差分酉空時(shí)調制

2009年第01期,第42卷通信技術(shù)Vol.42,No.01,2009總第205Communications TechnologyNo 205, Totally差分酉空時(shí)調制李慶坤,馬紅光,李正生第二炮兵工程學(xué)院,陜西西安710025)【摘要】總結了差分酉空時(shí)調制的原理和編譯碼方法。差分酉空時(shí)調制是多輸入多輸出(MIM0)無(wú)線(xiàn)通信中不需要信道信息的一種調制方法,它的性能比相干檢測接收差3dB。文中首先介紹了酉空時(shí)調制的基本原理和在各種信噪比下的信號星座圖的設計原則;然后在此基礎上介紹了不需要信道信息的差分酉空時(shí)調制;最后介紹了差分酉空時(shí)調制的最新進(jìn)展,指出了其研究方向【關(guān)鍵詞】多輸入多輸出;差分酉空時(shí)調制;信號星座;迭代【中圖分類(lèi)號】TN911.22【文獻標識碼】A【文章編號】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引言獻[45]表明,酉空時(shí)調制是高信噪比下一種達到信道容量的信息論,多輸入多輸岀( MIMO)系統能夠顯著(zhù)地提高信最佳調制方法。本文綜述了酉空時(shí)調制編碼的原理、設計原道容量2。MMO技術(shù)中的空時(shí)編碼技術(shù)通過(guò)將時(shí)間分集和則和發(fā)展方向?？臻g分集結合起來(lái),分別在時(shí)域和空域引入冗余,提高了系統的傳輸性能。在接收端能夠得到精確信道信息的情況下,1系統模型mou空時(shí)分組碼已有令人滿(mǎn)意的使用效果3,并已經(jīng)納假設通信系統發(fā)送端和接收端的天線(xiàn)數目分別為入3GPP標準T′是信道相干時(shí)間,表示該信道在T′個(gè)符號周期內可以認但是,在信道特性快速變化的移動(dòng)環(huán)境中進(jìn)行有效的信為其信道衰落系數保持恒定。T是信號星座中酉矩陣的時(shí)間道估計是很困難的,在某些情況下甚至是不現實(shí)的。因此研維長(cháng)度,T2時(shí),MPSK存在信號擴展,而且對于復信號很難應用于發(fā)射天線(xiàn)數大于2的系統:有關(guān)文接收天線(xiàn)n在t時(shí)刻的接收信號可表示為收稿日期:2008-04-28。作者簡(jiǎn)介:李慶坤(1976-),男,博士研究生,主要研究方向為MMO技術(shù)、空時(shí)編碼技術(shù)等:馬紅光,(1959-),男,教授,主要研究方向為信號與信息處理:李正生,(1957-),男,教授,主要研究方向為信號與信息處理。h sn=1,…,N其中hm為從發(fā)射天線(xiàn)m到接收天線(xiàn)n的信道系數,假定其在T個(gè)符號周期內是恒定不變的,并且服從獨立同CNO.1)分布;wnm為服從CNO,1)分布的高斯白噪聲;p為各接收天S線(xiàn)上的平均信噪比。則在T個(gè)符號時(shí)間間隔內,式(2)可22v2S3Vz3Vz2vzi其中H={hm}為MN信道系數矩陣,S={sm}為一個(gè)T×M圖1差分西空時(shí)調制原理發(fā)射信號矩陣。T×N矩陣X和W分別表示接收信號和加性在圖1中,V為一個(gè)M×M的酉矩陣,信息源中的每噪聲矩陣。R×T比特信息映射為矩陣Φ,φ為T(mén)×M的酉矩陣,其中T=2*M,中3的上半部分為MXM的單位陣,下半部分為2酉空時(shí)調制對應R×T比特信息的M×M酉矩陣。在差分編碼當中,用由于酉矩陣的優(yōu)良正交性,使其編碼和譯碼簡(jiǎn)單,所以當前的信息矩陣的下半部分v左乘前一個(gè)信號矩陣,在空時(shí)編碼中有較好的應用,尤其在差分空時(shí)編碼中更具有即s=V*,這樣,S1的上半部分和S1的下半部分相同。良好的性能。酉空時(shí)調制通過(guò)將一定比特的信息映射為酉矩發(fā)射時(shí),在一幀的開(kāi)始時(shí)刻(i=0)發(fā)射一個(gè)已知參考矩陣,陣,直接完成了編碼與調制。一般為單位陣,然后將Si=1…)的下半部分(如圖1)從M假定待發(fā)射的數據集合為Z1、Z2,…,∈{0,1…,L-1},個(gè)天線(xiàn)在M個(gè)符號時(shí)間內發(fā)射出去。假設在一幀符號周期內其中每個(gè)符號代表RXT個(gè)比特信息。