空时编码研究进展综述

2024-05-21

空时编码研究进展综述（精选5篇）

空时编码研究进展综述第1篇

近年来,无线通信技术发展迅速,MIMO系统由于其通信容量大、频谱利用率高的特点,在无线通信领域具有广泛应用前景,有关MIMO系统空时编码研究是当前的研究热点之一。空时编码是由无线通信分集技术发展而来,其技术发展经历了由接收端空间分集技术—发送端分集技术—空时码与发送分集的相结合,直到现在的MIMO与空时码的结合。

MIMO与空时码结合的技术是通过在接收端和发射端空时二维甚至空时频三维的联合设计和优化的编码、调制。空时编码模型最早由美国的Lucent Bell实验室提出,在无线通信中用多元天线构造出了分层空时结构(LSTC),并开发出了BLAST试验系统。随后,美国AT&T实验室提出了空时编码(STC)概念,获得了较好的频谱有效性和功率有效性。在此后,又产生了空时网格编码(STTC)和采用正交分组编码的空时分组编码(STBC)。为了解决信道估计难的问题,后又出现了差分空时编码(DSTBC)和酉空时编码(USTC)。随着无线通信技术的进一步发展,分布式无线通信受到越来越多的关注,出现了一种新的空间分集技术——协作分集,即通过多用户之间共享天线和其他网络资源的形式构造“虚拟多天线阵列”,并通过分布式处理产生协作来获得一定的空间分集增益[1]。分布式天线结构的(MIMO)系统,可以使得收发天线间的链路更加独立,空间相关性更弱,能达到更高的系统容量。

对3种典型的空时编码的主要特性进行分析对比,指出了当前空时编码的研究动态和方向;针对分布式协作通信的特点,介绍了分布式空时编码原理和研究方向;并对空时频编码进行了介绍。

1 MIMO系统模型

1.1 MIMO系统模型

MIMO系统原理如图1所示。系统的发送端与接收端均采用由多个天线组成的天线阵列,在发送端将信源的数据信息通过串并变换分为多路并行传输的信号,经空时编码、映射与调制后由多个天线同时、同频进行发送,在接收端依靠其特殊的结构方式与信号处理过程来实现各子信号流的分离,分别进行解调、解映射与空时解码,最后通过并串变换将已恢复的各子信号流合并为原有的串行数据信息。

假设信道增益在发送端为未知,而在接收端能够通过理想的信道估计得到。设发送端天线数为nT,接收端天线数为nR,则MIMO系统的链路关系可以由下式来表示:

r=Ht+n, (1)

式中,信道传输矩阵H为nR行nT列的矩阵,其元素hij表示第j根发射天线和第i根接收天线之间的信道增益,在瑞利衰落信道中服从零均值、单位方差的复高斯分布;r $= [r_{i}]^{Τ}, i = 1, 2, \dots, n_{R}$ 为列矢量,表示nR根接收天线上收到的信号,它是由nT根发射天线所发射的信号t $= [t_{i}]^{Τ}, i = 1, 2, \dots n^{Τ}$ 经信道传输后叠加并加上高斯白噪声干扰n $= [n_{i}]^{Τ}, i = 1, 2, \dots, n_{R}$ ,ni为零均值,方差为σ2的高斯分布。

1.2 分布式MIMO系统模型

协作MIMO系统框图如图2所示。假设多跳协作网络包含2节点类型:低端数据采集点和高端信宿节点。信宿节点配备多天线,而每个数据采集点只配备单天线。相互靠得很近的数据采集节点发送数据给信宿时,它们可以共享彼此天线形成虚拟的多天线发射端,然后与信宿多天线一起构建协作MIMO系统。在协作MIMO多个射天线中,每个数据采集节点都充当一个天线单元,发射天线由组成该系统的数据采集节点天线构成。与传统单节点多天线MIMO不同,协作MIMO是利用单天线终端间的相互协作,以此形成虚拟多天线发射阵列,结合接收端基站多天线接收,它可以有效利用单节点多天线MIMO系统的空间分集增益,抵抗多径衰落并提高系统性能。

假设协作MIMO系统分布式节点数为NT,信宿节点接收数NR,则系统输入输出关系可以表示为:

r(t)=H(t)s(t)+w(t) , (2)

$r (t) = [r_{1} (t), r_{2} (t), \dots r_{Ν_{R}}]^{Τ}, Η (t) = [h_{i j} (t)] \in C^{Ν_{R} \times Ν_{Τ}}, s (t) = [S_{1} (t), S_{2} (t), \dots S_{Ν_{R}}]^{Τ}$ 。S(t)为t时刻Nr个协作节点的发送信号矢量,H(t)为协作MIMO信道矩阵,其元素为协作节点间的信道衰落系数,w(t)=[w1(t),w2(t),…wNR(t)]T复加性高斯白噪声向量,服从零均值向量,协方差阵σ2(t)I。设虚拟发射天线与接收天线间的信道衰落系数相互独立,则传输信道矩阵为:

