Stbc что это в роутере

Время на прочтение
7 мин

Количество просмотров 44K

Одной из ключевых технологий для развития беспроводных сетей (например, Wi-Fi) в последние годы является технология MIMO. MIMO — это множественная передача информации с нескольких передатчиков и её получение, а также обработка на нескольких приемниках. Основные задачи MIMO – повысить пропускную способность беспроводного канала и качество связи.

Главным методом увеличения пропускной способности в системах MIMO является мультиплексирование, то есть параллельная передача нескольких потоков информации с разных антенн (о нем ниже). Частными случаями MIMO являются системы передачи, где на приемнике или передатчике используется одна антенна. Называются такие системы Multiple-input single-output (MISO) и Single-input multiple-output (SIMO). В них нельзя организовать параллельную передачу нескольких потоков информации, однако можно использовать дополнительные антенны для повышения качества приёма или передачи сигнала. В описании точек доступа различных вендоров мы можем узнать сколько передающих и приемных антенн есть на устройстве, сколько пространственных потоков MIMO оно поддерживает. Например, это может быть значение 3×4:3, что означает 3 передатчика, 4 приемника и 3 пространственных потока. Кроме этих параметров можно встретить такие аббревиатуры или обозначения, как MRC, STBC, CSD, 802.11ac Tx BF и пр. Все эти технологии также направлены на улучшение качества сигнала. Итак, давайте попробуем разобраться какие варианты ухищрений используют современные точки доступа, чтобы ваш девайс получил хороший сигнал. Стоит отметить, что на Хабре уже есть статьи с довольно подробным описанием работы указанных технологий — MIMO, OFDM, STBC и MRC. В данном материале хотели бы сделать общий обзор по технологиям повышения качества связи, наглядно отобразить, как работает та или иная функция и какой прирост она дает. Рассмотрена работа с точки зрения 802.11 Wi-Fi, хотя, разумеется, указанные методы используются и в других беспроводных стандартах (LTE, 802.16 WiMAX).

Пространственное мультиплексирование (MIMO SDM)

Ключевым преимуществом MIMO является возможность передавать несколько независимых информационных потоков с разных антенн на одном канале. Это позволяет кардинально увеличить пропускную способность беспроводного канала. Технология называется пространственное мультиплексирование, или SDM (Spatial Division Multiplexing). Основным условием для работы MIMO SDM является многолучевое распространение сигнала. Если мы отправим данные с двух антенн, при прямой видимости сигнал придет к получателю одновременно, и мы получим их наложение (интерференцию). А значит сделаем только хуже. Но если при прохождении сигнал отражается, преломляется и т.п., получатель может распознать (скоррелировать) пришедший сигнал для разных потоков. Затем, получатель вычисляет текущее состояние каналов передачи (потоков) для каждой из передающих антенн на основе предварительной калибровки (по служебным заголовкам). И далее с помощью математических преобразований, восстанавливает исходные потоки. В случае MIMO отправитель не знает о состоянии канала, то есть он никак не оптимизирует сигнал при передаче. Точка доступа и клиент передают определенное количество потоков, поддерживаемое двумя сторонами. Например, если клиент поддерживает только один поток, точка доступа тоже будет передавать единственный поток.

Стоит отметить, что при передаче нескольких потоков (да и вообще при одновременной передаче с нескольких антенн) общая излучаемая мощность делится на количество передающих антенн. Например, если мы передаём сигнал одновременно с двух антенн, то мощность сигнала для каждой из них будет в два раза меньше максимальной. Однако, в данном случае мы передаем информацию по двум или более каналам одновременно.Также, за счет совместного использования SDM и множественной передачи (об этом ниже) можно увеличить значение SNR (отношение сигнал-шум) на приемнике.

Системы MIMO продолжают развиваться и в стандарте 802.11ac (wave2) реализована множественная одновременная передача в режиме MIMO нескольким клиентами (Multiuser-MIMO). То есть, если есть два клиента, поддерживающие один и два потока, система MU-MIMO будет передавать им сигнал одновременно. Как мы помним, до появления технологии MU- MIMO в один момент времени передачу данных могла осуществлять только одна система. Работает технология только в направлении от точки доступа к клиенту (DownLink). Текущие точки доступа позволяют работать с тремя клиентами MU-MIMO и передавать до трех потоков (суммарно). Технология MU-MIMO требует поддержки и на точке доступа и на клиентском устройстве. Также она требует дополнительных вычислений на точке доступа и накладывает определенные условия при использовании. Например, её работа невозможна без предварительной калибровки и адаптивной передачи (Explicit Transmit Beamforming), о которой будет рассказано ниже.

Развитие механизмов множественной передачи\приема разумеется привело к увеличению количества антенн на 802.11n-устройствах. Сегодня для точек доступа корпоративного уровня (802.11n/ac) уже стало стандартом наличие 3-4 антенн. При этом, количество пространственных потоков часто меньше количества антенн. На самом деле, много ли клиентов поддерживающих, например, 3 потока? Конечно, не много. Если это смартфон, то чаще поддерживается только один пространственный поток. Это дает точке доступа использовать различные техники для оптимизации приема и передачи сигналов, используя свободные антенны.

