MIMO传输系统中差分空时编码的能耗分析 MIMO传输系统中差分空时编码的能耗分析

MIMO传输系统中差分空时编码的能耗分析

  • 期刊名字:信息技术
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  • 论文作者:杨岳,储昭才,苏雪娟
  • 作者单位:安徽大学电子科学与技术学院
  • 更新时间:2020-03-23
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9信息技术2009年第6期中图分类号:TN14文献标识码:A文章编号:100-2552(2009106-04-0MIMO传输系统中差分空时编码的能耗分析杨岳,储昭才,苏雪娟(安徽大学电子科学与技术学院,合肥2009)摘要:Alam方案是为发射天线数为2的系统提供完全发射分集增益的一种空时分组码,该编码译码方案简单,在接收端采用最大释然译码算法,因而得到了广泛的应用。但是该编码方案需要在接收端恢复信道系数才能进行译码。所以许多有关空时编码的研究都是假设信道的状态在接收端是已知的。而基于正交的差分空时编码方案可以在接收端不知道信道状态信息下进行译码,因而可以简化译码电路。主要分析了在多入多出无线传输条件下基于正交的差分空时编码在发射端的能量消耗,并通过仿真比较了该差分空时编码与传统的 alamouti编码在一定的误码率条件下随着传输距高的不同发射端发射每比特信息所需要的能量,关键词:MMo; DSTBC;能耗;分析Analysis of transmitting energy consumption of DSTBCbased on MIMO systemYANG Yue, CHU Zhao-cai, SU Xue- juanSchool of Electronic Science and Technology, Anhui University, Hefei 230039, China)Abstract: Space-time coding and modulation exploit the presence of multiple transmit antennas to improveperfomance on multipath radio channels, Traditional Alamouti code which can provide full diversity order withtwo-branch transmit antennas is based on the fact that the reciever has perfectly known the channeinformation. In certain situations, however, it may be difficult or costly to estimate the channel accurately.Thus, it is natural to consider modulation techniques that do not require channel estimates at the transmitter orreceiver.Differential space-time code( DSTBC)is also a kind of space-time block code(STBC)which doesnot need to know the channel infomation at the receiver to decode and not require any bandwidth expansion orany feedback from the receiver to the transmitter. This paper analyses the energy consumption of differentialspace-time code based on the MIMO system on the assumption that the channel is flat and compares thetransmitting energy per bit of dSTBC with traditional Alamouti code under different distanceKey words: MIMO: DSTBC; energy consumption; analysis0引言道容量的一种可行有效的方法。该编码在多根发射随着因特网和多媒体应用在下一代无线通信中天线和各个时间周期的发射信号之间能够产生空域的集成宽带高速数据通信服务的需要正在不断增和时域的相关性。这种空时相关性可以使接收机克长。由于可用无线频谱资源的有限性高数据速率服MMO信道衰落和减少误码率。Aami方案只能通过高效的信号处理来实现。MMo技术利用是为发射天线数为2的系统提供完全发射分集增益多天线能有效地抑制多径衰落,并且在不增加带宽收稿日期:2008-10-08和天线发射功率的情况下可以成倍地提高频谱利作者简介:杨(984-),男,安徽大学电子科学与技术学院2x06用率。而使用空时编码是达到或接近MIMO无线信级研究生,主要研究方向为无线通信。的一种空时分组码,该编码译码方案简单,在接收端该式称为“差分编码准则”。重复这个过程,直到整个采用最大释然译码算法,因而得到了广泛的应用。帧发送完毕。但是该编码方案需要在接收端恢复信道系数才能进②差分系数计算方法:将每次输入2m比特进行译码。所以许多有关空时编码的研究都是假设信行调制得到调制信号和根据下式进行计算:道的状态在接收端是已知的。在实际应用中,当信R(2)道缓慢变化时,发射机可以发送导频序列从而使接R2=-a3a2+a4a1(3)收机能够准确的估计信道,而且这样会消耗多余的这样对于同一参考信号,不同的输入比特映射为不能量。但是在一些情况下(例如高速移动的环境或同的差分系数。例如:对BPSK,参考信号(a1,a2)=者信道快速衰落时),很难准确地估计信道,或者准(1/2,1/2),根据上式就可以得到所有可能输入比确估计信道的代价很高。因此需要一种在接收端即特与差分系数矢量(R1,R2)之间的映射关系使不知道信道状态信息也可以进行译码的编码,而M(00)=V(1,0)基于正交的差分空时编码( DSTBC)可以在接收端不M(10)=V(0,1)使用信道估计的情况下进行译码,并且其差分编码(4)M(01)=V(0,-1)和译码算法都很简单。