无线通信领域中酉空时调制(USTM)技术的研究
2020-02-04
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维普资讯 http://www.cqvip.com 《现代电子技术)2007年第13期总第252期 通信与信息技术司 无线通信领域中酉空时调制(USTM)技术的研究 胡俊生 (文登师范学校 山东文登 264400) 摘 要:多天线系统是第三代甚至未来的第四代无线移动通信中极具前途的一种技术。在研究了酉空时调制的必要性 和信道模型的基础上,详细讨论了酉空时编码的原理,重点对酉空时星座图的构造准则和几种设计方案进行了讨论。最后 给出了酉空时编码的最新动态和目前需要解决的问题。 关键词:酉空时调制;多输入多输出;星座;酉矩阵;误对率 中图分类号:TN911.3 文献标识码:A 文章编号:1004—373X(2007)13—021—04 Research of Unitary Space——time Modulation in Wireless Communication HU Junsheng (Wendeng Normal School。Wendeng,264400,China) Abstract:Multi—antenna systems will be the most important technology in 3rd generation,even in the future 4th genera— tion of mobile communication.In this paper,the necessity of researching unitary space—time modulation and channel model is surveyed.The emphasis of discussion is paid on the principle of unitary space—time code,the construction criterion of USTM constellation and several schemes.At last,the research trend and some conclusions are given. Keywords:USTM;MIM0 3 constellation;unitary matrix;pairwise probability of error 未来的无线通信将采用多天线技术MIMO(Multiple 目前研究的情况而言,主要有两类技术:一种是差分空时 Input and Multiple Output)来实现更高的频谱利用率、更 调制口 ,另一种是酉空时调制 ],其他各种方案都是在此 高的信道带宽和更高的数据传输速度 ]。文献[1]提出了 基础上发展而得的。本文不打算研究差分空时调制,而主 一种最简单的发射分集方案(发射天线只有两个)。该方 要研究酉时调制。酉空时调制可以看作相移键控PSK 法一经提出便引起人们广泛的关注。基于此,文献[2,3] (Phase Shift Keying)在多个天线情况下的扩展或一般 分别提出了两种空时码,即空时块码STBC(Space—Time 化口 ,其比较适合于块衰落环境中(就是在T个符号间隔 Block Code)和空时格码(Space—Time Trelles Code)的方 内,信道保持不变),这种调制技术在高信噪比或T》M的 案用于多天线环境。许多学者对这两种码进行改进和扩 情况下能表现出良好的性能,并且计算复杂性低,解码简 展提出了各种新技术 ]。但是,实现这些技术都有一个 单 ]。他的本质特征在于发射信号矩阵的各列是相互正 假设性前提:信道变化比符号变化要慢并且接收机需要精 交的,当前发射的信号矩阵是上一个时间块内发射的信号 确知道每对发射天线和接收天线之间的信道状态信息 矩阵与当前酉数据矩阵的乘积 ]。 CSI(Channel State Information)。人们一般利用信道估计 1信道模型 (Channel Estimation)(通过在发射机端发射训练序列或导 频序列来实现)技术来获得这种信息 ]。但是,这种情况 考虑一个有M个发射天线和N个接收天线的无线通 仅仅在慢衰落信道环境下才是可以实现的。当信道变化 信系统… ,如图1所示。 非常快或发射天线的数目很多时,获得每对发射天线和接 在T个符号间隔内发射的信号是: 收天线之间的衰落因子将变得不太现实[9]。