基于雙選衰落信道的差分空時(shí)協(xié)作技術(shù)

第37卷第6期應用科技vol.37.N.62010年6月月 AppliedScienceandJun.2010doi:10.3969/jisn.1009-671X.2010.06.009基于雙選衰落信道的差分空時(shí)協(xié)作技術(shù)雷霆,謝紅,解武(哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001)要:協(xié)作分集技術(shù)解決了MMo技術(shù)在移動(dòng)終端受天線(xiàn)制約的問(wèn)題.由于無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境的特殊性和復雜性,對信道估計十分困難因此引入了不需要信道佔計的差分空時(shí)編碼,并在時(shí)間選擇性衰落信道和頻率選擇性衰落信道的基礎上研究了時(shí)間-頻率雙選擇性衰落信道模型,在更接近實(shí)際信道環(huán)境的基礎上將差分空時(shí)編碼和協(xié)作分集技術(shù)相融合,理論研究和仿真結果均表明系統性能在信道容量、誤比特率等方面均得到了提高關(guān)鍵詞:雙選擇性衰落信道;協(xié)作分集;編碼協(xié)作模式;差分空時(shí)編碼中圖分類(lèi)號:TN929.5文獻標識碼:A文章編號:1009-671X(2010)04-0031-05Differential space-time coding cooperative diversity in doubly-selectivefading channelLEI Ting, XIE Hong, XIE WuCollege of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)Abstract: Cooperative diversity technology solves the problem that MIMO system is restricted by antennas in themovable termination. Due to the particularity and complexity of wireless communication, it is very difficult to esti-mate the channel, therefore the differential space-time coding which doesn t need the channel estimation is intro-duced, and the time-frequency doubly-selective fading channel model on the basis of time selective fading channelcooperative diversity techniques, the simulation analysis about the systems BER and the system capacity is made eand frequency selectivechannel is also established, then combining the differential space-time codingthe basis of more actual channel environmentKeywords: doubly-selective fading channel; cooperative diversity; coded cooperation; differential space-time cod-無(wú)線(xiàn)通信是當今世界比較活躍的科研領(lǐng)域之問(wèn)題, Sendonaris等人提出了一種新的空域分集技術(shù)一,新一代無(wú)線(xiàn)通信系統的關(guān)鍵技術(shù)—MMO技協(xié)作分集由于協(xié)作分集中的合作伙伴共享彼術(shù),在提高無(wú)線(xiàn)通信系統容量及頻譜利用率上具有此的天線(xiàn),從而構成了虛擬的MIMo多天線(xiàn)系統,從巨大潛力.MIMo技術(shù)實(shí)質(zhì)上是為系統提供空間復這個(gè)意義上講協(xié)作分集為MIMO多天線(xiàn)技術(shù)走向用增益和空間分集增益,空間復用技術(shù)可以大大提實(shí)用提供了一條新的途徑.另外,將空時(shí)編碼技術(shù)和高信道容量,而空間分集則可以提高信道的可靠性,協(xié)作分集技術(shù)結合起來(lái)構成的空時(shí)編碼協(xié)作在快衰降低信道誤碼率.