摘要：根據(jù)頻率分集技術(shù)的特點(diǎn)，提出了一種新的分層空時(shí)碼傳輸方法。在發(fā)射端，采用不同的天線，利用不同的頻率發(fā)射信息；在接收端，采用不同的接收天線來接收不同發(fā)射天線發(fā)射的信息，即采用“一對一”的傳輸方式。仿真結(jié)果表明，該方法與已有的典型傳輸方法相比，在接收端同樣采用最大似然準(zhǔn)則譯碼，可大大加快譯碼的速度。
關(guān)鍵詞：分層空時(shí)碼；頻率分集；空間分集；最大似然譯碼

0 引言
    MIMO無線通信技術(shù)結(jié)合了天線發(fā)射分集、接收分集與信道編碼技術(shù)，可顯著提高通信容量，是無線通信發(fā)展的趨勢。普遍認(rèn)為，MIMO將是新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)，而空時(shí)編碼技術(shù)是MIMO技術(shù)的基本問題?？諘r(shí)編碼(Space-time Cod-ing)技術(shù)是抗信道衰落和提高系統(tǒng)容量的一種最新的編碼方法，多天線系統(tǒng)與空時(shí)編碼的結(jié)合是空間資源利用技術(shù)的發(fā)展方向，可以認(rèn)為是一種高級(jí)的分集技術(shù)。研究表明，空時(shí)編碼的最大特點(diǎn)是將編碼技術(shù)和陣列技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了空分多址，從而提高了系統(tǒng)的抗衰落性能?？諘r(shí)編碼技術(shù)利用衰落信道的多徑傳播特點(diǎn)，以及發(fā)射分集和接收分集來提供高速率、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸，與不使用空時(shí)編碼的編碼系統(tǒng)相比，空時(shí)編碼可以在不犧牲帶寬的情況下獲得更高的編碼增益，提高了抗干擾和噪聲的能力。
    MIMO技術(shù)的關(guān)鍵是能夠?qū)鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中存在的多徑影響因素變成對用戶通信性能有利增強(qiáng)因素。MIMO技術(shù)有效地利用了隨機(jī)衰落和可能存在的多徑傳播來成倍地提高業(yè)務(wù)傳輸速率。MIMO技術(shù)的成功之處在于它能夠在不額外增加所占用信號(hào)帶寬的前提下帶來無線通信性能上幾個(gè)數(shù)量級(jí)的改善，可以說，在接收端，多徑分量越多性能越好。
    MIMO技術(shù)本質(zhì)上是空間分集與空間復(fù)用的結(jié)合，分集可以保證傳輸?shù)目煽啃?，?fù)用則可以提高傳輸速率。眾所周知，已有典型的傳輸方法，在發(fā)射端，每根天線利用相同的頻率發(fā)射信號(hào)；在接收端，每根接收天線要接收發(fā)射天線的所有信號(hào)。在此利用頻率分集技術(shù)的特點(diǎn)，對分層空時(shí)碼的傳輸方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種新的傳輸方法，即使用“一對一”的接收方法。雖然該方法的頻譜利用率有所下降，但大大提高了系統(tǒng)的性能，與已有典型的傳輸方法相比，該方法在接收端可大大降低譯碼的復(fù)雜度。

1 分集技術(shù)和復(fù)用技術(shù)
    根據(jù)獲得獨(dú)立信號(hào)方法的不同，分集技術(shù)可分為時(shí)間、頻率、空間、角度、極化等形式，下面重點(diǎn)介紹頻率分集和空間分集。
    頻率分集：理論上，不相關(guān)信道發(fā)生同樣衰落的概率是各自產(chǎn)生衰落概率的乘積，即指在不同載波頻率上提供多個(gè)信號(hào)副本，其工作原理是基于在信道相干帶寬之外的頻率上不會(huì)出現(xiàn)同樣衰落的結(jié)論。所以，當(dāng)載波頻率的間隔大于衰落信道的相干帶寬時(shí)，載波信道之間就是獨(dú)立不相關(guān)的，從而獲得比較好的分集增益。
    空間分集：指發(fā)射端／接收端在空間上分開排列多個(gè)天線或天線陣列來實(shí)現(xiàn)。多個(gè)天線在物理空間上分開一定的距離，以保證接收天線輸出信號(hào)的衰落特性是相互獨(dú)立的，即當(dāng)某一副接收天線的接收信號(hào)很低時(shí)，其他接收天線的接收則不一定在同一時(shí)刻也出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)象，經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號(hào)幅度較大，信噪比最佳的一路，以得到一個(gè)總的接收天線輸出信號(hào)。這樣就降低了通道衰落的影響，改善了傳輸?shù)目煽啃浴?br />    空間復(fù)用：通過串并變換把串行信息符號(hào)分成m個(gè)并行獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，各個(gè)數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)各不相同，通過m個(gè)發(fā)射天線在相同的頻段同時(shí)發(fā)送出去，這樣就可以大大地提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率。理論研究證明，空間復(fù)用技術(shù)中垂直分層空時(shí)碼(V-BLAST)的頻譜利用率可以達(dá)到20～40 b／s／Hz。

