沈阳理工大学学士学位论文
4 空时编码类型及仿真
4.1 空时编码技术的简介
空时编码在不同天线所发送的信号中引入时间和空间的相关性，从而不用牺牲带宽就可以为接收端提供编码系统所没有的分集增益和编码增益。目前的空时码可以分为两大类：一类是以最大分集为目标，包括有空时分组码（STBC）、空时格型码（STTC）等；一类是以最大速率为目标，其中以贝尔实验室的空时分层码（BLAST）方案最为出名。目前，空时分组码和空时分层码已被3GPP采用。空时格形码可以提供最大可能的分集增益和编码增益，而不会牺牲发射带宽。然而，这种码的译码却需要使用Viterbi译码器的向量形式，复杂度较高，对于目前还是资源有限的无线通信系统显得不太实用，空时分组码则克服空时格码译码复杂度高的缺点。 4.1.1 空时编码的系统模型
考虑一个具有Nt个发射天线、Nr个接收天线的无线通信系统，如图4.1所示。
xt1ct空时编码器rt1接收机信源xt串并转换器调制xtNt调制rtNr 图4.1 空时编码的系统模型
将发射数据送入空时编码器进行编码。在t时刻，将由m个二进制信息符号组成的块ct送入空时编码器，这个块可表示为：
ct??ct1ct2?ctm? （4.1）
空时编码器将M =2m个点的信号集中的m个二进制输入数据映射成nr个调制符号。将这个编码数据送到串并变换器，得到nr个并行的符号序列，表示为：
xt?x?1tx2t?xNtt?T （4.2）
式中，T表示矩阵的转置。Nt个并行输出由Nt根不同的天线同时发射出去，这样符
17
沈阳理工大学学士学位论文
号xt?1?i?Nt?表示是由发射天线阵列的第i个天线发射出去的符号，并且所有发射符
i号都有相同的时间宽度Ts。假定信道是无记忆的，那么从一根发射天线到一根接收天线的每一个链路都可以用平坦衰落模型来表示。发射天线数为Nt接收天线数为Nr的MIMO信道在t时刻可以用信道矩阵H表示为：
t?h1,1?t?h2,1Ht????t?hN?r,1tth1,2th2,2?thNr,2t?h1,Nt?t?h2,Nt????? （4.3）
t??hNr,Nt??其中，用hj,i表示从第i根发射天线到第j根接收天线之间的信道衰减系数。
4.2 空时分层码
4.2.1 空时分层码的概念
分层空时码（LSTC）(Layered Space.Time Coding)是最早提出的一种空时编码方式，又俗称贝尔实验室分层空时结构(BLAST， Bell Labs Layered Space.Tirrae )，是由贝尔实验室在1998年提出的一种利用多根发射天线实现数据流的多路并行无线传输的方法。BLAST的特点是系统结构简单，易于实现，频带利用率随着发射天线数目的增加而线性增加，它所能达到的传输速率是单天线系统无法想像的。分层空时码通过一维信号处理方法来处理多维信号，一般适于接收天线数多于发送天线数的无线MIMO系统。BLAST能提供一定的接收分集增益，但由于BLAST没有直接在空域上引入不同发射天线发送信号间的相关性，因此不提供发射分集增益，所以，从严格意义上讲分层空时码不能算作为一种真正的空时编码方法。BLAST根据信号构造方式的不同可以分为对角结构(D.BLAST)垂直结构( V.BLAST )和水平结构( H.BLAST )，D.BLAST接收端的检测复杂度高，但性能较好;而V.BLAST检测复杂度低，较为实用。 4.2.2 空时分层码的编码方法
分层空时码的编码结构如图4.2所示。它的基本思想是：先把高速数据业务分解成若干低速数据业务，然后通过普通的并行信道编码器编码，再对其进行并行的分层编码。编码后的信号经调制后从多个天线发送，实现发送分集。
18
沈阳理工大学学士学位论文
输入多路分解器编码器1编码器N波束形成空间分离器译码器1复用器译码器N输出 图4.2 分层空时码编码框图
从m个并行信道编码器送出的信号有三种分层空时编码方案:对角分层空时编码(DLSTcoding)、垂直分层空时编码(YLST coding)和水平分层空时编码(HLST coding)。为方便，设m=4，信道编码器的输出如图4.3所示。
图4.3 信道编码器输出
传统信道编码加交织本质上是时间编码，对角分层空时编码器接收从并行信道编码器的输出，按对角线进行空间编码，其原理如图所示。从图4.4中可以看出，为处理规范右下方排m( m一1)/2个0码元后，第一个信道编码器输出的开始m个码元排在第一条对角线，第二个信道编码器输出的开始m个码元排第二条对角线，一般第i个信道编码器输出的第j批m个码元排在第(i + (j一1) ? m)条对角线。编码后的空时码元矩阵中的每一列，经m个发送天线同时发送。
