一种改进传输方法的分层空时码

摘要：根据频率分集技术的特点，提出了一种新的分层空时码传输方法。在发射端，采用不同的天线，利用不同的频率发射信息；在接收端，采用不同的接收天线来接收不同发射天线发射的信息，即采用“一对一”的传输方式。仿真结果表明，该方法与已有的典型传输方法相比，在接收端同样采用最大似然准则译码，可大大加快译码的速度。
关键词：分层空时码；频率分集；空间分集；最大似然译码

0 引言
    MIMO无线通信技术结合了天线发射分集、接收分集与信道编码技术，可显著提高通信容量，是无线通信发展的趋势。普遍认为，MIMO将是新一代移动通信系统必须采用的关键技术，而空时编码技术是MIMO技术的基本问题。空时编码(Space-time Cod-ing)技术是抗信道衰落和提高系统容量的一种最新的编码方法，多天线系统与空时编码的结合是空间资源利用技术的发展方向，可以认为是一种高级的分集技术。研究表明，空时编码的最大特点是将编码技术和阵列技术有机地结合在一起，实现了空分多址，从而提高了系统的抗衰落性能。空时编码技术利用衰落信道的多径传播特点，以及发射分集和接收分集来提供高速率、高质量的数据传输，与不使用空时编码的编码系统相比，空时编码可以在不牺牲带宽的情况下获得更高的编码增益，提高了抗干扰和噪声的能力。
    MIMO技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多径影响因素变成对用户通信性能有利增强因素。MIMO技术有效地利用了随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率。MIMO技术的成功之处在于它能够在不额外增加所占用信号带宽的前提下带来无线通信性能上几个数量级的改善，可以说，在接收端，多径分量越多性能越好。
    MIMO技术本质上是空间分集与空间复用的结合，分集可以保证传输的可靠性，复用则可以提高传输速率。众所周知，已有典型的传输方法，在发射端，每根天线利用相同的频率发射信号；在接收端，每根接收天线要接收发射天线的所有信号。在此利用频率分集技术的特点，对分层空时码的传输方法进行了改进，提出了一种新的传输方法，即使用“一对一”的接收方法。虽然该方法的频谱利用率有所下降，但大大提高了系统的性能，与已有典型的传输方法相比，该方法在接收端可大大降低译码的复杂度。

1 分集技术和复用技术
    根据获得独立信号方法的不同，分集技术可分为时间、频率、空间、角度、极化等形式，下面重点介绍频率分集和空间分集。
    频率分集：理论上，不相关信道发生同样衰落的概率是各自产生衰落概率的乘积，即指在不同载波频率上提供多个信号副本，其工作原理是基于在信道相干带宽之外的频率上不会出现同样衰落的结论。所以，当载波频率的间隔大于衰落信道的相干带宽时，载波信道之间就是独立不相关的，从而获得比较好的分集增益。
    空间分集：指发射端／接收端在空间上分开排列多个天线或天线阵列来实现。多个天线在物理空间上分开一定的距离，以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的，即当某一副接收天线的接收信号很低时，其他接收天线的接收则不一定在同一时刻也出现幅度低的现象，经相应的合并电路从中选出信号幅度较大，信噪比最佳的一路，以得到一个总的接收天线输出信号。这样就降低了通道衰落的影响，改善了传输的可靠性。
    空间复用：通过串并变换把串行信息符号分成m个并行独立的数据流，各个数据流的数据各不相同，通过m个发射天线在相同的频段同时发送出去，这样就可以大大地提高系统容量和频谱利用率。理论研究证明，空间复用技术中垂直分层空时码(V-BLAST)的频谱利用率可以达到20～40 b／s／Hz。

