一种新颖的基于子矩阵交织的差分酉空时调制

第28卷第12期电子与信息学报Vol.28No 122006年12月Journal of Electronics Information TechnologyDec.2006一种新颖的基于子矩阵交织的差分酉空时调制田继锋姜海宁罗汉文宋文涛徐友云上海交通大学电子工程系上海2000摘要差分酉空时调制 DUSTM是一种应用于时变衰落信道下的多天线调制方法。该方法在慢衰落信道下无需知道信道状态信息而能获得全发送分集增益。但是,在快速衰落信道下,其性能明显恶化并且呈现出较高的误码平层。该文通过在差分酉空时调制中引入矩阵分割和子矩阵交织等操作提出了一种基于子矩阵交织的差分酉空时调制(SM- DUSTM)方案,并对其性能进行了分析。性能分析和相应的计算机仿真证明了SM- DUSTM不仅能够继承DUSTM在慢衰落信道下的优点,而且在快速衰落信道下能够保持良好的系统性能关键词差分酉空时调制,时变衰落,多天线,交织中图分类号:TN9143文献标识码:A文章编号:1009-5896(2006)122343-04A Novel Sub-matrix Interleaved DifferentialUnitary Space-Time ModulationTian Ji-feng Jiang Hai-ning Luo Han-wen Song Wen-tao Xu You-yunDept. of Electronic Eng, Shanghai Jiaotong Univ, Shanghai 200030, China)Abstract Differential Unitary Space-Time Modulation(DUSTM), which is a multi-antenna modulation technique fortime-varying fading channels, can obtain full diversity gains without channel state information at the receiver in slowlyfading channels. For fast fading channels, however, its performance degrades considerably and suffers an irreducible errorfloor. In this paper, a novel Sub-Matrix Interleaved Differential Unitary Space-Time Modulation(SMI-DUSTM) scheme isproposed, in which matrix-segmentation and sub-matrix based interleaving are combined with conventional DUSTM. Theconstellation design criteria of SMI-DUSTM are also derived in this paper, based on the calculation of Pairwise ErrorProbability(PEP). The performance analysis and simulation results demonstrate that SMI-DUSTM can not only inherit themerit of DUSTM in slowly fading channels, but also maintain a good performance in fast fading channelsKey words Differential Unitary Space-Time Modulation(DUSTM), Time-varying fading, Multi-antenna, Interleaving1引言时矩阵沿着时间轴分割成若干子矩阵。最后,对这些子矩阵多天线无线通信系统因为能够提供更高的数据传输率进行交织处理后发送到相应的发送天线上。由于采用了子矩并保证更低的误码差错概率而得到人们越来越多的注意。阵交织的方法,本文所提的 SMI-DUSTM方案对多普勒扩展但是,大多数多天线系统假设接收端已知信道状态信息,而具有更好的鲁棒性,而且在快速衰落信道下性能明显优于传这在多数情况下是无法保证的,尤其是在时变信道或者发送统的 DUSTM。