要害詞：寬帶無線通信；接入網；空時編碼技術
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
隨著Internet和多媒體業務的普及，越來越多的應用需要高速無線接入。由于無線傳輸受到信號衰落和干擾的影響，為了實現高數據速率和高業務質量，要求采用新技術來提高頻譜效率和改善鏈路可靠性。在發射機和接收機使用多個天線進行數據傳輸的多輸入多輸出(MIMO)技術，可以在不增加帶寬和天線發送功率的情況下，成倍地提高頻譜利用率，進而成倍地提高無線信道容量。
天線陣列很早就被用于接收機分集?！爸悄芴炀€”提出后，天線陣列在無線通信系統中的應用更得到深入研究。理論上已經證實，采用多個發射天線能把無線信道分割成多個并行的窄帶信道，具有提高信道比特傳輸率的潛能，且研究結果顯示，信道容量隨天線數量增加而線性增大。與接收分集和智能天線相比，MIMO系統不但能夠提供分集增益和陣列增益，而且可以采用空間復用(SDM)的方式提高系統容量。此外，采用MIMO構成多路信道可以在一定程度上對抗信道衰落，因為多個信道同時處于深衰落的可能性較小。
由于無論發射機還是接收機的天線數都是有限的，因此增加分集增益和提高發射速率是一對矛盾?？諘r編碼(STC)能較好地解決這一矛盾。STC是一類采用多發射天線、單接收天線(或多接收天線)，有機結合信道編碼與空域發射分集，實現發射速率與分集增益折衷的MIMO通信技術。在不增加總發射功率和總傳輸帶寬的前提下，數據經過STC并通過多個天線發射出去，各發射符號間在空域和時域具有相關性，因而可獲得分集增益和編碼增益。
無線高速應用環境下，在基站和移動用戶終端間采用STC傳輸，基站采用雙天線時，即使不增加用戶終端接收天線的數目，STC系統也能提高系統吞吐量，從而改善非對稱應用環境中下行鏈路傳輸“瓶頸”問題。假如移動用戶終端采用雙天線，還可以結合干擾抑制技術，進一步提高系統的容量[1]。
1 空時格碼和空時分組碼
隨著第三代移動通信系統標準的出臺，發射分集技術受到了空前重視，多種發射分集技術被納入標準當中。北美CDMA2000標準采用的兩種發射分集技術分別是空時擴展(STS)和正交發射分集(OTD)。在歐洲的WCDMA標準中，前向鏈路發射分集分為開環發射分集和閉環發射分集，其中開環發射分集采用空時發射分集(STTD)，閉環發射分集采用閉環模式一(CL1)和閉環模式二(CL2)。
傳統的發射分集技術不能滿足帶寬或發射速率的要求，因此要想在不損失帶寬和發射速率的前提下，實現系統的全空間分集增益，應該采用分集與編碼相結合的方法，于是AT&T實驗室的Tarokh等人提出了空時碼(STC)的概念[2]。STC的提出可以認為是多天線MIMO系統以及發射分集研究進程中的一個重要里程碑。STC分為空時格碼(STTC)和空時分組碼(STBC)。到目前為止，無論是STBC還STTC，大數量發射天線的編碼設計問題還是一個難點。因此，如何尋找能夠實現更高編碼增益以及全空間分集增益的好碼目前是STC研究領域的重要課題。
1.1 空時格碼
STTC的基本原理是，原始數據流通過信道編碼器進行編碼，編碼數據經過串/并轉換分成nt個數據流；每個數據流形成脈沖后進行調制，在每個時刻t，調制器i的輸出信號從第i個天線發射出去。這樣，nt個信號從ni個不同的天線同時發射，每個信號的比特周期保持相同。接收機采用Viterbi譯碼對信號進行判決。圖1所示為8狀態8PSK的STTC狀態和編碼。除提供額外編碼增益外，這個STTC等效于延時分集傳輸。其中，經過8狀態8PSK映射后，送給第二副天線的延時符號X(k-1)為奇數時，延時符號乘以因子1；當延時符號為偶數時，延時符號乘以因子-1。
