衛星通信中基于擴頻技術(shù)的異步差分空時(shí)協(xié)同編碼研究

0254-6124/2015/35(5)-63107Chin.J. Space Sci.空間科學(xué)學(xué)報Zhang Jianwu, Zhang Qianhua. Asynchronous differential space-time block codes based on spreading techniques over satellitecommunication(in Chinese). Chin. J. Space Sci., 2015, 35(5): 634-640, doi: 10.11728/cjss201505634衛星通信中基于擴頻技術(shù)的異步差分空時(shí)協(xié)同編碼研究章堅武1章謙驊121(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院杭州310018)2(中國聯(lián)合通信有限公司杭州分公司杭州310013)摘要衛星通信系統中經(jīng)過(guò)不同信道的中繼信號強度存在顯著(zhù)差異,存在同步誤差且時(shí)延差動(dòng)態(tài)變化,嚴重影響了誤碼性能。傳統方案一般通過(guò)引入差分編碼解決衛星通信接收端的動(dòng)態(tài)信道估計問(wèn)題.本文通過(guò)擴頻系統中的正交碼區分來(lái)自不同中繼衛星的信號,借助擴頻碼表提取各路信號后進(jìn)行空時(shí)解碼從仿真結果可知,差分空時(shí)編碼與擴頻技術(shù)相結合能獲得更好的誤碼率性能,很好地解決了隨機時(shí)延差問(wèn)題,使接收端無(wú)須對信道參數進(jìn)行估計,從而大幅降低其復雜度關(guān)鍵詞衛星通信,異步協(xié)同通信,分布式差分空時(shí)編碼,擴頻中圖分類(lèi)號V413,0TN927Asynchronous Differential Space-time Block CodesBased on Spreading Techniques overSatellite CommunicationZHANG Jianwu ZHANG Qianhua1(School of Telecommunication Engineering, Hangzhou Dianzi Universitg, Hangzhou 310018)(China Unicom Hangzhou Branch, Hangzhou 310013)Abstract In satellite cooperative communication system, delay errors caused by different delaybetween different channels with large scale relays brings loss of BER. Traditional solutions generallyuse differential codes to estimate channel parameters dynamically in the receiving end of a satellitecommunication system. In this paper, orthogonal codes in spread spectrum technique systems areused to distinguish signals from different relay satellites. In this paper, spread spectrum codes tableis used to extract signals from different relay satellites, then to carry out a space-time decoding. Ascan be seen in simulation results, differential space-time blocks codes with spreading has a better*國家自然科學(xué)基金項目資助(61102066)2014-0928收到原稿,20150415收到修定稿E-mail:121080014@hdu.edu.cn章堅武等:衛星通信中基于擴頻技術(shù)的異步差分空時(shí)協(xié)同編碼研究BER than the one without spreading. It solves the problem of random delay, so that the recend of the channel should not to estimate channel parameter. The complexity of