落信道情況下,可以獲得完全分集增益,并且不會(huì )犧雖然MIMO多天線(xiàn)技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢,并已牲上行信道質(zhì)量相對較好的用戶(hù)的性能所以,研究逐漸被新一代無(wú)線(xiàn)通信系統所采納,但是仍然存在MMO系統的空時(shí)編碼技術(shù)和協(xié)作分集技術(shù)具有十問(wèn)題由于移動(dòng)終端對體積、質(zhì)量和功耗要求苛刻,分重要的意義現有的大部分關(guān)于協(xié)作分集和空時(shí)所以現有的多天線(xiàn)都設置在基站端,實(shí)際可獲得的編碼的研究都集中在單一的頻率或時(shí)間選擇性衰落信道容量比理想值大打折扣,使得MMO技術(shù)在實(shí)信道環(huán)境下,而文章主要研究時(shí)間頻率雙選擇性衰際應用中步履維艱為了解決MIMO技術(shù)廣泛應用落信道下的空時(shí)協(xié)作分集系統的性能收稿日期:200911409作者簡(jiǎn)介:雷霆(1983-),女,碩士研究生,主要研究方向:通信信息與信息系統,E-mail:beiting9830625@yahoo..om.cn32應用科技第37卷信道模型2.1協(xié)作分集概述協(xié)作分集基本思想可以追溯到 Cover和Gaml無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境的復雜性導致建立數學(xué)模型十分關(guān)于中繼信道的信息論特性的研究,他們的研究得困難,成為無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域發(fā)展的絆腳石,制約著(zhù)各種出了幾種特殊情況下的中繼信道容量和一般情況下關(guān)鍵技術(shù)的研究發(fā)展和實(shí)際應用.如何建立更加貼的信道容量界,奠定了中繼通信的基礎理論,促進(jìn)了近實(shí)際環(huán)境的信道模型成為十分重要的研究課題.協(xié)同通信的發(fā)展.在此基礎上 Sendonaris等人提文章首先研究雙選衰落信道模型,然后在此基礎上出了協(xié)作分集,現有的研究結果表明,在平衰落環(huán)境研究適用于該信道模型的差分空時(shí)協(xié)作分集技術(shù).下,協(xié)作分集可以擴大系統容量提高網(wǎng)絡(luò )服務(wù)質(zhì)設h(t;r)表示包含發(fā)送和接收濾波器以及時(shí)量,改善系統性能下面以2用戶(hù)為例介紹協(xié)作分集變信道的基帶等效時(shí)間連續的信道沖激響應,H(;的基本原理T)是其傅立葉變換同時(shí)定義最大時(shí)延擴展rm、最U1和U2為蜂窩系統中的2個(gè)獨立用戶(hù),假設大多普勒頻移/,對于lr1>rm,>U。1,滿(mǎn)足他們是協(xié)作伙伴,U1在向基站傳送自己的信息的同HG;r)1≈0.考慮一個(gè)包含N個(gè)符號的第k個(gè)符時(shí)還要把從U2接收到的信息也發(fā)送給基站同樣號塊,T,為符號間隔,根據參考文獻[1]得出MIMo的道理,U2也要接收U1的一部分信息并轉發(fā)給基系統中時(shí)間頻率雙選擇性基帶等效時(shí)間離散衰落信站這樣在用戶(hù)U和基站之間就產(chǎn)生了2條獨立道模型為的衰落路徑:一條是U1與基站之間的直接傳輸路徑;另一條是U1、U2與基站間的間接傳輸路徑引h(n;)=“(k),根據不同的信號處理方式可將協(xié)作分集分為3[1,N,];p∈[1,N]種模式:編碼協(xié)作(C)模式、前向放大(AF)模式中:L=「rm/T1,Q=2「∫mNT,1·假設信道為欠式和前向解碼(DF)模式0,在文中主要研究CC擴展信道,即時(shí)延一多普勒擴展因子2/mT=<1的方案.CC方案是將協(xié)作分集思想與信道編碼相結信道實(shí)際上,大多數電離層、對流層散射信道以及合,通過(guò)2條獨立的衰落信道來(lái)發(fā)送每個(gè)用戶(hù)碼字其他無(wú)線(xiàn)信道均為欠擴展信道的不同部分.其基本思想是每個(gè)用戶(hù)都將增加的冗圖1給出了雙選擇性衰落信道的沖激響應,仿余信息發(fā)送給其伙伴,通過(guò)正確解碼伙伴的信息,真所用的系統參數為:載波頻率∫=900MHz,符號之后重新編碼并發(fā)送出去,來(lái)同時(shí)獲得分集和編碼周期T=0.5ms,接收機最大移動(dòng)速度v=增益.