无线通信中空时编码性能

【摘要】空时编码能够有效利用空间资源，提高通信的可靠性和系统容量，其在无限通信领域起到了重要的作用。但是，由于目前的空时编码技术尚不成熟，因而要加强空时编码的研究。本文先对空时编码的分类进行探讨，并进一步分析无线通信中空时编码性能。

【关键词】无线通信；空时编码；性能

1引言

空时编码有着较强的抗干扰能力，能够显著降低多径衰落对于无线通信的不利影响，其在目前的无线通信领域有着广泛的应用。由于无线通信所用信道的不同，可以分为三种不同的编译码方案：空时网格码、分组码以及分层空时码。三种不同的空时编码技术有着各自的优缺点，在进行性能分析时，主要应用仿真分析手段，对其误码性能进行具体分析。

2空时码的分类

就目前的发展状况而言，可以根据发射端与接收端是否需要明确信道状态信息，将空时码分为两大基本类型：Ⅰ类以及Ⅱ类控制码。

2.1Ⅰ类空时码

对于Ⅰ类空时码而言，其解码过程中要求明确信道状态信息（SCI），并且可以进一步细分为三种不同的类型：①分层空时码（LSTC）；②空时格码（STTC）；③空时分组码（STBC）。一方面，LSTC是在20世纪90年代末由美国内尔实验室所提出。通过把输入的高速信息比特流转换分解为几个不同的低速比特流，再进行独立的编码与调制，进而能够可以映射到不同的发射天线。在接收端通过应用多个自信道，根据多径衰落所出现的特性差异，进而完成对信息的提取。编码过程中，所应用的编码器主要是并行的普通信道编码器。由于发射天线和信源消息之间有着不同的映射关系，因而可以将LSTC分为三种不同的类型：水平、垂直以及对角分层空时码。另一方面，空时格码是由Tarokh在1998年所提出，它是一种改进了的信息分集传输方式，并且将多天线发射系统和格形编码调制有机地结合在一起。由于STTC将调制与编码良好的融合起来，并且对分集增益以及编码增益的影响进行了分析与研究，因而STTC可以有效降低编译码的复杂效果，提高频带的利用率。由于STTC的编译码有着一定的复杂度，为了降低其复杂度，美国Cadence企业的工作人员对其进行了研究，并进一步提出了STBC。STBC是一种基于正交设计的空时编码，其特点是不同天线所发出的信号是相互正交的。这样一来，能够使分集增效达到最大化。

2.2Ⅱ类空时码

对于Ⅱ类空时码而言，其解码过程中不要求知道相应的信道状态信息。Ⅱ类空时码也可以细分为两种不同的类型：①包括酉空时码（USTC）；②差分空时码（DSTBC）。在某些条件下，接收端对于信道的估计较为困难，一些情况下很难做到，因而Hochwald就发明了USTC。这一类型的空时码，不需进行信道估计，进需要确保所发送的矩阵满足酉矩阵的要求。在形式方面USTC与STBC之间有着一定的相似性。同时，它也是快衰落信道条件下解决空时编码的有效方案。在进行USTB的设计时，要明确不同码字矩阵的关联系数。但是，现阶段还没有很好的解决这一问题。此外，在发射端与接收端应用DSTBC时，不需要知道信道的状态信息。DSTBC是一种相对简便的分集发射方案。

3空时编码方案分析

3.1空时分组码编译码方案研究

为了有效提高吞吐量，提高译码算法的简易性效果，实现分集增益以及编码增益，空时编码技术应运而生。具体应用过程中，如果系统复杂度角度，并且有不同的发射天线阵元，在这种场合下较为理想。对于STBC而言，它可以很好地满足上述条件。总体而言，可以将这一编码方案视作满足分集增益的编码调制方案，并且编译码的算法不具较高的复杂度。设计过程中，主要应用了正交设计思想，需要具备两副接收天线以及一副接收天线。这一发送分集方案的实现相对简单，同时能够确保分集增益的最大化效果。最先得到大家认同并得到广泛应用的是Alamouti编码方案，这一方案首先需要对数据比特流进行分组，即进行串/并联转换，经过编码后的信号，将通过两个不同的时隙进行发射。对于第一个时隙而言，码元s1以及s2可以在相同的时间有顺序的从两根天线中发出。等进入到第二个时隙时，仍然需图1原理框图要发送两个码元，不同码元对应不同的天线，进而可以完成对不同符号的发送。

