空时分组码的仿真.pdf-资料库

第1页 / 共8页

第2页 / 共8页

第3页 / 共8页

第4页 / 共8页

第5页 / 共8页

第6页 / 共8页

第7页 / 共8页

第8页 / 共8页

正交空时分组码仿真 1. 背景空时分组码（Space-time block code，STBC）是无线通信技术中一种在不同时刻、不同天线上发射数据的多个副本，从而利用时间和空间分集以提高数据传输可靠性的编码。同时空时编码也是一种能获取更高数据传输率的信号编码技术，是空间传输信号和时间传输信号的结合，实质上就是空间和时间二维的处理相结合的方法。在新一代移动通信系统中，空间上采用多发多收天线的空间分集来提高无线通信系统的容量和信息率；在时间上把不同信号在不同时隙内使用同一个天线发射，使接收端可以分集接收。用这样的方法可以获得分集和编码增益，从而实现高速率的传输。空时编码的有效工作需要在发射和接收端使用多个天线, 因为空时编码同时利用时间和空间两维来构造码字,这样才能有效抵消衰落,提高功率效率；并且能够在传输信道中实现并行的多路传送,提高频谱。需要说明的是,空时编码技术因为属于分集的范畴,所以要求在多散射体的多径情况下应用,天线间距应适当拉开以保证发射、接收信号的相互独立性,以充分利用多散射体所造成的多径。空时处理技术现状,纵观 MIMO 技术的发展，可以将空时编码的研究分为三大 MIMO多天线技术方向：空间复用、空间分集与空时预编码技术，如图所示: 发射机 … … 接收机 … … 空间复用技术 (SM) 空间分集技术 (空时编码/ 分集接收) 空时预编码技术 (波束成形) 折中折中复用增益分集增益/ 编码增益天线增益/ 干扰抑制提高数据速率/ 频谱效率减小差错率/ 提高可靠性提高数据速率/ 减小差错率图 1.空时处理技术现状空时处理始终是通信理论界的一个活跃领域。在早期研究中，学者们主要注重空间信号传播特性和信号处理，对空间处理的信息论本质探讨不多。上世纪九十年代中期，由于移动通信爆炸式发展，对于无线链路传输速率提出了越来越高的要求，传统的时频域信号设计很难满足这些需求。工业界的实际需求推动了理论界的深入探索。

2. 基本原理使用空时编码（STC）是达到或接近多输入多输出(MIOMO)无线信道容量的一种可行有效的方法。空时编码是一种用于多发射天线的编码技术。该编码在多根发射天线和各个时间周期的发射信号之间能够产生空域和时域的相关性。这种空时相关性可以使接收机克服 MIMO 信道衰落和减少发射误码。对于空间未编码系统，空时编码可以在不牺牲带宽的情况下起到发射分集和功率增益的作用。 2.1Alamouti 空时编码空时分组码(Space Time Block Code)STBC编码最先是由 Alamouti 引入的，采用了简单的两天线发分集编码的方式。这种 STBC 编码最大的优势在于，采用简单的最大似然译码准则，可以获得完全的天线增益。Tarokh 进一步将 2 天线 STBC 编码推广到多天线形式，提出了通用的正交设计准则。 x 1 x * 2 Tx1 n 1 n 2 x 2 x * 1 Tx2 1h 2h Rx ˆh 1 ˆh 2 最大似然译码器信号合并 2x% 1x% 2ˆx x x [][ 0 1 x 0 x 1 x * ] 1 x * 0 信道估计 ˆh 1 ˆh 2 1ˆx 图 2.空时发射分集原理图图 3 空时发射分集系统结构图空时分组码就是将每 k 个发送符号映射为一个 Tn P· 的矩阵。矩阵的每行对应在 P 个不同的时间间隔里不同天线上发送的符号。空时分组码的码率可以定义 rk p= / 为。图 2 为空时发射分集的原理图。在每一次编码过程中，系统先对 k 个比特进行信息调制，即把它映射成含有 2k 个元素的星座图中的 k 个点。然后把这 k 个比特送往调制器映射成 M = 元星座图上的一个点，调制后的复信号再根据发 2k 射矩阵进行排序及变形，最后从发射天线上发射出去。以图 3 所示的系统为例，每 1 个符号周期都会有 2 个符号被分别从两副天线上发射。假设第一个符号周期中天线 1 上发射的信号为 1x ，天线 2 上发射的信号为 2x ，在下一个符号周期中，信号 * 2x- 从天线 1 发射出去，天线 2 则发射信号 * 1x 。在 t 时刻从第一副和第二副发射天线到接收天线的衰落信道系数分别用 1h 和 2h 表示。假定衰落系数在 2 个连 - Ø ø Œ œ - º ß Ø ø Œ œ º ß Ø ø Œ œ º ß

