空時編碼技術在超寬帶通信系統中的應用

宋曉鷗　向　新　曹鬧昌　茹　樂

摘 要：空時編碼技術和超寬帶技術是當前無線通信領域的熱點技術。為了提高短距高速率無線通信的性能，討論了空時編碼技術在超寬帶通信系統中的應用方案，由于超寬帶脈沖信號具有極窄的時域支撐區，而且信道為密集多徑信道，因此超寬帶通信系統中的空時編碼技術具有完全不同的特性，提出了幾種超寬帶空時編碼方案，并對其性能優缺點進行了分析比較。

關鍵詞：超寬帶;空時編碼;多輸入多輸出;網格碼

中圖分類號：TN914文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)03-013-03

Application of Space-Time Coding Techniques in Ultra-wideband Communication System

SONG Xiaoou,XIANG Xin,CAO Naochang,RU Le

(Engineering College,Airforce Engineering University,Xi′an,710038,China)

Abstract：Space-time coding and Ultra-Wideband(UWB) are the fast developed technology in the area of short range wireless communication.In order to boost the performance of short range wireless communication,the scheme of applying space-time coding in UWB communication system is discussed in this paper.With ultra short pulse in time domain and dense multi-path channel,the UWB space-time coding is quite different from the conventional space-time coding.Based on the analysis of several UWB space-time coding schemes,the performance of that are compared.

Keywords：UWB;space time coding;MIMO;grid code

0 引 言

超寬帶(UWB)通信具有數據傳輸速率高、功耗低、多徑分辨能力強等特點，它適用于基帶多用戶通信、戰場無線通信、高數據率多媒體業務等通信系統。脈沖無線電(IR)是超寬帶的最主要形式，它通過基帶傳輸納秒級極短脈沖串傳遞信息，其超寬的帶寬使接收信號具有十分良好的時間分辨能力和衰落抑制能力，易于Rake接收機的使用以實現多徑分集。為了獲得良好的多徑分集增益，需要RAKE接收機的支路數通常較大，但這增加了工程實踐的復雜度。另一方面，在多輸入多輸出(MIMO)信道上實現無線傳輸的技術也得到了很大的發展，其采用多個發射以及接收天線為無線通信提供更大的系統容量。為了實現MIMO系統的性能潛力，現在通常采用空時編碼技術，同時獲得分集增益和編碼增益。將空時編碼技術引入多天線超寬帶通信系統，可以充分利用UWB和空時編碼的優點，在不增加接收機復雜度的情況下，既獲得了超寬帶所固有的多徑分集增益又獲得了空間和時間的分集增益，有效提高無線通信系統的信道容量，同時提高了抗誤比特率性能和抗定時抖動能力。已有部分文獻研究了如何把空時編碼應用到UWB系統中。需要注意的是，在應用超寬帶空時編碼技術時應該考慮到信道特性的差異，常規的空時編碼通常應用于平坦衰落信道，而超寬帶信道一般建模為密集多徑信道，另外，超寬帶空時編碼應用于實域無載波的超寬帶無線通信系統，不支持相位調制；而常規的空時編碼是基于載波調制的，可以采用相位調制。

1 幾種超寬帶空時編碼方案

常見的空時編碼方案有空時分組碼(STBC)、空時網格碼(STTC)、空時分層碼(LAST)、差分空時碼(DSTC)，下面分別介紹如何將它們應用于多天線超寬帶通信系統中。定義w(t)為超寬帶脈沖，每個符號在一個碼元周期內通過Nf個脈沖重復發送，Tf為幀長，ε為符號能量，發射天線數為MT。

1.1 超寬帶空時分組碼(STBC-UWB-IR )

空時分組碼是基于不同天線間符號正交設計的，可以實現發射天線數MT確定的完全發射分集，并且通過簡單的最大似然譯碼算法實現最大可能的分集優勢。將其引入超寬帶通信系統中，以文獻［5］中的兩根發射天線的超寬帶空時分組碼為例進行說明，分析了兩種編碼方案。

第一種編碼方案：

同一個符號周期內當兩根天線上發送相同的符號s時，從兩根天線上發送的信號s0，s1分別為：

s0=sε2Nf∑Nf－1nf=0(－1)nfw(t－nfTf)

(1)

s1=sε2Nf∑Nf－1nf=0w(t－nfTf)

(2)

第二種編碼方案：

當在兩個連續符號周期內從兩根天線上發送兩個連續的符號sa,sb時，從兩根天線上發送的信號s0,s1分別為：

s0(t)=sε2Nf∑Nf－1nf=0［saw(t－2nfTf)－

sbw(t－2nfTf－Tf)］

(3)

s1(t)=sε2Nf∑Nf－1nf=0［sbw(t－2nfTf)+

saw(t－2nfTf－Tf)］

(4)

常規的空時分組碼，當發射天線MT=3,5,6,7,… 時分組碼的碼率小于1，但超寬帶空時分組碼的碼率等于1。因為涉及到符號內脈沖波形編碼，所以超寬帶空時分組碼也叫做模擬空時碼。

1.2 超寬帶空時網格碼(STTC-UWB-IR)

