移动通信中的空时码技术设计方案

重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 1 - 移动通信中的空时码技术设计方案 第一章 绪 论 第一节 无线移动通信的发展及其关键技术 移动通信是指通信的一方或双方是在移动中实现通信的。其中包括 :移动台 与移动台之间通信、移 动台与固定台之间通信，移动台通过基站与移动台或固定 台通信。移动台与基站之间是无线电通信链路。 无线移动通信传输信道复杂 (时变的多径传播环境，以及传播损耗、慢衰落、 快衰落、时间选择性衰落、频率选择性衰落、空间选择性衰落等 )。同时无线移动通信系统受到严重的干扰 (远近效应、小区内干扰、小区间干扰、同道干扰、码间串扰等 )，对设备要求更为苛刻 (稳定性、成本、功能、功耗 )，并且频谱资源有限。目前，无线移动通信方面针对这些特点已经发展了一系列的技术，包括分集技术， 统和空时处理技术等等。 一、无线移 动通信的发展 现代无线通信起源十 19 世纪 电磁波辐射试验，真正的移动通信技术的发展应从 20 世纪 20 年代开始，到目前为止移动通信经历了从第一代模拟移动通信系统，第二代数字移动通信系统 正向第三代 (动通信系统以及后 3G, 4G 发展。 第一代移动通信系统存在的主要问题是 :各系统间没有公共接口；频谱利用 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 2 - 率低；无法与固定网向数字化推进相适应。第二代数字移动通信系统较第一代模 拟移动通信系统有 很大的改进，但是也存在许多问题 :没有统一的国际标准；频 谱利用率较低；不能满足移动通信容量的巨大要求；不能提供高速数据业务；不 能有效地支持 务。 第二代移动通信系统 3G 的标准一一 指使用 2000右频段、提供业务速率高达 2000划在 2000 年左右试运行的全球移动通信系统，它有下面特点 : 系统的国际性，提供全球无缝覆盖和漫游，世界范围设计的高度一致性。 业务的多样性，提供话音、数据和多媒体业务，车载通信速率为 144 步行通信速率为 384内通信速率为 2 高质量的业务，满足通信质量能达到与固定网相比拟的高质量业务要求。 高度的灵活性，按需分配带宽，支持大范围、可变速率的信息传送。 频谱利用率高、通信容量大。 袖珍、多频、多模、通用移动终端。 满足通信个人化的要求。 系统初始配置能充分利用第二代系统设备和设施，随后实现平滑升级。 低的费用，包括设备和服务两方面。 目前已被国际电信联盟 (意批准的 3G 主流标准有四种 : 3 称 3 称 美国的 S 称 我国提出的 统作为第二代移动通信系 统 低码片速率选项，这是我国移动通信历史上的重大突破。 二、第二代移动通信中的关键技术 （一）分集技术 衰落是影响通信传输质量的一个主要因素。快衰落的深度可达 30 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 3 - 是利用加大发射的功率来克服这种深度衰落是不现实的，而且会对其它发射机造 成严重的干扰。分集技术则是设计用来抗衰落的一种有效措施，它已广泛应用十 移动通信、短波通信等随参信道中。 分集主要分为两类 :“宏分集”和“微分集”。宏分集主要用于蜂窝移动通信系统中，也称为“多基站分集”，这是一种减少慢衰落影响的分 集技术，其做法是将多个基站设置在不同的地理位置上和不同的方向上。微分集是一种减小快衰落的分集技术，为了达到信号之间的“不相关”，可以从空间、频率、极化、角度及时间等方面实现这种不相关性。 由于快衰落是移动通信的最大挑战，因此微分集就是通常所指的分集技术，主要包括空间分集 (含角度分集、极化分集 )、频率分集、时间分集 (含多径分集 )。 （二） 统 对于一个发射端有 n 个天线、接收端有 m 个天线的多天线系统，我们将它简记为系统。有时也将一个系统称为多输入、多输出（ 统，简记为 统。文献 17,18,19从信息论的角度研究了多天线系统在衰落信道中的信道容量 :对于 n 个发射天线和 m 个接收天线系统，其信道容量为 : /d g 2 （ s 式（ 1 其中 )表示对矩阵 X 求行列式， 示 单位阵， 式（ 1 为 阶信道衰落系数矩阵，i 个发射天线到第 j 个接收天线间的复的瑞利衰落系数， 表示 n 个发射天线发射的总功率和。 