第28卷第12期電子與信息學(xué)報Vol.28No 122006年12月Journal of Electronics Information TechnologyDec.2006一種新穎的基于子矩陣交織的差分酉空時調(diào)制田繼鋒姜海寧羅漢文宋文濤徐友云上海交通大學(xué)電子工程系上海2000摘要差分酉空時調(diào)制 DUSTM是一種應(yīng)用于時變衰落信道下的多天線調(diào)制方法。該方法在慢衰落信道下無需知道信道狀態(tài)信息而能獲得全發(fā)送分集增益。但是,在快速衰落信道下,其性能明顯惡化并且呈現(xiàn)出較高的誤碼平層。該文通過在差分酉空時調(diào)制中引入矩陣分割和子矩陣交織等操作提出了一種基于子矩陣交織的差分酉空時調(diào)制(SM- DUSTM)方案,并對其性能進行了分析。性能分析和相應(yīng)的計算機仿真證明了SM- DUSTM不僅能夠繼承DUSTM在慢衰落信道下的優(yōu)點,而且在快速衰落信道下能夠保持良好的系統(tǒng)性能關(guān)鍵詞差分酉空時調(diào)制,時變衰落,多天線,交織中圖分類號:TN9143文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1009-5896(2006)122343-04A Novel Sub-matrix Interleaved DifferentialUnitary Space-Time ModulationTian Ji-feng Jiang Hai-ning Luo Han-wen Song Wen-tao Xu You-yunDept. of Electronic Eng, Shanghai Jiaotong Univ, Shanghai 200030, China)Abstract Differential Unitary Space-Time Modulation(DUSTM), which is a multi-antenna modulation technique fortime-varying fading channels, can obtain full diversity gains without channel state information at the receiver in slowlyfading channels. For fast fading channels, however, its performance degrades considerably and suffers an irreducible errorfloor. In this paper, a novel Sub-Matrix Interleaved Differential Unitary Space-Time Modulation(SMI-DUSTM) scheme isproposed, in which matrix-segmentation and sub-matrix based interleaving are combined with conventional DUSTM. Theconstellation design criteria of SMI-DUSTM are also derived in this paper, based on the calculation of Pairwise ErrorProbability(PEP). The performance analysis and simulation results demonstrate that SMI-DUSTM can not only inherit themerit of DUSTM in slowly fading channels, but also maintain a good performance in fast fading channelsKey words Differential Unitary Space-Time Modulation(DUSTM), Time-varying fading, Multi-antenna, Interleaving1引言時矩陣沿著時間軸分割成若干子矩陣。最后,對這些子矩陣多天線無線通信系統(tǒng)因為能夠提供更高的數(shù)據(jù)傳輸率進行交織處理后發(fā)送到相應(yīng)的發(fā)送天線上。由于采用了子矩并保證更低的誤碼差錯概率而得到人們越來越多的注意。陣交織的方法,本文所提的 SMI-DUSTM方案對多普勒擴展但是,大多數(shù)多天線系統(tǒng)假設(shè)接收端已知信道狀態(tài)信息,而具有更好的魯棒性,而且在快速衰落信道下性能明顯優(yōu)于傳這在多數(shù)情況下是無法保證的,尤其是在時變信道或者發(fā)送統(tǒng)的 DUSTM。本文還對其系統(tǒng)性能進行了分析,計算出了端采用更多的發(fā)送天線的時候。