空时编码技术上课讲义
4.5 多天线和空时编码解析
IEEE 802.11n
IEEE 802.16(-2004:WiMAX):MIMO-OFDM
3GPP
开环
时间转换的传输分集:3GPP 正交传输分集:3GPP 空时传输分集:3GPP 空时扩频：3GPP2 IST-METRA(HSDPA):3GPP CDMA-BLAST(HSDPA):3GPP 转换传输分集（STD):3GPP 传输自适应数组(TXAA):3GPP
MIMO的基本理念：通过多个发射和接收天线 改变传输质量(BER)和数据率 MIMO的核心机制：空时编码(STC) STC的两个主要功能：分集&复用 最大的性能需要在分集和复用之间进行平衡
MIMO技术的主要历史
空间分集
延时分集：Wittneben, 1991 (inspired); Seshadri &Winters, 1994 (first attempt to develop STC) STTC: Tarokh et al., 1998 (key development of STC)Alamouti scheme: Alamouti, 1998 STBC: Tarokh et al., 1998 First results hint capacity gain of MIMO: Winters, 1987 Ground breaking results: Paulraj & Kailath, 1994 BLAST: Foschini, 1996 MIMO capacity analysis: Telatar 1995; Foschini 1995 & 98 Spatio-temporal vector coding for channel with multipath delay spread: Raleigh & Cioffi, 1998
MIMO原理理解空时编码
MIMO原理理解空时编码MIMO（多输入多输出）是无线通信系统中的一种技术，它可以通过利用多个天线来提高信号的传输速率和可靠性。
空时编码是一种应用于MIMO系统中的编码技术，通过在发射时将信号分配到不同的天线上，并在接收时将接收到的信号进行联合处理，从而提高信号的传输效果。
在MIMO系统中，空时编码通过将信息在空间和时间上进行编码，可以在不增加信号带宽和传输功率的情况下提高信号的传输速率和可靠性。
空时编码有多种方式，其中最常用的是空时均匀编码（STBC）和空时分层编码（STLC）。
空时均匀编码是一种简单但有效的空时编码方式。
在空时均匀编码中，信息位被分成若干个块，每个块中的信息位被分配到多个天线上进行传输。
具体说来，在发送端，多个天线上的信号进行线性组合，并通过信号映射函数将信息位编码成多个矢量。
接收端则通过接收到的信号进行解码，并使用最大似然准则来恢复原始信息。
空时分层编码是一种比空时均匀编码更高效的编码方式。
在空时分层编码中，不同的信息位被分配到不同的天线上进行传输。
具体说来，在发送端，信息位被分为不同的层次，每个层次对应一个天线。
接收端则通过解码和检测算法来恢复原始信息。
空时编码的优点在于可以提高信号的传输速率和可靠性。
由于利用了多个天线进行传输，MIMO系统可以在相同的频带宽度内同时传输多个数据流，从而提高信号的传输速率。
此外，通过在接收端对多个天线接收到的信号进行联合处理，MIMO系统还可以减小多径干扰和提高信号的抗干扰能力，从而提高信号的可靠性。
然而，空时编码也存在一些限制。
首先，空时编码需要在发送端和接收端之间进行信号传输与处理，这会增加系统的复杂性和功耗。
其次，空时编码的性能受到信号的通道状况和天线配置的影响，需要进行精确建模和优化设计。
最后，由于空时编码需要多个天线进行传输和接收，它对设备尺寸和功耗有一定的要求，限制了其在一些应用场景中的使用。
总的来说，空时编码是MIMO系统中的一种重要技术，可以通过利用多个天线来提高信号的传输速率和可靠性。
空时编码技术
空时编码技术空时编码技术空时编码STC (Space-Time Coding) 技术在无线通信领域引起了广泛关注,空时编码的概念是基于Winters 在20世纪80年代中期所做的关于天线分集对于无线通信容量的重要性的开创性工作。
