無線通信中空時(shí)編碼性能

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【摘要】空時(shí)編碼能夠有效利用空間資源，提高通信的可靠性和系統(tǒng)容量，其在無限通信領(lǐng)域起到了重要的作用。但是，由于目前的空時(shí)編碼技術(shù)尚不成熟，因而要加強(qiáng)空時(shí)編碼的研究。本文先對(duì)空時(shí)編碼的分類進(jìn)行探討，并進(jìn)一步分析無線通信中空時(shí)編碼性能。

【關(guān)鍵詞】無線通信；空時(shí)編碼；性能

1引言

空時(shí)編碼有著較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠顯著降低多徑衰落對(duì)于無線通信的不利影響，其在目前的無線通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。由于無線通信所用信道的不同，可以分為三種不同的編譯碼方案：空時(shí)網(wǎng)格碼、分組碼以及分層空時(shí)碼。三種不同的空時(shí)編碼技術(shù)有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在進(jìn)行性能分析時(shí)，主要應(yīng)用仿真分析手段，對(duì)其誤碼性能進(jìn)行具體分析。

2空時(shí)碼的分類

就目前的發(fā)展?fàn)顩r而言，可以根據(jù)發(fā)射端與接收端是否需要明確信道狀態(tài)信息，將空時(shí)碼分為兩大基本類型：Ⅰ類以及Ⅱ類控制碼。

2.1Ⅰ類空時(shí)碼

對(duì)于Ⅰ類空時(shí)碼而言，其解碼過程中要求明確信道狀態(tài)信息（SCI），并且可以進(jìn)一步細(xì)分為三種不同的類型：①分層空時(shí)碼（LSTC）；②空時(shí)格碼（STTC）；③空時(shí)分組碼（STBC）。一方面，LSTC是在20世紀(jì)90年代末由美國內(nèi)爾實(shí)驗(yàn)室所提出。通過把輸入的高速信息比特流轉(zhuǎn)換分解為幾個(gè)不同的低速比特流，再進(jìn)行獨(dú)立的編碼與調(diào)制，進(jìn)而能夠可以映射到不同的發(fā)射天線。在接收端通過應(yīng)用多個(gè)自信道，根據(jù)多徑衰落所出現(xiàn)的特性差異，進(jìn)而完成對(duì)信息的提取。編碼過程中，所應(yīng)用的編碼器主要是并行的普通信道編碼器。由于發(fā)射天線和信源消息之間有著不同的映射關(guān)系，因而可以將LSTC分為三種不同的類型：水平、垂直以及對(duì)角分層空時(shí)碼。另一方面，空時(shí)格碼是由Tarokh在1998年所提出，它是一種改進(jìn)了的信息分集傳輸方式，并且將多天線發(fā)射系統(tǒng)和格形編碼調(diào)制有機(jī)地結(jié)合在一起。由于STTC將調(diào)制與編碼良好的融合起來，并且對(duì)分集增益以及編碼增益的影響進(jìn)行了分析與研究，因而STTC可以有效降低編譯碼的復(fù)雜效果，提高頻帶的利用率。由于STTC的編譯碼有著一定的復(fù)雜度，為了降低其復(fù)雜度，美國Cadence企業(yè)的工作人員對(duì)其進(jìn)行了研究，并進(jìn)一步提出了STBC。STBC是一種基于正交設(shè)計(jì)的空時(shí)編碼，其特點(diǎn)是不同天線所發(fā)出的信號(hào)是相互正交的。這樣一來，能夠使分集增效達(dá)到最大化。

2.2Ⅱ類空時(shí)碼

對(duì)于Ⅱ類空時(shí)碼而言，其解碼過程中不要求知道相應(yīng)的信道狀態(tài)信息。Ⅱ類空時(shí)碼也可以細(xì)分為兩種不同的類型：①包括酉空時(shí)碼（USTC）；②差分空時(shí)碼（DSTBC）。在某些條件下，接收端對(duì)于信道的估計(jì)較為困難，一些情況下很難做到，因而Hochwald就發(fā)明了USTC。這一類型的空時(shí)碼，不需進(jìn)行信道估計(jì)，進(jìn)需要確保所發(fā)送的矩陣滿足酉矩陣的要求。在形式方面USTC與STBC之間有著一定的相似性。同時(shí)，它也是快衰落信道條件下解決空時(shí)編碼的有效方案。在進(jìn)行USTB的設(shè)計(jì)時(shí)，要明確不同碼字矩陣的關(guān)聯(lián)系數(shù)。但是，現(xiàn)階段還沒有很好的解決這一問題。此外，在發(fā)射端與接收端應(yīng)用DSTBC時(shí)，不需要知道信道的狀態(tài)信息。DSTBC是一種相對(duì)簡便的分集發(fā)射方案。