Оптимальное весовое сложение (MRC)

MRC позволяет улучшить значение SNR для входящего сигнала (от клиента к точке доступа). Если на точке доступа есть дополнительный свободный приемник(и), она складывает полученный на этом приемнике сигнал с остальными. Так как на приемнике уже есть информация о текущем состоянии канала передачи (для каждой из передающих антенн), он может вычислить сигналы (на каждой из приемных антенн), провести их выравнивание и оптимальное сложение, получив лучшее соотношение сигнал-шум. Сравнение результатов для одного и нескольких потоков с дополнительными антеннами и без показывает, что MRC в некоторых случаях позволяет существенно увеличить значение SNR, а значит увеличить и скорость передачи, дальность действия ТД. MRC работает только на точке доступа для улучшения входящего сигнала от клиента. Технология может использоваться совместно с другими – CSD, SDM, STBC.

Разнесенная передача (CSD/SE)

Технология Cyclic Shift Diversity (CSD) позволяет передать копии одного сигнала с дополнительных свободных антенн. Делается это поочередно c небольшим интервалом (200 нс). Если передать копии одного сигнала одновременно с нескольких антенн (мощность делится), получить выигрыш на приеме не удастся. Если же передать сигнал независимо (на максимальной мощности) с небольшим интервалом с каждой из антенн, можно получить разнесение сигнала на приеме, а значить улучшить сигнал. Приемник в свою очередь по определенному критерию выбирает лучший сигнал. Метод разнесенной передачи довольно старый и не очень удобен для распознавания на приемнике (требует вычислительной мощности, плохо масштабируется). Однако, он поддерживается на точках доступа и работает с клиентами предыдущих поколений – 802.11a/g. В современных стандартах (802.11n и далее) используется механизм STBC либо адаптивная передача (Beamforming).

Пространственно-временное блочное кодирование (STBC)

STBC позволяет передавать разные сигналы одновременно с нескольких антенн за несколько тактовых интервалов. Для передачи используется схема Аламоути. Для простейшего случая 2х1, эта схема позволяет за два интервала времени передать два сигнала два раза. На двух интервалах с разных антенн передается один из сигналов и комплексное сопряжение другого сигнала. Таким образом, мы получаем разнесение сигналов по времени и пространству (два сигнала проходят разными путями), увеличивая результирующий сигнал на приеме. С точки зрения приема, метод STBC является достаточно удобным, т.к. не требует большой вычислительной мощности. Как можно догадаться, STBC не работает одновременно с CSD. В противовес MRC, который мы рассмотрели ранее, STBC позволяет нам улучшить качество сигнала от точки доступа к клиенту. Теоретически, поддерживается работа в режимах более высоких порядков или для нескольких потоков (например, в режиме 2х1 для двух потоков с четырьмя передающими антеннами). STBC может использоваться одновременно с MIMO SDM.

Влияние на производительность

Итак, мы рассмотрели разные методы разнесенной (множественной) передачи/приема на точках доступа. В чем же преимущество их использования, какой реальный прирост они дают? Посмотрим графики*. На первом графике для MCS7 (один поток) мы видим, что SE (CSD) не дает существенных улучшений по сравнению с режимом SISO (1×1). STBC же ведет себя гораздо лучше: для коэффициента ошибок 1% (PER – Packet Error Rate) он на ~4 dB лучше SE. MRC** дает наибольший прирост: почти 10 dB по сравнению с режимом 1х1! Однако, на более низких скоростях результаты менее захватывающие. Для MCS0 (второй график) показатели SNR для STBC и SE (CSD) вообще сравнимы.

*взято из книги Eldad Perahia, Robert Stacey. Next Generation Wireless LANs — 802.11n and 802.11ac

**Почему MRC лучше

На самом деле, при сравнении систем 2:1 и 1:2 для STBC и MRC соответственно при одинаковой мощности с двух сторон STBC априори будет давать меньший результат. Связано это с тем, что при передаче сигнала с двух антенн мощность делиться на два (-3 dB). При приеме же точка доступа получает сигнал, отправленный на полной мощности. То есть разница между STBC и MRC в режиме 2 приемника или передатчика составляет не менее 3 dB.

Адаптивная передача (802.11ac Explicit Beamforming)

Все методы, которые мы рассматривали до этого основывались на обработке сигнала на приемной стороне. То есть при передаче информации именно приемник составлял матрицу канала связи для входящего сигнала с каждого из передатчиков. Передающая же сторона не подстраивала сигнал на антеннах между собой, то есть отправляла сигнал “вслепую”. При адаптивной передаче основной акцент делается на определении состояния канала на передатчике, чтобы отправить сигнал с оптимальными фазово-амплитудными характеристиками. Другими словами, отправить сигнал с нескольких антенн таким образом, чтобы на приёмной стороне получить наилучшее качество. Сделать это можно разными способами (без ответа от получателя, калибровка с получателем). В стандарте 802.11ac был реализован подход с получением калибровочной информации от приемника. То есть приемник сообщает, как он слышит сигнал с каждой антенны точки доступа. После этого, на основе предположения что канал в обе стороны симметричен, формируется матрица передачи с коэффициентами для конкретного приемника. Кроме того, использование адаптивной передачи позволяет распределять мощность между различными потоками (например, увеличить мощность для потоков лучшим SNR) На графике видно, что в сравнении с методами разнесенной передачи рассмотренными ранее режим адаптивной передачи позволяет получить наибольший прирост в скорости при передаче информации клиенту.

