2007年第11期,第40卷通信技術(shù)Vol.40,No.11,2007總第191期Communications TechnologyNo. 191, To種新穎的兩天線差分空時分組編碼方案李偉,王宏霞,張玉衛(wèi)(西南交通大學(xué)信息安全與國家計算網(wǎng)格實驗室,四川成都610031)【摘要】傳統(tǒng)的差分空時分組編碼( DSTBC)在QPSK調(diào)制時存在著信號星座擴(kuò)展。文中提出了一種在QPSK調(diào)制下新穎的兩發(fā)射天線差分空時分組編碼方策,此方案提供了一定的編碼增益,同時也解決了星座擴(kuò)展問題。在新方案中,改進(jìn)了從信息塊到系數(shù)矢量的映射,從而使其性能與相干空時分組編碼相比大約只差1dB.同時新方象編碼相對簡單,在接收端也具有低的解瑪復(fù)雜度【關(guān)鍵詞】發(fā)射分集;差分檢測;差分空時分組編碼;星座擴(kuò)展【中圖分類號】TN911.22【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】1002-0802(2007)11-0068-03A New Differential Space-Time Block Coding Schemewith two Transmit antennasLI Wei, WANG Hong-xia, ZHANG Yu-wei(Lab. of Information Security and National Computing Grid, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 61003, China)(Abstract] The traditional differential space-time block code(DSTBC)suffers from the signal constellationexpansion for QPSK modulation. In this paper, a new differential space-time block code for QPSK modulation withtwo transmit antennas is proposed, which can offer a differential coding gain without constellation expansion.In this scheme, the mapping from the information blocks to the coefficient vectors is improved. As a result, theperformance is only about ldb away from the coherent STBC. the new encoding is relatively simple, and decodingis achieved with low decoding complexity at the receiver[Key words] transmit diversity: differential detection: DSTBC: constellation expansi0引言確解碼。 Tarokh和 Jafarkhani提出了基于正交設(shè)計的兩天近年來,無線通信中的空時編碼迅速發(fā)展。作為移動通線差分空時編碼方案,此方案與傳統(tǒng)的空時分組編碼相信中的一項新技術(shù),空時編碼技術(shù)已被納入第三代移動通信比,其性能在高信噪比時有大約3dB的差異,但在QPSK調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)。制下存在信號星座擴(kuò)展;后來他們把文獻(xiàn)[2]的兩天線進(jìn)行然而,大多數(shù)空時編碼方案在接收端都需要準(zhǔn)確的信道推廣,提出了基于多發(fā)射天線的差分空時分組編碼狀態(tài)信息(CSI)在信道相對符號速率變化緩慢的情況下, Bertrand M Hochwald通過引入一類對角信號提出了一種新接收端可以通過發(fā)射端發(fā)送已知的訓(xùn)練符號或?qū)ьl序列來的差分酉空時編碼"。 Brian L. Hughes提出了一種基于群碼獲得CSI。但在發(fā)射天線數(shù)目較多或移動臺高速移動使信道的多天線差分調(diào)制方法, Xun Shae引出了一種新的差分空衰落系數(shù)變化較快時,接收端就很難進(jìn)行準(zhǔn)確信道估計,有時分組編碼方案,此方案解決了在QPSK調(diào)制下的信號星座時甚至根本無法估計。如在第三代歐洲移動通信標(biāo)準(zhǔn)中要求擴(kuò)展問題,同時還獲得了1~1.5dB的編碼增益。通信終端在時速達(dá)500km/h的火車上通信,這將使信道衰文中提出了一種性能更優(yōu)的 DSTBC方案,通過選擇一對落系數(shù)快速變化無法進(jìn)行信道估計。因此不需要信道估計的使所有發(fā)射信號都落在QPSK星座上的差分系數(shù)使信號星座空時編碼設(shè)計成為了人們關(guān)注的焦點擴(kuò)展問題得到了解決。