無線通信系統中的MIMO空時編碼技術

摘 要：在無線通信系統中，對優質、高效寬帶服務的要求不斷增加。空時編碼(STC)的目的是利用多輸入多輸出(MIMO)天線系統，提高傳輸質量，降低誤碼率，并獲得較高的編碼增益和分集增益，提高系統容量和頻譜利用率。較詳細地介紹了MIMO無線通信中的三種空時編碼方案：分層空時碼、空時格形碼、空時分組碼，對這三種方案進行了性能分析以及比較。

關鍵詞：空時編碼； 多輸入多輸出； 分層空時碼； 空時格形碼； 空時分組碼

中圖分類號：TN929.22-34文獻標識碼：A文章編號：1004-373X(2011)19-0031-03

MIMO Space-time Coding Technology in Wireless Communication System

WANG Guo-zhen， LIU Yu

(School of Communication Engineering， Xi’an University of Posts and Telecommunications， Xi’an 710121， China)

Abstract： In wireless communication system， the requirements on high quality and efficient broadband services are increasing. The space-time codes (STC) were designed to improve transmission quality， reduce BER， obtain higher encoding gain and diversity gain and improve the system capacity and spectrum efficiency using the multiple-input multiple-output (MIMO) antenna system. Three kinds of space-time coding schemes (layered space-time code， space-time grid form code， space-time block code) in the multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communication system are introduced. The perfor-mance of these three kinds of schemes are analyzed and compared.

Keywords： STC; multiple input and multiple output; layered space-time code; space-time grid form code; space-time block code

0 引 言

隨著全球移動通信用戶的不斷增加，為了滿足無線通信信道可靠并且高速的傳輸需求，已經形成了多種高效的調制和編碼方案。然而，無線信道易遭受到各種時變特性的衰落，例如：多徑衰落、干擾和噪聲等，分集技術是對抗無線信道衰落的一種有效方法［1］。空時編碼技術則是利用多發射和多接收天線，將發射分集和接收分集相結合，在通信的發射端與接收端建立起多條鏈路。它可以有效地抑制干擾，提高傳輸質量，降低誤碼率，并獲得較高的編碼增益和分集增益。簡而言之，空時編碼技術就是將編碼、調制、發送分集和接收分集有機地結合在一起，利用無線信道的多徑傳播特征，有效地補償信道衰減，增加系統容量，抑制噪聲和干擾的新的信道編碼技術。它充分有效地提高了多徑衰落信道的傳輸性能 ［2］。

本文根據空時編碼的設計目標，分析討論了三種空時編碼方案，對其進行了性能分析以及比較。

1 多輸入多輸出系統

所謂MIMO系統就是在無線通信系統的接收端和發射端采用多根天線進行數據傳輸。MIMO技術有效地利用隨機衰落和多徑傳播來獲得高傳輸速率和質量，它的優勢可以在散射物豐富的環境中得到充分的體現。

如圖1所示，信源以二進制數字信號的形式進入一個空時編碼模塊，通過映射復調制和編碼，被映射成為幾個單獨的符號流，通過不同的天線將每路符號流發射出去。符號流的獨立性、冗余性取決于映射方式或者信道編碼的方式，可以根據要求的性能進行設計。MIMO系統的實質就是為無線通信系統提供一定的空間復用增益和空間分集增益。空間復用增益可以大大地提高系統的傳輸速率，而空間分集增益則是提高傳輸的可靠性，降低系統的誤碼率。將空間中的多根天線在時間域和空間域結合起來處理，是實現空間復用增益和空間分集增益的有效方法［3］。

圖1 MIMO系統原理框圖MIMO系統有效地提高了無線通信系統的傳輸性能，它充分有效地利用了信號的所有空時頻域特性，主要有以下特點：

(1) 空域和時域聯合起來進行信號處理，大大地提高了系統的傳輸性能。

(2) 利用或減去無線信道中的多徑衰落，將多徑這一物理現象由有害變為有用。

(3) 在不增加帶寬的情況下，可以獲得額外的通信質量或者容量的改善，提高頻譜利用率。

空時編碼是一種應用于MIMO無線通信系統的編碼技術，該編碼技術是在多根天線和各個時間周期的發射信號之間產生空域和時域的相關性，使接收機克服MIMO信道衰落和減少發射誤碼，從而實現MIMO信道無線系統容量的顯著增加［4-5］。下面介紹空時編碼技術的三種編碼方案。

2 分層空時編碼

分層空時碼(Layered Space-Time Code，LST)最初是由貝爾實驗室的Foschini提出的，因而被稱為BLAST(Bell Labs Layered Space-Time Code)，它是一種同時在時間維度和空間維度上進行編碼的技術，使得編碼端的復雜度隨天線數目的增加而線性增長。

分層空時碼的基本思想是將高速業務分為若干低速業務，通過普通的并行信道編碼器編碼后，再進行分層的空時編碼。調制后用多根天線發送，實現發送分集。它的發送模型如圖2所示。