Мы рассмотрели различные методы множественной передачи сигнала в системах MIMO (Wi-Fi) – мультиплексирование, разнесение сигнала на приеме и передаче, адаптивную передачу, а также показали какой прирост они могут дать. В реальных условиях будет наблюдаться более комплексная картина. Добавляются дополнительные факторы, влияющие на работу беспроводной сети (расстояние до клиента, количество клиентов, нагрузка на канал, поддерживаемые клиентом методы передачи и др.). Точка доступа на основе встроенных алгоритмов решает какие методы передачи использовать в тот или иной момент времени.

Список использованной литературы

Eldad Perahia, Robert Stacey. Next Generation Wireless LANs — 802.11n and 802.11ac, 2013
М. Бакулин, В. Крейнделин, Л. Варукина Технология MIMO. Принципы и алгоритмы, 2014

Источник

STBC (Space-Time Block Coding) для WiFi является технологией, которая позволяет повысить производительность беспроводной передачи данных. STBC использует принципы МИМО (Multiple Input Multiple Output), которые позволяют увеличить пропускную способность и устойчивость к помехам в сети WiFi. Технология STBC особенно полезна в условиях, когда мобильные устройства находятся на значительном удалении от точки доступа.

Стандарт WiFi предоставляет возможность передачи данных одним или несколькими антеннами. STBC позволяет использовать несколько антенн для передачи информации одновременно, что повышает качество передачи и устойчивость к помехам. Основная идея STBC заключается в том, что данные могут быть разделены на несколько потоков и передаваться разными антеннами, что позволяет улучшить их доставку и обработку.

STBC WiFi работает следующим образом: данные, которые необходимо передать, разделяются на несколько блоков, которые затем передаются разными антеннами. Каждая антенна создает свой отдельный поток данных, который с помощью алгоритмов кодирования и модуляции передается по воздуху. Получатель принимает сигналы от разных антенн и использует алгоритмы декодирования для восстановления исходных данных.

Содержание

Что такое STBC WiFi?
Определение и основные принципы
Преимущества STBC WiFi
Улучшение качества сигнала и дальности покрытия
Как работает STBC WiFi?

Что такое STBC WiFi?

STBC WiFi работает путем одновременной передачи данных с использованием нескольких антенн. Каждая антенна независимо отправляет данные, что позволяет повысить вероятность успешной передачи и уменьшить возможность возникновения ошибок.

Приемник также использует несколько антенн для одновременного приема данных. Он объединяет полученные сигналы для повышения качества и статистической надежности.

STBC WiFi является особенно полезным в условиях, когда качество сигнала низкое или присутствуют помехи. Он позволяет улучшить производительность беспроводной сети, увеличить область покрытия и снизить задержки при передаче данных.

В итоге, благодаря применению STBC WiFi, пользователи могут наслаждаться более стабильным и надежным подключением к беспроводной сети, а операторы сетей могут улучшить качество обслуживания своих клиентов.

Определение и основные принципы

Принцип работы STBC заключается в кодировании информации в виде блоков сигналов, которые передаются одновременно через несколько антенн. Приемник также оборудован несколькими антеннами, которые позволяют ему получать эти сигналы и декодировать информацию. Благодаря использованию множества антенн и комбинированию сигналов, технология STBC позволяет повысить пропускную способность и устойчивость передачи данных.

Основные принципы работы STBC включают:

Симультанная передача нескольких блоков сигналов через несколько антенн.
Комбинирование сигналов с помощью математических операций, таких как сложение или умножение, для создания нового сигнала, который содержит информацию от всех передающих антенн.
Прием и декодирование сигналов с использованием алгоритмов, которые позволяют извлечь информацию из комбинированного сигнала.

Технология STBC обеспечивает повышенную надежность передачи данных в беспроводных сетях WiFi, особенно в условиях помех и шума. Она также позволяет увеличить скорость передачи данных, что важно для многих приложений, таких как потоковое видео или онлайн-игры.

Преимущества STBC WiFi

1. Увеличение дальности связи: благодаря использованию пространственно-временного блочного кодирования, STBC WiFi позволяет передавать данные на большие расстояния без потери качества сигнала. Это особенно полезно в случае использования беспроводной связи на больших территориях или в условиях с ограниченной прямой видимостью.

2. Улучшение надежности связи: благодаря множественным антеннам и кодированию, STBC WiFi обеспечивает более надежную передачу данных. Если одна из антенн получает слабый сигнал или искаженные данные, другие антенны могут скомпенсировать потери и восстановить полезную информацию. Это позволяет снизить количество ошибок передачи и улучшить качество связи.

3. Поддержка высокой скорости передачи данных: STBC WiFi позволяет достичь более высоких скоростей передачи данных по сравнению с другими технологиями Wi-Fi. Это особенно полезно при передаче больших объемов информации, таких как видео высокого разрешения или потоковое вещание.

4. Увеличение емкости сети: благодаря своим характеристикам, STBC WiFi позволяет увеличить емкость сети, то есть количество пользователей и устройств, которые могут одновременно использовать беспроводную связь. Это особенно важно в условиях высокой загруженности сети, когда большое количество пользователей требуют доступа к Интернету одновременно.

Таким образом, использование технологии STBC WiFi позволяет значительно улучшить производительность и надежность беспроводной связи в сетях Wi-Fi, что делает ее все более привлекательной и широко применяемой.

Улучшение качества сигнала и дальности покрытия

Применение Space-Time Block Coding (STBC) позволяет значительно уменьшить искажения и помехи, которые могут возникать в процессе передачи данных по беспроводному каналу. Это достигается благодаря распределению информации по разным антеннам и использованию дополнительных методов кодирования.

