级联差分空时检测研究与仿真*

张伟

（解放军镇江船艇学院，江苏 镇江 212003）

级联差分空时检测研究与仿真*

张伟

（解放军镇江船艇学院，江苏 镇江 212003）

空时编码方案中，空时块码相比空时格码具有更简单的检测机制。为了避免繁琐的信道估计，降低接收机的复杂度，把常规的差分检测方法推广到多天线系统，同时再利用正交旋转的性质，可以级联卷积码提高系统可靠性。在Matlab环境下对系统进行了仿真，验证了所提出的级联检测处理方法，结果表明通过级联的检测机制确实能够带来性能的提升。

空时编码，差分检测，正交旋转

0 引言

移动条件下的宽带数据传输是下一代蜂窝系统的主要目标之一，研究表明空时码可以有效地提高系统可靠性和频带利用率。空时编码的研究1996年始于贝尔实验室，目前已成为国内外移动通信研究中一大热点。目前为止绝大部分研究工作都假设接收机能准确估计信道状态信息（CSI），从而实现相干解调。信道估计器的精确程度制约着接收机的性能，随着越来越多信道估计算法的涌现，精确信道估计是可以实现的。然而由于其算法的复杂性，需要占据相当的计算资源和接收机功率，同时大部分信道估计算法需要导频序列或导频符号，降低了有效性。

大家知道，在单天线系统中，使用差分技术（如DPSK）可以不需要知道信道参数而实现解调（当然性能是有损失的）。把差分检测技术推广到多天线系统，以牺牲一定性能为代价，换取接收机复杂度的降低，本文提出通过一种级联的检测机制，来弥补性能损失，提高系统可靠性。在本文以下的叙述中矢量以黑体表示，标量以斜体表示。

1 系统模型

1.1 空时块码

现有的空时编码技术分为空时格码（Space-Time Trellis Code）和空时块码（Space-Time Block Code）。空时格码的处理复杂度是指数的，空时块码的处理复杂度是线性的，空时格码的性能比空时块码要好。为降低复杂度，采用空时块码并使用双天线发射、单天线接收这种最简单的模型来取得发送分集效果［1-2］。

图1给出传统的双发射天线的空时编码方案。送入空时编码器的是完成了星座映射的符号，空时编码器将每两个符号分为一组［c1，c2］，在第一个符号间隔由天线1发送c1、天线2发送c2，在下一个符号间隔天线1发送-c*2，天线2发送c*1。

1.2 信道条件

信道参数：h=αe-jφ，α是衰减因子，φ是相移。

本文的仿真采用平坦衰落的CLARK信道模型。利用两个独立的高斯低通噪声源产生同相和正交衰落分量，在频域进行多普勒滤波，模拟多普勒扩展效应［5］。

1.3 差分空时块码的编码技术

为了实现无信道信息条件下的差分解调，需要对输入信息差分编码，下面以MPSK（M是2的幂次）为例将差分编码技术推广到双发射天线系统。

所以坐标（A，B）可以表示成：

当选定一组标准正交基之后，信息符号矢量集合V={（x3，x4）}和集合P={（A，B）}建立了一一对应的映射关系（V、P中各含有22m个元素）。从式（2）更可以看出，复矢量（A，B）是可以由（x3，x4）经过一次具有保范性的正交旋转得到的，这为进行差分编码与检测奠定了基础。

下面简述如何实现差分编码。选定一组标准正交基，建立V与P之间的映射，假设前一个送入空时编码器的符号矢量是（s2t-1，s2t），当前的输入信息符号矢量是（x2t+1，x2t+2），根据V到P的映射关系选出与之对应的（A2t+1，B2t+1），那么当前（2t+1时刻）输入空时编码器的符号矢量为：