空时编码是一种能获取更高数据传输率的信号编码技术，是空间传输信号和时间传输信号的结合，实质上就是空间和时间二维的处理相结合的方法。
在新一代移动通信系统中，空间上采用多发多收天线的空间分集来提高无线通信系统的容量和信息率；在时间上把不同信号在不同时隙内使用同一个天线发射，使接收端可以分集接收。
用这样的方法可以获得分集和编码增益，从而实现高速率的传输。
现在是第三代移动通信系统中提高频谱利用率的一项技术。
空时编码的有效工作需要在发射和接收端使用多个天线,因为空时编码同时利用时间和空间两维来构造码字,这样才能有效抵消衰落,提高功率效率；并且能够在传输信道中实现并行的多路传送,提高频谱。
需要说明的是,空时编码技术因为属于分集的范畴,所以要求在多散射体的多径情况下应用,天线间距应适当拉开以保证发射、接收信号的相互独立性,以充分利用多散射体所造成的多径。
1 空时编码技术及其分类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不编码系统所没有的分集增益和编码增益。
空时编码的基本工作原理如下:从信源给出的信息数据流,到达空时编码器后,形成同时从许多个发射天线上发射出去的矢量输出,称这些调制符号为空时符号(STS) 或者空时矢量符(STVS) 。
与通常用一个复数表示调制符号类似(复的基带表示) ,一个空时矢量符STVS可以表示成为一个复数的矢量,矢量中数的个数等于发射天线的个数。
目前提出的空时编码方式主要有：⑴正交空时分组码OSTBC (Orthogonal Space2 Time Block Coding) ；⑵贝尔分层空时结构BLAST(Bell Layered Space2Time Architecture) ；⑶空时格型编码STTC(Space2Time Trellis Coding) ；这3类接收机需要已知信道传输系数的空时编码,另外还有适于少数不知道信道传输系数情况的有效期分空时编码。
20121217空时码
Y HS N
补充：低密度校验码LDPC
——高效的前向纠错码
LDPC简介
• 1962年，Gallager 在他的博士论文中引 入了低密度校验码，但LDPC一直被人们 忽视：
1. 实现困难 2. 普遍认为级联码性能更容易接近香农限
•
1996年，MacKay对LDPC的研究证明 LDPC码性能好，能取得惊人的编码增益。
bit7
SPA译码算法
• 对Step2比特信息进行硬判， if (译码成功)or(迭代次数大于最大值) then{ 停止迭代 } else { goto step1 }
LDPC译码算法
• 1. 2. 3. 4. LDPC译码算法分类： 大数逻辑法译码（MLG） 比特翻转译码（BF） 加权MLG和BF译码 和积译码(SPA)
LDPC简介
• 传信率接近shannon限（最近为0.0045dB） • 良好的纠错能力，可以在ARQ体制下实现无差错 传输 • 极低的误码平层 • 在GF(8)域中的非规则码要比Turbo还要好大约 0.1dB • 译码简单，易于硬件并行处理，提高系统吞吐量， 可以达到极高的传输速率（数百兆以上）
• 一个简单的空时分组编码如图6所示。 输 入的信息经过调制（星座映射）后生成符 号序列。 假定符号序列分为两个符号一组， 每一组的符号为s0和s1，经过编码生成两个 新的码组{s0，-s1*}和{s1，s0*}， 前一组在 天线0上发送， 后一组在天线1上发送， 其 接收机的框图如7所示。
图6 一个简单的空时分组编码
LDPC译码算法
• MLG和BF算法是硬判决译码，容易实现。 硬判译码时延最小，速度快。 • 加权MLG和BF算法介于软判和硬判之间， 比MLG和BF译码性能好，代价是计算复杂 度有所增加。提供了性能和复杂度之间的 一种折中算法。 • SPA算法是软判决译码，计算量很大，但 他们有最好的误码率性能。
空时编码
笔记（一）空时分组编码就是在空间域和时间域两维方向上对信号进行编码。
当天线的数目一定时，空时格码(STTC)的译码复杂度与天线的个数和数据速率成指数增长。
为了解决译码复杂度的问题，Cadence公司的Alamouti首先提出了一种使用两个发送天线的传输方法，采用两个发送天线和一个接收天线，这种算法的性能与采用最大比合并算法(一个发送天线，两个接收天线)的性能是相同的。