STBC WiFi позволяет:

1. Увеличить скорость передачи данных;

2. Увеличить дальность покрытия;

3. Снизить вероятность ошибок при передаче данных;

4. Улучшить качество сигнала в зоне слабого приема.

Повышение качества сигнала и увеличение дальности покрытия делает STBC WiFi идеальным решением для организации беспроводных сетей в больших помещениях или на открытых территориях. Эта технология обеспечивает стабильную и быструю передачу данных даже при наличии помех и ограничениях в виде стен и других препятствий.

Как работает STBC WiFi?

STBC Wi-Fi использует технику блочного кодирования для расширения канала связи, улучшения интерференции и повышения производительности беспроводной сети.

Когда данные передаются через Wi-Fi, используется множество антенн на приемной стороне и несколько антенн на передающей стороне. STBC Wi-Fi использует эти множественные антенны для кодирования и декодирования данных.

При передаче данных STBC Wi-Fi разделяет информацию на блоки и кодирует каждый блок передачи с использованием нескольких антенн. Затем эти блоки передаются одновременно через все доступные антенны.

На приемной стороне STBC Wi-Fi использует алгоритм для декодирования сигнала, восстановления исходных данных и снижения ошибок передачи. Этот алгоритм позволяет улучшить скорость и надежность передачи данных.

STBC Wi-Fi может быть использовано на разных уровнях беспроводной связи, включая уровень физического слоя (PHY) и уровень мак-подслоя (MAC). Он может использоваться как дополнительный метод коррекции ошибок, что позволяет улучшить скорость и надежность передачи в беспроводной сети.

В заключение, STBC Wi-Fi — это метод, который использует кодирование и декодирование данных с использованием множественных антенн для улучшения скорости и надежности беспроводной связи.

Источник

Рассмотрение технологических достижений в области сетей и связи невозможно без упоминания о роутерах. Однако, в мире постоянного развития, требующего постоянного обновления технологий и улучшения качества связи, появляются новые и более эффективные устройства. Один из таких инновационных роутеров — это роутер STBC.

STBC (Space-Time Block Coding) — это технология, используемая в беспроводных сетях, которая позволяет увеличить скорость и улучшить качество передачи данных. В отличие от обычных беспроводных систем, которые передают данные только в одном направлении, роутеры STBC используют многолучевое распространение сигнала, что позволяет улучшить производительность и устойчивость связи. Основной принцип работы заключается в передаче данных по нескольким антеннам, что позволяет компенсировать помехи и обеспечивать более надежную передачу.

Особенностью роутеров STBC является то, что они могут использовать как одиночные, так и множественные антенны, что позволяет увеличивать пропускную способность и улучшать качество передачи данных. Кроме того, роутеры STBC поддерживают работу с различными стандартами беспроводных сетей, такими как Wi-Fi, LTE, Bluetooth. Это позволяет использовать их в самых разных ситуациях и обеспечивает высокую совместимость с другими устройствами.

Преимуществами роутеров STBC являются: улучшенная производительность и надежность передачи данных, возможность работы с различными стандартами беспроводных сетей, большая пропускная способность и совместимость с другими устройствами.

Содержание

Что такое роутер STBC?
Особенности и преимущества роутера STBC
Как работает роутер STBC

Что такое роутер STBC?

Основная идея STBC заключается в одновременной передаче одного и того же сигнала по разным антеннам с некоторым различием внутри. Это позволяет устройству получателя скомбинировать и интерпретировать эти сигналы для улучшения точности и надежности передачи данных. Благодаря этому роутеры STBC способны обеспечить более стабильное и качественное подключение к беспроводной сети.

Преимущества использования роутера с технологией STBC включают:

1	Большая пропускная способность
2	Улучшенная стабильность сигнала
3	Более надежное подключение к беспроводной сети
4	Улучшенная качества передачи данных
5	Увеличенная покрытие Wi-Fi сети

Обратите внимание, что не все устройства поддерживают технологию STBC, поэтому перед выбором роутера стоит убедиться в наличии данной функции и ее соответствии вашим потребностям.

Особенности и преимущества роутера STBC

Роутер STBC (Space-Time Block Coding) предлагает ряд особенностей и преимуществ, которые делают его привлекательным выбором для использования в беспроводных сетях:

1. Увеличение надежности соединения: Технология STBC позволяет повысить надежность передачи данных путем использования множественных антенн на приемнике и передатчике роутера. Это позволяет максимизировать пространственную и временную разнесенность сигналов, увеличивая вероятность успешной передачи данных даже в условиях помех и многолучевого распространения.

2. Увеличение скорости передачи данных: Использование технологии STBC позволяет увеличить скорость передачи данных в беспроводной сети. За счет использования множественных антенн и специальных кодов STBC, роутер может передавать несколько потоков данных одновременно, что значительно увеличивает пропускную способность сети.

3. Улучшение покрытия зоны сети: Роутер STBC способен обеспечить более широкое покрытие зоны сети благодаря использованию множественных антенн. Эта технология позволяет эффективнее использовать радиочастотные ресурсы и улучшает качество сигнала в труднодоступных местах, таких как перекрытия стен или удаленные углы помещения.

4. Совместимость с другими технологиями: Роутер STBC совместим с другими стандартными беспроводными технологиями, такими как Wi-Fi и Bluetooth. Это позволяет использовать роутер STBC вместе с уже существующими устройствами и получать преимущества данной технологии без необходимости полной замены существующей инфраструктуры.