式中,hij(t),i=1,2,…,NR,j=1,2,…,NT表示在时刻t第j个协作节点发射天线到第i根接收天线间的信道衰落系数。考虑信源与多个中继共享彼此天线构成的虚拟开环发送分集,接收端采用最大比合并(MRC)准则与极大似然(ML)判决算法,同时假设接收机可以从接收信号中准确获知信道衰落系数而发射机未知信道状态信息(CSI)[2],且在一个符号周期内,信道为平坦衰落。

2 空时编码

MIMO系统中最重要的信号处理环节就是空时编码,它是利用多个发射和接收天线,将发射和接收分集相结合,在各阵元的发射信号之间引入了时域和空域的相关,有效地对抗多径信道衰落,增加了系统的容量,并获得分集增益和编码增益。空时编码目前主要有3大类型:即空时分组码(STBC)、分层空时码(LSTC)和空时网格码(STTC)。

2.1 典型的空时编码方式

2.1.1 空时分组码(STBC)

空时分组码是根据广义正交原理在Alamouti的基础上产生的,由于其编码矩阵列与列之间的正交性,人为造成了天线发送信号的正交,从而使接收端可以用最大似然译码,大大降低了译码的复杂度,而且仍能得到最大的发射分集增益。虽然STBC相对于STTC性能虽然略有下降,但译码复杂度要简单的多,因此受到人们的广泛关注。图3和图4分别为空时分组编码的发射机和接收机框图及对应的编码与解码示意图。

2.1.2 分层空时码(LSTC)

将输入的信息比特流分解成多个比特流,独立地进行编码、调制、映射到多条发射天线上。这些码元共享载频(FDMA/ TDMA)或相同的扩展码(CDMA)。在接收端,采用特殊的处理技术,将这些一起到达接收天线的信号分离,然后送到相应的解码器。LST 是目前已知的唯一一种可以使频带利用率随着min(n,m)线性增加的编码方式。另外分层空时码的译码复杂度比空时网格码低。但该码不是基于发射分集,所以它并不能提供额外的空间分集增益。

2.1.3 空时网格编码(STTC)

可看作一个有限状态转移器,最新的一组数据流的值可以确定当前状态和下一状态之间的转换关系,这一转换的结果就是空时码元的发射过程。空时网格编码将传输分集与信道编码相结合,提高了系统的抗衰落性能,并且可以利用多进制调制(如QPSK,8PSK)等方式提高系统的传输速率。可获得尽可能大的分集增益和编码增益而不用牺牲传输带宽,适用于高速数据传输。但由于其译码复杂度与发射数据的速率成指数关系,所以译码复杂度极高,较难实现。

2.2 3种典型空时码的主要特性比较

3种典型空时码的主要特性比较如表1所示。

2.3 当前尚需研究的问题

由于空时分组编码具有空间分集增益大,译码难度低的特点,在集中式MIMO系统中较多采用。要获得大的分集增益,空时分组码需采用正交设计,但却带来不能保证全速率传输的问题,将会造成发射端数据的积压。文献[3]提出了基于非正交设计,且具有低解码复杂度的全分集全码率空时编码方法,可以获得和Damen 码相近的误码性能,同时大大降低解码复杂度。但其低解码复杂度非正交空时码只适用于2发2收的MIMO系统。文献[4]提出了一种适用于4发2收MIMO系统、具有低解码复杂度的全分集全码率空时编码方案。该方案与前一方案相比,在具有相近解码复杂度的情况下,能取得更好的误码性能和分集增益。总之,空时分组码的研究方向是寻找非正交、低解码复杂度、适用多发以及多收天线的全分集全码率空时编码。另外,上述3种典型的空时码,均要求接收端能够准确地估计信道特性,这大大限制了其使用范围。于是产生了不需要接收端信道估计的空时码,如差分空时码和酉空时码以及采用非相干检测等方法。

3 分布式空时编码

分布式协作分集是一种虚拟MIMO 技术,其发射用户和接收用户间的信道状态信息(CSI)难以获知,目前较多采用差分分组码(DSTBC)。下面介绍一种使用差分编解码的部分相干分布式空时码方案,其网络模型如图5所示,它包括源节点、目的节点和R个中继节点,其中每个节点包括发送天线和接收天线,节点不能同时发送和接收,为半双工制。fi表示从源节点到中继节点信道的增益,gi表示从中继节点到目的节点的信道增益,均为满足独立同分布的零均值、单位方差高斯复变量。

s(k)表示在第k个循环中源节点发送的信号矢量,s(k)=G(k)s(k-1)。在第k个循环中目的节点的接收矢量为:

$y (k) = \sqrt{ρ} C (k) h + n (k)$ ,

其中:

C(k)=[A1s(k)…ARs(k)]=G(k)[A1s(k-1)…ARs(k-1)],

因此,

$y (k) = \sqrt{ρ} G (k) C (k - 1) h + n (k) = G (k) y (k - 1) + \overset{⌢}{n} (k)$ ,

