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1、精品论文大集合空时分组码编码译码的简单研究金朝晖 北京邮电大学，北京（100876） E-mail: jch8972摘要：空时处理始终是通信理论界的活跃领域，近年来移动通信对无线链路传输速率提出了越来越高的要求，多天线系统的空时编码成为研究热点。其中正交发射分集技术编译码算法 简单，且能获得分集增益，已经在移动通信系统中得到广泛应用。发射分集是指通过多天线 把发射信号副本以空间冗余形式提供给接收端，借助分集接收提供系统性能。基于发射分集 的空时码是指信号在时间域和空间域引入编码，结合信道编码和多发送天线的方案。本文主 要介绍了一类高性能的基于发射分集的空时编码空时分组码的编码原理和译码算法，通
2、 过仿真总结分析了两天线空时分组码不同调制方式和不同数目接收天线下的性能特点。 关键词：基于发射分集的空时编码空时分组码最大似然译码1引言由于移动用户的增多，移动通信业务从单纯的语音业务扩展到多媒体业务，无线频谱资 源日趋紧张，从而追求尽可能高的频谱利用率已成为研究的热点和重点。长时间以来，人们 一直致力于开发高效的编码、调制和信号处理技术以提高无线频谱的效率。基于发射分集的 空时编码技术就是能够有效提高无线频谱利用率的重要方案之一。空时码(STC)是移动通信领域出现的一种新的编码和信号处理技术，在发射端和接收端 同时使用多个天线进行信息的发射和接收，在不同天线发射信号之间引入时域和空域相关，
3、 综合利用时域和空域二维信息，在接收端进行分集接收。空时编码将空间分集、频率分集及 时间分集结合在一起，从通信系统的整体出发，提高多径衰落信道的通信质量和数量。2基于发射分集的空时码编码原理发射分集的概念由接收分集技术引伸而来。它是为减弱信号衰落的效果，使用多个独立 的天线或相关天线阵列，把发射信号的复本以空间冗余的形式提供给接收端。分集发射利用 不同基站或同一基站中不同位置的天线发射信号到达移动台的不相关性，借助移动台的 Rake分集接收功能，分别接收由不同天线或不同基站发出的信号再分集合并，从而提高系 统性能3。以下主要研究基于发射分集的空时码中的空时分组码 STBC(Space Time
4、 Block Code)。2.1 空时分组码（STBC）编码原理STBC编码最先是由Alamouti1引入的，采用了简单的两天线发分集编码的方式。这种 STBC编码的最大的优势在于，采用简单的最大似然译码准则，可以获得完全的天线增益。， Tarokh进一步将两天线STBC编码推广到多天线的形式2，提出了通用的正交设计准则。Alamouti首先提出的两天线空时分组码结构非常简单，并且具有高效的译码算法，能够 获得全部发分集增益3。-6-每组 m 比特信息首先调至为M = 2m禁止符号，然后编码期选取连续的两个符号，根据下述变换将其映射为发送信号矩阵。2 x1 x* xX = * x21 (1)天
5、线 1 发送信号的第一行，天线 2 发送第二行。编码器结构如图 1。信源调制器编码器 x x* Tx1x1 , x2 12 x* x21 Tx2图 1 Alamouti 空时分组码编码器结构Alamouti 空时编码是在空域和时域上进行编码。令天线 1 和 2 的发送信号矢量分别为x1 = x , x* , x2 = x , x* (2)1221关键思想在于两个天线发送的信号矢量相互正交3，即x1 x 2 H = x x* x* x =22(3)()1 22 10相应地，编码矩阵具有如下性质 22X X Hx= 1+ x 20022x1 +x 2= ( x 2 +x 2 )I式中 I2 是 2
6、x2 的单位矩阵。假设接收机采用单天线接收。发送天线 1 和 2 的快衰落信道响应系数为h1 = h1 ej1, h2 = h2 ej 21(4)接收端相邻两个符号周期接收到的信号可以表示为 r1 = h1 x1 + h2 x2 + n1*(5)r2 = h1 x2 + h2 x1 + n2式中， n1 和 n2 表示第一个和第二个符号的加性白高斯噪声样值。2.2 空时分组码（STBC）最大似然译码（MLD）算法假如接收机可以获得理想信道估计，则最大似然译码算法要求在信号星座图上最小化如 下的欧式距离度量 d 2 r , hx + hx + d 2 r ,hx* + hx* 11122 2 2
7、1 22 1 2(6)= r hx h x+ r + hx* h x*211 12 221 22 12 式中， x1 ， x2 都是星座图上的信号点。 展开化简后得到最大似然译码准则判决准则为(x , x) = argmin (h+ h 1)(x+ x2 )+ d 2 (x , x ) + d 2 (x , x )(7)1 2 (x , x )c 1 2 1 21 1 2 21 22x x式中，C 表示调制符号对的组合； 1 ， 2 是判决统计量，表示为x= h*r + h r * 1 1 1 2 2(8)x= h*r h r *2 2 1 1 2将接收信号代入进一步简化，可得知给定信道响应，
8、则两个判决统计量分别只是各自发送信号的函数。则最大似然译码准则可以分解为独立的两个准则，即1(2 x1 = arg min(h1x+ h22 1)x 2+ d 2(x1 , x1 )1s22 = arg min+ 1) +2 ( , )(9)x2h1h2x2 cx2dx2 x2当采用MPSK调制方式时，进一步简化为2 *2x1 = arg min dx1s(x1 , x1 ) = arg min h1 r1 + h2 r12x1s x12(10)2x= arg min d2 (x , x) = arg min h*r h r * x222x2 c2 11 2x2 s如上所述，采用非常简单的最大
