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基于發(fā)射分集的空時(shí)碼及其應(yīng)用
摘要：介紹了基于發(fā)射分集的空時(shí)碼的結(jié)構(gòu)和編碼原理，總結(jié)分析了基于發(fā)射分集的空時(shí)碼在移動(dòng)通信中的應(yīng)用和性能特點(diǎn)，并對(duì)其研究方向和發(fā)展前景進(jìn)行了探討。發(fā)射分集的概念由接收分集技術(shù)引伸而來。它是為減弱信號(hào)衰落的效果，使用多個(gè)獨(dú)立的天線或相關(guān)天線陣列，把發(fā)射信號(hào)的復(fù)本以空間冗余的形式提供給接收端。分集發(fā)射利用不同基站或同一基站中不同位置的天線發(fā)射信號(hào)到達(dá)移動(dòng)臺(tái)的不相關(guān)性，借助移動(dòng)臺(tái)的Rake分集接收功能，分別接收由不同天線或不同基站發(fā)出的信號(hào)再分集合并，從而提高系統(tǒng)性能。
空時(shí)編碼(STC)是近年來移動(dòng)通信領(lǐng)域出現(xiàn)的一種新的編碼和信號(hào)處理技術(shù)，在發(fā)射端和接收端同時(shí)使用多個(gè)天線進(jìn)行信息的發(fā)射和接收，在不同天線發(fā)射信號(hào)之間引入時(shí)域和空域相關(guān)，綜合利用時(shí)域和空域二維信息，在接收端進(jìn)行分集接收�？諘r(shí)編碼將空間分集、頻率分集及時(shí)間分集結(jié)合在一起，從通信系統(tǒng)的整體出發(fā)，提高多徑衰落信道的通信質(zhì)量和數(shù)量。
圖1
由于移動(dòng)用戶的增多，移動(dòng)通信業(yè)務(wù)從單純的語音業(yè)務(wù)擴(kuò)展到多媒體業(yè)務(wù)，無線頻譜資源日趨緊張，從而追求盡可能高的頻譜利用率已成為研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。長時(shí)間以來，人們一直致力于開發(fā)高效的編碼、調(diào)制和信號(hào)處理技術(shù)以提高無線頻譜的效率�；诎l(fā)射分集的空時(shí)編碼技術(shù)就是能夠有效提高無線頻譜利用率的重要方案之一，這是人們?cè)趯?duì)發(fā)射分集和空時(shí)編碼的重要意義認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上取得的豐碩成果。
1 基于發(fā)射分集的空時(shí)碼編碼原理
基于發(fā)射分集的空時(shí)碼分為空時(shí)格形碼STTC(Space-Time Trellis Code)和空時(shí)分組碼STBC(SpaceTime Block Code)，其編碼原理分別如下。
1．1 空時(shí)格形碼(STTC)
空時(shí)格形碼是將格形碼與多個(gè)天線相結(jié)合的一類空時(shí)碼。圖1給出了一種空時(shí)格形編碼方案。在第k個(gè)時(shí)刻有b個(gè)比特信息輸入到編碼器中，在該編碼器中還包括若干個(gè)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)k-1，k-2,……．時(shí)刻的輸入信息，這些存儲(chǔ)器的個(gè)數(shù)由編碼網(wǎng)格圖的狀態(tài)數(shù)決定。輸入的信息經(jīng)過信道編碼器之后有n個(gè)輸出，每個(gè)輸出在格(Lattice)Z2b內(nèi)取值，然后每個(gè)輸出分別送人對(duì)應(yīng)的脈沖形成器，其輸出再送到調(diào)制器，形成規(guī)模為2b的空間內(nèi)的星座點(diǎn)發(fā)送出去。Ckj表示第k個(gè)時(shí)刻第i個(gè)天線上發(fā)送的信息符號(hào)星座點(diǎn)。如果在準(zhǔn)靜態(tài)衰落條件下，即在一幀信息內(nèi)信道的衰落保持不變，而幀與幀之間的衰落也相互獨(dú)立，將lb個(gè)輸人比特送人編碼器，把這些比特分為l組，每組b個(gè)比特，則重排串符號(hào)星座點(diǎn)碼字C11C12…C1nC21C22…C2n…Cl1Cl2…Cln。通過適當(dāng)?shù)木幋a方式，這種空時(shí)編碼方案可分別獲得最佳的分集增益和編碼增益。
