空时编码ppt

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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 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 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。 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。 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 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。 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。 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。 表示从第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 表示，在T个时隙内保持不变。 表示每根接收天线处信噪比的期望值。 表示t时刻第n根天线处的加性高斯白噪声。 和 都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) (2)矩阵形式可以表示为 其中，X为 矩阵，S为 矩阵， H为 矩阵， W为 矩阵， 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： 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 2X2Alamouti空时分组编码方案示意图： 空时分层码 空时分层码编码框图 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) 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） 空时分组码 －Alamouti码（2） 空时分组码－分析 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。 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 空时网格码编码网格图 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。 编码框图 空时Turbo网格码 译码框图 三种空时编码方式比较 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。 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 信息理论证明，在相干时间内的时隙数 发射天线M时，或 且接收端信噪比 较大时，形如 的信号可以接近最大容量。 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 其中， 为 的矩阵，满足 采用最大似然接收 酉矩阵正交的结构特性是其不用信道估计也可实现正确译码的本质所在，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 即可。 设 为相关矩阵 的第m个奇异值，奇异值是表征两个子空间重叠区域的一种度量。 的值越小，设计出的星座图性能越好。 差分空时调制 用一组L个不同的 酉信号矩阵为具有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 其中， ，并且 酉信号矩阵满足空时分组码的正交设计标准。 发射模式： 信息(一次取L比特数据) 空时调制(矩阵) 差分调制 差分发射方案： 可推导出译码准则为 星座图设计 主要是设计 的构成，以使成对差错概率的上界尽可能地小。 可以证明，当接收端信噪比 的值较大时，问题主要集中在搜索合适的参数，使不同子空间之间的最大余弦距离最小。而此时采用差分酉空时调制，信道状态已知和未知的两种情况下，可以使用相同的星座图设计准则。 如果上述的 可以形成一个群，将简化最大似然译码的比较范围，但基于群的结构设计不一定是性能最优的。 但是，在中低信噪比的情况下，以上余弦规则不再适用。适用于中低信噪比的星座图设计是目前酉空时编码研究的热点之一。 与其他编码方式相结合（举例） 空时编码与OFDM技术相结合 空时编码与OFDM技术相结合，可克服无线信道的频率选择性衰落 空时码在3G中的应用 空时码在3G中的应用—STBC 空时码在3G中的应用—HSDPA 空时码在3G中的应用—HSDPA 空时码在3G中的应用—HSDPAKKp红软基地