采用星座旋轉(zhuǎn)的高速率空時(shí)分組碼空間調(diào)制算法

陳誠(chéng),王磊,李曉峰

(西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院, 710049, 西安)

采用星座旋轉(zhuǎn)的高速率空時(shí)分組碼空間調(diào)制算法

陳誠(chéng),王磊,李曉峰

(西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院, 710049, 西安)

針對(duì)空時(shí)分組碼空間調(diào)制(STBC-SM)算法中由空間維度調(diào)制所能提供的頻譜效率較低的問(wèn)題,提出了一種采用星座旋轉(zhuǎn)的高速率空時(shí)分組碼空間調(diào)制(CR-STBC-SM)算法。該算法首先從所有有效天線組合中選擇2根天線,然后從M-PSK/QAM星座圖中選擇一組符號(hào)對(duì),最后以Alamouti編碼或其對(duì)應(yīng)的星座旋轉(zhuǎn)編碼的形式將符號(hào)傳輸出去,并且為了最大化發(fā)射分集增益與編碼增益,進(jìn)一步對(duì)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行了優(yōu)化。此外,CR-STBC-SM算法還利用Alamouti碼的正交性來(lái)實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度的最大似然譯碼。仿真結(jié)果表明:與STBC-SM算法相比,在發(fā)射天線數(shù)相同時(shí),CR-STBC-SM算法可以獲得額外0.5 b/(s·Hz)的頻譜效率;當(dāng)頻譜效率為4 b/(s·Hz)時(shí),2種算法的性能非常接近,但是CR-STBC-SM算法可以節(jié)省3根發(fā)射天線,從而節(jié)約了硬件資源。

空時(shí)分組碼;空間調(diào)制;星座旋轉(zhuǎn);發(fā)射分集

在無(wú)線通信技術(shù)中,由于空間調(diào)制(SM)和空移鍵控(SSK)可以利用空間維度來(lái)傳遞額外的信息,相比于傳統(tǒng)的多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)可以獲得更高的頻譜效率,同時(shí)SM和SSK還具有對(duì)射頻鏈路要求較低、避免信道間干擾(ICI)以及更高的能量效率等優(yōu)勢(shì)[1-4],因此近年來(lái)作為一種新穎的MIMO傳輸技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注[5-7]。然而,SM和SSK在每次傳輸時(shí)只能激活一根天線,所以它們不能獲得發(fā)射分集,只能依賴接收分集來(lái)對(duì)抗信道衰落。

為了提高SM和SSK的發(fā)射分集增益,文獻(xiàn)[8]提出了一種利用脈沖成型技術(shù)的SSK方案(TOSD-SSK),可以取得的發(fā)射分集階數(shù)為2,但是該算法中的脈沖成型的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。文獻(xiàn)[9]提出一種利用天線選擇技術(shù)獲得發(fā)射分集的SSK算法,可以獲得選擇分集增益,但在該算法中,需要接收端反饋信息至發(fā)射端,增加了反饋開(kāi)銷。文獻(xiàn)[10]利用時(shí)間分集的方法使SSK獲得發(fā)射分集增益,但由于采用了時(shí)間分集使得SSK的傳輸速率更低了。文獻(xiàn)[11]提出了基于坐標(biāo)交織的空間調(diào)制算法(CIOD-SM),同樣可以獲得發(fā)射分集增益,然而其系統(tǒng)頻譜效率較低。文獻(xiàn)[12]提出了空時(shí)移鍵控(STSK)傳輸方案,通過(guò)額外的信息比特來(lái)激活不同的散射矩陣,可以獲得的分集階數(shù)為發(fā)射天線數(shù)與傳輸時(shí)隙中的最小值。但是,在STSK方案中最優(yōu)的散射矩陣集需要用計(jì)算機(jī)做最優(yōu)搜索,這使得STSK具有較高的設(shè)計(jì)復(fù)雜度,同時(shí)傳輸速率也會(huì)隨著時(shí)隙數(shù)的增多而線性減小。文獻(xiàn)[13]將SM與空時(shí)分組碼(STBC)相結(jié)合提出了一種新的方案,稱為空時(shí)分組碼空間調(diào)制(STBC-SM),通過(guò)從所有的發(fā)射天線中激活2根天線來(lái)發(fā)送Alamouti編碼,Alamouti碼中包含的符號(hào)與激活的天線對(duì)均攜帶信息,通過(guò)優(yōu)化不同碼字之間的旋轉(zhuǎn)角度獲得的發(fā)射分集階數(shù)為2。此外,在接收端利用Alamouti碼的正交性可以實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度的最大似然(ML)譯碼。然而,STBC-SM方案中由于其設(shè)計(jì)的碼字?jǐn)?shù)有限,因此該方案中由空間維度調(diào)制所提供的頻譜效率較低。對(duì)此,文獻(xiàn)[14]提出了一種高速率STBC-SM方案(H-STBC-SM),其中采用Alamouti碼作為核心矩陣,通過(guò)設(shè)計(jì)多個(gè)空間星座(SC)矩陣與Alamouti矩陣相乘來(lái)構(gòu)造空時(shí)碼字,將碼字?jǐn)?shù)擴(kuò)展為STBC-SM的2倍。但是,H-STBC-SM中設(shè)計(jì)的碼字僅適合發(fā)射天線數(shù)為4和6的情況,并不適合于其他的天線數(shù)。