9、似然译码算法，Alamouti编码就可以获得完全的分集增益。编码设计的关键在于保证两天线发送信号序列之间的正交性3。3仿真结果及讨论2PSK02Tx 2Rx2Tx 4Rx2Tx 1Rx10-110-2BER10-310-410-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12SNR, dB图 2 2PSK 调制，接收天线数目为 1，2，4 情况下的误码率性能曲线图2为2PSK调制方式下Alamouti空时分组码通过平坦瑞利信道不同数目接收天线情况 下的误码率性能曲线。4PSK02Tx 2Rx2Tx 4Rx2Tx 1Rx10-110-2BER10-310-410-6 -4 -2 0 2 4 6 8
10、 10 12SNR, dB图 3 QPSK 调制，接收天线数目为 1，2，4 情况下的误码率性能曲线图3为QPSK调制方式下Alamouti空时分组码通过平坦瑞利信道不同数目接收天线下的 误码率性能曲线。从理论上来说，在准静态衰落信道条件下，由于发送天线数目相同，那么在接收天线数 目为1-4的情况下，接收天线数目增加一倍，获得的分集增益也应该增加一倍，信噪比相差3dB。分析以上两个图可知，在可接受的误码率范围内，相同误码率下，接收天线数目增加 一倍，信噪比增益达到了4dB以上，这个是受仿真所使用的信道过于理想影响导致的。此外，当接收天线数目从1增加到2再增加到4的过程中，性能提升极为明显。2T
11、x 2Rx010-1108PSK16PSK4PSK2PSK-2BER10-310-410-510-5 0 5 10 15 20SNR, dB图 3 两发两收，MPSK（M=2,4,8,16）调制情况下的误码率性能曲线由图3可得，在分集增益不变的情况下，相同信噪比，MPSK调制随着M的增大，频谱 利用率提高，但性能降低。4总结通过对Alamouti空时分组码编码译码的简单研究，获得了对基于发送分集的空时码性能 的大致了解，其编码结构简单，采用最大似然译码算法就可以获得完全的分集增益。同时也 增强了对分集技术在提高系统性能上的直观印象。参考文献1 S. M. Alamouti. A simple
12、transmit diversity technique for wireless communicationsJ. IEEE Journal Select.Area Commun., Vol. 16, No. 8, pp.14511458, Oct. 1998.2 S. Baro, G. Bauch and A. Hansman. Improved codes for space-time trellis-coded modulationJ. IEEE Commun. Letters, Vol. 4, No. 1, pp. 2022, Jan.2000.3 吴伟陵，牛凯移动通信原理M，北京：
13、电子工业出版社，2005.1。A Simple Research on STBCJin ChaohuiBeijing University of Posts and Telecommunications, Beijing, PRC, (100876)AbstractSpace-time Processing has always been an active field in communication theory circle. In recent years, demands of mobile communication for transmission speed of wirele
14、ss link are increasing, and researchon the Space-Time Code based on multi-antenna system becomes popular. Orthogonal TransmitDiversity can obtain diversity gain and its coding and decoding algorithm is simple, so that it has been widely used in mobile communication systems. Transmit Diversity refers
15、 to the way that copies of signal in the form of space redundant are transmitted to the receiver via multi-antenna, and to improve system performance with the help of diversity reception. Space-Time Code based on Transmit Diversity refers to the plan that coding signals in time domain and space doma
16、in, and combining with channel coding and multi-antenna. This paper provides coding principle and decoding algorithm of Space-Time Block Code, and analyzes the performance of the two-antenna Space-Time Block Code in different modulation modes and different number of receiving antennas.Keywords: STC STBC MLD