其中, $\overset{⌢}{n} (k) = n (k) - G (k) n (k - 1)$ 是服从 $\overset{⌢}{n} (k) \sim Ν (0, 2 \sum_{n})$ 的高斯分布。分布式STBC码表示为:

$D = {G C ∶ G = Ι_{R} o r \prod_{k} G_{k}}$ , (4)

其中,C=[A1s…ARs]为初始矩阵因为Gj和初始矩阵C为唯一的,所以此分布式STBC码是唯一码,可以在协同通信系统中进行编码。

需要指出,现在大部分空时协作的研究都是假设协作节点间是完全同步的,在DSTBC分布式实现中,由于缺乏必要的中心控制,其协作用户间的同步问题必须考虑。在一些实际系统特别是单载波系统中,节点间达到完全同步几乎是不可能实现。所以较多文献对异步空时协作展开了研究,如文献[5]提出了异步差分空时协作方案。

针对分布式空时编码时,中继节点的个数不固定,且可能会随着节点的移动而发生变化,致使实现复杂度高的问题。Bletsas提出了一种机会中继(Opportunistic Relaying,OR)的协作协议[6]。在机会中继协议中,只有无线信道条件最好的一个中继节点协助源节点进行数据传输。机会中继协议不仅可以获取和分布式空时编码协议一样的可靠性,而且不需要了解无线网络的拓扑结构。

4 空时频编码

MIMO系统可在不增加系统带宽的情况下改善系统性能,提高数据速率,它在一定程度上可以抗多径衰落,但无抗频率选择性衰落能力。要解决MIMO系统中的频率选择性衰落问题,将MIMO与OFDM技术结合,可以实现优势互补。

空域、时域和频域间的编码是MIMO-OFDM系统的关键技术之一。发射分集的OFDM系统有2种分组编码形式,即空时分组编码OFDM(STBC-OFDM)和空频分组编码OFDM( SFBC-OFDM)。以上2种一般只能获得两维方向上的增益,为了更加充分利用空间、时间和频率三维方向上的增益,产生了空时频编码(STFC)。下面以循环延迟STF为例介绍空时频编码[7]。

4.1 循环延迟STF

假设有4个发射天线,则基于循环延迟分集的空时频编码OFDM系统的原理框图如图6所示。

假设输入数据经过编码调制(以QPSK为例)后,第n时刻输入数据为:

s(n)=[s1(n),s2(n)…sN-1(n)sN(n)]T,

式中,N表示子载波数,经过时频分组编码器后出来的数据为:

s1(n)=[s1(n),s2(n)…sN-1(n)sN(n)]T;

s1(n+1)=[-s*2(n),s*1(n)…-s*N(n),s*N-1(n)]T。

将通过循环延迟空频编码器后得到的各路信号分别在4个发射天线上同时发射出去。图中,δFcyc,n(n=1,2,3)和δTcyc,n(n=1,2,3)分别表示频域和时域的循环延迟量,一般取δFcyc,n=n,而δTcyc,n选取原则可参见文献[6],信号经过循环延迟空频编码器后,得到的码字矩阵为:

式中,NTX=4表示发射天线数。其中不同的列表示不同的子载波,而各行表示各个天线上发射的码字,因此要进行循环延迟编码,必须满足天线数小于子载波数,即NTX≤N,一般要求N是NTX的整数倍,以每NTXN个子载波为一组,分别进行循环延迟,然后将m=N/NTX组循环延迟后得到的矩阵SSFC=[SSFC1,SSFC2…SSFCm]中各行数据分别进行OFDM调制,之后在时域进行一次循环移位,最后给每一路增加循环前缀,并通过各个天线同时发射出去。这里SSFC表示第i次循环延迟得到的形如式(5)的码字矩阵。

4.2 基于正交预编码的空时频编码

该编码方式是先对原始输入数据在频率域进行正交预编码,然后对正交预编码后的码字进行空时分组编码,最终得到的码字就是经过空、时、频三维方向编码后的码字。该空时频编码MIMO-OFDM 系统框图如图8所示。

6 结束语

空时分组码、空时网格码和分层空时码是3种典型的空时编码,各有特点,其中空时分组码具有空间分集增益大、译码复杂度低的特点,研究的重点是寻找非正交,低解码复杂度,适用多发、多收天线的全分集全码率空时编码。对于分布式协作通信,主要是要解决同步难的问题,异步差分空时编码是一种较好方案。为解决MIMO系统中的频率选择性衰落问题,采用MIMO与OFDM方案,可以优势互补,其中空时频编码能在空、时、频三维方向上获得分集增益。

参考文献

[1]SENDONARIS A,ERKIP E,AAZHANG B.UserCooperation Diversity Part I:System Description[J].IEEE Trans.on Commun,2003,51(11):1927-1937.

[2]PROAKIS J G.Digital数字通信(第4版)[M].电子工业出版社,2004:38-45,266-286.

[3]ROBERTSON P,HOEHER P,VILLEBRUN E.Optimaland Sub-Optimal Maximum A Posteriori AlgorithmsSuitable for Turbo Decoding[C]∥European Transactionson Telecommun,1997,8:119-125.