這就需要一個(gè)含有L信道參數保持恒定(準靜態(tài)衰落),那么接收信號的形式如個(gè)MXT酉矩陣的矩陣集合v={V…VL}作為信號星座(4)式所示。又由于并在Z和集合v內的信號矩陣建立一一對應關(guān)系。如果信道的頻譜利用率為R,則L=2。一般情況下,取T=M,這由(6)式得:樣發(fā)射信號為S=V,1=1,2,…,V∈ν。接收天線(xiàn)接收到的信S號矩陣為將(7)代入(4)式,得X=V*X1+W。其中W′=X,=S*H+H,t=1,2,…W-V*W1,因為V為酉矩陣,所以W′仍服從均值為0在已知信道信息的情況下,利用最大似然方法譯出信號。如的高斯分布,只是方差增加一倍。這樣Z的最大似然估計表式(5)所示達式為2,=arg)x, -V,HlZt=argminlX, -V, x,l(8)l=0…L-1=0.L-1在上面的分析中,信號星座的設計是一個(gè)重要的內容,從(8)式可以看出,差分酉空時(shí)譯碼不需要信道信息,這它直接決定著(zhù)方案性能的優(yōu)劣。文獻6系統地提出了兩種設特性對于接受端與未知信道參數的情況尤其適用。但同時(shí)計信號星座圖的方法:一種是利用信號處理的方法;另一種可以看出,由W′的方差是W的2倍,所以這種方案的譯是利用代數理論的方法。兩種方法的最后結果相同。碼性能比相干接收的情況惡化約3dB。而正因為這里的性能此外,文獻[7利用信號的旋轉不變性對信號星座的優(yōu)化惡化,才導致了各種接收算法設計進(jìn)行了研究。通過(guò)對文獻[6中的信號星座進(jìn)行旋轉,可3.2一種新的差分酉空時(shí)譯碼方案以得到最優(yōu)的信號星座,可使性能得到一定程度的改善在上一節所述差分酉空時(shí)調制的基礎上, Zhengfeng du等于2006年提出了迭代譯碼的差分酉空時(shí)方案。如圖2所3差分酉空時(shí)調制示,該方案可以適當改善因差分譯碼而導致的性能惡化。在前面所述酉空時(shí)調制均是假定接收端能夠精確獲得信這個(gè)方案中,發(fā)射端的編碼和傳統的酉空時(shí)調制相同。在接道信息,這樣才能利用式(5)進(jìn)行相干檢測,譯出信息收端,首先利用傳統的方法譯出信息的估值,將得到的信息然而隨著(zhù)通信信道環(huán)境的復雜化,并且終端移動(dòng)速度加快,估值再次進(jìn)行差分酉空時(shí)編碼,得到§對于具有多發(fā)射天線(xiàn)空時(shí)調制的信道估計變得越來(lái)越困難(1)利用(9)式得到信道參數的估計值H在有些時(shí)候甚至不現實(shí)。因此,研究接收端不需要信道信息(2)然后由H利用(10)式進(jìn)行相干信號檢測,得到的差分酉空時(shí)調制很有現實(shí)意義。3.1差分酉空時(shí)調制s+]"差分酉空時(shí)調制是單天線(xiàn)差分調制在空時(shí)領(lǐng)域的推廣(10)圖1為其編碼原理這樣對1)和2)兩個(gè)步驟循環(huán)迭代,直到信道系數變化很小或迭代到指定次數后停止,將最后得到的S利用息很難得到的情形。它的編譯碼相對簡(jiǎn)單,能夠克服傳統正差分譯碼譯出源信息,圖2為該方案的方框圖。交差分空時(shí)編碼的星座擴展問(wèn)題。差分酉空時(shí)調制和OFDM這種新的迭代譯碼差分酉空時(shí)調制在一定程度上改善的結合是其在寬帶系統中的應用,是將來(lái)一個(gè)重要的研究方了系統的性能,但這是以接收機譯碼復雜度增加為代價(jià)。圖向。此外,有學(xué)者提出在接收端利用多個(gè)接收信號來(lái)進(jìn)行多3為該方案的性能仿真圖,仿真條件是兩個(gè)發(fā)射天線(xiàn)和兩個(gè)符號差分譯碼,從理論上可以改善譯碼的性能,甚至逼近相接收天線(xiàn),信息速率R=干接收的性能。但存在計算復雜度過(guò)大問(wèn)題。如何解決計算復雜度過(guò)大問(wèn)題,是這個(gè)領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向信息源差分酉四空時(shí)編碼空時(shí)譯碼參考文獻[1] Emre Telatar, Capacity of multi-antenna Gaussian channels LJTelecommunications, 1999, (06)相干檢測空時(shí)編碼585-595信道估計communications in a fading environment when using