空时码演示PPT

针对速率问题 方式：采用多天线阵系统 依据：多天线阵的信道容量理论
针对抗衰落的问题
空时编码技术——同时利用时间分集和空间分集
空时编码的提出背景
世界范围内无线通信的容量需求在迅速增长，但可利 用的无线频谱是有限的，采用多收发天线系统可以在 不牺牲带宽的情况下大大提高信道容量。
使用空时编码是达到或接近MIMO无线信道容量的一 种可行、有效的方法。其核心思想是使用多径能力来 获得较高的频谱利用率和性能增益。
欧洲在下一代标准提议中，未来的移动台能够在最大 移动速度为500km/h的环境下稳定工作，相应的信道 相关时间只有大约7-8个符号周期，此时进行信道估计 来获取信道信息变得十分困难甚至不可能。
为解决以上问题，可以不需要信道信息的差分空时码
（DSTC）和酉空时码（USTC）应运而生。
酉空时码
m1
TN
(2)矩阵形式可以表示为 X / M SH W
其中，X为T N矩阵，S为 T矩阵M, H为 矩M阵, NW 为 矩阵T, N
发射码字矩阵的元素由调制符号及其共轭组成
第一类空时码
这一类码字需要知道信道状态信息（CSI,即时变的H矩 阵的值）。目前已提出的空时编码主要有：
信道特性未知
LST 1996，Bell STBC 1998, AT&T
USTM 2000 Bell DSTM 2000 AT&T, 2001 Bell
STTC 1998, AT&T
目前，STBC和LST(MIMO) 已经被3Gpp协议采纳。
空时编码－系统模型
空时编码用来提高数据速率和改善衰落信道中多天线 通信系统的可靠性。数据经空时编码后被分为M个支 流，沿M个发送天线同时发送出去。不同天线发送的 信号要求是非相关而且具有相同的平均功率。
在接收端每个天线的接收信号为M路发送信号与噪声 的线性叠加。
空
串
输入序列 时
并
编
转
码
换
MIMO信道
时
空
联
并
空
合 多 用
串
时 估计序列
转
解
户
换
码
检
测
平坦瑞利衰落下的多天线系统模型
平坦瑞利衰落下多天线系统模型（续）
对于存在大量散射体的典型的陆地移动无线信道系统， 瑞利衰落模型和实际情况比较接近。
编码框图
…
… …
…
1 2
信号源
m
m…
2
1
码元交织器
递归 MPSK STTC
1 2
nT 1 2
nT
多路复用器
Tx1 Tx2
Tx
nT
码元交织器
递归 MPSK STTC
空时Turbo网格码
译码框图
r1
r2
Demux
解码器1
~ 2,es
1,es 码元交织器
码元交织器
mn
~r2
解码器2
码元 解交织器
香农信息理论的限制
空时编码提出背景
解决上述问题的常用方法—单天线系统 ▪ 针对速率问题
多址方式的变化：TDMA、FDMA、CDMA 调制方式的变化：高阶调制方式、OFDM ▪ 针对抗衰落的问题 信道编码技术——主要利用时间分集 接收分集技术——主要利用空间分集
解决上述问题的一种新思路——多天线阵系统
发射模式： 信息(一次取L比特数据)
c3
c2
c1
空时调制(矩阵)
V z1
Vz2
Vz3
差分调制 X 0 I M , X 1 Vz1 , X 2 V V z1 z2 , X 2 V V V z1 z2 z3
差分发射方案：X k X k 1 Vzk

