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3、: 20005-110-226 来来源:谈谈振辉 金晓军军 摘要：空空时编码码技术能能提高系系统吞吐吐量，改改善非对对称应用用环境中中下行链链路的传传输问题题，还可可以结合合干扰抑抑制技术术，进一一步提高高系统容容量。文文章介绍绍了用于于EDGGE蜂窝窝通信系系统和宽宽带无线线接入网网的空时时编码(STCC)技术术，重点点讨论了了物理层层信道估估值、联联合均衡衡与编码码以及干干扰抑制制等信号号处理技技术。 关键词：宽带无无线通信信；接入入网；空空时编码码技术 Absttracct:SSpacce-TTimee Coode (STTC) cann inncreeasee syysteem tth
4、rooughhputt, aand impprovve ddownnlinnk ttrannsmiissiion undder an asyymmeetriic aappllicaatioon eenviironnmennt. It cann fuurthher inccreaase sysstemm caapaccityy whhen commbinned witth iinteerfeerennce supppreessiion tecchniiquee. TThe papper disscusssess STTC ttechhniqquess foor tthe EDGGE (Enhha
5、ncced Datta RRatees ffor Glooball Evvoluutioon) commmunnicaatioon ssysttem andd brroaddbannd wwireelesss nnetwworkks, witth aa foocuss onn suuch siggnallingg prroceessiing tecchniiquees aas tthe phyysiccal layyer chaanneel eestiimattionn, ccombbineed ccodiing andd eqquallizaatioon, andd innterrferre
6、ncce ssupppresssioon. Key worrds:brooadbbandd wiirellesss coommuuniccatiion; acccesss nnetwworkk;sppacee-tiime codde 随着着Intternnet和和业务的的普及，越越来越多多的应用用需要高高速无线线接入。由由于无线线传输受受到信号号衰落和和干扰的的影响，为为了实现现高数据据速率和和高业务务质量，要要求采用用新技术术来提高高频谱效效率和改改善链路路可靠性性。在发发射机和和接收机机使用多多个天线线进行数数据传输输的多输输入多输输出(MMIMOO)技术术，可以以在不增增加带宽宽和天线线
7、发送功功率的情情况下，成成倍地提提高频谱谱利用率率，进而而成倍地地提高无无线信道道容量。 天线阵列很早就被用于接收机分集。“智能天线”提出后，天线阵列在无线通信系统中的应用更得到深入研究。理论上已经证明，采用多个发射天线能把无线信道分割成多个并行的窄带信道，具有提高信道比特传输率的潜能，且研究结果显示，信道容量随天线数量增加而线性增大。与接收分集和智能天线相比，MIMO系统不但能够提供分集增益和阵列增益，而且可以采用空间复用(SDM)的方式提高系统容量。此外，采用MIMO构成多路信道可以在一定程度上对抗信道衰落，因为多个信道同时处于深衰落的可能性较小。 由于无论发射机还是接收机的天线数都是有限
8、的，因此增加分集增益和提高发射速率是一对矛盾。空时编码(STC)能较好地解决这一矛盾。STC是一类采用多发射天线、单接收天线(或多接收天线)，有机结合信道编码与空域发射分集，实现发射速率与分集增益折衷的MIMO通信技术。在不增加总发射功率和总传输带宽的前提下，数据经过STC并通过多个天线发射出去，各发射符号间在空域和时域具有相关性，因而可获得分集增益和编码增益。 无线高速应用环境下，在基站和移动用户终端间采用STC传输，基站采用双天线时，即使不增加用户终端接收天线的数目，STC系统也能提高系统吞吐量，从而改善非对称应用环境中下行链路传输“瓶颈”问题。如果移动用户终端采用双天线，还可以结合干扰抑
