一種STTC空時編碼識別方法研究

隋 濤， 李歡歡， 錢 博， 馮永新

(沈陽理工大學(xué),遼寧 沈陽 110159 )

一種STTC空時編碼識別方法研究

隋 濤， 李歡歡， 錢 博， 馮永新

(沈陽理工大學(xué),遼寧 沈陽 110159 )

由于MIMO無線通信體制采用多發(fā)射天線，多路混合信號對于非合作方在空時編碼類型識別時造成困難。在對STTC機(jī)理進(jìn)行深入研究基礎(chǔ)上，結(jié)合其編碼的特點，提出了一種基于符號編碼矩陣統(tǒng)計的STTC識別方法，通過在Matlab仿真環(huán)境下對STTC、STBC、BLAST三種空時編碼矩陣重構(gòu)后進(jìn)行概率統(tǒng)計。仿真結(jié)果表明，基于符號編碼矩陣的概率重構(gòu)分析方法可實現(xiàn)對STTC進(jìn)行有效識別。

MIMO通信；空時格形編碼；識別

無線通信技術(shù)作為當(dāng)今社會最熱門的研究領(lǐng)域之一，無線通信系統(tǒng)的頻譜資源利用及無線數(shù)據(jù)信息如何在無線信道中高效率傳輸成為當(dāng)今的熱門話題。多輸入多輸出(MIMO，Multiple-InputMultiple-Output)技術(shù)是一種新的無線通信技術(shù)，可以通過多根收發(fā)天線來實現(xiàn)空間分集和空間復(fù)用，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率和較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸能力，MIMO技術(shù)和正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)被公認(rèn)為第四代移動通信技術(shù)的兩個重要關(guān)鍵技術(shù)。

空時編碼是實現(xiàn)MIMO系統(tǒng)的常用方式之一，空時編碼技術(shù)能在不犧牲帶寬的情況下獲得更高的分集增益，提高M(jìn)IMO通信系統(tǒng)抗干擾和噪聲的能力，有效補(bǔ)償了信道的衰減、增加了系統(tǒng)的容量、抑制了噪聲和干擾，可獲得較高的分集增益和編碼增益[1-2]。

現(xiàn)階段對MIMO技術(shù)的研究主要集中于空時格形編碼設(shè)計優(yōu)化及改進(jìn)，在現(xiàn)有公開發(fā)表的文獻(xiàn)中，有學(xué)者關(guān)注空時分組碼(STBC)識別，對于空時格形編碼(STTC)識別關(guān)注較少，針對MIMO通信系統(tǒng)空時格形編碼方式，提出了一種通過對符號編碼矩陣重構(gòu)概率統(tǒng)計識別空時格形編碼，為進(jìn)一步深入研究空時編碼檢測機(jī)制提供參考。

1 MIMO系統(tǒng)模型

空時格形編碼以格形碼編碼調(diào)制為基礎(chǔ)，可以提供最大可能的編碼增益和分集增益，且不會犧牲發(fā)射帶寬，并且能有效地抵消衰落，抑制干擾和噪聲[3]?？諘r編碼的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MIMO系統(tǒng)模型

nt根發(fā)射天線和nR根接收天線的MIMO系統(tǒng)模型可表示為

y=Hx+n

(1)

式中x=(x1,x2,…,xm)T-∈CnT×1

(2)

y=(y1,y2…,yn)T∈CnR×1

(3)

n=(n1,n2…,nn)T∈CnR×1

(4)

(5)

式中：x為發(fā)射向量；y為接收向量；n為噪聲向量；H是信道矩陣。其中，hnRnT表示第nT根發(fā)射天線到第根接收天線的空時信號特征。

2 空時格形編碼機(jī)理

以4PSK調(diào)制的空時格形編碼為例，4PSK符號分別為{1,j,-1,-j}，分別標(biāo)記為{0,1,2,3}。對應(yīng)的空時柵格中，每個狀態(tài)具有4個輸出分支和4個輸入分支。與傳統(tǒng)的柵格一樣，空時柵格的初始化狀態(tài)為0狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 4狀態(tài)4PSK空時格形編碼

編碼按如下過程進(jìn)行，例如，對應(yīng)當(dāng)信息序列2，1，2，3，0，0，1，3，2

第一個天線的編碼序列為：0，2，1，2，3，0，0，1，3

以及第二個天線的編碼序列為：2，1，2，3，0，0，1，3，2

如前所述，空時柵格的開始狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)都是0狀態(tài)。為了實現(xiàn)這一條件，傳輸?shù)男畔⒎柌捎梅纸M形式，在分組之間周期性地插入一定數(shù)目的0，如圖3所示。

0數(shù)據(jù)幀10數(shù)據(jù)幀20

圖3 空時格形編碼信號幀結(jié)構(gòu)

由于0的個數(shù)依賴于空時柵格的約束長度，而與幀的大小無關(guān)，則當(dāng)一個幀充分大的時候，由這些0帶來效率的損失將變成任意小[4]。

3 空時格形編碼檢測機(jī)理

空時格形編碼檢測是對接收信號的特性參數(shù)估計的情況下進(jìn)行編碼識別，前期需要對信道參數(shù)估計[5]，MIMO信號進(jìn)行盲源分離及有效提取[5]，天線數(shù)目估計以及調(diào)制方式識別。本文重點研究在對MIMO信號的有效提取后，對空時編碼類型識別[6]。

