多径信道中基于发射波高斯编码的性能研究

1、第30卷第1期2008年2月武汉理工大学学报信息与管理工程版JOURNALOFWUT(INFORMATION&MANAGEMENTENGINEERING)Vol.30No.1Feb.2008文章编号:1007-144X(2008)01-0001-05多径信道中基于发射波束高斯编码的性能研究李平安,张晶(武汉理工大学信息工程学院,湖北武汉430070)摘要:能,对于不同信道情况下的,基于波束的空时分组码发射分集技术,。关键词:;:T:A,它使用多个发射天线和接收天线同时进行信息的发射和接收,可以大大改善多径哀落信道环境下无线通信系统的容量和性能,并能有效地抵抗衰落,1-2抑制噪声和干扰。

2、20世纪90年代末期ALAMOUTI首先提出了采用两个发射天线的空时与传统空间匹配波束赋形相结合。笔者基于双波束的八元均匀线阵,考察了平坦瑞利单径信道及多径衰落信道下的系统性能,又在多径衰落信道下提出了一种由多径空时信号来实现空时译码的10新方案,可以看到,使用STBC和波束赋形对阵列的发射分集的提高和对系统性能的改善起着较好的的作用。分组码的编码思想,接着TAROKH将其推广4至任意天线的情况。这种编码体制采用正交5设计理论,支持最大似然检测(ML),接收端完全采用线性处理技术。虽然这种编码方法与空时格形码相比,性能上有一定的损失,但是由于其大大降低了译码的复杂度,而且不论是增加发射天线的数

3、目还是增加传输速率,都不会对其译码复杂度造成大的影响631系统模型图1为结合STBC和两个发射波束的发射分集系统模块图。发射端通过两个天线发射ALAMOUTI空时分组码,在时隙t,从天线1上发送符号S0,天线2发送符号S1;在下一个时隙(t+T),天线1发送符号-S1,天线2发送符3。波束赋形是智能天线的关键技术,是提高信噪比、增加用户容量的保证。波束形成对阵列天线的波束幅度、波束指向和波束零点位置进行控制,在期望方向保证高增益波束指向的同时,在干扰方向形成波束零点,并通过调节各阵元的加权幅度和加权相位来改变方向图形状7-8号S0,即构造发射空时块:S=S0S13-S13S03(1)不失一般性

4、,假设信道是无记忆的,那么从一根发射天线到一根接收天线的每一个链路都可以用平坦衰落信道来表示。设信道矩阵为:。将空时分组码与波束赋形结合起来,通过发射分集可以对经过STBC技术编码的天线阵列发射的信号进行波束赋形,形成一个窄波束指向关系用户,减小对其他用户的干扰,降低基站发射功率,增加系统容量9。笔者正是在此基础上,通图1将STBC和两个波束结合的发射系统框图过基于ALAMOUTI方案的2发1收的空时分组码收稿日期:2007-08-27.作者简介:李平安(1965-),男,湖北天门人,武汉理工大学信息工程学院教授;博士.基金项目:湖北省自然科学基金资助项目(2005ABA224).H=h1h2

5、武汉理工大学学报信息与管理工程版2008年2月(2)其中,hi(i=1,2)为服从Rayleigh分布的信道衰落因子。这里就是假设信道在一个传输码块内不变,并在不同的码块之间以统计固定方式变化。由图1的右端可以看出波束与STBC结合时,采用的是八元均匀线阵。其基本原理如图2所示。获得有用信号。由图2假设在时间t来自波束i(i=1,2)的发射比特是bi(t),同时所有的路径在接收机处同步。在这种情况下,接收信号可以表示为:r(t)=w1b1(t)a(1,j)h1,j+w2b2(t)a(2,j)j=1nHH+(t)(7)式中,hi,n为第i个波束的第n分布的系数a(i,n量;t),a(1,j)h1

6、,j=a(2,k)h2,k(8)为了确定波束权值w1和w2,考虑时分双工系统,假设上行链路上所有主径的波达方向(DOA)已被估计。于是可以利用两条功率最大2考虑一个单信号的阵列信号模型,它由以观察方向角度到达的有用信号和噪声n(t)组成,则阵列的接收信号矢量为:)s(t)+n(t)=X(t)=a(Tj(N-1)s(t),es(t+n(t)dsindsins(t),e(3)的主径的DOA来形成两个下行的波束,不失一般性,可以定义:wi=a(i,1)/(9)其中,M为阵列天线的阵元数,这里M=8。式(9)相对式(6)而言,表示与单天线发射功率相比,对阵列发射功率的归一化处理。由所提到的发射空时块S

