任意单个信号低于给定门限之的概率小得多。因此，采用合理方式合并这些养殖可以大大降低衰落的影响，相应的，也就能提高传输的可靠性。 分集技术按照使用信号样本的不同一般可以分为时间分集、频率分集、空间分集、角度分集、极化分集等；按照分集端的不同，可以分为发射分集和接收分集。 4．分集合并 使用分集技术的通信系统的性能通常取决于接收端如何将基本不相关的多个信号进行有效的合并，使得SNR提高得最大。按照接收端使用得合并方法的类型对分集方案进行分类，一般可以分为选择合并，最大比合并，等增益合并等。 5．空时编码的引入 在现在的蜂窝移动系统中，由于移动台的功率、体积都收到严格的限制，因此对于下行链路来说，比较适合的是发射分集，对于上行链路来说，比较适合的是接收分集。接收分集是比较好实现的，而发射分集虽然可以显著的提高信道容量，但是实现起来有一定困难。主要难点是分离出接收信号并实现分集以及发射机难以及时获得信道的瞬时信息。 在很多著作中都给出了发射分集的方案。这些方案基本可以分两类，一类是有反馈的，一类是无反馈的。反馈主要用于向发射机传递信道信息。 在实际的蜂窝网中，移动台和周围的环境往往是快速变化的，使得信道估计和跟踪比较困难，从而降低接收信号的SNR。对于无反馈发射分集方案，要发射的信息通常先在发射机端进行处理后再从多个发射天线发送出去，在接收端可以通过最大似然序列估计等方法获得分集增益。 为了提高多发射天线发射的性能，将差错控制编码、调制和发射分集联合设计，这样不会有带宽损失。适合多发射天线的编码技术叫空时编码。 三、空时编码系统 图1 图1所示，对发射天线数为nT和接收天线为 nR的基带空时编码通信系统进行分析。发射数据送入空时编码器进行编码。在每个时刻t，将由m个二进制信息符号组成的分组ct送入空时编码器，这个分组可以表示为： 空时编码器将从M=2m个点的信号集合中的m个二进制输入数据映射成nT个调制符号。将这个编码数据送到串/并变换器，得到一个nT个并行符号的序列，表示为nT×1列矢量： 这样，nT个并行输出由nT根不同的天线同时发射出去，该系统的频谱利用率为： 式中：rb是数据速率，B是信道宽度。 在发射端和接收端都使用多根天线就构成了MIMO系统。发射天线数为nT和接收天线数为nR的MIMO 信道可以用一个（nR×nT）的信道矩阵H来表示： 式中，第（j，i）个元素表示从第i发射天线到第j接收天线的路径的衰减系数。 在接收端，nR根接收天线上的每个信号都是nT根发射天线经衰落信道衰减后的信号和噪声的叠加。在t时刻，第j根天线上的接收信号可以表示为： 式中：是第j根天线接收到的在t时