可以得到，多天线系统在信道容量上比单天线系统有显著的提高，这正是空时编码系统增加无线通信系统容量的理论依据。 （三）空时处理技术 现在的移动通信系统主要用时间域信号处理技术，智能天线与阵列信号处理 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 4 - 是空间域信号处理技术。时间域处理技术不能有效的消除同道干扰 ( 而空间域处理技术一般都要求窄带假设 (即信号经过阵列长度所需的时间应远小于信号相干时间 )和同时激活的用户数不超过阵兀数，这样需要将空间域处理和时间域处理结合起来， 由此产生空时处理技术。利用空时处理技术能很好的结合单时间处理和单空间处理的各自特点，这是近年来通信领域与信号处理领域共同关注的热点。 空时处理技术的主要研究方向有空时估计 (空时检测（ 空时编码 (空时均衡(空时分集 (空时波束形成(。空时处理技 术充分利用了信号与信道的空间和时间的特性，从而有效地改善了阵列增益和分集增益、有效的消除干扰和抗多径衰落，从而提高系统的容量。 （四）其它移动通信关键技术 其它移动通信关键技术主要包括 :智能天线技术，同步技术，功率控制，移动性管理等等。 第二节 空时编码技术的发展过程 分集技术是一种能够有效克服信道衰落的可行方法。常用的时间分集、频率 分集在提高系统性能时，要牺牲一定的频带利用率。而在实现空间分集时，信号既没有在时间域内引入冗余，也没有在频率域内引入冗余，只是将信号赋予一定的空间结构，在空域上引入 了冗余。因此空间分集没有降低频带利用率，这对高速传输特别有利。 空间分集按照实现的位置不同，可分为发射分集 (接收分集（ 关于接收分集的研究已有大量的文献资料，技术比较成熟；而对于发射分集则是这几年新兴的研究方向，由于下行传输的信道一般是 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 5 - 未知的，加之移动端的体积和功率的限制，很难在移动端设计多个天线来实现接收分集，所以分集的任务很自然的落在了基站，因此发射分集的研究就具有更大的挑战性，其研究成果对提高无线通信的信道容量、抑制干扰和噪 声具有重要的现实意义。 与多天线发射分集相对应的信道编码技术就是空时编码技术。空时编码技术 利用多发射和多接收天线，将发射分集技术和接收分集技术相结合，在各阵元的 发射信号之间引入时域和空域的相关，并且将信号处理技术与编码技术有机的结合在了一起，因而具有非常优异的性能。空时编码技术能有效地补偿信道的衰减、增加系统的容量、抑制噪声和干扰，并获得很高的分集增益和编码增益，因此具有广阔的应用前景。 空时编码的工作最初起源于 20世纪 90年代初期 15以 及瑞士 近期有突出工作的主要有 以及 2等。 空时编码的模型最早是由美国的 验室提出的，并于 1996 年提出了在无线通信中用多元天线构造的分层空时结构 3，在此基础上他们开发出了后，美国 实验室的 此启发下，首先提出空时编码 2（ 念，信号 在时间域和空间域上都引入编码就称之为空时编码。空时编码将发射分集和编码集于一体，具有较好的频谱有效性和功率有效性。在该文献中用格状编码调制 (造了的一种空时编码，称为空时格型编码 ( 后来， 发现了一种简单的发射分集技术，在此分集技术中他实际上采用了简单的正交分组编码，这在后来的文献 6中被归纳为空时分组编码 (这二种空时编码 解码时都假设接收端知道信道状态（ 确切信息，需要在接收端进行信道估计。 在某些环境下，接收端进行信道估计会非常困难，有时甚至根本无法估计。 因此，如何设计不需要信道估计的空时编码显得十分重要，酉空时编码 89和差分空时编码 9， 10， 11就是根据这个要求提出的。酉空时编码 ( 8在形式上类似于 据文献 14的结论构造 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 6 - 的一种接收端不需信道 估计的空时编码。差分空时编码的概念最早由 1提出， 0牺空时编码的思想推广到多天线信道，给出了一种基于酉空时编码的差分空时编码。 概括起来空时编码技术按照发射端和接收端是否需要知道信道状态信息分为两大类 : 第一类空时编码 :解码时需要确切知道 ，具体可分为下面三种 : 分层空时编码 ( 术 : 1996 年，美国 验室提出 了分层空时编码的概念，并于 1998 年提出了分层空时编码技术的框架 3，在此基础上开发出了 验系统。