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
采酉用矩最阵大正似交然 的接结收构特zˆ 性arg是mz其ax P不X用| S信z 道ar估gm计zax也Tr 可XS实zH S现z X 正H ,
确译码的本质所在，因为编码设计保证了其他信号与
该信号相关矩阵范数值很小，所以译码选取相关矩阵
范数值最大的 即l 可。 设个子dm为空相间关重矩叠阵区域的l的一第lH'种m度个量奇。异值的，值dm奇越异小值，是设表计征出两
w表tn 示t时刻第n根天线处的加性高斯白噪声。
hm和n w都tn 是包络服从瑞利分布，相位服从均匀分布的复
高斯随机变量。
平坦瑞利衰落信道下多天线系统信号 模型（续）
平坦瑞利衰落信道下，第n根接收天线在t时刻收到的
信号表示为
(1)
xtn
M
/ M hmnstm tn ,t 1 T , n 1 N
2 ,es
2
码元 解交织器
三种空时编码方式比较
速率
STTC b bits
分集 复杂度
nm 最大
STBC
LSTC
n=2, b bits nb bits n>2 <b bits
nm
<nm
最小
第二类空时码
以上分析的空时编码，在推导它们的构造规则时，都 假设接收端已经知道理想的信道信息(CSI)，这就需要 从发射机向接收机发送训练序列或导频序列来进行信 道估计，而信道估计在衰落较快或发射天线数目较多 时不再可行。
LST（Layered Space-Time Codes ） —分层空时 码
STTC（Space-Time Trellis Codes）－空时网格编 码
STBC（Space-Time Block Codes）－空时分组编
码 星座映射器
空时分组编码
信2息X源2Alamouti空时分[c组1,c2]编 码cc12 方cc1*2*案示意图：
空时编码技术概述
主要内容
空时编码的提出背景 空时码的分类 空时编码的研究现状 各种空时码的编译码原理及优缺点 空时码在3G中的应用
空时编码提出背景
未来移动通信系统的目标 • 支持更高容量高质量的语音和数据传输
20Mbps • 通信终端在更高的移动速度下实现可靠传输
未来移动通信系统中的信道特点 • 有更严重的码间干扰 • 有更大的多谱勒频移
信息理论证明，在相干时间内的时隙数 T 发 射天线M
时,或 T 且M接, 收端信噪比 较大时，形如
的S 信 号T
可以接近最大容量。
Hochwald据此提出接收端不需要信道估计的酉空时
调制星座信号为Xl Tl (l 1, L), L 2M
其中， 为l T的 M矩阵，满足 ll H I
优点是速率变化比较灵活速率随发送天线数线性增加 结论 与接近信道容量的二进制编码方式联合使用将是
一种较好的应用方式。 例如：空时分层码可以和卷积编码相结合来提高性能。 （如下页下图所示）
空时分层码编码框图
…
…
串/并
调制
x
1 t
VLST结构
调制
编码器
串/并
调制 调制
A) 具有单一编码的HLST结构

