差分空时分组编码的研究探讨的论文_通信技术论文

摘要:一般在空时编码解码时接收端需要信道状态信息(csi),因而必须获得精确的信道估计,而差分空时编码(dstc)接收端在解码时不需要csi,因而不需要信道估计。在信道衰落快或信息传输速率高的情况下,实时而精确的信道估计非常困难或代价太高,此时接收端不能获得csi,因而需要差分空时编码。对非相干系统中空时编码的编译码原理、特点和性能进行了分析和比较,并对其中的部分空时编码给出了具体的实例和仿真结果。
　　关键词:非相干系统; 信道状态信息; 差分空时编码; 信道估计
　　　　
　　study on differential space-time coding
　　liu xiao-qun
　　(department of physics and information technology, baoji university of science and arts, baoji 721016, china)
　　abstract: an accurate channel estimation at receiving end is needed for decoding of common space-time coding, while the channel state information (csi) and channel estimation are not needed for dstc. under the circumstances where wireless channels fade very rapidly or the data rate is very high, the channel estimation is too hard or too costly to detect, the dstc is required. in this paper, the encoding and decoding theories, features, and performances of space-time coding for incoherent system are introduced, and the comparison between them is presented. the examples and simulation results are proposed.
　　keywords: incoherent system; channel state information; differential space-time coding; channel estimation
　　
　　0 引言
　　从相干空时编码的解码方式可以看出,接收端需要确切知道信道状态信息(channel state information,csi)的情况[1-3],当然当信道相对于数据传输速率缓慢变化时,发射机可以通过发送训练序列进行信道检测使接收机能够进行正确的信道估计,接收机要获得理想的信道状态信息(csi),可以用相干检测的方法解码[4]。wwW.11665.cOM但是,在高速移动的环境下或者信道衰落条件快速变化而使信道变化很快的时候,就很难准确地进行信道估计或者准确进行信道估计的代价很高,此时接收机不能获得理想的信道状态信息,因此,如何设计不需要信道估计也能取得良好误码性能的空时编码显得十分重要。酉空时码和差分空时码就是根据这个要求提出的。本文首先重点介绍了正交设计的差分空时编码的编译码原理,然后对差分空时编码的性能进行了仿真。
　　1 差分编码方法
　　tarokh等人根据单天线条件下的差分编码思想,提出基于正交设计的差分空时分组编码[5-6],它用在发射端和接收端都不需要知道信道状态信息,编码也很简单,在接收端,解码也有很低的解码复杂度。
　　根据文献[4-5],2根发射天线基于正交设计的差分stbc原理框图如图1所示。
　　图1 2根发射天线时的差分stbc原理框图
　　首先发射2个参考信号x1和x2,发送的码字矩阵采用alamouti方案:
　　x0=x1-x*2
　　x2x*1
　　(1)
　　
　　发射机在第一个符号周期从两根发射天线发射的符号向量是x1=[x1,x2]t,在第二个符号周期从两根发射天线发射的符号向量是x2=[-x*2,x*1]t,这两次发射信号不携带信息,只是作为参考信号,以后发射机采用差分方式对数据编码进行发射。假设在第2t-1(t≥2)个符号周期从第一根和第二根发射天线发射的符号分别是x2t-1和x2t,在第2t个符号周期从第一根和第二根发射天线发射的符号分别是-x*2t和x*2t-1 。在第2t+1个符号周期,一组2m个比特到达编码器,并产生对应的系数向量(r1,r2),编码器根据前两个符号周期发射的符号向量和当前系数向量(r1,r2)计算出后续两次发射的符号:
　　
　　(x2t+1,x2t+2)=r1(x2t-1,x2t)+r2(-x*2t,x*2t-1)
　　(2)
　　
　　根据x2t+1和x2t+2进行alamouti编码在第2t+1和2t+2个符号周期发射信号,以后一直按照这种方式发射信号。
　　调制符号的星座图a一般选用psk方式。对于2m-psk,由于2根发射天线,为了归一化发射符号功率,使每个符号周期发射符号向量的功率是1。星座图可以表示为:
　　a=ej2πk/2m2, k=0,1,…,2m-1
　　(3)
　　
　　根据式(2),它的系数可写为:
　　r1=x2t+1x*2t-1+x2t+2x*2t
　　r2=-x2t+1x2t+x2t+2x2t-1
　　(4)
　　
　　对于给定的星座图和参考信号,有22m个不同的系数向量对应于不同的信号向量。系数向量构成的集合v中,任意一组2m个信息比特和其中的一个系数向量是一一对应的关系。
　　2 差分解码方法
　　假设有1根接收天线,yt,nt分别表示第t个符号周期的接收信号和噪声,h1,h2是在第t个符号周期分别从第一根发射天线和第二根发射天线到接收天线的信道衰落系数,那么有下面的接收方程[7]:

