相關(guān)瑞利信道下差分空時(shí)檢測協(xié)同分集方案

第24卷第2期信號處理Vol 24. No. 22008年4月SIGNAL PROCESSINGApr. 2008相關(guān)瑞利信道下差分空時(shí)檢測協(xié)同分集方案趙賢敬鄭寶玉(南京郵電大學(xué)信號與信息處理研究所214#,南京210003)要:本文提出了一種采用分布式差分空時(shí)分組編碼和檢測的協(xié)同分集方案,在不需要信道狀態(tài)信息(CS1)的情況下可以實(shí)現滿(mǎn)分集和全速率發(fā)射,并推導了相關(guān)瑞利信道下該方案誤碼率(BER)性能上限的解析表達式。傳統的差分空時(shí)分組編碼對整個(gè)碼塊進(jìn)行差分,而協(xié)同分集下的任何一個(gè)協(xié)同用戶(hù)進(jìn)行差分編碼時(shí)都不知道整個(gè)碼塊的信息。本文所提出的差分BPSK調制方案,通過(guò)將兩協(xié)同用戶(hù)的信息分別被調制到相互正交的實(shí)軸和虛軸上,從而將碼塊的聯(lián)合差分轉化為各用戶(hù)獨立差分。分析了在協(xié)同用戶(hù)間不同的信道狀態(tài)信息(CS)和協(xié)同用戶(hù)到接收用戶(hù)不同的CS情況下本文所提出發(fā)射方案的性能。仿真結果表明本文所提出的方案獲得了明顯的分集增益,同時(shí)也較好的吻合了理論分析的結果。關(guān)鍵詞:協(xié)同分集;分布式空時(shí)編碼;差分空時(shí)分組編碼A Cooperative Diversity Scheme Based on Differential Space-TimeCodes for Correlated Rayleigh ChannelsZHAO Xian-jing ZHENG Bao-yuInstitute of Signal and Information Processing, Nanjing University of Posts and Telecom. Nanjing, 210003, ChinaAbstract: In this paper, a novel cooperative diversity protocol with distributed differential space-time block coding is presentedhich can achieve full diversity with full rate with no need of channel state information( CSI). A close form expression for bit error rate(BEr)of the proposed scheme is derived for temporal correlated Rayleigh channele without considering the decoding errors between in-terusers. In traditional differential space-time block coding scheme, difference is done on each whole block. As to distributed cooperativediversity scheme, traditional difference is not practical for the perfect information of the block is unknown to each user when to be differ-ential encoded In the proposed differential modulation scheme, the information of the two cooperative users is modulated to orthogonal re-al axes and image axes. This degrades joint block difference to independent difference, which makes the full rate transmission possibleThe proposed transmission scheme is analyzed for different channels of interusers and channels from cooperative users to destination. Nu-merical results show that the proposed scheme gets distinct diversity gain and coincides with the analytical results wellKey words: Cooperative diversity; distributed space-time coding; differential space-time block coding了固定中繼( Fixed Relaying)、選擇中繼( Selection Relaying)1引言和增量中繼( Increment Relaying)三種協(xié)同策略。 Babaross協(xié)同分集( cooperative diversity)技術(shù)通過(guò)使網(wǎng)絡(luò )中各單進(jìn)一步研究了空時(shí)編碼在協(xié)同分集中應用。