9信息技術(shù)2009年第6期中圖分類號(hào):TN14文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):100-2552(2009106-04-0MIMO傳輸系統(tǒng)中差分空時(shí)編碼的能耗分析楊岳,儲(chǔ)昭才,蘇雪娟(安徽大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,合肥2009)摘要:Alam方案是為發(fā)射天線數(shù)為2的系統(tǒng)提供完全發(fā)射分集增益的一種空時(shí)分組碼,該編碼譯碼方案簡單,在接收端采用最大釋然譯碼算法,因而得到了廣泛的應(yīng)用。但是該編碼方案需要在接收端恢復(fù)信道系數(shù)才能進(jìn)行譯碼。所以許多有關(guān)空時(shí)編碼的研究都是假設(shè)信道的狀態(tài)在接收端是已知的。而基于正交的差分空時(shí)編碼方案可以在接收端不知道信道狀態(tài)信息下進(jìn)行譯碼,因而可以簡化譯碼電路。主要分析了在多入多出無線傳輸條件下基于正交的差分空時(shí)編碼在發(fā)射端的能量消耗,并通過仿真比較了該差分空時(shí)編碼與傳統(tǒng)的 alamouti編碼在一定的誤碼率條件下隨著傳輸距高的不同發(fā)射端發(fā)射每比特信息所需要的能量,關(guān)鍵詞:MMo; DSTBC;能耗;分析Analysis of transmitting energy consumption of DSTBCbased on MIMO systemYANG Yue, CHU Zhao-cai, SU Xue- juanSchool of Electronic Science and Technology, Anhui University, Hefei 230039, China)Abstract: Space-time coding and modulation exploit the presence of multiple transmit antennas to improveperfomance on multipath radio channels, Traditional Alamouti code which can provide full diversity order withtwo-branch transmit antennas is based on the fact that the reciever has perfectly known the channeinformation. In certain situations, however, it may be difficult or costly to estimate the channel accurately.Thus, it is natural to consider modulation techniques that do not require channel estimates at the transmitter orreceiver.Differential space-time code( DSTBC)is also a kind of space-time block code(STBC)which doesnot need to know the channel infomation at the receiver to decode and not require any bandwidth expansion orany feedback from the receiver to the transmitter. This paper analyses the energy consumption of differentialspace-time code based on the MIMO system on the assumption that the channel is flat and compares thetransmitting energy per bit of dSTBC with traditional Alamouti code under different distanceKey words: MIMO: DSTBC; energy consumption; analysis0引言道容量的一種可行有效的方法。該編碼在多根發(fā)射隨著因特網(wǎng)和多媒體應(yīng)用在下一代無線通信中天線和各個(gè)時(shí)間周期的發(fā)射信號(hào)之間能夠產(chǎn)生空域的集成寬帶高速數(shù)據(jù)通信服務(wù)的需要正在不斷增和時(shí)域的相關(guān)性。這種空時(shí)相關(guān)性可以使接收機(jī)克長。由于可用無線頻譜資源的有限性高數(shù)據(jù)速率服MMO信道衰落和減少誤碼率。Aami方案只能通過高效的信號(hào)處理來實(shí)現(xiàn)。