无线通信中的时空编码技术研究

无线通信中的时空编码技术研究 摘要 空时编码技术是第 3 代移动通信抗衰落技术 的最新发展动态 是无线通信一种新的编码和信号处理技 术 本文介绍了时空编码的基本原理和应用情况 并分析 了下一代通信中空时编码的研究动态 关键词 时空编码类别应用动态 由于移动用户的增多 移动通信业务从单纯的语音业 务扩展到多媒体业务 无线频谱资源日趋紧张 从而追求 尽可能高的频谱利用率已成为研究的热点和重点 一 时空编码基本原理 空时编码 space time coding 技术是第 3 代移动通信抗 衰落技术的最新发展动态 是无线通信一种新的编码和信 号处理技术 空时编码技术实质上是一种空时二维处理手 段 在空间上 采用多发射多接收天线的空问分集来提高 无线通信系统的通信容量和信息率 在时间上 不同信号 在不同时隙内使用同一天线发射 并在不同天线发射的信 号之间引人时域和空域相关 使接收端可进行分集接收 空时编码利用多天线组成的天线阵同时发送和接收 在发送端 将数据流分离成多个支流 对每个支流进行空 时处理和信号设计 空时编码 然后通过不同天线同时发送 在接收端 利用天线阵接收 并经空时处理和空时码解码 还原成原发送数据流 在信道容量上 多天线系统比单天 线系统有显著的提高 增加的信道容量可用于提高信息传 输速率 也可通过增加信息冗余度来提高通信系统性能 或在两者之间合理折衷 二 时空编码的分类 1 分层空时码 LSTC 分层空时编码技术是将高速数据业务分接为若干低速 数据业务 通过普通并行信道编码器后 进行分层空时编 码 调制后用多个天线发送 实现发送分集 在接收端 用多个天线分集接收 信道参数通过信道估计获得 由线 性判决反馈均衡器实现分层判决反馈干扰抵消 然后进行 分层空时译码 由单个信道译码器完成信道译码 从 m 个 并行信道编码器送出的信号有 3 种分层空时编码方案 对 角分层空时编码 DLST cod ing 垂直分层空时编码 VLST coding 和水平分层空时编码 HIST coding 在各发送信号之 间 LSTC 系统并不是引入正交关系来实现不相关性 而是 充分利用无线信道的多径传播特性来达到区分同波道信号 的目的 无线信道的传播路径越多 检测时产生的误码越 少 从而提高系统性能 频带利用率和传输速率 2 Trdljs 空时码 STTC STTC 吸收了延时分集技术和 MTCM 技术的优点 通过 传输分集与信道编码相结合来提高系统的抗衰落性能 从 而可利用多进制调制方式提高系统的传输速率 3 空时分组码 STBC 假设信号星座图的大小为 2 发射天线数为 n 接收 天线数为 m 希望达到的分集为 nm 分组空时编码器将输 入的 nb 比特信息映射成星座图中的 n 个信号点为 S1 S2 Sn 利用这 n 个信号点构造正交设计矩阵 c 在矩 阵 c 中 每一列元素经同一天线在 n 个时隙内发射 其中第 i 列对应第 i 个发射天线 每一行在不同天线上同时发射 其中第 i 行在第 i 时隙发射 这就是空时分组码的基本原理 STTC 的优点是码的性能较好 抗衰落能力较强 缺点是编 码方案搜索好码比较困难 译码过程比较复杂 而且增加 发送天线数或增加数据传输率都会使译码复杂度呈指数增 长 STBC 构造容易 正交结构使译码简单 尤其是编译码 算法可行 无论增加发送天线数还是增加数据传输率 对 译码复杂度影响不大 但 STBC 性能一定 只与分集度有关 不能通过提高状态数来改善性能 抗衰落 尤其快衰落 性能 比 STTC 略差 而且在接收端译码时 需要准确的信道衰落 系数 三 时空编码的应用情况 未来移动无线通信需要提供高数据率业务 例如多媒 体业务 如电视电话会议 和手机上网业务 单纯依赖蜂窝小 区的细化 如 microcell 和 picocel1 来提高数据率既不现实 也不经济 在不增大发射功率和不扩展频带前提下 多天 线系统加空时编码技术可实现高速数据传输 目前 这种 技术已用于很多方面 将 Trellis 空时码用于 OFDM 系统 多径 CDMA 信道的线性空时多用户检测将多接收天线的空 时处理技术与多用户检测技术结合起来 采用具有最小均 方输出的空时检测器 在抑制多址干扰方面 比以往最优 空时多用户检测器的复杂性要低 而且比传统单用户 RAKE 接收机的容量有显著提高 频率选择性衰落信道的空时 MIMO 天线系统将自适应天线用于基站和移动台 以提高频 率选择性信道系统每一个分组的信干比和信噪比 MIMO 蜂 窝系统具有干扰限制 在发射端采用多发射信号 每个信 号都分别使用自适应调制 在接收端采用自适应阵列处理 而且每个小区采用频率复用 三种技术的联合使蜂窝系统 的频谱利用率大为提高 多天线的空时编码技术已成为第 4 代移动通信标准框架讨论中不可缺少的一部分 四 空时码研究动态 尽管目前空时编码已经做了大量的研究 但是在如何 改进多天线系统 使之能够适应实际应用方面仍是一个具 有挑战性的工作 这方面的课题包括 快速空时格形码译 码算法 空时编码结合其他技术 如智能天线技术等结合 空时处理技术 空时格形码和空时分组码在不同衰落信道 下的性能和复杂度的比较 Turbo 码级联空时码的方案 空 时编码方案在频选衰落路径下的性能等等 尤其是智能天 线技术等结合空时处理技术 是目前很热门的一个研究课 题 未来的移动无线通信应该能够提供高数据率业务如多 媒体业务 如电视电话会议 手机上网业务 单纯依赖蜂窝 小区 cel1 的细化 如 microcell 和 picocen 来提高数据率是不 现实的也不经济 多天线系统加空时编码技术能在不增大 发射功率和不扩展频带前提下实现高速数据传输 这必将 有效地满足未来无线移动通信对高数据率传输