地下巷道中无线通信空时编码的研究.pdf

第3 3 卷第3 期 2 0 0 4 年5 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V o I ‘3 3N o ．3 M a y2 0 0 4 文章编号] 0 0 0 - 1 9 6 4 2 0 0 4 0 3 0 3 3 2 0 5 地下巷道中无线通信空时编码的研究 王健康1 ，杨彦从2 ，郝建军1 ，乐光新1 1 ．北京邮电大学电信工程学院．北京1 0 0 8 7 6 ；2 ．中国矿业大学信息与电气工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要；目前对多天线发送多天线接收 M I M O 系统的研究，大都基于信道是独立同分布的假设， 而巷道通信由于受空间限制和传播环境影响，M I M O 各信道之间具有很强的相关性．本文研究 了地下巷道中强相关M I M O 信道下的空时缟码性能，推出了在此独特环境下的空时编码的性能 界，并提出了一种能够补偿信遘相关性对系统性能影响的空时分组编码方案循环空时分组 编码 C S T B C ．理论分析和计算机仿真结果表明该方案放宽了蝙码对正交性的要求，在地下巷 道等强相关无线信道环境下，获得了比传统嫡码更好的系统性能． 关键词多天线输 - 5 天线系统；信道相关；空时编码l 巷道中无线通信 中图分类号T N9 1 1 ．2 2文献标识码A S p a c e T i m eC o d i n gi nT u n n e l s W A N GJ i a n k a n 9 1 ，Y A N GY a n c o n 9 2 。H A OJ i a n j u n l ，Y U EG u a n g x i n l 1 ．C o l l e g eo fT e l e c o m m u n i c a t i o nE n g i n e e r i n g ，B e i j i n gU n i v ．o fP o s t sa n dT e l e c o m m ，B e i j i n g1 0 0 8 7 6 ，C h i n a 2 ．D e p a r t m e n to fI n f o r m a t i o na n dE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g ，C U M T ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st oi n v e s t i g a t et h ep e r f o r m a n c ea n dd e m g no fs p a c e t i m ec o d e i nt u n n e l s ．I nt h e c o n v e n t i o n a ls p a c e t i m ec o d ed e s i g n s ．i tw a sc o m m o n l ya s s u m e dt h a tt h e c h a n n e l sa s s o c i a t e dw i t hd i f f e r e n ta n t e n n a sa r es t a t i s t i c a l l yi n d e p e n d e n t ．E x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v e s h o w nt h a tM I M Oc h a n n e l si nt u n n e l sh a v es t r o n gc o r r e l a t i o n ．I nt h i sp a p e r ，ad e s i g nc r i t e r i o no f s p a c e t i m ec o d i n gf o rc o r r e l a t e dM 1 1 9 【Oc h a n n d sw a sf k n l ya e q u i r e db a s e do np a i r w i s ee r r o r p r o b a b i l i t y P E P a n a l y s i s ．F o l l o w i n gt h i s ，w ep r o p o s e dan e wc o n s t r u c t i o ns p a c e t i m eb l o c k c o d i n gw h i c hc a nc o m p e n s a t et h ei m p a c to fs p a t i a ls t r o n gc o r r e l a t i o nM I M Oc h a n n e l si nt u n n e l so n t h es y s t e m ．