尤其是,欧洲 {S ,t一1,…,T,m=1,…,M) 下一代蜂窝移动通信系统有望在移动台以500 km/h的速 接收到的信号是: 度下可靠工作,此时利用发射机发射训练序列或导频序列 { ,t一1,…,T,n=1,…,N} 进行信道估计变得不可能 。 他们的输入输出关系可以写为下面基带的 于是人们的研究方向开始转向不要求接收机知道信 形式 。 : 道状态信息的情况,这样就不需要进行信道估计 。就 Xt一,n√ hrn,n,tSt,rn+ ,” (1) 收稿日期:2006—11—13 其中,Wt. 表示在第t个时刻第n接收端污染接收信号的 2】 维普资讯 http://www.cqvip.com 胡俊生:无线通信领域中酉空时调 ̄II(USTM)技术的研究 白噪声,他是统计独立同分布(i.i.d)的高斯随机变量,服 从CN(0,1)(Circularly Symmetric Complex Gaussian)分 根据契尔诺夫上边界不等式,把 错误地当作 ,或 把 错误地当作 的误对率(pairwise probability of er- ror)是 : 布。 表示在第t个时刻从第m个发射天线发射的信号, 表示在第t个时刻从第m个发射天线到第 个接收天 线的信道衰落因子,他可以用信道的单位冲激响应建模, 各衰落因子是统计独立同分布(i.i.d)的高斯随机变量,服 从CN(0,1)分布,并且在T个符号周期内保持不变即 1 M 差错率是 ]: 妒 一a M[ 1 ]㈤ h…一。 h …对其功率进行限制 [∑l s l。]一1,在这 P 一丁1∑P{error I ̄ltransmitted} … m一1 种情况下JD就代表在t时刻第 个接收天线上的平均信噪 比SNR(Signal Noise Ratio)(他不依赖于发射天线的数 目),式(1)就可以写成下面矩阵的形式[1 : x一4 ̄,s-+W (2) 其中,s∈cT× 是发射信号矩阵,H∈ 是信道传输矩 阵,w∈c丁× 是噪声矩阵, ∈cT× 是接收信号矩阵。 图1具有M个发射天线和N个接收天线的 平坦瑞利衰落无线通信MIMO系统 2 USTM的原理 2.1 酉空时编码 我们用酉空时信号s 一 ̄/砸 ,…,SL一 ̄/砸 的星 座图通过上面的多天线链路来传输二进制信息。其中 是一个T行M列的酉矩阵,他满足 一I (*表示对 矩阵求共轭转置,下同)。由于 是一个T行M列的矩阵, s』也是一个T行M列的矩阵。在T个符号间隔内,输入的 数据经过酉空时编码映射,输出为s ,s』在T个时间间隔 通过M个天线发送出去即每个符号间隔内发送矩阵s 的 一行。发射信号和接收信号之间的关系如公式(2)所示。 接收信号的条件概率密度函数是 ]: 舭 一型 器 ㈤ 其中,tr表示对矩阵求迹运算,det表示求矩阵的行列式。 2.2 酉空时编码的译码 酉空时编码的最大似然ML解码是n “]: m—arg max p(X/ ) 一arg max tr{X X} (4) 22 ≤丁1∑∑P“ (6) 由上面的式子可以发现:酉空时编码的解码仅需要接 收到的信号矩阵和酉空时信号的星座图而已,不需要任何 信道状态信息。这是酉空时编码最具有吸引力的地方。 3星座图的设计 好的星座图应该有低的差错率。差错率在2种类型 的变化下是不变的: (1)左乘一个通用T×T酉矩阵, 一 ,z:1, …,L; (2)右乘任意一个M×M酉矩阵, 一 ,z一1, …,L; 如果任何两个星座具有其中的一个变换关系,就认为 他们是等价的。 3.1 设计标准 到目前为止,酉空时信号星座图的构造总共有3类不 同的准则: (1)第一准则:最小化d [1 这个性能准则需要极小化P ,,也就是极小化d。 这个准则可以用下面的数学语言描述如下: 给定T,M,L,且T》M,设计L个T×M维码子矩阵 , ,…, ,满足: ①V z∈{1,2,…,L),总有 一 ,即 必须是 酉矩阵。 ②V z ,z。∈{1,2,…,L), 的最大奇异值(对M 个奇异值而言)最小化(对 , ,…, 而言)。 (2)第二准则;最小化 [1 ] 在d 一…一d 一0时,差错率和契尔诺夫边界是最 低的,而在d …・一d 一1时,他们是最高的。如果 和 ,的各列相互正交,就可以实现d 一・一d 一0。所以, 理想的星座图 ,…, 中的任何一个 的各列与 ,的 各列正交(z ≠z一1,…,L)。