本文还对其系统性能进行了分析,计算出了端采用更多的发送天线的时候。为了解决这个问题,成对误码概率(PEP),并给出了相应的最优空时星座设计准Hochwald和 Sweldens于2000年提出了差分酉空时调制Differential Unitary Space- -Time Modulation, DUSTM)方案。2系统模型Hughes也于2000年提出类似的方案。差分酉空时调制在多天线无线通信系统包含M个发送天线和N个接收天慢衰落信道下无需知道信道状态信息而能达到信道容量,因线。假设不同发送接收天线对之间的子信道系数统计独立,而近年来获得了越来越多的关注但是在快速衰落信道且为时变平坦瑞利衰落信道,信道相干时间为T,即该信道下, DUSTM的性能急速恶化并呈现出较高的误码平层。在T个符号周期内保持不变。令xm表示在第m(m=1,2…,M本文提出了一种新颖的基于子矩阵交织的差分西空时个发送天线第r(=1,2,,D个时隙发送的基带信号,它满足调制( SMI-DUSTM方案,它不仅能够继承 DUSTM在慢衰落下式信道下的优点,而且在快速衰落信道下能够保持良好的系统性能。在SM|- DUSTM系统中,首先信息符号被映射成酉空小0时星座,然后通过差分调制,生成空时矩阵,接着将这些空在第n(m=1,2,…,M个接收天线第t(=1,2,…,T)个时隙接收到的信号ym可以如下表示2005-04-04收到,2005-0916改回国家自然科学基金(60272079)和国家863计划项目(2003AA12330)VE∑资助课题电子与信息学报第28卷其中hm为信道系数,符合均值为0每维方差为05的复高4.1发送端斯分布;nm为加性复白高斯噪声,其均值为0每维方差为在发送端,首先,对信息符号zr(=1,…,N)进行酉空N/2:E表示每个接收天线上的平均信噪比(SNR)。时调制,其过程简述如下:首先将信息符号z映射成矩阵以每M个符号为一组,假设MsT,那么可以将式(2)写v,该矩阵为西对角星座群中的元素。定义星座群2的成矩阵矢量的形式Y=√EX,H+W维数为L,(L=2),R为传输码率。根据式(4)对其进行差其中τ表示所在符号组的序号,X表示MM的发送矩阵分调制,可得酉空时矩阵X1(r=0…,N)。X的第m列表Y表示MN的接收矩阵,H为MkN的信道矩阵,W为MN示在第m个发送天线上不同时刻发送的信号。的噪声矩阵然后,对所得酉空时矩阵x进行矩阵分割,即沿着空时矩阵的时间轴将X分割成M个子矩阵,每个子矩阵维数3差分酉空时调制( DUSTM为1×M。为方便起见,将这些矩阵依时间顺序标记为2000年, Hochwald,, Sweldens和 Hughes分别提出了差x(o,x(l,…,x(M-1分酉空时调制 DUSTM)。差分酉空时调制可以看作是传通过对矩阵(N2+1)个空时矩阵X(r=0,…,N)依次作统的差分相移键控的多天线扩展。在 DUSTM系统中,信道如上分割处理,得到Na由=M(N+D)个维数为1×M的子矩相干时间T必须不小于分组时间间隔M的两倍,即,忪≌2M。阵。这些矩阵被送入子矩阵交织器中进行交织处理。定义子在发送端,首先发送单位矩阵IM,即XIM然后进行矩阵X)(=0,…,M;k=0,…,M-1)地址为Mr+k,然后按差分调制,在r=1,2,…的发送矩阵表示如下X=v, r地址从小到大依次输入到交织器中,经过交织处理后,输出其中v(2r∈{0,…,L-1)为信息矩阵,其维数为MxM子矩阵地址表示如下该矩阵从酉空时调制星座群D中选择得到。口含有L个元4=M[imd(N,+1)+(N,+1),i=0,…,N-1(9)素,即H1∈2={W=1,l=01…L-其中|·表示下取整。在接收端,接收机根据接收到的两个连续矩阵H1和y经过子矩阵交织处理,发送端一帧符号对应的发送信号进行非相干检测。根据信道假设:信道在TM符号周期内S可以表示如下:保持不变,所以r和r-1对应的信道矩阵相同,将其表示为S,={X(O),X(1)…,X(M-1)H。根据式(3),可以得到X()=[x5(,x(,…x()]k=0…,M-1H=√E,X1-1H+H1-1r=√EX1H+W其中矩阵S的第m(m≤M)行表示在第m个发送天线上不将式(4代入式(6),并根据式(5)可得同时刻发送的信号。