基于MPSK的多幅值差分空时码改进方案

通信与网络 Communication and Network基于MPSK的多幅值差分空时码改进方案邓冬虎,李宏伟,袁天,朱仁飞(空军工程大学电讯工程学院,映西西安71007)摘要:针对传统基于FSK调制的幅度相位双差分空时码( Amplitude- phase Double DifferentialSpace- Time Codes)在信息传输遠率提高时会带来性能严重下降以及每次只能传输奇数个比特的缺点,提出了一种适合于高阶PSK调制的改进的幅度相位双差分空时码方案。与传统幅度相位双差分空时码相比,通过引入多电平调制幅度系数的办法,提高信息传输速率,新方案对误比特性能和信息传翰速率进行了一个较好的折中。而与基于PSK调制的单幅值差分空时码DSTC( Differential SpaceTime Coding)相比,则是在相同的传输速率下提高了性能。关键词:空时分组码;差分检测;PSK;多幅值;误比特率中图分类号:TP911.7文献标识码:AImproved multi-amplitude double differential space-time codesscheme based on MPSK modulationDENG Dong Hu, LI Hong Wei, YUAN Tian, ZHU Ren Fei(The Telecommunication Engineering Institute, Air Force Engineering University, Xi'an 710077, China)Abstract: The increase of bits rate would seriously decrease the performance of traditional amplitude-phase differential spacetime codes and system can only transmit odd bits information. To ameliorate these disadvantages we proposed an improved ampli-tude-phase differential space-time codes scheme based on MPSK modulation. Compared with traditional amplitude-phase doubledifferential space-time codes, this scheme well balanced error- bit rate and data rate to enhance the bits rate through introducingan amplitude coefficient of multi-level modulation, Under same bits rate comparing proposed scheme with DSTC(Differential SpaceTime Codes), the performance is enhancedKey words: space-time block coding; differential detection; PSK; multiple amplitudes; differential detection; bit-emor rate空时码技术是对抗衰落、提高频谱效率的一种重要STBC( Space Time Block Code)2l。参考文献[3]介绍了一种手段,越来越受到学者们的重视。在空时码研究中,解码传统幅度相位双差分空时码,对幅度和相位两组系数均时接收端往往需要知道精确的信道状态信息CSl(Chan·采用了差分的编译码方式。可以克服基于K调制的nel State Information)),这就要求在接收端进行信道估计。单幅值差分空时码Dsrc( Differential Space- Time Coding)但在某些条件下,为了减小接收装备的复杂度,通常不在高频带利用率下由于星座符号间的最小距离减小所要求对信道进行估计,或者在高速移动环境中,信道的快带来的性能下降。但是,随着信息传输速率的提高,参考衰落特性使得信道估计变得异常困难,甚至无法估计叫。文献[3]中的性能严重下降,且每次都只能传输奇数个这种情况下,不需要信道估计的差分空时调制DSTM比特。考虑到可以用更多的信息来进行幅度的编码,所( Differential Space- Time Modulation)技术就显得非常有以将幅度的调制办法做一个调整,通过仿真表明,本文用。 Tarokh和 Jafarkhani提出了一种基于正交设计的差分所提方案在高阶FK调制下,误比特性能和数据传输速空时分组码STBC( Space Time Block Code)/2。Takh和率与传统办法相比有了一个较好的折中。Jafarkhani提出了一种基于正交设计的差分空时分组码1编解码方案基金项目:国家自然科学基金资助(60672032);陕西省自然科学基础研究1.1编码项目(2007F28)对于两根发射天线、一根接收天线、MFK的情况《电子技术应用》2010年第3期l17通信与网络Communication and Network在任意时刻n都有2logM+2个比特经编码后进行了传输,其中,2lgM个比特中的前logM位编码为相位ca,=arg min.Y, -a, Y,-1后lo8位编码为相位c,这两个相位按照空时分组码其中,"·‖表示矩阵的 Frobenius范数。在的估计中,的编码方式映射构成2x2酉矩阵Cn。后两个比特bn被映射为幅度比例系数a,从而构成4个幅度A1、A2、A3因为不同的an范围也由前一时刻的幅度系数B,决定A4,使得了,所以可以减小a的搜索范围。例如在B=A1时,a的搜索范围就是(1,A,A2,A)。(1)V2而b的估计,则由当前所估计出的a以及前一时刻其中系数一—是为了保证归一化,“*”表示共轭的幅度系数B。依据表1决定。其中B.=a. B,I(10)an的选取,由输人的最后两个比特b以及前一时刻的幅度系数凤-来决定。