周玉龍　陳小平　馬　優(yōu)

摘 要：根據(jù)頻率分集技術(shù)的特點(diǎn)，提出了一種新的分層空時(shí)碼傳輸方法。在發(fā)射端，采用不同的天線,利用不同的頻率發(fā)射信息;在接收端，采用不同的接收天線來(lái)接收不同發(fā)射天線發(fā)射的信息，即采用“一對(duì)一”的傳輸方式。仿真結(jié)果表明，該方法與已有的典型傳輸方法相比，在接收端同樣采用最大似然準(zhǔn)則譯碼，可大大加快譯碼的速度。

關(guān)鍵詞：分層空時(shí)碼；頻率分集；空間分集；最大似然譯碼

中圖分類號(hào)：TN914 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2009)0500103

Evolutionary Transmission Method for Layered Space-Time Coding

ZHOU Yulong,CHEN Xiaoping,MA You

(Research Institute of Electronic Science and Technology，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu，610054,China)

Abstract：This paper proposes a new transmission method for layered space-time coding according to the character of frequency diversity.Different antennas transmit different information with different frequencies at the transmitter.And at the receiver,different antennas receive different information from different transmission antennas,which means a transmission method of ″one to one″.The simulation results indicate that the method in this paper can improve the decoding efficiency for the receiver compared to the existing transmission method when decoding by the maximum likelihood.

Keywords：layered space-time coding;frequency diversity;space diversity;maximum likelihood decoding

0 引 言

MIMO無(wú)線通信技術(shù)結(jié)合了天線發(fā)射分集、接收分集與信道編碼技術(shù)，可顯著提高通信容量［1-3］，是無(wú)線通信發(fā)展的趨勢(shì)。普遍認(rèn)為，MIMO將是新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)，而空時(shí)編碼技術(shù)是MIMO技術(shù)的基本問(wèn)題?？諘r(shí)編碼(Space-time Coding)技術(shù)［4-7］是抗信道衰落和提高系統(tǒng)容量的一種最新的編碼方法，多天線系統(tǒng)與空時(shí)編碼的結(jié)合是空間資源利用技術(shù)的發(fā)展方向，可以認(rèn)為是一種高級(jí)的分集技術(shù)。研究表明，空時(shí)編碼的最大特點(diǎn)是將編碼技術(shù)和陣列技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了空分多址，從而提高了系統(tǒng)的抗衰落性能?？諘r(shí)編碼技術(shù)［8］利用衰落信道的多徑傳播特點(diǎn)，以及發(fā)射分集和接收分集來(lái)提供高速率、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸，與不使用空時(shí)編碼的編碼系統(tǒng)相比，空時(shí)編碼可以在不犧牲帶寬的情況下獲得更高的編碼增益，提高了抗干擾和噪聲的能力。

MIMO技術(shù)的關(guān)鍵是能夠?qū)鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中存在的多徑影響因素變成對(duì)用戶通信性能有利的增強(qiáng)因素。MIMO技術(shù)有效地利用了隨機(jī)衰落和可能存在的多徑傳播來(lái)成倍地提高業(yè)務(wù)傳輸速率。MIMO技術(shù)的成功之處在于它能夠在不額外增加所占用信號(hào)帶寬的前提下帶來(lái)無(wú)線通信性能上幾個(gè)數(shù)量級(jí)的改善，可以說(shuō)，在接收端，多徑分量越多性能越好。

MIMO技術(shù)本質(zhì)上是空間分集與空間復(fù)用的結(jié)合，分集可以保證傳輸?shù)目煽啃?，?fù)用則可以提高傳輸速率。

眾所周知，已有典型的傳輸方法，在發(fā)射端，每根天線利用相同的頻率發(fā)射信號(hào);在接收端，每根接收天線要接收發(fā)射天線的所有信號(hào)。在此利用頻率分集技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)分層空時(shí)碼的傳輸方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種新的傳輸方法，即使用“一對(duì)一”的接收方法。雖然該方法的頻譜利用率有所下降，但大大提高了系統(tǒng)的性能，與已有典型的傳輸方法相比，該方法在接收端可大大降低譯碼的復(fù)雜度。

1 分集技術(shù)和復(fù)用技術(shù)

根據(jù)獲得獨(dú)立信號(hào)方法的不同，分集技術(shù)［4,7,9］可分為時(shí)間、頻率、空間、角度、極化等形式，下面重點(diǎn)介紹頻率分集和空間分集。

