傳輸與接收RANSMITTING RECEIVING【本文獻倌息】陳建青,葛利嘉鄭鶴,等,一種1×2×4分布式空時編碼異步協(xié)作方案[].電視技術,2013,37(9)種1×2×4分布式空時編碼異步協(xié)作方案陳建青,葛利嘉,鄭鶴,雙濤(重慶通信學院應急通信重慶市重點實驗室,重慶40005【摘要】協(xié)作分集技術可以有效提高移動通信系統(tǒng)的容量和可靠性。針對時間異步的協(xié)作通信系統(tǒng)提出一種基于分布式Alamouti STBC的1×2x4異步協(xié)作方案。對這種方案進行理論分析和算法推導,并且重新定義了中繼節(jié)點歸一化后的發(fā)射信號幅度。仿真結果表明,該方案的誤比特率性能具有明顯優(yōu)勢,能在時間異步的協(xié)作通信系統(tǒng)中很好地發(fā)揮多天線接收性能?！娟P鍵詞】異步協(xié)作;多天線;正交頻分復用;分布式 Alamouti空時編碼【中圖分類號】TN92【文獻標志碼】A1 x2 4 Distributed STBC Asynchronous Cooperative SchemeCHEN Jianqing, GE Lijia, ZHENG He, SHUANG Taochongging Key Laboratory of Emergency Communication, Chongging CommuAbstract] The cooperative diversity technique can efficiently improve coverage and reliability of mobile communication systems. In this paper, a 1x2 x4 time asynchronous cooperative scheme based on distributed Alamouti STBC is proposed. The theory analysis and algorithm derivation of the schemeare provided. In addition, the normalized range of transmitting signal at relay nodes is redefined. The simulation results demonstrate that the proposedscheme has better bit error rate( BER)performance and realizes multiple antennas receiving perforin time asynchronotion systemI Key words] asynchronous cooperative; multiple antennas; OFDM; distributed Alamouti space time block coding在無線通信系統(tǒng)中,多輸入多輸出( Multiple Input文獻[l-14]從時域的角度提出了幾種不需要時間同步Multiple Output,MMo)技術能有效克服信道衰落提高的DsTC。文獻[15-17]從頻域的角度應用OFDM技術信道容量和頻譜利用率。協(xié)作分集( Cooperative Diversi-來克服時間異步和避免符號間干擾(nter- Symbol Interfer-y)技術2-3則利用中繼信道,通過分布式傳輸和信號處ence,sn)。其中,文獻[2-13]采用了經典的分布式時理,構成虛擬MMO系統(tǒng)。1998年, Sendonaris等首次提間反轉空時塊碼( Distributed Time Reversal Space-Time出了協(xié)作分集的概念,之后又研究了協(xié)作分集技術在 CD- Block Codes,D-TR-SIBC)來克服時間異步,然而當協(xié)作MA系統(tǒng)中的具體應用4; Laneman等進一步歸納了協(xié)節(jié)點數(shù)量較多時,受限于碼字矩陣的正交性傳輸速率會作分集的基本策略給出了中斷概率性能6;后來Lane變得很低。文獻[15-21]將更為簡單的 Alamouti STBCman和 Barbarossa等又將分布式空時編碼( Distribu應用到協(xié)作節(jié)點,不僅保證了傳輸速率,而且實現(xiàn)了全分Space- Time Coding,Dsr)引人協(xié)作分集技術1。這些集( full diversity)其中,文獻[15]采用1×2×1的模型,文獻都假設系統(tǒng)中的協(xié)作節(jié)點是精確同步的。然而,實際即發(fā)射和接收均為單天線,而中繼為2根天線(每個中繼系統(tǒng)中協(xié)作節(jié)點通常不規(guī)則地分散在不同地點,各自的晶節(jié)點是單天線,共有兩個節(jié)點參與中繼),只需要對中繼振也不同,很難實現(xiàn)時間和頻率的精確同步。而異步傳輸信號進行簡單構造,就能保證分布式 Alamouti STBC在異會使正交DST℃碼字結構受到破壞,嚴重影響系統(tǒng)性能。步情況下也能滿足正交性要求。該方案實現(xiàn)簡便,性能優(yōu)近年來,基于DSIC異步的協(xié)作技術引起了廣泛研良,受到廣泛重視究0-m。