本文針對(duì)現(xiàn)有的STBC-SM和H-STBC-SM算法的缺陷,提出了通過(guò)星座圖旋轉(zhuǎn)的Alamouti碼來(lái)擴(kuò)展碼字?jǐn)?shù)的空時(shí)分組碼空間調(diào)制算法,簡(jiǎn)稱為CR-STBC-SM。該算法的主要思想是分別利用Alamouti碼的編碼矩陣及其對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣來(lái)構(gòu)造CR-STBC-SM中的碼字矩陣,因此擴(kuò)展了碼字?jǐn)?shù),同時(shí)該方案也適合于任意天線數(shù),另一方面,通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)角度的優(yōu)化可以使該方案獲得最大的分集增益和編碼增益。此外,利用Alamouti碼的正交性,該方案在接收端可以實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度的ML譯碼。

1 系統(tǒng)模型

考慮一個(gè)具有Nt根發(fā)射天線和Nr根接收天線的MIMO系統(tǒng)。假設(shè)在T個(gè)時(shí)隙內(nèi)的發(fā)射信號(hào)為T×Nt維碼字矩陣X,則T×Nr維的接收信號(hào)矩陣可以表示為

Y=ρ1/2XH+N

(1)

式中:ρ是每個(gè)接收天線處的平均信噪比(SNR);H和N分別表示Nt×Nr維的信道矩陣和T×Nr維的噪聲矩陣。H和N中的元素均服從均值為0、方差為1的獨(dú)立同分布的高斯分布,假設(shè)H為準(zhǔn)靜態(tài)瑞利衰落信道,在T個(gè)時(shí)隙內(nèi)保持不變,且只有接收端已知信道狀態(tài)信息。

對(duì)于采用STBC-SM調(diào)制的MIMO系統(tǒng),采用的STBC為Alamouti碼,因此T=2,發(fā)送信號(hào)X為2×Nt維的矩陣。在Nt=4時(shí),文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)的2個(gè)子碼本χk,k∈{1,2}為

(2)

2 CR-STBC-SM算法

針對(duì)STBC-SM方案中設(shè)計(jì)的碼字?jǐn)?shù)c較小的問(wèn)題,本文提出一種CR-STBC-SM算法,通過(guò)引入星座圖旋轉(zhuǎn)的Alamouti碼來(lái)擴(kuò)展STBC-SM的碼字?jǐn)?shù),從而提高了系統(tǒng)的頻譜效率。

對(duì)于含4根天線的MIMO系統(tǒng),本方案有2個(gè)子碼本χk,k∈{1,2},其設(shè)計(jì)如下

(3)