當它們之間的信道非常惡劣時(shí),該機制自動(dòng)恢96km/h,不難得到最大多普勒頻移為廠(chǎng)m=80H,復到非協(xié)同模式由于編碼協(xié)同的良好性能且不需符號塊的符號數N取50,共有4條路徑延時(shí)分別要知道用戶(hù)間的信道信息,還可以利用空時(shí)編碼的為0、1、4.5、5.5研究成果,所以是目前備受關(guān)注的焦點(diǎn)延為2.2編碼協(xié)作模式的工作原理時(shí)延為圖2是編碼協(xié)作模式的方框圖第幀發(fā)送Nbit暫4第2幀發(fā)送Nbi時(shí)延為55時(shí)延為用第幀發(fā)送Nhit第2幀發(fā)送Mbit時(shí)間/s徑數圖2編碼協(xié)作模式方框圖圖1雙選擇性衰落信道的沖激響應2空時(shí)協(xié)作分集原理用戶(hù)把信源數據分成若干個(gè)數據塊,每一個(gè)數據塊都相應的增加一個(gè)循環(huán)冗余校驗碼,假設每一個(gè)數據塊包含K比特信息(包括循環(huán)冗余校驗碼比第6期雷霆,等:基于雙選衰落信道的差分空時(shí)協(xié)作技術(shù)特信息),然后塊與碼率為R的糾錯碼進(jìn)行編碼,每B=[b4(1),…,b(i),…,b(N2)],(k=1,2),一個(gè)數據塊就有N=K/R比特的信息2個(gè)協(xié)同用N為發(fā)送符號數戶(hù)都將含有N比特碼字的數據發(fā)送周期分為2個(gè)則接收信號為階段稱(chēng)每一階段為一幀在第1幀中,2個(gè)用戶(hù)分R1,=S1.H1.a+N2.;別發(fā)送1個(gè)碼率為R1的碼字(R1>R),該碼字含有。H21N比特的信息(N=K/R)2個(gè)用戶(hù)都接收其協(xié)作式中:H12和H2。為信道信息伙伴的數據信息并嘗試對其進(jìn)行正確的譯碼,假如假設U1和U2具有相同的信道信息,在2i-1譯碼正確(由循環(huán)冗余校驗碼決定),在第二幀中,時(shí)刻,U1得到從U2傳輸過(guò)來(lái)的信息S2(2i-1)的估用戶(hù)將計算并發(fā)送其協(xié)作伙伴的第2部分N個(gè)比計值S(2-1),同理U2得到從U傳輸過(guò)來(lái)的信特的信息;否則用戶(hù)將在第2幀發(fā)送自己的第2部分的N2個(gè)比特信息這樣每個(gè)用戶(hù)在每個(gè)周期都息51(2i-1)的估計值S2(2i-1).根據差分編碼原是發(fā)送N個(gè)比特(N=N+N2)信息,每一個(gè)用戶(hù)僅理,U1和U2在偶數時(shí)間2i發(fā)送-S2(2i-1)和在自己的多徑信道中傳播-8S(2i-1).所以,傳輸符號變量S,和S2被定義為S=-S23差分編碼與協(xié)作分集融合算法(2)3.1編碼方案根據式(1)、(2)有B2在研究編碼協(xié)作分集原理的基礎上,將差分空時(shí)編碼應用在該系統中.一般空時(shí)分組碼的實(shí)現都依賴(lài)于信道估計然而由于實(shí)際信道環(huán)境的復雜性則接收信號為R1。=-S2.H12.。+N2,;導致了信道估計誤差,從而造成系統性能下降,給通信帶來(lái)嚴重問(wèn)題.為了克服這個(gè)問(wèn)題,并結合編碼協(xié)r2 si huls N2同分集系統不需知道用戶(hù)間的信道信息的特點(diǎn),在3.2譯碼方案此引人差分空時(shí)分組碼.圖4為該系統發(fā)射端框差分譯碼器框圖如圖4所示ML譯碼器s1(2i-1)叫道編時(shí)“畫(huà){圈的[51(2i)圖4差分譯碼器框圖b3()州天檢測濾波器s2(2i-1)在接收端令接收信號圖3差分空時(shí)協(xié)作分集系統發(fā)射模R4=(R4。R,)2,發(fā)射信號文章主要研究發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)數均為2的情況結合差分編碼原理和協(xié)作分集原理該系統根噪聲據Aamo矩陣,2用戶(hù)U1和U2經(jīng)則接收信號可以表示為R=HS。+N過(guò)信道編碼和星座調制后的信號b1(i)和b2(i)在差分空時(shí)編碼后在奇數時(shí)間2-1被定義為{4通過(guò)判決統計計算和最大似然譯碼,得到b,(i)= arg min I b,(i)-b,(i)Ii(2i-1)=b4(i)}2,即傳輸符號變量S1和S2在奇數時(shí)間被定義為b,(i)=arg min I b2()-b2(i)IS,。=B1;S2,。=B2(1)式中:C1和C2為經(jīng)過(guò)信道編碼的符號集式中:第37卷比特率是指碼元在傳輸系統中被傳錯的概率,其定4仿真結果及分析義是為4.1信道容量PM (y,/h)Q(√h隨著(zhù)用戶(hù)數量的逐漸增多,信道容量越來(lái)越成為大家研究MIMo系統相關(guān)技術(shù)所關(guān)注的問(wèn)題信Q(道容量是指信道所支持的最大的無(wú)誤碼的數據傳輸速率,則輸出端的信噪比可由下組式子表示:y,sin (T/M)Sm=[h14(2i-1)12+h24(2i)12]2E,o2n=[h4(2i-1)12+lh24(2i)12]2N,=[h14(2i-1)|2+h2(2i)12]2y假設最短序列距離為dn,錯誤路徑的碼重為d,則接收序列的碼重為(d+1)/2≤d,≤d.所以可能發(fā)生錯令h14(2i-1)12+h2(2i)|2=h/2,有誤的概率可以表示為y。=hy,/2.P(4)=F/d1(3)式中:h與H關(guān)系表示為hd(1)0PM由公式(3)表示,式中:y,=15dB.