Вывод: Роутер STBC предлагает уникальные возможности для повышения надежности и производительности беспроводных сетей. Эта технология может быть полезной для домашних и офисных сетей, а также для общественных мест, где требуется стабильная и быстрая беспроводная связь.

Как работает роутер STBC

Принцип работы роутера STBC основан на комбинировании и кодировании данных, передаваемых с помощью различных антенн. Роутер использует алгоритмы, которые распределяют информацию между антеннами и кодируют ее таким образом, чтобы увеличить надежность передачи.

Антенна 1	Антенна 2	Антенна 3
Данные 1	Данные 2	Данные 3
Данные 2	-Данные 1	Данные 3

Например, если роутер имеет три антенны и передает три разных блока данных, то он может использовать STBC для кодирования и передачи этих данных по антеннам.

При приеме сигнала устройство, оборудованное несколькими антеннами, использует алгоритмы декодирования STBC, чтобы извлечь и восстановить переданные данные. Это позволяет устройству получить копии исходных данных с высоким качеством и устойчивым сигналом.

Основным преимуществом роутера STBC является увеличение скорости передачи данных и расширение покрытия беспроводной сети. Кроме того, STBC повышает надежность связи и уменьшает количество ошибок передачи данных.

Таким образом, роутер STBC представляет собой передовую технологию, которая значительно улучшает производительность беспроводной сети и обеспечивает более стабильное соединение для пользователей.

Источник

From Wikipedia, the free encyclopedia

This article is about coherent space–time block codes (STBCs). For differential space–time block codes, see Differential space–time code.

Space–time block coding is a technique used in wireless communications to transmit multiple copies of a data stream across a number of antennas and to exploit the various received versions of the data to improve the reliability of data transfer. The fact that the transmitted signal must traverse a potentially difficult environment with scattering, reflection, refraction and so on and may then be further corrupted by thermal noise in the receiver means that some of the received copies of the data may be closer to the original signal than others. This redundancy results in a higher chance of being able to use one or more of the received copies to correctly decode the received signal. In fact, space–time coding combines all the copies of the received signal in an optimal way to extract as much information from each of them as possible.

Introduction[edit]

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.^[1] Seminal papers by Gerard J. Foschini and Michael J. Gans,^[2] Foschini^[3] and Emre Telatar^[4] 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^[5] (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,^[6] and later Vahid Tarokh, Hamid Jafarkhani and Robert Calderbank^[7] 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.

${\text{time-slots}}{\begin{matrix}{\text{transmit antennas}}\\\left\downarrow \overrightarrow {{\begin{bmatrix}s_{{11}}&s_{{12}}&\cdots &s_{{1n_{T}}}\\s_{{21}}&s_{{22}}&\cdots &s_{{2n_{T}}}\\\vdots &\vdots &&\vdots \\s_{{T1}}&s_{{T2}}&\cdots &s_{{Tn_{T}}}\end{bmatrix}}}\right.\end{matrix}}$

Here, $s_{ij}$ is the modulated symbol to be transmitted in time slot from antenna . There are to be time slots and n_T transmit antennas as well as $n_{R}$ 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.^[7] If a block encodes symbols, the code-rate is

$r={\frac {k}{T}}.$

Only one standard STBC can achieve full-rate (rate 1) — Alamouti’s code.

Orthogonality[edit]

STBCs as originally introduced, and as usually studied, are orthogonal. This means that the STBC is designed such that the vectors representing any pair of columns taken from the coding matrix is orthogonal. The result of this is simple, linear, optimal decoding at the receiver. Its most serious disadvantage is that all but one of the codes that satisfy this criterion must sacrifice some proportion of their data rate (see Alamouti’s code).

Moreover, there exist quasi-orthogonal STBCs that achieve higher data rates at the cost of inter-symbol interference (ISI). Thus, their error-rate performance is lower bounded by the one of orthogonal rate 1 STBCs, that provide ISI free transmissions due to orthogonality.

Design of STBCs[edit]

The design of STBCs is based on the so-called diversity criterion derived by Tarokh et al. in their earlier paper on space–time trellis codes.^[5] Orthogonal STBCs can be shown to achieve the maximum diversity allowed by this criterion.

Diversity criterion[edit]

Call a codeword

${\mathbf {c}}=c_{1}^{1}c_{1}^{2}\cdots c_{1}^{{n_{T}}}c_{2}^{1}c_{2}^{2}\cdots c_{2}^{{n_{T}}}\cdots c_{T}^{1}c_{T}^{2}\cdots c_{T}^{{n_{T}}}$

and call an erroneously decoded received codeword

${\mathbf {e}}=e_{1}^{1}e_{1}^{2}\cdots e_{1}^{{n_{T}}}e_{2}^{1}e_{2}^{2}\cdots e_{2}^{{n_{T}}}\cdots e_{T}^{1}e_{T}^{2}\cdots e_{T}^{{n_{T}}}.$

Then the matrix

${\mathbf {B}}({\mathbf {c}},{\mathbf {e}})={\begin{bmatrix}e_{1}^{1}-c_{1}^{1}&e_{2}^{1}-c_{2}^{1}&\cdots &e_{T}^{1}-c_{T}^{1}\\e_{1}^{2}-c_{1}^{2}&e_{2}^{2}-c_{2}^{2}&\cdots &e_{T}^{2}-c_{T}^{2}\\\vdots &\vdots &\ddots &\vdots \\e_{1}^{{n_{T}}}-c_{1}^{{n_{T}}}&e_{2}^{{n_{T}}}-c_{2}^{{n_{T}}}&\cdots &e_{T}^{{n_{T}}}-c_{T}^{{n_{T}}}\end{bmatrix}}$

has to be full-rank for any pair of distinct codewords $\mathbf {c}$ and $\mathbf {e}$ to give the maximum possible diversity order of $n_{T}n_{R}$ . If instead, ${\mathbf {B}}({\mathbf {c}},{\mathbf {e}})$ has minimum rank over the set of pairs of distinct codewords, then the space–time code offers diversity order $bn_{R}$ . An examination of the example STBCs shown below reveals that they all satisfy this criterion for maximum diversity.

