隋 濤， 李歡歡， 錢 博， 馮永新

(沈陽(yáng)理工大學(xué),遼寧 沈陽(yáng) 110159 )

一種STTC空時(shí)編碼識(shí)別方法研究

隋 濤， 李歡歡， 錢 博， 馮永新

(沈陽(yáng)理工大學(xué),遼寧 沈陽(yáng) 110159 )

由于MIMO無(wú)線通信體制采用多發(fā)射天線，多路混合信號(hào)對(duì)于非合作方在空時(shí)編碼類型識(shí)別時(shí)造成困難。在對(duì)STTC機(jī)理進(jìn)行深入研究基礎(chǔ)上，結(jié)合其編碼的特點(diǎn)，提出了一種基于符號(hào)編碼矩陣統(tǒng)計(jì)的STTC識(shí)別方法，通過(guò)在Matlab仿真環(huán)境下對(duì)STTC、STBC、BLAST三種空時(shí)編碼矩陣重構(gòu)后進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)。仿真結(jié)果表明，基于符號(hào)編碼矩陣的概率重構(gòu)分析方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)STTC進(jìn)行有效識(shí)別。

MIMO通信；空時(shí)格形編碼；識(shí)別

無(wú)線通信技術(shù)作為當(dāng)今社會(huì)最熱門的研究領(lǐng)域之一，無(wú)線通信系統(tǒng)的頻譜資源利用及無(wú)線數(shù)據(jù)信息如何在無(wú)線信道中高效率傳輸成為當(dāng)今的熱門話題。多輸入多輸出(MIMO，Multiple-InputMultiple-Output)技術(shù)是一種新的無(wú)線通信技術(shù)，可以通過(guò)多根收發(fā)天線來(lái)實(shí)現(xiàn)空間分集和空間復(fù)用，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率和較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸能力，MIMO技術(shù)和正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)被公認(rèn)為第四代移動(dòng)通信技術(shù)的兩個(gè)重要關(guān)鍵技術(shù)。

空時(shí)編碼是實(shí)現(xiàn)MIMO系統(tǒng)的常用方式之一，空時(shí)編碼技術(shù)能在不犧牲帶寬的情況下獲得更高的分集增益，提高M(jìn)IMO通信系統(tǒng)抗干擾和噪聲的能力，有效補(bǔ)償了信道的衰減、增加了系統(tǒng)的容量、抑制了噪聲和干擾，可獲得較高的分集增益和編碼增益[1-2]。

現(xiàn)階段對(duì)MIMO技術(shù)的研究主要集中于空時(shí)格形編碼設(shè)計(jì)優(yōu)化及改進(jìn)，在現(xiàn)有公開發(fā)表的文獻(xiàn)中，有學(xué)者關(guān)注空時(shí)分組碼(STBC)識(shí)別，對(duì)于空時(shí)格形編碼(STTC)識(shí)別關(guān)注較少，針對(duì)MIMO通信系統(tǒng)空時(shí)格形編碼方式，提出了一種通過(guò)對(duì)符號(hào)編碼矩陣重構(gòu)概率統(tǒng)計(jì)識(shí)別空時(shí)格形編碼，為進(jìn)一步深入研究空時(shí)編碼檢測(cè)機(jī)制提供參考。

1 MIMO系統(tǒng)模型

空時(shí)格形編碼以格形碼編碼調(diào)制為基礎(chǔ)，可以提供最大可能的編碼增益和分集增益，且不會(huì)犧牲發(fā)射帶寬，并且能有效地抵消衰落，抑制干擾和噪聲[3]。空時(shí)編碼的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MIMO系統(tǒng)模型

nt根發(fā)射天線和nR根接收天線的MIMO系統(tǒng)模型可表示為

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為發(fā)射向量；y為接收向量；n為噪聲向量；H是信道矩陣。其中，hnRnT表示第nT根發(fā)射天線到第根接收天線的空時(shí)信號(hào)特征。

2 空時(shí)格形編碼機(jī)理

以4PSK調(diào)制的空時(shí)格形編碼為例，4PSK符號(hào)分別為{1,j,-1,-j}，分別標(biāo)記為{0,1,2,3}。對(duì)應(yīng)的空時(shí)柵格中，每個(gè)狀態(tài)具有4個(gè)輸出分支和4個(gè)輸入分支。與傳統(tǒng)的柵格一樣，空時(shí)柵格的初始化狀態(tài)為0狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 4狀態(tài)4PSK空時(shí)格形編碼

編碼按如下過(guò)程進(jìn)行，例如，對(duì)應(yīng)當(dāng)信息序列2，1，2，3，0，0，1，3，2

第一個(gè)天線的編碼序列為：0，2，1，2，3，0，0，1，3

以及第二個(gè)天線的編碼序列為：2，1，2，3，0，0，1，3，2

如前所述，空時(shí)柵格的開始狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)都是0狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)這一條件，傳輸?shù)男畔⒎?hào)采用分組形式，在分組之間周期性地插入一定數(shù)目的0，如圖3所示。

0數(shù)據(jù)幀10數(shù)據(jù)幀20

圖3 空時(shí)格形編碼信號(hào)幀結(jié)構(gòu)

由于0的個(gè)數(shù)依賴于空時(shí)柵格的約束長(zhǎng)度，而與幀的大小無(wú)關(guān)，則當(dāng)一個(gè)幀充分大的時(shí)候，由這些0帶來(lái)效率的損失將變成任意小[4]。