采用8FSK調0bu(3)制,得到仿真結果如圖6所示HLn(k=1,2)0hu(N-1)則該系統的信道容量為xh)=28(1+y)=2lg{l+h式中:y,=5dB,得到仿真結果如圖5所示Theory analingal-selectiye& cooperate I叫主類(lèi)cooperate SdB圖6系統誤比特率仿真圖從圖中不難看出,同樣是采用差分空時(shí)協(xié)作分集技術(shù),由于信道環(huán)境更接近于實(shí)際情況,雙選擇性衰落信道的誤碼率較單選擇性衰落信道的誤碼率有所下降,但是都遠遠好于沒(méi)有采用差分空時(shí)協(xié)作分圖5信道容量仿真圖集技術(shù)的系統從圖中可以看到在相同信噪比的情況下采用5結束語(yǔ)差分空時(shí)編碼協(xié)作分集技術(shù)可以顯著(zhù)提高信道容量雖然文中主要研究的雙選擇性衰落信道的信道容量研究了時(shí)間-頻率雙選擇性衰落信道模型,提出略差于單選擇性衰落信道但是較沒(méi)有應用差分空時(shí)了差分空時(shí)編碼和協(xié)作分集技術(shù)的融合編譯碼方案協(xié)作分集技術(shù)的系統而言,系統容量有所提高在更加復雜的信道環(huán)境下使系統性能在信道容4.2誤比特率分析量、誤碼率等方面得到了提高,通過(guò)進(jìn)行仿真分析進(jìn)步驗證了理論研究的正確性隨著(zhù)用戶(hù)對無(wú)線(xiàn)數據傳輸的速率和質(zhì)量的要求不斷提高,研究通信系統的誤比特率越來(lái)越重要.誤(下轉第39頁(yè))第6期李文興,等:光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤研究化需要重新跟蹤以上2點(diǎn)可以從圖34中分析得應用[M].北京:科學(xué)出版社,2005到由圖8(b)、(c)中可以看出,在第1段與第2段,[2]雷元超,陳春根沈俊等光伏電源最大功率點(diǎn)跟蹤控第2與第3段的交界處,也即環(huán)境發(fā)生變化的瞬間,制方法研究[門(mén)].電工電能新技術(shù),2004,3(23):7680.都可以發(fā)現系統功率保持一個(gè)采樣周期不變,這與3]閩江威光伏發(fā)電系統的最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)研究改進(jìn)后的算法吻合.綜上所述,本方案可以實(shí)現快[D]武漢:華中科技大學(xué),2006速、穩定的跟蹤[4]孔娟.太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統的研究[D].青島:青島大學(xué),20065結束語(yǔ)[5]陳桂蘭,孫曉李然光伏發(fā)電系統最大功率點(diǎn)跟蹤控制[J].電子技術(shù)應用,2001,8:3335提出固定電壓法和導納增量法相結合的思路來(lái)6] TAFTICHT T, AGBOSSOU K, DOUMBIA M L,etal.An進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤,并在此基礎上進(jìn)行適應環(huán)境roved maximum power point tracking method for phot性的改進(jìn)方案利用固定電壓法迅速跟蹤到近似最voltaic systems[J]. Renewable Energy, 2008, 33: 1508大功率點(diǎn),再利用導納增量法進(jìn)行精確跟蹤此方案1516既減少了跟蹤的時(shí)間損耗,又降低了跟蹤的振蕩損[7] AHMEDN A, MIYATAKE M. A novel maximum power耗同時(shí),引入的環(huán)境變化判斷因子避免了電壓崩潰pplications under partihaded insolation conditions[ J]. Electric Power Systems現象,提高了跟蹤的穩定度,Research,2008,78:777-784參考文獻:[8]龔菲,太陽(yáng)能光伏路燈系統中MP控制器的研究與設計[D].杭州:浙江大學(xué),2007[]趙爭鳴,劉建政,孫曉瑛袁立,等.太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其(上接第34頁(yè)參考文獻:[1] WANG Z, GIANNAKIS G B. Wireless multicarrier commu- [6] SENDONARIS A, ERKIP E, AAZHANG B. User coopera-nications:Where Fourier meets Shannon[J]. IEEEon diversity-Part I system description [J]. 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