一种STTC空时编码识别方法研究

隋 涛， 李欢欢， 钱 博， 冯永新

(沈阳理工大学,辽宁 沈阳 110159 )

一种STTC空时编码识别方法研究

隋 涛， 李欢欢， 钱 博， 冯永新

(沈阳理工大学,辽宁 沈阳 110159 )

由于MIMO无线通信体制采用多发射天线，多路混合信号对于非合作方在空时编码类型识别时造成困难。在对STTC机理进行深入研究基础上，结合其编码的特点，提出了一种基于符号编码矩阵统计的STTC识别方法，通过在Matlab仿真环境下对STTC、STBC、BLAST三种空时编码矩阵重构后进行概率统计。仿真结果表明，基于符号编码矩阵的概率重构分析方法可实现对STTC进行有效识别。

MIMO通信；空时格形编码；识别

无线通信技术作为当今社会最热门的研究领域之一，无线通信系统的频谱资源利用及无线数据信息如何在无线信道中高效率传输成为当今的热门话题。多输入多输出(MIMO，Multiple-InputMultiple-Output)技术是一种新的无线通信技术，可以通过多根收发天线来实现空间分集和空间复用，具有较高的数据传输率和较准确的数据传输能力，MIMO技术和正交频分复用(OFDM)技术被公认为第四代移动通信技术的两个重要关键技术。

空时编码是实现MIMO系统的常用方式之一，空时编码技术能在不牺牲带宽的情况下获得更高的分集增益，提高MIMO通信系统抗干扰和噪声的能力，有效补偿了信道的衰减、增加了系统的容量、抑制了噪声和干扰，可获得较高的分集增益和编码增益[1-2]。

现阶段对MIMO技术的研究主要集中于空时格形编码设计优化及改进，在现有公开发表的文献中，有学者关注空时分组码(STBC)识别，对于空时格形编码(STTC)识别关注较少，针对MIMO通信系统空时格形编码方式，提出了一种通过对符号编码矩阵重构概率统计识别空时格形编码，为进一步深入研究空时编码检测机制提供参考。

1 MIMO系统模型

空时格形编码以格形码编码调制为基础，可以提供最大可能的编码增益和分集增益，且不会牺牲发射带宽，并且能有效地抵消衰落，抑制干扰和噪声[3]。空时编码的系统结构如图1所示。

图1 MIMO系统模型

nt根发射天线和nR根接收天线的MIMO系统模型可表示为

y=Hx+n

(1)

式中x=(x1,x2,…,xm)T-∈CnT×1

(2)

y=(y1,y2…,yn)T∈CnR×1

(3)

n=(n1,n2…,nn)T∈CnR×1

(4)

(5)

式中：x为发射向量；y为接收向量；n为噪声向量；H是信道矩阵。其中，hnRnT表示第nT根发射天线到第根接收天线的空时信号特征。

2 空时格形编码机理

以4PSK调制的空时格形编码为例，4PSK符号分别为{1,j,-1,-j}，分别标记为{0,1,2,3}。对应的空时栅格中，每个状态具有4个输出分支和4个输入分支。与传统的栅格一样，空时栅格的初始化状态为0状态，如图2所示。

图2 4状态4PSK空时格形编码

编码按如下过程进行，例如，对应当信息序列2，1，2，3，0，0，1，3，2

第一个天线的编码序列为：0，2，1，2，3，0，0，1，3

以及第二个天线的编码序列为：2，1，2，3，0，0，1，3，2

如前所述，空时栅格的开始状态和结束状态都是0状态。为了实现这一条件，传输的信息符号采用分组形式，在分组之间周期性地插入一定数目的0，如图3所示。

0数据帧10数据帧20

图3 空时格形编码信号帧结构

由于0的个数依赖于空时栅格的约束长度，而与帧的大小无关，则当一个帧充分大的时候，由这些0带来效率的损失将变成任意小[4]。

3 空时格形编码检测机理

空时格形编码检测是对接收信号的特性参数估计的情况下进行编码识别，前期需要对信道参数估计[5]，MIMO信号进行盲源分离及有效提取[5]，天线数目估计以及调制方式识别。本文重点研究在对MIMO信号的有效提取后，对空时编码类型识别[6]。