3 空時(shí)格形編碼檢測(cè)機(jī)理

空時(shí)格形編碼檢測(cè)是對(duì)接收信號(hào)的特性參數(shù)估計(jì)的情況下進(jìn)行編碼識(shí)別，前期需要對(duì)信道參數(shù)估計(jì)[5]，MIMO信號(hào)進(jìn)行盲源分離及有效提取[5]，天線數(shù)目估計(jì)以及調(diào)制方式識(shí)別。本文重點(diǎn)研究在對(duì)MIMO信號(hào)的有效提取后，對(duì)空時(shí)編碼類型識(shí)別[6]。

根據(jù)空時(shí)格形編碼的特性和檢測(cè)機(jī)理，設(shè)計(jì)了對(duì)STTC編碼類型識(shí)別流程如下：

Step1：接收提取后天線S1、天線S2信號(hào)傳輸星座符號(hào)；

Step2：對(duì)接收到的信號(hào)其進(jìn)行解調(diào)，獲取傳送的信息符號(hào)；

Step3：對(duì)信息符號(hào)進(jìn)行搜索，搜索到起始狀態(tài)“0狀態(tài)”，依次判斷下一狀態(tài)：

(1)若S1(k+1)=0&S2(k+1)≠0，S2和輸入信息符號(hào)一致；

(2)若S2(k+1)=0&S1(k+1)≠0，S1和輸入信息符號(hào)一致；

(3)若S2(k+1)=0&S1(k+1)=0,則繼續(xù)判斷S1(k+2)和S2(k+2)；

Step4：通過(guò)對(duì)起始數(shù)據(jù)“0狀態(tài)”判別，區(qū)分發(fā)射天線順序；

Step5：通過(guò)對(duì)n和n-1狀態(tài)信息符號(hào)的分析，結(jié)合當(dāng)前S1(i)、S2(i)，通過(guò)多次數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和校驗(yàn)可以推出編碼矩陣陣列A；

Step6：重新讀取新的數(shù)據(jù)，通過(guò)大量數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，如果能夠得到編碼矩陣元素出現(xiàn)概率大于所統(tǒng)計(jì)的閾值，則表明為STTC編碼方式，并可直到編碼矩陣A遍歷后存儲(chǔ)并判斷結(jié)束。

空時(shí)格形編碼檢測(cè)總體設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 空時(shí)格形編碼檢測(cè)仿真流程圖

4 STTC編碼檢測(cè)仿真

STTC編碼識(shí)別仿真測(cè)試參數(shù)：收發(fā)天線2×2，調(diào)制方式4PSK，信息數(shù)據(jù)長(zhǎng)度64bit，星座編碼狀態(tài)4；編碼矩陣4×4，仿真結(jié)果如圖5所示

(a)三種不同空時(shí)編碼矩陣識(shí)別準(zhǔn)確率

(b)不同信噪比下編碼類型識(shí)別準(zhǔn)確率

通過(guò)仿真分別對(duì)STTC、STBC、BLAST三種空時(shí)編碼方式的空時(shí)編碼矩陣進(jìn)行構(gòu)造，分別對(duì)其符號(hào)編碼恢復(fù)概率進(jìn)行閾值判別，因?yàn)橹挥蠸TTC編碼方式是通過(guò)空時(shí)矩陣方式進(jìn)行編碼，STBC和BLAST編碼方式?jīng)]有固定的編碼矩陣，本識(shí)別方法是重構(gòu)編碼矩陣的方式，先確定發(fā)射天線的順序，通過(guò)盲源識(shí)別等識(shí)別方法的前期參數(shù)提取等先驗(yàn)信息，就可以重新構(gòu)造出空時(shí)編碼矩陣。由圖5可見，STTC由于自身編碼矩陣的確定性，所以重構(gòu)后的編碼矩陣的編碼符號(hào)具有規(guī)律性，STBC和BLAST自身編碼不具備固定的空時(shí)編碼矩陣，所以重構(gòu)后的空時(shí)編碼矩陣不能滿足統(tǒng)計(jì)設(shè)定的閾值，從而可以識(shí)別出STTC空時(shí)編碼類型。從仿真結(jié)果可見，識(shí)別得到的編碼矩陣和實(shí)際采用的編碼矩陣一致。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)MIMO系統(tǒng)空時(shí)格形碼編碼機(jī)理以及符號(hào)幀格式特點(diǎn)進(jìn)行深入分析，結(jié)合盲源分離技術(shù)，調(diào)制方式識(shí)別等技術(shù)，通過(guò)對(duì)接收的符號(hào)編碼矩陣進(jìn)行蒙特卡羅統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)，可得到空時(shí)格形編碼的的判斷閾值，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空時(shí)格形編碼從編碼類型上進(jìn)行識(shí)別，在基帶條件下對(duì)STTC、STBC、BLAST三種不同空時(shí)編碼進(jìn)行仿真驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明檢測(cè)仿真結(jié)果表明在信噪比大于-6dB可有效識(shí)別出空時(shí)格形編碼類型，同時(shí)基于符號(hào)編碼矩陣可以推廣到多調(diào)制方式和多狀態(tài)的空時(shí)格形編碼識(shí)別。

[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.寬帶無(wú)線通信中的空時(shí)編碼[M].王鋼等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009:21-122.

[4]林云，何豐.MIMO技術(shù)原理及應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2010:121-161.

[5]趙佳，楊景曙，金家保.基于JADE算法的盲DOA估計(jì)[J].通信學(xué)報(bào)，2010，31(8):91-97.

[6]謝春維.基于空時(shí)編碼檢測(cè)算法的研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

Research on Blind Identification of Space-time Trellis Coding

SUI Tao，LI Huanhuan，QIAN Bo，F(xiàn)ENG 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

隋濤(1978—)，男，副教授，研究方向：通信技術(shù)；通信作者：馮永新(1974—)，女，教授，博士，研究方向：通信技術(shù)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò).

1003-1251(2015)03-0024-04

TP929.53

A