　y2t-1=h1x2t-1+h2x2t+n2t-1
　　y2t=-h1x*2t+h2x*2t-1+n2t
　　y2t+1=h1x2t+1+h2x2t+2+n2t+1
　　y2t+2=-h1x*2t+2+h2x*2t+1+n2t+2
　　(5)
　　h=h1h*2
　　h2-h*1
　　(6)
　　n2t-1=(n2t-1,n*2t)
　　n2t=(n2t,-n*2t-1)
　　(7)
　　式(9)写成向量的形式为:
　　(y2t-1,y*2t)=(x2t-1,x2t)h+n2t-1
　　(y2t+1,y*2t+2)=(x2t+1,x2t+2)h+n2t+1
　　(y2t,-y*2t-1)=(-x*2t,x*2t-1)h+n2t
(8)
　　
　　解码的判决统计信号经过整理为:
　　
　　(1,2)=(h12+h22)(r1,r2)+(1,2)
　　(9)
　　式中:
　　
　　1=(x2t+1,x2t+2)hnh2t-1+n2t+1hh(x2t-1,x2t)h+
　　n2t+1nh2t-1
　　2=(x2t+1,x2t+2)hnh2t+n2t+1hh(-x*2t,x*2t-1)h+
　　n2t+1nh2t
　　(10)
　　
　　从式(9)可以看出,对于给定的信道衰落系数h1和h2,判决统计信号向量(1,2)是差分系数向量(r1,r2)的函数。系数向量集合v中所有的系数向量长度相等,接收机选择到判决统计信号向量(1,2)欧氏距离最近的系数向量作为解码输出,然后再反射到比特分组,从而恢复出发射比特信息。
　　3 仿真结果
　　matlab仿真参数:frame length=180;number of packets=500,图2是2根发射天线、1根接收天线时相干和差分qpsk调制的空时分组码的性能曲线图。
　　图2 nt=2, nr=1时相干和非相干
　　qpsk调制的stbc的性能
　　从图2可以看出,两根曲线平行,这是因为两种方案都采用的是(2,1)系统,提供相同的分集增益,而分集增益决定了曲线下降的曲率,但是差分编码方案比相应的相干检测性能差大约3 db。另外,8-psk调制下的性能比4-psk调制的差,这是因为调制阶数越高,信号之间的差别越小,要达到相同的性能,需要的信噪比越大,所以性能越差。
　　4 结论
　　非相关检测比相关检测性能如预料的一样差3 db,尤其在高信噪比时。但是差分检测带来的好处是发射端和接收端都无需知道信道的状态信息,所以不需要发射训练序列进行信道估计,这不仅能简化接收端,而且节省了资源[8]。
　　
　　参考文献
　　[1] 张国珍.mimo系统中的空时编码技术的研究[d].乌鲁木齐:新疆大学,2006.
　　[2]naguib f, tarokh v. a space-time coding modem for-high-data-rate wireless communications [j].ieee journal on selected areas in communications, 1998,16(8): 65-73.
　　[3]proakis john g. digital communications [m].北京:电子工业出版社,2001.
　　[4]alamouti s m. a simple transmit diversity technique for wireless communications [j]. ieee select areas communication, 1998,16: 1451-1458.
　　[5]vucetic b, yuan jin-hong. space-time coding[m]. [s.l.]: john wiley & sons, 2003: 68-75.
　　[6]tarokh v,jafarkhani h. a diferential detection scheme for transmit diversity [j]. ieee select area comm., 2000, 18: 1169-1174.
　　[7]jafarkhani h, tarokh vahid. multiple transmit antenna differential detection from generalized orthogonal designs[j]. ieee trans.on information theory, 2001, 47(6): 2626-2631.
　　[8]王庆华.无线mimo系统中的差分空时编码技术研究[d].南京:南京邮电大学,2006.

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