一種新穎的基于子矩陣交織的差分酉空時(shí)調制

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(shí)調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(shí)調制 DUSTM是一種應用于時(shí)變衰落信道下的多天線(xiàn)調制方法。該方法在慢衰落信道下無(wú)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出較高的誤碼平層。該文通過(guò)在差分酉空時(shí)調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(shí)調制(SM- DUSTM)方案,并對其性能進(jìn)行了分析。性能分析和相應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(diǎn),而且在快速衰落信道下能夠保持良好的系統性能關(guān)鍵詞差分酉空時(shí)調制,時(shí)變衰落,多天線(xiàn),交織中圖分類(lèi)號:TN9143文獻標識碼: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(shí)矩陣沿著(zhù)時(shí)間軸分割成若干子矩陣。最后,對這些子矩陣多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信系統因為能夠提供更高的數據傳輸率進(jìn)行交織處理后發(fā)送到相應的發(fā)送天線(xiàn)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(lái)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,大多數多天線(xiàn)系統假設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)于傳這在多數情況下是無(wú)法保證的,尤其是在時(shí)變信道或者發(fā)送統的 DUSTM。本文還對其系統性能進(jìn)行了分析,計算出了端采用更多的發(fā)送天線(xiàn)的時(shí)候。為了解決這個(gè)問(wèn)題,成對誤碼概率(PEP),并給出了相應的最優(yōu)空時(shí)星座設計準Hochwald和 Sweldens于2000年提出了差分酉空時(shí)調制Differential Unitary Space- -Time Modulation, DUSTM)方案。2系統模型Hughes也于2000年提出類(lèi)似的方案。差分酉空時(shí)調制在多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信系統包含M個(gè)發(fā)送天線(xiàn)和N個(gè)接收天慢衰落信道下無(wú)需知道信道狀態(tài)信息而能達到信道容量,因線(xiàn)。假設不同發(fā)送接收天線(xiàn)對之間的子信道系數統計獨立,而近年來(lái)獲得了越來(lái)越多的關(guān)注但是在快速衰落信道且為時(shí)變平坦瑞利衰落信道,信道相干時(shí)間為T(mén),即該信道下, DUSTM的性能急速惡化并呈現出較高的誤碼平層。在T個(gè)符號周期內保持不變。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(shí)個(gè)發(fā)送天線(xiàn)第r(=1,2,,D個(gè)時(shí)隙發(fā)送的基帶信號,它滿(mǎn)足調制( 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(diǎn),而且在快速衰落信道下能夠保持良好的系統性能。在SM|- DUSTM系統中,首先信息符號被映射成酉空小0時(shí)星座,然后通過(guò)差分調制,生成空時(shí)矩陣,接著(zhù)將這些空在第n(m=1,2,…,M個(gè)接收天線(xiàn)第t(=1,2,…,T)個(gè)時(shí)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,符合均值為0每維方差為05的復高4.1發(fā)送端斯分布;nm為加性復白高斯噪聲,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(jìn)行酉空N/2:E表示每個(gè)接收天線(xiàn)上的平均信噪比(SNR)。時(shí)調制,其過(guò)程簡(jiǎn)述如下:首先將信息符號z映射成矩陣以每M個(gè)符號為一組,假設MsT,那么可以將式(2)寫(xiě)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=√EX,H+W維數為L(cháng),(L=2),R為傳輸碼率。根據式(4)對其進(jìn)行差其中τ表示所在符號組的序號,X表示MM的發(fā)送矩陣分調制,可得酉空時(shí)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(gè)發(fā)送天線(xiàn)上不同時(shí)刻發(fā)送的信號。的噪聲矩陣然后,對所得酉空時(shí)矩陣x進(jìn)行矩陣分割,即沿著(zhù)空時(shí)矩陣的時(shí)間軸將X分割成M個(gè)子矩陣,每個(gè)子矩陣維數3差分酉空時(shí)調制( DUSTM為1×M。為方便起見(jiàn),將這些矩陣依時(shí)間順序標記為2000年, Hochwald,, Sweldens和 Hughes分別提出了差x(o,x(l,…,x(M-1分酉空時(shí)調制 DUSTM)。差分酉空時(shí)調制可以看作是傳通過(guò)對矩陣(N2+1)個(gè)空時(shí)矩陣X(r=0,…,N)依次作統的差分相移鍵控的多天線(xiàn)擴展。在 DUSTM系統中,信道如上分割處理,得到Na由=M(N+D)個(gè)維數為1×M的子矩相干時(shí)間T必須不小于分組時(shí)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(jìn)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(jìn)行矩陣X)(=0,…,M;k=0,…,M-1)地址為Mr+k,然后按差分調制,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(guò)交織處理后,輸出其中v(2r∈{0,…,L-1)為信息矩陣,其維數為MxM子矩陣地址表示如下該矩陣從酉空時(shí)調制星座群D中選擇得到?？诤蠰個(gè)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,接收機根據接收到的兩個(gè)連續矩陣H1和y經(jīng)過(guò)子矩陣交織處理,發(fā)送端一幀符號對應的發(fā)送信號進(jìn)行非相干檢測。根據信道假設:信道在TM符號周期內S可以表示如下:保持不變,所以r和r-1對應的信道矩陣相同,將其表示為S,={X(O),X(1)…,X(M-1)H。