頻率分集：理論上，不相關(guān)信道發(fā)生同樣衰落的概率是各自產(chǎn)生衰落概率的乘積，即指在不同載波頻率上提供多個(gè)信號(hào)副本,其工作原理是基于在信道相干帶寬之外的頻率上不會(huì)出現(xiàn)同樣衰落的結(jié)論。所以，當(dāng)載波頻率的間隔大于衰落信道的相干帶寬時(shí)，載波信道之間就是獨(dú)立不相關(guān)的,從而獲得比較好的分集增益。

空間分集：指發(fā)射端/接收端在空間上分開排列多個(gè)天線或天線陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)。多個(gè)天線在物理空間上分開一定的距離，以保證接收天線輸出信號(hào)的衰落特性是相互獨(dú)立的，即當(dāng)某一副接收天線的接收信號(hào)很低時(shí)，其他接收天線的接收則不一定在同一時(shí)刻也出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)象，經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號(hào)幅度較大，信噪比最佳的一路，以得到一個(gè)總的接收天線輸出信號(hào)。這樣就降低了通道衰落的影響，改善了傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

空間復(fù)用：通過(guò)串并變換把串行信息符號(hào)分成mЦ霾⑿卸懶⒌氖據(jù)流，各個(gè)數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)各不相同，通過(guò)mЦ齜⑸涮煜咴諳嗤的頻段同時(shí)發(fā)送出去，這樣就可以大大地提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率。理論研究證明，空間復(fù)用技術(shù)中垂直分層空時(shí)碼(V-BLAST)的頻譜利用率可以達(dá)到20~40 b/s/Hz。

2 V-BLAST傳輸模型

首先假設(shè)發(fā)送天線數(shù)［7,10］為m，接收天線數(shù)為n，h﹊,j表示的是發(fā)送天線i(i=1,2,…,m)到接收天線j(j=1,2,…,n)之間的信道增益，其中h﹊,j是服從均值為0，每維方差為0.5的復(fù)高斯隨機(jī)變量，H=(h﹊,j)﹏×m為信道矩陣。其中，信道是窄帶、準(zhǔn)靜態(tài)的平坦玆ayleigh衰落的MIMO信道，即在一幀發(fā)送數(shù)據(jù)期間，信道的響應(yīng)保持不變。假設(shè)r璲(j=1,2,…,n)表示第j個(gè)接收天線上的信號(hào)，其中r璲是m個(gè)發(fā)送天線上的發(fā)送信號(hào)s璳(k=1,2,…,n)的疊加與高斯噪聲之和。這里用r表示接收信號(hào)向量，X表示發(fā)送信號(hào)向量，nП硎窘郵斬說(shuō)腦肷向量，分別表示如下:

r=r1r2髍璶,

H=h1,1猦1,1…h(huán)1,1

h1,2猦2,2…h(huán)﹎,2

螃螃螃

h1,n猦2,n…h(huán)﹎,n,

X=s1s2髎璵,

n=n1n2髇璵

(1)

其中:n璲(j=1,2,…,n)為每個(gè)接收天線上的加性高斯白噪聲(AWGN)，可寫成：

r=H·X+n

(2)

對(duì)于一個(gè)2發(fā)2收的系統(tǒng)，式(2)可寫成：

r1r2=h1h2h3h4

s1s2+n1n2

(3)

其中：n1,n2Х直鶚墻郵斬聳盞降募有愿咚拱自肷(AWGN);h1,h2,h3,h4為信道增益系數(shù)。

3 改進(jìn)的分層空時(shí)碼的傳輸方法

3.1 改進(jìn)的傳輸模型

眾所周知，MIMO技術(shù)本質(zhì)上是空間分集與空間復(fù)用的結(jié)合，分集可以保證傳輸?shù)目煽啃?復(fù)用則可以提高傳輸速率。因此在設(shè)計(jì)編碼時(shí)，盡量同時(shí)取得分集增益和復(fù)用增益。

通常，不管是基于分集技術(shù)還是基于空間復(fù)用技術(shù)的發(fā)射方法，在發(fā)射端每根天線用相同的頻率發(fā)射相同信息或不同信息，從而實(shí)現(xiàn)分集和復(fù)用;在接收端每根天線需要接收所有的信號(hào)。本文結(jié)合頻率分集的特點(diǎn)提出了一種新的傳輸方法(見圖1)。發(fā)射端的每根天線利用不同的頻率發(fā)射信息，在接收端采用不同的天線分別接收不同發(fā)射天線的信息。與以往的傳輸方法相比，改進(jìn)方法雖然頻率利用率有所下降，但大大提高了系統(tǒng)的性能。

