改进高速率全分集准正交差分空时码方案

通信無统与网络技术改进高速率全分集准正交差分空时码方案邓冬虎,李宏伟,朱仁飞,于涛(空军工程大学电讯工程学院,陕西西安710077摘要:传统的方案中,将准正交空时玛( quasI- orthogonal space- time code)经过调制之后特换为酉空时码( unitaryspace- time code)再进行羞分編码,但信息传輸速率的提高会带来性能的严重下降。为了克服传统方案这一不是,給出一种引入幅值的修正方案,并且对幡僬的选取也进行了说明。与传统的准正交差分空时码相比,所提方案提高了其信息传檜速阜,对误比特性能和信息传输速率进行了一个较好的折中。关键词:准正交空时码;酉空时码:差分检测;编码增益;误比特車中图分类号:TP11.7文献标识码:A文章编号:10033114(2009)06-01-3Improved High Rate and Full-diversity Quasi-orthogonalDifferential Space-time Codes SchemeDENG Dong-hu, LI Hong-we(The Telecommunication Engineering Institute, Air Force Engineering University, Xi an Shannxi 710077, China)encoding. But the performance decreases seriously when the data transmission rate becomes higher. In this paper, aheme is proposed, inwhich the amplitude modulation information is added to overcome this disadvantage, and how to choose the amplitude is also introduced. Asmpared with traditional differential space-time codes, the information transmission rate is improved in this scheme, and a good balance betweenbit error rale and information transmission rate is achievedKey words: quasi-orthogonal space-time block codes; unitary space time codes; differential detection; coding gain; bit error rate0引言i quasi-orthogonal space-time block code, QOSTBC)输入信号经过调制后,把准正交空时码强行转换为空时码技术是对抗衰落、提高频谱效率的一种酉空时码( unitary space-time code,UST),该码型可重要手段,越来越受到学者们的重视。在空时码研以达到全速率,但是在高频带利用率下由于星座符究中解码时接收端往往需要知道精确的信道状态号间的最小距离减小所带来的性能下降。而文信息( channel state information,CSl),这就要求在接收献[4]中则介绍了一种适用于 Alamouti分组码的编端进行信道估计。但在某些条件下,为了减小接收码办法,以来提高信息传输速率。本文通过研究,可装备的复杂度,通常不要求对信道进行估计,或者在以用传输的部分信息来进行幅度编码将文献[4]中高速移动环境中信道的快衰落特性使得信道估计的办法和文献[3]进行结合,可以克服文献[3]的缺变得异常困难甚至无法估计。这种情况下不需点,且仍然可以获得全分集增益。当然,本方案也适要信道估计的差分空时调制( differential space-time用于其他差分空时码。通过仿真表明,本文所提方modulation, DSTM)技术就显得非常有用。 Tarokh和案的误比特性能和数据传输速率有了一个较好的Jafarkhani提出了一种基于正交设计的差分空时分折中。组码( space time block code,sTBC){2),但在发射天线数大于2时空时分组码不能达到全速率。文献3]1差分酉空时码调制( DUSTM)介绍了一种传统的全分集的准正交差分空时1.1系统模型基金项目:国家自然科学基金(No.60672032);陕酉省自然科学基础假设一发射天线为N1,接收天线数为NR的无研究项目(No.2007F28)线通信系统,信道是平坦瑞利衰落信道,在T个符收稿日期:2009-08-25作者简介:邓冬虎(196-)男碳士研究生。研究方向:MMO系统号周期内保持不变。D表示T个符号周期内由Nr空时编码技术。根发射天线发送的符号矩阵。本文只考虑T=N20X年第35卷第6期无线电通信技术遁信糸统与网络技术一的情况。假设每b个比特映射为一个酉矩阵作为信号矩阵Cn。在初始时刻n=0时,天线所发射的符号矩阵为:D其中,lM为N阶单位矩阵,表示不带任何信息。设00第n个时刻(n≥1)天线所发射的符号矩阵的差分其中,a=∑c;12;B=2×Re(c1xc-2xc)。发送方法为:为了能够将该准正交空时码用于酉差分调制,D,=D,-I Cat那么需要使得a=1,β=0,以将该准正交空时码扭那么经过信道后,第n时刻接收到的信号矩阵转为酉空时码。Y=HD+N,。与文献[3]中办法相同,采用(c1,c4)和(c2,c3)其中,H为信道衰落矩阵,且前后2个码元时刻信分别来自序列集合A1x,A1y10≤k≤2M-1和道衰落系数相同,N为独立同分布的信道噪声,满λ2xk,λ2yk10≤k≤2M-1,其中,1A1,λ2}的取值足复高斯(0,1)分布。只能为r1,r2}或|r2,r1}。那么为了满足归一化和由式(2)和式(3)可知:a=1,B=0要求Y,= HD,+N,=Y- C,-N,-I C.+由于Cn为酉矩阵,可以得知-Nn-1Cn+N满r12+1n212=2(10)足复高斯分布。Re(A1xy)=Re(2x)=常数利用式(4)进行最大似然译码,可得:假如每次发送2logM+3个比特信息,前‖Yn-yn-C.