[4]MADDAH2ALI M A,KHANDANI A K,WEN T.A NewLow Complexity Optimal Decoding Method for MIMOSystems[C]∥Vehicular Technology Conference,Orlando.Florida:IEEE,2003:429-432.

[5]TARASAK P,MINN H,BHARGAVA V K.DifferentialModulation for Two-user Cooperative Diversity Systems[J].IEEE J Select Areas Commun,2005,23(9):1891-1900.

[6]季彦呈,高洋,葛建华.无线网络中的一种异步差分空时协作方案[J].西安电子科技大学学报(自然科学版),2009,36(1):74-79.

[7]HUEBNER A,SCHUEHLEIN F,BOSSERT M,et al.ASimple Space-frequency Coding Scheme with Cyclic DelayDiversity for OFDM[C]∥5th European Personal MobileCommunications Conference,Glasgow.Scotland:IEEE,2003:106-110.

[8]PAULRAJ A J,GORE D A.An Overview of MIMOCommunications—A Key to Gigabit Wireless[J].Proceedings of the IEEE,2004,92(2):198-218.

空时编码研究进展综述第2篇

关键词：多输入多输出,空时分组码,分层空时码,排序串行干扰抵消算法

信息论领域的研究表明, 无线衰落信道环境下, 采用多输入多输出 (MIMO) 天线技术可以显著地提高系统的容量, 并改善无线通信系统的性能, 非常适合下一代移动通信系统对高速率、高流量业务的要求[1,2]。适合MIMO系统的空时编码技术可以使MIMO系统容量接近理论容量, 且有效地对抗多径信道引起的干扰, 提高系统的性能。1998年Alamouti[3]提出的发射分集技术——空时分组码 (STBC) , 由于其简单的结构和良好的性能得到了广泛的研究, 并很快进入3GPP标准。经过正交设计的空时分组码可以获得满分集增益, 但是其频谱利用率不高。Foschini[4]提出的分层空时码 (LST) 实现方法简单, 其频带利用率将随着发射天线数目线性增加。由于分层空时码只提供了复用增益, 其误码性能没有明显提高。文献[5]讨论了将空时分组码和分层空时码结合起来, 这样一方面可以把接收天线减少为发射天线的一半, 即接收天线只需大于等于发射天线数目的一半, 另一方面可以结合空时分组码和分层空时码两者的性能, 同时可以获得分集增益和空间复用增益。本文在此基础上讨论了联合STBC和LST编码系统的性能, 采用的译码算法为排序串行干扰抵消算法 (OSIC) , 通过仿真得出了误码性能。

本文第一部分给出了联STBC和LST编码系统的系统模型, 讨论接收端的接收信号模型;接着介绍了排序串行干扰抵消算法。在第三部分, 给出了联合STBC和LST编码系统误码性能仿真结果。最后得出结论。

1系统模型

本文以四发射天线四接收天线的MIMO系统作为研究对象, 其它情况可以依此类推。联合STBC和LST编码系统模型如图1所示。发射天线分为两组, 一、二发射天线分为一组, 三、四天线分为一组。两组均采用空时编码, 即可以进行STBC编码或者LST编码。第一组发射数据采用STBC编码, 第二组发射数据采用VBLAST编码。具体实现过程在第二部分给出。信号在发射端经过调制、串并变换和编码以后, 通过天线发射出去, 经过MIMO信道到达接收端。在接收端分别进行空时译码、并串变换和解调, 检测出发射序列。在信号通过信道时, 假设信道服从准静态平坦Rayleigh衰落信道高斯。假设发送端未知信道状态信息 (CSI) , 而接收端对信道状态信息进行精确估计, 即接收端获得理想信道状态信息。

设在T个符号周期内发送的空时编码矩阵为C, 则四根接收天线上的信号为:

其中:

ri (t) 表示第i根接收天线在第t时刻接收到的信号, hji相互独立, 表示发送天线i到接收天线j的信道增益系数, 服从均值为0、方差为0.5的高斯分布。W为均值为0的加性高斯白噪声, ni (t) 表示第i根接收天线在第t时刻接收到的噪声信号。编码矩阵C根据发射端采用的编码组合方式而定。

2编码译码

发送端一、二天线采用STBC编码, 三、四天线采用VBLAST编码。其编码矩阵C如下所示:

采用OSIC译码算法时, 接收端接收信号可以写成下式:

在对接收端的信号进行译码时, 只要对信道转移矩阵H进行相应地处理, 其译码算法可以采用常用的迫零算法 (ZF) 、最小均方误差算法 (MMSE) 、QR分解算法等。这里采用VBLAST的经典Golden译码算法—排序串行干扰抵消算法 (OSIC) , 因为该算法的译码性能比较好。其算法的过程如下:

(1) 初始化:

(2) 迭代:

其中, (Gi) j表示Gi的第j行;H+表示H的Moore-Penrose伪逆;Hki表示将H中的k 1, k 2, ..., ki, 列清零后的矩阵。

3性能仿真

对联合STBC和LST编码系统进行误码性能的仿真。其中, 信道采用瑞利 (Rayleigh) 衰落信道, 接收端精确估计信道信息, 噪声为高斯白噪声, 信号的调制方式采用QPSK调制。仿真结果如图2所示, 从仿真结果可以看出, 在信噪比 (SNR) 为12时, 误码性能为10-3, 其频谱利用率为6 b/s/Hz。

4结论

联合STBC和LST编码的系统, 可以使系统同时获得分集增益和空间复用增益, 有效地提高系统的误码性能, 提高频谱利用率。本文讨论了联合STBC和LST编码系统的编译码方法, 利用排序串行干扰算法 (OSIC) 对其译码性能进行了仿真。通过仿真可以看出, 系统的误码性能较好, 频谱利用率较高。

参考文献

[1]E Teletar.Capacity of multi-antenna Gaussian channels.AT&T-BELL Labs, Internal Tech Memo, 1995.

[2]G j Foschini, M j Gans.On limits of wireless communication in a fading environment when using multiple antennas.Wireless Pers.Commum., 1998, 6 (3) :311-335.

[3]Siavash M Alamouti.A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications[R].IEEE J.Select.Areas.Commun., 1998, 16:1451-1458.

[4]G.J.Foschini.Layered space-time Architecture for wireless communication in a fading environment when using Multi-Element Antennas[J].Bell Labs Technical Journal, vol.1, No.2, Aut.1996, pp:41-59.

试论空时编码技术第3篇

关键词：新型,空时编码,NSTBC

1 空时编码概述

空时编码 (Space-Time Coding, STC) 是一种多发射天线的编码技术, STC有来自不同时隙与天线的信号, 在空间、时间两个域内进行编码。STC是无线通信中一种新的编码和信号处理相结合的技术, 它通过引入时域和空域相关处理, 减少传输信号之间 (不同天线上) 的相互干扰, 接收端可分集接收收到的信息数据。

2 空时编码的分类

目前STC一般分为3种:分层空时编码、空时网格编码和空时分组编码:

1) 分层空时编码 (Layered Space-Time Coding, LSTC) 技术。1996年, LSTC由美国Bell实验室于提出, 1998年, 基本形成了LSTC技术的框架, 结构简单的BLAST试验系统开发成功, 编码系统的研究也开始。LSTC的本质是经过串并变换, 把高速数据流转换为若干低速数据流, 在并行信道上独立地进行调制、编码, 然后从多个不同的天线上发射出去。LSTC的优势:能通过增加发射天线的数目来呈线性增加频带利用率, 缺点是抗衰落性较差, 适用范围:发射天线和接收天线都较多的通信系统。

2) 空时网格编码 (Space-Time Trellis Coding, STTC) 技术。STTC最早是由V.Tarokh等人提出, 是一类用于多天线无线通信系统中时空编码。STTC系统中, 在接收端采用维特比译码算法解码。STTC设计的码子可提供最大的编码、分集增益 (在不损失带宽效率的前提下) , 最大分集增益=发射天线数, STTC同时利用传输分集、信道编码技术, 一般用于高速数据的无线通信系统。STTC是以格型编码调制为基础, 既能有效地抵抗衰落, 又能抑制干扰和噪声, 具有相对较高的分集增益、编码增益。STTC具有相对较高的频带利用率。STTC在提高传输速率的同时, 其缺陷有两点:第一, STTC的频带利用率在n固定的情况下, 不会随天线个数的增加而增加;第二, 由于其译码过程采用相对复杂的Turbo算法, (复杂度随着传输速率n、分集度r的增加呈指数增长) , 限制了其在无线通信系统中的实际应用。

3) 空时分组编码 (Space-Time Block Coding, STBC) 技术。STTC由于其译码复杂度较高导致的实际应用困难, 导致了STBC的应运而生。STBC最早由Tarokh在Alamouti研究的基础上提出。构造空时码子的原理则是根据码子的正交设计, 它设计出来各行各列之间满足正交性的码子。STBC接收时采用最大似然检测算法进行解码, 只需在接收端做线性处理。STBC的缺点是:其传输速率不能达到最大 (保证获得最大分集增益的前提下) 。

3 一种新型的空时分组编码NSTBC

对几种STC的几个重要参数进行比较, 见表1。综合比较各种性能, 虽然STBC相对是最优的, 但是还可以进一步优化与改进其编码速率。故本文提出一种新型的空时分组编码 (New SpaceTime Block Coding, NSTBC) , NSTBC提高了空时分组编码的编码速率, 并且具有较好的性能。

1) NSTBC的编码。以两副发射天线为例, 论述NSTBC的编码及译码原理。NSTBC的编码矩阵如 (1) 所示。有如下标记:y1=Re (Z1) , y2=Im (Z1) , y3=Re (Z2) , y4=Im (Z2) , 其中Z的实部表述为Re (Z) , s的虚部表述为Im (Z) 。Gn2可以表示如 (2) 所示 (Z1=y1+jy2, Z2=y3+jy4) 。在该编码方式中, 输入信号数k=4, 时隙数p=2, 则编码速率R=k/p=2。而传统的空时分组编码的编码速率为R=1。

