無線通信中空時編碼性能

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【摘要】空時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，其在無限通信領域起到了重要的作用。但是，由于目前的空時編碼技術尚不成熟，因而要加強空時編碼的研究。本文先對空時編碼的分類進行探討，并進一步分析無線通信中空時編碼性能。

【關鍵詞】無線通信；空時編碼；性能

1引言

空時編碼有著較強的抗干擾能力，能夠顯著降低多徑衰落對于無線通信的不利影響，其在目前的無線通信領域有著廣泛的應用。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：空時網格碼、分組碼以及分層空時碼。三種不同的空時編碼技術有著各自的優(yōu)缺點，在進行性能分析時，主要應用仿真分析手段，對其誤碼性能進行具體分析。

2空時碼的分類

就目前的發(fā)展狀況而言，可以根據發(fā)射端與接收端是否需要明確信道狀態(tài)信息，將空時碼分為兩大基本類型：Ⅰ類以及Ⅱ類控制碼。

2.1Ⅰ類空時碼

對于Ⅰ類空時碼而言，其解碼過程中要求明確信道狀態(tài)信息（SCI），并且可以進一步細分為三種不同的類型：①分層空時碼（LSTC）；②空時格碼（STTC）；③空時分組碼（STBC）。一方面，LSTC是在20世紀90年代末由美國內爾實驗室所提出。通過把輸入的高速信息比特流轉換分解為幾個不同的低速比特流，再進行獨立的編碼與調制，進而能夠可以映射到不同的發(fā)射天線。在接收端通過應用多個自信道，根據多徑衰落所出現的特性差異，進而完成對信息的提取。編碼過程中，所應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系，因而可以將LSTC分為三種不同的類型：水平、垂直以及對角分層空時碼。另一方面，空時格碼是由Tarokh在1998年所提出，它是一種改進了的信息分集傳輸方式，并且將多天線發(fā)射系統(tǒng)和格形編碼調制有機地結合在一起。由于STTC將調制與編碼良好的融合起來，并且對分集增益以及編碼增益的影響進行了分析與研究，因而STTC可以有效降低編譯碼的復雜效果，提高頻帶的利用率。由于STTC的編譯碼有著一定的復雜度，為了降低其復雜度，美國Cadence企業(yè)的工作人員對其進行了研究，并進一步提出了STBC。STBC是一種基于正交設計的空時編碼，其特點是不同天線所發(fā)出的信號是相互正交的。這樣一來，能夠使分集增效達到最大化。

2.2Ⅱ類空時碼

對于Ⅱ類空時碼而言，其解碼過程中不要求知道相應的信道狀態(tài)信息。Ⅱ類空時碼也可以細分為兩種不同的類型：①包括酉空時碼（USTC）；②差分空時碼（DSTBC）。在某些條件下，接收端對于信道的估計較為困難，一些情況下很難做到，因而Hochwald就發(fā)明了USTC。這一類型的空時碼，不需進行信道估計，進需要確保所發(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，它也是快衰落信道條件下解決空時編碼的有效方案。在進行USTB的設計時，要明確不同碼字矩陣的關聯(lián)系數。但是，現階段還沒有很好的解決這一問題。此外，在發(fā)射端與接收端應用DSTBC時，不需要知道信道的狀態(tài)信息。DSTBC是一種相對簡便的分集發(fā)射方案。

3空時編碼方案分析

3.1空時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，實現分集增益以及編碼增益，空時編碼技術應運而生。具體應用過程中，如果系統(tǒng)復雜度角度，并且有不同的發(fā)射天線陣元，在這種場合下較為理想。對于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制方案，并且編譯碼的算法不具較高的復雜度。設計過程中，主要應用了正交設計思想，需要具備兩副接收天線以及一副接收天線。這一發(fā)送分集方案的實現相對簡單，同時能夠確保分集增益的最大化效果。最先得到大家認同并得到廣泛應用的是Alamouti編碼方案，這一方案首先需要對數據比特流進行分組，即進行串/并聯(lián)轉換，經過編碼后的信號，將通過兩個不同的時隙進行發(fā)射。對于第一個時隙而言，碼元s1以及s2可以在相同的時間有順序的從兩根天線中發(fā)出。等進入到第二個時隙時，仍然需圖1原理框圖要發(fā)送兩個碼元，不同碼元對應不同的天線，進而可以完成對不同符號的發(fā)送。

