宽带无线接入网中的空时编码技术

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摘要：

空时编码技术能提高系统吞吐量，改善非对称应用环境中下行链路的传输问题，还可以结合干扰抑制技术，进一步提高系统容量。文章介绍了用于EDGE蜂窝通信系统和宽带无线接入网的空时编码(STC)技术，重点讨论了物理层信道估值、联合均衡与编码以及干扰抑制等信号处理技术。

要害词：

宽带无线通信；接入网；空时编码技术

Abstract:

Space-Time Code (STC) can increase system throughput, and improve downlink transmission under an asymmetric application environment. It can further increase system capacity when combined with interference suppression technique. The paper discusses STC techniques for the EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution) communication system and broadband wireless Access networks, with a focus on sUCh signaling processing techniques as the physical layer channel estimation, combined coding and equalization, and interference suppression.

Key Words:

broadband wireless communication; access network;space-time code

随着Internet和多媒体业务的普及，越来越多的应用需要高速无线接入。由于无线传输受到信号衰落和干扰的影响，为了实现高数据速率和高业务质量，要求采用新技术来提高频谱效率和改善链路可靠性。在发射机和接收机使用多个天线进行数据传输的多输入多输出(MIMO)技术，可以在不增加带宽和天线发送功率的情况下，成倍地提高频谱利用率，进而成倍地提高无线信道容量。
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。理论上已经证实，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。假如移动用户终端采用双天线，还可以结合干扰抑制技术，进一步提高系统的容量[1]。

1 空时格码和空时分组码

随着第三代移动通信系统标准的出台，发射分集技术受到了空前重视，多种发射分集技术被纳入标准当中。北美CDMA2000标准采用的两种发射分集技术分别是空时扩展(STS)和正交发射分集(OTD)。在欧洲的WCDMA标准中，前向链路发射分集分为开环发射分集和闭环发射分集，其中开环发射分集采用空时发射分集(STTD)，闭环发射分集采用闭环模式一(CL1)和闭环模式二(CL2)。
传统的发射分集技术不能满足带宽或发射速率的要求，因此要想在不损失带宽和发射速率的前提下，实现系统的全空间分集增益，应该采用分集与编码相结合的方法，于是AT&T实验室的Tarokh等人提出了空时码(STC)的概念[2]。STC的提出可以认为是多天线MIMO系统以及发射分集研究进程中的一个重要里程碑。STC分为空时格码(STTC)和空时分组码(STBC)。到目前为止，无论是STBC还STTC，大数量发射天线的编码设计问题还是一个难点。因此，如何寻找能够实现更高编码增益以及全空间分集增益的好码目前是STC研究领域的重要课题。

1.1 空时格码
STTC的基本原理是，原始数据流通过信道编码器进行编码，编码数据经过串/并转换分成nt个数据流；每个数据流形成脉冲后进行调制，在每个时刻t，调制器i的输出信号从第i个天线发射出去。这样，nt个信号从ni个不同的天线同时发射，每个信号的比特周期保持相同。接收机采用Viterbi译码对信号进行判决。图1所示为8状态8PSK的STTC状态和编码。除提供额外编码增益外，这个STTC等效于延时分集传输。其中，经过8状态8PSK映射后，送给第二副天线的延时符号X(k-1)为奇数时，延时符号乘以因子1；当延时符号为偶数时，延时符号乘以因子-1。

虽然STTC集合了前向差错控制编码和分集，提供信号星座、传输速率、分集增益和网格复杂度之间的最佳折衷方案，带来的增益非常可观，但代价是增加了处理复杂度。例如，当发射天线数目固定时，其解码复杂度随分集重数和传输速率呈指数性增加。

1.2 空时分组码
尽管STTC比其他发射分集技术具有更好的综合性能，但是当系统要求的发射天线较多时，STTC的复杂度将严重阻碍其在实际系统中的应用。鉴于这种情况，Tarokh等人随后又提出了STBC。STBC的特点为：发射机不要求接收机反馈信道状态信息(CSI)，没有带宽扩展，译码简单，在不损失发射速率的前提下达到与最大比合并(MRC)接收分集相同的分集增益。