Yr=vY+Hr-vwr-l(7)42接收端因为噪声矩阵独立分布,而且乘以一酉矩阵后其统计特性不本节推导出SMI- DUSTM的解调算法。定义发送端子矩变,所以式(7)可写成如下形式阵X-(k)(=0,…,N;k=0…,M-1)经过信道Hk)在接收端所y=Vy+√2W(8)得相应的接收子矩阵为YA),根据式(3),F+()可以表示如其中W为加性独立CN(0,N)分布噪声,维数为MxN。这下:样原来的非相干检测转化成了相干检测,只是信噪比降低了Y(k)=VE,X,()H, (k)+W,(),子矩阵交织 DUSTM( SMI-DUSTM)发送信号S对应的接收信号S,可以表示为本节对SM-DUTM进行描述。系统框图如图1所示。S=[Yo,yY()…Y(M-1)r()1[x(x(6.,k=0-,M-1(12)该算法对一帧符号进行处理,假设帧长为N,对应的一符号表示为21,2,…,zM在接收端,对S进行子矩阵合并处理,即将S中具有DUSTM相同下标τ的接收子矩阵Yr(k)合并成等价接收矩阵x=0…,N),即F=[rOrF0)…,r(M-1)],Sub-matrsegmentation(r=0,…N)。根据式(1),F和F:可以表示如下Sub-matrixReceive平=√E,豆,+(13),=√E,x,+所(14)Differential space-timsymbol其中X=dag{x(O)…,xM-1),豆,=[H(O图1SMI- DUSTM系统框图Fig 1 System diagram of SMI-DUSTM schemeH(M-],W=[w),…,H(M-时]12期田继锋等:一种新颖的基于子矩阵交织的差分酉空时调制2345定义v,=dg400…,M-时,根据式(则有其中d(21)2N4-1),表示Foes范数x=x()…X(M-1)在高信噪比情况下,式(14)中的噪声项可以被忽略,此时d2V,)可表示为dgy20…,(M-xx2(0)…,x(M-0d(4,)={E“对料E"E,(2)[v0x0,…wM-Dx(M-05)其中E含1,因为和均为对角矩阵,所以EE故X()=V2()XxF1(k),k=0,…,M-1,即可以定义为E"E=EE=dag{a…,}·定义矩阵φ如会HE"ER假设发送信号S中两个相邻子矩阵经历相同的信道衰落,即=dag(tx"(o)X、O),…,-x(M-1)X(M信道的相干时间至少大于2个符号周期,即T2。由式(10)知子矩阵Xk)和X1(k)为相邻子矩阵,所以二者经历的信道衰将式(23)代入式(22)得到落相同,用H(k)来表示,即d'(v, Vi)=E, h"AhnH(k)=Hr1(k)=H(k),z=1,…,N;k=0,…,M-1(17其中A=diag{,…,卟} E CA所以,式(13)中的,和式14)中的亦相同用矩阵厅来将式(24)代入式2,并对信道系数取平均,得到表示,即EP(V,→VB(25)H=Hr-=h将式(16),式(18代入式(13)和式(14),得到其中G=mk(4表示分集增益,O=m[de()x第=,1+-甲=+甲0(9c(4ym表示编码增益,由式25可得 SMI-DUSTM系其中W为MXN白噪声矩阵,服从CNQ.,M分布。式(9)统的星座设计准则中不含信道矩阵H,所以可以采用相干检测的方法进行解准则1(分集增益准则)设计最优对角酉空时星座群调。采用最大似然 Maximum-Likelihood,ML)检测,信息符,使得对于Q中任两个不同元素V和y,矩阵号z的估计值2表示如下:E=V-V保持满秩;-v‖准则2(编码增益准则)设计最优对角酉空时星座群吗Bm+-P一那H2,使得对于2中任两个不同元素和F,行列式=ag, max tr{"v+到P"de(-)最大化将以上描述的设计准则与文献[4,5]中提出的设计准则ax Retr Hv Y,-(20)相比较,不难得出如下结论:对于传统的 DUSTM系统最优5性能分析的对角酉群,对SMI- DUSTM系统来说也是最优的。所以在设计SM- DUSTM系统星座时可以采用文献[4,5,9所提出本节通过计算 SMI-DUStM系统的成对误码概率的最优星座结构。( Pairwise Error Probability,PEP)对其系统性能进行分析。在这里,PEP定义为在接收端将发送信息矩阵V判决成6仿真结果v(V∈,V#)的概率。将信道矩阵H()中的为了验证SMI- DUSTM系统在时变平坦瑞利衰落信道下元素表示成地),其中1sm≤M,1snsM,0sk≤Ml。