差分酉空时调制

2009年第01期,第42卷通信技术Vol.42,No.01,2009总第205Communications TechnologyNo 205, Totally差分酉空时调制李庆坤,马红光,李正生第二炮兵工程学院,陕西西安710025)【摘要】总结了差分酉空时调制的原理和编译码方法。差分酉空时调制是多输入多输出(MIM0)无线通信中不需要信道信息的一种调制方法,它的性能比相干检测接收差3dB。文中首先介绍了酉空时调制的基本原理和在各种信噪比下的信号星座图的设计原则;然后在此基础上介绍了不需要信道信息的差分酉空时调制;最后介绍了差分酉空时调制的最新进展,指出了其研究方向【关键词】多输入多输出;差分酉空时调制;信号星座;迭代【中图分类号】TN911.22【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2009)01-0056-03Differential Unitary Space-Time ModulationLI Qing-kun, MA Hong-guang, LI Zheng-sheng(The Second Artillery Engineering College, Xi'an Shaanxi 710025, China)(Abstract) This paper summarizes the principle, coding and decoding of Differential Unitary Space-Time Coding(DUSTC). DUSTC is a modulation for the MIMO when the channel state information (CSI) is absent. The performanceof dUStC is degraded 3dB as compared to the coherent receiver. This paper first presents the basic principle andthe design criterion for the signal constellations under the different Signal-Noise Ratio, and then describesthe dustc demanding no CSI. Finally, this paper points out the recent advancements and the development directionof the dustc(Key words] MIMO: DUSTC: signal constellation: iterati0引言献[45]表明,酉空时调制是高信噪比下一种达到信道容量的信息论,多输入多输岀( MIMO)系统能够显著地提高信最佳调制方法。本文综述了酉空时调制编码的原理、设计原道容量2。MMO技术中的空时编码技术通过将时间分集和则和发展方向。空间分集结合起来,分别在时域和空域引入冗余,提高了系统的传输性能。在接收端能够得到精确信道信息的情况下,1系统模型mou空时分组码已有令人满意的使用效果3,并已经纳假设通信系统发送端和接收端的天线数目分别为入3GPP标准T′是信道相干时间,表示该信道在T′个符号周期内可以认但是,在信道特性快速变化的移动环境中进行有效的信为其信道衰落系数保持恒定。T是信号星座中酉矩阵的时间道估计是很困难的,在某些情况下甚至是不现实的。因此研维长度,T2时,MPSK存在信号扩展,而且对于复信号很难应用于发射天线数大于2的系统:有关文接收天线n在t时刻的接收信号可表示为收稿日期:2008-04-28。作者简介:李庆坤(1976-),男,博士研究生,主要研究方向为MMO技术、空时编码技术等:马红光,(1959-),男,教授,主要研究方向为信号与信息处理:李正生,(1957-),男,教授,主要研究方向为信号与信息处理。h sn=1,…,N其中hm为从发射天线m到接收天线n的信道系数,假定其在T个符号周期内是恒定不变的,并且服从独立同CNO.1)分布;wnm为服从CNO,1)分布的高斯白噪声;p为各接收天S线上的平均信噪比。则在T个符号时间间隔内,式(2)可22v2S3Vz3Vz2vzi其中H={hm}为MN信道系数矩阵,S={sm}为一个T×M图1差分西空时调制原理发射信号矩阵。T×N矩阵X和W分别表示接收信号和加性在图1中,V为一个M×M的酉矩阵,信息源中的每噪声矩阵。R×T比特信息映射为矩阵Φ,φ为T×M的酉矩阵,其中T=2*M,中3的上半部分为MXM的单位阵,下半部分为2酉空时调制对应R×T比特信息的M×M酉矩阵。在差分编码当中,用由于酉矩阵的优良正交性,使其编码和译码简单,所以当前的信息矩阵的下半部分v左乘前一个信号矩阵,在空时编码中有较好的应用,尤其在差分空时编码中更具有即s=V*,这样,S1的上半部分和S1的下半部分相同。良好的性能。酉空时调制通过将一定比特的信息映射为酉矩发射时,在一帧的开始时刻(i=0)发射一个已知参考矩阵,阵,直接完成了编码与调制。一般为单位阵,然后将Si=1…)的下半部分(如图1)从M假定待发射的数据集合为Z1、Z2,…,∈{0,1…,L-1},个天线在M个符号时间内发射出去。假设在一帧符号周期内其中每个符号代表RXT个比特信息。这就需要一个含有L信道参数保持恒定(准静态衰落),那么接收信号的形式如个MXT酉矩阵的矩阵集合v={V…VL}作为信号星座(4)式所示。又由于并在Z和集合v内的信号矩阵建立一一对应关系。如果信道的频谱利用率为R,则L=2。一般情况下,取T=M,这由(6)式得:样发射信号为S=V,1=1,2,…,V∈ν。接收天线接收到的信S号矩阵为将(7)代入(4)式,得X=V*X1+W。其中W′=X,=S*H+H,t=1,2,…W-V*W1,因为V为酉矩阵,所以W′仍服从均值为0在已知信道信息的情况下,利用最大似然方法译出信号。如的高斯分布,只是方差增加一倍。这样Z的最大似然估计表式(5)所示达式为2,=arg)x, -V,HlZt=argminlX, -V, x,l(8)l=0…L-1=0.L-1在上面的分析中,信号星座的设计是一个重要的内容,从(8)式可以看出,差分酉空时译码不需要信道信息,这它直接决定着方案性能的优劣。文献6系统地提出了两种设特性对于接受端与未知信道参数的情况尤其适用。但同时计信号星座图的方法:一种是利用信号处理的方法;另一种可以看出,由W′的方差是W的2倍,所以这种方案的译是利用代数理论的方法。两种方法的最后结果相同。