基于MPSK的多幅值差分空時(shí)碼改進(jìn)方案

通信與網(wǎng)絡(luò ) Communication and Network基于MPSK的多幅值差分空時(shí)碼改進(jìn)方案鄧冬虎,李宏偉,袁天,朱仁飛(空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院,映西西安71007)摘要:針對傳統基于FSK調制的幅度相位雙差分空時(shí)碼( Amplitude- phase Double DifferentialSpace- Time Codes)在信息傳輸遠率提高時(shí)會(huì )帶來(lái)性能?chē)乐叵陆狄约懊看沃荒軅鬏斊鏀祩€(gè)比特的缺點(diǎn),提出了一種適合于高階PSK調制的改進(jìn)的幅度相位雙差分空時(shí)碼方案。與傳統幅度相位雙差分空時(shí)碼相比,通過(guò)引入多電平調制幅度系數的辦法,提高信息傳輸速率,新方案對誤比特性能和信息傳翰速率進(jìn)行了一個(gè)較好的折中。而與基于PSK調制的單幅值差分空時(shí)碼DSTC( Differential SpaceTime Coding)相比,則是在相同的傳輸速率下提高了性能。關(guān)鍵詞:空時(shí)分組碼;差分檢測;PSK;多幅值;誤比特率中圖分類(lèi)號:TP911.7文獻標識碼:AImproved multi-amplitude double differential space-time codesscheme based on MPSK modulationDENG Dong Hu, LI Hong Wei, YUAN Tian, ZHU Ren Fei(The Telecommunication Engineering Institute, Air Force Engineering University, Xi'an 710077, China)Abstract: The increase of bits rate would seriously decrease the performance of traditional amplitude-phase differential spacetime codes and system can only transmit odd bits information. To ameliorate these disadvantages we proposed an improved ampli-tude-phase differential space-time codes scheme based on MPSK modulation. Compared with traditional amplitude-phase doubledifferential space-time codes, this scheme well balanced error- bit rate and data rate to enhance the bits rate through introducingan amplitude coefficient of multi-level modulation, Under same bits rate comparing proposed scheme with DSTC(Differential SpaceTime Codes), the performance is enhancedKey words: space-time block coding; differential detection; PSK; multiple amplitudes; differential detection; bit-emor rate空時(shí)碼技術(shù)是對抗衰落、提高頻譜效率的一種重要STBC( Space Time Block Code)2l。參考文獻[3]介紹了一種手段,越來(lái)越受到學(xué)者們的重視。在空時(shí)碼研究中,解碼傳統幅度相位雙差分空時(shí)碼,對幅度和相位兩組系數均時(shí)接收端往往需要知道精確的信道狀態(tài)信息CSl(Chan·采用了差分的編譯碼方式?？梢钥朔贙調制的nel State Information)),這就要求在接收端進(jìn)行信道估計。單幅值差分空時(shí)碼Dsrc( Differential Space- Time Coding)但在某些條件下,為了減小接收裝備的復雜度,通常不在高頻帶利用率下由于星座符號間的最小距離減小所要求對信道進(jìn)行估計,或者在高速移動(dòng)環(huán)境中,信道的快帶來(lái)的性能下降。