一种基于准正交空时码的低复杂度MIMO差分检测方法

第10期子学报vd.35No.1020年10月ACTA ELECTRONICA SINICA种基于准正交空时码的低复杂度MIMO差分检测方法孙德福,唐友喜,邵士海,马万治电子科技大学通信抗干扰技术国家级敢点实验室四川成都610054摘要:针对可实现全速率传输的准正交空时码提出了一种低复杂度的准正交MMO差分检测方法该方法在发射端对数据比特进行联合星座映射构造准正交空时码进行差分编码;接收端采用最大似然准则对两组星座符号对( symbol pair.)并行差分检测本文提出的星座集合及联合星座映射方法简化了接收端检测算法降低了检测计算复杂度关键词:多入多出;正交空时分组码;准正交空时分组码;差分检测中图分类号:T914文献标识码:A文章编号:;0372-2112(200)10-184905A Low Computational Complexity MIMO Differential Detection SchemeBased on quasi-Orthogonal Space-Time Block CodesSUN De-fu, TANG You-xi SHAO Shi-hai, MA WanNational Key Laborutory f Communicaton, UESTC, Chengdu, Sichuan 610054, China)Abstract: A low computational complexity differential detection scheme for Multiple Input Multiple Output system is proposed which is based on the full rate quasi-orthogonal space-time block codes. The transmitted bits are jointly mapped to constructquasi-orthogonal space-time block codes and the codes are used to perform differential encoding. At the receiver, Maximun Likehhood(ML)criterion is used to differentially decode the symbol pairs. The constellation set and joint constellation mapping definedin this paper simplify the detection algorithm and reduce the detection computational complexityKey words: multiple input multiple output; orthogonal space time block codes quasi-orthogonal space-time block codes: dif-ferential detection引言出基于 Alamouti空时码的线性差分和基于 Amicable orthogonal设计的差分方法等这些方法都基于正交空时近年来,多入多出(MMO, Multiple Input Multiple Out-码设计,已经证明,在发射端天线数大于2的情况下,正u)技术受到广泛关注-3).在大多数研究中,我们都交空时码传输速率小于1m2假设系统接收端已知信道信息(CSJ, Channel State Infor文献[13]提出了基于 Alamouti空时码结构的准正maton)4-61.但是,在高速移动或者天线数目较多等情交差分调制,在多天线系统中划分多个Aam空时码况下,系统接收端难以获得准确的信道信息.在多天线模块,接收端可并行检测.但是,为了使发射功率恒定,情况下研究不需做信道估计的非相干检测技术十分有该方法中引入了幅度参数1/a-1和1/a1,对幅度参必要数的计算增加了编码复杂度另外,幅度参数的迭代计Hughes提出基于群结构的差分空时调制算造成了误差传递文献4]提出了一种准正交空时差(DSIM, Differential Space Time Modulation),编码端利用群分检测方法,发射端通过特殊星座符号设计,将准正交内酉矩阵与前一时刻发射矩阵相乘得出当前发射矩阵,空时码矩阵转化为酉矩阵,差分编码与文献[]相同,但接收端采用最大似然检测; Hassib提出了基于 Cayley变解码时利用分解矩阵进行差分检测检测复杂度高换的DM9,编码端利用 Cayley变换将非酉 Hermitian本文提出一种低复杂度的准正交空时差分检测方矩阵转换成酉矩阵进行差分检测;文献[10,11]分别提法,发射端利用联合星座映射的调制方法构造准正交收稱月期:20050331;修回日期:2007071基金项目:国家自然科学基金(N.60572090,N60603496313);教育部博士点基金(N,2000614009)电子学报2007年空时码矩阵该矩阵与前一时刻发射矩阵相乘进行差初始时刻发送单位矩阵I4,假设第n-1时刻发射空时分编码生成当前发射矩阵,接收端采用最大似然准则码矩阵Sn-1第n时刻,p+q个比特组成的数据块到进行差分检测.本文提出的星座集合及联合星座映射达编码端前P个比特映射到集合D1中的星座符号对方法简化了接收端检测算法降低了检测计算复杂度.