3.2分層空時碼編譯碼方案研究

通過對無線信道的衰減狀況進行分析，可以發(fā)現無線電波傳輸環(huán)節(jié)中，存在著多徑效應，相應的符號會借助于不同的支路到達接收端，這一過程中的時延有著一定的差異性。因而，不同符號間存在著碼間串擾問題，進而導致了接收符號的可靠性顯著消弱。對于空時分組碼而言，可以在準靜態(tài)衰落信道的條件下達到滿分集增益的效果，并且在對抗衰落問題上有著良好的效果。但是，其傳輸速率不超過1，因而速率相對較低。LAST主要應用的是空分復用的重要思想，在不同的碼元周期中，需要發(fā)送nt個相互獨立的符號。其主要的優(yōu)勢體現在結構簡易以及容易實現等方面，同時頻帶的利用率相對較高。其中，圖2為分層空時編碼發(fā)送與接收模型圖。通過在發(fā)射端對高速數據比特流進行相應的轉化，使之轉換為速度較低的比特流，之后應用信道編碼器開展編碼工作。在接收端當有符號碼元到達時，多副天線將會完成信號的分集接收，這樣一來，就可以降低乘性噪聲以及碼間串擾等問題，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方法，對分層空時進行一定的檢測。

3.3空時網格碼編譯碼方案研究

通過利用STBC雖然能夠實現分集增益，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營運而生。大多情況下，要求將編碼器當作有限狀態(tài)機進行考慮，這一編碼方式可以與多進制的調制方法進行相互組合，并且二者之間的組合有著不同形式，比如QPSK以及16QAM。對于STTC而言，它是一種聯(lián)合設計的編譯碼方案，綜合了差錯控制編碼以及調制等因素，同時綜合了發(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，同時提高了頻率的利用效果。在進行STTC譯碼環(huán)節(jié)時，需要用到維特比譯碼算法，這一算法具備動態(tài)尋找的功能，可以找出最小度量路徑，進而能夠最大程度的確保接收信號得到無差錯恢復。相比于其他類型的編譯碼方案，STTC能夠適應不同的傳輸環(huán)境，并最大限度地發(fā)揮優(yōu)良性能。它是一種最有碼，對于現階段全部類型的編碼方案，其性能與復雜度不可能比空時格型碼具備更好的性能。

4性能仿真分析

通過對上述三種不同的時空編碼技術進行探討與研究，下面對其性能做出相應的比較：一方面，對于LAST方案而言，其主要應用到分解復用進而實現編碼。不同天線所發(fā)送的調制信號具有完全獨立性，并且信號發(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，其產生的獨立空間衰落主要用于改善數據率。也就是說，LAST通過分集增益的方式，以求提高頻帶的利用率。該方案主要應用于室內傳輸環(huán)境中，并且多徑相對豐富。另一方面，對于STTC而言，主要通過頻帶利用率實現增益。通過折中編碼增益以及分集增加，進行編碼與調制環(huán)節(jié)的聯(lián)合優(yōu)化，進而確保數據率提高，這一提高呈現出指數增長的趨勢。此外，對于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行。其主要的特點是譯碼算法為線性運算，因而運算環(huán)節(jié)相對簡易。但是，對于頻譜的利用效果得不到有效提高。隨著國內經濟社會的快速發(fā)展，我國的無線移動通信行業(yè)有著良好的發(fā)展勢頭。因而，要加強對空時編碼性能仿真分析，不斷提高通信的要求與性能，提高和改善信道傳輸容量，增強其抗衰落性能。

5結束語

本文首先對空時編碼種類進行了探討，并對其在無線通信領域的應用進行了概述。其次，對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軟件進行性能仿真，對不同類型的空時編碼的性能做出了分析。研究表明：空時分組碼編譯碼相對簡單，并且可以實現分集增益的最大化效果，同時有著良好的誤碼性能。但是，不能獲取編碼增益，因而導致誤碼性能受到了相應程度的限制。對于分層空時碼而言，其能夠將接收分集與空間復用良好地結合在一起，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不好。最后，對于空時網格碼而言，它把調制技術和糾錯編碼結合起來，進而形成一種聯(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)數的不斷增加以及調制階數的不斷提高，譯碼環(huán)節(jié)的復雜程度也將顯著提高，并且呈指數增長模式。

參考文獻

[1]李冉.下一代無線通信系統(tǒng)中的MIMO技術應用[J].軟件導刊，2015（02）：109~111.

作者：鄧金明 單位：中睿通信規(guī)劃設計有限公司