為了解決這個問題,成對誤碼概率(PEP),并給出了相應(yīng)的最優(yōu)空時星座設(shè)計準(zhǔn)Hochwald和 Sweldens于2000年提出了差分酉空時調(diào)制Differential Unitary Space- -Time Modulation, DUSTM)方案。2系統(tǒng)模型Hughes也于2000年提出類似的方案。差分酉空時調(diào)制在多天線無線通信系統(tǒng)包含M個發(fā)送天線和N個接收天慢衰落信道下無需知道信道狀態(tài)信息而能達到信道容量,因線。假設(shè)不同發(fā)送接收天線對之間的子信道系數(shù)統(tǒng)計獨立,而近年來獲得了越來越多的關(guān)注但是在快速衰落信道且為時變平坦瑞利衰落信道,信道相干時間為T,即該信道下, DUSTM的性能急速惡化并呈現(xiàn)出較高的誤碼平層。在T個符號周期內(nèi)保持不變。令xm表示在第m(m=1,2…,M本文提出了一種新穎的基于子矩陣交織的差分西空時個發(fā)送天線第r(=1,2,,D個時隙發(fā)送的基帶信號,它滿足調(diào)制( SMI-DUSTM方案,它不僅能夠繼承 DUSTM在慢衰落下式信道下的優(yōu)點,而且在快速衰落信道下能夠保持良好的系統(tǒng)性能。在SM|- DUSTM系統(tǒng)中,首先信息符號被映射成酉空小0時星座,然后通過差分調(diào)制,生成空時矩陣,接著將這些空在第n(m=1,2,…,M個接收天線第t(=1,2,…,T)個時隙接收到的信號ym可以如下表示2005-04-04收到,2005-0916改回國家自然科學(xué)基金(60272079)和國家863計劃項目(2003AA12330)VE∑資助課題電子與信息學(xué)報第28卷其中hm為信道系數(shù),符合均值為0每維方差為05的復(fù)高4.1發(fā)送端斯分布;nm為加性復(fù)白高斯噪聲,其均值為0每維方差為在發(fā)送端,首先,對信息符號zr(=1,…,N)進行酉空N/2:E表示每個接收天線上的平均信噪比(SNR)。時調(diào)制,其過程簡述如下:首先將信息符號z映射成矩陣以每M個符號為一組,假設(shè)MsT,那么可以將式(2)寫v,該矩陣為西對角星座群中的元素。定義星座群2的成矩陣矢量的形式Y(jié)=√EX,H+W維數(shù)為L,(L=2),R為傳輸碼率。根據(jù)式(4)對其進行差其中τ表示所在符號組的序號,X表示MM的發(fā)送矩陣分調(diào)制,可得酉空時矩陣X1(r=0…,N)。X的第m列表Y表示MN的接收矩陣,H為MkN的信道矩陣,W為MN示在第m個發(fā)送天線上不同時刻發(fā)送的信號。的噪聲矩陣然后,對所得酉空時矩陣x進行矩陣分割,即沿著空時矩陣的時間軸將X分割成M個子矩陣,每個子矩陣維數(shù)3差分酉空時調(diào)制( DUSTM為1×M。為方便起見,將這些矩陣依時間順序標(biāo)記為2000年, Hochwald,, Sweldens和 Hughes分別提出了差x(o,x(l,…,x(M-1分酉空時調(diào)制 DUSTM)。差分酉空時調(diào)制可以看作是傳通過對矩陣(N2+1)個空時矩陣X(r=0,…,N)依次作統(tǒng)的差分相移鍵控的多天線擴展。在 DUSTM系統(tǒng)中,信道如上分割處理,得到Na由=M(N+D)個維數(shù)為1×M的子矩相干時間T必須不小于分組時間間隔M的兩倍,即,忪≌2M。陣。這些矩陣被送入子矩陣交織器中進行交織處理。定義子在發(fā)送端,首先發(fā)送單位矩陣IM,即XIM然后進行矩陣X)(=0,…,M;k=0,…,M-1)地址為Mr+k,然后按差分調(diào)制,在r=1,2,…的發(fā)送矩陣表示如下X=v, r地址從小到大依次輸入到交織器中,經(jīng)過交織處理后,輸出其中v(2r∈{0,…,L-1)為信息矩陣,其維數(shù)為MxM子矩陣地址表示如下該矩陣從酉空時調(diào)制星座群D中選擇得到?？诤蠰個元4=M[imd(N,+1)+(N,+1),i=0,…,N-1(9)素,即H1∈2={W=1,l=01…L-其中|·表示下取整。在接收端,接收機根據(jù)接收到的兩個連續(xù)矩陣H1和y經(jīng)過子矩陣交織處理,發(fā)送端一幀符號對應(yīng)的發(fā)送信號進行非相干檢測。根據(jù)信道假設(shè):信道在TM符號周期內(nèi)S可以表示如下:保持不變,所以r和r-1對應(yīng)的信道矩陣相同,將其表示為S,={X(O),X(1)…,X(M-1)H。根據(jù)式(3),可以得到X()=[x5(,x(,…x()]k=0…,M-1H=√E,X1-1H+H1-1r=√EX1H+W其中矩陣S的第m(m≤M)行表示在第m個發(fā)送天線上不將式(4代入式(6),并根據(jù)式(5)可得同時刻發(fā)送的信號。Yr=vY+Hr-vwr-l(7)42接收端因為噪聲矩陣獨立分布,而且乘以一酉矩陣后其統(tǒng)計特性不本節(jié)推導(dǎo)出SMI- DUSTM的解調(diào)算法。