2005年12月西安電子科技大學學報(自然科學版)第32卷第6期JOURNAL OF XIDIAN UNIVERSITYVol 32 No 6差分空時編碼系統(tǒng)中的多共道用戶應用劉勤,楊家瑋,李建東西安電子科技大學綜合業(yè)務網(wǎng)與關鍵技術國家重點實驗室信息科學研究所寬帶無線通信實驗室陜西西安710071)摘要:通過分析和推導指岀在多用戶差分空時分組編碼系統(tǒng)中發(fā)射端的多個共道用戶采用同步編碼和同步分組傳輸時接收端無法在未知信道狀態(tài)信息的情況下進行差分解碼的結論.為了能夠保持原有編碼的差分解碼的特性提出了一種新型的多用戶交錯結構利用多個共道用戶所發(fā)射的數(shù)據(jù)在時間上的不同時延彼此交錯形成傳輸?shù)姆峭?此時的接收端可通過輾轉迭代計算獲得等效的無共道干擾傳輸結果并通過差分計箅進行解碼處理.具有這種交錯結構的系統(tǒng)能夠在信道未知的情況下支持多個用戶的同時傳輸并且在接收端能夠實現(xiàn)正確的解碼工作關鍵詞:差分空時分組編碼共道用戶洨錯結構中圖分類號TN915.04文獻標識碼:文章編號:001-24002005)6084804The differential space-time block coding system withmultiple co-channel usersLIU Qin, YANG Jia-wei, Ll Jian-dongState Key Lab. of Integrated Service Networks& Broadband Wireless Communications LabInformation Science Inst., Xidian Univ., Xi'an 710071, ChinaAbstract: After discussing the multi-user differential space-time block coding system, and analyzing therealizability of differential decoding method we can draw the conclusion that the receiver can not decode theinformation of various users while the channel is unknown if multiple co-channel users in the system aresynchronous. To solve this problem a new kind of offset system structure is presented. The multiple co-channelusers transmit signals nonsynchronously with different offset delays and the receiver can iteratively subtract toget the equivalent nil-interference result, which can be disposed of with the differential method. While themulti-user system is constructed accordint to the new offset structure, the receiver can easily cancel theinterference and decode the signal even if the channel state information is unknownKey Words: differential space-time block coding multiple co-channel users affset construct在空時編碼概念被提出之后,它就作為一種有效的抗衰落措施得到研究者的關注.同時人們也提出了數(shù)種不需要在接收端進行信道估計來獲得信道信息就能夠進行解碼的差分空時編碼例如基于正交設計的分組差分空時編碼2]基于群碼的差分空時調制3和酉空時差分編碼4]應用空時編碼技術可獲得良好的分集增益和編碼增益3而采用干擾抵消技術后的空時編碼系統(tǒng)能夠支持多個共道用戶同時進行通信在系統(tǒng)的容量和用戶的信息傳輸速率上系統(tǒng)能夠得到較大的提高671多用戶差分空時編碼系統(tǒng)分析根據(jù)文獻2]中的差分空時編碼模型分析存在多個同步共道用戶的系統(tǒng)接收和解碼情況.收稿日期200505-16基金項目國家自然科學基金和微軟亞洲研究院聯(lián)合資助項目(60372048)高等學校優(yōu)秀青年教師教學科研獎勵計劃 TRAPOYT)國家自然科學基金重大項目60496316)教育部科學技術研究重點項目(104171)國家863″計劃重大課題20014A123031第6期劉勤等差分空時編碼系統(tǒng)中的多共道用戶應用假設各個用戶都有兩個發(fā)射天線將發(fā)送端的編碼和調制關系用矩陣形式進行表示令X1和X表示相鄰的兩個分組的發(fā)射信號矩陣K表示根據(jù)輸入比特信息確定的系數(shù)向量KK2)所對應的系數(shù)矩陣那么可得到KK=KX(1)x2+2x2+1-K2K1當發(fā)射端有同步的兩個共道用戶時假設兩個用戶都采用相同的差分空時分組編碼并且兩個用戶產(chǎn)生的發(fā)射信號矩陣同步按照多用戶空時分組編碼系統(tǒng)的接收準則在接收端使用兩個接收天線進行接收.