2) NSTBC的译码。在时刻t, 发射天线1与接收天线之间的信道用h1 (t) 表示, 发射天线2与接收天线之间的信道用h2 (t) 表示, 假设在两个连续的符号周期内衰落保持不变, 即如 (3) 所示。其中T为符号周期。则接收天线在时刻t和时刻t+T接收到的信号可以分别表示为 (4) 式。其中m1和m2为接收端噪声和干扰的随机变量。

假设m1和m2为均值为0、方差为N0的独立同分布的复高斯随机变量。可以得到:

用最大似然判决准则判决出Z1、Z2的实部和虚部, 就能实现对y1、y2、y3和y4的译码。对于多条天线的新型空时分组编码, 可用最大似然译码算法 (空时分组码) 进行译码, 偶后得到译出码字的实、虚部, 最后完成译码。

本文经过仿真发现存在以下关系:NSTBC的系统性与发射天线数目成正比。原因是:NSTBC的分集增益随着发射天线数目的增加而变大, 整个系统的性能随之变好。NSTBC系统可获得的编码速率R=K/P达到1 (STBC系统为R=1/2) , 故编码速率得到的显著的增加。

4 结论

多径衰落和带宽效率是影响下一代宽带无线移动通信系统的两个主要问题。OFDM技术通过能有效减小多径衰落对整个通信系统通信质量的影响, 如果将其与本文论述的NSTBC相结合, 形成OFDM-NSTBC系统方案, 可以使频率选择性衰落信道下的问题得到解决。

参考文献

[1]B.VUCETIC, J.H.YUAN著.Space-Time coding[M].王晓海, 等译.机械工业出版社, 2004.

基于重复编码的空时频码第4篇

空时频码[1] (STFC) 通过将频率选择性衰落信划分为许多并行的平坦衰落的子信道从而获得空间和多径增益。然而这存在如下两方面的问题, 一方面, 我们都是假设在接收端已知CSI, 而这在很多快衰落的环境中, 通过插入导频或者训练序列来估计信道是很困难的或者不经济的。另一方面, 在空时频码中如何获得满分集增益是许多学者研究的课题, 其中, 一种简单的做法就是通过在频域上对码字进行重复编码[2]从而获得满分集增益。本文即是研究将Alamouti码字应用到差分传输中并且通过重复编码来获得满分集增益。

1 系统模型

不失一般性, 考虑一个具有2根发射天线, 1根接收天线的MIMO-OFDM系统。衰落为具有L个独立的路径的频率选择性的瑞利衰落信道, 其功率延迟谱 (PDP) 服从均匀分布的, OFDM的子载波数为NC。信道的频率响应可以表示为下式:

其中, hi (l) 表示第i根发射天线和接收天线之间的第l条路径增益, ∆f表示相邻子载波的频率间隔, τl表示第l条路径的延时。则第n个子载波上的接收信号写为下式:

ck[n]为在第n个子载波上的传输符号, ηk[n]~CN (0, 1) 。根据两根发射天线的编码方案, 符号ck[n]按照如下方式映射为传输码字矩阵Ck2n:

下面我们考虑CSI未知的情况下的差分编码方案。

2 差分编码

对于发射端不知道信道状态信息的情况, 我们要对传输信息矩阵进行差分编码, 而不是直接传输信息矩阵。定义信息矩阵Sk[2n]如下:

其中Sk[2n]的元素选自MPSK星座图。易知, Sk[2n]SkH[2 n]=I2, 上标“H”表示共轭转置, I2为2×2的单位矩阵。为了初始化传输, 发射端首先发送一个不含有任何信息的矩阵C02n, C02n按照 (4) 式进行初始化:

差分编码过程由下式给出:

即C12n=S21nC02n, C22n=S22nC12n=S22nS21nC02n, …, 并且

由 (2) 式, 接收信号可以写成下式的形式:

其中ηk[2 n], ηk[2n+1]为零均值的复高斯白噪声, 每一维的方差为1/2。将接收信号写成矩阵的形式可以表示为:

其中

值得注意的是:

考虑到OFDM系统中相邻子载波间的频率响应近似相等, 即H1, k[2n]≈H1, k[2n+1], H2, k[2 n]≈H2, k[2n+1], (7) 式近似为单位矩阵乘以一个信道增益的常数, 当子载波数NC很大时, 这是一种很好的近似。

3 重复编码的空时频码

如果直接将空时码应用到空频码的技术并不能使我们的系统获得满分集增益, 即没有多径增益。因此为了能够同时获得空间和多径分集增益, 我们采用重复编码技术。

假设在频域上对上述码字重复Γ (Γ≤L) 次, 即在子载波2n+Nc/Γ, K, 2n+Nc (Γ-) 1/Γ上将传输相同的码字。由于重复编码的子载波之间相差Nc/Γ, 重复编码的子载波之间是相互独立的, 这有利于我们获得分集增益。

