基于发射分集的空时码及其应用
摘要：介绍了基于发射分集的空时码的结构和编码原理，总结分析了基于发射分集的空时码在移动通信中的应用和性能特点，并对其研究方向和发展前景进行了探讨。
关键词：发射分集空时编码(STC)
发射分集的概念由接收分集技术引伸而来。它是为减弱信号衰落的效果，使用多个独立的天线或相关天线阵列，把发射信号的复本以空间冗余的形式提供给接收端。分集发射利用不同基站或同一基站中不同位置的天线发射信号到达移动台的不相关性，借助移动台的Rake分集接收功能，分别接收由不同天线或不同基站发出的信号再分集合并，从而提高系统性能。
空时编码(STC)是近年来移动通信领域出现的一种新的编码和信号处理技术，在发射端和接收端同时使用多个天线进行信息的发射和接收，在不同天线发射信号之间引入时域和空域相关，综合利用时域和空域二维信息，在接收端进行分集接收。空时编码将空间分集、频率分集及时间分集结合在一起，从通信系统的整体出发，提高多径衰落信道的通信质量和数量。
图1
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。长时间以来，人们一直致力于开发高效的编码、调制和信号处理技术以提高无线频谱的效率。基于发射分集的空时编码技术就是能够有效提高无线频谱利用率的重要方案之一，这是人们在对发射分集和空时编码的重要意义认识的基础上取得的丰硕成果。
1基于发射分集的空时码编码原理
基于发射分集的空时码分为空时格形码STTC(Space-TimeTrellisCode)和空时分组码STBC(SpaceTimeBlockCode)，其编码原理分别如下。
1．1空时格形码(STTC)
空时格形码是将格形码与多个天线相结合的一类空时码。图1给出了一种空时格形编码方案。在第k个时刻有b个比特信息输入到编码器中，在该编码器中还包括若干个存储器，用于存储k-1，k-2,……．时刻的输入信息，这些存储器的个数由编码网格图的状态数决定。输入的信息经过信道编码器之后有n个输出，每个输出在格(Lattice)Z2b内取值，然后每个输出分别送人对应的脉冲形成器，其输出再送到调制器，形成规模为2b的空间内的星座点发送出去。Ckj表示第k个时刻第i个天线上发送的信息符号星座点。如果在准静态衰落条件下，即在一帧信息内信道的衰落保持不变，而帧与帧之间的衰落也相互独立，将lb个输人比特送人编码器，把这些比特分为l组，每组b个比特，则重排串符号星座点码字C11C12…C1nC21C22…C2n…Cl1Cl2…Cln。通过适当的编码方式，这种空时编码方案可分别获得最佳的分集增益和编码增益。
1．2空时分组码(STBC)
从降低译码复杂度出发，Alamouti提出一种利用两根发射天线的传输方法。在此基础上，Tarokh利用广义正交设计原理将其推广，提出了空时分组码的概念。
图2是空时分组码编码原理框图。输入信息首先分成两个符号一组[C1,C2]。经过空时分组编码后，在两个符号周期内，两天线同时发射两个符号。第1周期，天线1发cl，天线2发c2；在第2周期，天线1发-c2*，天线2发c1*(上标*表示取复共轭)。编码矩阵的每一列符号同时在不同天线上发送出去，在一个天线上发送出去的星座点符号与另外任意天线上发送出去的符号是正交的。
2应用举例
2．1CDMA系统的空时格码调制
图3是CDMA系统的空时格码调制STTCM(SpaceTimeTrellisCodedModulation)发射机和接收机原理方框图。在此假定m=n=2(m为接收天线个数，n为发射天线个数)。对CDMA系统而言，在天线1和天线2上，同一用户数据部分使用相同的扩频码，但使用不同的导频。
图4是两天线8状态空时格码栅格及QPSK星座图(即空时编码栅格图和星座图)。卷积编码为(2，1，3)，码速率为1／2，卷积码状态数为8，帧结构为导频符号加数据。其中s1表示在第一个天线上发送，s2表示在第二个天线上发送。理论证明，该空时码可得到最优的特性，即可取得最大分集增益和编码增益。空时格形码的译码，可采用VITERBI译码或BCJR-MAP算法。
2．
2WCDMA的空时分组编码发射分集(STTD)
由于空时分组码相对简单的译码算法和较好的性能，WCDMA下行开环发射分集中采用了空时分组编码技术。WCDMA的空时分组编码发射分集STTD(SpaceTimetransmitDiversity)原理框图如图5所示。信源比特流先经过STTD编码，分成了A、B两路，每一路又分成I、Q两路，用信道码和长扰码进行扩频调制，最后进行正交载波调制，分别从天线A、B发射。
STTD编码后，每一路都由串变并，进行QPSK编码。实际上，是将信号转换成双比特的复信号传输。将(2)式的基带信号进行QPSK载波调制，并用复变量表示，得到天线A和天线B上的发射信号分别为：
s1=b0+jb1;s2=b2+jb3(1)
假设两根天线是相互独立的，两个独立的衰落信道的冲激响应分别为丸h1、h2，则接收的信号为：
将（2）式的基带信号进行QPSK载波调制，并用复变量表示，得到天线A和天线B上的发射信号分别为：
TA1=s1·(cos(wct)Wki+jsin(wct)Wkq)
TA2=s2·(cos(wct)W 《基于发射分集的空时码及其应用》