STBCs offer only diversity gain (compared to single-antenna schemes) and not coding gain. There is no coding scheme included here — the redundancy purely provides diversity in space and time. This is contrast with space–time trellis codes which provide both diversity and coding gain since they spread a conventional trellis code over space and time.

Encoding[edit]

Alamouti’s code[edit]

Bit-error ratio performance of the simulated Alamouti transmission over the partially time-invariant MISO and MIMO channels (K = 0.6). Note that the case of Alamouti 2×1 completely matched with the theoretical 2nd order diversity, however, Alamouti 2×2 has the better BER performance due to additional array gain.^[8]

Siavash Alamouti invented the simplest of all the STBCs in 1998,^[6] although he did not coin the term «space–time block code» himself. It was designed for a two-transmit antenna system and has the coding matrix:

$C_{2}={\begin{bmatrix}c_{1}&c_{2}\\-c_{2}^{*}&c_{1}^{*}\end{bmatrix}},$

where * denotes complex conjugate.

It is readily apparent that this is a rate-1 code. It takes two time-slots to transmit two symbols. Using the optimal decoding scheme discussed below, the bit-error rate (BER) of this STBC is equivalent to $2n_{R}$ -branch maximal ratio combining (MRC). This is a result of the perfect orthogonality between the symbols after receive processing — there are two copies of each symbol transmitted and $n_{R}$ copies received.

This is a very special STBC. It is the only orthogonal STBC that achieves rate-1.^[5] That is to say that it is the only STBC that can achieve its full diversity gain without needing to sacrifice its data rate. Strictly, this is only true for complex modulation symbols. Since almost all constellation diagrams rely on complex numbers however, this property usually gives Alamouti’s code a significant advantage over the higher-order STBCs even though they achieve a better error-rate performance. See ‘Rate limits’ for more detail.

The significance of Alamouti’s proposal in 1998 is that it was the first demonstration of a method of encoding which enables full diversity with linear processing at the receiver. Earlier proposals for transmit diversity required processing schemes which scaled exponentially with the number of transmit antennas. Furthermore, it was the first open-loop transmit diversity technique which had this capability. Subsequent generalizations of Alamouti’s concept have led to a tremendous impact on the wireless communications industry.

Higher order STBCs[edit]

Tarokh et al. discovered a set of STBCs^[7]^[9] 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.

3 transmit antennas[edit]

Two straightforward codes for 3 transmit antennas are:

$C_{{3,1/2}}={\begin{bmatrix}c_{1}&c_{2}&c_{3}\\-c_{2}&c_{1}&-c_{4}\\-c_{3}&c_{4}&c_{1}\\-c_{4}&-c_{3}&c_{2}\\c_{1}^{*}&c_{2}^{*}&c_{3}^{*}\\-c_{2}^{*}&c_{1}^{*}&-c_{4}^{*}\\-c_{3}^{*}&c_{4}^{*}&c_{1}^{*}\\-c_{4}^{*}&-c_{3}^{*}&c_{2}^{*}\end{bmatrix}}\quad {\text{and}}\quad C_{{3,3/4}}={\begin{bmatrix}c_{1}&c_{2}&{\frac {c_{3}}{{\sqrt 2}}}\\-c_{2}^{*}&c_{1}^{*}&{\frac {c_{3}}{{\sqrt 2}}}\\{\frac {c_{3}^{*}}{{\sqrt 2}}}&{\frac {c_{3}^{*}}{{\sqrt 2}}}&{\frac {\left(-c_{1}-c_{1}^{*}+c_{2}-c_{2}*\right)}{2}}\\{\frac {c_{3}^{*}}{{\sqrt 2}}}&-{\frac {c_{3}^{*}}{{\sqrt 2}}}&{\frac {\left(c_{2}+c_{2}^{*}+c_{1}-c_{1}^{*}\right)}{2}}.\end{bmatrix}}$

These codes achieve rate-1/2 and rate-3/4 respectively. These two matrices give examples of why codes for more than two antennas must sacrifice rate — it is the only way to achieve orthogonality. One particular problem with $C_{{3,3/4}}$ is that it has uneven power among the symbols it transmits. This means that the signal does not have a constant envelope and that the power each antenna must transmit has to vary, both of which are undesirable. Modified versions of this code that overcome this problem have since been designed.