1．2 空時(shí)分組碼(STBC)
從降低譯碼復(fù)雜度出發(fā)，Alamouti提出一種利用兩根發(fā)射天線的傳輸方法。在此基礎(chǔ)上，Tarokh利用廣義正交設(shè)計(jì)原理將其推廣，提出了空時(shí)分組碼的概念。
圖2是空時(shí)分組碼編碼原理框圖。輸入信息首先分成兩個(gè)符號(hào)一組[C1,C2]。經(jīng)過空時(shí)分組編碼后，在兩個(gè)符號(hào)周期內(nèi)，兩天線同時(shí)發(fā)射兩個(gè)符號(hào)。第1周期，天線1發(fā)cl，天線2發(fā)c2；在第2周期，天線1發(fā)-c2*，天線2發(fā)c1*(上標(biāo)*表示取復(fù)共軛)。編碼矩陣的每一列符號(hào)同時(shí)在不同天線上發(fā)送出去，在一個(gè)天線上發(fā)送出去的星座點(diǎn)符號(hào)與另外任意天線上發(fā)送出去的符號(hào)是正交的。
2 應(yīng)用舉例
2．1 CDMA系統(tǒng)的空時(shí)格碼調(diào)制
圖3是CDMA系統(tǒng)的空時(shí)格碼調(diào)制STTCM(SpaceTime Trellis Coded Modulation)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)原理方框圖。在此假定m=n=2(m為接收天線個(gè)數(shù)，n為發(fā)射天線個(gè)數(shù))。對(duì)CDMA系統(tǒng)而言，在天線1和天線2上，同一用戶數(shù)據(jù)部分使用相同的擴(kuò)頻碼，但使用不同的導(dǎo)頻。
圖4是兩天線8狀態(tài)空時(shí)格碼柵格及QPSK星座圖(即空時(shí)編碼柵格圖和星座圖)。卷積編碼為(2，1，3)，碼速率為1／2，卷積碼狀態(tài)數(shù)為8，幀結(jié)構(gòu)為導(dǎo)頻符號(hào)加數(shù)據(jù)。其中s1表示在第一個(gè)天線上發(fā)送，s2表示在第二個(gè)天線上發(fā)送。理論證明，該空時(shí)碼可得到最優(yōu)的特性，即可取得最大分集增益和編碼增益。空時(shí)格形碼的譯碼， 可采用VITERBI譯碼或BCJR-MAP算法。
2．2 WCDMA的空時(shí)分組編碼發(fā)射分集(STTD)
由于空時(shí)分組碼相對(duì)簡單的譯碼算法和較好的性能，WCDMA下行開環(huán)發(fā)射分集中采用了空時(shí)分組編碼技術(shù)。WCDMA的空時(shí)分組編碼發(fā)射分集STTD(SpaceTime transmit Diversity)原理框圖如圖5所示。信源比特流先經(jīng)過STTD編碼，分成了A、B兩路，每一路又分成I、Q兩路，用信道碼和長擾碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，最后進(jìn)行正交載波調(diào)制，分別從天線A、B發(fā)射。
STTD編碼后，每一路都由串變并，進(jìn)行QPSK編碼。實(shí)際上，是將信號(hào)轉(zhuǎn)換成雙比特的復(fù)信號(hào)傳輸。將(2)式的基帶信號(hào)進(jìn)行QPSK載波調(diào)制，并用復(fù)變量表示，得到天線A和天線B上的發(fā)射信號(hào)分別為：
s1=b0 jb1;s2=b2 jb3
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