1.2 空時分組碼
盡管STTC比其他發射分集技術具有更好的綜合性能，但是當系統要求的發射天線較多時，STTC的復雜度將嚴重阻礙其在實際系統中的應用。鑒于這種情況，Tarokh等人隨后又提出了STBC。STBC的特點為：發射機不要求接收機反饋信道狀態信息(CSI)，沒有帶寬擴展，譯碼簡單，在不損失發射速率的前提下達到與最大比合并(MRC)接收分集相同的分集增益。
雖然STBC實現簡單、性能優越，但是由于每個天線的發射功率只有原來的一半，因此信噪比比MRC降低了3 dB；另外，與STTC相比，STBC沒有編碼增益，因此在實際應用中需要與信道編碼相結合。
對于圖1的結構，STBC輸入成對符號，即在時刻k，符號Xk和Xk+1分別從天線1和天線2發射；在時刻k＋1，符號-X*k+1和X*k分別從天線1和天線2發射。其中( ·)*表示復共軛。這樣可保證欲發射符號具有正交空時結構，構成完全時域分集。該結構已經被IS-136、WCDMA和CDMA2000等移動通信標準所采納。
2 空時編碼中的信號處理
2.1 寬帶信道模型
假設進行空時編碼傳輸的信道是頻率選擇性衰落的，且從第i副發射天線到單個接收天線的信道脈沖響應(CIR)為無線脈沖響應hi。hi的D變換為：
其中，V為信道記憶長度，D為單位延時，hi(k)為hi的第k個元素。
2.2 信道估值
在接收端的聯合均衡與編碼及干擾抑制中，CSI起著要害作用。為使估值過程簡單，估值結果可靠，一般采取在傳輸數據中嵌入練習序列的方式輔助CSI估值。估值時會有兩個問題：一是，對于單發射天線傳輸，嵌入的練習序列應有高自相關和低互相關，即具有聯合序列最佳根(PRUS)的特性；二是，對于多發射天線的傳輸，隨需要估值的信道參數個數增加，每副發射天線的發射功率卻減少。后者的解決方法是對單一練習序列進行空時編碼，產生有限的ni個相關的練習序列，其性能雖比PRUS要差一些，但也屬次優，而此時練習序列的搜索空間尺寸從C 減少到C (C為輸入和輸出字符集的大小，Nt為練習序列長度)。
(1)STTC編碼練習序列
具有m個二進制存儲記憶單元和信號坐標大小為C的空時編碼器，嵌入CIR的STTC編碼結構產生等效的記憶長度為m+v的單輸入單輸出(SISO)CIR。對于圖1的雙發射天線和單接收天線的8狀態8PSK STTC，嵌入CIR的空時編碼器在信道上產生記憶長度為V+1的等效SISO信道，其信道脈沖響應h1的D變換為：
其中，pk等于+1還是-1取決于欲傳輸的數據。在分組傳輸期間，可以認為信道脈沖響應h1和h2不變。在發射偶數練習符號Ce＝{0,2,4,6}時，pk=+1；此時等效信道為he(D)=h1(D)+Dh2(D)。而在發射奇數練習符號Co＝{1,3,5,7}時，pk=-1；此時等效信道為ho(D)=h1(D)-Dh2(D)。在估值he(D)和ho(D)參數后，可得到：
若練習序列寫成S＝[Se，So]，其中Se長度為Nt/2，取值位于Ce子坐標內。而So的長度為Nt/2，取值位于Co子坐標內。若Se是he(D)在最小均方誤差(MMSE)準則下的最佳估值序列，則So=eXP( )，k＝1,3,5,7也是ho(D)在MMSE準則下的最佳估值序列。這樣，練習序列S的搜索空間可從8 減少到序列Se的搜索空間4 ，簡化了估值算法。
(2)STBC編碼練習序列
STBC編碼器把連續輸入的分組S1和S2映射到兩副天線上，轉換成欲發射分組[S1,- ]和[S2, ]。其中，(·)表示時間倒置序列，如S＝[S(0)，S(1)，…，S(Nt-1)]，則S =[S(Nt-1),…,S(1),S(0)]。若接收到第1和第2分組信號y1和y2表示為：