A t1 a s t ．t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ea l s op r e s e n t e dt Oi l l u s t r a t e t h ep e r f o r m a n c eo ft h en e we n c o d i n gs c h e m e ． K e yw o r d s m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u ts y s t e m s ；c o r r e l a t i o nc h a n n e l s ‘s p a c e t i m ec o d i n g ； c o m m u n i c a t i o ni nt u n n e l s 在目前使用的井下话音通信系统中，常规的 有线电话系统仍然占绝大部分．但井下有线电话系 统只可在固定地点使用，从而使它的应用受到了限 制．就移动性而言，无线通信是比较理想的，由于电 磁波在矿井巷道和工作面等有限空间传播复杂，并 且煤壁的吸收使其严重衰落，矿井无线移动通信系 统一直没有得到很好的发展。为了保障系统安全运 行而引入的新型实时多媒体控制系统，要求巷道内 的通信系统必须能够提供高速的图像和数据传输 速率 以1M h k ／s 为数量级 和良好的通信性能保 障[ 1 ] ．现有系统的主要问题是频带效率太低，远不 能达到将来上述应用业务的要求．实验数据已经 显示，使用多天线发进和多天线接受的M I O 系统 能够啬无线通信在巷道通信中的信道容量．信息 收稿日期2 0 0 3 0 9 2 0 基金项目{ 国家自然科学基金重大项且 9 0 1 0 4 0 1 8 1 ；“8 6 3 计划”项目 2 0 0 1 A A l 2 3 0 1 6 作者筒升。王健康 1 9 7 4 一 ．男，江苏省徐州市人，北京邮电大学博士研究生，从事衰落环境下移动通信系统的信道编码及分集技术方 面的研究． 万方数据 第3 期 王健康等。地下巷道中无线通信空时编码的研究 论的研究也已经证实，只要发送和接收天线之间传 播路径足够多，M I M O 系统就会带来信道容量的 大大增加[ z 。5 ] ，并且通过空时编码，或者提高系统数 据传输速率，或者提高系统传输的可靠性，使增加 的信道容量得以合理利用． 但是，与地面无线通信不同，矿井地下巷道或 地下铁路通信系统，由于受空间限制，多个接收或 发送天线之间的放置间距不可能象地面通信系统 中那样远，另外，电波是在结构对称的巷道中传播， 因而巷道中的M I M O 信道之间会产生很强的相关 性．文献[ 1 ] 测量了在巴黎地铁巷道中情况，其4 个 天线分别水平放置 间距为7x ，大约2 ．1m 、垂直 放置 间距为3 ，大约1m 、对角放置 与巷道水 平中心线成3 0 度夹角，间距为7x ，大约2 ．1m 时，接收天线之间幅度相关系数分布分别为o ．9 ～ 1 ．o ，o ．5 5 ～o ．8 2 ，o ．7 1 ～1 ．o ．从测量结果可见，当 天线与轨道平行放置时，接收天线之问的相关系数 最小为o ．9 ．虽然在铁轨垂直方向放置天线时，天 线之间的相关性较小，但最小相关系数仍有o ．5 5 ， 平均相关系数高达0 ．7 1 ．可见，巷道中M I M O 信 道之间的相关性比较大． 研究表明“] ，M I M O 信道之间的相关性不仅降 低了系统的信道容量，而且对空时编码的性能也产 生不利的影响．本文研究了地下巷道等强相关 M I M O 信道下的空时编码，在相关环境下的空时 编码的性能界的基础上，提出了一种能够补偿 M I M O 信道相关对系统性能影响的空时分组编码 方案循环空时分组编码 C S T B C ，并对其性 能进行了理论分析和计算机仿真． 1 系统模型 实际测量表明‘“，在地下巷道中电磁渡传播衰 落遵循瑞利分布．为便于分析，本文采用两副发送 天线、一副接收天线的发送分集模型嘲 如图1 ． 发送数据 图1 系统模型 F i g ．1 M I M OS y t e r nm o d e l 用C 表示第m 1 ，2 副天线在t 时刻发送的 符号。并且假设符号持续时间相同；用h ； i 一1 ，2 表示从第i 副天线到接收天线信道的衰减系数．用 零均、每维方差为Ⅳ。／2 的复高斯分布变量表示信 道噪声．则在t 时刻，在接收端接收到的信号r t 可 表示为 n 一∑ 疋 ％ 1 然后通过使最大似然度量 D I 一∑ 矗I 。 2 最小，即可准确译出发送信号． 