多天線系統(tǒng)中的串行Turbo空時(shí)碼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)課件

1、多天線系統(tǒng)中的串行Turbo空時(shí)碼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)（Serial Turbo space-time code) 敖珺 西安電子科技大學(xué)，雷達(dá)信號(hào)處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 主要內(nèi)容：一：引言二：空時(shí)格形碼簡介三：天線數(shù)目對系統(tǒng)性能的影響 四：多天線系統(tǒng)中空時(shí)碼的設(shè)計(jì)五：Turbo 空時(shí)碼編碼器六：總結(jié) 一引言 無線通信中存在著一些自身特有的難題: 有限的頻譜資源 多徑衰落；遠(yuǎn)近效應(yīng) 系統(tǒng)對發(fā)射功率的嚴(yán)格要求多徑衰落是影響通信質(zhì)量的決定性因素 分集是對抗多徑衰落的有效手段 常用的分集方式 時(shí)間分集頻率分集天線分集 1)空間分集：即令天線間距較大實(shí)現(xiàn)天線分集; 2)極化分集：令各天線具有不同的極化方向; 3)角

2、度分集：各天線具有不同的方向性 二空時(shí)碼簡介目前有關(guān)空時(shí)編碼與調(diào)制技術(shù)的分類 1） 空時(shí)格形碼 STTC 2） 空時(shí)分組碼 STBC 3） 分層空時(shí)結(jié)構(gòu) BLAST 空時(shí)格形碼可以提供最大可能的分集增益和編碼增益，然而這種格形碼的構(gòu)造十分復(fù)雜，當(dāng)天線數(shù)目固定時(shí),碼構(gòu)造的復(fù)雜度隨發(fā)射速率的增大呈指數(shù)增加。因此，我們需要用一些其他的方法來降低碼構(gòu)造復(fù)雜度。 已經(jīng)證明將柵格調(diào)制和Turbo碼相結(jié)合可以在獲得大的編碼增益的同時(shí)提高帶寬利用率。正是由于Turbo碼迭代譯碼與空時(shí)格形碼調(diào)制的柵格譯碼特性，我們可以將兩者進(jìn)行巧妙的結(jié)合，從而降低空時(shí)格形碼的碼構(gòu)造復(fù)雜度而不會(huì)損失分集增益。 二空時(shí)格形碼簡介三

3、增加接受天線數(shù)目對系統(tǒng)性能 的影響在Rayleigh衰落信道下，具有N個(gè)發(fā)射天線，M個(gè)接收天線的通信系統(tǒng)在時(shí)間t第j個(gè)天線接收 到的符號(hào)表達(dá)式為總的接收符號(hào)能量 在Rayleigh衰落信道下，解碼器將發(fā)射碼字c錯(cuò)判為e的平均錯(cuò)誤概率為三增加接受天線數(shù)目對系統(tǒng)性能 的影響其中， 為路徑增益矩陣A的特征值 三增加接受天線數(shù)目對系統(tǒng)性能 的影響當(dāng)M趨向無窮時(shí)，上式又為 因?yàn)榫仃嘇的特征值之和等于A的對角元素之和 由此可見錯(cuò)誤概率僅依賴于發(fā)射端碼字間的歐氏距離。同時(shí)碼字的性能也只與矩陣A的對角元素有關(guān)。由A的定義可知，A的對角線的元素可以用來計(jì)算各發(fā)射天線碼字間的距離，而非對角線的元素可以用來計(jì)算不同

4、發(fā)射天線中碼序列間的干擾。以上結(jié)果表明，當(dāng)M趨于無窮大時(shí)，碼間干擾最終可被被消除。 三增加接受天線數(shù)目對系統(tǒng)性能 的影響四多天線系統(tǒng)中空時(shí)碼的設(shè)計(jì) 當(dāng)M大于N幾時(shí)，我們可以不用考慮矩陣A中的所有項(xiàng)而只用考慮矩陣A中對角線上的元素，設(shè)計(jì)空時(shí)碼時(shí)，主要考慮矩陣A的對角線上的元素，也即單個(gè)天線發(fā)射的符號(hào)，而不用考慮各個(gè)發(fā)射天線間的碼序列干擾。這樣就極大的減少了空時(shí)格形碼的復(fù)雜度和解碼過程 一般情況下，M最多是約等于N。唯一的一個(gè)使得M N的方法就是將發(fā)射天線劃分為幾個(gè)組，并為每一個(gè)發(fā)射天線組設(shè)計(jì)獨(dú)立的空時(shí)碼。這個(gè)方法使得M的值遠(yuǎn)大于發(fā)射天線組數(shù)。當(dāng)發(fā)射天線組間的碼間干擾可以忽略時(shí)，空時(shí)碼的復(fù)雜度就得

5、到極大的降低，同時(shí)發(fā)射天線組中的每一個(gè)空時(shí)格形碼的碼狀態(tài)數(shù)也減少了。值得注意的是，為每一個(gè)發(fā)射天線組設(shè)計(jì)的空時(shí)碼只能在該發(fā)射組中才能實(shí)現(xiàn)天線分集，而不是在所有的N個(gè)發(fā)射天線中。四多天線系統(tǒng)中空時(shí)碼的設(shè)計(jì)圖1 新型空時(shí)碼的能量矩陣A四多天線系統(tǒng)中空時(shí)碼的設(shè)計(jì) 然而，將天線分組會(huì)導(dǎo)致分集天線增益的損耗，這是由于每一個(gè)編碼器的傳輸信息都集中在各自的天線組。為了讓以上方法能夠獲得發(fā)射天線的全部分集增益，我們可以采用一些交織的方法。這就意味者，不同的碼組之間可以周期性的相交換各自的天線組，從而充分利用分集增益。下面我們將證明，TURBO碼結(jié)構(gòu)引入空時(shí)編碼，將會(huì)提高空時(shí)格形碼字的性能。 四多天線系統(tǒng)中空時(shí)

6、碼的設(shè)計(jì)五Turbo 空時(shí)碼Turbo space-time碼編碼器一.Turbo 空時(shí)碼編碼器二. Turbo 空時(shí)碼譯碼器Turbo空時(shí)譯碼器的基本工作原理： 由于在空時(shí)碼的編碼器前端采用了Turbo碼的編碼器的結(jié)構(gòu)，那么在譯碼端，我們采用的也是與Turbo碼譯碼相類似的次優(yōu)化迭代譯碼算法。該迭代譯碼算法的由兩部分組成：分組碼的MAP譯碼器和兩個(gè)概率更新計(jì)算器MAP譯碼的輸出概率和信息比特流的先驗(yàn)概率。分組MAP譯碼器對相應(yīng)的分組碼進(jìn)行譯碼，并根據(jù)奇偶校驗(yàn)位和前一個(gè)MAP譯碼器的輸出來改變這兩個(gè)概率值。并將新的先驗(yàn)概率輸出到下一個(gè)成分譯碼器。為了得到更好的譯碼性能，將此過程迭代數(shù)次。 分組

7、MAP譯碼算法的輸入包括先驗(yàn)信息和分支矩陣?；旧?，MAP譯碼器的輸入矩陣是由接收符號(hào)與發(fā)射符號(hào)間的歐氏距離決定的。 為接收天線j在時(shí)間t收到的信號(hào) 為發(fā)射天線在t時(shí)刻發(fā)射的信號(hào) A. 矩陣計(jì)算和第一個(gè)譯碼過程 B多分支MAP譯碼器及信息交換 MAP譯碼器輸出的比特概率U，用 表示內(nèi)部空時(shí)編碼器的輸入序列的第k個(gè)（包含奇偶校驗(yàn)位）比特位，y表示接收序列： 在下一個(gè)譯碼器工作之前，根據(jù)接收的奇偶校驗(yàn)碼對先驗(yàn)信息進(jìn)行更新： 當(dāng)所有R個(gè)接收碼字譯碼完成后，則該階段譯碼器的概率輸出為：五總結(jié)本文介紹了在半穩(wěn)態(tài)和獨(dú)立瑞利衰落環(huán)境下，分集多天線系統(tǒng)中的串行結(jié)構(gòu)的Turbo space-time碼的設(shè)計(jì)方法。這種方法使得人們可以用少量的空時(shí)碼去構(gòu)造大的多