对于没有重复译码时的情况, 可以根据文献[1]中得到译码准则如下所示:

其中Retr (·) 为矩阵的迹的实部。而对于重复编码的情况, 将 (9) 式进行推广, 为了方便表述, 不失一般性, 我们令码字重复次数Γ=2, 可以得到下面的译码准则:

这样就获得了我们所希望得到的分集增益。

4 性能仿真

仿真参数设置为:2根发射天线数, 1根接收天线, 子载波数Nc=512, 信道为独立路径数L=4准静态的瑞利衰落信道, 子载波重复次数Γ=2, 功率延迟谱 (PDP) 为等功率分配。图1给出了在BPSK和QPSK调制方式下重复编码DSTF的误码率性能仿真曲线。由仿真参数可以得到, 系统获得的分集增益数为N tΓ=4。从图中可以看到, 当没有进行重复编码时, 系统获得的分集增益为2, 而当采用重复编码时, 分集增益为4。由于采用了重复编码, 使得码字速率降低为原来的1/Γ=1/2, 为了公平的比较, 未重复编码的调制方式为BPSK, 重复编码的调制方式为QPSK, 这时他们的码字速率相同, 而从图中可以看到, 在中到高性噪比时, QPSK重复编码的性能明显的超过了BPSK未重复编码的性能。

5 结论

本文研究了将传统的空时码推广到空时频码, 分析表明直接的将空时码应用在空频码并不能获得满分集增益。我们通过一种重复编码的方法将码字在相互独立的码字上进行重复从而获得了满分集增益。

摘要：本文提出了一种基于正交性设计的差分空时频码 (DSTF) , 即通过在空间和频域上进行编码, 并在时域进行差分传输。由于不知道信道状态信息 (CSI) , 应用差分传输。通过在相互独立的子载波上进行重复编码获得了满分集增益。

关键词：重复编码,空时频码,增益

参考文献

[1]Su W, Safar Z, Liu K J R.Full-rate full-diversity space-frequency codes with optimum coding advantage[J].Information Theory, IEEE Transactions on, 2005, 51 (1) :229-249.

[2]Weifeng S, Safar Z, Olfat M, et al.Obtaining full-diversity space-frequency codes from space-time codes via mapping[J].Signal Processing, IEEE Transactions on, 2003, 51 (11) :2905-2916.

一种折衷的分层空时编码方案第5篇

关键词：多输入多输出,分层空时编码,对角BLAST,垂直BLAST,折衷BLAST

0 引言

分层空时编码是最早的MIMO技术之一,最初应用在BLAST结构[1,2]中,对角BLAST(D-BLAST)最先提出,后来出现了垂直BLAST(V-BLAST)[4]。在实际中,V-BLAST和D-BLAST的总体性能在很大程度上取决于所处的MIMO信道环境[6,7]。V-BLAST虽然易于获得较高的复用增益,但是其抗衰落特性较差,只能在具有高信噪比且空间不相关的衰落信道中才能充分发挥它的复用能力。而如果环境信噪比很低且存在空间相关性,则D-BLAST表现出更好的误码性能,但其成倍增大通信容量的效果不明显[7]。

为了使系统能够适应更加多样的衰落信道环境并同时获得可观的复用增益和分集增益,本文在传统BLAST结构基础上提出了一种折衷的分层空时编码方案。

1 分层空时编码

分层空时编码基本思想是将高速率数据流分割为多路低速率数据流,将它们通过多个并行信道编码器,对从信道编码器输出的所有子数据流进行空时编码,并送至多根天线同时发送,从而实现发送分集[1]。在接收端,采用多个天线分集接收,通过信道估计,获得信道状态信息,并由线性判决反馈均衡器实现分层判决反馈干扰抵消,然后进行空时译码,最后完成信道译码[1]。

在BLAST系统中,首先将输入的高速数据流串并变换分成路低速数据流,分别输入个信道编码器进行独立编码,其输出信号经调制后使用相同频率的载波由个不同天线同步发射出去。个矢量编码器对已编码数据流的空时编码过程,实质上是一种空间映射。根据映射方式的不同,分层空时编码主要分为D-BLAST、V-BLAST等,下面简述其编码原理。

1.1 对角分层空时编码

假设,即有4根发射天线。在D-BLAST编码器中,并行矢量编码器的输出信号按码元矩阵的对角线方向进行空时编码。右下方输出个“0”码元以后,一般地,第个信道编码器输出的第批个码元排在第条对角线。编码以后的空时码元矩阵中的每一列通过根发射天线同时发送出去[4]。

1.2 垂直分层空时编码

在V-BLAST编码器中,并行矢量编码器的输出信号按码元矩阵的垂直方向进行空时编码。一般地,第个信道编码器输出的第批个码元排在第列。编码以后空时码元矩阵中的每一列通过根发射天线同时发送[4]。

可见,D-BLAST具有较好的层次结构和空时特性,但具有个符号的传输冗余;V-BLAST的层次结构和空时特性比D-BLAST差,但没有冗余,传输效率好于对角分层空时编码。

