空时码

第11A期电子学报Vol 28 No11A2000年11月ACTA ELECTRONICA SINICA空时码张平陶小峰王卫东雷鸣(北京邮电大学移动通信新技术研究室北京100876)摘要:提高频率利用率一直是移动通信系统中的研究热点而近年来提岀的空时码又是其关键技术之一.从当前的研究情况来看空时码技术主要分为以下两大类:是分层空时砜LST)二是基于发射分集的空时分组码和空时格码由于空时码具有良好的频带利用率及性能3GP已将空时分组码作为一可选方案列在所提规范之中相信在不远的将来空时码必将广泛应用于未来的移动通信系统关键词:空时码;分层空时码(IST);发射分集中图分类号:TN957.52+3文献标识码:A文章编号:0372112(2000114-011004Space-time CodeZHANG Ping TAO Xiao-feng WANG Wei-dong LET MWireless Technology Innotation Lab., Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, ChinaAbstract: To improve frequency efficiency is always a hotspot in mobile communication systems. One of the key technologiesproposed recently is space-time code. According to the upto-date researches space-timethe layered space-time code The other includes space-time block code and space-time trellis code which are based on transmit diver-sity. Because of good spectrum efficiency and performance space-time code has been proposed as an optional scheme in 3GPP specification. We can imagine that space-time code will be widely applied in mobile telecommunication systems in the near futureKey words: space-time code layered space-time code transmit diversity1引言本文将在第2节介绍分层空时码方案总结了分层空时个人通信所追求的目标就是任何人任何时候可以与任码的特点给出了分层空时码的研究方向在第3节中介绍基何地方的仼何人进行通信当前由于移动通信系统的普及移于发射分集的空时码給出了单径瑞利信道空时格码与卷积动用户的增多人们正在逐步实现这个目标移动通信产业也码性能对比的仿真结果归纳了分层空时码和基于发射分集呈现出空前的繁荣成为二十世纪未信息产业的突出成就之的空时码的异同点而且指明了空时分组码和空时格码各自但是由于移动用户的增多与此同时人们对移动通信业务的研究方向第4节为结论,的追求已从单纯的语音业务扩展到多媒体业务颜谱资源就2分层空时码显得日趋紧张.因此追求尽可能高的频谱利用率已成为并且分层空时码最初是由 Foschin5提出的.它将信源数据分在今后仍然是一个充满挑战的问题这种挑战使得人们努力为几个子数据流独开发高效的编码、调制以及信号处理技术来提高无线频率的立地进行编码、调效率而近年来提出的空时码就是能够有效提高无线频谱利制因而它不是基于用率最重要的方案之一,在空时码的研究之中,一方面,发射分集的图1是Berkeley0的 Da-shan Shiu Joseph M.khf和B的G.D.Cod分层空时码的基本棒gRX解调n Foschin2等在分层空时码(s)做了很多工作一方结构发射机有n根训面ATRT的 Taroko34等人总结了前人关于发射分集研究的发射天线接收机有译码基础上在基于发射分集的空时码的研究上做了一些开创性m根接收天线(m≥的工作所有的分析和仿真表明上述两种空时码频率利用率n)在发射机内信道可达20-40s/H具有良好的频带利用率可以预料应用编码过来的数据被空时码的未来移动通信系统将具有更大的系统容量、更好的分为n路分别输出通信质量、更高的频带利用率到n根天线,接收端图1分层空时码框图2电子学报000年m根接收天线同时接收编器非的接收分集和发射分集都属于空间分集但在实际的移动通根发射天线的信号然后进信系统中由于移动台尺寸、电池能量以及多媒体业务的不对行解课信道估计译码,*长称性的限制最佳的方式是基站使用多根天线实现接收分集分层空时码按发射端输器2和发射分集而移动台则不强求使用多根天线而目前的商用分路的方式不同分为水平系统采用的主要方式是接收分集.鉴于此ATRT的 Tarokh等分层空时码和对角分层空图2分层空时码发射端人在发射延迟分集的基础上提出了基于发射分集的空时码时码如图2-图4所示一般认为发射分集将是今后提高无线链路性能的一项重要对角分层空时码的性能较水平分层空时码优越但复杂技术文献3~4玠介绍了空时码的构造、性能以及空时格码调度高水平分层空时码和对角分层空时码最明显的区别在于制技术.