这种系统的结构简单，易于实现。频带利用率随着发射天线的增加线性增加，它所能达到的频带利用率和传输速率是单天线系统所无法想象的，但其抗衰落性能不是很好。 空时格型编码 ( 术 : 实验室的 人提出的用于高速数 据无线通信的格型空时编码 (术 2同时利用了传输分集和信道编码技术。这种空时编码以格型编码调制为基础，具有很高的编码增益和分集增益，但是编码和解码复杂度极高，目前多用计算机搜索实现，这是它应用受限的关键。 空时分组编码 ( 术 : 由于空时格型编码的编译码比较复杂，美国的 司的研究人员提出 了一种基于正交设计的空时编码 空时分组编码 5， 6， 7。虽然它的性能比空时格型码的性能略差，但其构造容易，译码简单。但是空时分组编码在保证获得最大分集增益的前提下它的传输速率不能达到最大。 第二类空时编码 :编解码时发射端和接收端都不需要知到 体分为两种 : 酉空时编码 ( 术 : 酉空时编码 8在形式上类似于 据文献 14的结论构造的一种接收端不需信道估计的空时编码，要求发送 码矩阵为酉矩阵。 酉空时编码作为快衰落信道下的一种空时编码解决方案，因为好性能的酉空 时编码需要大量的酉矩阵 13，如何更系统有效地解决这一问题则是今后一个重要 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 7 - 的研究方向。 差分空时编码 ( 术 : 1提出一种简单的提供分集的发射方案，基本思想类似于单天线条件下的差分调制技术。它用在发射端和接收端都不知道信道状态信息。 H. 2基于广义的正交空时分组编码将此种差分检测方案由两个发射天线推广至多个发射天线。差分空时编码的最大优点是编译码都不需要接收端它也支持最大线性解码，但是它与相应的空时分组编码相比，性能上要差 3 从目前的研究结果看，空时编码是一种极具潜力的技术，有着很好的应用前 景。空时编码体制已被纳入第二代移动通信 (3G)的标准 (准 ) 中，也必将成为第四代移动通信系统中的关键技术。 第三节 本文的主 要工作 本文主要讨论空时编码技术 : 论了空时编码的基本思想和 原理，通过分析空时编码的性能，得到空时编码的分集增益和编码增益的度量， 并给出了空时编码的一般设计准则。 点和性能进行分析，给出了相应的设计准则，并分别研究了空时格型码的编码过程、仿真结果分析，分层空时编码 (构造及应用和空时分组编码 (构造过程和仿真分析。 原理、特点和性能进行分析， 以及研究了酉空时码的设计和差分空时编码的编码方法。 体列举了分层空时码在 组空时码在移动通信系统中的应用，空时格码在 的 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 8 - 解决方案。 论文共分为五章，结构安排如下 : 第一章绪 论介绍无线移动通信的发展及其关键技术，再介绍空时编码技术的发展过程，最后总结概括本文的主要工作。 第二章分析了第一类空时编码的性能，给出了空时编码的设计准则，并详细 分析了分层空时编码、空时分组编码和空时格型码的 编译码原理、特点和性能，同时给出相应的仿真结果。 第三章重点介绍了第二类空时编码 即译码时发射端和接收端都不需要知 道 先详细分析了一种简单差分空时编码的编译码方法，接着将其推广到复杂的一般的情况中。分别分析了第二类空时编码中的两种编码 酉空时编码(差分空时编码。 第四章讨论了空时编码在移动通信中的应用，重点讨列举了分层空时码在务中的应用，分组空时码在移动通信系统中的应用，空时格码在 最后概括性地总结了全文的主要结论，并指出了将来进一步 研究的问题和需 要做的工作。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 9 - 第二章 第一类空时编码 本章首先分析了空时编码的信息论基础 道容量，接着给出了空 时信号模型，并由空时编码的差错性能得到了空时编码的设计准则。重点是对第 一类空时编码中典型的二种空时编码的编译码方法、原理和性能做了总结和比较。 第一节 文献 1,14,19从信息论的角度研究了多天线系统在衰落信道中的信道容量 : 即单天线发射、单天线接收，其信 道容量为 : 22 1（ s 式（ 2 其中 示发射天线发射的总功率。 