空时分组编码的研究

【摘要】文章首先研究了空时分组编码的编译码原理、特点和性能;然后对其性能进行了仿真,并分析了仿真结果。

【关键词】空时分组编码 Alamouli方案 最大似然判决

空时编码技术是近年来在无线通信领域新兴的一种技术,它的主要目的是解决无线通信中下行传输信号多径衰落的问题。空时格型编码在多发射天线条件下的译码复杂度限制了它的应用,而空时分组编码应用正交设计理论,使得这种编码体制的译码算法支持最大似然检测,且接收端采用线性处理,尽管性能略有下降,但译码要简单得多,受到人们的广泛关注。

1空时分组编码系统

空时分组编码(STBC)的系统结构如图1所示。空时分组码最初在两个发射天线上使用,Alamouti提出了一种简单的(2,1)发射分集技术,并推广至(2,m)的情况。图2给出了其结构示意图:

1.1 Alamouli发射方案

在一个符号周期里,两个信号经由两个发射天线同时发射,天线1和天线2上发射的信号分别为s1和s2;在下一个符号周期里,和分别由天线1、2发射。不难看出,发射符号是通过空间域和时间域共同完成的。发射天线1和2到接收天线之间的信道分别用h1(t)和h2(t)表示,并假设两个连续的符号周期T内信道保持不变。

h1(t)=h1(t+T)=h1=α1ejθ1(1)

h2(t)=h2(t+T)=h2=α2ejθ2(2)

那么,相应的接收信号在t时刻和(t+T)时刻可以分别表示为下面两式:

r1=r(t)=h1s1+h2s2+n1(3)

(4)

其中n1和n2分别表示在t时刻和(t+T)时刻的接收机上的噪声加干扰,假定二者为独立同分布的复随机变量,均服从均值为零、方差为N0的复高斯分布。

1.2 最大似然判决准则

将组合器的输出信号送入最大似然检测器,利用最大似然判决准则分别对s0和s1进行重建。

可以看出,Alamouti的解码算法支持最大似然解码,在接收端完全通过线性处理来实现,这意味着接收机的结构可以大大简化。同时由于正交设计,在解码时可以分别独立地对发送符号s1和s2进行最大似然判决。

1.3 性能分析

Alamouli方案采用两个发射天线、一个接收天线的(2,1)模式,理论计算和仿真结果证明了(2,1)模式与采用最大比接收组合(MRRC)的(1,2)模式具有相同的分集增益;这种模式可以简单地推广至(2,m)的情况,分集增益为2m。同时由于发射码矩阵是正交矩阵,其解码复杂度与空时格型编码相比大大降低。

2 仿真结果分析

Matlab仿真参数:frame length=180,number of packets=500。图3、4为仿真得到的BER(误块率)-SNR(信噪比)曲线。

从图3可以清楚地看出:STBC系统的性能明显优于传统的单天线系统,这是因为后者不能提供分集增益。对于同一个STBC系统,其性能随着接收天线数目的增多而变好,性能曲线下降的曲率变大;因为随着接收天线数的增加,系统所能提供的分集增益也随之增加。

由图4可以看出:BPSK与QPSK两条曲线平行,这是因为两种方案都采用的是(2,1)或(4,1)系统,提供相同的分集增益,而分集增益决定了曲线下降的曲率。另外,8PSK调制下的性能比QPSK差,QPSK调制下的性能比BPSK差;这是因为调制阶数越高,信号之间的差别越小,要达到相同的性能,需要的信噪比越大,性能也就越差。

综上所述,对同一系统,随着调制状态数的增加,其性能将变差;对同一调制方式,随着发射天线数或接收天线数的增加,其性能将变好。

参考文献

[1]Alamouti S M. A simple transmit diversity technique for wireless communications[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1998,16: 1451-1458.

[2]Vucetic B, Jinhongyuan. Space-time coding[M]. John wiley & Sons,2003.

[3]赵树杰,赵建勋,编著. 信号检测与估值理论[M]. 北京: 清华大学出版社,2006.

[4]袁东风,张海霞,编著. 编码调制技术原理及应用[M]. 北京: 清华大学出版社,2006.

【作者简介】

刘小群:宝鸡文理学院讲师,西安电子科技大学通信工程学院硕士研究生,研究方向为通信与信息系统。