码性能比相干接收的情况恶化约3dB。而正因为这里的性能此外,文献[7利用信号的旋转不变性对信号星座的优化恶化,才导致了各种接收算法设计进行了研究。通过对文献[6中的信号星座进行旋转,可3.2一种新的差分酉空时译码方案以得到最优的信号星座,可使性能得到一定程度的改善在上一节所述差分酉空时调制的基础上, Zhengfeng du等于2006年提出了迭代译码的差分酉空时方案。如图2所3差分酉空时调制示,该方案可以适当改善因差分译码而导致的性能恶化。在前面所述酉空时调制均是假定接收端能够精确获得信这个方案中,发射端的编码和传统的酉空时调制相同。在接道信息,这样才能利用式(5)进行相干检测,译出信息收端,首先利用传统的方法译出信息的估值,将得到的信息然而随着通信信道环境的复杂化,并且终端移动速度加快,估值再次进行差分酉空时编码,得到§对于具有多发射天线空时调制的信道估计变得越来越困难(1)利用(9)式得到信道参数的估计值H在有些时候甚至不现实。因此,研究接收端不需要信道信息(2)然后由H利用(10)式进行相干信号检测,得到的差分酉空时调制很有现实意义。3.1差分酉空时调制s+]"差分酉空时调制是单天线差分调制在空时领域的推广(10)图1为其编码原理这样对1)和2)两个步骤循环迭代,直到信道系数变化很小或迭代到指定次数后停止,将最后得到的S利用息很难得到的情形。它的编译码相对简单,能够克服传统正差分译码译出源信息,图2为该方案的方框图。交差分空时编码的星座扩展问题。差分酉空时调制和OFDM这种新的迭代译码差分酉空时调制在一定程度上改善的结合是其在宽带系统中的应用,是将来一个重要的研究方了系统的性能,但这是以接收机译码复杂度增加为代价。图向。此外,有学者提出在接收端利用多个接收信号来进行多3为该方案的性能仿真图,仿真条件是两个发射天线和两个符号差分译码,从理论上可以改善译码的性能,甚至逼近相接收天线,信息速率R=干接收的性能。但存在计算复杂度过大问题。如何解决计算复杂度过大问题,是这个领域一个重要的研究方向信息源差分酉四空时编码空时译码参考文献[1] Emre Telatar, Capacity of multi-antenna Gaussian channels LJTelecommunications, 1999, (06)相干检测空时编码585-595信道估计communications in a fading environment when using multipleantennas[I. Bell Labs. Tech. J., 1996, 6(02): 41-59图2差分酉空时迭代译码示意[3] ALAMOUTI S M. A simple transmit diversity technique for母传统方案wireless communications [JI. IEEE J Select Areas Commun, 1998号新方案16(8):1451-145[4] Hochwald B M, Marzetta T L. Unitary space-time modulation formultiple-antenna communication in Rayleigh flat fading LJ]IEEE Trans. On Information Theory, 2000, 46(2): 543-564.[5] Marzetta T L, Hochwald B M. Capacity of a mobile multipleantenna communication link in Rayleigh flat-fading[J]. IEEETrans, On Information Theory, 1999, 45(1):139-157图3新差分酉空时译码性能仿真[6] Hochwald B M, Marzetta T L, Richardson T J, et al. Systematic但该方法也存在一定的缺陷,(9)式的信道估计是建立design of unitary space-time constellations [J. IEEE Trans.在信道参数统计特性基础之上的,所以需要足够多的数据才OnIT,200,IT-46(6):1962-1973能确保信道估计值H的正确概率大,这就需要信道的相干[7]李君,曹海燕,韦岗,一种性能更优的差分酉空时码正交旋转信号时间较长,也就是信号经历的是慢衰落或准静态衰落信道。星座[J.电子学报,2005,33(10):1770-1773图4的仿真是每一帧包含1024个符号。而差分酉空时调制的8] Du Zhengfeng, Gao Xigi, A New Don Scheme for Differentia设计初衷是应用于快衰落信道。而在信道相干时间较短的快Unitary Space-Time Modulation [A]. In: Proceed衰落情形下,该方案性能优势并不明显。因此,这种方法存IEEE Information Theory Workshop(ITW'06)October 22-26 2006在一定的局限性Chengdu, China, Chengdu: [s n1,2006: 646-649[9 PAULI V, LAMPE L. Multiple-symbol differential sphere decoding4结语for unitary space-time modulation[A]. In: Proc IEEE GLOBECOMO5差分酉空时调制在信道信息未知的情况下是一种性能良M0,UsA,200,USA:[s.n.],2005:1630-1635好的解决方案,这使它非常适合信道信息快速变化或信道信(上接第55页)2]张帆,伍剑,林金桐.基于电吸收调制器晶体(EM)的超短脉冲特性3R Regeneration Using Cross-Absorption Modulation in a Bulk研究[J.光子学报,2000,29(07):146-13Electroabsorption Modulator[J]. Journal of Lightwave[3] Kohsuke Nishimura. ALL-Optical Wavelength Conversion byTechnology,2006,24:3035-3044Electroabsorption Modulator [J]. 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