2 相关信道下系统性能界 利用文献[ 5 ] 中的计算独立信道空时编码下成 对差错概率 P E P 的方法，求解在巷道等强相关 M I M O 信道下的P E P ．假设发送码字矩阵为x ，接 收码字矩阵为y ，信道H 是准平坦的，即在一个码 字时间内，信道特性保持不变，而在不同的码字内 信道特性可能改变，传输方程为 r 一√i X H N ， 式中Ⅳ为所受的噪声干扰．若发送码字为x ，但 在接收端被解码成膏，由文献[ 1 ] 知系统成对差错 率 P E P ． P 卫一豆 一E 卜【√譬忆x 一量 日忆jJ ， 3 式中Q o 一Iei 出；0 怯表示矩阵的 F r o b e n i u s 模，lAI | ； t r A A “ ，A o 表示矩阵A 的 转置共轭I 窟 表示数学期望值． 定义R 。一值一盖 “ x x ，信道相关矩阵置一 E [ V e c H V e c H o ] ，其中V e c H 表示由矩阵H 的所有列组成的一个列向量，皿反映了信道的相关 特性． 经推导可得相关信道下P E P 上界为 P X 一盖 ≤i 3 一， 4 d e t ／．n 竿置 L o 甄 式中。表示矩阵的K r o n e c k e r 积． 在理想独立同分布的信道情况下，上式中信道 的相关矩阵置一，。为单位矩阵，设矩阵风的非零 特征值为 。，屯，⋯。0 ，则可以得到文献[ 5 ] 中的 P E P 为 P 二r ，萱 ≤_ ．L 一． 5 Ⅱ 1 十 五／4 “ i - - 1 比较式 4 与 5 可知，信遭之间的相关性影响 系统的P E P ，那么在地下巷道中的M I M O 信道下， 如何进行空时编码才能使系统性能较优，是空时编 码研究必须考虑的问题． 万方数据 中国矿业大学学报 第3 3 卷 3 补偿相关性对性能影响的S T B C 编码方案 在文献[ 6 ] 中，仿真结果显示，当信道之间的相 关系数P 小于0 ．6 时，在1 0 “的符号错误性能下， 系统有小于1d B 的信噪比损失，空时编码的分集 增益基本保持．但是，当M I M O 信道之间的相关系 数P 趋近1 时编码分集增益将完全消失，因而系统 的性能严重下降．以安全为首位的地下巷道工作 中，信息监控系统必须提供准确可靠的信息，物理 层的空时编码增益将窟接影响网络层及其上层的 性能”] ，所以必须对因信道相关而引起的性能下降 加以考虑．根据信息论观点，信号传输中的空间与 时间资源可以互为补充．基于此，本文提出了一种 能够补偿信道强相关影响的空时编码方案 循环空时分组编码 C S T B C ． 常规的空时编码码字是由Q 个发送符号及其 共轭的线形组合构成的L X N 阶矩阵o ] ，相应的发 送速率为Q ／L ．常规的S T B C 设计遵守正交设计理 论，正交设计使得系统在全分集的情况下获得尽可 能高的发送速率，而没有带宽上的损失，并且可以 使用基于线性处理的最大似然译码，使译码简单、 易实现．但是，对相关倍道而育，信道矩阵等价于 K 阶对角阵[ “．因此，为了获得最优的系统性能，我 们可以放松空时编码的正交性要求． C S T B C 编码方案输人到空时编码器的信息 符号首先通过常规的S T B C 编码，形成一个工M 阶的常规S T B C 码字口，然后，相应的￡M 阶 ￡ ≥工 的C S T B C 码字秽由前者循环重复构成．如 图2 所示，一个C S T B C 码字口由两个常规S T B C 码字0 8 叠加构成．当然，可以根据实际性熊改善的 要求，重复常规S T B C 码宇口的部分行． 。一{ 伊{ } 0 4 ∞日溶n 图2 循环空时编码的构成示例 F i g ．2 S c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fC S T B C c s T B c 码字咿中重复常规码字口的行数越 多，性能改善的越好，但相应的信息延迟的时间也 越长．实际系统中编码循环行的次数应该结合系统 对差错性能的要求，以及实际业务对延迟的容忍程 度来确定．通过下述仿真得到，在隧道通信系统中， 为了补偿由于信道之间的相关性带来的性能的下 降，只需一至两行的编码重复即可．下面给出了两 阶C S T B C 码字实例，构成其的常规S T B C 码字来 自文献[ 8 ] ．o I 表示n 阶的常规S T B C 码字，口表 示对应的循环S T B C 码字， f “ 屯1 。2 。 一毒姜 2 。I 一≤J ‘ ＼一f ； c 』 C S T B C 解码方案从编码方案可以看出， C S T B C 码字是以常规S T B C 码字为基础的．尽管 从整体上而畜，C S T B C 码字不满足正交性要求，但 C S T B C 码字的任何连续的三行仍然保持传统 S T B C 码宇的正交性．实际上，从图2 可以看出，矽 中的任何连续的L 行是叮或者是其循环移位．