即多天线发 射 (n 个 )、单天线接收，其信道容量为 : /1lo g 2 （ s 式（ 2 其中 H= 11h ， 21h 1 n 了为 n 1的矩阵， 示矩阵 i 个发射天线到接收天线之间的复瑞利衰落系数， 表示 n 个发射天线发射 的总功率和。 即单天线发射、多天线接收 (m 个 )， 接收端采用最大比合并时信道容量为 : 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 10 - 1lo g 2 （ s 式（ 2 即 n 个发射天线和 m 个接收天线，其 信道容量为 : /d g 2 （ s 式（ 2 根据多天线系统的信道容量表示式有下面的结论 2 ： 当信噪比很大时，系统处于未饱和状态时 :系统的信容量与发射天线数 当发射天线数固定时，系统的信道容量仅仅随着接收天线数 当系统处十过饱和状态时，即当 n 一直增加到 nm 时，会出现一个临界点，当 n 超过这个临界点以后，信道容量随 n 的增加将会变得缓慢。例如 :当 m=1时，发射天线数的临界值为 n=4，当 m=1 时，发射天线数的临界值为 n=6。 图 4,4)道容量与了信道容量 无线 统引入了多个发射与接收天线，产生多个并行的子信道，这些信道相互正交，因而可以支持独立的数据传输。这就是 以大幅度提高信道容量的物理解释。 图 个子信道的容量之和等于整个 道的容量。它们与 统的信道矩阵 H 的奇异值一一对应。 可以看出，多天线系统在信道容量上比单天线系统有显著的提高，这正是空时编码系统增加无线通信系统容量的理论依据。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 11 - 第二节 空时信号模型和空时编码设计准则 一、空时信号模型 采用空时编码技术的多输入多输出 (统的空时信道模型如图 图 空时信道模型 发射天线数和接收天线数 分别为 n 和 m，显然这是一个 (n, m)的 统。对十信道我们有下面的假设 :各路径之间时延差可以忽略的，即不存在码间串扰，衰减是平坦的。信号从不同的发射天线同步发射。进一步假设信号的多普勒频移远小十信号的带宽。信道参数是随时间慢变化的 (即信道参数在一个数据帧内的时间内是不变的，但随着不同的数据帧而改变）。 数据的发射过程为 :信源输出的信息比特送入空时编码器，空时编码器将信息比特分割成 n 个长度相同的子数据流，每一个子数据流作为一个脉冲形成器的输入，然后经调制后，由发射天线同时发射。在每一个时隙 t,第 i 个调 制器输出的信 之为空时码兀 (，用第 i 个发射天线发射(1_i_n)。 n 个信号同时从 n 个不同的发射天线上发射，并目 _有相同的传输时间。每个接收天线上接收到的信号是噪声与 n 个经过衰落的发射信号的线性叠加。假设所采用的调制信号星座点已被归一化，即将调制信号星座的平均功率为1。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 12 - 二、空时编码设计准则 衡量空时编码的性能的参数有两个 :一个是采用多发射天线和多接收天线所获得的分集增益，它决定误 码率曲线随信噪比增加的下降速度 ;另一个是编码所获得的编码增益，它在分集增益确定的情况下，决定误码率曲线的平移。 针对这两个衡量空时编码的性能的参数，并根据式 (2误概率的上限，可以得到在准静态条件下空时编码的设计准则 2。 (一 ) 落信道下空时编码的设计准则 1、秩准则 ( 为获得最大分集增益 求任何两码字和所构成的差矩阵必须是满秩。如对所有不同的码字对C和e，差矩阵 B(C,e)，的的最小秩为 r（ r n），则所获得的分集增益为 2、行列式准则 ( 如分集增益以 编码增益可由矩阵 A(C,e)=B(C,e) B (C,e)的所有 r r 阶主余子式的行列式的和来衡量，使其最小值最大，就可获得最大的编码增益。其中要求 A(C,e)能够覆盖编码码组中的所有码字。特别的，当分集增益以 目标时，为获得最大编码增益，所有不同码字对C和(C,e)的行列式的最小值必须最大化。 （二） 落信道下空时编码的设计准 1、秩准则 落信道下的秩准则相同 ) 2、编码增益准则 ( 设 (C,e)表示矩阵 A(C,e)的所有 r r 阶主余子式的行列式的和，其中 (C,e)的秩。