······c81 c44 c43 c42 c41 c04 c03 c02 c01 至天线1 ······c54 c53 c52 c51 c14 c13 c12 c11 0 至天线2 ······c63 c62 c61 c24 c23 c22 c21 0 0 至天线3 ······c72 c71 c34 c33 c32 c31 0 0 0 至天线4
图4.4 对角空时编码原理
垂直分层空时编码器接收从并行信道编码器的输出，按垂直方向进行空间编码，其
19
沈阳理工大学学士学位论文
原理如图4.5所示。从图4.5中可以看出，第一个信道编码器输出的开始m个码元排在第一列，第二个信道编码器输出的开始m个码元排第二列，一般第i个信道编码器输出的第j批m个码元排在第(i+ (j一1) ?m)列。编码后的空时码元矩阵中的第一列，经m个发送天线同时发送。
······c44 c43 c42 c41 c04 c03 c02 c01 至天线1 ······c54 c53 c52 c51 c14 c13 c12 c11 至天线2 ······c64 c63 c62 c61 c24 c23 c22 c21 至天线3 ······c74 c73 c72 c71 c34 c33 c32 c31 至天线4
图4.5 垂直空时编码原理
水平分层空时编码器接收从并行信道编码器的输出，按水平方向进行空间编码，即每个信道编码器编码后的码元直接送对应的天线(信道编码器与天线是一一对应的)发送出去，其原理如图4.6所示。
······c51 c41 c31 c21 c11 c01 ······c52 c42 c32 c22 c12 c02 ······c53 c43 c33 c23 c13 c03 ······c54 c44 c34 c24 c14 c04
图4.6 水平空时分层码的编码原理
比较上述三种分层空时编码方案，对角分层空时编码具有较好的空时特性及层次结构但有m( m一1)/2bit的传输冗余。垂直分层空时编码的空时特性及层次结构较对角分层空时编码差，但没有传输冗余。水平分层空时编码的空时特性很差。本文下面的讨论中都是针对垂直分层空时编码技术。
4.3 空时格型码
4.3.1 空时格型码的概念
空时格型码(STTC，Space.Time Trellis Codes)是继空时分层码之后提出的另一种空时编码技术，将无线MIMO系统的调制器和空时编码器两个模块联合起来考虑，采用差错控制编码、调制与发送分集相结合，在空间域和时间域进行联合编码的方式。STTC能够在不增加系统带宽的前提下得到最大可能的分集增益和编码增益，从而提高信息传
20
沈阳理工大学学士学位论文
输质量。图3.7所示为基于QPSK调制的4状态STTC的状态转移图。STTC不同于其他TCM编码，他的每一条状态转移分支上分配有两个QPSK符号，分别经由两个天线同时发送出去。
若采用2b 个信号点的星座图，在保证最大分集增益前提下STTC可达到的频率利用率最大为 b bit/s/Hz；但空时格型码最大的缺点是译码必须采用Viterbi译码算法，其译码复杂度随分集阶数r和频带利用率b按指数增长，即使对于较小的r和b，相应的译码复杂度也会很大，因此，对于高速率信息传输的系统显得不实用；其次，对于任意数目的发射天线，空时格型码的设计十分困难，对特定发射天线数的MIMO系统空时格码的设计一般借助计算机搜索的方法来完成。如何较好地解决上述问题是今后重要的研究方向。
4.3.2 空时格型码的编码方法
空时格型码的编码原理框图如图4.8所示。它是在延时分集的基础上结合TCM（Trllis Coding Modulation）编码提出的，实际上是发送分集方式的改进。STTC把编码和调制结合起来，综合考虑了编码增益和分集增益的影响，充分利用多发送天线的空间分集和信道编码及交织的时间分集，提高了频带利用率。格型编码器采用多进制调制方式，可以提高系统的传输速率，但采用多进制后，信号之间的差别减小，要达到相同的误码率性能，多进制方式所需的信噪比要比二进制高。所以，只有在信道衰落比较小的时候，才可以考虑使用更高频谱效率的调制方式来提高平均数据速率。空时格型码编码方案可以获得与最大比合并接收（MRC：Maximal Ratio Combining）相同的分集增益。除了分集增益外，良好的空时格型码还可以获得大量的编码增益。
输入脉冲形成1信道编码格型编码脉冲形成N调制器1 调制器N图4.8 空时格型编码框图
空时格形码以格形编码调制为基础，是一种重要的非线性编码方法，空时格码的一个直观特征就是它可以通过一个栅格结构生成和表达，这可以通过维特比算法非常方便
21