因而在实际应用中差分空时编码系统的复杂度会降低。M(11)=V(-1,0)③差分译码:假设接收天线数为1,r表示t时1差分空时编码( DSTBC)原理刻接收到的信号,接收天线在时刻2t-1,2t,2t+1在单天线时采用差分检测技术可以保证在没2+2接收到的信号分别为:有信道信息和导引序列的情况下,仍能以较好的性r21=h1x21-1+h2x21+n2-1(5)能恢复出原始序列。差分在单天线中的应用使得人r2=-h1x2+h2x2-1+(6)们考虑是否可将其扩展到多天线系统。在此基础r2n+1=h1x2+1+h2x212+上, V, Tarokh和H. Jafarkhani于2000年构造了针对两根发射天线的差分检测技术。其发送码矩阵的形r2a+2=-h1x2x+2+h2x,1+n2x+2式类似于 alamouti编码发送矩阵,具有正交性。接收机关于R1和R2的判决统计量分别定义为①两根发射天线基于正交设计的差分STBC原R1=(r2a+,rz+2)g(r2-1,r2)=理框图如图1所示(9)r延迟2+lr2t-f2t+2r2:-1(10)信息比特「映射B>R,R礼符号计算sTBC编码译码时,从矢量集V中找到离统计判决量最近的系数矢量作为判决器的输出,然后进行逆映射,得到相图1两根发射天线的 DSTBC编码框图应的输入信息比特,这样就完成了译码。如果接收天差分空时码采用2BK调制每次输入2m比线数为k(k>1),只需按相同的方同的接收特将其映射为两个差分系数R1和R2,它们将用于天线计算判决统计量R和R,然后相加得:后面的符号计算,并且这种映射是一种一一对应的R:=∑R(11)关系。用V表示系统矢量集,V中共有2m个不同的元素,所有的元素长度均为1。发射机首先在时刻1R2=∑k(12)分别从天线1和天线2发送参考信号a1=x1和④2=x2,根据ALmi编码规则←,在时刻2分别即可。发送信号x2和x。这两次传输不携带任何数据2能耗分析信息。然后发射机用差分模式对数据序列编码,并按在发射端,发射天线的发射功率为如下方式进行编码。在时刻3从天线1和天线2发送Pr=EGC入2MIN(13)的信号x3和x4,它们需要根据先前发送的信号x1和x2以及映射产生的差分系数R1和R2计算求出,其中E是在确定的误码率条件下每比特信息所需具体方法为要的能量,R4是比特速率,d是信号传输距离λ是/+(1)载波波长,M是用于补偿电路处理和加性背景噪声或干扰的链路差额,N=(N/N。)是接收机噪声影响因子。其中,。=-20.9dBW/H)是噪声温度d为300k的热噪声单边功率谱密度( Power Spectral22 dstbDensity PSD),N是接收机输入端总的噪声影响的FSD,G1是发射天线功率增益,G,是接收天线功率增益。对于不同的场合,n取值不同,自由空间传播模型n=2市区蜂窝阴影n=3,4,5根据式(13),愿叫发射端每比特所消耗的能量En= PR=E(4T)dM N,(14)式中,E可以用仿真的方法得到。在二进制时,信噪比(SNR)表示如下(15)图22*2的 DSTBC与Aamu编码性能比较其中,E6是发送一个比特所需要的能量,n0是噪声单边功率谱密度,R是比特传输速率,B是接收机带22 dstbc宽在多天线传输中假设传输数率R=,则有S Eb(16当发射端有两根发射天线可以通过仿真得到满足所要求的误码率的SNR,假设在发射端天线的功率是平均分配的则每根天线上发射每比特信息所需要的能量Eb3性能仿真传输距离/m本文采用BK调制方案,假定信道模型为瑞图322的DmBC和Am编码在发射端每比特所消耗的能量利平坦衰落信道,n的取值为2,误码率要求为ps道估计所以这将会消耗额外的能量,而且接收端的103发射功率相关参数如下:载频∫。=2.5GH,译码电路也会变得复杂。GG=5dBi,M=10B,M=4dB,噪声的单边功参考文献:率谱密度m0=-174 dBm/Hz。图2给出了两根接t]黄韬MM相关技术与应用(M]机械工业出版社200[2] Branka vucetic王晓梅,等箏译空时编码技术[M]机械工业出版收天线的DSBC编码和 Alamouti编码性能的仿真比较从仿真结果中可以得出当误码率为10°时,(3] Brian L Hughes, Diferential Space-Time Modulation].BEmDSTC和 Alamouti编码所需要的信噪比分别为cnT20,6(7):2567-257815.2dB和12.5dB。图3给出了随着发射距离的增4】 Goldsmith Cui A J,BhiA. Energy-efficiemcy o MIMO and coopera-加 DSTBC与 alamouti编码各自每比特所消耗的能量tive MIMO techniques in sensor networks[J]. IEEE Joum. Select.的仿真结果。Areas. Commn, 2003, submitted[5] Tarokh V Space-time Block Coding for Wireless Commumications:Per.4结束语formance Results[J]. IEEE J on Select A reas Com.,1999: 451通过实验仿真的方法,得到了在不同的传输距离下 Alamouti编码和DSBC在发射端每比特信息所6] Vahid Tarokh, Nambi Seshadni, aldebankAR. Space-Time Codes for消耗的能量,通过仿真结果可以得到随着传输距离High Data Rate Wireless Communications: Performance Criterion andCaMe Canstructian[J]. IEEE Trans hn farm Theary, Mar 1998,44:744的增加, Alamouti编码每比特信息所消耗的能量要小于DSBC每比特信息所消耗的能量。然而上述[77mkhv, Hamid Tafarkhani. A Differential Detecion Scheme forAlamouti编码都是假设信道的状态信息是已知的。Transmit Diversity[J].IEEE Trans JSAC,2000, 18(7): 1169-1174.在实际中,还要通过发射额外的训练序列来进行信贵任编辑:肖滨

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