圖2 分層空時編碼發送模型在接收端，用多根天線接收，信道參數通過信道估計獲得，分層判決反饋干擾的抵消由線性判決反饋均衡器實現，然后進行分層空時譯碼，由單個信道譯碼器完成信道譯碼，接收模型如圖3所示［6］。

圖3 分層空時編碼接收模型分層空時碼根據映射方式的不同可以分為對角分層空時碼(DLST)、垂直分層空時碼(VLST)和水平分層空時碼(HLST)。

對角分層碼具有較好的空時特性及層次結構，但是有傳輸冗余，存在頻譜利用率損耗。垂直分層空時碼和水平分層空時碼的空時特性及層次結構較對角分層空時編碼差，但是沒有傳輸冗余，其中，垂直分層空時碼特性及層次結構比水平分層空時碼要好，水平分層空時碼不存在子數據流之間的編碼，空時特性最差，因此，在實際中，垂直分層空時碼V-BLAST的應用最為廣泛［7］。

3 空時格形編碼

空時格形碼(STTC)最初是由ATT實驗室的V.Tarokh等人提出的，它在不犧牲帶寬的情況下不僅可以提供盡可能大的分集增益，還可以提供較高的編碼增益。空時格碼STTC編譯碼的基本原理如圖4所示。

圖4 空時網格碼的實現框圖待發送的信息比特流經過格形編碼轉化成可以同步發射的矢量碼元。格形編碼一般有QPSK-TCM，8PSK-TCM，16QAM-TCM等機制。接收機對STTC的解碼也有多種方式，通常采用Viterbi-MMSE算法來譯碼。

圖5為基于QPSK調制的4狀態STTC的狀態轉移圖。

圖5 基于QPSK調制的4狀態STTC 的狀態轉移圖編碼器有4個狀態，每接收2比特輸入信息后，編碼器從一個狀態跳轉到另一個狀態，并輸出相應的碼字。例如編碼器處于零狀態時，當輸入的2比特信息分別為00，01，10，11時，對應的編碼輸出的星座點對是00，01，02，03。其中第一個數字是天線1發射的信號，第二個數字則是天線2在同一時刻發射的信號［8］。

STTC有以下很難克服的缺點：一是頻帶利用率不隨天線個數的增加而增加；二是譯碼復雜度隨著分集增益r和頻帶利用率b指數增長，即使r，b都比較小，譯碼復雜度也會很大；三是當狀態數比較大時，設計STTC的好碼字也有一定的難度。因此，STTC在實際中的應用受到了一定的限制。如何用更好的方法解決這三個問題則是今后空時編碼技術的重要研究方向。

4 空時分組編碼

空時分組碼是一種能夠提供滿分集增益，具有非常低的編碼和譯碼復雜度的多天線發射系統。Alamouti提出的兩根發射天線的空時分組碼方案可以提供完全發射分集增益，而且譯碼時只需要在接收端進行簡單的線性處理，簡化了接收機的結構。

Alamouti空時分組碼編碼器的原理框圖如圖6所示。在第一個時隙將復碼元信號s1和s2分別從兩個天線上同時發送；在第二個時隙，天線1和天線2分別同時發送信號-s*2和s*1(“*”表示求共軛)。

圖6 Alamouti空時分組碼編碼器的原理框圖STBC譯碼是利用其正交性，采用最大似然算法實現的。與最大比合并(MRRC)相比，STBC能得到相同的分集增益且具有很低的譯碼復雜度，易于實現。這種兩天線方案可以被擴展到任意數目天線的情況使用。假設收端采用一根接收天線，Alamouti方案接收機的原理框圖如圖7所示［9］。

圖7 Alamouti方案的接收機5 性能分析

根據以上對三種空時編碼技術的分析，將其性能進行比較，總結如下：

分層空時碼(BLAST)方案直接采用分解復用實現編碼，每個天線發送的都是完全獨立的調制信號，且以相同的載波發射。這種方法將無線信道多徑效應產生的獨立空間衰落全部用來提高數據率。BLAST以分集增益為代價換取高的頻帶利用率，適用于多徑較為豐富的室內傳輸環境。

空時網格碼(STTC)以頻帶利用率為代價來換取大益，是分集增益和編碼增益的折衷，是編碼、調制的聯合優化，數據率的提高呈指數增長。

空時分組碼(STBC)也是以頻帶利用率為代價來換取最大的分集增益，特點是譯碼算法是線性運算，比較簡單，但頻譜利用率較低。表1對上述幾種常用的空時碼結構進行了簡單比較。

6 結 論

空時編碼作為一種把編碼、調制和空間分集結合起來的先進技術，是3G/4G技術中的一個重要部分，可見其在下一代移動通信技術中有著廣泛的應用前景。本文介紹了MIMO系統中常用的三種空時編碼技術方案，將這三種方案做了較直觀的比較，以便對空時編碼技術進行有針對性的研究。

參 考 文 獻

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