根據(jù)空時格形編碼的特性和檢測機(jī)理，設(shè)計了對STTC編碼類型識別流程如下：

Step1：接收提取后天線S1、天線S2信號傳輸星座符號；

Step2：對接收到的信號其進(jìn)行解調(diào)，獲取傳送的信息符號；

Step3：對信息符號進(jìn)行搜索，搜索到起始狀態(tài)“0狀態(tài)”，依次判斷下一狀態(tài)：

(1)若S1(k+1)=0&S2(k+1)≠0，S2和輸入信息符號一致；

(2)若S2(k+1)=0&S1(k+1)≠0，S1和輸入信息符號一致；

(3)若S2(k+1)=0&S1(k+1)=0,則繼續(xù)判斷S1(k+2)和S2(k+2)；

Step4：通過對起始數(shù)據(jù)“0狀態(tài)”判別，區(qū)分發(fā)射天線順序；

Step5：通過對n和n-1狀態(tài)信息符號的分析，結(jié)合當(dāng)前S1(i)、S2(i)，通過多次數(shù)據(jù)統(tǒng)計和校驗可以推出編碼矩陣陣列A；

Step6：重新讀取新的數(shù)據(jù)，通過大量數(shù)據(jù)檢驗，如果能夠得到編碼矩陣元素出現(xiàn)概率大于所統(tǒng)計的閾值，則表明為STTC編碼方式，并可直到編碼矩陣A遍歷后存儲并判斷結(jié)束。

空時格形編碼檢測總體設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 空時格形編碼檢測仿真流程圖

4 STTC編碼檢測仿真

STTC編碼識別仿真測試參數(shù)：收發(fā)天線2×2，調(diào)制方式4PSK，信息數(shù)據(jù)長度64bit，星座編碼狀態(tài)4；編碼矩陣4×4，仿真結(jié)果如圖5所示

(a)三種不同空時編碼矩陣識別準(zhǔn)確率

(b)不同信噪比下編碼類型識別準(zhǔn)確率

通過仿真分別對STTC、STBC、BLAST三種空時編碼方式的空時編碼矩陣進(jìn)行構(gòu)造，分別對其符號編碼恢復(fù)概率進(jìn)行閾值判別，因為只有STTC編碼方式是通過空時矩陣方式進(jìn)行編碼，STBC和BLAST編碼方式?jīng)]有固定的編碼矩陣，本識別方法是重構(gòu)編碼矩陣的方式，先確定發(fā)射天線的順序，通過盲源識別等識別方法的前期參數(shù)提取等先驗信息，就可以重新構(gòu)造出空時編碼矩陣。由圖5可見，STTC由于自身編碼矩陣的確定性，所以重構(gòu)后的編碼矩陣的編碼符號具有規(guī)律性，STBC和BLAST自身編碼不具備固定的空時編碼矩陣，所以重構(gòu)后的空時編碼矩陣不能滿足統(tǒng)計設(shè)定的閾值，從而可以識別出STTC空時編碼類型。從仿真結(jié)果可見，識別得到的編碼矩陣和實際采用的編碼矩陣一致。

5 結(jié)論

通過對MIMO系統(tǒng)空時格形碼編碼機(jī)理以及符號幀格式特點進(jìn)行深入分析，結(jié)合盲源分離技術(shù)，調(diào)制方式識別等技術(shù)，通過對接收的符號編碼矩陣進(jìn)行蒙特卡羅統(tǒng)計實驗，可得到空時格形編碼的的判斷閾值，從而可以實現(xiàn)對空時格形編碼從編碼類型上進(jìn)行識別，在基帶條件下對STTC、STBC、BLAST三種不同空時編碼進(jìn)行仿真驗證，實驗結(jié)果表明檢測仿真結(jié)果表明在信噪比大于-6dB可有效識別出空時格形編碼類型，同時基于符號編碼矩陣可以推廣到多調(diào)制方式和多狀態(tài)的空時格形編碼識別。

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[3]Georgios B，Giannakis，Zhiqiang Liu，et al.寬帶無線通信中的空時編碼[M].王鋼等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009:21-122.

[4]林云，何豐.MIMO技術(shù)原理及應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2010:121-161.

[5]趙佳，楊景曙，金家保.基于JADE算法的盲DOA估計[J].通信學(xué)報，2010，31(8):91-97.

[6]謝春維.基于空時編碼檢測算法的研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

Research on Blind Identification of Space-time Trellis Coding

SUI Tao，LI Huanhuan，QIAN Bo，F(xiàn)ENG Yongxin

(Shenyang Ligong University Shenyang 110159,China)

Due to multiple transmit antennas used in MIMO wireless communication system, it is difficult for non-partners to identify space-time coded type when receiving multi-channel mixed signal.The paper puts forward a statistical method on symbolic coding matrix on the basis of studying the space-time trellis coded (STTC) mechanism and characteristics. The method can realize the identification of the space-time trellis coding type of MIMO wireless communication. Besides, simulation experiment is carried out for three kinds of space-time coding recognition called STTC, STBC, BLAST using MATLAB. Thus, the statistics result of symbolic coding matrix can realize recognition of space-time trellis coding for MIMO system effectively.

MIMO communication;space-time trellis coding;recognize

2014-12-08

隋濤(1978—)，男，副教授，研究方向：通信技術(shù)；通信作者：馮永新(1974—)，女，教授，博士，研究方向：通信技術(shù)，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò).

1003-1251(2015)03-0024-04

TP929.53

A