; 虽然STBC实现简单、性能优越，但是由于每个天线的发射功率只有原来的一半，因此信噪比比MRC降低了3 dB；另外，与STTC相比，STBC没有编码增益，因此在实际应用中需要与信道编码相结合。
对于图1的结构，STBC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k＋1，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 空时编码中的信号处理

2.1 宽带信道模型
假设进行空时编码传输的信道是频率选择性衰落的，且从第i副发射天线到单个接收天线的信道脉冲响应(CIR)为无线脉冲响应hi。hi的D变换为：

其中，V为信道记忆长度，D为单位延时，hi(k)为hi的第k个元素。

2.2 信道估值
在接收端的联合均衡与编码及干扰抑制中，CSI起着要害作用。为使估值过程简单，估值结果可靠，一般采取在传输数据中嵌入练习序列的方式辅助CSI估值。估值时会有两个问题：一是，对于单发射天线传输，嵌入的练习序列应有高自相关和低互相关，即具有联合序列最佳根(PRUS)的特性；二是，对于多发射天线的传输，随需要估值的信道参数个数增加，每副发射天线的发射功率却减少。后者的解决方法是对单一练习序列进行空时编码，产生有限的ni个相关的练习序列，其性能虽比PRUS要差一些，但也属次优，而此时练习序列的搜索空间尺寸从C;减少到C; (C为输入和输出字符集的大小，Nt为练习序列长度)。

(1)STTC编码练习序列
具有m个二进制存储记忆单元和信号坐标大小为C的空时编码器，嵌入CIR的STTC编码结构产生等效的记忆长度为m+v的单输入单输出(SISO)CIR。对于图1的双发射天线和单接收天线的8状态8PSK STTC，嵌入CIR的空时编码器在信道上产生记忆长度为V+1的等效SISO信道，其信道脉冲响应h1的D变换为：

其中，pk等于+1还是-1取决于欲传输的数据。在分组传输期间，可以认为信道脉冲响应h1和h2不变。在发射偶数练习符号Ce＝{0,2,4,6}时，pk=+1；此时等效信道为he(D)=h1(D)+Dh2(D)。而在发射奇数练习符号Co＝{1,3,5,7}时，pk=-1；此时等效信道为ho(D)=h1(D)-Dh2(D)。在估值he(D)和ho(D)参数后，可得到：

若练习序列写成S＝[Se，So]，其中Se长度为Nt/2，取值位于Ce子坐标内。而So的长度为Nt/2，取值位于Co子坐标内。若Se是he(D)在最小均方误差(MMSE)准则下的最佳估值序列，则So=eXP(;;;;)，k＝1,3,5,7也是ho(D)在MMSE准则下的最佳估值序列。这样，练习序列S的搜索空间可从8; 减少到序列Se的搜索空间4;，简化了估值算法。

(2)STBC编码练习序列
STBC编码器把连续输入的分组S1和S2映射到两副天线上，转换成欲发射分组[S1,-;;]和[S2,;;]。其中，(·)表示时间倒置序列，如S＝[S(0)，S(1)，…，S(Nt-1)]，则S =[S(Nt-1),…,S(1),S(0)]。若接收到第1和第2分组信号y1和y2表示为：

其中，z1、z2表示噪声。
当两个练习序列互不相关时，即在练习序列相关矩阵S*S中的非对角线元素为零时，可得MMSE准则下信道估值。欲达到MMSE准则下的信道估值，可进行下述选择：
选择序列S1，使S1与其中心对称且具有良好自相关特性，并令S2＝S1。
选择序列S1，使S1具有良好自相关特性，并令S2=;;。

可见，空时编码结构可简化练习序列设计。对于STBC，由于Alamouti正交结构带来两个输入间解耦，可免除对练习序列之间低互相关的要求。

2.3 联合均衡
对于宽带传输，均衡是消除符号间干扰必须的技术，均衡的要害是均衡和解码联合方案的设计。通过空时编码和均衡，可以用相等功率同时传输多重相关信号[3]。