文獻[10對近幾年單向傳輸(one-way)和雙向為了進一步提高異步協(xié)作的性能,同時也考慮到系傳輸(two-way)協(xié)作通信中時間異步( time asynchronous)統(tǒng)的可實現(xiàn)性,本文將文獻[5]的1×2×1模型擴展為目和頻率異步( frequency asynchronous)的解決方案進行了的節(jié)點配置4根天線的1×2x4模型,并且重新定義了中綜述指出時間異步和頻率異步都可以用時域和頻域的方繼節(jié)點歸一化后的發(fā)射信號幅度,對中繼節(jié)點的編碼進行法加以克服;針對單向傳輸協(xié)作通信中時間異步的問題。了改進。通過算法的理論推導和性能仿真表明該方案能基金項目國家自然科學基金項目(61271251);重慶市科技攻關計劃項目(CSTC,2011AB204;重慶市科委重點實驗室專項;重慶郵電大學移動通信技術重點實驗室開放研究基金項目視重傳輸與接收RANSMITTING RECEIVINGted,m浮inri在時間異步的協(xié)作通信系統(tǒng)中更好地發(fā)揮多天線接收的組符號X2進行N點的IDT調制,對第2組符號x進性能優(yōu)勢。行N點的FT調制然后給調制后的符號加上循環(huán)前綴異步協(xié)作中繼方案CP。假設CP的長度為l,每組OFDM符號的長度變?yōu)長=N+laol的要求是不小于源節(jié)點到中繼節(jié)點的最本文提出的系統(tǒng)模型如圖1所示。假設系統(tǒng)工作在大相對時延( relative timing error),即l≥T。為討論方半雙工模式,信道狀態(tài)信息( Channel State Information,便,將構造完成的一幀發(fā)射符號記為[x1,X2]。源節(jié)點CS)對接收端已知,各個節(jié)點間的信道均為獨立同分布的一個發(fā)射周期分為2個時刻第1時刻發(fā)送X,第2的瑞利平坦衰落信道。時刻發(fā)送X2。,Z1.2中繼節(jié)點構造對于中繼節(jié)點R(i=1,2),接收到的2組連續(xù)的中繼節(jié)點OFDM符號可以表示為(2),Y12,22Ya= X,hsR,+va(1)2(DYa x,hsR +va(2)Xr式中:va,"a分別表示中繼節(jié)點R2接收到第12組符號時的噪聲。hsr, s(: ),-y:'中繼節(jié)點采用分布式通常源節(jié)點Z3amout STBC[22AD這種方式需要精確的時間同步。然而,上面1.1節(jié)的源播階段節(jié)點構造和下文采用的時間反轉處理,使得分布式中繼節(jié)點Alamouti STBC的異步應用成為可能。D文獻[15]中假設噪聲的方差為1,而且沒有考慮源多址階段節(jié)點到中繼節(jié)點的功率損耗,為了更具一般性,本文對其進行了改進,具體編碼方案如表1所示。目的節(jié)點表1中繼節(jié)點處的分布式 Alamouti STBC圖1系統(tǒng)模型中繼節(jié)點第1時刻第2時刻圖1中,S表示源節(jié)點,R1和R2表示2個中繼節(jié)點,Yu(Y12)D~D4分別表示目的節(jié)點的4根天線。X(j=1,2)表示RBY aR(Y2)源節(jié)點處按時間先后連續(xù)發(fā)射的兩組符號,Y表示第i個表1中(·)代表求復數(shù)共軛;(·)代表信號的時間中繼節(jié)點的第j組接收符號,乙表示目的節(jié)點第根天線反轉( time- revers)例如,《(xn)4么-n),n=的第j組接收符號。hm和8m0分別為源節(jié)點到中繼節(jié)點中0,1,…,D-1,(F(L)YO)。a=繼節(jié)點到目的節(jié)點的信道衰落系數(shù),統(tǒng)計獨立且服從零均IiHsN值、單位方差的循環(huán)對稱復高斯分布。v,分別表示第iB分別表示中繼節(jié)點R1,R2歸一化個中繼節(jié)點和目的節(jié)點接收第j組符號時的信道噪聲,統(tǒng)計No獨立且服從均值為0、方差為M的循環(huán)對稱復高斯分布。后的發(fā)送信號幅度以保證中繼節(jié)點以P2的功率發(fā)送數(shù)信號傳輸經歷兩個階段:廣播階段源節(jié)點以廣播的形式將據到目的節(jié)點。其中,P1,P2分別為源節(jié)點和中繼節(jié)信號發(fā)送到中繼節(jié)點;多址階段,中繼節(jié)點組成分布式協(xié)作點的發(fā)送功率,N為噪聲v,va的方差。另外,值得注多天線發(fā)射端將信號發(fā)送到配置多天線的目的節(jié)點。意的是,中繼節(jié)點R2中的兩組OFDM符號進行了位置互1.1源節(jié)點構造換,這說明中繼節(jié)點R2在收到Y2后,還要繼續(xù)等待在接在源節(jié)點信息比特首先被調制為復數(shù)符號x然后把收到Y2后,再進行構造和發(fā)送。N個復數(shù)符號用OEDM調制到N個子載波中。源節(jié)點中的13目的節(jié)點構造第i組OFDM符號可以表示為X=[x1(1),x(2)…,目的節(jié)點接收天線D4,讠=1,2,3,4,在第1時刻和x(N],用X和xn兩組符號構成一幀數(shù)據。