则使得对所有不同的码字对C和e，乘积的最小值最大，就可获得最大的编码增益。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 13 - 11/1 ex p,式（ 2 第三节 空时格型编码 一、引言 空时格型编码 译码的基本原理如图 新的信息源比特流数据用来确定编码器的从当前状态到下一个状态的状态转移，状态转移的结果就是要从多个发射天线上同时发射出去的一个空时矢量符 以选择任何星座图，如 816 . 图 空时格型编码 实现框图 1998 年， 实验室的 人提出了用十高速数据无线通信的空时格型编码 0，这种空时编码以格型编码调制为基础，可以提供最大可能的编码增益和分集增益，同时能够达到上面所给出的空时编码设计准则，而不会牺牲发射带宽，并目 _能够有效的抵抗衰落，抑制干扰和噪声。 二、空时格型编码的编码过程 (假设在每帧的开始和结尾编码器处十零状）假设采用有 星座点的星座 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 14 - 图进行调制，在每一时刻 t，有 b 个比特输入网格编码器，该编码器有 n 个不同的生成多项式决定其 n 个输出，它们分别对应 n 个天线上发送的数据，此时数据已经不再是信息比特，是调制星座图中的符号。对应到格型图上，就是编码器根据当前所处的状态和当前输入的比特序列，选择输出分支，如所选支路为 1 n i q 了，则用发射天线 i=1,2, . . ., n，并且所有这些信号同时发射。 采用图 平坦漫衰落信道下，根据 给出的设计准则，首先最大化分集增益，然后在此基础上再优化编码增益，利用穷搜索的方法得到了一些性能较好的空时格型编码。 图 4图 4 4状态 态转移图 图 型图表示网格空时编码器的状态之间的转移，格型图中最右边的一列数据表示编码器的状态，格型图左边的数字表示每一状态从该状态出发，转移到另一状态时编码器的输出，第一个数字表示从第一副发射天线上发射的信号的星座点标号， 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 15 - 第二个数字表示从第二副发射天线上发射的信号的星座点标号。 图 4 4状 态时延分集编码器 图 态的空时格型编码的编码器的结构。 4 个比特kb 此时的编码器状 .存储容量是由编码器的状态数决定的，由当前的输入比特和编码器的状态共同确定编码器的输出，即两个发射天线上将要发射的符号。其中数字表示加权系数，默认 值是 1，对应的 4制，加法器进行模 4加。 当然还可根据要求来增加编码器的状态数 (比如 8, 16, 32和 64状态等 )，但是随着编码器状态数的增加，其复杂度也会随之增大。同时由十采用了较多的状态，格型图中任意两条编码路径的自由距离会有所增加，因此可获得更大的编码增益，性能会更好。 三、仿真结果 真参数 :180； of 500，仿真结果如下： 图 ( 2,2)系统 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 16 - 图 8制下 (2,2)的 性能 两副图验证了这样的结论 :性能随着其状态数的增加而变好，这是因为状态数越多，格型图中任意两条编码路径的自由距离越大，编码增益越大，所以性能越好 ;两幅图中的曲线的下降曲率基本相同，这是因为两副曲线都采用的是 (2,2)系统，有相同的分集增益，分集增益决定了曲线下降的曲率 ;另外， 8能比 制的差，这是因为调制阶数越高，信号之间的差别 越小，要达到相同的性能，需要的信噪比越大，所以性能越差 。 四、空时格型码的优缺点 由于空时格形码考虑了前后输入的关联，它除了可以获得分集增益外还可以在不牺牲系统带宽的前提下获得一定的编码增益 比空时分组码具有更好的性能，抗衰落能力较强 码过程也比较复杂 21译码复杂度(由译码器网格图中的状态数来衡量 )将随着传输速率的增加呈指数增加 个缺点是 :采用软输入软输出的最大后验概率 于语音业务来说无法忍受 ;码优化难度大 ，串行级联系统的 优化准则日前还没有确立 时格形码的实用化进程比较缓慢，实现难度较大 22， 23，包括构造更有效的空时格型码，同时寻找更有效的译码算法，其中空时格型码与其它技术的结合正成为当今的研究热点，如阵列处理、多用户检测和多重格码调制等。