仿真結(jié)果表明此方案的性能比文獻(xiàn)[2]最近,在文獻(xiàn)[2~5]中提出了幾種不同的空時編碼方,中的好15~2dB,比文獻(xiàn)[6]中的好大約1dB同時新方案案,它們都能在不需要信道狀態(tài)信息CSI)的情況下進(jìn)行準(zhǔn)具有低解碼復(fù)雜度的優(yōu)點收稿日期:2007-06-18基僉項目:四川省青年科技基金資助項目(編號:072026-004):西南交通大學(xué)發(fā)展基金資助項目(編號:200604),作者簡介:李偉(1982-),男,碩士研究生,主要從事差分空時編碼、M-ΦFDM、移動空中接口方面的研究工作:王宏霞(1973-),女,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事保密通信、信息隱藏、多媒體處理技術(shù)方面的研究工作;張玉衛(wèi)(1981-),男,碩士研究生,主要從事MI系統(tǒng)的空吋編碼、信道編碼方面的研究工作1傳統(tǒng)的差分分組編碼2新的差分空時分組編碼假設(shè)兩個發(fā)射天線和個接收天線的系統(tǒng),且采用MPSK2.1差分編碼器調(diào)制:文獻(xiàn)[2]中從信息塊到差分系數(shù)矢量的映射如式(3)所A={ew/√2,k=0,示。差分系數(shù)矢量與初始參考發(fā)射信號和映射符號有關(guān),從其中M=2°,文獻(xiàn)[2]差分STBC編碼器如圖1所示而促使發(fā)射信號可能落在QPSK星座之外,如文獻(xiàn)[2]中發(fā)射信號就擴(kuò)展到了9QAM星座文中根據(jù)當(dāng)前的格雷映射符號提出了一種新的信息塊到差分系數(shù)矢量的映射。在時間2+1,編碼器的4bbitYapping它們表示為al,a2t,t3.,d2,通過差分星座映射Md)調(diào)制成4個符號,其中b=log(M),M是星座符號個數(shù)。圖1差分空時編碼器如圖1發(fā)射天線開始發(fā)射任意初始信號矢量S1=(51,52),●01接收端并不知道此信號且不攜帶任何信息。經(jīng)過STBC之后在時間1分別從發(fā)射天線1和發(fā)射天線2發(fā)射信號S和S2,并在時間2分別從發(fā)射天線1和發(fā)射天線2發(fā)射信號●11S2,和S.假設(shè)S,=S2,S2是在第t+1個編碼操作中反頃到STBC中的信號矢量,編碼器就生成兩個信號矢量圖3ad.,d2l或d,d,的信號星座映射(S1,S)和(-S2S}n)形成一對正交基:調(diào)制信號按照下面的結(jié)合產(chǎn)生兩個混合信號構(gòu)成差分D(S)=(1)系數(shù)矢量R=M(dl,42)+M(d-,dt,),信號(S21,S2)和(-S23S)在兩個時刻分別從發(fā)射R=M(d,2)-M(d-,d1)天線1和發(fā)射天線2發(fā)送,D(S)是計算下一個STBC輸入可得差分系數(shù)矢量:S,=(S2,S2+2)的參考矩陣:R RS,1=R D(S),其中R1=(RR2)是差分系數(shù)矢量,此式為文獻(xiàn)[2]中的差故下一個STBC編碼器輸入S1=(52,,52,2)表示為分空時分組編碼準(zhǔn)則。R I R I在差分編碼器中,差分系數(shù)矢量R攜帶發(fā)射信號信息D(S,)從信息塊到差分系數(shù)矢量的映射M(C)定義如下:假設(shè)在時其中C=sqr(2),因子C是為了歸一化差分系數(shù)矢量間2+1,信息塊C=(CC)到達(dá)編碼器,共2b個信息比特然而,在QPSK調(diào)制時存在星座擴(kuò)展,則應(yīng)對差分系數(shù)C通過映射輸出兩個MPSK符號M(C)=(x,x)∈AxA,此矢量再進(jìn)行改進(jìn)。AxA有2=16個信號矢量,因此必有16時就能夠計算出對應(yīng)的差分系數(shù)矢量R(C)滿足等式個差分系數(shù)集V·V僅從兩個差分集中選擇,表示為4和M(C)=RC)D(S)假設(shè)S=(V√2,5為參考的初始發(fā)射信42,A和A的值如表1所示號,這樣差分系數(shù)矢量就表示為表1QPS調(diào)制下的兩差分系數(shù)集合R, (C)=M(C)D(S)這里H表示共軛轉(zhuǎn)置。用式(3)取代式(2),可得00[u0]_030.5-0.505+0.502[0S,+I=M(C)D(S)D(S,)(4)此映射規(guī)則對BPSK調(diào)制下效果很好,但在QPSK調(diào)制下05+0505+0.5就產(chǎn)生了信號星座的擴(kuò)展。在式(4)中,如果S,≠S,那么下20[0-123【0.505,-0.5+0.522[0]210.5+0.5-0.5-0.5個發(fā)射信號就可能不在QPSK星座上,即產(chǎn)生信號星座擴(kuò)30=■30050540505展,即 S, A,如圖2所示33[-,00.5-0.5j,0.50表1中4和2分別是信息塊dn,d2,:和dn,d的四進(jìn)制數(shù)。同理,把發(fā)射信號也分成兩個子集B和B2,它們分別對應(yīng)系數(shù)集合A和A在QPSK調(diào)制下,發(fā)射信號矢量集合如表2所示。為了避免信號星座擴(kuò)屐,即S,≠B,必須使R蜓A圖2QPSK調(diào)制下擴(kuò)展后的9QM信號星座在新的方案中,差分系數(shù)矢量僅來自A集合。