时间选择性衰落信道下的差分空时多普勒编码

第38卷第2期中国海洋大学学报38(2):331~3342008年3PERIODICAL OF OCEAN UNIVERSITY OF CHINAMar,,2008时间选择性衰落信道下的差分空时多普勒编码蔚娜12,赵犁丰3,杨莘元(1.哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150001;2.中国电波传播研究所,山东青岛266107;3.中国海洋大学电子工程系,山东青岛266100)摘要:对于差分编码的系统,接收端可利用差分编码自身的结构来进行解调,无需知道信道状态信息。因此基于时间选择性衰落信道的基扩展模型,提出一种新型的应用于时间选择性衰落信道下多输入多输出系统的差分空时多普勒(DsTD)编码方案,由该方案组成的系统可以配备任意数目的发送和接收天线。该DSTD系统发送端由频谱编码器、差分编码器和OFDM调制器串联组成,能提供最大空间多普勒分集增益和显著的编码增益。差分编码器中酉结构的引入可以实现线性空时分离的最大似然检测,降低了译码的复杂度。仿真分析表明与已有差分系统相比,文中所提出的差分编码方案可以获得更高的分集增益。关键调:差分调制;时间选择性衰落;最大空间多普勒分集;空时编码;正交频分复用中图法分类号;TN911文献标识码:A文章编号:1672-5174(2008)02331-05为了提高无线通信的可靠性和有效性,新的理论符号说明:大写粗体表示矩阵(例如:X),[x]m,表示和技术不断涌现。其中,多输入多输出(MIMO)系统X的第(m+1,n+1)个元素;小写粗体表示列向量就是近年来在无线移动通信研究中的1个热点,尤其(x),[x]m表示x的第(m+1)个元素;IN表示NxN是基于多天线传输的空时码,在接收端进行适当的信单位矩阵;1N表示元素全为1的N×1向量;0表示元号处理就可以获得分集增益和编码增益,提高了信道素全为0的N×1向量;(·)表示转置;(·)表示共容量12l但是绝大多数的空时码方案都是假设在接轭;(,)表示共轭转置;Rel,表示求实部dagx表收端能够准确获得信道状态信息(CSI),并且在足够长示以x为对角线元素,其它元素为0的矩阵;⑧表示的时间内信道保持不变,这在实际的快衰落信道中是 Kronecker乘积。很难满足的。如果在发送端采用差分编码系统,在接收端进行1信道模型译码时就无需知道CSI,基于此,产生了差分空时编码(DSTC)。单差分空时分组编码(SDST)方案(3能够本文采用基扩展模型19来模拟时间选择性衰落信在没有CSI的情况下进行译码,但当信道存在频率偏道设n为每个分组块中符号序列索引,N为1个分组移,为快衰落信道时,性能会下降。单天线双差分编码块中包含的符号数分组块索引用k表示,则得到时变方案56在译码时可以降低对频率偏移的敏感度,而结信道的离散表达式为:合了单天线双差分编码技术和空时编码技术的双差分hmp)(AN+n)=∑h"(k)(1)空时分组编码(DDST)方案,即使对于每发送1个编码符号信道就变化的时间选择性衰落信道,在接收端其中,p=1,…,N2为发送天线,=1,…N为接收同样可以获得较高的分集增益和编码增益天线,Q=2「∫mxNT1,fm为最大多普勒频移,T,为但是文献[7]的DT方案也只是利用了空间分符号周期,呦=2nx(q-Q/2)/N,n=0,…N-1集,而文献[8]提出的单天线系统下的块差分编码方则接收端第υ个天线在第kN+n个时刻收到的信案,可以获得多普勒分集增益。