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。

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-Time Trellis Code)和空时分组码STBC(SpaceTime Block Code)，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

2．1 CDMA系统的空时格码调制

图3是CDMA系统的空时格码调制STTCM(SpaceTime Trellis Coded Modulation)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。

2．2 WCDMA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(SpaceTime transmit Diversity)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)Wki+jsin(wct)Wkq)

TB1=-s2·(cos(wct)Wki+jsin(wct)Wkq)

TB2=-s1·(cos(wct)Wki+jsin(wct)Wkq)

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h1、h2，则接收的信号为：

对(3)式进行载波和扩频解调，解调后得到I、Q两路数字信号，送人最大似然判决器，进行最大似然解码。

3 基于发射分集的空时码的性能分析

基于发射分集的空时码集发射分集与空时编码于一体，具有较好的频率和功率有效性，大大改善了移动通信系统的信息容量和信息率，充分利用了无线频谱资源。实验仿真表明，基于发射分集的空时码频带利用率可达到20～40bps／Hz，空时格形码和空时分组码均可达到系统提供的最大分集增益。

由于空时格形码考虑了前后输入的关联，它除了可以获得分集增益外还可以在不牺牲系统带宽的前提下获得一定的编码增益。因此，它比空时分组码具有更好的性能，抗衰落能力较强。窆时格形码的主要缺点是编码时搜索好码比较困难，译码过程也比较复杂。对于发射天线数固定的空时格形码而言，其译码复杂度(由译码器网格图中的状态数来衡量)将随着传输速率的增加呈指数增加。空时格形码另外两个缺点是：采用软输入软输出的最大后验概率MAP算法译码时译码延时较大，对于语音业务来说无法忍受；码优化难度大，串行级联系统的STYC码优化准则目前还没有确立。正是由于以上问题的存在，空时格形码的实用化进程比较缓慢，实现难度较大。

空时分组码构造容易，译码简单。通过编码正交设计，发射分集获得了两个显著特性：一是正交设计使系统在全分集时提供了最大的发送速率，因而没有损失传送带宽；二是应用编码矩阵列之间的正交性，接收端获得最佳信噪比，可以用最简单的最大似然解码算法进行解码。空时分组码的主要缺点是性能改善有限，不能像空时格形码一样通过增加状态数来改善性能，抗衰落性能也不是很理想。此外，在译码时需要知道准确的信道衰落系数，这就要求发射端发射不同的导频序列，接收端采用大量的信道估计运算，才可以达到空时分集效果。当空时分组码与交织技术结合使用时，性能则有较大改善。根据正交设计理论的空时分组码虽然不能获得编码增益，却具有很低的译码复杂度，并且还可能得到最大的发射分集增益，所以已经被正式列入WCDMA提案中。

图5

4 基于发射分集的空时码的研究方向和发展展望

当前空时格形码的设计中主要使用内积距离和汉明距离，在空时格码编码中如何寻找更合适的设计准则是一个值得深入研究的方向。V．Tarokh等人虽然给出了Rayleigh Ricean信道下的性能限，但是仍然缺乏更进一步对衰落信道的容量分析。空时格形码与其它技术的结合(如智能天线、多用户检测和多重格码调制MTCM的结合)已成为研究的热点。

正交设计是空时分组码的核心。虽然目前已有实正交和复正交设计方案，但正交设计仍然有研究的必要。为使对方接收机具有最佳的性能，将空时分组码与功率控制相结合调整单根发射天线的功率及相位，也是研究的方向之一。再者由于空时分组码具有相对简单的译码算法和较好的性能，所以存在将空时码与其它前沿技术相结合的可能。例如，正交频分复用(OFDM)是当今研究的热点之一，将空时分组码与OFDM相结合，不但可以得到极佳的性能，而且还可以有效地降低OFDM盲信道估计的难度。

基于发射分集的空时码是近年来提出的一项充满希望的关键技术。在当前频谱资源日趋紧张的情况下，人们必须不断挖掘频谱资源潜力，以满足日益增长的移动多媒体通信业务的需求。研究表明，基于发射分集的空时码是提高无线频谱利用率的最有效的方法之一，必将在未来的移动通信系统中得到广泛的应用。但同时也应看到，空时码的系统理论分析还有许多待完善的地方，而且基于发射分集的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、MTCM技术、OFDM技术等相结合，仍有大量工作需要去做。鉴于此，应大力加强这些方面的研究工作，在核心技术上不断取得突破，在理论上不断成熟和完善，从而在未来的移动通信系统中，使基于发射分集的空时码为提高频谱利用率发挥出更加突出的作用。