因 此，在接收端完全可以利用常规S T B C 的解码算 法，例如配方简化译码算法“o ] ，对接收到的连续工 行数据分别进行解码，最后再用最大比合并或等增 益合并方法得到优化的解码结果．以 2 一 为例，接收端首先对前两行 进行解码，然后再对后两行 f 1 2c 1 1 进行解码，最后把两次解码结果进行等 增益合并． 4 性能分析和仿真 在文献[ 1 ] 中，提出了一种地下巷道M I M O 相 关信道模型，并通过实验分析验证了模型的正确 性，本文仿真利用此信道模型．不失一般性，在仿真 中我们选择了两个发送天线、一个接收天线的系 统，采用B P S K 方式调制，并假设系统接收端已准 确知道信道信息．信道为准静态平坦衰落特性，显 而易见，只要接收端能够快速估计信道的状态信 息，C S T B C 完全适合快衰落信道．若重复码行时信 道已经发生了变化，C S T B C 比传统S T B C 的性能 有更大的改善．我们在上述仿真条件下进行性能分 析．选择的码字为上述示例0 2 ， 2 ．分别用h ，，h t 表 示两发送信道．接收信号为 阱叫圳斗 L r aJ 1 ％J 式中吼O 1 ，2 ，3 是每维方差Ⅳo ／2 的复白高斯 万方数据 第3 期 王健康等地下巷道中无线通信空时编码的研究 噪声． 利用配方法‘“，对f 7 11 进行解码可得 、f2 I 2 五一 ∑⋯2 c ， I - h ；。 h z r ／；] ． 对f7 2 1 进行解码可得 ＼，3 f 2 嚣一 ∑⋯2 a [ 铂 卿儿 对两次解码的结果进行等增益合并可得 邑一 ∑t h 。【2 C 1 “告 i r l t r h h z 彬] ． 此时，接收信号功率为 2 E R 一 ∑I h 。阿E ；， 1 0 - 1 * 聋 筮 瓢⋯ 信噪比／d B ∞相* 秉鼓为0 ．7 0 接收噪声功率为 P Ⅳ 1 h l I2 ／2 I h 2 I2 Ⅳo ． 由文献[ 1 0 ] ，传统S T B C 编码下接收信号功率 为 2 E ， ∑⋯2 2 E ，， 接收噪声功率为 2 尸{ ；一 ∑j h 。I2 Ⅳ” 因为‰ 岛o ，P Ⅳ 7 [ P N o ，所以C S T B C 编码比 S T B C 编码的B E R 性能好．选择上述两阶码字仿 真曲线如图3 所示． 信噪比／d B m 相关系数为08 0 图3 编码性能比较 F i g ．3 T h ec o m p a r i s o no fc o d i n gp e r f o r m a n c e ， 由图3 仿真曲线可以看出，取误比特率为 1 0 ～，当相关系数为0 ．7 或0 ．8 时，C S T B C 在相关 信道下的编码性能与S T B C 在独立信道下的编码 性能相近，但与相关信道下的S T B C 编码性能相比 有大约2 ．5d B 的增益；当相关系数为0 ．9 时，相关 信道下C S T B C 性能与独立信道下s T B c 相比有 1d B 的损失，但其与同样相关性信道下的S T B C 性 能相比仍然有近2d B 的好处．从而可得，重复～行 的C S T B C 能够补偿巷道中M I M O 信道相关性对 系统性能带来的损失，因而验证了C S T B C 编码方 案的有效性． 从上述可知，C S T B C 与S T B C 相比是通过时 间域延迟为代价来获得分集增益，图4 给出了重复 一行的C S T B C 与S T B C 相比的延迟情况，纵坐标 P 代表延迟时间相对于原S T B C 发送时间丁的百 分比I 横坐标Ⅳ表示原S T B C 的码字阶数．从图4 可以看出，随着码字阶数的增加，百分比P 越来越 小．从而在实际系统中延迟影响会逐渐变小． 信嗓比／d B c 相关慕I t S 0 ．9 0 O51 01 5 2 0 5 结论 图4C 焉T B C 延迟性能 F i g ．4D e l a yo f C S T B C 因为在巷道等受限空间通信中，信道的空间相 关性会导致空时编码系统的性能的下降，在极端情 况下空时编码增益将丧失殆尽，这将严重影响建立 在M I M O 基础之上的网络层及其上层的性能，所 井耋哪 钟 加 如 ∞ 佃 万方数据 中国矿业大学学报 第3 3 卷 以我们在实际设计这类环境下系统的空时编码时， 必须对性能的下降进行考虑，本文提出的循环空时 编码方案，在继承传统的译码方法、不增加译码复 杂度的前提下，能够补偿信道强相关对系统带来的 影响。在实际的系统中结合自适应编码技术，考虑 进实际业务所能容忍的延迟容限，循环空时编码能 使强相关信道下系统性能达到较优． 参考文献 L E m a r dM ，D e g a U q u eP ．I n v e s t i g a t i o no nM I M O c h a n n e l si ns u b w a yt u n n e l s [ 】] ．