空時(shí)編碼技術(shù)在超寬帶通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：空時(shí)編碼技術(shù)和超寬帶技術(shù)是當(dāng)前無線通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)。為了提高短距高速率無線通信的性能，討論了空時(shí)編碼技術(shù)在超寬帶通信系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，由于超寬帶脈沖信號具有極窄的時(shí)域支撐區(qū)，而且信道為密集多徑信道，因此超寬帶通信系統(tǒng)中的空時(shí)編碼技術(shù)具有完全不同的特性，提出了幾種超寬帶空時(shí)編碼方案，并對其性能優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較。
關(guān)鍵詞：超寬帶；空時(shí)編碼；多輸入多輸出；網(wǎng)格碼

0 引 言
超寬帶(UWB)通信具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、功耗低、多徑分辨能力強(qiáng)等特點(diǎn)，它適用于基帶多用戶通信、戰(zhàn)場無線通信、高數(shù)據(jù)率多媒體業(yè)務(wù)等通信系統(tǒng)。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(shí)間分辨能力和衰落抑制能力，易于Rake接收機(jī)的使用以實(shí)現(xiàn)多徑分集。為了獲得良好的多徑分集增益，需要RAKE接收機(jī)的支路數(shù)通常較大，但這增加了工程實(shí)踐的復(fù)雜度。另一方面，在多輸入多輸出(MIMO)信道上實(shí)現(xiàn)無線傳輸?shù)募夹g(shù)也得到了很大的發(fā)展，其采用多個(gè)發(fā)射以及接收天線為無線通信提供更大的系統(tǒng)容量。為了實(shí)現(xiàn)MIMO系統(tǒng)的性能潛力，現(xiàn)在通常采用空時(shí)編碼技術(shù)，同時(shí)獲得分集增益和編碼增益。將空時(shí)編碼技術(shù)引入多天線超寬帶通信系統(tǒng)，可以充分利用UWB和空時(shí)編碼的優(yōu)點(diǎn)，在不增加接收機(jī)復(fù)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(shí)間的分集增益，有效提高無線通信系統(tǒng)的信道容量，同時(shí)提高了抗誤比特率性能和抗定時(shí)抖動能力。已有部分文獻(xiàn)研究了如何把空時(shí)編碼應(yīng)用到UWB系統(tǒng)中。需要注意的是，在應(yīng)用超寬帶空時(shí)編碼技術(shù)時(shí)應(yīng)該考慮到信道特性的差異，常規(guī)的空時(shí)編碼通常應(yīng)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(shí)編碼應(yīng)用于實(shí)域無載波的超寬帶無線通信系統(tǒng)，不支持相位調(diào)制；而常規(guī)的空時(shí)編碼是基于載波調(diào)制的，可以采用相位調(diào)制。

1 幾種超寬帶空時(shí)編碼方案
常見的空時(shí)編碼方案有空時(shí)分組碼(STBC)、空時(shí)網(wǎng)格碼(STTC)、空時(shí)分層碼(LAST)、差分空時(shí)碼(DSTC)，下面分別介紹如何將它們應(yīng)用于多天線超寬帶通信系統(tǒng)中。定義w(t)為超寬帶脈沖，每個(gè)符號在一個(gè)碼元周期內(nèi)通過Nf個(gè)脈沖重復(fù)發(fā)送，Tf為幀長，ε為符號能量，發(fā)射天線數(shù)為MT。
1．1 超寬帶空時(shí)分組碼(STBC―UWB―IR)
空時(shí)分組碼是基于不同天線間符號正交設(shè)計(jì)的，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射天線數(shù)MT確定的完全發(fā)射分集，并且通過簡單的最大似然譯碼算法實(shí)現(xiàn)最大可能的分集優(yōu)勢。將其引入超寬帶通信系統(tǒng)中，以文獻(xiàn)中的兩根發(fā)射天線的超寬帶空時(shí)分組碼為例進(jìn)行說明，分析了兩種編碼方案。
第一種編碼方案：
同一個(gè)符號周期內(nèi)當(dāng)兩根天線上發(fā)送相同的符號s時(shí)，從兩根天線上發(fā)送的信號s0，s1分別為：

第二種編碼方案：
當(dāng)在兩個(gè)連續(xù)符號周期內(nèi)從兩根天線上發(fā)送兩個(gè)連續(xù)的符號sa，sb時(shí)，從兩根天線上發(fā)送的信號s0，s。分別為：

常規(guī)的空時(shí)分組碼，當(dāng)發(fā)射天線MT=3，5，6，7，…時(shí)分組碼的碼率小于1，但超寬帶空時(shí)分組碼的碼率等于1。因?yàn)樯婕暗椒杻?nèi)脈沖波形編碼，所以超寬帶空時(shí)分組碼也叫做模擬空時(shí)碼。
1．2 超寬帶空時(shí)網(wǎng)格碼(STTC―UWB―IR)
空時(shí)網(wǎng)格碼是一種綜合了差錯(cuò)控制編碼、調(diào)制、發(fā)射接收分集的聯(lián)合設(shè)計(jì)編碼，將空時(shí)網(wǎng)格碼引入超寬帶通信系統(tǒng)，在增加信道容量的同時(shí)進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。假設(shè)s為t時(shí)刻輸入的N進(jìn)制符號，含有m=log2 N個(gè)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(fā)射天線數(shù)為MT時(shí)，空時(shí)網(wǎng)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(jìn)行模N相加，將所得相量中每個(gè)元素調(diào)制到脈沖w(t)上，并分別通過MT根天線發(fā)射出去。下面以四進(jìn)制雙正交調(diào)制和空時(shí)網(wǎng)格碼QPSK編碼方案為例進(jìn)行說明。