根據式(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(gè)發(fā)送天線(xiàn)上不將式(4代入式(6),并根據式(5)可得同時(shí)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計特性不本節推導出SMI- DUSTM的解調算法。定義發(fā)送端子矩變,所以式(7)可寫(xiě)成如下形式陣X-(k)(=0,…,N;k=0…,M-1)經(jīng)過(guò)信道Hk)在接收端所y=Vy+√2W(8)得相應的接收子矩陣為YA),根據式(3),F+()可以表示如其中W為加性獨立CN(0,N)分布噪聲,維數為MxN。這下:樣原來(lái)的非相干檢測轉化成了相干檢測,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對應的接收信號S,可以表示為本節對SM-DUTM進(jìn)行描述。系統框圖如圖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(jìn)行處理,假設幀長(cháng)為N,對應的一符號表示為21,2,…,zM在接收端,對S進(jìn)行子矩陣合并處理,即將S中具有DUSTM相同下標τ的接收子矩陣Yr(k)合并成等價(jià)接收矩陣x=0…,N),即F=[rOrF0)…,r(M-1)],Sub-matrsegmentation(r=0,…N)。根據式(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系統框圖Fig 1 System diagram of SMI-DUSTM schemeH(M-],W=[w),…,H(M-時(shí)]12期田繼鋒等:一種新穎的基于子矩陣交織的差分酉空時(shí)調制2345定義v,=dg400…,M-時(shí),根據式(則有其中d(21)2N4-1),表示Foes范數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(shí)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(huì )HE"ER假設發(fā)送信號S中兩個(gè)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(shí)間至少大于2個(gè)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(lái)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(lái)將式(24)代入式2,并對信道系數取平均,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)統的星座設計準則中不含信道矩陣H,所以可以采用相干檢測的方法進(jìn)行解準則1(分集增益準則)設計最優(yōu)對角酉空時(shí)星座群調。采用最大似然 Maximum-Likelihood,ML)檢測,信息符,使得對于Q中任兩個(gè)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(mǎn)秩;-v‖準則2(編碼增益準則)設計最優(yōu)對角酉空時(shí)星座群?jiǎn)酈m+-P一那H2,使得對于2中任兩個(gè)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計準則與文獻[4,5]中提出的設計準則ax Retr Hv Y,-(20)相比較,不難得出如下結論:對于傳統的 DUSTM系統最優(yōu)5性能分析的對角酉群,對SMI- DUSTM系統來(lái)說(shuō)也是最優(yōu)的。所以在設計SM- DUSTM系統星座時(shí)可以采用文獻[4,5,9所提出本節通過(guò)計算 SMI-DUStM系統的成對誤碼概率的最優(yōu)星座結構。( Pairwise Error Probability,PEP)對其系統性能進(jìn)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仿真結果v(V∈,V#)的概率。將信道矩陣H()中的為了驗證SMI- DUSTM系統在時(shí)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,本節對 SMI-DUSTM系統在不同多普勒擴展情況下天線(xiàn)與第p個(gè)接收天線(xiàn)間的信道向量可以表示為b,=的性能進(jìn)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(lái)度量,其中f表示最大多普勒頻移,T表示一個(gè)傳OsksM-1輸符號周期。信道系數根據 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(gè)發(fā)送天線(xiàn),N=1個(gè)接收天線(xiàn)星座采用文獻中的(16n…]∈并做如下假設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服從零均值復高斯分布,并DUSTM的性能比較。從圖2可以看出,SMl- DUSTM呈現且其相關(guān)矩陣R4=E{h}滿(mǎn)秩出與 DUSTM近似相同的性能曲線(xiàn),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(diǎn),并且能夠獲得全發(fā)送根據式(19),SM- DUSTM系統的條件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系統性能明6]LiH. Differential space-time modulation with maximum顯惡化并呈現出很高的誤碼平層,當信噪比SNR=20dB時(shí),比spatio-spectral diversity [A]. ICC'03 [Cl. Seattle, USA, 2003, 4特誤碼率仍高達2×10而此時(shí) SMI-DUSTM仍保持良好性能:l1-15.當信噪比SNR=20dB時(shí),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結束語(yǔ)田繼鋒:男,1976年生,博士生,從事空時(shí)編碼、OFDM調制技術(shù)研究為了抵抗多天線(xiàn)系統中的快速信道衰落,本文提出了一姜海寧:女,1977年生,博士生,從事空時(shí)編碼、B3G移動(dòng)通信種新穎的基于子矩陣交織的差分酉空時(shí)調制( SMI-DUSTM)系統關(guān)鍵技術(shù)的研究方案。在慢衰落信道下,SM- DUSTM無(wú)需信道狀態(tài)信息仍羅漢文:男,1950年生,教授,長(cháng)期從事B3G/4G移動(dòng)通信系統能獲得全發(fā)送分集,而且,通過(guò)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(shí)驗仿真證明宋文濤:男,1936年生,教授,博生導師,長(cháng)期從事移動(dòng)通信、了SMI- DUSTM系統在快速衰落信道下性能明顯優(yōu)于傳統的衛星通信的研究DUSTM系統。徐友云:毋,1966年生,教授,主要從事移動(dòng)通信、信道編碼調制技術(shù)的研究