對(duì)于一個(gè)2發(fā)2收的系統(tǒng)，在一個(gè)給定的碼元期間， s1和s2分別是在t時(shí)刻從天線1和天線2同時(shí)發(fā)出的碼元，發(fā)射天線1的發(fā)射頻率為f1,發(fā)射天線2的發(fā)射頻率為f2，在接收端，采用接收天線1來(lái)接收發(fā)射天線1發(fā)射的信號(hào)，接收天線2來(lái)接收發(fā)射天線2發(fā)射的信號(hào)，接收信號(hào)分別為r1和r2,Э殺硎疚：

r1=h1s1+n1,r2=h2s2+n2

(4)

其中:n1,n2分別是接收端收到的噪聲和干擾;h1,h2為信道增益系數(shù)。

圖1 改進(jìn)分層空時(shí)碼傳輸方法

3.2 極大似然譯碼

極大似然譯碼是最佳的矢量譯碼方法。假定所有的未編碼符號(hào)是等概率發(fā)射的，接收端已知信道狀態(tài)信息，則極大似然算法選擇使下式成立的矢量ё魑對(duì)cУ慕似,即：

=玜rg ﹎in∈C‖r－H‖2

(5)

其中:arg min表示使函數(shù)達(dá)到最小值時(shí)的變量取值;‖·‖代表Frobenius范數(shù);C表示c的所有可能取值的集合。

ML檢測(cè)就是在范數(shù)意義上從星座中尋找與接收信號(hào)最接近的矢量作為發(fā)射信號(hào)的估計(jì)值，雖然ML是一種最優(yōu)的檢測(cè)方法，但是ML檢測(cè)的復(fù)雜度相當(dāng)大(隨發(fā)射天線數(shù)目呈指數(shù)增長(zhǎng))。

4 仿真結(jié)果和譯碼復(fù)雜度分析

為驗(yàn)證本文提出的傳輸方法，采用Matlab仿真軟件對(duì)算法進(jìn)行了仿真，并比較了結(jié)果。

4.1 仿真結(jié)果

圖2給出發(fā)射天線數(shù)為2;接收天線數(shù)也為2時(shí)，已有的典型傳輸方法與本文提出的傳輸方法的誤碼率曲線。圖中所有的編碼均采用了QPSK調(diào)制，并假設(shè)接收端有理想的信道估計(jì)并采用了傳統(tǒng)的最大似然譯碼方法。

圖2 本文傳輸方法和經(jīng)典傳輸方法的性能比較

4.2 譯碼復(fù)雜度分析

觀察式(4)可發(fā)現(xiàn)，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性處理即可檢測(cè)出s0和s1。Ф允(3)采用最大似然準(zhǔn)則進(jìn)行譯碼時(shí)，與本文的改進(jìn)方法相比，譯碼速度相當(dāng)慢。在2發(fā)2收系統(tǒng)情況下，調(diào)制方式分別采用2PKSK,4PSK,8PSK和16QAM，對(duì)兩種傳輸方法的復(fù)雜度進(jìn)行了比較，結(jié)果如表1所示。

表1 傳統(tǒng)傳輸方法和改進(jìn)傳輸方法譯碼復(fù)雜度比較

搜索次數(shù)傳統(tǒng)傳輸方法改進(jìn)傳輸方法

2PSK42

4PSK164

8PSK648

16QAM25616

從表1可看出，本文提出的傳輸方法與傳統(tǒng)的傳輸

方法相比較，計(jì)算量明顯下降。 調(diào)制方式分別采用

2PSK,4PSK,8PSK和16QAM時(shí)，傳統(tǒng)傳輸方法的計(jì)算量是本文提出的傳輸方法的2倍、4倍、8倍和16倍。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)頻率分集技術(shù)的特點(diǎn)，提出了一種新的傳輸方法。在該方法中，隨著發(fā)射天線數(shù)目的增加，頻譜利用率會(huì)降低，性能有所下降，但會(huì)加快接收端的譯碼速度。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 周玉龍 男,1984年出生，碩士。研究方向?yàn)榭諘r(shí)編碼和MIMO技術(shù)。

陳小平 男,高級(jí)工程師。長(zhǎng)期從事衛(wèi)星導(dǎo)航、組合導(dǎo)航、高精度定位以及地理信息系統(tǒng)(GIS)等理論研究與工程開發(fā)。

馬 優(yōu) 男,1984年出生，碩士。研究方向?yàn)镸IMO信道模型及信道估計(jì)算法。