3空時(shí)編碼方案分析

3.1空時(shí)分組碼編譯碼方案研究

為了有效提高吞吐量，提高譯碼算法的簡易性效果，實(shí)現(xiàn)分集增益以及編碼增益，空時(shí)編碼技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。具體應(yīng)用過程中，如果系統(tǒng)復(fù)雜度角度，并且有不同的發(fā)射天線陣元，在這種場(chǎng)合下較為理想。對(duì)于STBC而言，它可以很好地滿足上述條件?？傮w而言，可以將這一編碼方案視作滿足分集增益的編碼調(diào)制方案，并且編譯碼的算法不具較高的復(fù)雜度。設(shè)計(jì)過程中，主要應(yīng)用了正交設(shè)計(jì)思想，需要具備兩副接收天線以及一副接收天線。這一發(fā)送分集方案的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單，同時(shí)能夠確保分集增益的最大化效果。最先得到大家認(rèn)同并得到廣泛應(yīng)用的是Alamouti編碼方案，這一方案首先需要對(duì)數(shù)據(jù)比特流進(jìn)行分組，即進(jìn)行串/并聯(lián)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過編碼后的信號(hào)，將通過兩個(gè)不同的時(shí)隙進(jìn)行發(fā)射。對(duì)于第一個(gè)時(shí)隙而言，碼元s1以及s2可以在相同的時(shí)間有順序的從兩根天線中發(fā)出。等進(jìn)入到第二個(gè)時(shí)隙時(shí)，仍然需圖1原理框圖要發(fā)送兩個(gè)碼元，不同碼元對(duì)應(yīng)不同的天線，進(jìn)而可以完成對(duì)不同符號(hào)的發(fā)送。

3.2分層空時(shí)碼編譯碼方案研究

通過對(duì)無線信道的衰減狀況進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)無線電波傳輸環(huán)節(jié)中，存在著多徑效應(yīng)，相應(yīng)的符號(hào)會(huì)借助于不同的支路到達(dá)接收端，這一過程中的時(shí)延有著一定的差異性。因而，不同符號(hào)間存在著碼間串?dāng)_問題，進(jìn)而導(dǎo)致了接收符號(hào)的可靠性顯著消弱。對(duì)于空時(shí)分組碼而言，可以在準(zhǔn)靜態(tài)衰落信道的條件下達(dá)到滿分集增益的效果，并且在對(duì)抗衰落問題上有著良好的效果。但是，其傳輸速率不超過1，因而速率相對(duì)較低。LAST主要應(yīng)用的是空分復(fù)用的重要思想，在不同的碼元周期中，需要發(fā)送nt個(gè)相互獨(dú)立的符號(hào)。其主要的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)簡易以及容易實(shí)現(xiàn)等方面，同時(shí)頻帶的利用率相對(duì)較高。其中，圖2為分層空時(shí)編碼發(fā)送與接收模型圖。通過在發(fā)射端對(duì)高速數(shù)據(jù)比特流進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化，使之轉(zhuǎn)換為速度較低的比特流，之后應(yīng)用信道編碼器開展編碼工作。在接收端當(dāng)有符號(hào)碼元到達(dá)時(shí)，多副天線將會(huì)完成信號(hào)的分集接收，這樣一來，就可以降低乘性噪聲以及碼間串?dāng)_等問題，這一環(huán)節(jié)中需要用到線性反饋均衡器。最后，需要借助于合適的檢測(cè)方法，對(duì)分層空時(shí)進(jìn)行一定的檢測(cè)。

