基于空時(shí)分組碼及分層空時(shí)碼的空時(shí)編碼方案

大慶石油學(xué)學(xué)報第31卷第4期2007年8月JOURNAL OF DAQING PETROLEUM INSTITUTENo, 4 Aug. 2007基于空時(shí)分組碼及分層空時(shí)碼的空時(shí)編碼方案于波12,張興周2,李鴻林2(1.大慶石油學(xué)院電子科學(xué)學(xué)院,黑龍江大慶163318;2.哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱摘要:針對4個(gè)發(fā)射天線(xiàn),提出一種結合空時(shí)分組碼及分層空時(shí)碼的混合編碼方案,該方案首先把發(fā)送數據符號分成2塊,對每塊數據進(jìn)行正交分組,每塊數據符號矢量不再對應固定的天線(xiàn),因此具有一定的交織增益,從而得到更高增益的發(fā)射分集;然后給出結合最小均方誤差干擾抑制的最大似然解碼方法的具體步驟,仿真結果表明:無(wú)論是在理想的瑞利衰落信道,還是在信道存在相關(guān)的情況下,該編碼方案的誤碼率均優(yōu)于傳統的正交分組結合分層的混合空時(shí)編碼方案關(guān)鍵詞:混合空時(shí)碼;空時(shí)分組碼;分層空時(shí)碼;發(fā)射分集中圈分類(lèi)號:TN911.21文獻標識碼:A文章編號:1000-1891(2007)04-0070-03分層空時(shí)碼和空時(shí)分組碼是研究較為廣泛的2種空時(shí)編碼方法.分層空時(shí)碼具有較高的頻帶利用率,而抗衰落性能較差;空時(shí)分組碼具有發(fā)射分集,性能明顯優(yōu)于前者,但傳輸效率較低.結合空時(shí)分組碼和分層空時(shí)碼,可實(shí)現折衷考慮頻帶利用率和誤碼率性能的目的常規混合空時(shí)編碼-3所采用的分組碼均是經(jīng)典的 Alamouti空時(shí)碼“,其各層數據流對應固定的發(fā)射天線(xiàn)1混合編碼系統模型多輸入多輸出通信系統中,L個(gè)符號周期接收天線(xiàn)信號矩陣r為r= HS+N,(1)式中:N為加性噪聲矩陣,其元素為零均值,方差為G的復高斯隨機變量;S為發(fā)射符號矩陣;H為準靜態(tài)衰落信道矩陣,H=RHR/2,H。為瑞利信道矩陣,R,R分別為發(fā)射和接收相關(guān)矩陣混合空時(shí)編碼中,經(jīng)過(guò)串并轉換后的發(fā)送數據被分成g層分組數據流和層直發(fā)數據流,各層分組數據流符號經(jīng)過(guò)空時(shí)分組編碼,分別與m;(i=1,2,…,g)個(gè)發(fā)射天線(xiàn)相對應,而各層直發(fā)數據流m1分別對應一個(gè)發(fā)射天線(xiàn),若令M和M分別為發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)個(gè)數此時(shí)有∑m+m2=M,表示為(m對4個(gè)發(fā)射天線(xiàn)的混合空時(shí)編碼系統,(2,2)混合空時(shí)編碼方案的誤碼率性能要優(yōu)于(2,1,1)和(3,1)兩種混合編碼方案3.在(2,2)混合空時(shí)編碼方案中,空時(shí)分組碼采用 Alamouti空時(shí)碼,矩陣的各行向量對應不同的發(fā)射天線(xiàn),各列分別對應不同的發(fā)射時(shí)刻,發(fā)射符號矩陣S為s1112521522新的混合空時(shí)碼結構及解碼算法新的混合空時(shí)編碼發(fā)射端結構見(jiàn)圖1.把串并轉換后數據流碼字符號送給空時(shí)塊編碼器,每2個(gè)碼字收稿日期:2007-04-19;審稿人:王明吉;編輯:任志平作者簡(jiǎn)介:于波(1968-),男,博士生,講師,主要從事通信編碼及信號處理方面的研究第4期于波等:基于空時(shí)分組碼及分層空時(shí)碼的空時(shí)編碼方案符號為1塊,對2塊碼字進(jìn)行塊正交編碼.發(fā)射碼字矩線(xiàn)1,2→B1BB2輸入線(xiàn)34B1}BB2 B1式中:B1=[s1s12J;B2=[sns2].接收信號矩陣圖1新的混合空時(shí)碼系統發(fā)射端結構為(4)式中:M為接收天線(xiàn)個(gè)數在新的編碼方案中,把串并轉換后的數據符號分為2層,每層數據及共軛冗余符號不再是層內分組編碼后,由固定的天線(xiàn)對發(fā)射,而是把數據符號按層分塊后交叉通過(guò)不同的天線(xiàn)對發(fā)射.這樣,2層數據之間有一定的交織效果,可使編碼得到更好的發(fā)射分集.解碼算法步驟:(1)把接收信號矩陣按列拓展重構,拓展重構后的接收矩陣P為f= HS+N(5)式中:P=[n1…,rM,(r+1),…,(r)·];s=[s1,s2]=[1,s2,m,sa];N=[n,…,n,(n+1),…,(nt)”丁,H為(2)釆用組干擾抑制的MMSE算法,得到干擾抑制后的子接收信號矩陣.