具体算法介绍如下。
x及其共轭的线性组合。
一个编码码字共有P个时刻，并按行由N副天线同时发送，即在第一个时刻发送第一行，第二个时刻发送第二行，依此类推。
在第t个时刻发送第t行，总共需P个时刻才可完成一个编码码字的发送。
因此，矩阵的每一列符号实际是由同一副发送天线在不同时刻发送的。
考虑到编码矩阵G列之间的相互正交性，在同一副天线上发送出去的星座点符号与另外任意天线上发送出去的符号是正交的，故这类码称为正交空时分组码。
空时编码大致上有三种方式：空时网格码（STTC）空时块编码（STBC）空时分层码（LSTC）（1）空时网格码（STTC）：空时网格码最早是由V.Tarokh等人提出的，该空时编码系统中，在接收端解码采用维特比译码算法。
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。
（2）空时分组码（STBC）：空时网格码虽然能获得很大的编码增益和分集增益，但是由于在接收端采用维特比译码，其译码复杂度随着天线数和网格码状态数的增加成指数增加，因此在实际中应用有些困难。
这就有了空时分组编码的出现。
空时分组码则是根据码子的正交设计原理来构造空时码子，空时分组码最早由Alamouti提出的。
其设计原则就是要求设计出来的码子各行各列之间满足正交性。
接收时采用最大似然检测算法进行解码，由于码子之间的正交性，在接收端只需做简单的线性处理即可。
（3）分层空时码（LSTC）：分层空时码最早是由贝尔实验室提出的一种MIMO系统的空时编码技术，即BLAST系统。
空时编码技术-03
SNRr d 1 Pe N e i 1 N e SNRr 1 2 1 SNRr d min / 4 M 4M
M
2 min
M
2 SNRr d min 1 Pe N e i 1 N e exp M 2 1 SNRr d min / 4 M 4 M
12 10 8 6 4 2 0
发送天线数一定， 增加接收天线数 量时信道容量变 化情况
0
5
10 SNR (dB)
15
20
25
双天线发，多天线收容量观察(独立信道)
10
Average capacity (bps/Hz)
8
6
发送天线数一定， 增加接收天线数 量时信道容量变 化情况
4
2
0
0
5
10 SNR (dB)
15
20
25
双天线发，多天线收容量观察(独立信道)
18 16 14 Tx2, RX1 TX2, RX2 TX (bps/Hz)
10
0
Tx 1, Rx 2 Tx 1, Rx 1
-1
10
Bit error rate
10
-2
10
-3
10
-4
0
5
10
15 Eb/N0 in dB
20
25
30
A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications IEEE JOURNAL ON SELECT AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL. 16, NO. 8, OCTOBER 1998
第七章-分集、MIMO、空时编码分解
13
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7.2 MIMO
7.2.1 MIMO概述
7.2.2 MIMO技术
7.2.3 MIMO应用
7.2.4 小结
14
/44
7.2 MIMO
信息源
编码 器
接收 机
数据解调
引言：随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的 严重不足已经日益成为遏制无线通信事业的瓶颈。如 何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率， 是当前通信界研究的热点课题之一。
2
2
18
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7.2 MIMO 7.2.2 MIMO技术（2/2）