3.3空時(shí)網(wǎng)格碼編譯碼方案研究

通過利用STBC雖然能夠?qū)崿F(xiàn)分集增益，但是由于STBC不具備編碼增益的功能，要想破除這一限制條件，STTC營運(yùn)而生。大多情況下，要求將編碼器當(dāng)作有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行考慮，這一編碼方式可以與多進(jìn)制的調(diào)制方法進(jìn)行相互組合，并且二者之間的組合有著不同形式，比如QPSK以及16QAM。對(duì)于STTC而言，它是一種聯(lián)合設(shè)計(jì)的編譯碼方案，綜合了差錯(cuò)控制編碼以及調(diào)制等因素，同時(shí)綜合了發(fā)射、接收分集等。STTC能夠顯著提高抗衰落效果，這主要得益于編碼增益和滿分集增益，同時(shí)提高了頻率的利用效果。在進(jìn)行STTC譯碼環(huán)節(jié)時(shí)，需要用到維特比譯碼算法，這一算法具備動(dòng)態(tài)尋找的功能，可以找出最小度量路徑，進(jìn)而能夠最大程度的確保接收信號(hào)得到無差錯(cuò)恢復(fù)。相比于其他類型的編譯碼方案，STTC能夠適應(yīng)不同的傳輸環(huán)境，并最大限度地發(fā)揮優(yōu)良性能。它是一種最有碼，對(duì)于現(xiàn)階段全部類型的編碼方案，其性能與復(fù)雜度不可能比空時(shí)格型碼具備更好的性能。

4性能仿真分析

通過對(duì)上述三種不同的時(shí)空編碼技術(shù)進(jìn)行探討與研究，下面對(duì)其性能做出相應(yīng)的比較：一方面，對(duì)于LAST方案而言，其主要應(yīng)用到分解復(fù)用進(jìn)而實(shí)現(xiàn)編碼。不同天線所發(fā)送的調(diào)制信號(hào)具有完全獨(dú)立性，并且信號(hào)發(fā)送環(huán)節(jié)中采用相同的載波。由于該方案具備信道多徑效應(yīng)，其產(chǎn)生的獨(dú)立空間衰落主要用于改善數(shù)據(jù)率。也就是說，LAST通過分集增益的方式，以求提高頻帶的利用率。該方案主要應(yīng)用于室內(nèi)傳輸環(huán)境中，并且多徑相對(duì)豐富。另一方面，對(duì)于STTC而言，主要通過頻帶利用率實(shí)現(xiàn)增益。通過折中編碼增益以及分集增加，進(jìn)行編碼與調(diào)制環(huán)節(jié)的聯(lián)合優(yōu)化，進(jìn)而確保數(shù)據(jù)率提高，這一提高呈現(xiàn)出指數(shù)增長的趨勢(shì)。此外，對(duì)于STBC而言，為了獲取最大的分集增益，主要通過犧牲頻帶利用率的方式進(jìn)行。其主要的特點(diǎn)是譯碼算法為線性運(yùn)算，因而運(yùn)算環(huán)節(jié)相對(duì)簡易。但是，對(duì)于頻譜的利用效果得不到有效提高。隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，我國的無線移動(dòng)通信行業(yè)有著良好的發(fā)展勢(shì)頭。因而，要加強(qiáng)對(duì)空時(shí)編碼性能仿真分析，不斷提高通信的要求與性能，提高和改善信道傳輸容量，增強(qiáng)其抗衰落性能。

5結(jié)束語

本文首先對(duì)空時(shí)編碼種類進(jìn)行了探討，并對(duì)其在無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了概述。其次，對(duì)于三種不同的編譯碼算法做出了分析與研究。最后，借助于matlab軟件進(jìn)行性能仿真，對(duì)不同類型的空時(shí)編碼的性能做出了分析。研究表明：空時(shí)分組碼編譯碼相對(duì)簡單，并且可以實(shí)現(xiàn)分集增益的最大化效果，同時(shí)有著良好的誤碼性能。但是，不能獲取編碼增益，因而導(dǎo)致誤碼性能受到了相應(yīng)程度的限制。對(duì)于分層空時(shí)碼而言，其能夠?qū)⒔邮辗旨c空間復(fù)用良好地結(jié)合在一起，并且該編譯碼方案有著良好的傳輸速率。但是，該方案無法獲取最大的分集增效，在誤碼性能方面表現(xiàn)不好。最后，對(duì)于空時(shí)網(wǎng)格碼而言，它把調(diào)制技術(shù)和糾錯(cuò)編碼結(jié)合起來，進(jìn)而形成一種聯(lián)合編碼方案。該方案不需要系統(tǒng)帶寬做出犧牲，并且可以得到較高的編碼增益，同時(shí)獲得滿分分集增益。這樣一來，可以有效改善無線通信系統(tǒng)的誤碼性能。但是，隨著編碼器狀態(tài)數(shù)的不斷增加以及調(diào)制階數(shù)的不斷提高，譯碼環(huán)節(jié)的復(fù)雜程度也將顯著提高，并且呈指數(shù)增長模式。

參考文獻(xiàn)

[1]李冉.下一代無線通信系統(tǒng)中的MIMO技術(shù)應(yīng)用[J].軟件導(dǎo)刊，2015（02）：109~111.

作者：鄧金明 單位：中睿通信規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司