cm
×
(
g
m v1 ,1
,...,
gm v1,nT
)
×
( g1m,1,...,
gm 1, nT
)
×
(
g0m,1,...,
gm 0,nT
)
空时网格码编码网格图
b0
T0
调制
b1
T1
调制
基于QPSK调制的4状态STTC编码器及对应状态转移 图
空时Turbo网格码
空时Turbo网格码把turbo码与网格码结合起来，采用 软信息的方式进行迭代译码，进一步降低误码率，但 实现复杂度高。
空时网格编码
• 空时网格编码：最早由V.Tarokh等人提出，与网格编
码思路相结合，进行卷积编码，扩展信号集，然后进 行码字空间到信号空间的映射，使已调信号获得最大 的欧氏自由距离。
• 译码方法：采用viterbi译码（适用于非级连系统）或 MAP译码（适用于级连系统）
• 优点 在给定分集增益和发送速率条件下，空时网格码 引入编码增益，性能要优于空时分组码。空时网格码 设计的码子在不损失带宽效率的前提下，可提供最大 的编码增益和分集增益。最大分集增益等于发射天线 数。
空时分组码－分析
Alamouti空时分组码是发射天线数n=2,发送速率 R=1的复正交码。分集增益＝2m(m为接收天线数)。 全速率（R＝1）正交空时分组码只有当发射天线 数n为几个特定值时存在，即
实正交设计：n=2,4,8 复正交设计：n=2 当发射天线数>2时，复信号的空时分组码(STBC) 不能同时满足以下条件： 正交设计， 码率R=1 达到最高的分集增益
s1*
在接收端每个天线的接收信号为2路发送信号与噪 声的线性叠加。
r Hs n
(1)
当使用多个接收天线时，信号采用最大合并(MRC)。
空时分组码 －Alamouti码（2）
3．检测
解相关接收：相关矩阵为信道矩阵的共轭转置。
sˆ HHr HHHs HHn
（2）
4
2
这里，sˆ (sˆ1 sˆ2 ) ，其中，sˆi hn si ni ,i 1,2
• 缺点 当发射天线数固定时，空时网格码的译码复杂度 随着分集增益和发送速率的增加呈指数增长，使其应 用受到一定的限制。
空时网格码编码框图
编码框图
c1
(
g
1 0 ,1
,...,
g1 0 , nT
)
×
(
g
1 1,1
,...,
g1 1, nT
)
×
(
g
1 v1
,1
,...,
g1 v1 , nT
)
×
…… ……
空时编码将多天线阵与空间分集、时间分集相结合， 如果接收端可以准确估计信道信息,则可使信道容量随 发送和接收天线个数的最小值线性增长。。
空时编码可以在不牺牲带宽的情况下起到发射分集和 功率增益的作用。
目前，分层空时码和分组空时码已经被3GPP的 WCDMA协议采纳，并且也将被写入4G标准。
的星座图性能越好。
差分空时调制
用一组L个不同的 M 酉M信号矩阵为具有M根发射天线和频率利用
率为 bit/s/Hz的系统定义酉空时调制 V0 ,V1,V2 , VL1
其中，Vi Vi H Vi H ，Vi并且I M
L 2M
酉信号矩阵满足空时分组码的正交设计标准。
空时分层码
空时分层码是最早提出的一种空时编码方式。
其基本原理是将输入的信息比特流分解成多个比特流， 独立地进行编码、调制，映射到多条发射天线上。在 接收端，采用特殊的处理技术，将这些一起到达接收 天线的信号分离，然后送到相应的解码器。
缺点是无法达到最大分集，性能相对较差。可认为是 一种空间复用技术。
n1
最大似然解码：由于空时分组编码的正交性使得最
大似然解码简化为一个线性处理，复杂度大大降低。
在所有可能码字中选择与 sˆ j 欧氏距离最小的那个。即， 如果 si满足：
d 2 (sˆ j , si ) d 2 (sˆ j , sk ) , i k , j 1,2 （3）
则选择 si作为对应于sˆ j 的发送数据。
下面以2根发射天线，2根接收天线的Alamouti空时分 组码为例，介绍空时分组码的编译码原理。
空时分组码－ Alamouti码 （1）
1. 发送
它采用2个发送天线，复正交编码矩阵为
C


s1 s2*
s2 s1*

发射速率R＝1
2．接收
t时刻 t+T时刻
天线1
s1

s
* 2
天线2
s2
空时码的分类
按照空时码适用信道环境的不同，可以将 已有的空时编码方案分成两大类：
一类要求接收端能够准确地估计信道特 性，如分层空时码(LSTC)、网格空时码 (STTC)和分组空时码(STBC)。
另一类不要求接收端进行信道估计，如 酉空时码(USTC)和差分空时码(DSTC)。
空时码研究现状
信道特性已知
假设通信系统发送端和接收端天线数目分别为M,N个。
T是信道相干时间内的时隙数，表示该信道在T个符号 周期内可以认为其衰落系数保持恒定。
hm表n 示从第m根发射天线到第n根接收天线的衰落衰
减系数，信道矩阵用 H
变。

h表mn示，在T个时隙内保持不
表示每根接收天线处信噪比的期望值。
交织
x
1 t
交织
x nT t
空时分组码
空时分组码是根据码字的正交设计原理来构造空时码
字，最早由Alamouti提出。其设计原则就是要求设计 出来的码字各发送天线之间满足正交性。 接收时采用 最大似然检测算法进行解码，由于码字之间的正交性， 在接收端只需做简单的线性处理即可。
优缺点 结构简单，译码复杂度是线性的，能够实现完 全分集，但没有引入编码增益，可认为是一种分集技 术，故应考虑与其他编码方式结合。
空时分组码的发展概况
1 基于正交设计原理的正交STBC Alamouti(1998) ↓ Tarokh(1998) ↓ Liang(2003)(m+1)/2m, 其中n=2m-1或2m
2 准正交STBC(2001)——以分集为代价换取速率 3 基于代数构造设计的非正交STBC (2002)