那么发送的性能,本节对 SMI-DUSTM系统在不同多普勒扩展情况下天线与第p个接收天线间的信道向量可以表示为b,=的性能进行了计算机仿真。多普勒扩展用归一化的多普勒频(1spsN),其中-[…,移fT来度量,其中f表示最大多普勒频移,T表示一个传OsksM-1输符号周期。信道系数根据 Jakes模型生成10。仿真中采用为了计算PEP,将式(18)中的信道矩阵厅矢量化为M4个发送天线,N=1个接收天线星座采用文献中的(16n…]∈并做如下假设1,3,5,7)酉群码,其传输码率为1。图2给出了在慢衰落信道(GT=0.001)下 SMI-DUSTM和(1)MNM1维信道矢量h服从零均值复高斯分布,并DUSTM的性能比较。从图2可以看出,SMl- DUSTM呈现且其相关矩阵R4=E{h}满秩出与 DUSTM近似相同的性能曲线,这表明在慢衰落信道下,(2)较高的信噪比SMI-DUSTM继承了 DUSTM的优点,并且能够获得全发送根据式(19),SM- DUSTM系统的条件PEP的 Chernoff分集增益。限可以近似如下图3比较了SMI- DUSTM和 DUSTM在快速衰落信道P(→HB)≤ep{u(,")/(8)2)(=0)中的性能,由图3可以看出, SMI-DUSTM性能明2346电子与倍息学报第28卷参考文献[1 Foschini G J. 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Theory,200,46(7):2567-2578DUSTM的性能比较。由图4中可以看出, DUSTM系统性能明6]LiH. Differential space-time modulation with maximum显恶化并呈现出很高的误码平层,当信噪比SNR=20dB时,比spatio-spectral diversity [A]. ICC'03 [Cl. Seattle, USA, 2003, 4特误码率仍高达2×10而此时 SMI-DUSTM仍保持良好性能:l1-15.当信噪比SNR=20dB时,其比特误码率为8×104[7 Ma Q, Tepedelenlioglu C, Liu Z. Full diversity block diagonaldcs for differential space-time-frequency coded OFDM [AlGLOBECOM'03 (C], San Francisco, USA, 2003, 2: 868-872H SMI-DUSTM[8] Yao Y, Howlader M. Serial concatenated single differentialspace-time coded OFDM system [A]. ICC 03 [], Seattle, USA,2003,5:3150-31546101418Hughes B L. Optimal space-time constellations from groups [JI图4 SMI-DUSTM与 DUSTM在高速衰落信道IEEE Trans. Info. Theory, 2003, 49(2):401-410.fT=0.05)下的性能仿真[10] Jakes w C Microwave mobile communications [M]. New York4 Peance comparison of SMI-DUSTM and DUSTMery fast fading environment (T: 0.05)7结束语田继锋:男,1976年生,博士生,从事空时编码、OFDM调制技术研究为了抵抗多天线系统中的快速信道衰落,本文提出了一姜海宁:女,1977年生,博士生,从事空时编码、B3G移动通信种新颖的基于子矩阵交织的差分酉空时调制( SMI-DUSTM)系统关键技术的研究方案。在慢衰落信道下,SM- DUSTM无需信道状态信息仍罗汉文:男,1950年生,教授,长期从事B3G/4G移动通信系统能获得全发送分集,而且,通过子矩阵交织处理,在快速衰及其关健技术的研究落信道下仍然保持了良好的性能。性能分析和实验仿真证明宋文涛:男,1936年生,教授,博生导师,长期从事移动通信、了SMI- DUSTM系统在快速衰落信道下性能明显优于传统的卫星通信的研究DUSTM系统。徐友云:毋,1966年生,教授,主要从事移动通信、信道编码调制技术的研究