MMo技術(shù)利用是為發(fā)射天線數(shù)為2的系統(tǒng)提供完全發(fā)射分集增益多天線能有效地抑制多徑衰落,并且在不增加帶寬收稿日期:2008-10-08和天線發(fā)射功率的情況下可以成倍地提高頻譜利作者簡介:楊(984-),男,安徽大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2x06用率。而使用空時(shí)編碼是達(dá)到或接近MIMO無線信級(jí)研究生,主要研究方向?yàn)闊o線通信。的一種空時(shí)分組碼,該編碼譯碼方案簡單,在接收端該式稱為“差分編碼準(zhǔn)則”。重復(fù)這個(gè)過程,直到整個(gè)采用最大釋然譯碼算法,因而得到了廣泛的應(yīng)用。幀發(fā)送完畢。但是該編碼方案需要在接收端恢復(fù)信道系數(shù)才能進(jìn)②差分系數(shù)計(jì)算方法:將每次輸入2m比特進(jìn)行譯碼。所以許多有關(guān)空時(shí)編碼的研究都是假設(shè)信行調(diào)制得到調(diào)制信號(hào)和根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算:道的狀態(tài)在接收端是已知的。在實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)信R(2)道緩慢變化時(shí),發(fā)射機(jī)可以發(fā)送導(dǎo)頻序列從而使接R2=-a3a2+a4a1(3)收機(jī)能夠準(zhǔn)確的估計(jì)信道,而且這樣會(huì)消耗多余的這樣對(duì)于同一參考信號(hào),不同的輸入比特映射為不能量。但是在一些情況下(例如高速移動(dòng)的環(huán)境或同的差分系數(shù)。例如:對(duì)BPSK,參考信號(hào)(a1,a2)=者信道快速衰落時(shí)),很難準(zhǔn)確地估計(jì)信道,或者準(zhǔn)(1/2,1/2),根據(jù)上式就可以得到所有可能輸入比確估計(jì)信道的代價(jià)很高。因此需要一種在接收端即特與差分系數(shù)矢量(R1,R2)之間的映射關(guān)系使不知道信道狀態(tài)信息也可以進(jìn)行譯碼的編碼,而M(00)=V(1,0)基于正交的差分空時(shí)編碼( DSTBC)可以在接收端不M(10)=V(0,1)使用信道估計(jì)的情況下進(jìn)行譯碼,并且其差分編碼(4)M(01)=V(0,-1)和譯碼算法都很簡單。因而在實(shí)際應(yīng)用中差分空時(shí)編碼系統(tǒng)的復(fù)雜度會(huì)降低。M(11)=V(-1,0)③差分譯碼:假設(shè)接收天線數(shù)為1,r表示t時(shí)1差分空時(shí)編碼( DSTBC)原理刻接收到的信號(hào),接收天線在時(shí)刻2t-1,2t,2t+1在單天線時(shí)采用差分檢測(cè)技術(shù)可以保證在沒2+2接收到的信號(hào)分別為:有信道信息和導(dǎo)引序列的情況下,仍能以較好的性r21=h1x21-1+h2x21+n2-1(5)能恢復(fù)出原始序列。差分在單天線中的應(yīng)用使得人r2=-h1x2+h2x2-1+(6)們考慮是否可將其擴(kuò)展到多天線系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)r2n+1=h1x2+1+h2x212+上, V, Tarokh和H. Jafarkhani于2000年構(gòu)造了針對(duì)兩根發(fā)射天線的差分檢測(cè)技術(shù)。其發(fā)送碼矩陣的形r2a+2=-h1x2x+2+h2x,1+n2x+2式類似于 alamouti編碼發(fā)送矩陣,具有正交性。接收機(jī)關(guān)于R1和R2的判決統(tǒng)計(jì)量分別定義為①兩根發(fā)射天線基于正交設(shè)計(jì)的差分STBC原R1=(r2a+,rz+2)g(r2-1,r2)=理框圖如圖1所示(9)r延遲2+lr2t-f2t+2r2:-1(10)信息比特「映射B>R,R禮符號(hào)計(jì)算sTBC編碼譯碼時(shí),從矢量集V中找到離統(tǒng)計(jì)判決量最近的系數(shù)矢量作為判決器的輸出,然后進(jìn)行逆映射,得到相圖1兩根發(fā)射天線的 DSTBC編碼框圖應(yīng)的輸入信息比特,這樣就完成了譯碼。如果接收天差分空時(shí)碼采用2BK調(diào)制每次輸入2m比線數(shù)為k(k>1),只需按相同的方同的接收特將其映射為兩個(gè)差分系數(shù)R1和R2,它們將用于天線計(jì)算判決統(tǒng)計(jì)量R和R,然后相加得:后面的符號(hào)計(jì)算,并且這種映射是一種一一對(duì)應(yīng)的R:=∑R(11)關(guān)系。用V表示系統(tǒng)矢量集,V中共有2m個(gè)不同的元素,所有的元素長度均為1。發(fā)射機(jī)首先在時(shí)刻1R2=∑k(12)分別從天線1和天線2發(fā)送參考信號(hào)a1=x1和④2=x2,根據(jù)ALmi編碼規(guī)則←,在時(shí)刻2分別即可。發(fā)送信號(hào)x2和x。這兩次傳輸不攜帶任何數(shù)據(jù)2能耗分析信息。