the receiving endis significantly reducedKey words Satellite communication, Asynchronous cooperative communication, Distributeddifferential space-time codes, Spreading spectrum0引言接收端分離并重組信號,減小延時(shí)誤差帶來(lái)的異步效應仿真結果表明,在異步協(xié)同通信中,使用擴頻技空時(shí)編碼可在時(shí)域和空域中對源信號的多個(gè)副術(shù)的空時(shí)編碼相比于原始差分空時(shí)編碼的誤碼性能本信號進(jìn)行不同維度的編碼構造,配合多天線(xiàn)系統,提升了3dB可支持高速率無(wú)線(xiàn)傳輸.但對于功率、尺寸受限的通信終端,很難引入多天線(xiàn)系統因此,可以采用多個(gè)1系統模型中繼相互協(xié)作,構成虛擬多天線(xiàn)系統,即協(xié)同通信協(xié)同通信一直是衛星通信領(lǐng)域的研充熱點(diǎn).分本文采用的通信系統模型為雙中繼衛星協(xié)同通布式協(xié)同通信研究了空時(shí)編碼2,但未考慮不同中信模型國4,如圖1所示,其中S是發(fā)送端,D是接繼信道的延時(shí).文獻和囤研究了衛星通信中的收端空時(shí)協(xié)同編碼應用,采用放大前傳( Amplitude For-衛星和收發(fā)端形成的幾何形狀如果不滿(mǎn)足橢圓ward,AF)和解碼前傳( Decode forward,DF)兩種不形,則接收端接收到的信號會(huì )產(chǎn)生時(shí)延差.而衛星軌同的協(xié)同方式,結果驗證了在衛星通信中應用空時(shí)協(xié)道上滿(mǎn)足橢圓條件的位置是比較苛刻的發(fā)送端發(fā)送同編碼的可行性異步協(xié)同通信需考慮信道間的時(shí)延出的信號經(jīng)過(guò)不同衛星轉發(fā)后,到達接收端將生成碼差帶來(lái)的定時(shí)誤差,使得空時(shí)編碼的正交性被破壞,元定時(shí)誤差接收端碼元時(shí)延差如圖2所示影響系統誤碼性能.文獻間6研究了在較小時(shí)延假設天線(xiàn)Tx1發(fā)送數據到衛星R1時(shí)延為T(mén),天下具有延時(shí)容忍度的空時(shí)編碼,提高了頻譜利用率,線(xiàn)T2發(fā)送數據到衛星R2的時(shí)延為T(mén)u+u(為增加了系統容量文獻7采用OFDM對抗頻率選兩路上行信道的時(shí)延差);衛星R1轉發(fā)信號到D的擇性信道,但由于需要引入循環(huán)前綴,使得該方案只適合時(shí)延差較小情況.擴頻通信具有抗干擾能力強抗多徑等特點(diǎn)S.文獻9將信息經(jīng)過(guò)差分處理后擴頻,中繼解擴后擴頻,使得系統復雜度過(guò)高.文獻[10研究了在 Nakagami衰落信道下將擴頻技術(shù)引入空時(shí)編碼,對已知和未知信道均進(jìn)行了仿真,性能優(yōu)良但未應用于異步空時(shí)通信系統.文獻1證明雙發(fā)單收空時(shí)系統中采用差分編碼對比相干檢測性能提升了3dB.文獻12】在星間存在鏈路時(shí)進(jìn)行協(xié)同差分空時(shí)編碼研究,證明協(xié)同通信更適用于衛星通信圖1協(xié)同通信模型文獻[13]構造了差分空時(shí)編碼,信源擴頻后,碼片占Fig 1 Cooperative communication model用的時(shí)間變小,可以用于對抗時(shí)間選擇性衰落,但僅code element 1 code element 2 code element 3適用于時(shí)延差小于一個(gè)碼元長(cháng)度的異步通信T本文應用差分空時(shí)編碼使得接收端無(wú)須獲取動(dòng)態(tài)變化的信道參數,即可完成解碼.同時(shí),將各中繼信號當做不同用戶(hù),將正交擴頻碼引入有時(shí)延差的異圖2接收端碼元定時(shí)誤差效果步協(xié)同通信系統,對各信道信號采用不同的擴頻碼Fig 2 Renderings of timing error in receiver636Chin.J. Space Sci.空間科學(xué)學(xué)報2015,35(5)時(shí)延是Ta,衛星R2轉發(fā)信號到D的時(shí)延為T(mén)a+7a線(xiàn)等技術(shù)將信號傳輸到不同的中繼;第二階段,中繼(7a為兩路下行信道的時(shí)延差),則發(fā)送端發(fā)送的信號將接收到的信號進(jìn)行放大前傳(AF)到目標端.