定義發(fā)送端子矩變,所以式(7)可寫成如下形式陣X-(k)(=0,…,N;k=0…,M-1)經(jīng)過信道Hk)在接收端所y=Vy+√2W(8)得相應(yīng)的接收子矩陣為YA),根據(jù)式(3),F+()可以表示如其中W為加性獨立CN(0,N)分布噪聲,維數(shù)為MxN。這下:樣原來的非相干檢測轉(zhuǎn)化成了相干檢測,只是信噪比降低了Y(k)=VE,X,()H, (k)+W,(),子矩陣交織 DUSTM( SMI-DUSTM)發(fā)送信號S對應(yīng)的接收信號S,可以表示為本節(jié)對SM-DUTM進行描述。系統(tǒng)框圖如圖1所示。S=[Yo,yY()…Y(M-1)r()1[x(x(6.,k=0-,M-1(12)該算法對一幀符號進行處理,假設(shè)幀長為N,對應(yīng)的一符號表示為21,2,…,zM在接收端,對S進行子矩陣合并處理,即將S中具有DUSTM相同下標(biāo)τ的接收子矩陣Yr(k)合并成等價接收矩陣x=0…,N),即F=[rOrF0)…,r(M-1)],Sub-matrsegmentation(r=0,…N)。根據(jù)式(1),F和F:可以表示如下Sub-matrixReceive平=√E,豆,+(13),=√E,x,+所(14)Differential space-timsymbol其中X=dag{x(O)…,xM-1),豆,=[H(O圖1SMI- DUSTM系統(tǒng)框圖Fig 1 System diagram of SMI-DUSTM schemeH(M-],W=[w),…,H(M-時]12期田繼鋒等:一種新穎的基于子矩陣交織的差分酉空時調(diào)制2345定義v,=dg400…,M-時,根據(jù)式(則有其中d(21)2N4-1),表示Foes范數(shù)x=x()…X(M-1)在高信噪比情況下,式(14)中的噪聲項可以被忽略,此時d2V,)可表示為dgy20…,(M-xx2(0)…,x(M-0d(4,)={E“對料E"E,(2)[v0x0,…wM-Dx(M-05)其中E含1,因為和均為對角矩陣,所以EE故X()=V2()XxF1(k),k=0,…,M-1,即可以定義為E"E=EE=dag{a…,}·定義矩陣φ如會HE"ER假設(shè)發(fā)送信號S中兩個相鄰子矩陣經(jīng)歷相同的信道衰落,即=dag(tx"(o)X、O),…,-x(M-1)X(M信道的相干時間至少大于2個符號周期,即T2。由式(10)知子矩陣Xk)和X1(k)為相鄰子矩陣,所以二者經(jīng)歷的信道衰將式(23)代入式(22)得到落相同,用H(k)來表示,即d'(v, Vi)=E, h"AhnH(k)=Hr1(k)=H(k),z=1,…,N;k=0,…,M-1(17其中A=diag{,…,卟} E CA所以,式(13)中的,和式14)中的亦相同用矩陣廳來將式(24)代入式2,并對信道系數(shù)取平均,得到表示,即EP(V,→VB(25)H=Hr-=h將式(16),式(18代入式(13)和式(14),得到其中G=mk(4表示分集增益,O=m[de()x第=,1+-甲=+甲0(9c(4ym表示編碼增益,由式25可得 SMI-DUSTM系其中W為MXN白噪聲矩陣,服從CNQ.,M分布。式(9)統(tǒng)的星座設(shè)計準(zhǔn)則中不含信道矩陣H,所以可以采用相干檢測的方法進行解準(zhǔn)則1(分集增益準(zhǔn)則)設(shè)計最優(yōu)對角酉空時星座群調(diào)。采用最大似然 Maximum-Likelihood,ML)檢測,信息符,使得對于Q中任兩個不同元素V和y,矩陣號z的估計值2表示如下:E=V-V保持滿秩;-v‖準(zhǔn)則2(編碼增益準(zhǔn)則)設(shè)計最優(yōu)對角酉空時星座群嗎Bm+-P一那H2,使得對于2中任兩個不同元素和F,行列式=ag, max tr{"v+到P"de(-)最大化將以上描述的設(shè)計準(zhǔn)則與文獻[4,5]中提出的設(shè)計準(zhǔn)則ax Retr Hv Y,-(20)相比較,不難得出如下結(jié)論:對于傳統(tǒng)的 DUSTM系統(tǒng)最優(yōu)5性能分析的對角酉群,對SMI- DUSTM系統(tǒng)來說也是最優(yōu)的。所以在設(shè)計SM- DUSTM系統(tǒng)星座時可以采用文獻[4,5,9所提出本節(jié)通過計算 SMI-DUStM系統(tǒng)的成對誤碼概率的最優(yōu)星座結(jié)構(gòu)。( Pairwise Error Probability,PEP)對其系統(tǒng)性能進行分析。在這里,PEP定義為在接收端將發(fā)送信息矩陣V判決成6仿真結(jié)果v(V∈,V#)的概率。將信道矩陣H()中的為了驗證SMI- DUSTM系統(tǒng)在時變平坦瑞利衰落信道下元素表示成地),其中1sm≤M,1snsM,0sk≤Ml。