但是,隨著(zhù)信息傳輸速率的提高,參考衰落特性使得信道估計變得異常困難,甚至無(wú)法估計叫。文獻[3]中的性能?chē)乐叵陆?且每次都只能傳輸奇數個(gè)這種情況下,不需要信道估計的差分空時(shí)調制DSTM比特?？紤]到可以用更多的信息來(lái)進(jìn)行幅度的編碼,所( Differential Space- Time Modulation)技術(shù)就顯得非常有以將幅度的調制辦法做一個(gè)調整,通過(guò)仿真表明,本文用。 Tarokh和 Jafarkhani提出了一種基于正交設計的差分所提方案在高階FK調制下,誤比特性能和數據傳輸速空時(shí)分組碼STBC( Space Time Block Code)/2。Takh和率與傳統辦法相比有了一個(gè)較好的折中。Jafarkhani提出了一種基于正交設計的差分空時(shí)分組碼1編解碼方案基金項目:國家自然科學(xué)基金資助(60672032);陜西省自然科學(xué)基礎研究1.1編碼項目(2007F28)對于兩根發(fā)射天線(xiàn)、一根接收天線(xiàn)、MFK的情況《電子技術(shù)應用》2010年第3期l17通信與網(wǎng)絡(luò )Communication and Network在任意時(shí)刻n都有2logM+2個(gè)比特經(jīng)編碼后進(jìn)行了傳輸,其中,2lgM個(gè)比特中的前l(fā)ogM位編碼為相位ca,=arg min.Y, -a, Y,-1后lo8位編碼為相位c,這兩個(gè)相位按照空時(shí)分組碼其中,"·‖表示矩陣的 Frobenius范數。在的估計中,的編碼方式映射構成2x2酉矩陣Cn。后兩個(gè)比特bn被映射為幅度比例系數a,從而構成4個(gè)幅度A1、A2、A3因為不同的an范圍也由前一時(shí)刻的幅度系數B,決定A4,使得了,所以可以減小a的搜索范圍。例如在B=A1時(shí),a的搜索范圍就是(1,A,A2,A)。(1)V2而b的估計,則由當前所估計出的a以及前一時(shí)刻其中系數一—是為了保證歸一化,“*”表示共軛的幅度系數B。依據表1決定。其中B.=a. B,I(10)an的選取,由輸人的最后兩個(gè)比特b以及前一時(shí)刻的幅度系數鳳-來(lái)決定。假定a的選擇范圍為(1,A,嗎8cmP-ay-CA2,A3,A-,A-2,A-),具體按表1方法進(jìn)行映射。酃8m(r-就,";-a"C"+CC"表1an的映射辦法ng以(C!+x:C")(11)S max r(Re( C Y )式中,r(…)表示矩陣的跡,Re()表示矩陣的實(shí)數部分。根據C和6。逆映射后即可得到初始輸人信息。0]A22參數的選擇參數λ以及幅度系數(A1,A2,AyA4)的選擇,假設幾個(gè)整個(gè)系統具體實(shí)現方法如下:幅度系數是等比序列,且緊鄰的兩個(gè)幅度比例為A,即A2=AA1;A3=A1;A4=A1。為了保證能量的歸一化,要求:初始化:當初始時(shí)刻n=0時(shí),令A2+A2+A32+A2=4D=l2,B2=A1其中h2是單位陣D為發(fā)射的相位矩陣B為發(fā)射的幅從而:A=V4(++“+5)(13)度系數。根據編碼增益距離CGD( Coding Gain Distance)的定在非初始時(shí)刻即n≥1的情況下,則在初始化的基義,在準靜態(tài)平坦 Rayleigh衰落信道條件下所有可能的礎上進(jìn)行差分編碼。不同碼字對C‘和C構成矩陣B(CC)=D(C,C)"DC,相位矩陣的編碼為:D=DCn(3)C),當其滿(mǎn)秩時(shí)其最小行列式對應于全分集碼的編碼增幅度系數為:B4=B,n(4)益。該式中()表示共軛轉置,而D(C,C)=CC。則傳輸矩陣為:Xn=B2D4對于MPSK星座,可以假定不同碼字對C′=1.2譯碼設在平坦慢衰落信道下,第n時(shí)刻接收到的信號“““和C=211",”?！?。小是其中,H為信道衰落矩陣,且前后兩個(gè)碼元時(shí)刻信道A,為幅度系數。經(jīng)均屬于10,1,…,M-1,A和其中,a=2m/M,l、l2、k1、kY,=HX +N(6)落系數相同,N,為獨立同分布的信道噪聲,滿(mǎn)足復高斯det(B)=+242+242-24,A,(os(0(k1-k2)+o(a(0,1)分布,則(l1-l2)2Y=HX +N選擇一個(gè)λ值使得det(B)的最小值最大化,從而決=HB, D,+M(7)定幅度系數。Ha, B,-1D,C,+N,從圖1中可以得到在不同調制方式下的A的最佳連續接收到的兩個(gè)碼元有以下關(guān)系:值,即如表2所示。