无线通信系统中的空时编码技术

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摘要：基于MIMO天线系统的空时编码技术是改善无线通信性能、提高带限系统数据速率的一种理想选择，目前已经成为通信研究的新热点。本文首先阐述了空时编码技术的发展过程及发展背景，接着从空时编码设计的基本原则出发，系统的介绍了空时编码的分类情况，并对各种空时编码的设计思想、自身的优缺点和需要进一步研究的方向进行了具体的分析，最后对空时编码技术进行了总结，概括出了当前空时编码主要的研究热点，并对空时编码技术的发展进行了展望。

关键词：空时编码；无线通信；空间分集；空分复用

中图分类号：TN92 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)16-30953-02

Space-Time Coding Technology in Wireless Communication System

XING Meng, ZHU Lian-Xiang

(College of Communication & Information Engineering,Chongqing Univ. of Posts & Telecommunications, Chongqing 400065,China)

Abstract：The technique of space-time coding and multiple input multiple output is an ideal candidate for improving wireless communication performance increasing data rates in systems with bandwidth constraints. It has received considerable attention. In the first place, This paper summarizes the development and background of space Ctime coding technology. In the second place, the paper classifies Space-Time Coding technology from the basic principal of space-time coding design in a systemic way and It also analyzes design-thought, characteristic , directions needing further research for each kind of STC. At last, the paper gives a summary of Space-Time Coding Technology, sums up the hot-points of STC research and forecasts the development of STC in the future.

Key words: Space-Time Coding;Wireless Communication;Space Diversity;SDM

1 引言

空时编码的工作最初起源于20世纪 90 年代初期 Stanford 的 Raleigth 和 Cioffi 的工作以及瑞士ASCOM的Wittneben，近期有突出贡献的主要有Lucent Labs的Foschini与 Gans以及 AT&T Research Labs 的Tarokh 等。

空时编码的模型最早是由美国的 Lucent Bell 实验室提出的，并于1996年提出了在无线通信中用多元天线构造的分层空时结构，在此基础上他们开发出了 BLAST试验系统。随后，美国 AT&T 实验室的 Vahid Tarokh 在此启发下，首先提出空时编码(STC: Space-Time Code)概念, 信号在时间域和空间域上都引入编码就称之为空时编码。空时编码将发射分集和编码集于一体,具有较好的频谱有效性和功率有效性。随后人们用格状编码调制((TCM)构造了一种空时编码，称为空时网格编码(STTC: Space-Time Trellis Code)。后来，S.M.Alamout发现了一种简单的发射分集技术,在此分集技术中采用了简单的正交分组编码, 这在后来被归纳为空时分组编码(STBC: Space-Time Block Code)。这三种空时编码(LSTC, STTC, STBC)在解码时都假设接收端知道信道状态(Channel State Information)的确切信息，需要在接收端进行信道估计。

在某些环境下, 接收端进行信道估计会非常困难，有时甚至根本无法估计。因此，如何设计不需要信道估计的空时编码显得十分重要，酉空时编码和差分空时编码就是根据这个要求提出的。酉空时编码(USTC: Unitary Space-Time code)在形式上类似于STBC，是 Hochwald 构造的一种接收端不需信道估计的空时编码。差分空时编码（DSTBC）的概念最早由Tarokh提出, Hughes将酉空时编码的思想推广到多天线信道，给出了一种基于酉空时编码的差分空时编码 。

2 空时编码的分类

空时码的优势主要体现在增加系统容量和改善链路质量这两方面： 前者通过空分复用使数据传输速率得以提高， 如分层空时码等；后者则通过获取空间分集增益而使通信链路更为可靠，如空时格码，空时分组码等。从目前的发展来看，按照发射端和接收端是否要求知道信道状态信息，空时码可以分为两大类：Ⅰ类空时码和Ⅱ类空时码。Ⅰ类空时码解码时需要知道确切的信道状态信息（CSI），它又可细分为3种，即分层空时码（LSTC）, 空时格码（STTC），空时分组码（STBC）。Ⅱ类空时码解码时不需要知道确切的信道状态信息（CSI），它可具体分为两种，即酉空时码（USTC）,差分空时码（DSTBC）。

3 Ⅰ类空时码

3.1 分层空时码（LSTC）

1996年，美国贝尔（Bell）实验室提出了分层空时编码的概念，接着在1998年又提出了分层空时编码技术的框架。分层空时码的基本原理是将输人的高速信息比特流分解为多个低速比特流，然后通过普通的并行信道编码器进行独立地编码，在调制后，映射到多根发射天线，接收端利用各个子信道因多径衰落而产生的不同特性来提取信息。根据信源消息与发射天线之间的映射关系，可以将分层空时码分为水平分层空时码（H-BLAST）、垂直分层空时码(V-BLAST)和对角分层空时码（D-BLAST）。

采用比特交织随机分层结构的空时码是在以前LSTC基础上提出的一项重要改进，是一个很有希望的研究方向，它提出了一种应用Turbo原理的迭代检测－译码方法，该方法基于软干扰消除的BLAST检测和卷积码的SISO(soft input soft output)译码，通过交换检测器和译码器之间的软信息，为迭代处理提供新的软信息。这种方法大大提高了系统的性能，计算机仿真结果和计算复杂度分析均显示了新方法的应用潜力。

分层空时码在解码时只利用了信道信息，它的性能在很大程度上依赖于信道的衰落环境和对信道衰落特性的估计。虽然LSTC的频带利用率较高，但是这是以部分分集增益为代价换来的。LSTC要求接收天线至少等于发射天线数，这在实际中也是一个难题，有待于进一步的研究。

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