3.2分层空时码编译码方案研究

通过对无线信道的衰减状况进行分析，可以发现无线电波传输环节中，存在着多径效应，相应的符号会借助于不同的支路到达接收端，这一过程中的时延有着一定的差异性。因而，不同符号间存在着码间串扰问题，进而导致了接收符号的可靠性显著消弱。对于空时分组码而言，可以在准静态衰落信道的条件下达到满分集增益的效果，并且在对抗衰落问题上有着良好的效果。但是，其传输速率不超过1，因而速率相对较低。LAST主要应用的是空分复用的重要思想，在不同的码元周期中，需要发送nt个相互独立的符号。其主要的优势体现在结构简易以及容易实现等方面，同时频带的利用率相对较高。其中，图2为分层空时编码发送与接收模型图。通过在发射端对高速数据比特流进行相应的转化，使之转换为速度较低的比特流，之后应用信道编码器开展编码工作。在接收端当有符号码元到达时，多副天线将会完成信号的分集接收，这样一来，就可以降低乘性噪声以及码间串扰等问题，这一环节中需要用到线性反馈均衡器。最后，需要借助于合适的检测方法，对分层空时进行一定的检测。

3.3空时网格码编译码方案研究

通过利用STBC虽然能够实现分集增益，但是由于STBC不具备编码增益的功能，要想破除这一限制条件，STTC营运而生。大多情况下，要求将编码器当作有限状态机进行考虑，这一编码方式可以与多进制的调制方法进行相互组合，并且二者之间的组合有着不同形式，比如QPSK以及16QAM。对于STTC而言，它是一种联合设计的编译码方案，综合了差错控制编码以及调制等因素，同时综合了发射、接收分集等。STTC能够显著提高抗衰落效果，这主要得益于编码增益和满分集增益，同时提高了频率的利用效果。在进行STTC译码环节时，需要用到维特比译码算法，这一算法具备动态寻找的功能，可以找出最小度量路径，进而能够最大程度的确保接收信号得到无差错恢复。相比于其他类型的编译码方案，STTC能够适应不同的传输环境，并最大限度地发挥优良性能。它是一种最有码，对于现阶段全部类型的编码方案，其性能与复杂度不可能比空时格型码具备更好的性能。

4性能仿真分析

通过对上述三种不同的时空编码技术进行探讨与研究，下面对其性能做出相应的比较：一方面，对于LAST方案而言，其主要应用到分解复用进而实现编码。不同天线所发送的调制信号具有完全独立性，并且信号发送环节中采用相同的载波。由于该方案具备信道多径效应，其产生的独立空间衰落主要用于改善数据率。也就是说，LAST通过分集增益的方式，以求提高频带的利用率。该方案主要应用于室内传输环境中，并且多径相对丰富。另一方面，对于STTC而言，主要通过频带利用率实现增益。通过折中编码增益以及分集增加，进行编码与调制环节的联合优化，进而确保数据率提高，这一提高呈现出指数增长的趋势。此外，对于STBC而言，为了获取最大的分集增益，主要通过牺牲频带利用率的方式进行。其主要的特点是译码算法为线性运算，因而运算环节相对简易。但是，对于频谱的利用效果得不到有效提高。随着国内经济社会的快速发展，我国的无线移动通信行业有着良好的发展势头。因而，要加强对空时编码性能仿真分析，不断提高通信的要求与性能，提高和改善信道传输容量，增强其抗衰落性能。

5结束语

本文首先对空时编码种类进行了探讨，并对其在无线通信领域的应用进行了概述。其次，对于三种不同的编译码算法做出了分析与研究。最后，借助于matlab软件进行性能仿真，对不同类型的空时编码的性能做出了分析。研究表明：空时分组码编译码相对简单，并且可以实现分集增益的最大化效果，同时有着良好的误码性能。但是，不能获取编码增益，因而导致误码性能受到了相应程度的限制。对于分层空时码而言，其能够将接收分集与空间复用良好地结合在一起，并且该编译码方案有着良好的传输速率。但是，该方案无法获取最大的分集增效，在误码性能方面表现不好。最后，对于空时网格码而言，它把调制技术和纠错编码结合起来，进而形成一种联合编码方案。该方案不需要系统带宽做出牺牲，并且可以得到较高的编码增益，同时获得满分分集增益。这样一来，可以有效改善无线通信系统的误码性能。但是，随着编码器状态数的不断增加以及调制阶数的不断提高，译码环节的复杂程度也将显著提高，并且呈指数增长模式。

参考文献

[1]李冉.下一代无线通信系统中的MIMO技术应用[J].软件导刊，2015（02）：109~111.

作者：邓金明 单位：中睿通信规划设计有限公司