Көп антенналық жүйелер және кеңістік-уақыт кодтауы

Кіріспе

WiFi опциясы

Кеңістік-уақыт блок-кодтау – сымсыз байланыста деректер ағынының бірнеше көшірмелерін бірнеше антенна арқылы тарату және деректерді берудің сенімділігін арттыру үшін алынған деректердің әртүрлі нұсқаларын пайдалануға арналған техника. Таратылған сигналдың шашырау, шағылысу, сыну сияқты қиын ортадан өтуі және қабылдағыштағы жылу шуынан зақымдануы мүмкін болғандықтан, алынған деректердің кейбір көшірмелері бастапқы сигналға басқаларына қарағанда жақын болуы мүмкін. Бұл артық көшірмелер алынған сигналды дұрыс декодтау үшін алынған көшірмелердің бірін немесе бірнешеуін пайдалану мүмкіндігін ұсынады. Шындығында, кеңістік-уақыт кодтау алынған сигналдың барлық көшірмелерін ең тиімді жолмен біріктіріп, олардан мүмкіндігінше көп ақпарат алуға мүмкіндік береді.

Кіріспе

1990-шы жылдардың басына дейін сымсыз байланыс саласындағы жұмыстардың көп бөлігі сымсыз байланыстың бір жағындағы – әдетте қабылдағыштағы – антенна массивіне бағытталған. Герард Дж. Фосчини мен Майкл Дж. Ганс, сондай-ақ Фосчини және Эмре Телатардың маңызды зерттемелері сымсыз байланыс мүмкіндіктерінің шеңберін кеңейтіп, күшті шашырау ортасында антенна массиві екі шетте де қолданылғанда сыйымдылықтың айтарлықтай артуын көрсетті. Көптеген антенналарды пайдаланудың тағы бір әдісі – бірнеше тарату антеннасын және қажет болған жағдайда ғана бірнеше қабылдау антеннасын қолдану. Вахид Тарох, Намби Сешадри және Роберт Кальдербанк ұсынған кеңістік-уақыт кодтары (STC) бір антенналық жүйелерге қарағанда қателік деңгейін едәуір төмендетуге мүмкіндік береді. Олардың бастапқы схемасы торлы кодтарға негізделген, бірақ Сиаваш Аламути қарапайым блок кодтарын пайдаланды, ал кейін Вахид Тарох, Хамид Джафархани және Роберт Кальдербанк кеңістік-уақыт блок кодтарын (STBC) жасады. STC деректердің бірнеше артық көшірмелерін беруді қамтиды, бұл жоғалу мен жылу шуын өтеу үшін жасалады, соның нәтижесінде кейбір көшірмелер қабылдағышқа басқаларына қарағанда жақсы жағдайда жетеді деп үміттеніледі. STBC жағдайында жіберілетін деректер ағыны блоктарда кодталады, олар антенналар арасында және уақыт бойынша таратылады. Бірнеше тарату антеннасы болуы міндетті болса да, бірнеше қабылдау антеннасы болуы қажет емес, бірақ олардың болуы өнімділікті арттырады. Деректердің әртүрлі көшірмелерін қабылдау процесі әртүрлілік қабылдау деп аталады және Фосчинидің 1998 жылғы жұмысына дейін осы мәселе жан-жақты зерттелді. STBC әдетте матрица түрінде бейнеленеді, онда әрбір қатар уақыт слотын, ал әрбір баған – антеннаның уақыт бойынша берген хабарларын көрсетеді. Мұнда – бұл уақыт слотында антеннадан жіберілетін модульденген символ. Бұл блок әдетте «ұзындығы» деп есептеледі. STBC кодтық жылдамдығы бір блок ішінде уақыт слоты бойынша орташа есеппен берілетін символдар санын көрсетеді. Сиаваш Аламути 1998 жылы ең қарапайым STC-ді ойлап тапты, олар өте түсінікті және схеманың атын берді. Олар сондай-ақ, екіден астам тарату антеннасы бар кодтар толық жылдамдыққа жете алмайтынын дәлелдеді. Олардың кодтарынан бері көптеген жақсартулар жасалды (бастапқы авторлар мен басқа да зерттеушілер тарапынан). Дегенмен, олар жылдамдықтың 1-ге жете алмайтынының және «жақсы» STBC жасау үшін қандай мәселелерді шешу керектігінің нақты мысалы болып табылады. Олар сондай-ақ олардың кодтарымен бірге жүретін, толық арналық ақпарат болған жағдайдағы қарапайым сызықтық декодтау схемасын көрсетті.