由此可得发送机的框图

2 差分检测方法

由信道条件的假设，得

将R1，R2中与含有噪声的项分别用N1，N2表示，由信道矩阵的正交特性可得

把式（4）表示成矢量形式：

3 级联卷积码的差分检测

为提高性能，很自然地想到给系统级联某种纠错码。本文以BPSK为例，描述级联了卷积码的处理方法。

在接收端根据最大似然准则，利用判决矢量（R1，R2），选择最接近其的矢量（A，B）作为输出。选用码率为1/2的卷积码，维特比算法要求输入来自信道的接收矢量与信息矢量之间的平方欧氏距dV2，而差分检测能得到的是（R1，R2）与（A，B）的平方欧氏距：

不妨将从差分空时编码到差分检测视为一段广义的信道，如果没有级联卷积码，接收端的处理是比较判决和逆映射。级联卷积码之后，需要得到的平方欧氏距dV2。下面将证明在数值上dV2=dP2：

设Y=（A，B）T，R=（R1，R2），

由Y=QX，得X=QHY，

所以在接收端的信号处理中，可以直接用判决矢量R计算dP2值来作为对应的dV2值，也可以先用QH对矢量R进行正交旋转得到矢量C，再计算dP2。

4 仿真结果

设定仿真条件为：当载波频率为900 MHz时，移动台速度为60 km/h和180 km/h。仿真结果如下页图4所示。由图可见，级联的差分检测相对一般的差分检测获得了一定的性能增益。在实际的系统应用中往往还需要与交织、均衡等措施联合使用。

5 结束语

本文阐述了差分空时编码及其检测技术，在此基础上提出级联的检测机制，并对级联了卷积码后的信号处理方法进行理论推导和仿真。差分检测的优势在于避开了繁琐的信道估计，降低接收机的复杂度，然而这是以牺牲一定的性能为代价的。为了提高系统的性能，必然需要较强的纠错机制，本文通过级联卷积码，取得了一定的效果。在此基础上还有以下几种方法预计可以更进一步提高可靠性：①通过采用多入多出（MIMO）系统来提高可靠性与容量是下一代移动通信的趋势，增加发送或接收天线的数目，更多天线条件下的差分检测技术是可以得到的；②Turbo码及类Turbo码极强的纠错能力已经受到人们的普遍关注，可以用它们来代替文中的卷积码；③在差分检测中用MAP准则取代ML准则，卷积码采用软输入软输出（SISO）的译码方式，根据Turbo信号处理的思想，对差分检测和译码进行大循环的迭代处理。

［1］王殿伟，李言俊，张科.一种改进的自适应Chirplet分解方法及其实现方法［J］.火力与指挥控制，2011，36（6）: 69-74.

［2］游燕珍，赵国峰，徐川.空时分组编码技术研究［J］.通信技术，2007，21（12）:41-44.

［3］Gesbert D，Shafi M，Shiu D.From Theory to Practice:An Overviewof MIMO Space–Time Coded Wireless Systems［J］.IEEE Transaction on Communications，2009，21（3）: 281-302.

［4］Alamouti S M.A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications［J］.IEEE Transaction on Communications，2008，16（8）:1451-1458.

［5］Hu G S.Modern Signal Processing Course［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［6］Tarokh V.A Differential Detection Scheme for Transmit Diversity［J］.IEEE Transaction on Communications，2006，18（7）:1169-1174.

Research and Simulation on Concatenated Differential Space-Time Detection

ZHANG Wei
（Zhenjiang Watercraft College of PLA，Zhenjiang 212003，China）

In the schemes of Space-Time Coding，Space-Time Block Code has easier detection method than Space-Time Trellis Code.The conventional differential detection method is generalized to the MIMO system so that channel estimation is avoided and the complexity of the receiver is reduced. To enhance the reliability，orthogonal rotation is utilized to concatenate the convolutional code for the system.Simulation under the Matlab environment is carried out to verify the proposed algorithm.The results indicate the performance is improved when cascading convolutional code.

space-time coding，differential detection，orthogonal rotation

TN92

A

1002-0640（2015）10-0037-03

2014-09-05

2014-10-07

国家自然科学基金资助项目（60972062）

张 伟（1981- ），男，江苏南京人，硕士。研究方向：无线电通信，军事通信抗干扰。