Y。=anyC+N-aNCn(8)3仿真結果且由于Cn是酉矩陣,使得N-aNCn滿(mǎn)足復高斯為了驗證所提算法的性能,在 MATLAB下對算法進(jìn)(0,1+a2)分布。行了仿真。仿真假定為:(1)系統中發(fā)送端有2根天線(xiàn);由于a∈1,A,,A,A,A3,A,由此可知幅度比(2)系統中接收端有1根天線(xiàn);(3)信道為準靜態(tài)平坦瑞例系數估計為利衰落信道,信道矩陣的元素為獨立同分布的零均值單118歡迎網(wǎng)上投稿www.chinaaet.com《電子技術(shù)應用》2010年第3期通信與網(wǎng)絡(luò ) Communication and Network事排閨鍵理閨,,,,-32PSK64 PSK群非豬理04-=4P1相鄰幅度系數比值2026圖1不同λ對應的編碼增益圖3所提方案與單幅值相位雙差分空時(shí)碼相比位方差的復高斯隨機變量。表2不同調制方式下的方式。圖2給出了所提方案λ的最佳值本文通過(guò)數學(xué)理論、引入多幅值、增加比特來(lái)映射與幅度相位雙差分空時(shí)碼調制方式幅值,以提高信息傳輸速率。仿真結果表明,所提方案與的性能比較。在傳統方案傳統幅度相位雙差分空時(shí)碼相比,對傳輸速率和誤比特中,從16K到32ESK的調313-率有一個(gè)較好的折中,與單幅值差分空時(shí)碼相比性能要制方式,為了增加1b/s/Hz64PSK1.00好出很多。但本文并沒(méi)有對相位編碼進(jìn)行改進(jìn),這將是的傳輸速率,在BER=102時(shí)下一步工作的重點(diǎn)。達到了54dB的性能損失,而本文所提方案則可以在增參考文獻加05bit/sHz的傳輸速率且調制方式均為16FK情況] HUGHES B L. Differential space- time modulation下,在BER=102時(shí)出現2dB的性能損失。而在32PSKIEEE Trans.200,m-46(7):2567-2578調制下,在BER=102時(shí)性能損失為1dB。在64FK下,性(2] TAROKH V, JAFARKHANI H. a differential detection能基本相同。由此可見(jiàn),所提多幅值差分空時(shí)碼方案使scheme for transmit diversity[J]. IEEE Journal on Selected得傳輸速率和誤比特率達到一個(gè)較好的折中。Areas in Communication, 2000, 18(7): 1169-1174[3] LI Hong Bin. Differential space-time coding based ongeneralized multi-channel amplitude and phase modulationU]. IEEE Intemational Conference. 2004, 2 (17-21); ii-17-20[4] TAROKH V, JAFARKANI H, CALDER-BANK A R理理理Space-time block codes from orthogonal designs[J].IEEE[5] TAROKH V, SESHADRI N, CALDE pD I5):1456-1467.time codes for high data rate wireless communicatio逆哩里Performance analysis and code construction [J].IEEEinom. Theory,199844(2):744-765.1012A32PP開(kāi)!理!里收稿日期:2009-06-15)4A64P10作者簡(jiǎn)介:STRIdE鄧冬虎,男,1986年生,碩士研究生,主要研究方向圖2所提方案與傳統幅度相位雙差分空時(shí)碼相比MIMO系統空時(shí)編碼技術(shù)。在圖3中,給出了所提方案與單幅值差分空時(shí)碼的李宏偉,男,1966年生,副教授,碩士生導師,主要研究性能比較。在傳輸速率都為5bit/s/Hz,BER=10-2時(shí),性方向:移動(dòng)通信技術(shù)。能比單幅值差分空時(shí)碼好出2.8dB,而均在6b/s/Hz時(shí)朱仁飛,男,1986年生,碩土研究生,研究方向:雷達信性能更是好出許多。號處理。圖中,1A表示單幅值差分,2A表示幅度相位雙差分,4A表示本文所提方案。而“P”表示相應的PSK調制《電子技術(shù)應用》2010年第3期119