2 V-BLAST传输模型
    首先假设发送天线数为m，接收天线数为n，hi,j表示的是发送天线i(i=1，2，…，m)到接收天线j(j=1，2，…，n)之间的信道增益，其中hi,j是服从均值为0，每维方差为O．5的复高斯随机变量，H=(hi,j)n×m为信道矩阵。其中，信道是窄带、准静态的平坦Rayleigh衰落的MIMO信道，即在一帧发送数据期间，信道的响应保持不变。假设rj(j=1，2，…，n)表示第j个接收天线上的信号，其中rj是m个发送天线上的发送信号sk(k=1，2，…，n)的叠加与高斯噪声之和。这里用r表示接收信号向量，X表示发送信号向量，n表示接收端的噪声向量，分别表示如下：

   
其中：nj（j=1，2，…，n）为每个接收天线上的加性高斯白噪声（AWGN），可写成：

    对于一个2发2收的系统，式（2）可写成：

其中：n1,n2分别是接收端收到的加性高斯白噪声(AWGN)；h1,h2,h3,h4为信道增益系数。

3 改进的分层空时码的传输方法
3．1 改进的传输模型
    众所周知，MIM()技术本质上是空间分集与空间复用的结合，分集可以保证传输的可靠性；复用则可以提高传输速率。因此在设计编码时，尽量同时取得分集增益和复用增益。
    通常，不管是基于分集技术还是基于空间复用技术的发射方法，在发射端每根天线用相同的频率发射相同信息或不同信息，从而实现分集和复用；在接收端每根天线需要接收所有的信号。本文结合频率分集的特点提出了一种新的传输方法(见图1)。发射端的每根天线利用不同的频率发射信息，在接收端采用不同的天线分别接收不同发射天线的信息。与以往的传输方法相比，改进方法虽然频率利用率有所下降，但大大提高了系统的性能。
    对于一个2发2收的系统，在一个给定的码元期间，s1和s2分别是在t时刻从天线1和天线2同时发出的码元，发射天线1的发射频率为f1，发射天线2的发射频率为f2，在接收端，采用接收天线1来接收发射天线1发射的信号，接收天线2来接收发射天线2发射的信号，接收信号分别为r1和r2，可表示为：

   
其中：n1,n2分别是接收端收到的噪声和干扰；h1，h2为信道增益系数。

3．2 极大似然译码
    极大似然译码是最佳的矢量译码方法。假定所有的未编码符号是等概率发射的，接收端已知信道状态信息，则极大似然算法选择使下式成立的矢量c作为对c的近似，即：

   
其中：arg min表示使函数达到最小值时的变量取值；||·||代表Frobenius范数；C表示c的所有可能取值的集合。
    ML检测就是在范数意义上从星座中寻找与接收信号最接近的矢量作为发射信号的估计值，虽然ML是一种最优的检测方法，但是ML检测的复杂度相当大(随发射天线数目呈指数增长)。

4 仿真结果和译码复杂度分析
    为验证本文提出的传输方法，采用Matlab仿真软件对算法进行了仿真，并比较了结果。
4．1 仿真结果
    图2给出发射天线数为2；接收天线数也为2时，已有的典型传输方法与本文提出的传输方法的误码率曲线。图中所有的编码均采用了QPSK调制，并假设接收端有理想的信道估计并采用了传统的最大似然译码方法。

4．2 译码复杂度分析
    观察式(4)可发现，只需进行简单的线性处理即可检测出s0和s1。对式(3)采用最大似然准则进行译码时，与本文的改进方法相比，译码速度相当慢。在2发2收系统情况下，调制方式分别采用2PKSK，4PSK，8PSK和16QAM，对两种传输方法的复杂度进行了比较，结果如表1所示。

    从表1可看出，本文提出的传输方法与传统的传输方法相比较，计算量明显下降。调制方式分别采用2PSK，4PSK，8PSK和16QAM时，传统传输方法的计算量是本文提出的传输方法的2倍、4倍、8倍和16倍。

5 结 语
    根据频率分集技术的特点，提出了一种新的传输方法。在该方法中，随着发射天线数目的增加，频谱利用率会降低，性能有所下降，但会加快接收端的译码速度。