級(jí)聯(lián)差分空時(shí)檢測(cè)研究與仿真*

張偉

（解放軍鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

級(jí)聯(lián)差分空時(shí)檢測(cè)研究與仿真*

張偉

（解放軍鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

空時(shí)編碼方案中，空時(shí)塊碼相比空時(shí)格碼具有更簡(jiǎn)單的檢測(cè)機(jī)制。為了避免繁瑣的信道估計(jì)，降低接收機(jī)的復(fù)雜度，把常規(guī)的差分檢測(cè)方法推廣到多天線系統(tǒng)，同時(shí)再利用正交旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)，可以級(jí)聯(lián)卷積碼提高系統(tǒng)可靠性。在Matlab環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了所提出的級(jí)聯(lián)檢測(cè)處理方法，結(jié)果表明通過級(jí)聯(lián)的檢測(cè)機(jī)制確實(shí)能夠帶來性能的提升。

空時(shí)編碼，差分檢測(cè)，正交旋轉(zhuǎn)

0 引言

移動(dòng)條件下的寬帶數(shù)據(jù)傳輸是下一代蜂窩系統(tǒng)的主要目標(biāo)之一，研究表明空時(shí)碼可以有效地提高系統(tǒng)可靠性和頻帶利用率。空時(shí)編碼的研究1996年始于貝爾實(shí)驗(yàn)室，目前已成為國(guó)內(nèi)外移動(dòng)通信研究中一大熱點(diǎn)。目前為止絕大部分研究工作都假設(shè)接收機(jī)能準(zhǔn)確估計(jì)信道狀態(tài)信息（CSI），從而實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)。信道估計(jì)器的精確程度制約著接收機(jī)的性能，隨著越來越多信道估計(jì)算法的涌現(xiàn)，精確信道估計(jì)是可以實(shí)現(xiàn)的。然而由于其算法的復(fù)雜性，需要占據(jù)相當(dāng)?shù)挠?jì)算資源和接收機(jī)功率，同時(shí)大部分信道估計(jì)算法需要導(dǎo)頻序列或?qū)ьl符號(hào)，降低了有效性。

大家知道，在單天線系統(tǒng)中，使用差分技術(shù)（如DPSK）可以不需要知道信道參數(shù)而實(shí)現(xiàn)解調(diào)（當(dāng)然性能是有損失的）。把差分檢測(cè)技術(shù)推廣到多天線系統(tǒng)，以犧牲一定性能為代價(jià)，換取接收機(jī)復(fù)雜度的降低，本文提出通過一種級(jí)聯(lián)的檢測(cè)機(jī)制，來彌補(bǔ)性能損失，提高系統(tǒng)可靠性。在本文以下的敘述中矢量以黑體表示，標(biāo)量以斜體表示。

1 系統(tǒng)模型

1.1 空時(shí)塊碼

現(xiàn)有的空時(shí)編碼技術(shù)分為空時(shí)格碼（Space-Time Trellis Code）和空時(shí)塊碼（Space-Time Block Code）?？諘r(shí)格碼的處理復(fù)雜度是指數(shù)的，空時(shí)塊碼的處理復(fù)雜度是線性的，空時(shí)格碼的性能比空時(shí)塊碼要好。為降低復(fù)雜度，采用空時(shí)塊碼并使用雙天線發(fā)射、單天線接收這種最簡(jiǎn)單的模型來取得發(fā)送分集效果［1-2］。

圖1給出傳統(tǒng)的雙發(fā)射天線的空時(shí)編碼方案。送入空時(shí)編碼器的是完成了星座映射的符號(hào)，空時(shí)編碼器將每?jī)蓚€(gè)符號(hào)分為一組［c1，c2］，在第一個(gè)符號(hào)間隔由天線1發(fā)送c1、天線2發(fā)送c2，在下一個(gè)符號(hào)間隔天線1發(fā)送-c*2，天線2發(fā)送c*1。

1.2 信道條件

信道參數(shù)：h=αe-jφ，α是衰減因子，φ是相移。

本文的仿真采用平坦衰落的CLARK信道模型。利用兩個(gè)獨(dú)立的高斯低通噪聲源產(chǎn)生同相和正交衰落分量，在頻域進(jìn)行多普勒濾波，模擬多普勒擴(kuò)展效應(yīng)［5］。

1.3 差分空時(shí)塊碼的編碼技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)無信道信息條件下的差分解調(diào)，需要對(duì)輸入信息差分編碼，下面以MPSK（M是2的冪次）為例將差分編碼技術(shù)推廣到雙發(fā)射天線系統(tǒng)。

所以坐標(biāo)（A，B）可以表示成：

當(dāng)選定一組標(biāo)準(zhǔn)正交基之后，信息符號(hào)矢量集合V={（x3，x4）}和集合P={（A，B）}建立了一一對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系（V、P中各含有22m個(gè)元素）。從式（2）更可以看出，復(fù)矢量（A，B）是可以由（x3，x4）經(jīng)過一次具有保范性的正交旋轉(zhuǎn)得到的，這為進(jìn)行差分編碼與檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

下面簡(jiǎn)述如何實(shí)現(xiàn)差分編碼。選定一組標(biāo)準(zhǔn)正交基，建立V與P之間的映射，假設(shè)前一個(gè)送入空時(shí)編碼器的符號(hào)矢量是（s2t-1，s2t），當(dāng)前的輸入信息符號(hào)矢量是（x2t+1，x2t+2），根據(jù)V到P的映射關(guān)系選出與之對(duì)應(yīng)的（A2t+1，B2t+1），那么當(dāng)前（2t+1時(shí)刻）輸入空時(shí)編碼器的符號(hào)矢量為：