2 V-BLAST傳輸模型
    首先假設(shè)發(fā)送天線數(shù)為m，接收天線數(shù)為n，hi,j表示的是發(fā)送天線i(i=1，2，…，m)到接收天線j(j=1，2，…，n)之間的信道增益，其中hi,j是服從均值為0，每維方差為O．5的復(fù)高斯隨機(jī)變量，H=(hi,j)n×m為信道矩陣。其中，信道是窄帶、準(zhǔn)靜態(tài)的平坦Rayleigh衰落的MIMO信道，即在一幀發(fā)送數(shù)據(jù)期間，信道的響應(yīng)保持不變。假設(shè)rj(j=1，2，…，n)表示第j個(gè)接收天線上的信號(hào)，其中rj是m個(gè)發(fā)送天線上的發(fā)送信號(hào)sk(k=1，2，…，n)的疊加與高斯噪聲之和。這里用r表示接收信號(hào)向量，X表示發(fā)送信號(hào)向量，n表示接收端的噪聲向量，分別表示如下：

   
其中：nj（j=1，2，…，n）為每個(gè)接收天線上的加性高斯白噪聲（AWGN），可寫成：

    對于一個(gè)2發(fā)2收的系統(tǒng)，式（2）可寫成：

其中：n1,n2分別是接收端收到的加性高斯白噪聲(AWGN)；h1,h2,h3,h4為信道增益系數(shù)。

3 改進(jìn)的分層空時(shí)碼的傳輸方法
3．1 改進(jìn)的傳輸模型
    眾所周知，MIM()技術(shù)本質(zhì)上是空間分集與空間復(fù)用的結(jié)合，分集可以保證傳輸?shù)目煽啃?；?fù)用則可以提高傳輸速率。因此在設(shè)計(jì)編碼時(shí)，盡量同時(shí)取得分集增益和復(fù)用增益。
    通常，不管是基于分集技術(shù)還是基于空間復(fù)用技術(shù)的發(fā)射方法，在發(fā)射端每根天線用相同的頻率發(fā)射相同信息或不同信息，從而實(shí)現(xiàn)分集和復(fù)用；在接收端每根天線需要接收所有的信號(hào)。本文結(jié)合頻率分集的特點(diǎn)提出了一種新的傳輸方法(見圖1)。發(fā)射端的每根天線利用不同的頻率發(fā)射信息，在接收端采用不同的天線分別接收不同發(fā)射天線的信息。與以往的傳輸方法相比，改進(jìn)方法雖然頻率利用率有所下降，但大大提高了系統(tǒng)的性能。
    對于一個(gè)2發(fā)2收的系統(tǒng)，在一個(gè)給定的碼元期間，s1和s2分別是在t時(shí)刻從天線1和天線2同時(shí)發(fā)出的碼元，發(fā)射天線1的發(fā)射頻率為f1，發(fā)射天線2的發(fā)射頻率為f2，在接收端，采用接收天線1來接收發(fā)射天線1發(fā)射的信號(hào)，接收天線2來接收發(fā)射天線2發(fā)射的信號(hào)，接收信號(hào)分別為r1和r2，可表示為：

   
其中：n1,n2分別是接收端收到的噪聲和干擾；h1，h2為信道增益系數(shù)。

3．2 極大似然譯碼
    極大似然譯碼是最佳的矢量譯碼方法。假定所有的未編碼符號(hào)是等概率發(fā)射的，接收端已知信道狀態(tài)信息，則極大似然算法選擇使下式成立的矢量c作為對c的近似，即：

   
其中：arg min表示使函數(shù)達(dá)到最小值時(shí)的變量取值；||·||代表Frobenius范數(shù)；C表示c的所有可能取值的集合。
    ML檢測就是在范數(shù)意義上從星座中尋找與接收信號(hào)最接近的矢量作為發(fā)射信號(hào)的估計(jì)值，雖然ML是一種最優(yōu)的檢測方法，但是ML檢測的復(fù)雜度相當(dāng)大(隨發(fā)射天線數(shù)目呈指數(shù)增長)。

4 仿真結(jié)果和譯碼復(fù)雜度分析
    為驗(yàn)證本文提出的傳輸方法，采用Matlab仿真軟件對算法進(jìn)行了仿真，并比較了結(jié)果。
4．1 仿真結(jié)果
    圖2給出發(fā)射天線數(shù)為2；接收天線數(shù)也為2時(shí)，已有的典型傳輸方法與本文提出的傳輸方法的誤碼率曲線。圖中所有的編碼均采用了QPSK調(diào)制，并假設(shè)接收端有理想的信道估計(jì)并采用了傳統(tǒng)的最大似然譯碼方法。

4．2 譯碼復(fù)雜度分析
    觀察式(4)可發(fā)現(xiàn)，只需進(jìn)行簡單的線性處理即可檢測出s0和s1。對式(3)采用最大似然準(zhǔn)則進(jìn)行譯碼時(shí)，與本文的改進(jìn)方法相比，譯碼速度相當(dāng)慢。在2發(fā)2收系統(tǒng)情況下，調(diào)制方式分別采用2PKSK，4PSK，8PSK和16QAM，對兩種傳輸方法的復(fù)雜度進(jìn)行了比較，結(jié)果如表1所示。

    從表1可看出，本文提出的傳輸方法與傳統(tǒng)的傳輸方法相比較，計(jì)算量明顯下降。調(diào)制方式分別采用2PSK，4PSK，8PSK和16QAM時(shí)，傳統(tǒng)傳輸方法的計(jì)算量是本文提出的傳輸方法的2倍、4倍、8倍和16倍。

5 結(jié) 語
    根據(jù)頻率分集技術(shù)的特點(diǎn)，提出了一種新的傳輸方法。在該方法中，隨著發(fā)射天線數(shù)目的增加，頻譜利用率會(huì)降低，性能有所下降，但會(huì)加快接收端的譯碼速度。