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2007年9月第5期尹训锋,刘敬芝,曾凡鑫一种基于混合星座编码的全速率全分集准正交空时分组码33
中图分类号:TN919131
文献标志码:A
文章编号:CN51--0033-04
一种基于混合星座编码的全速率全分集
准正交空时分组码
尹训锋,刘敬芝,曾凡鑫
(重庆通信学院,重庆400035)
摘要:准正交空时分组码对发射天线数大于2的复信号能够实现全速率的发射,它在低信噪比
的情况下有比较好的性能,但是由于准正交空时分组码不是全发射分集的,因而在高信噪比时
性能并不优越。为了改善准正交空时分组码在高信噪比时的性能,本文采用对准正交空时分
组码进行混合星座编码的形式来提高准正交空时分组码的分集度。仿真及计算结果显示,采
用混合星座编码能在少量频带利用率损失的情况下大幅提高准正交空时分组码的性能。
关键词:MIMO;准正交空时分组码;混合星座;最大似然译码
AFul-lRate,Ful-lDiversityQuas-iOrthogonalSpace-Time
BlockCodeswithMixedConstellationCode
YINXun-feng,LIUJing-zh,iZENGFan-xin
(ChongqingCommunicationInstitute,Chongqing400035,China)
Abstract:Quas-iorthogonalspace-timeblockcodes(QOSTBC)canprovidefullrateofcomplex
signalconstellationwhenmorethantwoantennasareusedattransmitter.QOSTBChavebetter
performanceatlowsigna-lto-noiseratios(SNR).QOSTBCisnotfulldiversity.Thisdefectre-
strictstheperformanceofQOSTBCathighSNR.InordertoimprovetheperformanceofQOST-
BCathighSNR,amixed-constellationcodingforQOSTBCisproposedinthispaper.Thepro-
posedschemecanimprovethediversityofQOSTBC.Simulationandcalculationresultsshow
thatthemixed-constellationcodingcanprovidebetterperformanceforQOSTBCwithslightre-
duceofspectralefficiency.
Keywords:MIMO;quas-iorthogonalspace-timeblockcodes(QOSTBC);
maximumlikelihooddecoding
随着对通信系统性能要求的不断提高,空时
码技术逐渐成为一种具有广阔应用前景的热点技
术。其收发端多天线(MIMO)的系统设计,使无
线通信在系统容量、通信可靠性上有了很大提高。
为了克服在高速移动环境下信道估计无法准确进行的难题,V.Tarokh和H.Jafarkhani提出了一种基于正交空时分组码[1]的编码技术。正交空时分组码能够实现全发射分集,而且能够在接收端采用线性最大似然准则对接收信号进行单独译码。但是,已经证明,对于复线性处理的正交设计在发射天线数大于2时不能同时达到全发射分集收稿日期:;日期:
基金项目:重庆市科委自然科学基金计划资助项目()
作者简介:尹训锋(1982-),男,硕士研究生,主要研究方向为信号与信息处理、信号设计与编码;刘敬芝(1982-),女,助教,主要研究方
向为通信信号处理及应用;曾凡鑫(1964-),男,教授,硕士研究生导师,主要研究方向为通信信号处理,扩频通信,超宽带无
尹训锋,刘敬芝,曾凡鑫
一种基于混合星座编码的全速率全分集准正交空时分组码
电子信息对抗技术#第22卷
2007年9月第5期
和全编码速率。为了使空时分组码在较多天线的情况下也能获得较高的速率,Jafarkhani等人分别独立提出了准正交空时分组码的概念,所构成的准正交空时分组码具有部分正交的特性,在保证达到一定误码率的前提下可以实现全速率传输。
准正交空时分组码是基于正交空时分组码设计的。利用正交分组码的编码矩阵可以构造全速率的准正交空时分组码。但是,准正交空时分组码是以牺牲发射分集来换取编码速率的。准正交空时分组码在低信噪比时具有比正交空时分组码好的抗误码性能,空时分组码的抗误码性能曲线的渐进线斜率是由编码矩阵的分集度决定的。全速率的准正交空时分组码的分集度为0,因而,在高信噪比时准正交空时分组码的抗误码性能比正交空时分组码要差。设计出分集度大于0的全分集的准正交空时分组码是提高准正交空时分组码性能的有效方法。通过信号星座旋转现准正交空时分组码的全分集。
满足X3/4X3/4=E|xi|I4,其中,I4为4@4单位矩i阵。
在编码矩阵(1)的反对角线上进行额外编码得准正交空时分组码:
X3+1=E|xi|I4+jS,其中S为干扰矩i
x3x40x1x4x2x4
阵,由下式给出:
x2x4x1x40x3x4
x1x4x2x4x3x4
x3x4x2x4x1x4