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 17 - 第四节 空时分组码 一、空时分组编码 空时格型编码在多发射天线条件下的译码复杂度限制了它的应用，空时分组编码应用正交设计理论，使得这种编码体制的译码算法支持最大似然检测，接收端采用线性处 理，简化了译码算法。正交空时分组编码 (原理框图如图 正交空时分组编码 (括两大类空时发射分集 (最初上 1998 年以两个发射天线的简单发射分集技术为例提出 5，其基本思想类似于接收分集中的最大比接收合并 M 然后经 V. 人于1999 年利用正交化设计思想推广到多天线情况，称为空时分组编码 6。数据经过空时编码后，编码数据分为多个支路数据流，分别经过多个发射天线同时发射出去 ;接收端的最大似然译码可以通过把不同天线发射的数据解 偶来得到更简单的实现形式，利用的是空时码字矩阵的正交性从而得到基于线性处理的最大似然译码算法 由 为 G 标准提出 可以不同牺牲频谱效率 ;并且解码可以由线性运算按照最大似然算法给出，优于标准的 V 码，接收机可以比较简单，但是它们也不能够提供编码增益。 图 正交空时分组编码 (原理框图 二、空时分组码的构造问题 通常，如果在 p 个时隙周期内，有 ，则定义编码比率为R = k/ 编码比率为 1. 两个天线的空时分组码可以表示为 1221212 : 式（ 2 这里的编码矩阵的行代表发射天线的空间维，列代表时间维的各个发射时隙 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 18 - 或符号周期 阵元所发射的信号在一帧内向相正交，即码字 矩阵的行正交 21|类似地，从空时正交性这个基本关键点出发，也可以设计出其他多个发射天线的空时分组码 5， 6，它们所提供的分集增僧和通常的发射天线个数乘以接收天线个数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。 三、仿真结果分析 真参数 ： 80, of 00。图 3, 4 为仿真得到的 块率 )噪比 )曲线。 图 分集和不同系统下的 能比较 从图 以清楚地看出 ： 统的性能明显优于传统的单天线系统，这是因为后者不能提供分集增益。对于同一个 统，其性能随着接收天线数目的增多而变好，性能曲线下降的曲率变大 ; 因为随着接收天线数的增加，系统所能提供的分集增益也随之增加。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 19 - 第五节 分层空时编码 一、分层空时编码的构造 分层空时码 ( 1996 年由美国 司 验室的 出 的基木思想是 :在发送端，将高速数据 业务分解为若干低速数据业务，通过普通的并行信道编码器编码，然后进行分层的空时编码，经调制后用多个天线发送。由 验室提出的 统是分层空时编码的经典结构，如图 入信号经信号分离器分离成 n 个长度相同的数据流，分别输入 n 个编码器。这些编码器可以是二进制的卷积编码器，也可以不经过任何编码直接输出，其输出信号经调制后，使用相同的载波由发射天线阵同时发射。 图 根据分配方式的不同分层空时编码 以分为下面 三 类 :水平分层空时编码 ( 角分层空时编码( 垂直分层结构空时编码( 以上 3 种编码方案中，对角分层空时码具有较好的层次结构及空时特性，但具有传输冗余，存在频谱利用率损耗。垂直分层空时码和水平分层空时码的层次结构及空时特性相对较差，但没有传输冗余 ;其中，垂直分层空时码的层次 结构及空时特性比水平分层空时码要好，水平分层空时码小存在子数据流之间的编码，只有子数据流内的编码，空时特性最差，因而，在实际应用中 为广泛。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 20 - 二、分层空时编码技术及应用 分层空时码在发送速率方而具有很大的优势，但小具有分集增益，而空时分组码具有良好的分集增益，并目 在多数实际应用场合中，需要的并小是极端的全分集或全速率，而是两者的折衷考虑，因而人们提出了 结合的混合空时编码结构，实现在分集度和速率两者之间的折衷。 （一）分层空时编码在自由空间光通信中的应用 自由空间 光通信由于具有无需频率许可、安装方便、低成 本 等优点，在近距离高速率的通信中受到广泛关注，可用于解决 “最后 1 公里 ”、成像通信、极短距离芯片间的通信等。根据大气信道的特性，王惠琴、柯熙政提出了一种基于垂直分层空时编码的自由空间光通信系统的信道模型 12。基 本 思想是 : 把高速的数据业务分为 y 个低速数据业务，通过普通的并行信道编码器编码后，冉进行分层空时编码，然后将电信号转换成光信号，分别由 y 个天线同频、同时发送出去。在接收端用 N 个天线进行分集接收并将其转换成电信号进行处理。 （二）分层空时编码检测算法的应用 分层空时编码方案和 测技术是提高带限系统数据速率、改善无线通信性能的关键技术。参考文献 8提出一种基于次优排序 解的串行干扰抵消检测算法。该算法避免了传统检测算法中对信道矩阵求逆的过程，从而减小了运算的复杂度，也克服了排序 解检测复杂度高的问题。同时，通过串行干扰抵消逐层除出最小错误概率的信号，减小抵消过程中误差传播的概率 考文献 9提出了基于最小二乘准则的自适应空时判决反馈均衡检测算法。相对于迫零、排序串行干扰消除、分布式 极大似然等检测算法，该 算法对检测性能与计算复杂度有效折衷，目 自适应信道变化，可满足协作 行链路节点的实时性处理要求。 分层空时编码方案的 测算法基木上是针对传统集中式 统以及协作中继系统，参考文献 10提出了适用于分布式 统的高效空时编码方案及接收端的检测算法，通过分层空时 (构和空时分组码 (有效结合以及接收端采用基于软干扰抵消和最小均方误差的迭代检测算法，改善了系统的传输速率和传输质量。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 21 - 第六节 本章小结 本章介绍了空时编码的信息论基础一一 道容量、空时编码 设计准则、第一类空时编码中的二种典型的空时编码，重点分析了二种空时编码的编译码方法、原理和性能。结果表明 有很好的抗衰落性能，其译码较为复杂 ;以获得很高的频带利用率，但抗衰落性能较差 ;性能虽较一些，而且频谱利用率较低，但其译码方法简单，便十应用。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 22 - 第三章 第二类空时编码 第 二章详细介绍了第一类空时编码，从它们的解码方式可以看出，接收端需要确切已知信道状态信息 ( 情况，当然实际的系统中大多是这种情况。但是在某些环境下，接收端进行信道估计会非常困难，有时甚至根本无法估计。因此，如何设计不需要信道估计的空时编码显得十分重要，本章介绍的酉空时编码 ( 差分空时编码( 是根据这个要求提出的。 第一节 酉空时编码 酉空时码作为盲空时码首先是山 验室的 人提出的，它在形式上类似于空时块编码，但 是其发送码知阵为酉知阵，当在发射大线数目过多或收发大线之间衰落系数变化很快的情况卜，酉空时码作为不需要进行信道估计的空时码解决方案，具有非常重要的意义。 一、 酉空时码设计 （一）酉空时码编码原理 在信道衰落持续 T 个符号时间内，可以用酉空时信号编码框图如图 示 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - 23 - 图 空时码编码模型 从图 看出：酉空时调制的输入数据长度主要取决于信道衰落持续符号时间 T 和系统的传输 速率 R,在酉空时调制器之前把发送端要传输的数据分成长度为 数据块，经过酉空时调制后，得到酉空时信号中lS= l=1L), L= R 为信道转输速率， T 为信道衰落系数不变持续时间。l为 T N 的酉知阵，它满足 l=I，（ H 表示取知阵l的复共扼转置 )，所以酉空时信号知阵，其中知阵的第 n 列表示在 T 个符号时间内第 n 根发射人线上发送的信号 当信道衰落的持续时间变为 1T 时，酉空时调制器的输入数据长度将变为 1T R，调制过后的酉空时信号集中元素个数则变为 L = 而酉知阵尽变成一个 1T x N 的知阵。 （二）酉空时码设计 根据酉空时码的设计准则，判别一个酉空时信号集性能优劣主要是看不同信号酉知阵之间相关系数的大小，相关数越小，误码性能越好 酉知阵集中的仟意不同知阵的互相关系数尽可能的小。 28这里我们可借鉴离散傅立叶变换 ()知阵来构造l。 111210)1(24201210000.3 2 式（ 3 又因 重庆邮电大学