空時網格碼是一種綜合了差錯控制編碼、調制、發射接收分集的聯合設計編碼，將空時網格碼引入超寬帶通信系統，在增加信道容量的同時進一步提高系統性能。假設s為t時刻輸入的N進制符號，含有m=log2 N個信息比特，將s分成m路信息流，每路含有1比特的信息量。發射天線數為MT時，空時網格碼的生成矩陣為G=［G1,G2,…,GN］T，Gn=［gn1，gn2,…,gnMT］,n=1,2,…,N。將每路信息流分別與Gn，n=1，2,…,N,相乘后各相量進行模N相加，將所得相量中每個元素調制到脈沖w(t)上，并分別通過MT根天線發射出去。下面以四進制雙正交調制和空時網格碼QPSK編碼方案為例進行說明［6］。

四進制的雙正交調制實際是通過二進制PPM調制和雙極性脈沖實現的。四進制雙正交調制和QPSK調制的星座圖是一樣的，所以可以簡單地將常規的空時網格碼QPSK編碼方案直接應用于四進制雙正交調制的超寬帶系統中。如圖1所示，G為4×MT矩陣，輸入信息被分成兩路信息流d1t和d2t，分別經過線性移位寄存器與生成矩陣的一行Gn，n=1,2,3,4相乘，然后模四相加，每根天線發送的信號為：

s(t)=PMT∑MTj=1∑Nfi=0aijw(t－iTf－bijtp)

(5)

圖1 超寬帶空時網格碼編碼器

1.3 超寬帶空時分層碼(LAST-UWB-IR)

空時分層碼是一種空間復用技術，即將N個通過信道編碼后的比特流通過矢量編碼器的變換映射到對應的N個發射天線上，可將高速數據業務分拆成若干低速數據業務,這使它在高速率無線通信中的應用有著非常大的潛力。將空時分層碼應用于多天線超寬帶通信系統［7］，當發送端輸入信息比特流{di}時，通過串并轉換分解成與發送天線的數目MT相同的多路低數據率的比特流，采用DS-UWB調制并發送出去。在一個信息符號發送時間間隔內，每個天線發送的信號為：

Si=εNDS∑NDS－1j=0w(t－jTf)nj(1－2di)

i=1,2,3,…,MT

(6)

1.4 超寬帶差分空時碼(DSTC-UWB-IR)

在很難準確地估計信道的情況下，差分非相關脈沖無線電系統具有折衷的系統性能和復雜度，因此將差分超寬帶技術應用于MIMO系統。下面以差分參考傳遞系統(DTR)為例進行說明［8］。假設采用PAM調制方式，信號從MT個發送天線同時發送到Q個接收天線上。ND個等概率信息符號流{UM}NDM=1 通過差分編碼被編成一個新的信息流{DM}NDM=0。UM是N×N的正交矩陣，其中元素取值為{-1，0，1}，DM是MT×N的矩陣，其中元素取值為{-1，1}，并且UMUTM=UTMUM=IN×N，DMDTM=NIMT×MT，DTMDM=MTIN×N。{DM}NDM=0的第一個符號D0是參考符號不攜帶信息，是滿足上面性質的任意陣，DM=DM-1UM，發射矩陣為：

DM=d10d11…d1N－1

d20d21…d2N－1

dMT0dMT1…dMTN－1

(7)

DM的列是同一時刻下從不同天線發出的符號，從第i根天線發出的信號是：

Si(t)=∑jdijw(t－jT)

(8)

2 幾種超寬帶空時編碼方案性能特點比較

超寬帶空時編碼系統的接收通常采用最大似然檢驗接收，在分層空時碼中也會用到多用戶檢測技術，這與傳統的空時編碼系統的接收技術相當，在這里就不做過多說明。

下面對不同超寬帶空時編碼的性能特點進行比較：

(1) 超寬帶空時分組編碼并不包含差錯控制編碼來提高編碼增益；其他的超寬帶空時碼可以引入差錯控制編碼來獲得編碼增益。

(2) 超寬帶空時網格碼譯碼難度大；而其他超寬帶空時編碼技術都可以采用簡單的線性譯碼算法。

(3) 超寬帶空時分組碼編碼是對符號內部的脈沖波形進行編碼，其他的超寬帶空時碼不涉及符號內脈沖的編碼。

(4) 超寬帶空時分組碼采用正交PPM調制時可以通過非相關能量檢測解調出信號［6］；但采用別的調制方式時只能進行相關接收，而超寬帶差分空時碼系統在采用任何調制時都可以進行非相關接收，不需要準確的信道估計。

參考文獻

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［8］Cadi Abou-Rjeily.Differential Space-Time Ultra-wideband Communications.IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2002,20(8):110-122.

作者簡介 宋曉鷗 女，1983年出生，遼寧大連人，碩士研究生。研究方向為超寬帶。

向 新 男，1971年出生，陜西西安人，副教授，碩士研究生導師。研究方向為超寬帶。

曹鬧昌 男,1968年出生,湖南人,空軍工程大學副教授。主要研究方向為自動控制。

茹 樂 男，1978年出生，陜西西安人，講師。研究方向為通信系統。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。