可見，空時編碼結構可簡化練習序列設計。對于STBC，由于Alamouti正交結構帶來兩個輸入間解耦，可免除對練習序列之間低互相關的要求。
2.3 聯合均衡
對于寬帶傳輸，均衡是消除符號間干擾必須的技術，均衡的要害是均衡和解碼聯合方案的設計。通過空時編碼和均衡，可以用相等功率同時傳輸多重相關信號[3]。
(1)STTC均衡
在8狀態8PSK STTC中，基于格型聯合均衡和具有8V+1狀態的空時解碼可降低均衡/解碼的復雜度。否則，格型均衡需要82V狀態，STTC解碼需要8狀態。
(2)STBC均衡
采用 STBC可兼顧性能指標與復雜度指標。在頻率選擇性信道中，欲獲取多徑分集增益，需在時域和頻域以分組塊形式實施單載波頻域均衡(SCFDE)。SCFDE 的復雜度類似于OFDM。由于SCFDE采用不同于OFDM的單載波方式，還可避免峰均比(PAPR)大和對頻率誤差敏感度高等缺點。
設第i副天線第k個發射分組塊中第n個符號表示為Xi(k)(n)，信息源在時刻k＝0,2,4…產生長度為N的分組塊對，即為X1 (n)和X2 (n)(其中0≤n≤N-1)。在SCFDE/STBC的發射分集中，有：
其中，X1 和X2 分別是信息塊x1 和x2 的FFT，Z是噪聲。經過FFT后，循環矩陣呈現對角矩陣特性，即意味可刪除載波間干擾。Λ1和Λ2分別為含有h1和h2的N個FFT系數的維數為N×N對角矩陣。
欲消除天線間干擾，可增設線性組合器Λ*。線性組合器輸出的解耦分組塊分別利用MMSE準則下含有N個復抽頭的頻域均衡來消除符號間干擾。MMSE 準則下頻域均衡的輸出經過逆快速傅里葉變換(IFFT)再從頻域變換回時域。
2.4 干擾抵消
若在基站增設第二副接收天線，并采用干擾抵消技術，可以成倍增加系統容量而并不增加無線頻譜資源。在兩個STBC用戶中，每個用戶裝設兩副接收天線，式(6)改寫成：
其中，(·)-1表示逆運算。Λxdef=Λx-ГxГs-1Λs，Гsdef=Гs-ΛsΛx-1Гx。這里Λs和Гs均為正交Alamouti型矩陣。
3 結束語
早期STC研究集中在平衰落窄帶信道環境，欲把STC應用于多用戶寬帶頻率選擇性衰落信道環境，將面臨寬帶信道長時延擴散的挑戰。因為長時延擴散會帶來信道估值參數數目的增加，進而導致聯合均衡與格型編碼數的增加和計算復雜度與功耗的劇增。STC技術在寬帶信道中的信道估值、聯合均衡與編碼、干擾抑制信號處理算法上的突破會提高系統的吞吐量和系統的容量，從而獲得系統編碼增益。
在無線高速應用環境下，基站和移動用戶終端間采用STC傳輸，能提高系統吞吐量，改善非對稱應用環境中下行鏈路傳輸“瓶頸”問題，還可以結合干擾抑制技術，進一步提高系統容量。因此，未來一段時間內，對于利用多天線技術提高頻譜效率和系統容量的全面、深入的研究和面向實際應用的算法及部件的開發，在學術界和工業界都會受到持續的重視，有相當多的工作可做。
4 參考文獻
[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] 談振輝. 寬帶無線接入系統及其要害技術[J]. 世界網絡與多媒體, 2002,10(1):40—42.
談振輝，北京交通大學校長，教授，博士生導師。第一、二、三屆國家“863”計劃通信主題個人通信專業專家組成員。主要從事無線ATM、擴頻通信、個人通信方面的研究。
金曉軍，北京交通大學電子信息工程學院高級工程師。
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