下面給出CR-STBC-SM算法中碼字的一般設(shè)計(jì)方法。

圖1 CR-STBC-SM算法發(fā)射端的實(shí)現(xiàn)框圖

通過(guò)分析可知,本文CR-STBC-SM算法的頻譜效率為

(4)

表1 不同發(fā)射天線數(shù)下3種算法由空間維度調(diào)制所提供的頻譜效率比較

Nt頻譜效率/b·(s·Hz)-1STBC?SMH?STBC?SMCR?STBC?SM30 51 041 01 51 551 52 061 52 02 072 02 582 02 5

從表1可以發(fā)現(xiàn),CR-STBC-SM比STBC-SM算法由空間維度調(diào)制所提供的頻譜效率高0.5b/(s·Hz),在發(fā)射天線數(shù)為4和6時(shí),CR-STBC-SM與H-STBC-SM算法的頻譜效率相同,但CR-STBC-SM算法對(duì)于任意發(fā)射天線數(shù)都適應(yīng),而非僅僅局限于4、6根發(fā)射天線。

3 CR-STBC-SM系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化

(5)

Gc1=min det(ΔΔH)=

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

Gc2.1.2,Gc2.2.1,Gc2.2.2,Gc2.2.3,Gc3.1,Gc3.2)

(14)

(15)

4 最大似然檢測(cè)算法

對(duì)于有c個(gè)碼字的CR-STBC-SM算法,當(dāng)其調(diào)制階數(shù)為M時(shí),可以構(gòu)成cM2個(gè)不同的碼字矩陣。CR-STBC-SM算法進(jìn)行ML譯碼時(shí),需要對(duì)cM2個(gè)碼字矩陣進(jìn)行搜索,其譯碼復(fù)雜度較高。與文獻(xiàn)[13]類似,利用Alamouti碼的正交性也可以將CR-STBC-SM的ML譯碼簡(jiǎn)化為一個(gè)線性過(guò)程。首先將式(1)簡(jiǎn)化為

(16)

式中:Ηχ是與發(fā)送的碼字矩陣相對(duì)應(yīng)的2Nr×2維等價(jià)信道矩陣;y和n分別表示2Nr×1維的等價(jià)接收信號(hào)和噪聲。

對(duì)于Nt=4,選擇式(3)中的8個(gè)碼字作為發(fā)送的碼字,即式(16)含有8個(gè)等價(jià)的信道矩陣。式(17)給出了激活天線索引號(hào)為(1,2)、(2,3)時(shí)系統(tǒng)的等價(jià)信道矩陣,對(duì)于天線索引號(hào)為(3,4)、(4,1)時(shí)的等價(jià)信道矩陣則與式(17)相似

表2 Nt從3增大到6時(shí)最優(yōu)的旋轉(zhuǎn)角度和相應(yīng)的編碼增益

(17)

5 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所提算法的有效性,本節(jié)對(duì)STBC-SM、H-STBC-SM以及CR-STBC-SM算法的誤比特(BER)性能進(jìn)行了仿真,并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。

仿真實(shí)驗(yàn)中不同方案的接收天線數(shù)均設(shè)為1,圖2給出了在QPSK調(diào)制時(shí),CR-STBC-SM、H-STBC-SM和STBC-SM算法在碼字?jǐn)?shù)c分別為4和16時(shí),即頻譜效率為3和4 b/(s·Hz)時(shí)的BER曲線。當(dāng)頻譜效率為3 b/(s·Hz)時(shí),CR-STBC-SM需要3根發(fā)射天線,而STBC-SM需要4根發(fā)射天線;當(dāng)頻譜效率為4 b/(s·Hz)時(shí),CR-STBC-SM、H-STBC-SM和STBC-SM則分別需要5、6、8根發(fā)射天線。由圖2可以看出,幾種不同算法的BER曲線的斜率相同,因而它們獲得了相同的分集增益2Nr。此外,當(dāng)頻譜效率為4 b/(s·Hz)時(shí),CR-STBC-SM在節(jié)約1根發(fā)射天線的情況下,BER性能仍然略好于H-STBC-SM;在3和4 b/(s·Hz)的頻譜效率下,CR-STBC-SM分別節(jié)省了1根和3根發(fā)射天線,但是卻能和STBC-SM獲得非常相近的BER性能。