基于发射分集的空时码按照编码方式的不同又可分它们的编码方式对角分层空时码各子数据流之间存在分组为空时分组码 Space-Time Block Code和空时格码 Space-Time编码图4所示.这种编码方式导致很高的频谱利用率而水 Trellis Code)平分层空时码不存在子数据流之间的编码,只有通常的子数3.1空时分组码据流之內的编码所以频谱利用率较对角分层空时码低.空时分组码□区[一线首先是由Tark46等人提空时分至天线1出的.图5是空时分组编码调制IGE,I星座快射框图.由于空时:格码考虑了前后输入的关联,所发射天线图3水平分层空时码编码以它比空时分组图5空时分组编码调制码应该具有更好□■[至天线0的性能但是对于发射天线数固定的空时格码而言其译码至天线1复杂度与传输数据速率呈指数关系.为了降低空时码的译码坐天线2复杂度 Tarokh在 Alamouti研究的基础上应用了正交设计理论提出了空时分组码空时分组码的译码也可象分层空时码那样采用联合检测算法译码但通常利用正交性用最大似图4对角分层空时码编码然译码算法实现故空时分组码具有很低的译码复杂度而且分层空时码具有以下特点还可能能得到最大的发射分集增益.接收译码框图见图6.(1)n根发射天线使用同一频带符号同步使用同样的星座图;的状判决最大似然判决4(2加n根天线上发射的信号对应的信源是不同的故分层空时码不是基于发射分集的线性合并器排(3)射单元天线的总功率恒定与发射天线数n无关(4將单个高SNR的信道分割成n个相互重叠的低SNRr=In'n'I最大似然判决信道以此来达到提高频谱效率的目的(5痊时分层空时码的优点是当m≥n时可以证明系统容量与发射天线个数n近似成正比(6)不同的收发天线之间信道增益不相关e的状判次分层空时码的译码一般可采用类似于基于迫ZF和最小均方羞MMSE進则的该检测算法由于该检测算法的复杂图6空时分组码的接收译码度较高所以研究新的分层空时码的译码算法尤其是对角分空时分组编码正是由于其相对简单的译码算法和较好的层空时码的译码算法是当今的研究方向之性能已经被正式列入 WCDMA提案. WCDMA提案中下行开环发射分集共有两种空时发射分集 spce time transmit diversi3基于发射分集的空时码ty STTD)和时域切换时间分集( Time switched time diversity移动通信系统中分集是提供可靠通信最重要的方法之TSTD)其中的SrD技术即为基于发射分集的空时分组编常用的分集方式有以下几种(1对间分集如信道编码、码提案中的发射分集分为两种模式开环模式和闭环模式第11A期张平空时码回路来获得信道信息8]同一物理信道不能同时使用这两种仿真原理图)在此假定m=n=2对CDMA系统而言在天模式表1列出了开环模式以sT为例和闭环模式发射分线1和天线2上同一用户数据部分使用相同的扩频码但使集在 WCDMA下行信道中可能的应用9用不同的导频表1发射分集在 WCDMA下行信道中的应用物理信道类型开环模式闭环模式P-CCPCH00010203SCH10l1213S-CCPCH2022223DPCHX303|323322232021XCSICHQPsK星座说明X表示能被应用“-“表示不能被应用图8两发射天线8状态空时格码栅格及QK星座图正交设计是空时分组码的核心虽然目前已有通用的实图8是两发射天线8状态空时格码栅格及QK星座图正交及复正交设计方案但我们认为正交设计仍然有研究的(即空时编码栅格图和星座图卷积编码为23)帧结构为必要将空时分组码与功率控制相结合,调整单根发射天线的导频符号加数据)码速率为1/2卷积码状态数为8功率及相位以使对方接收机具有最佳的性能也是研究的方7.0E01向之一再者由于空时分组码具有相对简单的译码算法和较OE-OSTICH好的性能所以存在将空时分组码与其他前沿技术相结合的可能.比如正交频分复用( Orthogonal frequency division multoDN相结合不但可以得到极佳的性能而且还可以有效8plex,OFDM)是当今研究的热点技术之一将空时分组码与降低OFDM盲信道估计的难度3.2空时格码基于发射分集的空时码是在空时延时分集基础之上提出的.空时延时分集是指两根发射天线同时发射同一信息,只不过信息通过两根天线时有一个符号的时延.在这个基础上 Tarokh Seshadri alderaan3提出了空时编码方案.空时延迟分集可看成空时砜空时格码〕一个特例.文献3卫给出图9空时格码及卷积码的误码率曲线对比了栅格图表示的空时延迟分集文献3还给出了 Rayleigh图9基于CDMA系统的空时格码及卷积码的性能曲线ican信道下的性能限、设计准则空时编码还可以以多级空曲线srTM为两根发天线、两根收天线快衰落单径瑞利信道时编码实现文献3出了n=38SK下的多级空时编码的的空时格码译码曲线Ⅴ ITERBI为单根发天线、单根收天线快实现方案衰落单径瑞利信道的维特比译码〔对于曲线 STTCM而言,Es图7是我们给出的CDMA系统的空时格码调制Spee为两根发天线的能量和,于曲线ⅤTER而言,E为单根time trellis coded modulation STTCM泼射机和接收机方框图即发天线的能量信道为车速160km/h的单径瑞利衰落信道)发射天线(n)空时格码目前的研究方向当前空时码的设计中主要使成型滤被器用的是內积距离和汉明距离在空时码编码中如何寻找更合信源 HSTTCMH扩频适的设计准则是一个值得深入研究的方向.