4 transmit antennas[edit]

Two straightforward codes for 4 transmit antennas are:

$C_{{4,1/2}}={\begin{bmatrix}c_{1}&c_{2}&c_{3}&c_{4}\\-c_{2}&c_{1}&-c_{4}&c_{3}\\-c_{3}&c_{4}&c_{1}&-c_{2}\\-c_{4}&-c_{3}&c_{2}&c_{1}\\c_{1}^{*}&c_{2}^{*}&c_{3}^{*}&c_{4}^{*}\\-c_{2}^{*}&c_{1}^{*}&-c_{4}^{*}&c_{3}^{*}\\-c_{3}^{*}&c_{4}^{*}&c_{1}^{*}&-c_{2}^{*}\\-c_{4}^{*}&-c_{3}^{*}&c_{2}^{*}&c_{1}^{*}\end{bmatrix}}\quad {\text{and}}\quad {}C_{{4,3/4}}={\begin{bmatrix}c_{1}&c_{2}&{\frac {c_{3}}{{\sqrt 2}}}&{\frac {c_{3}}{{\sqrt 2}}}\\-c_{2}^{*}&c_{1}^{*}&{\frac {c_{3}}{{\sqrt 2}}}&-{\frac {c_{3}}{{\sqrt 2}}}\\{\frac {c_{3}^{*}}{{\sqrt 2}}}&{\frac {c_{3}^{*}}{{\sqrt 2}}}&{\frac {\left(-c_{1}-c_{1}^{*}+c_{2}-c_{2}^{*}\right)}{2}}&{\frac {\left(-c_{2}-c_{2}^{*}+c_{1}-c_{1}^{*}\right)}{2}}\\{\frac {c_{3}^{*}}{{\sqrt 2}}}&-{\frac {c_{3}^{*}}{{\sqrt 2}}}&{\frac {\left(c_{2}+c_{2}^{*}+c_{1}-c_{1}^{*}\right)}{2}}&-{\frac {\left(c_{1}+c_{1}^{*}+c_{2}-c_{2}^{*}\right)}{2}}\end{bmatrix}}.$

These codes achieve rate-1/2 and rate-3/4 respectively, as for their 3-antenna counterparts. $C_{{4,3/4}}$ exhibits the same uneven power problems as $C_{{3,3/4}}$ . An improved version of $C_{{4,3/4}}$ is^[10]

$C_{{4,3/4}}={\begin{bmatrix}c_{1}&c_{2}&c_{3}&0\\-c_{2}^{*}&c_{1}^{*}&0&c_{3}\\-c_{3}^{*}&0&c_{1}^{*}&-c_{2}\\0&-c_{3}^{*}&c_{2}^{*}&c_{1}\end{bmatrix}},$

which has equal power from all antennas in all time-slots.

Decoding[edit]

One particularly attractive feature of orthogonal STBCs is that maximum likelihood decoding can be achieved at the receiver with only linear processing. In order to consider a decoding method, a model of the wireless communications system is needed.

At time , the signal $r_{t}^{j}$ received at antenna is:

$r_{t}^{j}=\sum _{{i=1}}^{{n_{T}}}\alpha _{{ij}}s_{t}^{i}+n_{t}^{j},$

where $\alpha_{ij}$ is the path gain from transmit antenna to receive antenna , $s_{t}^{i}$ is the signal transmitted by transmit antenna and $n_{t}^{j}$ is a sample of additive white Gaussian noise (AWGN).

The maximum-likelihood detection rule^[9] is to form the decision variables

$R_{i}=\sum _{{t=1}}^{{n_{T}}}\sum _{{j=1}}^{{n_{R}}}r_{t}^{j}\alpha _{{\epsilon _{{t}}(i)j}}\delta _{t}(i)$

where $\delta _{k}(i)$ is the sign of $s_{i}$ in the ^th row of the coding matrix, $\epsilon _{k}(p)=q$ denotes that $s_{p}$ is (up to a sign difference), the (k,q) element of the coding matrix,
for $i=1,2,\ldots ,n_{T}$ and then decide on constellation symbol $s_{i}$ that satisfies

$s_{i}=\arg {}\min _{{s\in {\mathcal {A}}}}\left(\left|R_{i}-s\right|^{2}+\left(-1+\sum _{{k,l}}^{{}}\left|\alpha _{{kl}}\right|^{2}\right)\left|s\right|^{2}\right),$

with ${\mathcal {A}}$ the constellation alphabet. Despite its appearance, this is a simple, linear decoding scheme that provides maximal diversity.

Rate limits[edit]

Apart from there being no full-rate, complex, orthogonal STBC for more than 2 antennas, it has been further shown that, for more than two antennas, the maximum possible rate is 3/4.^[11] Codes have been designed which achieve a good proportion of this, but they have very long block-length. This makes them unsuitable for practical use, because decoding cannot proceed until all transmissions in a block have been received, and so a longer block-length, , results in a longer decoding delay. One particular example, for 16 transmit antennas, has rate-9/16 and a block length of 22 880 time-slots!^[12]

It has been proven^[13] that the highest rate any n_T -antenna code can achieve is

$r_{\max }={\frac {n_{0}+1}{2n_{0}}},$

where $n_{T}=2n_{0}$ or $n_{T}=2n_{0}-1$ , if no linear processing is allowed in the code matrix (the above maximal rate proved in^[13] only applies to the original definition of orthogonal designs, i.e., any entry in the matrix is $0,c_{i},-c_{i},c_{i}^{*},$ , or $-c_{i}^{*}$ , which forces that any variable $c_{i}$ can not be repeated in any column of the matrix). This rate limit is conjectured to hold for any complex orthogonal space–time block codes even when any linear processing is allowed among the complex variables.^[11] Closed-form recursive designs have been found.^[14]

Quasi-orthogonal STBCs[edit]

