空時編碼技術在超寬帶通信系統中的應用

摘要：空時編碼技術和超寬帶技術是當前無線通信領域的熱點技術。為了提高短距高速率無線通信的性能，討論了空時編碼技術在超寬帶通信系統中的應用方案，由于超寬帶脈沖信號具有極窄的時域支撐區，而且信道為密集多徑信道，因此超寬帶通信系統中的空時編碼技術具有完全不同的特性，提出了幾種超寬帶空時編碼方案，并對其性能優缺點進行了分析比較。
關鍵詞：超寬帶；空時編碼；多輸入多輸出；網格碼

0 引 言
超寬帶(UWB)通信具有數據傳輸速率高、功耗低、多徑分辨能力強等特點，它適用于基帶多用戶通信、戰場無線通信、高數據率多媒體業務等通信系統。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間分辨能力和衰落抑制能力，易于Rake接收機的使用以實現多徑分集。為了獲得良好的多徑分集增益，需要RAKE接收機的支路數通常較大，但這增加了工程實踐的復雜度。另一方面，在多輸入多輸出(MIMO)信道上實現無線傳輸的技術也得到了很大的發展，其采用多個發射以及接收天線為無線通信提供更大的系統容量。為了實現MIMO系統的性能潛力，現在通常采用空時編碼技術，同時獲得分集增益和編碼增益。將空時編碼技術引入多天線超寬帶通信系統，可以充分利用UWB和空時編碼的優點，在不增加接收機復雜度的情況下，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間的分集增益，有效提高無線通信系統的信道容量，同時提高了抗誤比特率性能和抗定時抖動能力。已有部分文獻研究了如何把空時編碼應用到UWB系統中。需要注意的是，在應用超寬帶空時編碼技術時應該考慮到信道特性的差異，常規的空時編碼通常應用于平坦衰落信道，而超寬帶信道一般建模為密集多徑信道，另外，超寬帶空時編碼應用于實域無載波的超寬帶無線通信系統，不支持相位調制；而常規的空時編碼是基于載波調制的，可以采用相位調制。

1 幾種超寬帶空時編碼方案
常見的空時編碼方案有空時分組碼(STBC)、空時網格碼(STTC)、空時分層碼(LAST)、差分空時碼(DSTC)，下面分別介紹如何將它們應用于多天線超寬帶通信系統中。定義w(t)為超寬帶脈沖，每個符號在一個碼元周期內通過Nf個脈沖重復發送，Tf為幀長，ε為符號能量，發射天線數為MT。
1．1 超寬帶空時分組碼(STBC―UWB―IR)
空時分組碼是基于不同天線間符號正交設計的，可以實現發射天線數MT確定的完全發射分集，并且通過簡單的最大似然譯碼算法實現最大可能的分集優勢。將其引入超寬帶通信系統中，以文獻中的兩根發射天線的超寬帶空時分組碼為例進行說明，分析了兩種編碼方案。
第一種編碼方案：
同一個符號周期內當兩根天線上發送相同的符號s時，從兩根天線上發送的信號s0，s1分別為：

第二種編碼方案：
當在兩個連續符號周期內從兩根天線上發送兩個連續的符號sa，sb時，從兩根天線上發送的信號s0，s。分別為：

常規的空時分組碼，當發射天線MT=3，5，6，7，…時分組碼的碼率小于1，但超寬帶空時分組碼的碼率等于1。因為涉及到符號內脈沖波形編碼，所以超寬帶空時分組碼也叫做模擬空時碼。
1．2 超寬帶空時網格碼(STTC―UWB―IR)
空時網格碼是一種綜合了差錯控制編碼、調制、發射接收分集的聯合設計編碼，將空時網格碼引入超寬帶通信系統，在增加信道容量的同時進一步提高系統性能。假設s為t時刻輸入的N進制符號，含有m=log2 N個信息比特，將s分成m路信息流，每路含有1比特的信息量。發射天線數為MT時，空時網格碼的生成矩陣為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，相乘后各相量進行模N相加，將所得相量中每個元素調制到脈沖w(t)上，并分別通過MT根天線發射出去。下面以四進制雙正交調制和空時網格碼QPSK編碼方案為例進行說明。