系統到達接收端的時(shí)延差為T(mén)u+ra的接收部分如圖4所示本文對空時(shí)信號進(jìn)行正交擴頻處理,在接收端對假設信道是多徑信道,服從萊斯信道模型,主徑接收到的來(lái)自不同中繼的異步信號進(jìn)行提取分離,將和多徑信道參數幅度由萊斯信道系數決定.發(fā)送端分離出的異步信號處理成同步狀態(tài),即幀對齊后再進(jìn)發(fā)射天線(xiàn)具有指向性;中繼和接收端不具有多天線(xiàn)行空時(shí)解碼.系統的發(fā)送部分如圖3所示只有單根天線(xiàn),并且對接收到的信號透明轉發(fā);接收圖3假設地面發(fā)送端對衛星的位置具有可知性,端對來(lái)自不同中繼的信號分離處理與Rake接收機各天線(xiàn)發(fā)送具有指向性,即發(fā)送端天線(xiàn)1發(fā)送信號到的原理類(lèi)似,解調后的基帶信號通過(guò)相關(guān)器,相關(guān)性中繼1,天線(xiàn)2發(fā)送信號到中繼2(為了減小發(fā)射端最大即為所需信號,具體如圖5所示的發(fā)射功率)與傳統的協(xié)同通信各階段發(fā)送信號不相關(guān)器1~n和相關(guān)器n+1~2n相差一定時(shí)同,第一階段,發(fā)送端不廣播信號,而是通過(guò)智能天延進(jìn)行相關(guān)性計算,并乘以相應系數;對經(jīng)過(guò)中繼1spreading sequence)一7xsourceadulationdifferential7spreading sequence 2圖3發(fā)送端信號空時(shí)編碼和擴頻Fig 3 Space-time coding and spreading in transmitter圖4接收端信號解擴和空時(shí)解碼Fig 4 De-spreading and二二二二二二二二二二二二二二二二二nBn圖5接收端信號解擴處理Fig 5 De-spreading in receiver章堅武等:衛星通信中基于擴頻技術(shù)的異步差分空時(shí)協(xié)冏編碼硏究637和中繼2轉發(fā)的信號在信道中產(chǎn)生的多徑信號合并系數進(jìn)行檢測即可解碼信號處理差分空時(shí)解碼系統的接收端不需要明確信道系數即可將信號解碼.假設接收到的信號用(r21-1,r2,2差分空時(shí)編碼r2+1,72+2)表示,則SIsO系統中,M進(jìn)制碼字c1;,C2,……,c1,…,cMA=(r2-1,r21),B=(r2+1,r2+2),(i∈{1,2,…,M})經(jīng)差分編碼后的信號x1,x2;…C=(r2(10)x1,……,xM(∈{1,2,…,M}滿(mǎn)足以下關(guān)系利用碼字正交性,兩個(gè)判決統計量可由下式給出(1)a1=B·AH(11)空時(shí)差分編碼的結構如圖6所示,其中a1,a2為差B(12)分空時(shí)編碼的兩個(gè)系數空時(shí)差分編碼將連續多個(gè)信號作為輸入,輸出多根據最大似然(ML)譯碼算法可以獨立地將兩個(gè)信號,這里取中繼數為2,而前一次發(fā)送的連續兩個(gè)線(xiàn)性差分編碼系數譯出,參照差分編碼系數映射幀信號決定了后續需要發(fā)送的信號12.即表,采用非相干譯碼技術(shù)進(jìn)行解碼(2+1,22=a212+1-ax-1.(2)3擴頻空時(shí)編碼其中,*為共軛符號.由式(2)可推算出源信號經(jīng)過(guò)差分編碼后還需經(jīng)過(guò)空時(shí)編碼才能a1=x2+121-1+x2+2x2(3)進(jìn)行發(fā)送假設發(fā)送端空時(shí)編碼結構是 Alamouti編a2=-2i+12i+T2i+221-1(4)碼前后幀信號進(jìn)行過(guò)差分編碼如下以QPSK為例,有x2-1=x21=e07/4/V2SN,則可得各路差分信號x2={N+1,SN+2,……,s2N]i2r(c2x+1+0.5)/4(s10≤i≤2N)∈ cDQ).(13)x2+2=e22+2+0)/4/√2(7)假設擴頻碼長(cháng)為L(cháng),則有將式(6)和式(7)帶入式(2)和式(3),可以得出c=(c1,c2,…,CL),(1≤i≤K,i∈z+).(14)a1=e02xc2+1/)+e012x2+/4/2,(8)式中K為參與協(xié)同通信的中繼個(gè)數中繼接收到的信號為a2={ea+1)/4l+e2(2+2+2)/41/2.(9)r1=√1h11oc1+√p1h12·m20c2+m1從式(8)和式(9)可以看出,差分編碼系數與倍(15)源有一對一的映射關(guān)系,因此接收端只要對差分編碼p1aoC+x2+1,x2+differential1h22·(x1)oc2+n2(16)式中,表示矢量相乘符號。