設定信道在任意兩個相鄰的分組時段內不發(fā)生變化洴并且用H1和H2表示用戶a到兩個接收天線的信道矩陣G1和G2為用戶b到兩個接收天線的信道矩陣設兩個用戶發(fā)送的信號矩陣為X和Y.那么就有R11=X-1H1+Y1G1+N1:-1(2)R2A1=X-1H2+Y-1G2+N2-1(3R=X,H,+YG+N=kXh,+k, G+NRY, G2+N2=K X- H2+K其中K。和K,分別為t分組時刻兩個用戶的參數(shù)矩陣N為第i個接收天線上第t分組時刻的接收噪聲矩陣對于接收端來說已知是各個接收信號矩陣R11R2=1R1,和R2以及上一分組時段的發(fā)送信號X和Y_1,其他的信道矩陣和參數(shù)矩陣是未知的噪聲矩陣暫不考慮.那么可形成如下的矩陣方程組RX-H,+Y-GR2:1=X-:H2+Y-1CR1=K。X-1H1+K,Y-1GRKXH,+K這樣就需要分析在上述的已知條件下能否通過運算從矩陣方程組中解得需要的參數(shù)矩陣K。和K對式6)的方程組進行如下計算K,,, Ru=KXH-k,x-H(7)R2;-K,R21=K,X(-1H2-k,X1-1H2由于信道的不相干特性信道矩陣都存在它們的逆矩陣.兩式乘以不同的逆矩陣并相減可得R1,H1-R2,H2=K(R11-1H1-R21-1H2)同樣的方法也可得到:R,G1-R2G2=K(R11-1G1-R21-1G2)從式9廂和式10)河看到由于所求的系數(shù)矩陣K和K和信道信息矩陣H1H2G1和G2有關在僅知曉接收信號矩陣R,R3,R1和R,而無法得到信道信息矩陣的情況下無法獲得明確和惟一的系數(shù)矩陣結果.這點也可利用賦予信道信息矩陣不同值時獲得的系數(shù)矩陣結果不同反證得到.從而也就說明對于具有兩個共道用戶的差分空時分組編碼系統(tǒng)如果兩用戶采用同步的編碼傳輸方式在不確定信道信息的條件下接收端無法進行正確的解碼和判決工作.當系統(tǒng)具有的共道用戶數(shù)為(L≥2)時采用同樣的方法也可容易證明在多個用戶采用同步編碼并且信道未知的情況下無法進行正確的干擾抵消和解碼工作.這也就是表明在不知道明確的信道信息(包括不采用信道估計技術獲得信道信息)時無法利用差分空時分組編碼進行多共道用戶下的解碼2交錯結構的多用戶差分空時編碼系統(tǒng)在上面的分析中沒定了多個共道用戶為同步編碼即具有嚴格的碼元同步和組同步.在這種情況下討論的結果是無法在信道信息未知的情況下進行解碼.當多個共道用戶的不具有編碼同步關系時多個共道用戶間就存在一定的時差此時就形成一種交錯的差分空時編碼結構那么在這種情況下的多用戶差分空時分組編碼系統(tǒng)的情況又如何呢?圖1給岀了設計的這種非同步的多用戶交錯差分空時編碼系統(tǒng)結構框圖.圖中各個用戶在發(fā)射端都具有一個延遲模塊設用戶i的延遲量為a1,規(guī)定延遲量具有以下特征a;=(l1)a(11)850西安電子科技大學學報(自然科學版)第32卷用廣0分組編碼延遲用戶Lx#→圖1多用戶交錯差分空時編碼系統(tǒng)結構)(x,石)(x3,x,)(x,寫)(x)(x,))(x,x)u囫圖2多用戶交錯差分空時編碼系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式在圖2中的各個用戶在進行各自的差分空時分組編碼之后對不同的用戶依次進行時間軸上的延遲形成交錯格式.在最初發(fā)送第1分組可以是一幀的起始)時延遲的部分用0補足(圖中陰影部分)這樣在接收端進行接收時需要以L問碼元速率進行接收信號的采樣采樣的間隔也即是α灬·從接收端的接收信號可看到此時多個共道用戶發(fā)送的信號相互干擾并且混疊在一起.為了進行各個用戶的解碼工作接收端必須進行必要的干擾抵消處理在干擾抵消處理中如下計算等效接收信號r(12)ru +rch-Ix= Tu-TuKi-1)+rck-Iy k>Ik為奇數(shù),可容易地得到結果為r4=xxk+ i)hp n(13)k為偶數(shù)等效接收信號π中k表示碼元時間/表示相應的碼元時段內的采樣點號.查看它們的物理意義可發(fā)現(xiàn)采樣點也代表了第l個用戶.那么也就可發(fā)現(xiàn)經(jīng)過處理后的等效接收信號r相當于無干擾情況下針對第l個用戶第k個碼元時間的接收信號.因此針對式(13)進行變換固定第l個用戶可得到相鄰的幾個碼元時段內的等效接收信號可表示為r(an-Iy =xx2t-1)hn +xx2)hn +n((14)r(2y =-xk2n hn +xk2n-1hn+n(2x(15)r(2u+iy = x(2u+1)hn+xxi+2,hn n(2r+Iyh=2t+1;(16)hph=2t+2(17由于系統(tǒng)中的各個共道用戶都是獨立采用差分空時分組編碼形成各自的發(fā)射信號那么利用得到的這4個等式就能進行差分空時分組編碼的解碼工作獲得第l個用戶的差分系數(shù)并進行反映射以荻得對應的信息比特組.通過以上分析將接收端的處理過程進行歸納可看到此時的處理分為4步進行.第1步接收端進行L倍碼元速率的采樣.