但是,由于 的各列本身是 相互正交的,所以d ,…,d 不可能做到都是零(如果L> T} 我们可以进一步简化式(5): 1 -- 2一mMtr{( ,) ( ,))一l l,l l(7) 误对率一阶和二阶偏微分(对奇异值的平方)都是正 维普资讯 http://www.cqvip.com 《现代电子技术)z007年第13期总第252期 值,即: >。 >。 ㈣ 通信与信息技术 这种设计星座图的方案就是要设计 和选择“ ”, “ 使式(11)最小,即: u≤ ・’…’“r≤L—l min — 这意味着对任何取值于开区间(O,1)范围内的两个奇 u “J’…t“r 川min z’…’L max l lll (15) 异值,如果把大的奇异值变得更大,把小的变得更小,那么 他们的平方和是不变的,式(8)也是不变的,而误对率将增 搜索“ ,…,“ 可选择穷尽搜索法,目前还没有比之 更优化的方法。 (2)基于代数的星座图 加。结果,在给定式(7)值的情况下,当所有的奇异值相等 时,差错率将取到最小值。在尽可能多的奇异值取1时, 差错率将取到最大值。这意味着:在最坏的情况下, 这种方法通过把线性块码映射成复信号矩阵来构造 USTM星座图。这里只给出M一1的情况。 Mll ,l l个奇异值等于1,而其他奇异值等于0。从 而可以得到契尔诺夫上边界: 1厂 r‘ 。 ≤专l + l 其中,d ,i一1,…,M,为相关矩阵 的奇异值,d— max( )。 设: —ma x l l,l l(10) 综合公式(7),(10),(11)可以得到整个星座图的误块 率(block probobality of error): r厂 ] ‘叫 。 ≤号l + lD 因此,我们可以构造能够最小化 的星座图,这种方 法不依赖于信噪比也不依赖于接收天线的数目。这种准则 与最大欧式距离准则有着明显的不同之处在于接收天线 完全不知道信道衰落因子的情况下推出来的。 (3)第三准则:最大化Ⅱ(1一 ),在高信噪比SNRs 的情况下,契尔诺夫边界取决于这个乘积。在 比较 小时, Ⅱ(1一 )△1一∑ (12) 因此,在d 比较小时,最下化 可以近似等同于最大 化Ⅱ(1一 )。 3.2几种设计方案 (1)基于傅里叶变换的星座图口 受文献[16]中Baland和Daubechies关于利用傅里叶 变换构造比较紧的帧理论的启发,Bertrand在 明提出基于 傅里叶变换的星座图的构造。第一个信号是 ,他是一 个T×M的酉矩阵,满足 一I ,其他L一1个信号根 据下面的公式构造: 一 】 Z一2,3,…,L (13) 其中的D也是一个酉矩阵: 2 e “1 2 e “2 O== (14) 2 e “T R 一{1,…,q一1},C一{C ”C },其中C 是一个T维 的列向量,其元素取值于{0,…,q一1},C是一个线性码,C 中包含全零向量,如果C ,C,∈C,则对于n,b∈R ,ac + ,也是C中的码子。通过下面的公式把T个整数映射成 一个复信号向量的T个元素: 1 , ’ ( )= e ,J一0,…,q一1 (16) ez争 ] e 一 )一 等 z ,1≤Z≤L (17) ● : ez争 ] 他的最大相关矩阵是: max.... f ] (18) 其中,[・] 表示[・]的第t个元素,搜索这种星座图就是 要使上面的式子取得最小值。 4结 语 目前酉空时编码的关键问题是优化问题,是否有比现 在计算复杂度更低,同时性能更好的算法是值得研究的 问题。 文献[16]提出在连续慢衰落信道下的差分酉空时调 制DUSTM(Differential Unitary Space—Time Modula— tion),在该调制方案中,在某一个时间块内发射的信号矩 阵是前一个时问块内发射的信号矩阵与当前酉数据矩阵 的乘积。该文作者提出一种分组对角星座图(也称为循环 码子),同时提出了一个称为分集乘积的DUSTM星座图 的设计准则。他指出:在将来高信噪比SNR的情况下, DUSTM要有好的性能就要有大的分集乘积。基于这种 准则,文献[17]提出了一种比分组对角星座图性能更好的 星座图——非分组星座图,并且简化了他的算法复杂度。 DUSTM将成为作者以后的研究内容。 参考文献 [1]Alamouti S M.A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communicaion[J].IEEE Select.Areas Commun., 1998,16:1 451—1456. 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