空时编码技术在超宽带通信系统中的应用

宋晓鸥　向　新　曹闹昌　茹　乐

摘 要：空时编码技术和超宽带技术是当前无线通信领域的热点技术。为了提高短距高速率无线通信的性能，讨论了空时编码技术在超宽带通信系统中的应用方案，由于超宽带脉冲信号具有极窄的时域支撑区，而且信道为密集多径信道，因此超宽带通信系统中的空时编码技术具有完全不同的特性，提出了几种超宽带空时编码方案，并对其性能优缺点进行了分析比较。

关键词：超宽带;空时编码;多输入多输出;网格码

中图分类号：TN914文献标识码：B

文章编号：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

超宽带(UWB)通信具有数据传输速率高、功耗低、多径分辨能力强等特点，它适用于基带多用户通信、战场无线通信、高数据率多媒体业务等通信系统。脉冲无线电(IR)是超宽带的最主要形式，它通过基带传输纳秒级极短脉冲串传递信息，其超宽的带宽使接收信号具有十分良好的时间分辨能力和衰落抑制能力，易于Rake接收机的使用以实现多径分集。为了获得良好的多径分集增益，需要RAKE接收机的支路数通常较大，但这增加了工程实践的复杂度。另一方面，在多输入多输出(MIMO)信道上实现无线传输的技术也得到了很大的发展，其采用多个发射以及接收天线为无线通信提供更大的系统容量。为了实现MIMO系统的性能潜力，现在通常采用空时编码技术，同时获得分集增益和编码增益。将空时编码技术引入多天线超宽带通信系统，可以充分利用UWB和空时编码的优点，在不增加接收机复杂度的情况下，既获得了超宽带所固有的多径分集增益又获得了空间和时间的分集增益，有效提高无线通信系统的信道容量，同时提高了抗误比特率性能和抗定时抖动能力。已有部分文献研究了如何把空时编码应用到UWB系统中。需要注意的是，在应用超宽带空时编码技术时应该考虑到信道特性的差异，常规的空时编码通常应用于平坦衰落信道，而超宽带信道一般建模为密集多径信道，另外，超宽带空时编码应用于实域无载波的超宽带无线通信系统，不支持相位调制；而常规的空时编码是基于载波调制的，可以采用相位调制。

1 几种超宽带空时编码方案

常见的空时编码方案有空时分组码(STBC)、空时网格码(STTC)、空时分层码(LAST)、差分空时码(DSTC)，下面分别介绍如何将它们应用于多天线超宽带通信系统中。定义w(t)为超宽带脉冲，每个符号在一个码元周期内通过Nf个脉冲重复发送，Tf为帧长，ε为符号能量，发射天线数为MT。

1.1 超宽带空时分组码(STBC-UWB-IR )

空时分组码是基于不同天线间符号正交设计的，可以实现发射天线数MT确定的完全发射分集，并且通过简单的最大似然译码算法实现最大可能的分集优势。将其引入超宽带通信系统中，以文献［5］中的两根发射天线的超宽带空时分组码为例进行说明，分析了两种编码方案。

第一种编码方案：

同一个符号周期内当两根天线上发送相同的符号s时，从两根天线上发送的信号s0，s1分别为：

s0=sε2Nf∑Nf－1nf=0(－1)nfw(t－nfTf)

(1)

s1=sε2Nf∑Nf－1nf=0w(t－nfTf)

(2)

第二种编码方案：

当在两个连续符号周期内从两根天线上发送两个连续的符号sa,sb时，从两根天线上发送的信号s0,s1分别为：

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)

常规的空时分组码，当发射天线MT=3,5,6,7,… 时分组码的码率小于1，但超宽带空时分组码的码率等于1。因为涉及到符号内脉冲波形编码，所以超宽带空时分组码也叫做模拟空时码。

1.2 超宽带空时网格码(STTC-UWB-IR)

空时网格码是一种综合了差错控制编码、调制、发射接收分集的联合设计编码，将空时网格码引入超宽带通信系统，在增加信道容量的同时进一步提高系统性能。假设s为t时刻输入的N进制符号，含有m=log2 N个信息比特，将s分成m路信息流，每路含有1比特的信息量。发射天线数为MT时，空时网格码的生成矩阵为G=［G1,G2,…,GN］T，Gn=［gn1，gn2,…,gnMT］,n=1,2,…,N。将每路信息流分别与Gn，n=1，2,…,N,相乘后各相量进行模N相加，将所得相量中每个元素调制到脉冲w(t)上，并分别通过MT根天线发射出去。下面以四进制双正交调制和空时网格码QPSK编码方案为例进行说明［6］。