然后發(fā)射機(jī)用差分模式對(duì)數(shù)據(jù)序列編碼,并按在發(fā)射端,發(fā)射天線的發(fā)射功率為如下方式進(jìn)行編碼。在時(shí)刻3從天線1和天線2發(fā)送Pr=EGC入2MIN(13)的信號(hào)x3和x4,它們需要根據(jù)先前發(fā)送的信號(hào)x1和x2以及映射產(chǎn)生的差分系數(shù)R1和R2計(jì)算求出,其中E是在確定的誤碼率條件下每比特信息所需具體方法為要的能量,R4是比特速率,d是信號(hào)傳輸距離λ是/+(1)載波波長,M是用于補(bǔ)償電路處理和加性背景噪聲或干擾的鏈路差額,N=(N/N。)是接收機(jī)噪聲影響因子。其中,。=-20.9dBW/H)是噪聲溫度d為300k的熱噪聲單邊功率譜密度( Power Spectral22 dstbDensity PSD),N是接收機(jī)輸入端總的噪聲影響的FSD,G1是發(fā)射天線功率增益,G,是接收天線功率增益。對(duì)于不同的場(chǎng)合,n取值不同,自由空間傳播模型n=2市區(qū)蜂窩陰影n=3,4,5根據(jù)式(13),愿叫發(fā)射端每比特所消耗的能量En= PR=E(4T)dM N,(14)式中,E可以用仿真的方法得到。在二進(jìn)制時(shí),信噪比(SNR)表示如下(15)圖22*2的 DSTBC與Aamu編碼性能比較其中,E6是發(fā)送一個(gè)比特所需要的能量,n0是噪聲單邊功率譜密度,R是比特傳輸速率,B是接收機(jī)帶22 dstbc寬在多天線傳輸中假設(shè)傳輸數(shù)率R=,則有S Eb(16當(dāng)發(fā)射端有兩根發(fā)射天線可以通過仿真得到滿足所要求的誤碼率的SNR,假設(shè)在發(fā)射端天線的功率是平均分配的則每根天線上發(fā)射每比特信息所需要的能量Eb3性能仿真?zhèn)鬏斁嚯x/m本文采用BK調(diào)制方案,假定信道模型為瑞圖322的DmBC和Am編碼在發(fā)射端每比特所消耗的能量利平坦衰落信道,n的取值為2,誤碼率要求為ps道估計(jì)所以這將會(huì)消耗額外的能量,而且接收端的103發(fā)射功率相關(guān)參數(shù)如下:載頻∫。=2.5GH,譯碼電路也會(huì)變得復(fù)雜。GG=5dBi,M=10B,M=4dB,噪聲的單邊功參考文獻(xiàn):率譜密度m0=-174 dBm/Hz。圖2給出了兩根接t]黃韜MM相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用(M]機(jī)械工業(yè)出版社200[2] Branka vucetic王曉梅,等箏譯空時(shí)編碼技術(shù)[M]機(jī)械工業(yè)出版收天線的DSBC編碼和 Alamouti編碼性能的仿真比較從仿真結(jié)果中可以得出當(dāng)誤碼率為10°時(shí),(3] Brian L Hughes, Diferential Space-Time Modulation].BEmDSTC和 Alamouti編碼所需要的信噪比分別為cnT20,6(7):2567-257815.2dB和12.5dB。圖3給出了隨著發(fā)射距離的增4】 Goldsmith Cui A J,BhiA. Energy-efficiemcy o MIMO and coopera-加 DSTBC與 alamouti編碼各自每比特所消耗的能量tive MIMO techniques in sensor networks[J]. IEEE Joum. Select.的仿真結(jié)果。Areas. Commn, 2003, submitted[5] Tarokh V Space-time Block Coding for Wireless Commumications:Per.4結(jié)束語formance Results[J]. IEEE J on Select A reas Com.,1999: 451通過實(shí)驗(yàn)仿真的方法,得到了在不同的傳輸距離下 Alamouti編碼和DSBC在發(fā)射端每比特信息所6] Vahid Tarokh, Nambi Seshadni, aldebankAR. Space-Time Codes for消耗的能量,通過仿真結(jié)果可以得到隨著傳輸距離High Data Rate Wireless Communications: Performance Criterion andCaMe Canstructian[J]. IEEE Trans hn farm Theary, Mar 1998,44:744的增加, Alamouti編碼每比特信息所消耗的能量要小于DSBC每比特信息所消耗的能量。然而上述[77mkhv, Hamid Tafarkhani. A Differential Detecion Scheme forAlamouti編碼都是假設(shè)信道的狀態(tài)信息是已知的。Transmit Diversity[J].IEEE Trans JSAC,2000, 18(7): 1169-1174.在實(shí)際中,還要通過發(fā)射額外的訓(xùn)練序列來進(jìn)行信貴任編輯:肖濱