续符号发射周期之间不变，则在接收端，2 个连续符号周期内的接收信号（t 时 =+ 刻和 t+T 时刻的接收信号分别表示为 1r 和 2r ）可以表示为 11122 rhxhx + n 1 ， + =- rhxhx 21221 + n * 2 * ，其中 1n ， 2n 是每一维均值为 0 且功率谱密度为 0 / 2N 的独立复变量，分别表示 t 时刻和 t+T 时刻上加性高斯白噪声的取样。如果能在接收机端完全恢复信道衰落系数 1h 和 2h ，那么译码器将采用它们作为信道状态信息（CSI）。假定调制星座图中的所有信号都是等概的，最大似然译码器对所有可能的 1x 和 2x 值，从信号调制星座图中选择一对信号 1 （，），使其 2 x x 满足： argmin(||||1)||(, 222 1 + =+- xhhxdx x 111 x 1 1 argmin(||||1)||(, 222 1 + 1 =+- xhhxdx x 222 x 2 S ) 2 2 : 其中 : xhrh r= 1 + * 112 2 * 以及 : 其中 : xhrh r= 2 * 211 2 * 。 S ) 2 2 2.2 复信号星座的 STBC Alamouti 方案可以看作发射天线数为 2 的复信号空时分组码，其传输矩阵可以表示为，该方案提供了完全分集 2 以及全速率 1. G 2 = Œ x 1 x 2 x * 2 x * 1 n Alamouti 方案的独特之处在于它是唯一具有 T n· 复传输矩阵并实现全速 T 率的空时分组码。如果发射天线数大于 2，那么码字设计目标就是以较低的译码复杂性构造高速率的复传输矩阵，实现完全分集。在 Alamouti 码的基础上，人们又提出采用两根以上天线进行空时编码的复正交分组码的设计。空时分组码的广义复正交设计和 Alamouti 码的主要区别有以下三点：⑴传输矩阵不是方阵，它允许使用两个以上的发射天线；⑵码速率不是整数，而是分数；⑶只在时间意义上传输矩阵的正交性，它对于以线性接收机形式和类似于 Alamouti 码方式实现的极大似然译码已经足够。对于任意复信号星座来说，都有对任意给定天线数能够实现 1/2 速率的空时分组码。例如，复传输矩阵 4G 是四根发射天线的空时分组码的正交设计，改码字速率为 1/2。 = Œ G 4 x x xxxxxxx 123412 xxxxxxx 2143214 xxxxxxx 3412341 xxxxxxx 43 3 3 x x 21432 2 4 1 *** *** *** *** * * * * = G 3 12 + j 21 + j 30 1 -+ 03 3 + 0 j + j 2 + j j 更进一步的线性处理导致具有复信号星座和两根以上天线的空时分组码有更高的传输速率， 3G 是 3/4 速率的空时分组码的复推广正交设计。与 Alamouti 码中的传输矩阵相比，空时码 3G 和 4G 存在两个方面的缺点：⑴ ˛ ˛ - Ø ø - œ º ß - - Ø ø Œ œ Œ œ Œ œ Œ œ º ß Ø ø - - - - - - Œ œ - - Œ œ œ - - Œ œ - - Œ œ º ß

传输速率下降；⑵要求信道保持恒衰落包络的时隙数增加。前面已介绍了 Alamouti 码的译码原理，现在来分析广义复正交矩阵的译码。记传输矩阵的第 x ，G 的其他列均为具有不同符号的第一列的所有排列。 ] xx [,,..., 一列为矢量 1 2 Tn ˛ 表示从第一列到第 t 列的符号排列。第 t 列中 ix 行的位置由 ( ) i t t 表示，用 sgn( )t i 表示第 t 列中 ix 的符号。对于速率为 1/2 的 4G 码，判决统计为： = : xir h ij i ti h n R j () = 1 sgn( ) t * : j : t ,( ) t j : r t = i () { j r t r () j t * 如果属于的第t列如果属于的第t列 4 * G G x i x i 4 并且则判决度量为 : + xxh |-|(2||1)| 22 i ijt | 3G 的判决统计。 n T x = 1 t n R 2 i j = 1 * : h j ,( ) t i , * h j ,( ) t i ={ h j ,( ) t i 如果属于的第t列 x i * x i G 4 G 4 如果属于的第t列，同理也可以构造出码速率为 3/4 的 3.仿真方案与结果分析 ⑴.不同编码块情况下误码率情况对比采用 Alamouti STBC 编码方式，编码传输矩阵为 G2， OSTBC 采用的复传输矩阵为 G4。在仿真过程中，假定每一根发射天线到接收天线的衰落是相互独立的，并且接收机完全知道信道系数。从图中可以看出采用分集可以大大提高多径衰落信道下的传输可靠性。仿真过程中假定了 Alamouti 方案中的两根天线的总发射功率与 MRC 接收分集中的单根发射天线的发射功率是相等的，并且都归一化为 1.从图 4 可以看出接收天线数为 2 的 Alamouti 方案与四分支的 MRC 接收分集实现了相同的分集（斜率相同），但是其性能差了 3dB.一般说来，发射天线数为 2、接收天线数为的 Alamouti 方案与发射天线数为 1、接收天线数为 2 的 MRC 接收分集方案具有相同的分集增益。 ˛ ˛ ˛ ˛ ˛ ˛ -