與 Laneman等天線(xiàn)用戶(hù)共享彼此天線(xiàn)形成虛擬的多天線(xiàn)陣列來(lái)實(shí)現發(fā)射工作時(shí)間上同時(shí)進(jìn)行的是 Hunter和 nosratinia)提是出的編碼或接收分集,可以有效地抵抗多徑衰落并提高網(wǎng)絡(luò )性能3),協(xié)同( coded cooperation)研究其將信道編碼技術(shù)應用到協(xié)同為MMo技術(shù)的實(shí)用化提供了一條可行的方法。協(xié)同分集分集中,如 turbo碼。起源于中繼信道的研究但是它們又不完全相同。 Sendon-所有以上工作都是基于接收端或發(fā)射端能夠通過(guò)信道ans,Eip和 aazhang'"最早研究了協(xié)同分集與網(wǎng)絡(luò )容量和中估計獲得CS然后進(jìn)行相干檢測的假設。在實(shí)際中,這就意斷概率( outage probability)等系統性能的關(guān)系,其研究前提是味著(zhù)協(xié)同用戶(hù)和接收用戶(hù)必須進(jìn)行信道估計。當系統存在基于發(fā)射端已知CS1,有點(diǎn)類(lèi)似波束形成( beamforming)。多個(gè)協(xié)同用戶(hù)發(fā)射時(shí)由于每對用戶(hù)都需要進(jìn)行信道估計,lateran,Trwe和 Women深人研究了分集的實(shí)現策略提出這就使得系統變得非常復雜。因此,設計一種接收端不需要收稿日期:2006年9月14日;修回日期:無(wú)基金項目:國家自然基金資助項目(60372107信號處理第24卷估計CS的系統更切合實(shí)際。差分調制和檢測技術(shù)不需要信簡(jiǎn)單起見(jiàn),階相關(guān)系數省略下標即p=p。(A2)所有信道狀態(tài)信息,在不便于進(jìn)行信道估計的場(chǎng)合得到了廣泛應道在空間上都是相互獨立的即用戶(hù)i到用戶(hù)j的所有衰減因用。在高斯白噪聲信道和不相關(guān)的瑞利平坦衰落信道下,差子h都是相互獨立的,且所有用戶(hù)到接收用戶(hù)的衰減因子分二進(jìn)制相位調制( DBPSK)的誤碼性能比相干檢測差3dB·。對于時(shí)間相關(guān)的瑞利衰落信道在高信噪比區域存在{“是獨立同分布的,即n=P,P=P=1。協(xié)同用誤碼平臺4。H.Vedk描述了獨立瑞利衰落信道和戶(hù)間的信道是對稱(chēng)信道,即2和也是獨立同分布的隨機相關(guān)瑞利衰落信道的區別并給出了相關(guān)瑞利衰落信道下變量因此,p2=p1,P=P。(A3)發(fā)射端和接收端都未FSK調制的近似誤碼性能。后來(lái)PYKm給出了頻率非知信道信息。(A)信道為時(shí)變信道但是在連續的幾個(gè)符選擇性相關(guān)瑞利信道下MDK的誤比特率的解析表達式。號周期內信道衰落變化很小。(A5)U和U2等功率發(fā)射,對于空時(shí)調制,VTah和 H Jafarkhani提出了一種且E,=1。此外說(shuō)明,本文中的標量變量用斜體字符表示,向實(shí)現協(xié)同差分的差分檢測方案。不久. L. Hughe提出了量或矩陣變量用加粗的斜體字符表示。一種用于多天線(xiàn)發(fā)射的基于組碼的通用差分調制方法。接22差分空時(shí)調制著(zhù)CGao和 AM Haimovich給出了獨立的塊衰落瑞利信道下采用差分檢測的MDK空時(shí)分組碼的誤碼性能分析。但用戶(hù)1和用戶(hù)2在t時(shí)隙的BPSK信號為:是,時(shí)間相關(guān)瑞利信道下MPSK差分空時(shí)編碼的BER的性能b={-1,1,i=1,2分析仍有待于繼續研究空時(shí)差分分組碼第一列遞歸定義如下:對于協(xié)同通信,G.Wang,Y. Zhang和M.G.Amin1提出了分布式差分空時(shí)分組編碼方案來(lái)實(shí)現協(xié)同分集。P.Tarasak和HMin研究了兩用戶(hù)協(xié)同系統的差分實(shí)現同時(shí)(Ss)=(時(shí))(1)0S2給出了不同差分檢測方法的誤幀率。這兩種差分方案都獲得了滿(mǎn)分集但是兩種方案都沒(méi)能獲得滿(mǎn)速率發(fā)射。另外,其中,j=√-1。類(lèi)似的第二列Tarasak和G.Wang的工作都是基于不相關(guān)的瑞利信道上進(jìn)行的,而實(shí)際的信道多是時(shí)間相關(guān)的,可用Jake信道建模,本文將繼續研究時(shí)間相關(guān)瑞利衰落信道下分布式差分空($)=()時(shí)編碼協(xié)同分集的方案和相關(guān)性能。S基于上文的分析本文提出了一種采用分布式差分空時(shí)其中分組編碼和檢測的協(xié)同分集方案在不需要信道狀態(tài)信息情其中{上為協(xié)同用戶(hù)對{4.,的估計值因此空時(shí)差況下可以實(shí)現滿(mǎn)分集和全速率發(fā)射。在不考慮協(xié)同用戶(hù)間分發(fā)射矩陣為誤碼的情況下推導出了該方案在時(shí)間相關(guān)瑞利衰落信道下誤碼率的解析表達式。在不同的協(xié)同用戶(hù)間信道和不同的So -So協(xié)同用戶(hù)到接收用戶(hù)間信道下分析了本文所提出的發(fā)射方S(3)案的性能。數值結果表明本文所提出的方案獲得了明顯的分集增益同時(shí)也非常吻合理論分析結果。如果協(xié)同用戶(hù)能完全正確解碼即{=6.