(1)STTC均衡
在8状态8PSK STTC中，基于格型联合均衡和具有8V+1状态的空时解码可降低均衡/解码的复杂度。否则，格型均衡需要82V状态，STTC解码需要8状态。

(2)STBC均衡
采用 STBC可兼顾性能指标与复杂度指标。在频率选择性信道中，欲获取多径分集增益，需在时域和频域以分组块形式实施单载波频域均衡(SCFDE)。SCFDE 的复杂度类似于OFDM。由于SCFDE采用不同于OFDM的单载波方式，还可避免峰均比(PAPR)大和对频率误差敏感度高等缺点。
设第i副天线第k个发射分组块中第n个符号表示为Xi(k)(n)，信息源在时刻k＝0,2,4…产生长度为N的分组块对，即为X1 (n)和X2;(n)(其中0≤n≤N-1)。在SCFDE/STBC的发射分集中，有：

其中，n＝0,1,…,N-1；k＝0,2,4…，(·)N表示模N运算。长度为V的循环前缀(CP)嵌入欲发射的分组块中来消除分组块之间干扰(IBI)。经过A/D变换后，删除接收分组块中CP，长度为N的成对分组块经过快速傅里叶变换(FFT)至频域，产生两个分组块。

其中，X1和X2; 分别是信息块x1和x2 的FFT，Z是噪声。经过FFT后，循环矩阵呈现对角矩阵特性，即意味可删除载波间干扰。Λ1和Λ2分别为含有h1和h2的N个FFT系数的维数为N×N对角矩阵。
欲消除天线间干扰，可增设线性组合器Λ*。线性组合器输出的解耦分组块分别利用MMSE准则下含有N个复抽头的频域均衡来消除符号间干扰。MMSE 准则下频域均衡的输出经过逆快速傅里叶变换(IFFT)再从频域变换回时域。

2.4 干扰抵消
若在基站增设第二副接收天线，并采用干扰抵消技术，可以成倍增加系统容量而并不增加无线频谱资源。在两个STBC用户中，每个用户装设两副接收天线，式(6)改写成：

其中，Y1和Y2分别为来自第1和第2副天线的待处理信号，S为来自干扰用户的第1和第2副天线欲发射两个信息块的FFT矢量，两个STBC用户采用线性迫零干扰抵消器来解耦。

其中，(·)-1表示逆运算。Λxdef=Λx-ГxГs-1Λs，Гsdef=Гs-ΛsΛx-1Гx。这里Λs和Гs均为正交Alamouti型矩阵。

3 结束语

早期STC研究集中在平衰落窄带信道环境，欲把STC应用于多用户宽带频率选择性衰落信道环境，将面临宽带信道长时延扩散的挑战。因为长时延扩散会带来信道估值参数数目的增加，进而导致联合均衡与格型编码数的增加和计算复杂度与功耗的剧增。STC技术在宽带信道中的信道估值、联合均衡与编码、干扰抑制信号处理算法上的突破会提高系统的吞吐量和系统的容量，从而获得系统编码增益。
在无线高速应用环境下，基站和移动用户终端间采用STC传输，能提高系统吞吐量，改善非对称应用环境中下行链路传输“瓶颈”问题，还可以结合干扰抑制技术，进一步提高系统容量。因此，未来一段时间内，对于利用多天线技术提高频谱效率和系统容量的全面、深入的研究和面向实际应用的算法及部件的开发，在学术界和工业界都会受到持续的重视，有相当多的工作可做。

4 参考文献

[1] Naofal Al-Dhahir, Christina Fragouli.Space-Time Processing for Broadband Wireless Access[J]. IEEE Communication Magazine, 2002(9):136—142.
[2] Tarokh V, Seshadri N, Calderbank A R. Space Time Codes for High Data Rate Wireless Communications: Performance Criterion and Code Construction[J]. IEEE Trans on Information Theory, 1998(3):744—765.
[3] 谈振辉. 宽带无线接入系统及其要害技术[J]. 世界网络与多媒体, 2002,10(1):40—42.