Most work on wireless communications until the early 1990s had focused on having an antenna array at only one end of the wireless link — usually at the receiver. Seminal papers by Gerard J. Foschini and Michael J. Gans, Foschini and Emre Telatar enlarged the scope of wireless communication possibilities by showing that for the highly scattering environment, substantial capacity gains are enabled when antenna arrays are used at both ends of a link. An alternative approach to utilizing multiple antennas relies on having multiple transmit antennas and only optionally multiple receive antennas. Proposed by Vahid Tarokh, Nambi Seshadri and Robert Calderbank, these space–time codes (STCs) achieve significant error rate improvements over single antenna systems. Their original scheme was based on trellis codes but the simpler block codes were utilised by Siavash Alamouti, and later Vahid Tarokh, Hamid Jafarkhani and Robert Calderbank to develop space–time block codes (STBCs). STC involves the transmission of multiple redundant copies of data to compensate for fading and thermal noise in the hope that some of them may arrive at the receiver in a better state than others. In the case of STBC in particular, the data stream to be transmitted is encoded in blocks, which are distributed among spaced antennas and across time. While it is necessary to have multiple transmit antennas, it is not necessary to have multiple receive antennas, although to do so improves performance. This process of receiving diverse copies of the data is known as diversity reception and is what was largely studied until Foschini's 1998 paper. An STBC is usually represented by a matrix. Each row represents a time slot and each column represents one antenna's transmissions over time. Here, is the modulated symbol to be transmitted in time slot from antenna There are to be time slots and transmit antennas as well as receive antennas. This block is usually considered to be of 'length'

The code rate of an STBC measures how many symbols per time slot it transmits on average over the course of one block.]] Siavash Alamouti invented the simplest of all the STBCs in 1998, that are particularly straightforward, and coined the scheme's name. They also proved that no code for more than 2 transmit antennas could achieve full rate. Their codes have since been improved upon (both by the original authors and by many others). Nevertheless, they serve as clear examples of why the rate cannot reach 1, and what other problems must be solved to produce 'good' STBCs. They also demonstrated the simple, linear decoding scheme that goes with their codes under perfect channel state information assumption.

Квазиортогональды STBC

Бұл кодтар жартылай ортогоналдылық көрсетеді және жоғарыда айтылған әртүрліліктің тек бір бөлігін ғана қамтамасыз етеді. Хамид Джафархани баяндаған мысал:

Ортогоналдық критерий тек (1 және 2), (1 және 3), (2 және 4) және (3 және 4) бағандары үшін ғана қолданылады. Бірақ, кодтың толық жылдамдығы бар және қабылдағышта сызықтық өңдеуді ғана қажет етеді, дегенмен декодтау ортогоналды STBC-ге қарағанда сәл қиынрақ. Нәтижелер көрсетіп тұрғандай, бұл Q STBC жақсы сигнал-шу қатынастары (SNR) диапазонында толық ортогоналды 4-антенналы STBC-ден (биттік қателік деңгейі бойынша) жақсы нәтижелер береді. Дегенмен, жоғары SNR-де (осы нақты жағдайда шамамен 22 дБ-тан жоғары), ортогоналды STBC ұсынған артық әртүрлілік жақсы BER-ді қамтамасыз етеді. Осы шектен кейін, жүйелердің салыстырмалы артықшылықтары пайдалы деректердің өтімділігі тұрғысынан қарастырылуы керек. Q STBC-лер де көрсетілген қарапайым мысалдан қарысты дамыды.