為 Kronecker乘積h圖6差分空時(shí)編碼結構為發(fā)送端到第j中繼第讠幀的信道系數,p1為發(fā)送端Fig 6 Differential space-time coding structure到中繼的發(fā)射功率中繼對接收到的信號進(jìn)行放大Chin.J. Space Sci.空間科學(xué)學(xué)報2015,35(5)后轉發(fā)到接收端,假設放大系數為A,定義為當擴頻序列滿(mǎn)足以下條件時(shí),系統誤碼率將降低Vp1+1(17)條件1不同擴頻序列之間保持正交;式中p2為中繼功率分配因子,滿(mǎn)足文獻(2]中功率條件2擴頻序列均值為0或極小值最優(yōu)功率分配P2=Rn2=P/2,其中R為中繼數,P滿(mǎn)足條件1,不同擴頻碼的正交性將不同幀信號為系統總功率.則接收端接收到的信號可表示為的干擾當作噪聲處理,從而減小或消除干擾的影響;滿(mǎn)足條件2,經(jīng)擴頻處理后的噪聲對信號的影響將減z1=Ar1+m3=Mha1·h11m1°c1+弱甚至消除.理論上擴頻碼足夠長(cháng),噪聲就會(huì )完全消Mhd·h12·c2oc2+除,但是實(shí)際上無(wú)法實(shí)現擴頻序列的選擇可以有多x2=2+n=Mnh21(8)種只要滿(mǎn)足選取的兩個(gè)條件即可使用Mhd1·m1+n3,4仿真結果與分析Ahd h22(ai)oC2+ Ahd2'n2+ n4(19)假設信道特性遵循萊斯分布,萊斯因子為6~10令Mha1·h11=h1,Mh(信道直視路徑功率較大),調制方式為BPSK,協(xié)作中繼數量為2或3.本章將改進(jìn)的空時(shí)協(xié)同編碼與傳ha21=ha3,Mhd2·h22=h4,Mha1·71+n3=u1,Mhan2+n4=02,式中ha是中繼i到接收端的統的空時(shí)協(xié)同編碼在異步傳輸環(huán)境中進(jìn)行性能比較信道系數,則接收端接收到的信號可以表示為同時(shí)比較了不同擴頻碼的異步空時(shí)協(xié)同編碼圖7為空時(shí)編碼在異步傳輸情況下的誤碼性能z1=h1·m1oc1+h2·m2oc+1,(20)分析.假設將一個(gè)碼元分成16個(gè)等間隔的小時(shí)隙,圖中的Td為時(shí)延差,即小時(shí)隙個(gè)數,T。為碼元長(cháng)度z2=ha3(-2)c1+hi+m(2)從仿真結果可以看出,隨著(zhù)時(shí)延差的增大,傳統空時(shí)接收信號首先進(jìn)行解擴,即編碼的誤碼性能逐漸降低,而且降低程度有所增加.當時(shí)延差超過(guò)1/2個(gè)碼元長(cháng)度時(shí),系統幾乎不可用r1=∑(cx)假設萊斯信道系數為10(衛星通信中較好的傳輸環(huán)境),擴頻碼長(cháng)16,信源調制方式BPSK,中繼n2=∑(c1z)(23)數2,3,傳統空時(shí)編碼中加入擴頻處理圖8為基于直擴序列的異步空時(shí)協(xié)同編碼與傳統的空時(shí)協(xié)同編W1,W2定義為W1=c2(h1·1oc1)2+c2(h103W2=c2ha3(--2)ocn]+ch4·(x1)oc2]1dill(25)-Tait 3/8 Ts由式(20)~(25)可得Tr1/27Tdirr 5/8 Tsr1=h1x1+h2x2+r2=ha(-2)+h4·(a1)+2.(27)圖7異步傳輸對傳統空時(shí)協(xié)同編碼對誤碼性能的影響接收端對解擴后的信號進(jìn)行空時(shí)差分解碼或ML解Fg7 Effects of SER performance of the traditional碼后即可獲得源信號.space-time with asynchronous communication章堅武等:衛星通信中基于擴技術(shù)的異步差分空時(shí)協(xié)同編碼研究639碼與分集系統誤碼性能比較,橫坐標SNR表示每一同延差下的誤碼性能仿真.在不同的時(shí)延差下,擴頻根天線(xiàn)上的信噪比.1TR(單中繼單接收機)情況碼的引入沒(méi)有造成大的誤碼性能損失,說(shuō)明擴頻技術(shù)下,對碼元進(jìn)行擴頻處理后,性能得到很大的提升,S-能對抗時(shí)延差帶來(lái)的空時(shí)編碼誤碼性能下降.圖中NR為10-3時(shí),BER提升6dB;采用空時(shí)分組編碼,時(shí)延差為碼元長(cháng)度的整數倍,但即使是非整數倍的時(shí)2T1R情況下,擴頻處理后,空時(shí)系統在SNR為10-3延差也同樣適用,也同樣能減小誤碼性能的損失時(shí),BER提升5dB;采用空時(shí)分組編碼,3TR情況假設多徑為3條,時(shí)延差為20個(gè)碼元長(cháng)度以?xún)认?擴頻處理后,SNR為10-4時(shí),BER提升1dB.發(fā)的隨機非整數.