利用 MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可 以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用 MIMO 信道提供的空间复用增益，后者是利用 MIMO信道提供的空间分集增益。 实现空间复用增益的算法主要有BLAST 算法、 ZF 算法、MMSE 算法、ML 算法。 ML 算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较 大。ZF 算法简单易实现，但是对信道的信噪比要 求较高。BLAST 算法实际上是使用 ZF 算法加上 干扰删除技术得出的，兼顾性能与复杂度。
7.3.3 空时编码模型 7.3.4 空时编码的设计准则 7.3.5 常见的空时编码 7.3.6 其他种类的空时编码技术 7.3.7 小结
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7.3 空时编码
引言：上一小节讲过利用 MIMO技术可以提高信 道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低 误码率。前者是利用 MIMO 信道提供的空间复用 增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增 益。 目前 MIMO 技术领域的一个研究热点就是空时编 码。空时编码利用了空间和时间上的分集，从而 降低信道误码率。
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MIMO原理理解空时编码
MIMO原理理解空时编码MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）是一种通信技术，利用多个发射天线和多个接收天线来提高传输速率和信号质量。
MIMO技术的一个重要应用是空时编码（Space-Time Coding），它通过在时间和空间上对数据进行编码和传输来提高通信系统的可靠性和效率。
空时编码的关键概念是空时块编码（Space-Time Block Coding，简称STBC），它将数据块分为多个时间步长，并使用多个天线同时发送这些时间步长的数据。
通过利用多个天线可同时传输多个数据流，空时编码可以提高信道容量和系统可靠性。
一个STBC系统通常有多个发射天线和多个接收天线。
在发送端，数据被分成多个时间步长，并以特定顺序通过发射天线发送。
每个时间步长的数据通过编码矩阵进行处理，编码矩阵是一个由特定规则生成的矩阵。
编码矩阵的每一行代表发送天线的输出，每一列代表时间步长的信号。
编码矩阵的作用是将时间步长数据分配到各个发送天线，并进行合适的编码处理。
在接收端，通过接收到的信号进行处理还原出信号的原始数据。
这里的处理涉及到两个关键概念：空间分集（Spatial Diversity）和空时编码解码（Space-Time Decoding）。
空间分集是指通过多个接收天线接收并处理信号，从而减少信号在传输过程中的失真和干扰。
多个接收天线可以接收到不同的信号路径，并通过对接收信号进行处理，可以提高信号的可靠性和防止丢失。
空时编码解码是指通过对接收到的信号进行解码处理，从中还原出原始数据。
解码的过程涉及到信号处理算法，包括线性等式求解和最小均方误差等方法。
总的来说，空时编码通过将数据块分成多个时间步长，并在多个发射天线上同时发送这些时间步长的数据，从而提高传输速率和系统可靠性。
通过空间分集和空时编码解码的技术，接收端可以测量和估计信号的失真和干扰，并通过信号处理算法还原出原始数据。
空时编码在无线通信系统中得到了广泛应用，可以显著提高系统的性能和可靠性。
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空时编码技术
空时编码STC (Space-Time Coding) 技术在无线通信领域引起了广泛关注,空时编码的概念是基于Winters 在20世纪80年代中期所做的关于天线分集对于无线通信容量的重要性的开创性工作。
空时编码是一种能获取更高数据传输率的信号编码技术，是空间传输信号和时间传输信号的结合，实质上就是空间和时间二维的处理相结合的方法。
在新一代移动通信系统中，空间上采用多发多收天线的空间分集来提高无线通信系统的容量和信息率；在时间上把不同信号在不同时隙内使用同一个天线发射，使接收端可以分集接收。