根据空时格形编码的特性和检测机理，设计了对STTC编码类型识别流程如下：

Step1：接收提取后天线S1、天线S2信号传输星座符号；

Step2：对接收到的信号其进行解调，获取传送的信息符号；

Step3：对信息符号进行搜索，搜索到起始状态“0状态”，依次判断下一状态：

(1)若S1(k+1)=0&S2(k+1)≠0，S2和输入信息符号一致；

(2)若S2(k+1)=0&S1(k+1)≠0，S1和输入信息符号一致；

(3)若S2(k+1)=0&S1(k+1)=0,则继续判断S1(k+2)和S2(k+2)；

Step4：通过对起始数据“0状态”判别，区分发射天线顺序；

Step5：通过对n和n-1状态信息符号的分析，结合当前S1(i)、S2(i)，通过多次数据统计和校验可以推出编码矩阵阵列A；

Step6：重新读取新的数据，通过大量数据检验，如果能够得到编码矩阵元素出现概率大于所统计的阈值，则表明为STTC编码方式，并可直到编码矩阵A遍历后存储并判断结束。

空时格形编码检测总体设计流程如图4所示。

图4 空时格形编码检测仿真流程图

4 STTC编码检测仿真

STTC编码识别仿真测试参数：收发天线2×2，调制方式4PSK，信息数据长度64bit，星座编码状态4；编码矩阵4×4，仿真结果如图5所示

(a)三种不同空时编码矩阵识别准确率

(b)不同信噪比下编码类型识别准确率

通过仿真分别对STTC、STBC、BLAST三种空时编码方式的空时编码矩阵进行构造，分别对其符号编码恢复概率进行阈值判别，因为只有STTC编码方式是通过空时矩阵方式进行编码，STBC和BLAST编码方式没有固定的编码矩阵，本识别方法是重构编码矩阵的方式，先确定发射天线的顺序，通过盲源识别等识别方法的前期参数提取等先验信息，就可以重新构造出空时编码矩阵。由图5可见，STTC由于自身编码矩阵的确定性，所以重构后的编码矩阵的编码符号具有规律性，STBC和BLAST自身编码不具备固定的空时编码矩阵，所以重构后的空时编码矩阵不能满足统计设定的阈值，从而可以识别出STTC空时编码类型。从仿真结果可见，识别得到的编码矩阵和实际采用的编码矩阵一致。

5 结论

通过对MIMO系统空时格形码编码机理以及符号帧格式特点进行深入分析，结合盲源分离技术，调制方式识别等技术，通过对接收的符号编码矩阵进行蒙特卡罗统计实验，可得到空时格形编码的的判断阈值，从而可以实现对空时格形编码从编码类型上进行识别，在基带条件下对STTC、STBC、BLAST三种不同空时编码进行仿真验证，实验结果表明检测仿真结果表明在信噪比大于-6dB可有效识别出空时格形编码类型，同时基于符号编码矩阵可以推广到多调制方式和多状态的空时格形编码识别。

[1]Tarokh V，Seshadri N，Calderbank A R. Space-Time Codes for High Data Rate Wireless Communication:Performance Criterion and Code Construction[J].IEEE Transactions on Information Theory , 1998，44(2):744-765.

[2]Vehkapera M，Juntti M. On the performance of space-time coded and spatially multiplexed MIMO systems with linear receivers [J]. IEEE Transactions on Communications, 2010，58(2): 642-651.

[3]Georgios B，Giannakis，Zhiqiang Liu，et al.宽带无线通信中的空时编码[M].王钢等译.北京：机械工业出版社，2009:21-122.

[4]林云，何丰.MIMO技术原理及应用[M].北京：人民邮电出版社，2010:121-161.

[5]赵佳，杨景曙，金家保.基于JADE算法的盲DOA估计[J].通信学报，2010，31(8):91-97.

[6]谢春维.基于空时编码检测算法的研究[D].西安：西安电子科技大学，2009.

(责任编辑：马金发)

Research on Blind Identification of Space-time Trellis Coding

SUI Tao，LI Huanhuan，QIAN Bo，FENG Yongxin

(Shenyang Ligong University Shenyang 110159,China)

Due to multiple transmit antennas used in MIMO wireless communication system, it is difficult for non-partners to identify space-time coded type when receiving multi-channel mixed signal.The paper puts forward a statistical method on symbolic coding matrix on the basis of studying the space-time trellis coded (STTC) mechanism and characteristics. The method can realize the identification of the space-time trellis coding type of MIMO wireless communication. Besides, simulation experiment is carried out for three kinds of space-time coding recognition called STTC, STBC, BLAST using MATLAB. Thus, the statistics result of symbolic coding matrix can realize recognition of space-time trellis coding for MIMO system effectively.

MIMO communication;space-time trellis coding;recognize

2014-12-08

隋涛(1978—)，男，副教授，研究方向：通信技术；通信作者：冯永新(1974—)，女，教授，博士，研究方向：通信技术，计算机网络.

1003-1251(2015)03-0024-04

TP929.53

A