對第1第2時刻接收到的兩組符號分別表示為傳輸與接收RANSMITTING RECEIVING電獨idre Engineeringzn= allaRD+B(-Y2)gRD∫'+wa(3)式(8)可以得到從源節(jié)點到目的節(jié)點第i根天線za=ag(Y1)gD+R(Yn)gDf'+w2(4)整個收發(fā)過程的矩陣表達式為式中:f=[1,em,…,em)]是時延函數(shù)在頻z i lr+n域的表達式;wa,wa分別表示D1接收到2組符號時式中;z,∈C表示目的節(jié)點第i根天線接收到的信號向的噪聲。量;L2∈C表示從源節(jié)點到目的節(jié)點第i根天線的信道當D接收到信號以后,首先要去掉OFDM符號的矩陣;x∈C表示源節(jié)點發(fā)送的信號向量;n2∈C2表CP。對于第1組OFDM符號,直接去掉CP即可。而第2示目的節(jié)點第讠根天線接收到的復加性高斯白噪聲向量。組OFDM符號在中繼節(jié)點中進行時間反轉,(Y(n))▲同樣可以得到整個系統(tǒng)信號模型的矩陣表達式為Y(L-n),n=0,1,…,L-1。所以,為了還原時間反轉Lr +n(10)后的信號在去掉CP后還要將長度為N的OFDM符號末式中:z=[z1z2z3z∈C表示目的節(jié)點所有天線端的l位移到該符號的前端。接著將2組OFDM符號接收到的信號向量;L=[L1L2L2L4]∈C表示源節(jié)點進行N點的FT調制。上文提到,由于時延的原因,目的節(jié)點接收到來自中繼節(jié)點R2的信號將會比來自中繼節(jié)點到目的節(jié)點的信道矩陣;n=[n1n2n2n,]∈C表示B的符號晚時延r。不過由于l>r,所以OFDM的子目的節(jié)點接收到的復加性高斯白噪聲向量。目的節(jié)點可載波仍然能夠正交。這樣一來各天線可以得到完整的以采用最大似然檢測算法進行檢測幀數(shù)據[Zn,za2],讠=1,2,3,4。將式(1)(2)帶入式(3)x= arg min z-Lx4),可以得到信號從源節(jié)點到目的節(jié)點第i根天線整個式中:表示發(fā)端采取的星座調制中所有發(fā)送符號的星過程的表達式為座集合。Za =[dFt(IdFt(X,))ahsR gR1.4功率分配DFT(-(DFT(X2))")of Bh R, gRD.+目前常用的功率分配方式有兩種,一種是平均分配+N2°fBgR](5)源節(jié)點和中繼節(jié)點的功率;另一種是源節(jié)點占總功率的1/2,其余中繼節(jié)點平均分配剩下的1/2功率。文獻[15Z2 =[DFT((DFT(X2)))ahsR.R D采用了第2種功率分配方式,本文繼續(xù)沿用這種方法。DFT(((IDFT(X1))))°∫ BhsR gRI+PI=JP,=P(12)∫Bg]式中表示 Hadamard0乘積;N為高斯白噪聲v的DFr式中:J表示中繼節(jié)點的個數(shù);P表示整個方案的總發(fā)送功率變換。考慮到(DFT(X)=IDFT(x),(IDFT(X))=2性能仿真DFT(X), DFT(S(DFT(X)))=IDFT((DFT(X)),eh本節(jié)通過 MATLAB仿真,對提出方案的性能進行仿式(5)和式(6)可以構成k(1≤k≤N)個子載波上的Alamouti空時編碼結構為真分析。具體仿真參數(shù)如表2所示。表2系統(tǒng)仿真參數(shù)Za(k)1(k)-x(k)數(shù)文獻[5]中參數(shù)值本文方案中參數(shù)值Z2(k)Lx2(k)*(k)ILfBhSR, RD子載波個數(shù)NNI(k)agR D,+N2(h)fiBBRD, +wa(k)循環(huán)前綴(CP)長度N,2(k)ag D,+N2(k)fiBBRD, +wa(k)/(7)時延r0-15之間的隨機數(shù)0-63之間的隨機數(shù)式中:f=exp-2π(k-1)r/N}。幀數(shù)對式(7)進行等價變換可得調制方式BPSKBPSK/QPSK/16QAMZa(k)1[ahsa,81R, D -fiBhsR grp1[ *,(k)噪聲功率N。Z: (k)I Lf1BhSR. BRLD: ahsi圖2給出了目的節(jié)點配置不同接收天線數(shù)目時的誤(MM(k)agRD,+ N2(h)fiBBRD比特率(BER)性能仿真曲線。從表2中可以看出,本文將(Na(og+N2(M)·+n()/(8)OPDM調制的子載波數(shù)增加到26個因此可以容忍的時延最大可以達到63,并且考慮了源節(jié)點采用QPSK和傳輸與接收咖視RANSMITTING& RECEIVING16QAM調制的情況。從圖2中可以看出:目的節(jié)點配置用的應急通信系統(tǒng)。本文對這種方案進行了理論分析和算的接收天線越多其BER性能也越好。當信噪比為25dB法推導采用時間反轉,對中繼節(jié)點編碼進行了改進重新時,本方案的BER性能已接近106。而且隨著信噪比的定義了中繼節(jié)點歸一化后的發(fā)射信號幅度,最后對目的節(jié)增加,多天線接收的性能優(yōu)勢也更為明顯。當BER=102點配置不同天線數(shù)目時的誤比特率性能進行仿真分析,結時,1×2×1方案和1×2×4方案的性能大約差8dB,當果表明該方案的誤比特率性能具有明顯優(yōu)勢,能在時間異BER=10“時兩種方案的性能差距達到了12dB,充分證步的協(xié)作通信系統(tǒng)中很好地發(fā)揮多天線接收性能。