These codes exhibit partial orthogonality and provide only part of the diversity gain mentioned above. An example reported by Hamid Jafarkhani is:^[15]

$C_{{4,1}}={\begin{bmatrix}c_{1}&c_{2}&c_{3}&c_{4}\\-c_{2}^{*}&c_{1}^{*}&-c_{4}^{*}&c_{3}^{*}\\-c_{3}^{*}&-c_{4}^{*}&c_{1}^{*}&c_{2}^{*}\\c_{4}&-c_{3}&-c_{2}&c_{1}\end{bmatrix}}.$

The orthogonality criterion only holds for columns (1 and 2), (1 and 3), (2 and 4) and (3 and 4). Crucially, however, the code is full-rate and still only requires linear processing at the receiver, although decoding is slightly more complex than for orthogonal STBCs. Results show that this Q-STBC outperforms (in a bit-error rate sense) the fully orthogonal 4-antenna STBC over a good range of signal-to-noise ratios (SNRs). At high SNRs, though (above about 22 dB in this particular case), the increased diversity offered by orthogonal STBCs yields a better BER. Beyond this point, the relative merits of the schemes have to be considered in terms of useful data throughput.

Q-STBCs have also been developed considerably from the basic example shown.

References[edit]

^ E. Larsson and P. Stoica,Space-Time Block Coding For Wireless Communications. Cambridge University Press, UK, 2003 (Chinese Edition, 2006).
^ Gerard J. Foschini & Michael. J. Gans (January 1998). «On limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas». Wireless Personal Communications. 6 (3): 311–335. doi:10.1023/A:1008889222784.
^ Gerard J. Foschini (Autumn 1996). «Layered space-time architecture for wireless communications in a fading environment when using multi-element antennas». Bell Labs Technical Journal. 1 (2): 41–59. doi:10.1002/bltj.2015.
^ I. Emre Telatar (November 1999). «Capacity of multi-antenna gaussian channels». European Transactions on Telecommunications. 10 (6): 585–595. doi:10.1002/ett.4460100604.
^ ^a ^b ^c Vahid Tarokh; Nambi Seshadri & A. R. Calderbank (March 1998). «Space–time codes for high data rate wireless communication: Performance analysis and code construction». IEEE Transactions on Information Theory. 44 (2): 744–765. CiteSeerX 10.1.1.112.4293. doi:10.1109/18.661517.
^ ^a ^b S.M. Alamouti (October 1998). «A simple transmit diversity technique for wireless communications». IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 16 (8): 1451–1458. doi:10.1109/49.730453.
^ ^a ^b ^c Vahid Tarokh; Hamid Jafarkhani & A. R. Calderbank (July 1999). «Space–time block codes from orthogonal designs» (PDF). IEEE Transactions on Information Theory. 45 (5): 744–765. CiteSeerX 10.1.1.138.4537. doi:10.1109/18.771146. Archived from the original (PDF) on 2009-12-29.
^ Introduction to MIMO Systems (MathWorks)
^ ^a ^b Vahid Tarokh; Hamid Jafarkhani & A. Robert Calderbank (March 1999). «Space–time block coding for wireless communications: performance results» (PDF). IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 17 (3): 451–460. doi:10.1109/49.753730. Archived from the original (PDF) on 2009-12-29.
^ G. Ganesan & P. Stoica (May 2001). «Space–time block codes: A maximum SNR approach». IEEE Transactions on Information Theory. 47 (4): 1650–1656. doi:10.1109/18.923754.
^ ^a ^b Haiquan Wang & Xiang-Gen Xia (October 2003). «Upper bounds of rates of complex orthogonal space–time block codes». IEEE Transactions on Information Theory. 49 (10): 2788–2796. CiteSeerX 10.1.1.134.6261. doi:10.1109/TIT.2003.817830.
^ Weifeng Su; Xiang-Gen Xia & K. J. Ray Liu (June 2004). «A systematic design of high-rate complex orthogonal space-time block codes». IEEE Communications Letters. 8 (6): 380–382. CiteSeerX 10.1.1.420.1452. doi:10.1109/LCOMM.2004.827429.
^ ^a ^b Xue-Bin Liang (October 2003). «Orthogonal Designs With Maximum Rates». IEEE Transactions on Information Theory. 49 (10): 2468–2503. doi:10.1109/TIT.2003.817426.
^ Kejie Lu; Shengli Fu & Xiang-Gen Xia (December 2005). «Closed-Form Designs of Complex Orthogonal Space-Time Block Codes of Rates (k+1)/(2k) for 2k-1 or 2k Transmit Antennas». IEEE Transactions on Information Theory. 51 (12): 4340–4347. doi:10.1109/TIT.2005.858943.
^ Hamid Jafarkhani (January 2001). «A quasi-orthogonal space–time block code». IEEE Transactions on Communications. 49 (1): 1–4. CiteSeerX 10.1.1.136.1830. doi:10.1109/26.898239.

Источник

From Wikipedia, the free encyclopedia

This article is about coherent space–time block codes (STBCs). For differential space–time block codes, see Differential space–time code.

Introduction[edit]

An STBC is usually represented by a matrix. Each row represents a time slot and each column represents one antenna’s transmissions over time.

The code rate of an STBC measures how many symbols per time slot it transmits on average over the course of one block.^[7] If a block encodes symbols, the code-rate is

$r={\frac {k}{T}}.$

Only one standard STBC can achieve full-rate (rate 1) — Alamouti’s code.