假定a的选择范围为(1,A,吗8cmP-ay-CA2,A3,A-,A-2,A-),具体按表1方法进行映射。酃8m(r-就,";-a"C"+CC"表1an的映射办法ng以(C!+x:C")(11)S max r(Re( C Y )式中,r(…)表示矩阵的迹,Re()表示矩阵的实数部分。根据C和6。逆映射后即可得到初始输人信息。0]A22参数的选择参数λ以及幅度系数(A1,A2,AyA4)的选择,假设几个整个系统具体实现方法如下:幅度系数是等比序列,且紧邻的两个幅度比例为A,即A2=AA1;A3=A1;A4=A1。为了保证能量的归一化,要求:初始化:当初始时刻n=0时,令A2+A2+A32+A2=4D=l2,B2=A1其中h2是单位阵D为发射的相位矩阵B为发射的幅从而:A=V4(++“+5)(13)度系数。根据编码增益距离CGD( Coding Gain Distance)的定在非初始时刻即n≥1的情况下,则在初始化的基义,在准静态平坦 Rayleigh衰落信道条件下所有可能的础上进行差分编码。不同码字对C‘和C构成矩阵B(CC)=D(C,C)"DC,相位矩阵的编码为:D=DCn(3)C),当其满秩时其最小行列式对应于全分集码的编码增幅度系数为:B4=B,n(4)益。该式中()表示共轭转置,而D(C,C)=CC。则传输矩阵为:Xn=B2D4对于MPSK星座,可以假定不同码字对C′=1.2译码设在平坦慢衰落信道下,第n时刻接收到的信号“““和C=211",”。“。小是其中,H为信道衰落矩阵,且前后两个码元时刻信道A,为幅度系数。经均属于10,1,…,M-1,A和其中,a=2m/M,l、l2、k1、kY,=HX +N(6)落系数相同,N,为独立同分布的信道噪声,满足复高斯det(B)=+242+242-24,A,(os(0(k1-k2)+o(a(0,1)分布,则(l1-l2)2Y=HX +N选择一个λ值使得det(B)的最小值最大化,从而决=HB, D,+M(7)定幅度系数。Ha, B,-1D,C,+N,从图1中可以得到在不同调制方式下的A的最佳连续接收到的两个码元有以下关系:值,即如表2所示。Y。=anyC+N-aNCn(8)3仿真结果且由于Cn是酉矩阵,使得N-aNCn满足复高斯为了验证所提算法的性能,在 MATLAB下对算法进(0,1+a2)分布。行了仿真。仿真假定为:(1)系统中发送端有2根天线;由于a∈1,A,,A,A,A3,A,由此可知幅度比(2)系统中接收端有1根天线;(3)信道为准静态平坦瑞例系数估计为利衰落信道,信道矩阵的元素为独立同分布的零均值单118欢迎网上投稿www.chinaaet.com《电子技术应用》2010年第3期通信与网络 Communication and Network事排闺键理闺,,,,-32PSK64 PSK群非猪理04-=4P1相邻幅度系数比值2026图1不同λ对应的编码增益图3所提方案与单幅值相位双差分空时码相比位方差的复高斯随机变量。表2不同调制方式下的方式。图2给出了所提方案λ的最佳值本文通过数学理论、引入多幅值、增加比特来映射与幅度相位双差分空时码调制方式幅值,以提高信息传输速率。仿真结果表明,所提方案与的性能比较。在传统方案传统幅度相位双差分空时码相比,对传输速率和误比特中,从16K到32ESK的调313-率有一个较好的折中,与单幅值差分空时码相比性能要制方式,为了增加1b/s/Hz64PSK1.00好出很多。但本文并没有对相位编码进行改进,这将是的传输速率,在BER=102时下一步工作的重点。达到了54dB的性能损失,而本文所提方案则可以在增参考文献加05bit/sHz的传输速率且调制方式均为16FK情况] HUGHES B L. Differential space- time modulation下,在BER=102时出现2dB的性能损失。而在32PSKIEEE Trans.200,m-46(7):2567-2578调制下,在BER=102时性能损失为1dB。在64FK下,性(2] TAROKH V, JAFARKHANI H. a differential detection能基本相同。由此可见,所提多幅值差分空时码方案使scheme for transmit diversity[J]. IEEE Journal on Selected得传输速率和误比特率达到一个较好的折中。Areas in Communication, 2000, 18(7): 1169-1174[3] LI Hong Bin. Differential space-time coding based ongeneralized multi-channel amplitude and phase modulationU]. IEEE Intemational Conference. 2004, 2 (17-21); ii-17-20[4] TAROKH V, JAFARKANI H, CALDER-BANK A R理理理Space-time block codes from orthogonal designs[J].IEEE[5] TAROKH V, SESHADRI N, CALDE pD I5):1456-1467.time codes for high data rate wireless communicatio逆哩里Performance analysis and code construction [J].IEEEinom. Theory,199844(2):744-765.1012A32PP開!理!里收稿日期:2009-06-15)4A64P10作者简介:STRIdE邓冬虎,男,1986年生,硕士研究生,主要研究方向图2所提方案与传统幅度相位双差分空时码相比MIMO系统空时编码技术。在图3中,给出了所提方案与单幅值差分空时码的李宏伟,男,1966年生,副教授,硕士生导师,主要研究性能比较。在传输速率都为5bit/s/Hz,BER=10-2时,性方向:移动通信技术。能比单幅值差分空时码好出2.8dB,而均在6b/s/Hz时朱仁飞,男,1986年生,硕土研究生,研究方向:雷达信性能更是好出许多。号处理。图中,1A表示单幅值差分,2A表示幅度相位双差分,4A表示本文所提方案。而“P”表示相应的PSK调制《电子技术应用》2010年第3期119