傳統空時(shí)編碼和差分空時(shí)編碼在有送端分集系統,每根天線(xiàn)發(fā)送能量進(jìn)行歸一化處理,無(wú)擴頻的情況下的誤碼性能仿真如圖11所示可以即人為降低單根天線(xiàn)上的信噪比,為了使2TIR空時(shí)看出,差分編碼確實(shí)比非差分編碼性能較差,有3dB系統和1T2R分集系統具有相同的誤比特性能.當誤碼損失,而經(jīng)過(guò)擴頻之后的差分編碼比沒(méi)有擴頻的每根天線(xiàn)上的信噪比相同時(shí),空時(shí)系統表現為較好的差分編碼性能上有所提高.說(shuō)明擴頻碼的引入能為誤比特性能.可以看出,在空時(shí)編碼中應用擴頻處理,系統帶來(lái)誤碼性能.差分空時(shí)編碼在擴頻處理后比可以提高系統的誤碼性能沒(méi)有擴頻處理的編碼具有4dB信噪比提高.圖9為基于 Walsh序列和正余弦序列的改進(jìn)的異步空時(shí)編碼的誤碼性能比較.可以看出,在擴頻長(cháng)度都是16的情況下,基于 Walsh序列的空時(shí)編碼具有較好的誤碼性能.盡管兩種擴頻碼都能克服異步環(huán)境帶來(lái)的影響,但在10-4誤比特率下, Walsh序Walsh: delay列有2dB信噪比優(yōu)勢,原因是正余弦序列不能保證Walsh: delay 10完全正交.擴頻的使用,在時(shí)延差為10個(gè)碼元長(cháng)度delay 10的情況下與沒(méi)有時(shí)延差相比,誤碼性能并沒(méi)有下降10F-.-STBC+Cos: delay oCOS: delay 0STBC+COS: delay 10所以,盡管 Walsh編碼碼具有較好的正交性能,但正PCOS: delay 10弦序列也能對抗時(shí)延差引起的定時(shí)誤差,只是性能沒(méi)SNR/dB有 Walsh碼好;在大時(shí)延差情況下,碼元擴頻處理后圖9基于 Walsh序列和正余弦序列的改進(jìn)的異步空時(shí)減小了時(shí)延差引起的誤碼性能降低程度協(xié)同編碼誤碼性能比較圖10為基于 Walsh序列的空時(shí)協(xié)同編碼在不Fig 9 Difference of BER between asynchronousspace-time coding with Walsh and cosine sequence10-110STBC+DSSS. 3TIR10-4DSSS. IT3RSTBC. 3TIRdelay 1010-5delay 20)STBC+DSSS. 2TIRDSSS. IT2R- delay 30一STBC.2T1RIT2R→ delay50SNR/dSNR/ dB圖8基于直擴序列的空時(shí)編碼與傳統空時(shí)編碼圖10基于直擴序列改進(jìn)的空時(shí)協(xié)同編碼在不同時(shí)延差誤碼性能的比較下的誤碼性能仿真Fig 8 Difference of SER between space-time codingFig 10 BER of space-time coding with spreadingwith spreading and traditional space-time codingsequence in different time delays640Chin.J. Space Sci.空間科學(xué)學(xué)報2015,35(5)張更新,蔣麗鳳,等.衛星空時(shí)協(xié)同策略研究J數字通信世界2012,7(1):55-57)4 Chang Jishi, Chen Wenjing, Ma Dongtang. Analysis ofcooperative communication strategy in satellite communi-10cation system[J. Mod. Elec. Tech,, 2010, 33(23 ) 63In Chinese(昌紀師,成文婿,馬東堂.衛星通信系統的協(xié)同通信策略研究問(wèn)].現代電子技術(shù),2010,33(23):6366)[5 Mei Y, Hua Y, Swami A, et aL. Combating synchro-differential codingnization errors in cooperative relays[C)//IEEE Inter-differential coding spread spectrum 4space-time codingnational Conference on Acoustics, Speech, and Signalspace-time coding spread spectrum 4Processing. 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