由此可得發(fā)送機(jī)的框圖

2 差分檢測(cè)方法

由信道條件的假設(shè)，得

將R1，R2中與含有噪聲的項(xiàng)分別用N1，N2表示，由信道矩陣的正交特性可得

把式（4）表示成矢量形式：

3 級(jí)聯(lián)卷積碼的差分檢測(cè)

為提高性能，很自然地想到給系統(tǒng)級(jí)聯(lián)某種糾錯(cuò)碼。本文以BPSK為例，描述級(jí)聯(lián)了卷積碼的處理方法。

在接收端根據(jù)最大似然準(zhǔn)則，利用判決矢量（R1，R2），選擇最接近其的矢量（A，B）作為輸出。選用碼率為1/2的卷積碼，維特比算法要求輸入來自信道的接收矢量與信息矢量之間的平方歐氏距dV2，而差分檢測(cè)能得到的是（R1，R2）與（A，B）的平方歐氏距：

不妨將從差分空時(shí)編碼到差分檢測(cè)視為一段廣義的信道，如果沒有級(jí)聯(lián)卷積碼，接收端的處理是比較判決和逆映射。級(jí)聯(lián)卷積碼之后，需要得到的平方歐氏距dV2。下面將證明在數(shù)值上dV2=dP2：

設(shè)Y=（A，B）T，R=（R1，R2），

由Y=QX，得X=QHY，

所以在接收端的信號(hào)處理中，可以直接用判決矢量R計(jì)算dP2值來作為對(duì)應(yīng)的dV2值，也可以先用QH對(duì)矢量R進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)得到矢量C，再計(jì)算dP2。

4 仿真結(jié)果

設(shè)定仿真條件為：當(dāng)載波頻率為900 MHz時(shí)，移動(dòng)臺(tái)速度為60 km/h和180 km/h。仿真結(jié)果如下頁(yè)圖4所示。由圖可見，級(jí)聯(lián)的差分檢測(cè)相對(duì)一般的差分檢測(cè)獲得了一定的性能增益。在實(shí)際的系統(tǒng)應(yīng)用中往往還需要與交織、均衡等措施聯(lián)合使用。

5 結(jié)束語

本文闡述了差分空時(shí)編碼及其檢測(cè)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上提出級(jí)聯(lián)的檢測(cè)機(jī)制，并對(duì)級(jí)聯(lián)了卷積碼后的信號(hào)處理方法進(jìn)行理論推導(dǎo)和仿真。差分檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)在于避開了繁瑣的信道估計(jì)，降低接收機(jī)的復(fù)雜度，然而這是以犧牲一定的性能為代價(jià)的。為了提高系統(tǒng)的性能，必然需要較強(qiáng)的糾錯(cuò)機(jī)制，本文通過級(jí)聯(lián)卷積碼，取得了一定的效果。在此基礎(chǔ)上還有以下幾種方法預(yù)計(jì)可以更進(jìn)一步提高可靠性：①通過采用多入多出（MIMO）系統(tǒng)來提高可靠性與容量是下一代移動(dòng)通信的趨勢(shì)，增加發(fā)送或接收天線的數(shù)目，更多天線條件下的差分檢測(cè)技術(shù)是可以得到的；②Turbo碼及類Turbo碼極強(qiáng)的糾錯(cuò)能力已經(jīng)受到人們的普遍關(guān)注，可以用它們來代替文中的卷積碼；③在差分檢測(cè)中用MAP準(zhǔn)則取代ML準(zhǔn)則，卷積碼采用軟輸入軟輸出（SISO）的譯碼方式，根據(jù)Turbo信號(hào)處理的思想，對(duì)差分檢測(cè)和譯碼進(jìn)行大循環(huán)的迭代處理。

［1］王殿偉，李言俊，張科.一種改進(jìn)的自適應(yīng)Chirplet分解方法及其實(shí)現(xiàn)方法［J］.火力與指揮控制，2011，36（6）: 69-74.

［2］游燕珍，趙國(guó)峰，徐川.空時(shí)分組編碼技術(shù)研究［J］.通信技術(shù)，2007，21（12）:41-44.

［3］Gesbert D，Shafi M，Shiu D.From Theory to Practice:An Overviewof MIMO Space–Time Coded Wireless Systems［J］.IEEE Transaction on Communications，2009，21（3）: 281-302.

［4］Alamouti S M.A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications［J］.IEEE Transaction on Communications，2008，16（8）:1451-1458.

［5］Hu G S.Modern Signal Processing Course［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［6］Tarokh V.A Differential Detection Scheme for Transmit Diversity［J］.IEEE Transaction on Communications，2006，18（7）:1169-1174.

Research and Simulation on Concatenated Differential Space-Time Detection

ZHANG Wei
（Zhenjiang Watercraft College of PLA，Zhenjiang 212003，China）

In the schemes of Space-Time Coding，Space-Time Block Code has easier detection method than Space-Time Trellis Code.The conventional differential detection method is generalized to the MIMO system so that channel estimation is avoided and the complexity of the receiver is reduced. To enhance the reliability，orthogonal rotation is utilized to concatenate the convolutional code for the system.Simulation under the Matlab environment is carried out to verify the proposed algorithm.The results indicate the performance is improved when cascading convolutional code.

space-time coding，differential detection，orthogonal rotation

TN92

A

1002-0640（2015）10-0037-03

2014-09-05

2014-10-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60972062）

張 偉（1981- ），男，江蘇南京人，碩士。研究方向：無線電通信，軍事通信抗干擾。