7、,定义发送符号b1(0)=S0;b2(0)=S1;b1(1)=-S1;b2(1)=S0。于是相应的两个接收信号的一般表达式可33这里假设为不相关噪声,即Hn(t)n(t)=nI(4)表示为:S+2r1r2=1(10)每一个阵列阵元包含相同的信号s(t)和相应于阵元间传播时间差异而引起的相移。理想情况下,从阵列传感器来的信号被相关地加起来,这要求在求和这一点上每个相对相移为0,即需要用s(t)和它自身的一个复制品相加。这样必须用一组复数值的权值,将所有传感器信号的相位很好地排列起来。在各阵列阵元处排列从方向来的信号的相位,波束形成加权矢量就是定向矢)有:量,即让阵列相应矢量a()=a()(5)w

8、mf(定向矢量wmf()与从一个角度到达阵列信号的阵列相应矢量匹配,即称为传统的空间匹配滤波器;被称为观察方向。它的输出为:)x(t)=a()x(t)=y(t)=wmf(s(t)+s(t)+s(t)+n(t)=Ms(t)+n(t)(6)H这里,n(t)=wmf()n(t)为传统空间匹配滤HH式(10)与ALAMOUTI译码方法给出的表达式一致,但由图1及式(2)和式(7),这里信道参数和可这样处理,如果仅仅考虑最大功率的主径,把其余的路径当作噪声处理,则可得:H=wHw2a(1a(1,1)h1,12,1)h2,1(11)这里考虑的是平坦瑞利单径信道这种情况,因此假设每个波束仅历经一个空间信道,

9、由式(9)式(11),可得:r1r2=h1,1h2,1S+12(12)与两个独立发射天线情况下的接收信号表达式相比,基于波束的发射分集方法引入了一个增益矢量,这是后者系统性能提高的原因。在多径衰落信道下需要考虑多径所携带的信号能量,为了利用这些信号,由式(11)中的和可以定义:波器的输出噪声。可见传统空间匹配滤波器是把所有的阵列信号进行延时相加,使其最大限度地第30卷第1期n李平安,等:多径信道中基于发射波束高斯编码的性能研究H1n=wa(w2a(1,j)h1,j2,j)j=1j=1H(13)基站通过导频序列得到信道参数和的估计值后,可以直接利用ALAMOUTI的译码方法获得发送信号的估值。由

10、式(12)考虑多径最简单的情况是两个波束都历经两条径且每个波束对准其中一条主径,有2r1r2=c1c2S+1c2=P2,1h2,1+H(14)H其中,c1=P1,1h1,1+P1,2/Ma(1,1)a(1,2)h1,2;P2,2/Ma(2,1)a(2,2)h1,;图4STBC与加了双波束的STBC的BER性能比较Pi,1和Pi,2(i=1,2)分配,两个:i,1Pi,2=1,i1,2H33.333m/s,lamda=0.1500,fd=222.2222,发射方向角度(DOA)分别取值为45°和-45°,可见(15)由于a(,因此基于式i)a(j)<M,且ij(14)的

11、系统性能无法与基于式(12)的系统性能相比。若Pi,1>1/M,i1,2,则可以发现在多径衰落环境下基于波束的发射方法性能同样总是优于用两个独立天线发射信号的经典方法。图3为多径衰落信道下由多径空时信号实现空时译码新方案的系统框图。采用了双波束的STBC的BER误码性能明显好于没有加的纯STBC发射分集方式。图5是在平坦瑞利单径信道下假设了信号入射角DOA在取值各为,-45°10°,I=45°-10°60°,-60°时的仿真情况。由图5可知,当两副天线的角度接近时,如只有20°,BER要稍)的情形;当角度差于既定的值(

12、为45°,-45°拉到120°时,其BER在同一信噪比下甚至好于为45°和-45°的情况;由后一步的仿真可发现,(为65°)时,BER逐渐若角度拉到130°,-65°(上升,比角度拉到20°时更差;当角度拉到140°)时,BER约为0.1这一恒定值,再为70°,-70°往后BER会更加变差,近似上升到0.200.25之间。可见两副天线间角度的取值对于系统性能有一定的制约,但总体来说将波束与STBC结合明显优于纯STBC发射分集方式。图3新方案的接收机系统框图2仿真结果在仿真中

13、,笔者基于ALAMOUTI方案的2发1收的空时分组码和8根天线的均匀线阵。对于均匀线阵,天线阵元间距为半波长,波达方向DOA根据仿真的需求来定。考察了基本的STBC及加了双波束的STBC的仿真,系统在不同DOA下的情况,及在平坦瑞利信道下加了次径后干扰对系统影响的仿真;考察了多径衰落信道下采用新的空时译码方案在瑞利包络相关系数取值不同时3个系统的仿真情况。图4是在平坦瑞利单径信道下对空时分组码的仿真,此时移动速度v为120km/h,即v=图5波达方向DOA不同时的BER性能比较武汉理工大学学报信息与管理工程版2008年2月图6是在两条主径基础上各加了一条次径,令次径延迟一个符号周期且使其能量少