G4-coded 4x1 System and Other Comparisons No Diversity (1Tx, 1Rx), BPSK OSTBC (4Tx, 1Rx), QPSK Alamouti (2Tx, 2Rx), BPSK Maximal-Ratio Combining (1Tx, 4Rx), BPSK 100 10-1 10-2 10-3 10-4 R E B 0 2 4 6 8 10 Eb/No (dB) 12 14 16 18 20 图 4.两发两收 Alamouti 方案等与四根发射天线的正交 OSTBC 的对比 ⑵相同调制方式下，发射分集与接收分集在瑞利平衰落的条件下误码率的情况 Transmit vs. Receive Diversity No Diversity (1Tx, 1Rx) Alamouti (2Tx, 1Rx) Maximal-Ratio Combining (1Tx, 2Rx) 100 10-1 10-2 10-3 10-4 R E B 0 2 4 6 8 10 Eb/No (dB) 12 14 16 18 20 图 5.发射分集与接收分集的情况对比

图 5 比较了采用 2-PSK 调制方式发射分集与接收分集在瑞利平衰落的条件下误码率的情况。对于发射分集使用的是 2 发一收，对于接收分集使用的是 1 发 2 收。可看出，有两根发射天线的 Alamouti 方案与两根接收天线的最大比合并 MRC 方案实现了同样的分集，两条曲线的斜率都是一样的，然而 Alamouti 方案的性能降低了 3dB。3dB 性能的损失是由于 Alamouti 方案中每根发射天线的辐射能量是 MRC 接收分集方案中的单根天线辐射能量的一半，因此两种方案才具有相同的总发射功率。 ⑶接收机处于非理想状态与处于理想状态的情况对比图 6 显示了接收机处非理想信道状态信息 STBC 的性能，在仿真中，当发射天线数和接收天线数都为 2 时，采用码率为 1 的码字以及 2-PSK 调制。假定信道为慢瑞利衰落，并且其参数在一个 3000 字符的帧中保持不变。每一帧插入的导频序列长度为 8 个字符，共 100 帧。仿真结果表示，由于非理想的信道估计，与理想信道状态信息情况相比，编码性能大约降低了 1dB. G2-coded 2x2 System Channel estimated with 8 pilot symbols/frame Known channel 100 10-1 10-2 10-3 10-4 R E B 0 2 4 6 Eb/No (dB) 8 10 12 图 6.信道已知的情况与采用 8 个导频信号对信道进行估计的误码率对比 ⑷不同调制方式下误码率与误帧率的情况分析采用 Nit=10000 个测试比特比较不同调制情况下误码率与误帧率情况.采用的复传输矩阵为 G3 ，码率为 3/4，发射天线数为 3，接收天线数为 1。

100 10-1 10-2 R E B 10-3 10-4 2 100 10-1 10-2 R E F 10-3 10-4 2 BER CURVE 曲线图 2-psk 4-psk 8-psk 4 6 8 10 Eb/N0(dB) 12 14 16 图 7.采用复传输矩阵 G3 在不同调制情况下的误码率对比 FER CURVE 曲线图 2-psk 4-psk 8-psk 4 6 8 10 Eb/N0(dB) 12 14 16 k = logM 2 图 8.采用复传输矩阵 G3 在不同调制情况下的误帧率对比从图 7 和图 8 可以看出，随着 (M 表示 M-PSK 中的 M 取值)的增加，

误码率与误符号率都呈现上升的趋势，但这并不能说明 M 进制 PSK 信号与二进制 PSK 相比误差性能降低了，因为从图 1 和图 2 中并不能反映出其他衡量指标（如带宽、吞吐量、复杂性及开销）。实际上，随着 k 的增加，同样的带宽能够支持更大的比特速率。换言之，相同的数据速率，需要的带宽减少了。因此这又涉及到带宽与误差性能的权衡问题。 4.结论本文介绍了正交空时分组码的原理，并通过仿真展示了空时编码如何利用多根发射天线及各个时间周期的发射信号产生的空域和时域的相关性来使接收机克服 MIMO 信道衰落以及减少发射误码。除 Alamouti STBC 编码方式外，本文还介绍了基于正交设计的具有较大发射天线数的空时分组码，并比较了不同编码块以及不同调制方式下 STBC 的误码性能。 5.参考文献 [1]. Branka Vucetic,Jinhong Yuan[著],王小海等[译]. 空时编码技术.北京：机械工业出版社，2004.08 [2].李焜，王喆.MIMO 系统中的空时分组码(STBC)的性能分析.无线通信技术， 2008，04：11-16

资料库

空时分组码的仿真.pdf

相关推荐

开发技术

热门标签

最新资料