I E E EJ o u r n a lo r , S e l e c t e dA f e a si nC o m m u n i c a t i o n s ，2 0 0 3 ，2 1 3 3 3 2 3 3 9 ． A l a m o u t iSM ．As i m p l et r a l x s m i td i v e r s i t yt e c h n i q u e f o rw i r e l e s sc o m m u n i e a t i o n s [ J ] ．I E E EJ o u r n a lo n S e l e c tA r e 8 si nC o m m u n i c a t i o n s 。1 9 9 8 ，1 8 8 ；1 4 5 1 1 4 5 8 ． T e l s t a rIE ．C a p a c i t yo fm u l t i - a n t e n n ag a u s s i a nc h a n n e l s [ j ] ．E u r o p e a nT r a | I x s a c t l o n ao nT e l e c o m m u n i c a t i o n s ．1 9 9 9 ，1 0 6 t5 8 5 5 9 5 ． 王健康．杨彦从，罗涛，等．分集技术在B e y o n d 中的 应用口] ．电信科学，2 0 0 31 2 ；7 - 1 0 ． r 5 ] T a r o k hV ，s e 出以r iN ，C a i d e r h a n kAR ．S p a c e T i m e c o d e sf o rh i g hd a t ar a t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n p e r f o r m a n c ec r i t e r i o na n dc o d ec o n s t r u c t i o n [ J ] ．I E E E T r a n s a c t i o no i lI n f o r m a t i o nT h e o r y ，1 9 9 8 ，4 4 2 7 4 4 7 6 5 ． [ 6 ] 王健康，罗涛，乐光新．相关瑞利衰落信遭下空时分 组编码的性能分析[ J ] ．电讯技术．2 0 0 3 ，4 3 5 5 7 6 0 ． [ 7 ] A V D h a h i rN ，F r a g o u l iC ．A n a s t a s i o sS ，e ta 1 ．S i m c e T i m ep r o c e s s i n gf o rb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s [ J ] ． I E E EC o m m u n i c a t i o n sM a g a z i n e ，2 0 0 2 ，4 0 9 j1 3 8 1 4 2 ． [ 5 3T a r o k hV ，J a t a r k h a n iH ，C a l d e r b a n kA R ．s p a c e T i m eb l o c kc o d e sf r o mo r t h o g n n a ld e s i g n [ J ] I E E E T r a r t sO nI n f o r m a t i o nT h e o r y ，1 9 9 9 ，4 5 5 1 4 5 6 - 1 4 6 7 ． [ 9 3S a y e e dAM ．D e e o n s t r u c t i n gm u l t i a n t e n n af a d i n g c h a n n e l s [ J ] ．I E E ET r a n s a c t i o n s o n S i g n a l P r o c e s s i n g ，2 0 0 2 t 5 0 1 0 2 5 6 3 2 5 7 9 ． [ 1 0 ] X i a n g m i n g L ，T a o L ，G u a n g x l n Y ，e t d tA8 q u a I 吣 m e t h o dt os i r e p l f l yt h ed e c o d i n go fo r t h o g o n a ls p a c e t i m eb l o c kc o d e s [ J ] ．I E E ET r a n s a c t i o n o n C o m m u n i c a t i o n s ，2 0 0 1 ，4 9 1 0 1 7 0 0 1 7 0 3 ． 责任编辑陈其泰 叫 啪 嘲 啪 万方数据