第k層干擾抑制權矩陣Wmal= argmin E{‖W-hs‖2}=h;(HH"+dI2M.)-1,式中:[·衛為·]的共軛轉置;I2M為2M,×2M,的標準單位矩陣;為加性復高斯噪聲的方差.從而有f1=Mmse f= h,si+A,(3)利用式(9進(jìn)行最大似然解碼,得到估計數據符號:s1= argmin‖1-h1s1‖2(9)式中:1為首層分組碼字符號的估計值,s1=[s1s1];Z為調制符號集(4)消除組干擾,得到第2層碼字符號的估計值由Wm=h2h(h2h2+I2M)-1,即有P2=Wmn(r-h11)=h22+n2,從而根據s2= argmin i2-h2s2‖2,得到s2=[521,s2]為第2層分組碼字符號的估計值無(wú)論是文中的混合空時(shí)編碼方案,還是常規的混合空時(shí)編碼方案,在采用MMSE逐次干擾抑制的最大似然解碼時(shí)均可每個(gè)碼字符號單獨解碼°,但成對解碼時(shí)性能更好,當然,這是以復雜性增加為代價(jià)的常規混合空時(shí)碼的信道重構矩陣H?？杀硎緸?2hil(10)大石油學(xué)院學(xué)報第31卷2007年3仿真分析仿真分析采用QPSK調制,每幀數據為120個(gè)數0文中混合空時(shí)碼據符號,仿真幀數為104,信道為準靜態(tài)瑞利衰落信道,發(fā)射天線(xiàn)數為4,采用文中給出的方法進(jìn)行解碼在天線(xiàn)不相關(guān)的情況下,常規的混合空時(shí)碼與文中混合空時(shí)碼的誤碼率BER隨信噪比SNR變化關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖2.由圖2可以看出,對于接收天線(xiàn)個(gè)數M,=2,在誤碼率為10-3時(shí),文中混合空時(shí)碼比常規的混10合空時(shí)碼有1.5dB的增益;對于M=3,在誤碼率為15SNR/dB10ˉ‘時(shí),文中混合空時(shí)碼比常規的混合空時(shí)碼有1.0圖2接收天線(xiàn)數為2,3,4時(shí)BER與SNR的關(guān)系曲線(xiàn)dB的增益;對于M1=4,在誤碼率為10-時(shí),文中的混常規混合空時(shí)碼合空時(shí)碼比常規的混合空時(shí)碼有0.6dB的增益文中混合空時(shí)碼SNR=10.0dB時(shí),對M,=2,3,4接收條件下,發(fā)射天線(xiàn)存在相關(guān)時(shí)的SNR與相關(guān)因數P的關(guān)系曲線(xiàn)1044-+…見(jiàn)圖3.此處假設空間相關(guān)矩陣R:為(p-)”(p-2)由圖3看出,當p≤0.8時(shí),文中混合空時(shí)編碼誤0.20.40.60.8編碼在3種接收條件下均優(yōu)于常規混合空時(shí)編碼,而圖3SNR為10.0dB、接收天線(xiàn)數為2,3,4時(shí)當ρ>0.8時(shí),2種混合空時(shí)編碼的性能?chē)乐叵陆礏ER與P的關(guān)系曲線(xiàn)結束語(yǔ)混合空時(shí)編碼同時(shí)具有分層空時(shí)碼和空時(shí)分組碼的一些優(yōu)點(diǎn),與分層空時(shí)碼相比具有更高的可靠性,與空時(shí)分組碼相比具有更高的頻帶利用率.針對4發(fā)射天線(xiàn)的混合空時(shí)編碼提出的新編碼方案,無(wú)論是在理想瑞利信道下,還是在信道存在相關(guān)條件下,該混合空時(shí)碼均比常規的4發(fā)射天線(xiàn)混合空時(shí)碼具有更好的誤碼率性能參考文獻1]WAL M, PANGTI T. Block layered space- time code design [J]. IEEE Sensor Array and Multichannel Signal Processing Work-2006.7;224-228[2] ZHAO L, DUBEY V K. Detection schemes for space-time block code and spatial multiplexing combined system [J]. IEEE Commun.Letters,2005,9(1):49-51.[3]張股,蔣鈴鴿,何晨.一種針對混合空時(shí)編碼解碼方案的改進(jìn)[].上海交通大學(xué)學(xué)報,2006,40(1):72-75[4 ALAMOUTI S M. A simple diversity technique for wireless communications [J]. IEEE J. Select. Areas Commun.1998.16(8),[5]李勇朝,王峰,許曉紅,等.一種新的混合型空時(shí)編碼研究[冂].探測與控制學(xué)報,2003,25(4):42-46[6 VUCETIC B, YUAN J H. Space-time coding[M]. Chichester: John Wiley &.Sons Ltd, 2003: 185-218