9、制技术，进一步提高系统的容量1。1 空时时格码和和空时分分组码 随着着第三代代移动通通信系统统标准的的出台，发发射分集集技术受受到了空空前重视视，多种种发射分分集技术术被纳入入标准当当中。北北美CDDMA220000标准采采用的两两种发射射分集技技术分别别是空时时扩展(STSS)和正正交发射射分集(OTDD)。在在欧洲的的WCDDMA标标准中，前前向链路路发射分分集分为为开环发发射分集集和闭环环发射分分集，其其中开环环发射分分集采用用空时发发射分集集(STTTD)，闭环环发射分分集采用用闭环模模式一(CL11)和闭闭环模式式二(CCL2)。 传统的的发射分分集技术术不能满满足带宽宽或发射射速率
10、的的要求，因因此要想想在不损损失带宽宽和发射射速率的的前提下下，实现现系统的的全空间间分集增增益，应应该采用用分集与与编码相相结合的的方法，于于是ATT&T实实验室的的Tarrokhh等人提提出了空空时码(STCC)的概概念22。SSTC的的提出可可以认为为是多天天线MIIMO系系统以及及发射分分集研究究进程中中的一个个重要里里程碑。SSTC分分为空时时格码(STTTC)和和空时分分组码(STBBC)。到到目前为为止，无无论是SSTBCC还STTTC，大大数量发发射天线线的编码码问题还还是一个个难点。因因此，如如何寻找找能够实实现更高高编码增增益以及及全空间间分集增增益的好好码目前前是STTC
11、研究究领域的的重要课课题。1.1 空时格格码 STTTC的基基本原理理是，原原始数据据流通过过信道编编码器进进行编码码，编码码数据经经过串/并转换换分成nnt个数数据流；每个数数据流形形成脉冲冲后进行行调制，在在每个时时刻t，调调制器ii的输出出信号从从第i个个天线发发射出去去。这样样，ntt个信号号从nii个不同同的天线线同时发发射，每每个信号号的比特特周期保保持相同同。接收收机采用用Vitterbbi译码码对信号号进行判判决。图图1所示示为8状状态8PPSK的的STTTC状态态和编码码。除提提供额外外编码增增益外，这这个STTTC等等效于延延时分集集传输。其其中，经经过8状状态8PPSK映
12、映射后，送送给第二二副天线线的延时时符号XX(k-1)为为奇数时时，延时时符号乘乘以因子子1；当当延时符符号为偶偶数时，延延时符号号乘以因因子-11。 虽然然STTTC集合合了前向向差错控控制编码码和分集集，提供供信号星星座、传传输速率率、分集集增益和和网格复复杂度之之间的最最佳折衷衷方案，带带来的增增益非常常可观，但但代价是是增加了了处理复复杂度。例例如，当当发射天天线数目目固定时时，其解解码复杂杂度随分分集重数数和传输输速率呈呈指数性性增加。1.2 空时分分组码 尽管管STTTC比其其他发射射分集技技术具有有更好的的综合性性能，但但是当系系统要求求的发射射天线较较多时，SSTTCC的复杂杂
13、度将严严重阻碍碍其在实实际系统统中的应应用。鉴鉴于这种种情况，TTarookh等等人随后后又提出出了STTBC。SSTBCC的特点点为：发发射机不不要求接接收机反反馈信道道状态信信息(CCSI)，没有有带宽扩扩展，译译码简单单，在不不损失发发射速率率的前提提下达到到与最大大比合并并(MRRC)接接收分集集相同的的分集增增益。 虽然然STBBC实现现简单、性性能优越越，但是是由于每每个天线线的发射射功率只只有原来来的一半半，因此此信噪比比比MRRC降低低了3 dB；另外，与与STTTC相比比，STTBC没没有编码码增益，因因此在实实际应用用中需要要与信道道编码相相结合。 对于图1的结构，STBC
14、输入成对符号，即在时刻k，符号Xk和Xk+1分别从天线1和天线2发射；在时刻k1，符号-X*k+1和X*k分别从天线1和天线2发射。其中( )*表示复共轭。这样可保证欲发射符号具有正交空时结构，构成完全时域分集。该结构已经被IS-136、WCDMA和CDMA2000等移动通信标准所采纳。2 空时时编码中中的信号号处理2.1 宽带信信道模型型 假假设进行行空时编编码传输输的信道道是频率率选择性性衰落的的，且从从第i副副发射天天线到单单个接收收天线的的信道脉脉冲响应应(CIIR)为为无线脉脉冲响应应hi。hhi的DD变换为为：其中，VV为信道道记忆长长度，DD为单位位延时，hhi(kk)为hhi的