‖2logM+2个比特映射为相位序列x4,y4},而最后maxReItr(Y Y,-C)(5)一个比特bn则映射为幅度。前{x4,yk|映射方式为:其中,表示Cn所有的可能集合,而‖·‖F则表示0≤k≤M-1(11)rm范数1.2分集与编码增益文献[]中已经提到DsTM的性能标准,即其分=2.M则,0Msks2M-1。(12)集增益叮以由:Min[ramk(D4-D)]k≠l。用于星座旋转,以使得准正交空时码可以得来决定(其中,D4和D1为2个不同的信号矩阵)。到全分集增益。当该值等于Nr时,达到全分集而最后一个比特b的映射办法为,若bn=0对于一个全分集的差分空时码,编码增益由A1,A2}={r1,n2l,否则{A1,2l=|r2,r1|。Mn[ M, x det((D4-D1)(D4-D1)“)r]￥k≠l。(7)2.2译码决定。其中,(·)H表示共轭转置。为了大多最好的性能,要求编码即是全分集的假设同时,也要求编码增益最大。A=YH,-1o按照式(5)可以进行求解计算,由于{c1,c4|和2引人幅值的差分空时码c2,c3|之间都是相互独立的,所以可以将{c1,c42.1编码和c2,c3分开计算,以减小计算量。经过计算以发射天线数为4,接收天线数为1,采用MPSK式(5)简化为:调制的系统为例,采用文献[5]中所提到的准正交空 arg max Rela1*ompl(c1,c,)+k2*comp22-2,c3)l。时码。其编码矩阵为:(14)其中:(8)compli((c1,c4)=(A(1,1)+A(4,4))×c1+(A(1,4)+A(4,1))×c+(A(2,2)+A(3,3))'xc1-(A(2,3)+A(3,2)xc4(152Radio Communications Technologyvol.35No.6200y9遁信集统与网络技术comp22(c2,c3)=(A(1,2)-A(43))xc2+(A(1,3)在图1中,标有‘g的为本文算法,而ys'表示A(4,2)xc3+(A(3,4)-A(2,1)xc2+文献[3]的算法。通过仿真对比发现,文献[3]中为(A(2,4)-A(3,1)xc3(16)了增加0.5bit/s/Hz的信息传输速率,性能损失极令其严重。而本文所提算法,增加了0.25bit/s/Hz的4))信息传输速率,在BER=10-3的情况下,当M=8coml2elrr, Cr,C4)=Re(r2 x complI (cI,Ca)).(17)时性能损失约为1.75dB,当M=16时,性能损失A(i,j)表示矩阵A的第行,第j列元素。经约为1.5dB,而随着M的增大性能损失越来越小。过迭代产生两组分别适用于r和n2的数据|c1,c4由此可见所提多幅值差分空时码方案使得传输速使得com1lc和com12c分别可以得到最大。率和误比特率达到一个较好的折中。同样对于{c2,c3,令com2lc(z, c2, 63)= Re(r2 x comp 22(c2, c3))(18)com22c(r,, c2,c,)=Re(r, x comp 22(c2, c,)经过迭代产生两组分别适用于r1和r2的数据c2,e3使得com21c和com22c分别可以得到最大。e- 8psk-ys RiililiI!!!!!4 comllc(rI, cI, C4)+ com2l c(r2, C2, c3)2 12c(n2,e1,e4)+com2lc(r1,e2,e3),那么b,=0,lcc4|和{c2,c3采用第1组数据;否则,bn=1,lct,c4合32psk-)和{c2,c3采用第2组数据18202224263参数的选择1所提方案与文献[3]相比性能图参数的的选择就是为了在全分集的基础上使得5结束语编码增益最大。假设:2=y·r1e°。文献中提到式(7)等效于:本文通过引入幅值,增加比特来映射幅值,以提高信息传输速率,通过仿真表明,所提方案与原始方mn[(14+△12+1△2-△312)×(1△1-△2+142+△312)]2案相比,对传输速率和误比特率有一个较好的折中(19)并且本文所提方案也适用于其他类型的差分准正交式中,△1表示2个不同码阵C1和C2第1列中第讠空时码。但本文并没有对相位编码进行改进,这将个值之差。那么,最佳的参数就是让式(19)的最小是下步工作的重点内容。值达到最大。经计算,使得式(19)最大的数据值就是应设的争考文献参数值。表1为部分M值所对应的参数值[1] HUGHES B L. Differential space-time modulation[J].IEEE表1不同的M值所对应的参数值Trans.,2000,rr-46(7):2567-2578[2]TAROKH V, JAFARKHANI H. a differential detectionM862T/Mscheme for transmit diversity [J]. IEEE Journal on SelectedMMMAreas in Communication, 2000, 18(7): 1169-1174[3]YUEN CHAU, GUAN Yong-liang.DifferentialTransmitDiversity Based on Quasi-Onhogonal Space-Time Block Code[CJ/ IEEE Communications Society Globecom 2004: 5454仿真结果为了验证所提算法的性能,在 MATLAB下对算[4] SONG Ai-jun, WANG Gen-yuan, SU Wei-feng, et al. Unitary法进行了仿真。仿真假定为:①系统中发送天线数Space Time Codes From Alamouti s Scheme With APSKSignals[J]. IEEE Transaction on Wireless Communication为4;②系统中接收天线数为1;③信道为准静态平2004,3(6):2374-2384.坦瑞利衰落信道,信道矩阵的元素为独立同分布的[5] JAFARKHANI H. A quasi-orthogonal space-time block code零均值单位方差的复高斯随机变量。[J]. IEEE Trans on Comms, 2001, 49(1): 1-42(N年第35卷第6期无线电通官技木