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2023-06-26
多天线与空时编码技术的优化方案
【摘要】：以上设计是Alamouti于1998年提出的空时分组编码，通过设计具有上述正交特点空时编码S，可以获得MTMR重分集增益。随着多天线技术在无线通信中的应用日益普及，结合空时编码提高无线传输链路和无线频谱利用效率的应用将越来越多。
多天线技术大体分为如下两类：其一为利用接收多天线估计无线电信号的来波方位角，这种由于第二次世界大战期间战争需要而刺激发展的技术直接发展成为现代雷达技术；其二为利用多天线技术提高无线通信中的链路性能，如多天线接收具有空间分集效果，可以很好地对抗信道中的衰落因素。
根据发送天线和接收天线的数目，多天线系统分为如下几类：多发单收（MISO，Multiple Input Single Output）、单发多收（SIMO，Single Input Multiple Output）、多发多收（MIMO，Multiple Input Multiple Output），分别如图10.17、图10.18、图10.19所示。
图10.17 多天线发单天线收系统
图10.18 单天线发多天线收系统
图10.19 多天线发多天线收系统
MISO 系统中，多个发送天线可以发送相同信号，也可以发送不同信号。如果发送端发送同一信号，且已知各天线到达接收天线的信道信息，则发送端可以通过对发送信号进行相应的延时、衰落补偿，使接收天线接收到的信号增强，从而提高无线传输链路的质量。MISO系统可以通过调整发送端发射信号的相位和权重使接收端获得接收增益，此时可以将发送端视为一个发送天线阵形成具有方向性的发射波束，从而获得天线阵的增益（Array Gain）。
SIMO 系统中，发送端发送的信号被多个接收天线所接收，当发送天线与各接收天线之间的无线传输信道独立时，接收端各天线接收到的信号之间衰落是独立的，通过本章前述的分集合并技术可以减小信道衰落对信号传输的影响，从而获得接收分集增益（Diversity Gain）。当接收端已知信道信息时，还可以通过补偿相应的接收信号时延、权重使接收信号能量增强，即获得天线阵增益。此外，通过多接收天线组成接收天线阵列，可以对输入电波的来波方向进行估计。
MIMO 系统中，发射端有MT个发送天线，接收端有MR个接收天线。MIMO 系统中，通过设计发射机和接收机技术，可以同时获得天线阵的增益、分集增益和多路复用增益（Multiplexing Gain）。多路复用增益是指MIMO 系统中各天线的发送信号可以是多路不同信号，虽然各天线发送不同信号会使接收端的每个天线接收到的信号都是多路信号的混合，然而通过MIMO 接收机可以分开多路信号，从而获得多路复用的增益，即多路信号并行传输的能力。MIMO 系统中的多路复用可以在不增加带宽情形下成倍提高信号传输速率，获得极高的频谱利用率，这种特性对无线频谱资源日益紧缺的无线通信系统获得高速数据传输能力无疑具有重要意义。
研究表明，MIMO 系统中的多路复用增益与分集增益之间是一种折中关系，即如果将MIMO 系统中的多天线完全用于获得多路复用增益，则将降低其分集增益。以下将介绍适用于MIMO 系统的空时编码，以同时获得多路复用增益和分集增益。
2.空时编码技术
MIMO 系统中，通过引入多天线，使信号传输从传统的时-频处理扩展到了时-空-频处理，即多天线的引入使信号增加了空间维。空时编码正是联合了信号的空间和时间设计，以获得多天线系统中的分集增益和多路复用增益。空时编码根据编码方式分成两类，即空时分组码（STBC，Space Time Block Code）和空时格形码（STTC，Space Time Trellis Code）。
（1）空时分组码
下面以收发天线数都为2来说明空时分组码的基本工作原理，设发送信号s1，s2，其共轭信号分别为s*1，s*2，通过两根天线发送。若空时码设计为
其中矩阵的行数为发射天线数，列数为分组码块的长度，即编码S 意味着发射天线1和2在第一时刻分别发射信号s1，s2（矩阵第一列），第二时刻分别发射信号s*2，s*1。假设信道条件在两个时刻内保持不变，接收端收到信号
则根据第一根天线的接收结果可以得到
根据第二根天线的接收结果可以得到
可以看到，每个发射信号s1，s2通过单根天线接收都可以获得2重分集增益，因此通过两根接收天线信号合并每个信号可以获得4重分集。
以上设计是Alamouti于1998年提出的空时分组编码，通过设计具有上述正交特点空时编码S，可以获得MTMR重分集增益。
（2）空时格形码
空时格形码起源于1991年Biglieri将卷积码扩展到多天线系统，因此可以将空时格形码视为卷积码的一种扩展，基本原理是将各天线上的发送信号组视为一个超级符号，然后通过设计格形转移图获得编码，图10.20所示为2根发射天线、8个格码状态时的空时格码状态转移关系。
图10.20 空时格形码状态转移关系
图10.20中，（a）示意了4-QAM 信号星座，（b）为具有8状态的空时格形码的状态转移图，其中每根天线发送一个4-QAM 符号，两根发射天线的发射符号组成4-QAM 信号组（如01表示天线1发射符号0，天线2发射符号1），状态转移图中每个状态有4个转移支路分别由发射符号的不同组合决定，接收端可以采用Viterbi译码算法进行接收。STTC可以获得很好的分集增益效果，然而其接收机复杂度随着状态数而呈指数上升。
STTC和STBC通过设计都可以获得MTMR重分集，正交的STBC 空时码的接收机复杂度低，但没有编码增益；而STTC可以同时获得编码和分集增益，但接收机复杂度高。随着多天线技术在无线通信中的应用日益普及，结合空时编码提高无线传输链路和无线频谱利用效率的应用将越来越多。
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