15、第第k个元元素。2.2 信道估估值 在接收收端的联联合均衡衡与编码码及干扰扰抑制中中，CSSI起着着关键作作用。为为使估值值过程简简单，估估值结果果可靠，一一般采取取在传输输数据中中嵌入训训练序列列的方式式辅助CCSI估估值。估估值时会会有两个个问题：一是，对对于单发发射天线线传输，嵌嵌入的训训练序列列应有高高自相关关和低互互相关，即即具有联联合序列列最佳根根(PRRUS)的特性性；二是是，对于于多发射射天线的的传输，随随需要估估值的信信道参数数个数增增加，每每副发射射天线的的发射功功率却减减少。后后者的解解决方法法是对单单一训练练序列进进行空时时编码，产产生有限限的nii个相关关的训练练序列
16、，其其性能虽虽比PRRUS要要差一些些，但也也属次优优，而此此时训练练序列的的搜索空空间尺寸寸从C 减少到到C (C为为输入和和输出字字符集的的大小，NNt为训训练序列列长度)。(1)SSTTCC编码训训练序列列 具具有m个个二进制制存储记记忆单元元和信号号坐标大大小为CC的空时时编码器器，嵌入入CIRR的STTTC编编码结构构产生等等效的记记忆长度度为m+v的单单输入单单输出(SISSO)CCIR。对对于图11的双发发射天线线和单接接收天线线的8状状态8PPSK STTTC，嵌嵌入CIIR的空空时编码码器在信信道上产产生记忆忆长度为为V+11的等效效SISSO信道道，其信信道脉冲冲响应hh1
17、的DD变换为为：其中，ppk等于于+1还还是-11取决于于欲传输输的数据据。在分分组传输输期间，可可以认为为信道脉脉冲响应应h1和和h2不不变。在在发射偶偶数训练练符号CCe0,22,4,6时时，pkk=+11；此时时等效信信道为hhe(DD)=hh1(DD)+DDh2(D)。而而在发射射奇数训训练符号号Co1,3,55,7时，ppk=-1；此此时等效效信道为为ho(D)=h1(D)-Dh22(D)。在估估值hee(D)和hoo(D)参数后后，可得得到： 若训训练序列列写成SSSSe，SSo，其其中See长度为为Nt/2，取取值位于于Ce子子坐标内内。而SSo的长长度为NNt/22，取值值位于
18、CCo子坐坐标内。若若Se是是he(D)在在最小均均方误差差(MMMSE)准则下下的最佳佳估值序序列，则则So=expp( )，k1,33,5,7也是是ho(D)在在MMSSE准则则下的最最佳估值值序列。这这样，训训练序列列S的搜搜索空间间可从88 减减少到序序列See的搜索索空间44 ，简简化了估估值算法法。(2)SSTBCC编码训训练序列列 SSTBCC编码器器把连续续输入的的分组SS1和SS2映射射到两副副天线上上，转换换成欲发发射分组组S11,- 和和S22, 。其其中，()表表示时间间倒置序序列，如如SS(00)，SS(1)，SS(Ntt-1)，则则S =S(Nt-1),SS(1),
19、S(0)。若接接收到第第1和第第2分组组信号yy1和yy2表示示为： 其中中，z11、z22表示噪噪声。 当两两个训练练序列互互不相关关时，即即在训练练序列相相关矩阵阵S*SS中的非非对角线线元素为为零时，可可得MMMSE准准则下信信道估值值。欲达达到MMMSE准准则下的的信道估估值，可可进行下下述选择择： 选择序列列S1，使使S1与与其中心心对称且且具有良良好自相相关特性性，并令令S2S1。 选择序列列S1，使使S1具具有良好好自相关关特性，并并令S22= 。 可见见，空时时编码结结构可简简化训练练序列设设计。对对于STTBC，由由于Allamooutii正交结结构带来来两个输输入间解解耦，
20、可可免除对对训练序序列之间间低互相相关的要要求。2.3 联合均均衡 对于宽宽带传输输，均衡衡是消除除符号间间干扰必必须的技技术，均均衡的关关键是均均衡和解解码联合合方案的的设计。通通过空时时编码和和均衡，可可以用相相等功率率同时传传输多重重相关信信号33。(1)SSTTCC均衡 在88状态88PSKK STTTC中中，基于于格型联联合均衡衡和具有有8V+1状态态的空时时解码可可降低均均衡/解解码的复复杂度。否否则，格格型均衡衡需要882V状状态，SSTTCC解码需需要8状状态。(2)SSTBCC均衡 采用用 STTBC可可兼顾性性能指标标与复杂杂度指标标。在频频率选择择性信道道中，欲欲获取多多
21、径分集集增益，需需在时域域和频域域以分组组块形式式实施单单载波频频域均衡衡(SCCFDEE)。SSCFDDE 的的复杂度度类似于于OFDDM。由由于SCCFDEE采用不不同于OOFDMM的单载载波方式式，还可可避免峰峰均比(PAPPR)大大和对频频率误差差敏感度度高等缺缺点。 设第第i副天天线第kk个发射射分组块块中第nn个符号号表示为为Xi(k)(n)，信信息源在在时刻kk0,2,44产生生长度为为N的分分组块对对，即为为X1 (n)和X22 (nn)(其其中0nNN-1)。在SSCFDDE/SSTBCC的发射射分集中中，有：其中，nn0,1,N-1；kk0,2,44，()NN表示模模N运算