multipleantennas[I. Bell Labs. Tech. J., 1996, 6(02): 41-59圖2差分酉空時(shí)迭代譯碼示意[3] ALAMOUTI S M. A simple transmit diversity technique for母傳統方案wireless communications [JI. IEEE J Select Areas Commun, 1998號新方案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圖3新差分酉空時(shí)譯碼性能仿真[6] Hochwald B M, Marzetta T L, Richardson T J, et al. Systematic但該方法也存在一定的缺陷,(9)式的信道估計是建立design of unitary space-time constellations [J. IEEE Trans.在信道參數統計特性基礎之上的,所以需要足夠多的數據才OnIT,200,IT-46(6):1962-1973能確保信道估計值H的正確概率大,這就需要信道的相干[7]李君,曹海燕,韋崗,一種性能更優(yōu)的差分酉空時(shí)碼正交旋轉信號時(shí)間較長(cháng),也就是信號經(jīng)歷的是慢衰落或準靜態(tài)衰落信道。星座[J.電子學(xué)報,2005,33(10):1770-1773圖4的仿真是每一幀包含1024個(gè)符號。而差分酉空時(shí)調制的8] Du Zhengfeng, Gao Xigi, A New Don Scheme for Differentia設計初衷是應用于快衰落信道。而在信道相干時(shí)間較短的快Unitary Space-Time Modulation [A]. In: Proceed衰落情形下,該方案性能優(yōu)勢并不明顯。因此,這種方法存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結語(yǔ)for unitary space-time modulation[A]. In: Proc IEEE GLOBECOMO5差分酉空時(shí)調制在信道信息未知的情況下是一種性能良M0,UsA,200,USA:[s.n.],2005:1630-1635好的解決方案,這使它非常適合信道信息快速變化或信道信(上接第55頁(yè))2]張帆,伍劍,林金桐.基于電吸收調制器晶體(EM)的超短脈沖特性3R Regeneration Using Cross-Absorption Modulation in a Bulk研究[J.光子學(xué)報,2000,29(07):146-13Electroabsorption Modulator[J]. Journal of Lightwave[3] Kohsuke Nishimura. ALL-Optical Wavelength Conversion byTechnology,2006,24:3035-3044Electroabsorption Modulator [J]. IEEE Journal of Selected [6] Cheng N J. Measurement-Based Model for Cross-AbsorptionTopics in Quantum Electronics, 2005, 11: 278-284.Modulation in an MQW Electroabsorption Modulator[J).Journal[4] Awad E S. 3R Optical Regeneration with Simulataneous OpticalClock Recovery and All-Optical wavelength conversion using a [7] Li Huo, Chinlon Lin, A Reconfigurable ALL-Optical AND/OR LogicEAMLJ. Photonics Technology Letters, 2002, 14: 1378-1380.Gate using Multilevel Modulation and Self-Phase Modulation[CI[5] Li Huo. A Study on the Wavelength Conversion and ALL-OpticalIn: OFC 07, Nabe im. 2007: 1-3.