則式2差分協(xié)同分集方案(3)退化為2x2的 Alamouti空時(shí)編碼矩陣2.】系統模型表1協(xié)同發(fā)射分集的差分方案考慮兩個(gè)單天線(xiàn)用戶(hù)(U1和U2)和一個(gè)單天線(xiàn)接收用戶(hù)d的無(wú)線(xiàn)通信系統,并2t用戶(hù)2t+1且每個(gè)用戶(hù)可以同時(shí)收od發(fā),任何用戶(hù)之間的信道U2=U1mm)都假設為準靜態(tài)瑞利平坦衰落如圖1所示。圖1中,h表示t時(shí)圖1協(xié)同分集信道模型隙用戶(hù)i到用戶(hù)j間信道表l給出了協(xié)同發(fā)射的差分方案具體發(fā)射過(guò)程如下整個(gè)協(xié)的衰減因子,為復高斯隨機變量。關(guān)于信道,本文做了如下同過(guò)程可劃分為兩個(gè)時(shí)隙即2時(shí)隙和2+1時(shí)隙。在2時(shí)假設:(A1)文中所有信道模型均為時(shí)間相關(guān)的Jake’信道。隙,Ul和U2以廣播的形式分別發(fā)射信號S和S2。其中,S即E(碼碼)=p=P(2mB2m),其中BT是歸一化的多和S是b和b由式(1)差分得到的結果。在接收用戶(hù)d普勒頻移,()表示零階第一類(lèi)貝塞爾函數P表示衰落端接收信號可表示為的平均功率,p=J(2πB7)表示l階相關(guān)系數,=0,1,…,=lS+礎S+吃(4)第2期相關(guān)瑞利信道下差分空時(shí)檢測協(xié)同分集方案其中n表示接收用戶(hù)d端的高斯噪聲,U和U2同時(shí)接收+(,S1,+::吃+:1嗎-2:4)到的信號可表示為:2=h2S+n2 r4=hS:+n2(5)D2=8:(42-4h)+S:(42-424)此處咄和嗎分別表示Ul和U2端的高斯噪聲。由于U1和根據假設(A4),進(jìn)一步考慮=h,,l=,及p=1。容U2都未知信道狀態(tài)信息,通過(guò)如下差分檢測,U1和U2分別易得到得到:32=2201,2 =r,a=RR1=(P+|4P)(S-,Pb+21Pb)因此可進(jìn)行如下判決if Re()>0因此,b、b的估計值b和b可分別有如下得到if Re(y2)0(13)if Img(2)>01 if Re ya)0這樣,U1和U2都得到了對方發(fā)送的信息,然后通過(guò)式1 if Img(y2)<0(2)進(jìn)行差分編碼。在2+1時(shí)隙,U和U2以廣播的形式發(fā)這樣差分檢測過(guò)程基本完成。射信號-S和S。則在接收用戶(hù)接收信號,為:3差分檢測方案的誤碼性能分析r2,a-h4S:2+礎2S至此差分空時(shí)編碼和發(fā)射初步完成?？紤]時(shí)間相關(guān)信道并將y表示成如下形式下面我們將研究協(xié)同用戶(hù)間解碼無(wú)誤碼時(shí)的情況即x+xF2.3差分空時(shí)檢測(15)S2=S2且S=S,此時(shí)的性能也就是協(xié)同差分方案誤碼性能(16)的上界。則接收矩陣R1可表示為:Y=λ++κ’,H"=++k2此處,R=()=($h, h2-l2(嗎呢)=,起(10)=422|S.Pb+2192Pb根據最大似然檢測原理,得到:h2+m42=R1=(s=3225S-1+h13-2Szl2|5S1Pb+而F21S2H2b(ss:)-4,∥:,(m)=12,6+2-,2(8)∥≤(吣小磁s=S,n-2-S2"n2點(diǎn)=8n:+S"嗎,+S$:2n,+S=+ll+Ill其中,業(yè)'表示Hmin操作,并且l,I和Ⅲl分別表示期望22-2s信號項,噪聲項及干擾項,即:I=心l2S;S;:+l"礎2SS1+4h22S S: 1+h2h242 S SⅡ=(4S2++S吃,一S)186信號處理第24卷這里的x表示和U和U2發(fā)射符號有關(guān)的項,可以視兩維表2H與高斯分布擬合的均方誤差均方星座圖下幅度為·些的單符號對的定虛部義與λ類(lèi)似。在21小節的假設下,X1和2均為零均值獨立同分0.0157布的復高斯隨機變量。由于Y1和Y2的表達式中含0.0159v,l4asAs,因此需要進(jìn)一步的分析其隨機特性其中0.946570.01730.01660.79484001910.0184從表中可以看出隨著(zhù)p的增大,H與高斯分布擬合的均方誤差也顯然,叫2,4為信道時(shí)域響應(總,42,2,22的墨逐漸減小。但當p較統一寫(xiě)法)的函數,則Y也為h的函數。h包絡(luò )和相位的聯(lián)大(p>0.99784),尤其合概率密度函數為是p>0.9946時(shí),H基本上可認為是高斯p(r1,n2,B1,62)==(2mp)(-p)152153354455過(guò)程。對于Y有類(lèi)似的結果。x3+3-20m(-8-虛部的累計分布函數與高斯分布比較此外,由于后文所涉及信道的ρ均大于其中,r1,n2分別為h的某兩個(gè)時(shí)刻的幅值,B1,2分別對應的0.9978,因此H1和Y2可看成復高斯隨機變量。又由附錄1,Y和Y2不相關(guān)所以復高斯變量H1和H2滿(mǎn)足相互獨立的條相位。m(的)=點(diǎn),p出,μ=(),腳=(耳,丙),件。再由附錄2得到,共2=(x1,x)。x,x3,x的定義參見(jiàn)文獻[17]。E(H)=E(y22)=2+4N+2(1-P2)(18)則y實(shí)部的累計分布函數可表示為其中N表示噪聲功率。所以,(X1,H1)與(X2,H)為不相關(guān)FRecr:,(y)=Pr( Re(r )