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基于發射分集的空時碼及其應用
摘要：介紹了基于發射分集的空時碼的結構和編碼原理，總結分析了基于發射分集的空時碼在移動通信中的應用和性能特點，并對其研究方向和發展前景進行了探討。發射分集的概念由接收分集技術引伸而來。它是為減弱信號衰落的效果，使用多個獨立的天線或相關天線陣列，把發射信號的復本以空間冗余的形式提供給接收端。分集發射利用不同基站或同一基站中不同位置的天線發射信號到達移動臺的不相關性，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出的信號再分集合并，從而提高系統性能。
空時編碼(STC)是近年來移動通信領域出現的一種新的編碼和信號處理技術，在發射端和接收端同時使用多個天線進行信息的發射和接收，在不同天線發射信號之間引入時域和空域相關，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合在一起，從通信系統的整體出發，提高多徑衰落信道的通信質量和數量。
圖1
由于移動用戶的增多，移動通信業務從單純的語音業務擴展到多媒體業務，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高效的編碼、調制和信號處理技術以提高無線頻譜的效率�；诎l射分集的空時編碼技術就是能夠有效提高無線頻譜利用率的重要方案之一，這是人們在對發射分集和空時編碼的重要意義認識的基礎上取得的豐碩成果。
1 基于發射分集的空時碼編碼原理
基于發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，這些存儲器的個數由編碼網格圖的狀態數決定。輸入的信息經過信道編碼器之后有n個輸出，每個輸出在格(Lattice)Z2b內取值，然后每個輸出分別送人對應的脈沖形成器，其輸出再送到調制器，形成規模為2b的空間內的星座點發送出去。Ckj表示第k個時刻第i個天線上發送的信息符號星座點。如果在準靜態衰落條件下，即在一幀信息內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。通過適當的編碼方式，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)
從降低譯碼復雜度出發，Alamouti提出一種利用兩根發射天線的傳輸方法。在此基礎上，Tarokh利用廣義正交設計原理將其推廣，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]。經過空時分組編碼后，在兩個符號周期內，兩天線同時發射兩個符號。第1周期，天線1發cl，天線2發c2；在第2周期，天線1發-c2*，天線2發c1*(上標*表示取復共軛)。編碼矩陣的每一列符號同時在不同天線上發送出去，在一個天線上發送出去的星座點符號與另外任意天線上發送出去的符號是正交的。
2 應用舉例
2．1 CDMA系統的空時格碼調制
圖3是CDMA系統的空時格碼調制STTCM(SpaceTime Trellis Coded Modulation)發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，n為發射天線個數)。對CDMA系統而言，在天線1和天線2上，同一用戶數據部分使用相同的擴頻碼，但使用不同的導頻。
圖4是兩天線8狀態空時格碼柵格及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，卷積碼狀態數為8，幀結構為導頻符號加數據。其中s1表示在第一個天線上發送，s2表示在第二個天線上發送。理論證明，該空時碼可得到最優的特性，即可取得最大分集增益和編碼增益。空時格形碼的譯碼， 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下行開環發射分集中采用了空時分組編碼技術。WCDMA的空時分組編碼發射分集STTD(SpaceTime transmit Diversity)原理框圖如圖5所示。信源比特流先經過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制，最后進行正交載波調制，分別從天線A、B發射。
STTD編碼后，每一路都由串變并，進行QPSK編碼。實際上，是將信號轉換成雙比特的復信號傳輸。將(2)式的基帶信號進行QPSK載波調制，并用復變量表示，得到天線A和天線B上的發射信號分別為：
s1=b0 jb1;s2=b2 jb3
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