緒論

1.1 前言

近年來，無線通訊技術被廣泛應用在手持設備、行動電腦、車載服務等，人們對於 取得資料比起以往更為方便。然而，對於環境的變化多端、頻譜資源昂貴、顧客要求手 持設備價格降低等，使得各方學者、工程師等積極研究多重天線的特性，期望能夠增加 通訊的傳輸量或者可靠度，用以增加通訊時的頻譜使用效率及無線通訊的普及化。

空時碼[2]目的是降低通訊系統的傳輸錯誤率，使資料能做更可靠的傳輸，尤其對於 衰減通道的影響，更為有效果。單一路徑(single path)的通訊系統中，衰減通道對於訊號 造成衝擊，使得接收端估測的能力，無法與AWGN 通道(不考慮通道衰減)下的估測能力 相提並論。這是由於單一路徑上的通道衰減係數，決定解碼端的表現。分集技術(diversity) 能夠改善衰弱通道所造成的影響，運用空間、時間或頻率的自由度，使得訊號在這些自 由度上重複傳輸，產生多重路徑，假如每條路徑上的通道係數彼此獨立產生，訊號因單 一路徑影響而被破壞的機率降低，如此一來，能增加接收端估測訊號的正確率。空時碼 的應用，結合多天線與錯誤更正碼，能降低訊號在衰減通道下的傳輸錯誤率，更是實現 分集特性的有效方法之一。

同時擁有發射分集、編碼增益、抵抗衰減通道，對於提高頻譜效率使用上，籬柵空 時碼能提供解決方案。籬柵空時碼會根據輸入資訊與編碼器狀態，乘上衍生係數，產生 發射天線訊號，將資訊能夠散播在空間與時間上，增加通訊的可靠程度。

因成本或尺寸問題，手持裝置通常僅有單一天線，欲使用多重天線的傳輸特性時，

應用合作式通訊[3]於其中，可藉由中繼端群的幫助，增加傳輸訊號的可靠程度。合作式 通訊中，傳送端先將訊號傳至中繼端群，中繼端群再對其接收訊號作處理，送至接收端 作 估 測 。 合 作 式 通 訊 protocol 大 致 上 分 為 AF (Amply-and-Forward) 、 DF (decode-and-forward)，其他種的 protocol 也依循這兩種方式做延伸。AF 機制中，中繼端 群僅對接收訊號作功率正規化後，隨即送出；DF 機制中，中繼端群對接收訊號做解碼 之後，再重新編碼，將訊號送至接收端。

當籬柵空時碼運用在合作式通訊時，稱之為分散式籬柵空時碼 DSTTC(Distributed Space Time Trellis Code)[4]；可將原籬柵空時碼中，某一天線的衍生係數轉移到某一中 繼端上；如此一來，原本集中式籬柵空時碼需要在傳送端具備多重天線的限制，可以解 除；只要使用者能夠找到適當的中繼端(傳送端與中繼端通道佳)，幫助傳送端傳送訊號 即可，並可以享有原本籬柵空時碼所帶來的降低錯誤率好處。

1.2 研究動機

相較於其它種的編碼系統，籬柵空時碼顯得較為複雜，不管是在搜尋效能好的編碼 器[5]，或是執行解碼演算法的部分，皆須要花費大量的時間與大量的硬體資源，使得它 在實際應用上，沒有如Alamouti scheme 受歡迎。然而，在傳統上，單一天線傳輸系統，

已對籬柵碼廣為討論，因此我們可以參照過去的經驗，運用一些知識，應用於空時籬柵 碼，尋找好的編碼方式，藉此幫助此編碼系統，更適合於多天線通訊系統上實際操作。

合作式通訊系統也是近期流行的議題，將編碼應用於此系統上時，稱之為分散式空 時碼。集中式空時編碼與分散式空時編碼存在的差異性，是編碼應用在合作式通訊系統 上必須先了解的基本觀念。此外，終端與中繼設備以不同方法合作，在效能上的差異性，

也是個有趣的議題。吾人將在論文中，比較幾個合作式系統的效能，來探討他們的優劣。

當籬柵空時碼應用在合作式通訊時，因系統電路問題，導致某一傳送天線所根據的 編碼器狀態(state)與其他天線不同；或者另一種情況，DF(Decode and Forward)合作式通 訊 中 ， 傳 送 端 與 中 繼 端 間 的 通 道 受 嚴 重 干 擾 ， 中 繼 端 無 法 正 確 偵 測 傳 送 端 訊 號 ( information bits )，導致中繼端編碼器對於錯誤的資訊，繼續作編碼；接收端收到的訊 號，進入傳統籬柵解碼器時，受干擾中繼端訊號影響，接收端在計算路徑距離時會有偏 差；甚至在無AWGN 情況下，傳統籬柵解碼的籬柵中，根本無法找到一條 zero cost 的 路徑，容易造成接收端解碼錯誤。因此我們視此受干擾中繼端所發出的訊號，為另一種 很強烈的雜訊，造成符碼間的干擾。受到干擾的中繼端，其所編碼的資訊會與其他正常 中繼端不同，故受干擾中繼端的編碼狀態過程轉換也與其他正常狀態的中繼端不同，造 成中繼端群編碼時，發生狀態不一致的問題。本篇論文提出此類問題的解決辦法－分離 式解碼與混合式籬柵解碼。