如果差分系數(shù)矢量來自4,則根據(jù)對應(yīng)的來自A的差分系數(shù)矢量計和2時,新方案與文獻(xiàn)[2]中的差分方案具有相同的性能,算下一個發(fā)射信號。這樣選擇的差分系數(shù)就使得所有下一個這是由于在BPSK調(diào)制下兩者都沒有信號星座擴(kuò)展。因此兩STBC輸入S,1(發(fā)射信號)都落在QSK星座上,因此發(fā)射者都與相應(yīng)的相干檢測STBC差3dB信號就不存在信號星座擴(kuò)展。從圖5中可以看出在QPSK調(diào)制下,由于新方案沒有了表2對應(yīng)差分系數(shù)集的兩發(fā)射信號集合信號星座擴(kuò)展,因此其性能在1根接收天線時與文獻(xiàn)[2]中的相比提高了1.5~2dB,與文獻(xiàn)[6]中的相比提高了0.5~S,t-(r,y)1dB。在兩個接收天線時,新方案分別優(yōu)于文獻(xiàn)[2,6】]約2者(x∈B.y=0)和1dB。更重要的是,其性能僅僅與相應(yīng)的相干檢測STBC差大約1dB。如圖5所示,在SER為10時,文獻(xiàn)[2]中的2.2差分解碼性能比新方案差2dB,文獻(xiàn)[6]中的性能在1根和2根接收假設(shè)在接收端采用一個天線,21,,1,y2是各時天線時分別比新方案差0.7dB和1dB,如果發(fā)射天線數(shù)目刻的接收信號。兩個結(jié)合的統(tǒng)計判決信號按文獻(xiàn)2中構(gòu)成再增加,其性能可能得到進(jìn)一步的改進(jìn)R=(2)(,r,R2=(2,2)(52,-2由此得:(只,2)=+)X,2)+(N,N)其中A,(=12)是天線i到接收天線的信道衰落系數(shù)。N,(i=1,2)是噪聲項文中在解碼時,分支距離也按統(tǒng)計判決信號矢量(R,R)和參考的系數(shù)矢量的平方歐幾里德距離計算。解碼器從差分系數(shù)集A和A2選擇兩個接近(R,)的差分系數(shù)矢量圖5QPsK調(diào)制下的誤符號性能(SER)(R,R)·然后根據(jù)判決一4模2的值來決定選擇A或4結(jié)語42·如果值為1,則(R,R)來自A2,否則來自A·最后發(fā)文中提出在QPSK調(diào)制下的一種新穎的差分空時編碼方射信號通過相應(yīng)的逆映射恢復(fù)出發(fā)射信息比特實現(xiàn)了解碼。案,在接收端使用了相同的規(guī)則構(gòu)造統(tǒng)計的判決信號矢量,僅僅不同的是從信息塊到差分系數(shù)矢量的映射,新方案提供3仿真結(jié)果和性能分析了一定的編碼增益,其性能都優(yōu)于文獻(xiàn)[2,6]中性能,并且文中對提出的兩發(fā)射天線、1接收天線和2接收天線的與相應(yīng)的相干檢測SBC僅差1dB,最重要的是文獻(xiàn)(2在PSK差分STBC性能在瑞利衰落信道下分別進(jìn)行了仿真。假設(shè)衰調(diào)制下產(chǎn)生的信號星座擴(kuò)展問題也在新方案中得到了解決落在一幀內(nèi)保持不變,并且在幀與幀之間相互獨立。圖4顯示了在BPSK調(diào)制下的新差分方案、文獻(xiàn)[2]的差分方案及相參考文獻(xiàn)應(yīng)的相干檢測STBC的誤符號(SER)性能。圖5顯示了在QPSKI Alamouti S M. A Simple Transmit Diversity Scheme for WirelessCommunication [] IEEE J. Sel. Areas Commun., 1998, 16(08)調(diào)制下的新差分方案、文獻(xiàn)[2,6]的差分方案及相應(yīng)的相干1451~1458檢測STBC的誤符號(SER)性能2 Tarokh V, Jafarkhani H. A Differential Detection Scheme for餾比再軍曲線圍Transmit Diversity []. IEEE Journal on Selected Areas in Comm200,18(07):1169~11743 Tarokh Y, Jafarkhani H. Multiple Transmit Antenna DifferentialDetection from generalized Orthogonal Designs[]. IEEE Transinf. Theory,2001,47(06):2626~2634 Hochwald M B. Differential Unitary Space-Time Modulation[J]200,048(12):2041~20525 Hughes B L. Differential Space-Time Modulation [). IEEETransactions on Information Theory, 2000, 46(07): 2567--2578.6 Shao Xun, Yuan Jinhong. A New Differential Space-Time Block圖4BPS〖調(diào)制下的誤符號性能(SER)Coding Scheme[c]. IEEE International Conference on Communic-從圖4中可以看出在發(fā)射天線為2,接收天線分別為1acions Systems, 2002: 183-187