四进制的双正交调制实际是通过二进制PPM调制和双极性脉冲实现的。四进制双正交调制和QPSK调制的星座图是一样的，所以可以简单地将常规的空时网格码QPSK编码方案直接应用于四进制双正交调制的超宽带系统中。如图1所示，G为4×MT矩阵，输入信息被分成两路信息流d1t和d2t，分别经过线性移位寄存器与生成矩阵的一行Gn，n=1,2,3,4相乘，然后模四相加，每根天线发送的信号为：

s(t)=PMT∑MTj=1∑Nfi=0aijw(t－iTf－bijtp)

(5)

图1 超宽带空时网格码编码器

1.3 超宽带空时分层码(LAST-UWB-IR)

空时分层码是一种空间复用技术，即将N个通过信道编码后的比特流通过矢量编码器的变换映射到对应的N个发射天线上，可将高速数据业务分拆成若干低速数据业务,这使它在高速率无线通信中的应用有着非常大的潜力。将空时分层码应用于多天线超宽带通信系统［7］，当发送端输入信息比特流{di}时，通过串并转换分解成与发送天线的数目MT相同的多路低数据率的比特流，采用DS-UWB调制并发送出去。在一个信息符号发送时间间隔内，每个天线发送的信号为：

Si=εNDS∑NDS－1j=0w(t－jTf)nj(1－2di)

i=1,2,3,…,MT

(6)

1.4 超宽带差分空时码(DSTC-UWB-IR)

在很难准确地估计信道的情况下，差分非相关脉冲无线电系统具有折衷的系统性能和复杂度，因此将差分超宽带技术应用于MIMO系统。下面以差分参考传递系统(DTR)为例进行说明［8］。假设采用PAM调制方式，信号从MT个发送天线同时发送到Q个接收天线上。ND个等概率信息符号流{UM}NDM=1 通过差分编码被编成一个新的信息流{DM}NDM=0。UM是N×N的正交矩阵，其中元素取值为{-1，0，1}，DM是MT×N的矩阵，其中元素取值为{-1，1}，并且UMUTM=UTMUM=IN×N，DMDTM=NIMT×MT，DTMDM=MTIN×N。{DM}NDM=0的第一个符号D0是参考符号不携带信息，是满足上面性质的任意阵，DM=DM-1UM，发射矩阵为：

DM=d10d11…d1N－1

d20d21…d2N－1

dMT0dMT1…dMTN－1

(7)

DM的列是同一时刻下从不同天线发出的符号，从第i根天线发出的信号是：

Si(t)=∑jdijw(t－jT)

(8)

2 几种超宽带空时编码方案性能特点比较

超宽带空时编码系统的接收通常采用最大似然检验接收，在分层空时码中也会用到多用户检测技术，这与传统的空时编码系统的接收技术相当，在这里就不做过多说明。

下面对不同超宽带空时编码的性能特点进行比较：

(1) 超宽带空时分组编码并不包含差错控制编码来提高编码增益；其他的超宽带空时码可以引入差错控制编码来获得编码增益。

(2) 超宽带空时网格码译码难度大；而其他超宽带空时编码技术都可以采用简单的线性译码算法。

(3) 超宽带空时分组码编码是对符号内部的脉冲波形进行编码，其他的超宽带空时码不涉及符号内脉冲的编码。

(4) 超宽带空时分组码采用正交PPM调制时可以通过非相关能量检测解调出信号［6］；但采用别的调制方式时只能进行相关接收，而超宽带差分空时码系统在采用任何调制时都可以进行非相关接收，不需要准确的信道估计。

参考文献

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［6］Heliot F,Ghavami M,Nakhai R,et al.Performance of Space-time Block Coding and Space-time Trellis Coding for Impulse Radio.Global Telecommunications Conference.GLOBECOM,2004：3 225-3 229.

［7］Kumar N,Buehrer R M.Application of Layered Space-time Processing to Ultra Wideband Communication.Circuits and Systems.MWSCAS,2002,3:III-597-600.

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

作者简介 宋晓鸥 女，1983年出生，辽宁大连人，硕士研究生。研究方向为超宽带。

向 新 男，1971年出生，陕西西安人，副教授，硕士研究生导师。研究方向为超宽带。

曹闹昌 男,1968年出生,湖南人,空军工程大学副教授。主要研究方向为自动控制。

茹 乐 男，1978年出生，陕西西安人，讲师。研究方向为通信系统。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。