实际的MIMO环境不能总是适应传统的非自适应的分层空时方案[3]。在瑞利衰落信道中,V-BLAST能够大大提高频谱效率[8],因为它可以充分利用多路径以实现空间复用。但是,如果接收机信噪比很低或者信道衰落具有空间相关性,它的复用能力也会受到影响,甚至导致严重的性能误差。另一方面,D-BLAST能够最大化分集增益以降低误码率,但是它的复用增益不高,故对通信容量的提升能力有限。

2 折衷的分层空时编码

对此,本文提出了一种折衷的分层空时编码方案。在接收端,检测器由上一个空时码元间隔内的接收信号信噪比判断出当前信道状态,发送端根据接收端反馈回来的信道状态信息(CSI),动态调整下一个空时码元的映射方式。

传统的D-BLAST的一个空时码元中,各个编码器的输出信号在空时码元矩阵中看起来呈“对角”排列,这样的结构具有良好的空时特性,可靠性较强,但是由于冗余信号的存在而降低了传输效率。而V-BLAST不具有任何冗余信息,传输效率最高,但是空时特性不如D-BLAST。折衷BLAST的编码思想就是改变D-BLAST各天线信号发送的延迟程度,通过牺牲可靠性提高传输效率,同时在V-BLAST系统上运用适当的延迟技术,通过牺牲复用增益提高可靠性,再结合两种“极端”方案,构成完整的可切换、自适应的BLAST系统。

假设BLAST系统为4×4对称MIMO系统,折衷方案的编码格式如图1所示。

折衷方案中,模式1相当于D-BLAST方案,第二、三、四根发射天线的信号均有延迟冗余,因此具有相对最好的分集特性和最小的复用增益;模式4相当于V-BLAST,没有任何冗余信息,因此具有最差的分集特性和最大的复用增益;模式2和模式3所示的码字映射方案,采用了区别于D-BLAST方案的延迟结构,在V-BLAST和D-BLAST之间实现了分集特性和复用增益的折衷。

3 仿真及结果分析

在M A T L A B中,用蒙特卡洛方法对D-BLAST、V-BLAST以及所提出的折衷BLAST方案进行了基带仿真,其中包括容量仿真和性能仿真。仿真采用了8000个点,并通过循环20次而获得平均值。

3.1 容量仿真

图2给出了天线组合为2×2、4×4、8×8的三种对称BLAST系统的归一化容量随接收端平均信噪比变化而变化的曲线,其中中断概率P=0.01。

由图2可见,折衷BLAST方案的系统容量在SNR较低的范围内(大约5d B以下)接近于D-BLAST系统,在SNR较高的范围内(大约15dB以上)逐渐向V-BLAST系统靠近。

3.2 性能仿真

图3给出了天线组合为4×4的BLAST系统的ZF检测误码性能曲线。

结果表明,在SNR较低的范围内(大约5dB以下),折衷方案的性能曲线接近D-BLAST系统。随着信噪比的增大,分集增益逐渐减小,在SNR较高时(大约15dB以上)逐渐接近于V-BLAST系统。可见,所提出的折衷方案在性能上也实现了D-BLAST和V-BLAST之间的折衷。

4 结论

本文提出的折衷B L A S T方案在基于对称MIMO信道的V-BLAST和D-BLAST系统之间实现了容量和性能的折衷,使系统能适应更加多样的衰落信道,可同时在较高和较低的信噪比环境中获得可观的复用能力和抗衰落能力,从而从整体上改善通信的容量和质量。与传统的BLAST系统相比,该方案的信道自适应能力在实际应用中具有很大优势。

参考文献

[1]David Gesbert,Mansoor Shafi,Da-shan Shiu,et al.From Theory to Practice:An Overview of MIMO Space-Time Coded Wireless Systems[J].IEEE Journal On Selected Areas in Communications,April 2003,21(3):1-9.

[2]3 N.Prasad,M.K.Varanasi.An optimization approach to decision feedback detection under modulation constraints for MIMO fading channels[J].Wireless Communications,IEEE Transactions,2008,7(12):4927-4937.

[3]R.Heath,A.Paulraj.Linear Dispersion Codes for MIMO Systems Based on Frame Theory[J].IEEE Transactions on Signal Processing,October 2002,50(10):2429-2441.

[4]C.Rao,B.Hassibi.Analysis of Multiple-Antenna Wireless Links at Low SNR[J].IEEE Transactions on Information Theory,September 2003,49(9):2123-2130.

[5]M.Moustafa.Switched-mode BLAST technique for MIMOcommunications[C]ICACT 2009 11th International Conference,Feb.2009,3(15):1499-1502.

[6]宋扬,常永宇,杨大成.单天线功率受限的自适应调制V-BLAST系统[J].电路与系统学报,2008(03):1-4.

[7]刘兆利.一种改进的闭环V-BLAST系统自适应方案[J].南京邮电大学学报(自然科学版),2007(03):1-4.

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