再者,虽然文献成型滤波器[3珨出了 Rayleigh, ricean信道下的性能限但是仍然缺乏更进一步衰落信道的容量分析.空时码是与其他技术的结合如技收天线(m)智能天线、多用户检测、多重格码调制( Multiple Trellis Coded匹配滤波器H解扩信道估计Modulation mtCm结合已成为研究的热点3.3分层空时码与基于发射分集的空时码的比较分层空时码和基于发射分集的空时码都具有较为优越的匹配滤被器解扩口信道估计性能但是它们在译码复杂度、最适于何种信道环境、对天线的要求等方面又有所不同表2给出了分层空时码与基于发电子学报2000年表2分层空时码与基于发射分集的空时码的比较7 S M. Alamouti. A simple transmitter diversity scheme for wireless com-分层空时码基于发射分集的空时码munications[J]. IEEE Journal on Selected Area in Communication是否基于发射分集否是Ot,998A6:1451-1458对信道环境的要求一般为室内环境无特别要求[8 Americo ,et al. Space-time transmitter diversity schemes for wideband对接收天线的要求接收天线不少于发射天线无特别要求[Al. IEEE 5lst Vehicular Technology Conference Tokyo Japan May译码复杂度较空时格码为低空时格码的复杂度高2000:15-18.[9]3GT25.21lV3.2.0[4结论[10] Wittenben et al. a new bandwidth efficient transmit antenna modulation diversity scheme for linear digital modulation[ C I. in Proc IEEE空时码是近年来提出的一项充满希望的关键技术.研究ICC1993:1630-1634表明空时码是提高频谱利用率最有效的方法之一必将在未来的移动通信系统中得到广泛的应用但我们也应看到空时作者简介码的系统理论分析还有许多待完善的地方而且空时码如何有效地与智能天线技术、多用户检测技术、均衡技术、MICM张平1990年在北京邮电大学获得博士技术等相结合仍需要做大量的工作.鉴于此我们应大力加学位.1994年至1995年作为国家科委优秀青年强这方面的研究工作获得相关的技术及专利以便在制定末科学家在韩国通信研究开发院个人通信实验室来的基于空时码的通信系统中取得发言权进行CDMA移动通信系统关键技术的博土后研究现为北京邮电大学教授博士生导师.已在参考文献IEEE Transaction on Vehicular Technology,Electronics通信学报等国内外科学杂志和1 J D Shiu and J M. Kahn. Layered space-time codes for wireless comm学术会议上发表70多篇学术论文承担了包括信息产业部、国家自然nications using multiple transmit antennas A ] ICC 99, VancouverCanada June 1999基金委员会、诺基亚、华为、中兴、大唐的多项研究课题,参加了对2 J Golden G. D. et al. V-BlAST :An architecture for realizing veryWCDMA和CDMA-2000FD模式的系统评估工作,目前是国家科技部data rates over the rich-scattering wireless channel C ].Proo98移动通信系统的技术研究工作包活WCDM以及信息产业部传输所Int Symp. on Advanced Radio Technologies, Boulder, Colorado, 9-11提出的 TD-SCDMA标准的评估和研究3 J V. Tarokh et al. Space-time codes for high data rate wireless communication Performance criterion and code construction [J]. IEEE Trans陶小峰1993年毕业于西安交通大学电气Info. Theory 1998 A4 744-765工程系获工学学士学位.199年毕业于北京邮[ 4] V. Tarokh et al. Space-time block codes from orthogonal designs[J]IEEE Trans. Info Theory uly 1999 A5: 1456-1467电大学计算机应用专业获工学硕士学位现为[5]GJFoschini, Layered space-time architecture for wireless communica-该校博士研究生.主要从事多用户检测、智能天tion in a fading environment when using multi-element antennas[ J]线、空时码的研究Bell Lahs Technical Joumal Autumn 1996