用这样的方法可以获得分集和编码增益，从而实现高速率的传输。
现在是第三代移动通信系统中提高频谱利用率的一项技术。
空时编码的有效工作需要在发射和接收端使用多个天线,因为空时编码同时利用时间和空间两维来构造码字,这样才能有效抵消衰落,提高功率效率；并且能够在传输信道中实现并行的多路传送,提高频谱。
需要说明的是,空时编码技术因为属于分集的范畴,所以要求在多散射体的多径情况下应用,天线间距应适当拉开以保证发射、接收信号的相互独立性,以充分利用多散射体所造成的多径。
1 空时编码技术及其分类
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不编码系统所没有的分集增益和编码增益。
空时编码的基本工作原理如下:从信源给出的信息数据流,到达空时编码器后,形成同时从许多个发射天线上发射出去的矢量输出,称这些调制符号为空时符号(STS) 或者空时矢量符(STVS) 。
与通常用一个复数表示调制符号类似(复的基带表示) ,一个空时矢量符STVS可以表示成为一个复数的矢量,矢量中数的个数等于发射天线的个数。
目前提出的空时编码方式主要有：
⑴正交空时分组码OSTBC (Orthogonal Space2 Time Block Coding) ；
⑵贝尔分层空时结构BLAST(Bell Layered Space2Time Architecture) ；
⑶空时格型编码STTC(Space2Time Trellis Coding) ；
这3类接收机需要已知信道传输系数的空时编码,另外还有适于少数不知道信道传输系数情况的有效期分空时编码。
2 典型的空时码
2．1 空时分组码
正交空时分组编码(OSTBC) 包括两大类: ⑴空时发射分集(STTD) ,最初上Alamouti 于1998 年以两个发射天线的简单发射分集技术为例提出,其基本思想类似于接收分集中的最
大比接收合并MRRC ，然后经V. Tarokh 等人于1999 年利用正交化设计思想推广到多天线情况,称为空时分组编码。
数据经过空时编码后,编码数据分为多个支路数据流,分别经过多个发射天线同时发射出去；接收端的最大似然译码可以通过把不同天线发射的数据解偶来得到更简单的实现形式,利用的是空时码字矩阵的正交性从而得到基于线性处理的最大似然译码算法。
⑵正交发射分集(OTD) ,由Motorola 做为cdma2000 3G CDMA 的标准提出. 这两种方
法都具有不扩展信号带宽的优点,即可以不同牺牲频谱效率；并且解码可以由线性运算按照最大似然算法给出,优于标准的Viterbi 译码,接收机可以比较简单,但是它们也不能够提供
编码增益。
2.2 分层空时码BLAST(Bell Layered Space-Time Architecture)
分层空时结构最初由朗讯公司的贝尔实验室的G.J.Foschini 于1996 年提出,称为BLAST(Bell LayeredSpace2Time Architecture) ,并于1998 年研制出了实验系统V-BLAST ,申请了专利. 它需要在发射端和接收端使用多个天线(接收端天线数目不少于发射端天线目) ,并且在译码时需要知道精确的信道信息,主要适合于不需要进行有线连接的室内固定
不动的办公环境和郊区等地区的固定无线接入。
分层空时码先将待传信息流经串并变换为n 路，并分别进行一般的信道编码，再将这n路按一定规律分层编码后加载同样的载波由发射天线阵同时发射。
分层规则分为：水平分层、垂直分层、对角线分层。
收端可采用阵列信号处理技术结合信道译码技术来进行解调。
比如直接矩阵求逆、干扰抵消、迫零反馈均衡等。
分层空时码的最大优点是频带利用率高。
由于在发射端没有对信号进行抗衰落处理，其对
无线信道的特性要求很高，而且因为各层之间的译码是相互独立的，无法共享其它层的信息实现联合预测。
但由于其编译码简单，可在一些要求不很高的环境中应用。
2.3空时格型编码(STTC)
空时格型编码STTC(Space-Time Trellis Coding) 最初由V.Tarokh 等人提出,它是由Ungerboeck 提出的格型编码调制TCM(Trellis Coded Modulation) 的推广。
2.4 差分空时编码
推导空时编码的构造准则和在接收端进行译码时都需要知道较为准确的信道信息CSI ,这多数情况下是可行的;但是,在快衰落或者发射、接收天线数目较多时等少数情况下,就可能得不到精确的信道估计,这就需要研究发射端和接收端都不需要信道衰落系数的空时编码. 受常规的单发单收无线通信系统中的差分调制技术的启示,人们试图将差分调制方法推广到多发射天线的情况. Hochwald 和Marzetta 提出了酉空时编码(Unitary Space-Time Codes) ,
最优酉守时码的设计是最小化任意两个码字矩阵之间的相关系数,但是它们的指灵敏级的编码、译码复杂度,使得其更像一种理论上的最优编码. 随后,Hochwald 等人又提出了具有多项式编码复杂度和指数级译码复杂度的第二种结构 ,这同样在实际环境中难以使用. 几乎与此同时,V.Tarokh 等人提出了针对两个发射天线的基于正交设计和空时分组编码的真正的差分编码方案 ,该方案是第一个具有简单的编、译码复杂度的差分编码方案,随Jafarkhan 和Tarokh 又将该差分方案利用广义正交化设计方法推广到多个发射天线的情况。
其他学者也提出了一些其他形式的算法,但是其译码复杂度均要大大超过差差分检测方案的只是天线数目和数据传输速率的线性关系的译码复杂度,所以目前差分检测方案应该是适合实际应用的未知信道信息的发射分集方案. 需要指出的是,这种差分空时编码的性能也要比空时分组编码的相干检测性能要有3dB的损失 ,这也算是对无需信道估计所付出的代价。
3 应用前景
众所周知,第三代3G及一代无线通讯系统的主要目的之一就是为移动和静止用户提供宽带接入,实时的多媒体业务如视频会议所要求的数据速率将会是现在无线技术所能提供速率的两到三倍以上,速率可能要求高达2Mb/s以上. 而很明显,使用多个发射或接收天线可以取得更高的频谱效率. 这样在多径衰落无线信道中使用多个发射天线结合空时编码技术就很有可能提供功耗和频谱效率的最佳折中. 而事实上也的确如此,空时编码技术和多个发射天线的信号处理技术最近已经被第三代蜂窝移动通讯标准如CDMA2000 和W2CDMA所采纳,另外,也被建议应用到无线地环路及广域分级接入中去. 具体地说,空时编码技术可以结合当前的窄带TDMA 蜂窝移动通讯系统,使系统的传输速率得到大大提高;它也可以通过抑制干扰大大提高无线通讯系统的容量或吞吐量;另外,它还可以结合OFDM等通讯技术用于宽带无线通讯系统. 所以,空时编码技术在未来的无线通讯系统中包括宽带固定无线接入FWA、无线局域网LAN 甚至蜂窝移动通信系统中也有着广阔的应用前景。
4研究现状及发展方向
作为一种新的通信信号处理技术和方法,自从空时编码提出以来,全球无线通信领域内掀起了研究空时编码的热潮,除了对如何构造空时编码和空时编码与其他信道编码方式如Turbo 码相结合方面的研究外,许多和工程应用紧密联系的研究方向正在形式.当前虽然关
于空时编码的构造和应用有了一些成果,但是这些理论大多假设信道是准静态、平衰落的,各衰落路径也是假设是相互独立的,而实际信道为频率选择性衰落、快变化以至各衰落路径有可能相关,所以为了推动空时编码技术的实用性,有必要对空时编码在信道为频率选择性
衰落、快变化[18 ]以至各衰落路径相关[19 ]的情况下的性能以及相应的改进措施进行理论和实践研究. 同时,如何将空时编码和第三代移动通讯的标准相结合,研究在CDMA ,WCDMA 环境下空时编码技术的性能以及和其他技术如多用户检测技术的结合目前也吸引了不少的研究人员进行研究,如空时编码和OFDM等通讯技术的结合,使其适用于宽带无线通讯系统。
另外,如何将空时编码和阵列信号处理技术如波束形成技术(Beamforming) 和干扰抵消技术( InterferenceCancellation) 有机地结合起来 ,充分发挥二者的优点,进一步提高其性能,提高它的实用性,是当前研究的另一个热点和方向;由于二者均是多个阵元天线系统的重要而有效的信号处理技术,所以它们的结合应用就具有的应用基础,最先提出和研究空时编码技术的研究人员也正在进行这方面的研究和探索工作 ,但是此项工作刚刚开始,具有很大的理论和实际研究价值. 当然,有关在接收端和发射端均得不到信道信息的差分空时编码方面的研究对于空时编码在未来移动蜂窝系统中的应用也是很有意义的。