本論文的目標：

 探討空時籬柵碼的特性、搜尋碼與在合作式通訊系統上的應用。

 空時籬柵碼、空時區塊碼在合作式通訊上不同應用的比較。

 最後探討合作式系統中，中繼端群狀態不一致造成中繼端群所發出的訊號相互干擾，

接收端的解決方法。

1.3 研究簡介

尋找具備效能好的空時碼，傳統上，即是將所有可能的編碼方式，比較它們代價(cost) 的大小，使用trace criterion、determinant criterion，決定編碼的好壞；對於某一個空時碼，

傳送端

n

_T 根輸出天線所形成的coded symbol matrix，表示如下：

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎥

⎦

⎤

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎢

⎣

⎡

=

=

T T

T

T T

n L n

n

n L n L

x x

x

x x

x

x x

x

L M O M M

L L L

2 1

2 2 2 1

1 2 1 1

] , , ,

[ x

₁

x

₂

x

_L

X

(Eq. 1-1)

令

B = X − X ˆ

、A=BB^H，所有可能的

A

矩陣，成為一個集合。最小的determinant of

A

， 視為此空時碼的 determinant 價值，我們期望 determinant 價值愈高愈好，稱之為 determinant criterion；最小的 trace of

A

，視為此空時碼的trace 價值，我們期望 trace 價值愈高愈好，稱之為trace criterion。在比較的過程中，吾人結合兩種觀念，使得搜尋 碼在使用trace criterion 時，所花費的時間縮短。觀念一：假如擁有 nT-1 根天線的最佳籬 柵空時碼編碼係數，可以將此nT-1 根天線的編碼係數繼續沿用，根據此編碼係數，搜尋 第nT根天線的編碼係數[6]。觀念二：使用 trellis 的特性[7]，對於任意一個編碼方式中，

兩兩coded symbol 間所構成 coded symbol matrix 的 trace，等同於 trellis 上任意兩條路徑 的距離；因此吾人使用 Viterbi 演算法，盡可能快速的比較兩條路徑間的距離；例如:

[0,0,0,…,0]代表全為零的 information bits，稱之為 I0；[0,1,0,…,0]代表除了第二個 bit 不 為零以外，其它bits 皆全為零，稱之為 I1，I0與I1的差別只在於第二個bit 相異；[0,1,X,…,X]

代表第一個bit 為 0，第二個 bit 為 1，其它 bits 為任意值，稱之為{I2}；換句話說{I2}前 兩個bits 與 I1一樣。I0、I1與{I2}所產生的 coded symbol matrix 為 M0、M1與{M2}，假使 M0與 M1的 trace 為 D，那麼 M0與{M2}的距離必定大於等於 D。因此，假如 M0與 M1

形成coded symbol matrix 的 trace 已經大於 minimum trace 的話，M0與{M2}形成 coded symbol matrix 的 trace 也一定大 於 minimum trace，在搜尋上，就不需花費時間去計算 M0與{M2}的距離了。

合作式通訊中，面對中繼端編碼器狀態不一致問題時，我們提出分離式籬柵解碼與 混合式籬柵解碼。分離式解碼方式，每根天線的輸出值視為不同編碼器所產生出來的符 碼，解碼端先將每根天線上的訊號解碼出來，再將每根天線所偵測出來的訊號分別輸入 各自對應的解碼器。解出每根天線所傳的資訊(information bits)，最後經由多數決檢查，

當其中兩根天線的資訊完全符合傳送端的傳送資訊，即算解碼正確。此方法為簡單的解 決途徑，但會引入量化誤差，容易受訊號間干擾，增加接收端的解碼錯誤率，並且接收 端的複雜度較傳統籬柵解碼方法高。混合籬柵碼也將每根天線輸出值視為不同編碼器所 產生出來的符碼，但將所有不同編碼器結合起來，看做為另一個大型編碼器。傳統上每 根傳送天線所依據的編碼器狀態變換過程，具有一致性，所以接收端因籬柵解碼所使用 的暫存器數量與傳送端相同。當系統天線被異常或者合作式通訊傳送端與中繼端的通道 受到強烈雜訊影響，被干擾的天線或中繼端之狀態變換過程，會與其他正常的天線或中 繼端相異。假使接收端能夠記下整體天線或中繼端群的編碼器狀態變化過程，將正常與 受干擾中繼端的編碼器狀態，重新定義成新狀態，並重新建立輸入輸出的籬柵關係，如 此一來即能偵測通訊系統具有受干擾中繼端的訊號。混合籬柵中，吾人稱編碼器狀態不 一致情況時為＂虛擬狀態＂，傳統籬柵解碼結合虛擬狀態即成為混合籬柵解碼。本論文 所使用的混合籬柵解碼(Hybrid STTC)不限定於使用在某種形態的編碼方式，它至少能偵 測一個受干擾中繼端所產生的錯誤，並且更正其錯誤；且運用混合籬柵解碼時，不會引 入量化誤差，在效能上會優於分離式解碼方式。然而，混合式籬柵碼仍會增加接收端計 算複雜度，接收端因籬柵解碼所使用的暫存器數目，會多於任何一個中繼端或傳送端。

1.4 論文架構

本論文第二章先對 MIMO 系統作簡單的介紹。第三章的部分是對於空時編碼作基 本認識。第四章，將過去的解碼經驗應用於搜尋碼中，降低搜尋碼的時間。第五章探討，

空時碼於合作式通訊上的應用，探討三種系統架構，在效能上的差異。第六章探討合作 式系統中，中繼端編碼器狀態不一致時，接收端的解決辦法。第七章為結論。

在文檔中 分散式籬柵空時碼接收機設計 (頁 12-15)