2009年第01期,第42卷通信技術(shù)Vol.42,No.01,2009總第205Communications TechnologyNo 205, Totally差分酉空時調(diào)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(jié)了差分酉空時調(diào)制的原理和編譯碼方法。差分酉空時調(diào)制是多輸入多輸出(MIM0)無線通信中不需要信道信息的一種調(diào)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調(diào)制的基本原理和在各種信噪比下的信號星座圖的設(shè)計原則;然后在此基礎(chǔ)上介紹了不需要信道信息的差分酉空時調(diào)制;最后介紹了差分酉空時調(diào)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;差分酉空時調(diào)制;信號星座;迭代【中圖分類號】TN911.22【文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàn)[45]表明,酉空時調(diào)制是高信噪比下一種達(dá)到信道容量的信息論,多輸入多輸岀( MIMO)系統(tǒng)能夠顯著地提高信最佳調(diào)制方法。本文綜述了酉空時調(diào)制編碼的原理、設(shè)計原道容量2。MMO技術(shù)中的空時編碼技術(shù)通過將時間分集和則和發(fā)展方向?？臻g分集結(jié)合起來,分別在時域和空域引入冗余,提高了系統(tǒng)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(tǒng)模型mou空時分組碼已有令人滿意的使用效果3,并已經(jīng)納假設(shè)通信系統(tǒng)發(fā)送端和接收端的天線數(shù)目分別為入3GPP標(biāo)準(zhǔn)T′是信道相干時間,表示該信道在T′個符號周期內(nèi)可以認(rèn)但是,在信道特性快速變化的移動環(huán)境中進(jìn)行有效的信為其信道衰落系數(shù)保持恒定。T是信號星座中酉矩陣的時間道估計是很困難的,在某些情況下甚至是不現(xiàn)實的。因此研維長度,T2時,MPSK存在信號擴(kuò)展,而且對于復(fù)信號很難應(yīng)用于發(fā)射天線數(shù)大于2的系統(tǒng):有關(guān)文接收天線n在t時刻的接收信號可表示為收稿日期:2008-04-28。作者簡介:李慶坤(1976-),男,博士研究生,主要研究方向為MMO技術(shù)、空時編碼技術(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m到接收天線n的信道系數(shù),假定其在T個符號周期內(nèi)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線上的平均信噪比。則在T個符號時間間隔內(nèi),式(2)可22v2S3Vz3Vz2vzi其中H={hm}為MN信道系數(shù)矩陣,S={sm}為一個T×M圖1差分西空時調(diào)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×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酉空時調(diào)制對應(yīng)R×T比特信息的M×M酉矩陣。在差分編碼當(dāng)中,用由于酉矩陣的優(yōu)良正交性,使其編碼和譯碼簡單,所以當(dāng)前的信息矩陣的下半部分v左乘前一個信號矩陣,在空時編碼中有較好的應(yīng)用,尤其在差分空時編碼中更具有即s=V*,這樣,S1的上半部分和S1的下半部分相同。良好的性能。酉空時調(diào)制通過將一定比特的信息映射為酉矩發(fā)射時,在一幀的開始時刻(i=0)發(fā)射一個已知參考矩陣,陣,直接完成了編碼與調(diào)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(shù)據(jù)集合為Z1、Z2,…,∈{0,1…,L-1},個天線在M個符號時間內(nèi)發(fā)射出去。假設(shè)在一幀符號周期內(nèi)其中每個符號代表RXT個比特信息。這就需要一個含有L信道參數(shù)保持恒定(準(zhǔn)靜態(tài)衰落),那么接收信號的形式如個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(nèi)的信號矩陣建立一一對應(yīng)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(dá)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(shè)計是一個重要的內(nèi)容,從(8)式可以看出,差分酉空時譯碼不需要信道信息,這它直接決定著方案性能的優(yōu)劣。文獻(xiàn)6系統(tǒng)地提出了兩種設(shè)特性對于接受端與未知信道參數(shù)的情況尤其適用。但同時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(shù)理論的方法。兩種方法的最后結(jié)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(xiàn)[7利用信號的旋轉(zhuǎn)不變性對信號星座的優(yōu)化惡化,才導(dǎo)致了各種接收算法設(shè)計進(jìn)行了研究。通過對文獻(xiàn)[6中的信號星座進(jìn)行旋轉(zhuǎn),可3.2一種新的差分酉空時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(jié)所述差分酉空時調(diào)制的基礎(chǔ)上, Zhengfeng du等于2006年提出了迭代譯碼的差分酉空時方案。如圖2所3差分酉空時調(diào)制示,該方案可以適當(dāng)改善因差分譯碼而導(dǎo)致的性能惡化。在前面所述酉空時調(diào)制均是假定接收端能夠精確獲得信這個方案中,發(fā)射端的編碼和傳統(tǒng)的酉空時調(diào)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(tǒng)的方法譯出信息的估值,將得到的信息然而隨著通信信道環(huán)境的復(fù)雜化,并且終端移動速度加快,估值再次進(jìn)行差分酉空時編碼,得到§對于具有多發(fā)射天線空時調(diào)制的信道估計變得越來越困難(1)利用(9)式得到信道參數(shù)的估計值H在有些時候甚至不現(xiàn)實。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,得到的差分酉空時調(diào)制很有現(xiàn)實意義。3.1差分酉空時調(diào)制s+]"差分酉空時調(diào)制是單天線差分調(diào)制在空時領(lǐng)域的推廣(10)圖1為其編碼原理這樣對1)和2)兩個步驟循環(huán)迭代,直到信道系數(shù)變化很小或迭代到指定次數(shù)后停止,將最后得到的S利用息很難得到的情形。它的編譯碼相對簡單,能夠克服傳統(tǒng)正差分譯碼譯出源信息,圖2為該方案的方框圖。交差分空時編碼的星座擴(kuò)展問題。差分酉空時調(diào)制和OFDM這種新的迭代譯碼差分酉空時調(diào)制在一定程度上改善的結(jié)合是其在寬帶系統(tǒng)中的應(yīng)用,是將來一個重要的研究方了系統(tǒng)的性能,但這是以接收機(jī)譯碼復(fù)雜度增加為代價。圖向。此外,有學(xué)者提出在接收端利用多個接收信號來進(jìn)行多3為該方案的性能仿真圖,仿真條件是兩個發(fā)射天線和兩個符號差分譯碼,從理論上可以改善譯碼的性能,甚至逼近相接收天線,信息速率R=干接收的性能。但存在計算復(fù)雜度過大問題。如何解決計算復(fù)雜度過大問題,是這個領(lǐng)域一個重要的研究方向信息源差分酉四空時編碼空時譯碼參考文獻(xiàn)[1] Emre Telatar, Capacity of multi-antenna Gaussian channels LJTelecommunications, 1999, (06)相干檢測空時編碼585-595信道估計communications in a fading environment when using multipleantennas[I. 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IEEE Trans.在信道參數(shù)統(tǒng)計特性基礎(chǔ)之上的,所以需要足夠多的數(shù)據(jù)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)的差分酉空時碼正交旋轉(zhuǎn)信號時間較長,也就是信號經(jīng)歷的是慢衰落或準(zhǔn)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個符號。而差分酉空時調(diào)制的8] Du Zhengfeng, Gao Xigi, A New Don Scheme for Differentia設(shè)計初衷是應(yīng)用于快衰落信道。而在信道相干時間較短的快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(jié)語for unitary space-time modulation[A]. In: Proc IEEE GLOBECOMO5差分酉空時調(diào)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)2]張帆,伍劍,林金桐.基于電吸收調(diào)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. 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