22、算。长度度为V的的循环前前缀(CCP)嵌嵌入欲发发射的分分组块中中来消除除分组块块之间干干扰(IIBI)。经过过A/DD变换后后，删除除接收分分组块中中CP，长长度为NN的成对对分组块块经过快快速傅里里叶变换换(FFFT)至至频域，产产生两个个分组块块。 其中中，X11 和X22 分分别是信信息块xx1 和xx2 的的FFTT，Z是是噪声。经经过FFFT后，循循环矩阵阵呈现对对角矩阵阵特性，即即意味可可删除载载波间干干扰。1和2分别别为含有有h1和和h2的的N个FFFT系系数的维维数为NNN对对角矩阵阵。 欲消除除天线间间干扰，可可增设线线性组合合器*。线性性组合器器输出的的解耦分分组块分分别
23、利用用MMSSE准则则下含有有N个复复抽头的的频域均均衡来消消除符号号间干扰扰。MMMSE 准则下下频域均均衡的输输出经过过逆快速速傅里叶叶变换(IFFFT)再再从频域域变换回回时域。2.4 干扰抵抵消 若在基基站增设设第二副副接收天天线，并并采用干干扰抵消消技术，可可以成倍倍增加系系统容量量而并不不增加无无线频谱谱资源。在在两个SSTBCC用户中中，每个个用户装装设两副副接收天天线，式式(6)改写成成： 其中中，Y11和Y22分别为为来自第第1和第第2副天天线的待待处理信信号，SS为来自自干扰用用户的第第1和第第2副天天线欲发发射两个个信息块块的FFFT矢量量，两个个STBBC用户户采用线线
24、性迫零零干扰抵抵消器来来解耦。 其中中，()-11表示逆逆运算。xdeef=x-xss-1s，sdeef=s-sxx-1x。这这里ss和ss均为正正交Allamooutii型矩阵阵。3 结束束语 早期SSTC研研究集中中在平衰衰落窄带带信道环环境，欲欲把STTC应用用于多用用户宽带带频率选选择性衰衰落信道道环境，将将面临宽宽带信道道长时延延扩散的的挑战。因因为长时时延扩散散会带来来信道估估值参数数数目的的增加，进进而导致致联合均均衡与格格型编码码数的增增加和计计算复杂杂度与功功耗的剧剧增。SSTC技技术在宽宽带信道道中的信信道估值值、联合合均衡与与编码、干干扰抑制制信号处处理算法法上的突突破会
25、提提高系统统的吞吐吐量和系系统的容容量，从从而获得得系统编编码增益益。 在无线线高速应应用环境境下，基基站和移移动用户户终端间间采用SSTC传传输，能能提高系系统吞吐吐量，改改善非对对称应用用环境中中下行链链路传输输“瓶颈颈”问题题，还可可以结合合干扰抑抑制技术术，进一一步提高高系统容容量。因因此，未未来一段段时间内内，对于于利用多多天线技技术提高高频谱效效率和系系统容量量的全面面、深入入的研究究和面向向实际应应用的算算法及部部件的开开发，在在学术界界和工业业界都会会受到持持续的重重视，有有相当多多的工作作可做。4 参考考文献1 Naoofall All-Dhhahiir, Chrristti
26、naa Frragooulii.Sppacee-Tiime Proocesssinng ffor Brooadbbandd Wiirellesss AcccesssJJ. IEEEE CCommmuniicattionn Maagazzinee, 220022(9):13361142.2 Taarokkh VV, SSeshhadrri NN, CCaldderbbankk A R. Spaace Timme CCodees ffor Higgh DDataa Raate Wirreleess Commmunnicaatioons: Peerfoormaancee Crriteerioon aand Codde CConsstruuctiionJ. IEEEE Traans on Infformmatiion Theeoryy, 119988(3):74447765.3 谈振振辉. 宽带无无线接入入系统及及其关键键技术J. 世界界网络与与多媒体体, 220022,100(1):400422.作者简介介：谈振辉，北北京交通通大学校校长，教教授，博博士生导导师。第第一、二二、三届届国家“863”计划通信主题个人通信专业专家组成员。主要从事无线ATM、扩频通信、个人通信方面的研究。金晓军，北京交通大学电子信息工程学院高级工程师。关键字: