空时编码
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。
MIMO―OFDM系统中的空时码编码技术word精品文档4页
MIMO―OFDM系统中的空时码编码技术如何进一步提高频谱效率和数据传输率，满足日益增长的多种无线数据业务要求已成为B3G无线通信系统的关键问题之一，而MIMO技术和OFDM 技术的结合在解决这一问题上体现出了巨大的优势。
目前，大量地把MIMO-OFDM技术应用在无线通信系统以提高系统性能的研究集中在如何在所有天线上分配子载波，使得基站根据信道状态信息来选择合适的子载波传输OFDM信号。
通常将MIMO技术和OFDM结合有两种方法：一种是利用多天线实现空分复用，提高数据比特率；另一种是利用多天线实现空间分集，从而提高传输可靠性。
基于MIMO-OFDM的STBC和SFBC能保证在频率选择性衰落信道中的分集增益，正逐渐成为热点研究分支。
1 系统模型考虑带空分复用的MIMO-OFDM系统，分别有个发送天线和个接收天线。
我们在发送端进行天线选择，从所有个发送天线中选择个天线来发送OFDM 信号，所以共有种可能的天线组合，假设在每个子载波上信道为平坦瑞利衰落的，这样系统信道可以建模成的三维矩阵，为子载波数，且矩阵元素为服从均值为0，方差为1（实部和虚部的方差分别为1/2）的独立同分布的复高斯变量。
经过天线选择后，信道变为的三维矩阵，在发送端，空分复用器首先把一组串行的信息比特流转换成和选择天线数相等的组并行的比特流，然后经过快速付氏反变换（IFFT）并加循环前缀（CP）后在选择出的个天线上发送，在接收端由个接收天线接收信号，经过采样、去循环前缀（RP）、付氏变换（FFT）和空分复用检测器后得到最后的信息比特流。
2 空时分组码编码的OFDM空时分组码是利用正交的原理设计各发射天线上的发射信号格式，实际上是一种空间域和时间域联合的正交分组编码方式。
在一定条件下，空时分组码可以使接收端解码后获得满分集增益，且保证译码运算仅仅是简单的线性合并，译码复杂度低。
考察一个具有K根发射天线M根接收天线的MIMO无线通信系统，信道为平坦衰落信道，不同发射接收天线对间的信道衰落相互独立。
MIMO信道空时码(STBC)性能仿真
×
的信道矩阵 H 表
t hN r2
h1tN t t h2 Nt t hN r Nt
表示 t 时刻从第 i 根发射天线到第 j 根接收天线的信道衰落系数。在 t 时刻，第 j 根
所以， 分集增益是相同差错概率时的空间分集系统相对于无分集系统可以节省的发射功 率， 决定了差错率曲线随ＳＮＲ变化的斜率。 编码增益则是相同分集增益和相同差错概率时 的编码系统相对于无编码系统的功率增益的量度， 决定了无编码系统的差错概率曲线相对于 相同分集数时空编码得到的差错概率曲线的水平偏移程度。
ˆ1 arg min d 2 ( ~ ˆ1 ) x x1 , x
ˆ1S ) (x
ˆ2 arg min d 2 ( ~ ˆ2 ) x x2 , x
ˆ2S ) (x
因此这种码的最大似然检测器具有低译码复杂度，同时获得了满分集。 3.3 有多根接收天线的 Alamouti 方案
Alamouti 方案可以应用于发射天线数为 2 和接收天线数为 与单接收天线的情况一样。第 j 根接收天线接收到的信号为：
《移动通信原理》课程论文
MIMO 信道空时码（ STBC ）性能仿真
摘要: 空时编码是达到或接近 MIMO 无线信道容量的一种有效的编码方式， 它通过在时间上与空间上进 行联合编码，使得在不同时刻从不同天线发送的数据具有一定的相关性（冗余） ，从而达到在不牺牲系统带 宽的条件下，提高系统传输性能的目的。本文首先介绍了空时编码的基本思想。然后分析了空时编码的性 能，最后给出了该编码方案的仿真结果图和结论。 关键词 : 空时编码 STBC 仿真
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。
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。
MIMO原理理解空时编码
MIMO原理(理解空时编码)————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：MIMO信道非MIMO系统用几个频率通过多个信道链接。
MIMO信道具有多个链路，工作在相同的频率。
该技术的挑战是所有信号路径的分离和均衡。
信道模型包括具有直接和间接信道分量的H矩阵。
直接分量(例如h11)描述信道平坦度，而间接分量(例如h21)代表信道隔离。
发送信号用s代表，接收信号用r代表。
时间不变的窄带信道定义为：了解H对于解码来说是必要的，并通过一个已知的训练序列估计。
如果接收器将信道近似值发送到发送器，则可以用来进行预编码。
预编码能改善MIMO性能。
香农推出了下列公式，可以计算理论信道容量。
它包括了传输带宽f g和信噪比。
大多数信道容量的改善都是基于带宽扩展或者其他调制。
这些因素并不能很大地提高频谱效率。
MIMO系统的香农容量又决定于天线的数量。
M是最小的M T(发送天线的数量)或M R(接收天线的数量)，表示空间信息流的数量。
例如，一个2x3的系统只能支持两个空间数据流，这个结果同样适用于2x4的系统。
对于MIMO，下面的公式给出容量的计算方法：MIMO容量随着天线的数量呈线性增加。
不对称的天线星座分布(例如1x2或2x1)被称为接收或发送分集。
在这些情况下容量(C Tx/Rx)随天线的数量呈对数形式的增长。
空间复用通过一个以上的天线发送多组数据流称为空间复用。
有两种类型必须考虑。
第一种类型为V-BLAST（Vertical Bell实验室分层空间-时间），它发送空间未编码的数据流，不需要考虑在接收器上对信号进行均衡处理。
第二种类型是通过空间-时间编码实现的。
与V-BLAST相比，空间时间编码提供正交编码方式，因此是独立的数据流。
V-BLAST方法不能分离数据流，因此会出现多个数据流的干扰(M SI)。
这会使传输变得不稳定，而前向错误编码并不总是能解决这个问题。
西安电子科技大学纠错码课件8.MIMO技术与空时编码
国家重点实验室
空时码的设计准则
秩距离准则(1998年，Tarokh) 年 秩距离准则 迹距离准则(Yuan Jinhong) 迹距离准则 分集增益与复用增益最佳折中设计准则
19
国家重点实验室
秩距离准则——适用于高信噪比时 适用于高信噪比时 秩距离准则
1 1 c1 − e1 2 2 C − E = c1 − e1 ...... c n − en 1 1
13
国家重点实验室
空时信道容量——Ergodic信道容量 空时信道容量——Ergodic信道容量
14
国家重点实验室
空时信道容量——Ergodic信道容量 空时信道容量——Ergodic信道容量
SNR = P / σ 2
Large Antenna Array Regime n=m Cnn (SNR ) ≈ nc* (SNR )
m
国家重点实验室
秩距离准则——适用于高信噪比时 适用于高信噪比时 秩距离准则
准静态衰落信道下空时码的设计准则为： 准静态衰落信道下空时码的设计准则为：
秩准则: 若要达到最大的分集增益mn，集合中的每一个 差矩阵 B(C , Ε ) 必须是满秩的，若最小秩为r，则分集增 益最大可达mr 行列式准则：若系统的分集增益为mn，计算集合 中每个 A(C , Ε )的非零特征值之积的r次平方根得到集 合
)(
)
)(
)
= B (C , E )B (C , E )
H
Pair-wise error probability
的非零特征值。 r是矩阵 A(C , E ) 的秩， λ i 是矩阵A(C , E ) 的非零特征值。 是矩阵 的秩，
20
−m r 1 ≤ λ (E 4 N )− rm P (C → E ) ≤ n s 0 ∏ i i =1 ∏ (1 + λi Ed 4 N 0 ) i =1
空时分组码
编码
Alamouti的代 码
高阶STBC
西亚瓦什·阿拉穆蒂（Siavash Alamouti）在1998年发明了所有STBC中最简单的，尽管他自己并没有使用 “时空分组码”这个术语。它设计用于双发射天线系统，并具有编码矩阵：
其中*表示复共轭。
很明显，这是一个速率-1代码。传输两个符号需要两个时隙。使用下面讨论的最佳解码方案，该STBC的误码 率（BER）等于-分支最大比率组合（MRC）。这是接收处理后符号之间完全正交的结果 -每个符号发送两个副本， 并且接收到个副本。
Alamouti在1998年提出的建议的重要性在于它首次证明了一种编码方法，它能够在接收机上实现线性处理的 完全多样性。早期关于发射分集的提议需要处理方案，其与发射天线的数量成指数地缩放。此外，它是第一个具 有这种能力的开环发射分集技术。随后对Alamouti概念的概括已经对无线通信行业产生了巨大影响。
3个发射天线
3个发射天线的两个直接代码是：
这些代码分别达到速率-1/2和速率-3/4。这两个矩阵给出了为什么两个以上天线的代码必须牺牲率的例子 这是实现正交性的唯一方法。的一个特殊问题是它传输的符号之间的功率不均匀这意味着信号不具有恒定的包 络，并且每个天线必须发送的功率必须变化，这两者都是不希望的。此后，设计了克服此问题的此代码的修改版 本。
STBC通常由矩阵表示。每行代表一个时隙，每列代表一个天线随时间的传输。
这里，是要在天线的时隙中发送的调制符号。有时隙和发射天线以及接收天线。该块通常被认为是'length'
STBC的码率测量它在一个块的过程中平均每个时隙传输的符号数。如果一个块编码个符号，则码率为
只有一个标准STBC可以实现全速率（速率1）-Alamouti的代码。
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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。
分层空时码有两种形式，对角分层空时码D-BLAST和垂直分层空时码V-BLAST。
V-BLAST系统处理起来较D-BLAST系统要简单。
空时编码技术是无线通信领域的一种全新的信道编码和信号处理技术,它在不用牺牲信道带宽的前提下,通过在不同天线所传输的信号中利用信号空间及时间的相关性,从而就可以在接收端提供通信系统所没有的编码增益以及分集增益。
目前最常见的的空时编码方案是以下三种:空时分格码(STTC)、空时分组码(STBC)和空时分层码(LSTC)[4]。
空时分层码是上述方案中最早提出的一种空时编码方法,由 G..J.Foschini等贝尔实验的研究人员在 1998 年提出的一种可应用于MIMO 信道的空时结构以及相应的构造算法,所以也称为贝尔实验室分层空时编码(BLAST)[5]。
其基本的解决方案思想就是先把高速的信源数据业务分解为若干低速的子数据业务,然后在发送端通过并行信道编码器对这些低速的子数据业务进行独立的信道编码,调制后再使用多个天线发送,以实现发射分集的目的;
在接收端通过多个天线进行接收信号,利用信道估计等方法取得信道的参数,然后进行分层译码,最终恢复发送数据。
空时分层码的最大优点就是编译码的过程非常简单、宜行,但不利之处是性能是现有的三种空时编码方法中最差的。
造成这种现象的根本原因在于接收时各个层次之间的译码过程是相互独立无关的,它只是利用了各层的信道信息及接收的信号,却无法实现层与层之间相互的信息共享及联合预测,所以达不到最大的分集效果,但是,又由于其译码简单,仍然可以在一些要求不高的通信环境之中获得一定的应用。
空时分格码是继空时分层码出现之后提出的另外一种空时编码技术,它是由 Tarokh、Seshadri 和 Calderbank 等 AT&T 公司研究院的人员于上个世纪八十年代结合格型编码调制技术(TCM)和延时分集理论提出的另一种信道编码方案。
它吸收了这两种理论的优点,通过信道编码以及与发射分集相结合来提高通信系统的抗衰落性能,实际上是发射分集方式的一种改进方案。
空时分格码结合了编码、调制联合优化的思想,所以它可以在不损失发射带宽的情况下利用结构上信息的冗余度能够降低信号噪声的干扰,这样既可以获得较大的分集增益,又能提供非常好的编码增益,同时还能提高系统的频谱利用率,能够达到编译码的复杂度、性能和频谱利用率三者的最佳折中的目的。
空时分格码的设计遵循两个准则,首先,为了获得最大的分集增益,需要遵循秩准则;其次,在满秩的前提下,为了达到最佳的误码率,需要遵循行列式准则。
其译码采用最大似然译码方法,利用向量维特比译码算法来实现,但是,空时分格码的译码过程非常繁琐复杂,而且当发射天线数目固定时,其译码的复杂度随着信号传输速率的增加会呈指数增加,因此,在高速率数据传输时,空时分格码的译码复杂度是很高的,这也成了空时分格码致命的缺陷,在很大程度上影响了它的实例化进程。
尽管空时分格码提高了系统性能,但是由于具有上述不可回避的缺点反而制约了它的推广,要解决这个问题的方案就是应用空时分组编码。
1998 年,Alamouti 最早在其著作中就介绍了空时分组码的理论[6],不过该方案是采用了简单的两根天线发射分集编码的方式。
这种 STBC 的最大优势在于采用简单的最大似然译码准则,因此可以获得最大传输速率以及最大的分集增益,是一种简单有效的空时编码方案。
Tarokh 等人在基于 Alamouti 研究成果的基础上,根据广义正交设计原理将 Alamouti 的方案推广到多个发射天线的情况。
由于其编码矩阵列与列之间的正交性,人为地造成了天线发送信号的正交性,从而使得接收端可以用最大似然检测译码。
由于没有时间冗余度,因此它不能获得编码增益,但却可以大大降低译码的复杂度,而且利用最大似然译码算法仍可能获得最大的发射分集增益,可以实现与最大比合并(MRC)接收机相同的性能。
虽然空
时分组码相比空时分格码性能略有所下降,但是由于译码复杂度要比后者简单许多,因此受到研究者的广泛关注。