明了本方案能夠在時間異步的情況下,實現(xiàn)多天線接收性能。圖3給出了本方案分別采用BPSK,QPSK,16QAM調參考文獻:制時的誤符號率(SER)性能仿真曲線。性能從高到低依[1] TELATAR E. Capacity of multi- antenna Gaussian channels[]. Europe-次為BPK,QPSK,QFSK,16QAM,性能相差越2~3dB。an Trans. Telecommunicaitons, 1999, 10(6): 585-595因為在信號平均功率相同的條件下,相鄰星座點之間的最[2] COVER T, GAMAL A E. Capacity theorems for the relay channel [J]IEEE Trans. Information Theory, 1979, 25(5): 572-58小距離越大,抗噪聲干擾能力越強誤判的可能性也越小。[3] NICHOLAS J N, WORNELL G W, TSE DNC. An efficient protocol forrealizing cooperative diversity in wireless networks[ C]//Proc. IEEE In-temational Symposium on Information Theor. [S. 1.]: IEEE Press2001:294[4]SENDONARIS A, ERKIP E, AAZHANG B. Increasing uplink capacityvia user cooperation diversity[ C]//Proc. IEEE Intemational Symposiumon Information Theory. Cambridge, MA: IEEE Press, 1998: 156.[5] SENDONARIS A, ERKIP E, AAZHANG B. User cooperative diversity-partnalysis[ J]. IEEE Trans. Communications, 2003, 51(11): 1927-1948.10[6] NICHOLAS J N, WORNELL G W. Cooperative diversity in510152025SNR/dBworks: efficient protocols and outage behavior[J ]. IEEE Trans. Informa圖2目的節(jié)點配置不同天線數(shù)目時的BER曲線[7] NICHOLAS J N, WORNELL G W. Distributed space-time coded proto-cols for exploiting cooperative diversity in wireless networks[J]. IEEETrans. 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Combating synchronization er的源節(jié)點和中繼節(jié)點都是單天線,而目的節(jié)點配置4根天ative relays[ C ]//Proc. IEEE Intemational Conference on A線。這種模型具有實際應用意義,例如,源節(jié)點和中繼節(jié)點coustics, Speech and Signal Processing. [S. 1.]: IEEE Press, 2005都可以是單兵背負通信節(jié)點,而具有4根天線的目的節(jié)點369-372.可以作為車載終端,從而構成一個能在復雜地理環(huán)境下應(下轉第179頁)傳輸與接收電獯重RANSMITTING RECEIVINGid。, ngineering到了有效的抑制,而且使各子載波具備了更高的相[5]劉晨王森章直接數(shù)字頻率合成器的設計及FGA實現(xiàn)[J.微電位精度,因此最佳相位的多載波QAM輸出信號在載噪子學與計算機,2004(5):63-65比帶外抑制比調制誤差度等所有測試指標上都得到61 WANG C-C(,:HHC, R. A ROM-less direct digital frequency了明顯的改善。synthesizer by using trigonometric quadruple angle formula[ C]//Proc.9th Intemational Conference on Electronics, Circuits and Systems. [S.表2兩種多載波QAM的測試指標1.]: IEEE Press,2002:65-68調制方式噪比如帶外抑比調誤差度細[7] ASHRAFI A, PAN Z, ADHAMI R, et al. A novel ROM-less direct digitalfrequency synthesizer based on Chebyshev polynomial interpolation[C]//傳統(tǒng)多載波QAM41.54.0Proc. 36th Southeastem Symposium on System Theory. 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