14、于主径3dB,但两径的总能量仍为1,同时主径DOA入时译码新方案的仿真曲线,其在同一SNR下系统的比特错误率下降趋势比基于主径的译码方式要快,总之两者的系统误码率性能都优于单独STBC发射分集方式,两条主径之间的相关系数=ri,j0.0047;同理图8则给出了相关系数=0.7913ri,j射角为45°和-45°,而次径DOA入射角为40°和-10°。可看到只考虑主径时,加了波束的STBC依旧比无波束的STBC发射分集性能有优势;在多径合并后无波束的STBC经典分集方法由于次径的干扰对原先没干扰时影响是较大的,比特错误率随着SNR增加而下降缓慢。不过能看到

15、在同样条件下,基于波束的STBC发射分集方法始终要比没有波束的STBC系统性能要好,同一SNR时比特错误率下降较快基于平坦瑞利信道下进行的的3个系统的比特错误率性能。图7多径衰落环境下相关系数=0.0047时STBC和ri,j加波束的STBC基于主径与多径的BER性能比较图6加了干扰的次径后合成信号与原来主径的BER性能比较,以及原始的STBC与加了波束的STBC的BER性能比较图7和图8是在多径衰落环境下考虑两副天线的瑞利包络相关系统下进行的仿真。考虑采用QPSK调制的ALAMOUTI2发1收空时编码系图8多径衰落环境下相关系数=0.7913时STBC和ri,j加波束的STBC基于主径与多径

16、的BER性能比较统,移动速度仍为120km/h,8个阵元的均匀线阵用于波束赋形。假设有两个空间信道,其信号入射角DOA的取值为45°和135°,发射机端的两个发射角所形成的波束各自对准发射方向。因此,每个空间信道对于一个波束而言是条主径,相对于另外一个波束而言则是次径。对于每一个波束,同样考虑主径功率比次径多3dB,同时两个空间信道满足Rayleigh衰落。图7给出了在多径衰落信道下,纯STBC发射分集方式和加了波束的空时分组码STBC基于主径和多径译码方法的仿真。表1给出了瑞利包络和复合高斯的相关系数的对应取值。在多径信道环境下可看到:与波束结合的STBC基于多径表1瑞利

17、包络相关系数ri,j对应于复合高斯相关系数g的取值i,jgr0.000.050.200.300.450.550.650.700.800.900.00000.00470.03370.07370.18360.27520.41330.45620.60730.7913第30卷第1期李平安,等:多径信道中基于发射波束高斯编码的性能研究3结论考察了基于ALAMOUTI方案的空时分组码与传统波束赋形相结合在平坦瑞利单径信道和多径衰落信道下的几种性能,并由后者的情况提出了通过多径空时信号实现多径译码的新方案。该方案既结合波束赋形分离并“复制”所有方向信号的优点,又采纳空时编码在不牺牲带宽情况下改善系统信息容量

18、和信息率的优点,克服了传统方法的单一性。从仿真结果可以看到,基于波束传统发射分集方法;。参考文献:1JAKESWCE.MicrowavemobilecommunicationsM.NewYork:IEEEPress,1974.2KREYSZIGE.AdvancedengineeringmathmaticsM.8thed.NewYork:Wiley,1998.3ALAMOUTISM.AsimpletransmitdiversityschemeforwirelesscommunicationJ.IEEEJournalonSe2lectAreasinCommunications,1998,16(8)

19、.1451-1458.4TAROKHV,JAFARKHANIH,CALDERBANKAR.Space-timeblockcodingforwirelesscommunica2tions:performanceresultsJ.IEEEJournalSelectinAreasCommunications,1999,17(3):451-460.5GERAMITAAV,SEBERRYJ.Orthogonaldesigns,ouadraticformsandhadamardmatricsM.NewYork:MarcelDekker,1979.6PROAKISJ.Digital.3thed.NewwH.

20、WJH.gainoftransmitdiversitywithrayleighfadingC.inProc.UPERCOMM.NewOrleans:s.n.,1994:1121-1125.8CAVERSJK.AnanalysisofplilotsymbolassistedmodulationforrayleighfadingchannelsJ.IEEETransVeh.Technol.,1991,40(3):686-693.9LIUJ,GUNAWANE.Combiningidealbeamformingandalamoutisspace-timeblockcodeJ.IEEEMi2crowav

21、eandWirelessComponentsLetters,2004(8):398-400.10NATARAJANB,NASSARCR,CHANDRASEKHARV.Generationofcorrelatedrayleighfadingenve2lopesforspreadspectrumapplicationJ.IEEECommunicationsLetters,2000(1):9-11.OnthePerformanceofRayleighFadingChannelBasedonSTBCBeamsLIPingan,ZHANGJingAbstract:Theperformanceoftransmitdiver