那么發(fā)送的性能,本節(jié)對 SMI-DUSTM系統(tǒng)在不同多普勒擴展情況下天線與第p個接收天線間的信道向量可以表示為b,=的性能進行了計算機仿真。多普勒擴展用歸一化的多普勒頻(1spsN),其中-[…,移fT來度量,其中f表示最大多普勒頻移,T表示一個傳OsksM-1輸符號周期。信道系數(shù)根據(jù) Jakes模型生成10。仿真中采用為了計算PEP,將式(18)中的信道矩陣廳矢量化為M4個發(fā)送天線,N=1個接收天線星座采用文獻中的(16n…]∈并做如下假設(shè)1,3,5,7)酉群碼,其傳輸碼率為1。圖2給出了在慢衰落信道(GT=0.001)下 SMI-DUSTM和(1)MNM1維信道矢量h服從零均值復(fù)高斯分布,并DUSTM的性能比較。從圖2可以看出,SMl- DUSTM呈現(xiàn)且其相關(guān)矩陣R4=E{h}滿秩出與 DUSTM近似相同的性能曲線,這表明在慢衰落信道下,(2)較高的信噪比SMI-DUSTM繼承了 DUSTM的優(yōu)點,并且能夠獲得全發(fā)送根據(jù)式(19),SM- DUSTM系統(tǒng)的條件PEP的 Chernoff分集增益。限可以近似如下圖3比較了SMI- DUSTM和 DUSTM在快速衰落信道P(→HB)≤ep{u(,")/(8)2)(=0)中的性能,由圖3可以看出, SMI-DUSTM性能明2346電子與倍息學(xué)報第28卷參考文獻[1 Foschini G J. 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Theory,200,46(7):2567-2578DUSTM的性能比較。由圖4中可以看出, DUSTM系統(tǒng)性能明6]LiH. Differential space-time modulation with maximum顯惡化并呈現(xiàn)出很高的誤碼平層,當(dāng)信噪比SNR=20dB時,比spatio-spectral diversity [A]. ICC'03 [Cl. Seattle, USA, 2003, 4特誤碼率仍高達2×10而此時 SMI-DUSTM仍保持良好性能:l1-15.當(dāng)信噪比SNR=20dB時,其比特誤碼率為8×104[7 Ma Q, Tepedelenlioglu C, Liu Z. Full diversity block diagonaldcs for differential space-time-frequency coded OFDM [AlGLOBECOM'03 (C], San Francisco, USA, 2003, 2: 868-872H SMI-DUSTM[8] Yao Y, Howlader M. Serial concatenated single differentialspace-time coded OFDM system [A]. ICC 03 [], Seattle, USA,2003,5:3150-31546101418Hughes B L. Optimal space-time constellations from groups [JI圖4 SMI-DUSTM與 DUSTM在高速衰落信道IEEE Trans. Info. Theory, 2003, 49(2):401-410.fT=0.05)下的性能仿真[10] Jakes w C Microwave mobile communications [M]. New York4 Peance comparison of SMI-DUSTM and DUSTMery fast fading environment (T: 0.05)7結(jié)束語田繼鋒:男,1976年生,博士生,從事空時編碼、OFDM調(diào)制技術(shù)研究為了抵抗多天線系統(tǒng)中的快速信道衰落,本文提出了一姜海寧:女,1977年生,博士生,從事空時編碼、B3G移動通信種新穎的基于子矩陣交織的差分酉空時調(diào)制( SMI-DUSTM)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究方案。在慢衰落信道下,SM- DUSTM無需信道狀態(tài)信息仍羅漢文:男,1950年生,教授,長期從事B3G/4G移動通信系統(tǒng)能獲得全發(fā)送分集,而且,通過子矩陣交織處理,在快速衰及其關(guān)健技術(shù)的研究落信道下仍然保持了良好的性能。性能分析和實驗仿真證明宋文濤:男,1936年生,教授,博生導(dǎo)師,長期從事移動通信、了SMI- DUSTM系統(tǒng)在快速衰落信道下性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信的研究DUSTM系統(tǒng)。徐友云:毋,1966年生,教授,主要從事移動通信、信道編碼調(diào)制技術(shù)的研究