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基于發(fā)射分集的空時碼及其應(yīng)用
摘要：介紹了基于發(fā)射分集的空時碼的結(jié)構(gòu)和編碼原理，總結(jié)分析了基于發(fā)射分集的空時碼在移動通信中的應(yīng)用和性能特點，并對其研究方向和發(fā)展前景進行了探討。發(fā)射分集的概念由接收分集技術(shù)引伸而來。它是為減弱信號衰落的效果，使用多個獨立的天線或相關(guān)天線陣列，把發(fā)射信號的復(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)射信號到達移動臺的不相關(guān)性，借助移動臺的Rake分集接收功能，分別接收由不同天線或不同基站發(fā)出的信號再分集合并，從而提高系統(tǒng)性能。
空時編碼(STC)是近年來移動通信領(lǐng)域出現(xiàn)的一種新的編碼和信號處理技術(shù)，在發(fā)射端和接收端同時使用多個天線進行信息的發(fā)射和接收，在不同天線發(fā)射信號之間引入時域和空域相關(guān)，綜合利用時域和空域二維信息，在接收端進行分集接收。空時編碼將空間分集、頻率分集及時間分集結(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
由于移動用戶的增多，移動通信業(yè)務(wù)從單純的語音業(yè)務(wù)擴展到多媒體業(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和重點。長時間以來，人們一直致力于開發(fā)高效的編碼、調(diào)制和信號處理技術(shù)以提高無線頻譜的效率。基于發(fā)射分集的空時編碼技術(shù)就是能夠有效提高無線頻譜利用率的重要方案之一，這是人們在對發(fā)射分集和空時編碼的重要意義認識的基礎(chǔ)上取得的豐碩成果。
1 基于發(fā)射分集的空時碼編碼原理
基于發(fā)射分集的空時碼分為空時格形碼STTC(Space-Time Trellis Code)和空時分組碼STBC(SpaceTime Block Code)，其編碼原理分別如下。
1．1 空時格形碼(STTC)
空時格形碼是將格形碼與多個天線相結(jié)合的一類空時碼。圖1給出了一種空時格形編碼方案。在第k個時刻有b個比特信息輸入到編碼器中，在該編碼器中還包括若干個存儲器，用于存儲k-1，k-2,……．時刻的輸入信息，這些存儲器的個數(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個輸出，每個輸出在格(Lattice)Z2b內(nèi)取值，然后每個輸出分別送人對應(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)的星座點發(fā)送出去。Ckj表示第k個時刻第i個天線上發(fā)送的信息符號星座點。如果在準靜態(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立，將lb個輸人比特送人編碼器，把這些比特分為l組，每組b個比特，則重排串符號星座點碼字C11C12…C1nC21C22…C2n…Cl1Cl2…Cln。通過適當?shù)木幋a方式，這種空時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)計原理將其推廣，提出了空時分組碼的概念。
圖2是空時分組碼編碼原理框圖。輸入信息首先分成兩個符號一組[C1,C2]。經(jīng)過空時分組編碼后，在兩個符號周期內(nèi)，兩天線同時發(fā)射兩個符號。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*表示取復(fù)共軛)。編碼矩陣的每一列符號同時在不同天線上發(fā)送出去，在一個天線上發(fā)送出去的星座點符號與另外任意天線上發(fā)送出去的符號是正交的。
2 應(yīng)用舉例
2．1 CDMA系統(tǒng)的空時格碼調(diào)制
圖3是CDMA系統(tǒng)的空時格碼調(diào)制STTCM(SpaceTime Trellis Coded Modulation)發(fā)射機和接收機原理方框圖。在此假定m=n=2(m為接收天線個數(shù)，n為發(fā)射天線個數(shù))。對CDMA系統(tǒng)而言，在天線1和天線2上，同一用戶數(shù)據(jù)部分使用相同的擴頻碼，但使用不同的導(dǎo)頻。
圖4是兩天線8狀態(tài)空時格碼柵格及QPSK星座圖(即空時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)頻符號加數(shù)據(jù)。其中s1表示在第一個天線上發(fā)送，s2表示在第二個天線上發(fā)送。理論證明，該空時碼可得到最優(yōu)的特性，即可取得最大分集增益和編碼增益�？諘r格形碼的譯碼， 可采用VITERBI譯碼或BCJR-MAP算法。
2．2 WCDMA的空時分組編碼發(fā)射分集(STTD)
由于空時分組碼相對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分組編碼技術(shù)。WCDMA的空時分組編碼發(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行擴頻調(diào)制，最后進行正交載波調(diào)制，分別從天線A、B發(fā)射。
STTD編碼后，每一路都由串變并，進行QPSK編碼。實際上，是將信號轉(zhuǎn)換成雙比特的復(fù)信號傳輸。將(2)式的基帶信號進行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)射信號分別為：
s1=b0 jb1;s2=b2 jb3
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