准正交空时分组码是具有分层结构的,本文
采用QPSK和MPSK混合星座编码的方法来提高准正交空时分组码的分集增益。本文采用具有分层的准正交空时分组码作为编码矩阵,由于该矩阵的干扰符号只有一个,因此,本文对干扰符号和被干扰符号分别采用M值不同的PSK信号星座进行编码。被干扰符号采用QPSK信号星座,干扰符号采用不同M(M=2,3,8)值的PSK信号星座。由于干扰符号和被干扰符号采用不同的信号星座,因而可以提高编码矩阵的分集增益。考虑编码矩阵的分层结构,在接收端本文采用分层译码和干扰抵消的方法。
其中,Im(x)为x的虚部。可以看出编码矩阵(2)的编码效率为1。由(3)可以看出X3+1的编码符号xi(i=1,2,3)仅受x4干扰,矩阵X3+1是3+1分层的。
3 混合星座编码的准正交空时分组码
空时分组码的抗误码性能曲线的渐进线斜率是由编码矩阵的分集度决定的。用分集度来描述方阵空时编码的分集性能,定义为:
F=mindet(X-X)(4)
2XXXIV其中,X为编码矩阵,X为不同于X的编码矩阵,V为所有编码矩阵的集合,nT为发射天线数。X-X为码字差别矩阵,记为$(X)。
将(3)代入(4)可得X3+1的分集度:
1 $$3 $2 4
2 3+1分层的准正交空时分组码
在空时分组码中,编码器在每次编码操作中提取k个符号作为它的输入符号,通过多根发射天线发射空时符号所需的传输周期数是p。也即是,对于每组k个输入符号,每根天线要发射p个空时符号。定义空时分组码的速率为编码器在输入时提取的符号数与每根天线发射的空时编码符号数之间的比率,表示为R=k/p。
一个有4发射天线的R=3/4码率的正交空
$2 $1 $4 -$3$ -$4 $ $2$4 $3 -$2 $1
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路由器交换机无线路由无线APMIMO,MIMO的分类,MIMO参数指标等|捷配电子通
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　　LTE MIMO交叉生成一个贯穿频域和时域的已知信号，称为参考信号(RS)。该信号是恢复MIMO 信号的基础，因为它允许每个接收天线针对各个发射机建立一个信号参考。图1显示了如何将参考信号的各个符号分配到两个天线下行链路信号的子载波中。
　　如图所示，y轴表示参考信号的子载波分配(每六个子载波)，x轴表示时间交叉。注意，从占用子载波和时间(符号)两方面查看天线0和天线1之间参考信号的变化。
MIMO误差矢量幅度
　　误差矢量幅度(EVM)是描述射频发射机性能的重要系统指标。通过对RS EVM和复合EVM 进行比较，不仅可以帮助工程师深入了解发射机硬件设计减损，还能够帮助诊断天线串扰、放大器增益压缩失真、相位噪声和其他误差机制等特定减损。
MIMO案例研究
　　本案例研究中使用的四通道 MIMO 测试设置如图 2 左侧所示，它是由四个带有任意波形发生器的安捷伦信号发生器和一个安捷伦四通道Infiniium 90000A系列示波器组成。如下所示，多通道示波器非常适合双通道和四通道 的MIMO 测量，因为它们提供时间相干多通道输入、可测量射频调制载波的宽带宽，以及更深层的存储器来分析多个数据帧，数据帧可通过 Agilent 89600 矢量信号分析(VSA)软件进行解调。
　　使用VSA软件和多通道宽带示波器进行基线四通道MIMO测量的结果如图2右侧所示。图2左侧显示了两层(共四层)空间多路复用数据的16 QAM 物理下行链路共享通道(PDSCH)星座图(此处没有显示第2和第3层)。VSA显视屏的右上方显示了射频频谱图，VSA显视屏的右下方显示了误差汇总表。注意，基线测试案例的剩余复合EVM(VSA 显示屏右下方)小于 0.8%，说明0层和1层的星座图状态很清晰(VSA 显示屏的左侧)。
　　我们看到即使通道之间存在串扰，个别RS EVM值仍相对较低。如上所述并参看图1，MIMO参考信号如果是时间正交和频率正交，这样RS EVM通常不会受到天线串扰的影响，这与复合 EVM不同，后者会受到天线串扰的影响。然而，通过检测MIMO信息表中的RS定时值，显示天线通道范围间的定时误差约为2.3?s至3?s(Tx1/Rx1、Tx2/Rx2、Tx3/Rx3)。这是一个问题，因为定时误差接近或超过LTE循环前缀的持续时间(4.69?s)时，可导致RS正交损耗。RS正交损耗会影响测量精度，例如 MIMO的信息表中显示的串扰值、PDSCH星座图和EVM结果。
　　考虑一下定时误差对天线串扰测量结果的影响。只要通道之间的时延远小于循环前缀的持续时间，不同发射天线的参考信号便会保持正交。但是，如果不能满足这个条件，就会破坏正交，从而产生通道间的串扰。再看图1所示的天线端口0，R1子载波位置上的信号功率表明存在串扰。通道间的定时误差或时延会导致R1子载波位置包含前一个符号的功率，VSA 将这种现象解释为通道间的串扰，其结果是报告的串扰值出现错误。
　　如欲检查MIMO信息表报告的定时误差，需要使用示波器来测量天线通道间的定时误差，如图7所示。经测量，生成天线0信号的ESG与生成天线1信号的ESG之间的定时误差约为2.35 ?s，该值与MIMO信息表报告的RS定时误差有关。
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