{x4,y},用其代荐式(2)中的|s1,s4;后q个比特映射本文的其余部分是这样安排的第二章节给出系到集合2中的某个星座符号对{x1,y},用其代替式统模型;准正交空时差分编码及检测方法在第三章节(2)中的2,3,利用S进行差分编码中给出;第四章节部分给出了仿真结果和检测复杂度(4)分析;最后是对全文总结本文中的部分数学符号说明第n时刻,编码矩阵Sn被发射出去,编码过程如如下:(·)·代表复共轭操作;(·)’代表复共轭转置操图1所示作;Re()代表取实部操作迟2系统模型比特数据交阡一差分编码大线发射假设系统有N根发射天线和N根接收天线Ng图I准正交空时差分编码原理图N阶矩阵H为第n时刻的信道衰落矩阵,本文中的上述编码过程中我们假设集合21与集合Q2中的任时刻是指发射一个编码矩阵所需要的时间单位矩阵总星座符号对满足以下条件:Hn的第i行,第j列元素为第j根发射天线到第i根接x22+1yk2=1x12+1y12=a(5)收天线间的信道衰落因子,假设都是服从N(0,1)的独立同分布复高斯随机变量若第n时刻发射NxN阶其中,a,e为任意实常数式(5)使得a为常数;式(6)使编码矩阵S,则接收端接收到的NⅹN1阶接收矩阵得b为常数从后面的检测算法推导过程得知约束条R可表示为:件(5)、(6)使得接收端可以实现低复杂度的并行检测R,=HS, +we(1)另外,实际应用中,一般要求系统发射功率恒定或其中,NRxM阶矩阵W是接收端产生的加性高斯白者限于一定范围之内这里给出一种满足式(5)、式(6)噪声分量假设其元素都是服从均值为0,方差为2的并使系统发射功率恒定的星座符号对设计方案,集合独立同分布复高斯随机变量n(m=1,2)定义如下文献5定义了一种适合4根发射天线的准正交x=2120空时分组码( QO-STBC)矩阵xsM+2)1sk≤(eu(2(k-2)/M+2)52s352512时码进行差分编码,接收端采用最大似然准则检测,两0,k=1,2,…,n),只有当两个星座符号对集合相同时组星座符号对可并行差分检测本文将该方法与其他取等号由表1可知本文差分检测方法及文献,11差分检测方法的性能和检测复杂度进行了对比计算13,14]的复数加法和复数乘法运算量都与频谱利用率机仿真结果和复杂度分析表明,本文提出的差分检测呈指数关系方法性能优于或者与以上几种差分检测方法相近,但检测复杂度低于以上几种MIMo差分检测方法正交差分检测口14- Amicable Orthogona差分检测[ll参考文献:-准正交差分检测[3-本文方法[IGJ Foschini. On the limits of wireless commumication in a fad-ing environment when using multiple antennas J].wireless[2]G Raleigh, J M Cioffi. spatio-temporal coding for wirelessmunications[ A]. In Proc. IEEE GLOBECOM"96[C]ondo,U,vol3,1996.l809-l814[3]GG Raleigh, J M Cioffi Spatio-temporal coding for wirelesscommumication[J]. IEEE Trans on Communications, 1998,46频谱利用率(3):357-366图4复数加法计算量[4]G J Foschini Layered space-time architecture for wireless com-munication in a fading environment when using multi-element一▲-准正交差分检测4-°- Amicable Orthogonal差分检测antennas[ J]. Bell Labs Tech J, 1996. 1 (2): 41-591--准交差分检测[3][5] Siavash M Alamouti. a simple transmit diversity technique for0-本文方法wireless communications[ J]. IEFE Joumal on Select Areas incommunications, 1998, 16(8): 1451-1458[6] V Tarokh, H Jafarkhani, A R Calderbank. Space-time blockcodes from orthogonal designs[J]. 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IEEE Trans on Signal Processing, 2003[14]Chau Yuen, Yong liang Guan Differential transmit diversity51(7):1722-1730作者筒介:孙德福男,1978年生于黑龙江鸡西,电子邵士海男,1980年生于辽宁抚顺,电子科科技大学通信抗于扰技术国家级重点实验室博以技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室博士士研究生.主要研究方向为空时编码MMO非研究生,主要研究方向为分布式多天线信号处相干检测技术、分布MMO等,理、扩频通信等磨友喜男,19654年生于河南潢川,电子科马万治男,1978年生于四川都江堰,电子技大学通信干扰技术国家级重点实验室教授、科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室博博士生导师.主要研究方向为CDMA、OFDM、士研究生.主要研究方向为空时编码、MMO非BG、UwB分布MMO传感器网络等相干检测技术、分布MMO信逍建模等