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关键词：发射分集空时编码(STC)
发射分集的概念由接收分集技术引伸而来。它是为减弱信号衰落的效果，使用多个独立的天线或相关天线阵列，把发射信号的复本以空间冗余的形式提供给接收端。分集发射利用不同基站或同一基站中不同位置的天线发射信号到达移动台的不相关性，借助移动台的Rake分集接收功能，分别接收由不同天线或不同基站发出的信号再分集合并，从而提高系统性能。
空时编码(STC)是近年来移动通信领域出现的一种新的编码和信号处理技术，在发射端和接收端同时使用多个天线进行信息的发射和接收，在不同天线发射信号之间引入时域和空域相关，综合利用时域和空域二维信息，在接收端进行分集接收。空时编码将空间分集、频率分集及时间分集结合在一起，从通信系统的整体出发，提高多径衰落信道的通信质量和数量。
图1
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。长时间以来，人们一直致力于开发高效的编码、调制和信号处理技术以提高无线频谱的效率。基于发射分集的空时编码技术就是能够有效提高无线频谱利用率的重要方案之一，这是人们在对发射分集和空时编码的重要意义认识的基础上取得的丰硕成果。
1基于发射分集的空时码编码原理
基于发射分集的空时码分为空时格形码STTC(Space-TimeTrellisCode)和空时分组码STBC(SpaceTimeBlockCode)，其编码原理分别如下。
1．1空时格形码(STTC)
空时格形码是将格形码与多个天线相结合的一类空时码。图1给出了一种空时格形编码方案。在第k个时刻有b个比特信息输入到编码器中，在该编码器中还包括若干个存储器，用于存储k-1，k-2,……．时刻的输入信息，这些存储器的个数由编码网格图的状态数决定。输入的信息经过信道编码器之后有n个输出，每个输出在格(Lattice)Z2b内取值，然后每个输出分别送人对应的脉冲形成器，其输出再送到调制器，形成规模为2b的空间内的星座点发送出去。Ckj表示第k个时刻第i个天线上发送的信息符号星座点。如果在准静态衰落条件下，即在一帧信息内信道的衰落保持不变，而帧与帧之间的衰落也相互独立，将lb个输人比特送人编码器，把这些比特分为l组，每组b个比特，则重排串符号星座点码字C11C12…C1nC21C22…C2n…Cl1Cl2…Cln。通过适当的编码方式，这种空时编码方案可分别获得最佳的分集增益和编码增益。
1．2空时分组码(STBC)
从降低译码复杂度出发，Alamouti提出一种利用两根发射天线的传输方法。在此基础上，Tarokh利用广义正交设计原理将其推广，提出了空时分组码的概念。
图2是空时分组码编码原理框图。输入信息首先分成两个符号一组[C1,C2]。经过空时分组编码后，在两个符号周期内，两天线同时发射两个符号。第1周期，天线1发cl，天线2发c2；在第2周期，天线1发-c2*，天线2发c1*(上标*表示取复共轭)。编码矩阵的每一列符号同时在不同天线上发送出去，在一个天线上发送出去的星座点符号与另外任意天线上发送出去的符号是正交的。
2应用举例
2．1CDMA系统的空时格码调制
图3是CDMA系统的空时格码调制STTCM(SpaceTimeTrellisCodedModulation)发射机和接收机原理方框图。在此假定m=n=2(m为接收天线个数，n为发射天线个数)。对CDMA系统而言，在天线1和天线2上，同一用户数据部分使用相同的扩频码，但使用不同的导频。
图4是两天线8状态空时格码栅格及QPSK星座图(即空时编码栅格图和星座图)。卷积编码为(2，1，3)，码速率为1／2，卷积码状态数为8，帧结构为导频符号加数据。其中s1表示在第一个天线上发送，s2表示在第二个天线上发送。理论证明，该空时码可得到最优的特性，即可取得最大分集增益和编码增益。空时格形码的译码，可采用VITERBI译码或BCJR-MAP算法。
2．
2WCDMA的空时分组编码发射分集(STTD)
由于空时分组码相对简单的译码算法和较好的性能，WCDMA下行开环发射分集中采用了空时分组编码技术。WCDMA的空时分组编码发射分集STTD(SpaceTimetransmitDiversity)原理框图如图5所示。信源比特流先经过STTD编码，分成了A、B两路，每一路又分成I、Q两路，用信道码和长扰码进行扩频调制，最后进行正交载波调制，分别从天线A、B发射。
STTD编码后，每一路都由串变并，进行QPSK编码。实际上，是将信号转换成双比特的复信号传输。将(2)式的基带信号进行QPSK载波调制，并用复变量表示，得到天线A和天线B上的发射信号分别为：
s1=b0+jb1;s2=b2+jb3(1)
假设两根天线是相互独立的，两个独立的衰落信道的冲激响应分别为丸h1、h2，则接收的信号为：
将（2）式的基带信号进行QPSK载波调制，并用复变量表示，得到天线A和天线B上的发射信号分别为：
TA1=s1·(cos(wct)Wki+jsin(wct)Wkq)
TA2=s2·(cos(wct)W 《基于发射分集的空时码及其应用》
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