圖2 頻譜效率為3、4 b/(s·Hz)時(shí)3種算法的BER性能比較

圖3給出了CR-STBC-SM、H-STBC-SM和STBC-SM算法分別采用BPSK和8QAM調(diào)制方式下的BER曲線。由圖3可見(jiàn),在碼字?jǐn)?shù)c=8、頻譜效率為2.5b/(s·Hz)、發(fā)射天線數(shù)均為4時(shí),CR-STBC-SM的BER性能與H-STBC-SM非常接近,但是在c=16、頻譜效率為5 b/(s·Hz)、發(fā)射天線數(shù)均為6時(shí),CR-STB-SM獲得了比H-STBC-SM更好的性能。與STBC-SM相比,CR-STBC-SM與其性能相近,但是在相同的頻譜效率下,CR-STBC-SM配置的發(fā)射天線數(shù)比STBC-SM少了2根,因此節(jié)約了硬件資源。

6 結(jié) 論

針對(duì)STBC-SM算法由空間維度調(diào)制所提供的頻譜效率較低的問(wèn)題,本文提出了一種新的改進(jìn)算法CR-STBC-SM,該算法通過(guò)引入星座旋轉(zhuǎn)的Alamouti碼來(lái)擴(kuò)展碼字?jǐn)?shù),使得系統(tǒng)的頻譜效率得到了有效提高。同時(shí),CR-STBC-SM算法在接收端可以實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度ML譯碼。理論分析及仿真結(jié)果表明,相比于STBC-SM,在相同頻譜效率下,CR-STBC-SM算法以很小的BER性能損失換來(lái)了發(fā)射天線數(shù)的節(jié)約。相比于H-STBC-SM,本文算法在4、5 b/(s·Hz)時(shí)獲得了更好的BER性能,而且對(duì)于發(fā)射天線數(shù)沒(méi)有嚴(yán)格的要求,因此靈活性更高。

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(編輯 劉楊)

AHighRateSpace-TimeBlockCodingSpatialModulationAlgorithmUsingConstellationRotation

CHEN Cheng,WANG Lei,LI Xiaofeng

(School of Electronics and Information Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

A high rate space-time block coding spatial modulation(STBC-SM) algorithm based on constellation rotation, called CR-STBC-SM, is presented to improve the spectral efficiency of STBC-SM generated by the spatial modulation. The new scheme chooses two antennas from effective antenna combinations, and then a pair of symbols is drawn from the M-PSK/QAM constellation. The symbols are then transmitted in the form of Alamouti code or constellation rotated Alamouti code. The rotation angles are further optimized to maximize the diversity and coding gains of CR-STBC-SM. Moreover, the CR-STBC-SM uses the orthogonality of Alamouti code to get a low-complexity maximum likelihood (ML) decoder. Simulation results and comparison with the STBC-SM scheme show that under the same number of transmit antennas the CR-STBC-SM achieves an extra spectral efficiency of 0.5 b/(s·Hz). Under the spectral efficiency of 4 b/(s·Hz), the performances of both algorithms are very close, but the CR-STBC-SM saves three transmit antennas, that is, the hardware resource is saved by the CR-STBC-SM.

space-time block coding; spatial modulation; constellation rotation; transmit diversity

2014-03-10。

陳誠(chéng)(1990—),男,碩士生;王磊(通信作者),女,講師,碩士生導(dǎo)師。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60902045)。

時(shí)間:2014-09-22

10.7652/xjtuxb201412018

TN929.5

:A

:0253-987X(2014)12-0113-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140922.1520.002.html