第2步將各個采樣點得到的接收信號相鄰點之間進行兩兩相減得到結果r這一步即是干擾的抵消操作第3步將得到的無干擾等效接收信號帶入兩兩相減之后的結果ry中生成新的等效接收信號κ*)y第4步整理同一用戶的等效無干擾接收信號并按照差分空時分組編碼系統(tǒng)的解碼方法進行解碼和反映射工作.第6期劉勤等差分空時編碼系統(tǒng)中的多共道用戶應用在接收端的干擾抵消計算中由于是相鄰采樣點信號兩兩相減因此可得到形成旳等效噪聲均值仍為0但是功率譜為2N在帶入計算中由于將已經(jīng)獲得的無干擾等效接收信號帶入兩兩相減之后的差信號,從而獲得新的無干擾等效接收信號那么此時等效噪聲na的功率譜會不停疊加這也就意味系統(tǒng)解碼性能將越來越差.因此在這種結構設計中經(jīng)過一段時間系統(tǒng)的發(fā)射端01就需要進行復位然后重新進行傳輸.0.013仿真結果與性能分析對單用戶差分空時分組編碼系統(tǒng)和兩共道用戶情況下1E-4一 ne User交錯結構差分空時編碼系統(tǒng)進行仿真采用的調制方式為er FraiLeBISK信道為平坦瑞利衰落信道空時分組編碼方式為差- Two User FramLe分 Alamouti編碼.仿真結果如圖3所示.圖中分別給出了單1E-5用戶差分空時分組編碼系統(tǒng)的性能曲線以及在幀長為20SNR/dB碼元、100碼元和200碼元情況下兩共道用戶交錯結構差分空時分組編碼系統(tǒng)的誤碼性能曲線.從這些曲線的比較中圖3單用戶和兩用戶差分空時分組可看到采用交錯結構進行差分空時分組編碼多共道用戶編碼系統(tǒng)性能比較傳輸是一種可行的方案.在幀長設置較短時系統(tǒng)的誤碼性能和單用戶系統(tǒng)的誤碼性能相比未有明顯的下降.當設置的幀長較大時由于接收端處理過程中產(chǎn)生的噪聲累加效應多用戶系統(tǒng)性能將會有所下降.4結束語面向具有多個共道用戶的差分空時分組編碼系統(tǒng)作以研究對于具有分組同步和碼元同步的多共道用戶差分空時分組編碼系統(tǒng)文中證明了接收端無法在不知曉信道信息(包括不利用信道估計算法)的情況下利用差分空時分組編碼的差分特性進行解碼.因此為了實現(xiàn)差分空時分組編碼條件下多個共道用戶的通信要求提出了一種非同步的交錯結構當多個共道的差分空時分組編碼用戶按照文中給出的特定的時延交錯關系進行傳輸時接收端能夠利用用戶間的交錯間隔進行干擾抵消并且能在未知信道的情況下利用編碼具有的差分關系進行正確的解碼工作.參考文獻:1 J Alamouti S M. A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications[ J ] IEEE Journal on Select Areas inCommunications,1998,6(8):1451-1458[2] Tarokh V, Jafarkhani H. A Differential Detection Scheme for Transmit diversity[J]. iEEe Journal on Select Areas inCommunications 2000, 186): 1 169-1 174[3] Hughes B L. Differential Space-time Modulation[ J ] IEEE Trans on Inform Theory 2000, 46(7): 2567-25784 Hichwald B M, Marzetta T L. Unitary Space-time Modulation for Multiple-antenna Communications in Rayleigh Flat Fading J ]IEEE Trans on Inform Theory 2000, 46(2): 543-564[5 J Tarokh V, Naguib A, Seshadri N, et al. Space-time Codes for High Data Rate Wireless Communication Performance Criteria inthe Presence of Channel Estimation Errors Mobility and Multiple Paths[ J ] IEEE Trans on Communications 1999, 47(2)6] Naguib A F, Seshadri N, Calderbank A R. Applications of Space-time Block Codes and Interference Suppression for Highopacity and High Data Rate Wireless Systems[ A ] Conference Record of the Thirty-Second Asilomar Conference on SignalSystems Computers: Vol 2[ C ] Los Alamitos: IEEE Comp Soc, 1998. 1803-1810[7 Naguib A F, Seshadd N, Caldobank R. Space-time Coding and Signal Processing for High Data Rate Wireless Communications