据此,本文提出了应用号为于时间选择性衰落信道下多输入多输出系统的差分空r(o)(kN +n)=时多普勒编码方案,该方案除了利用空间分集还利用U(O(N+ n)(o,)(kN+n)+了时变信道下的多普勒分集,能够获得更大的分集增o)(kN+n)益以块为单位,写成矢量的形式为:·基金项目:国防基金(51401040703CB0102);“十一五”预研项目(11001060404)资助收稿日期:200706-18;修订日期:20070925作者简介蔚娜(1981-),女博上。 E-mail: lenghanbingxue@sin.cm中国海洋大学学报2008年r(o)(k)=e EDo.p(k)yp(k)+5 o)(k)得到y=(INw⑧D∥")x)+η)((2)其中,y)=(IN⑧Fp)(IM⑧Rq)g其中,r(k)=[r{)(kN),…,r(划N+N-1)];n)=(L⑧F)(IN⑧Rc){,yp)(k)为发送向量:[vP)(kN),…,v)(kN+N1)]r;yo)(k)与r)(k)有相同的结构其元素是独立同(IN⑧Ta)(IN⑧F)x,分布的均值为0,方差每维为05的复高斯随机变量;信道矩阵D")(k)=dg.[h(u,)(N…“,hP= pP/(P+Q)2.2差分编译码(kN+N-1)]};p是接收端信噪比。不失一般性,本差分编码器取N个NP×1向量s0,…,sN-1作为文只考虑1个分组块,因此为了表述方便,下文中的分输入(Na=(N/N4-1),合理设置使N/N为大于1组块索引k略去不写。的整数),首先把s(i=0,…,N,-1)分成N个P又已知循环矩阵可以被IFFT矩阵对角化),因1维子块s,m(m=1,…,N),令Cm是这些向量通过此DP)可以写成以下形式:以下复正交设计得到的矩阵:D(A)=FNHU,P)FE(3)其中,H(",P)是1个N×N循环矩阵,其第一列为[hS),…h",…,hgn),…,h出]r;FN为N点8F-圆87a□F归一化FFT矩阵,[FN]nn√°2m”/N。1由(3)式可知,在发送端和接收端分别进行FFTF和IFFT变换,可以把时间选择性衰落信道转换成频率选择性衰落信道,所以:F了一[R一L8∑Hp)la(p)+;()(4)图1基带DSTD系统Fig 1 Baseband DSTD system其中,g)=F,)=F(),p)=FAw)N-12系统模型∑[A1⑧5,m+B1⑧sm](7)图1是DSTD系统收发端的框图发送端由3部分A,B,是NxN4实矩阵M在本文中的值遵循式组成:频谐编码器,差分编码器和OFDM调制;接收端(8),且N=N,包括与发送端3部分对应的逆过程。N2,若N4=2,4,8,2.1OFDM调制与解调若对于频率选择性衰落信道,引入OFDM结构,这样8,若N1=5,6,7可以解决块间干扰,并且可以以块为单位进行译码,还可以把经过在发送端加入和接收端去掉循环前缀而变取X0=I⑧IP,则:成循环矩阵的信道矩阵对角化,因此差分编译码器之x82…x只间的信道等效为X= D(I⑧F)(Iw⑧R)Hp)I⑧ToTNt. m(I6②F)=I⑧D!(p(S)其中,其中TcaP=[T1,IP,T2],(1)T1=[0a2)x(P-a/2),lo2],D,(a)= diagix(,Rap= [Opx(Q/),IP,OPx(Q/)]从而得到在N4个天线上发送的码字矩阵为:D{n)=dag{[Hp(0),…,H(,p)(P-1)]X=[x(),x(Hr(np)(p)=∑h(q-Q/2)p/P其中,2期娜,等:时间选择性衰落倩道下的差分空时多普勒编码333xp)=[x.3,…,x)1.0,…,x.,…,x8),N]T为a,m即可完成译码。因为在实际的系统中有N个发送天线,所以实际发送又假设星座符号集况中每个信息符号包含 Bits,的码字矩阵为:则经过LCD映射之后,|<|=2则随着R或者P的由(6)式把第个天线上的接收矢量分为(M,(11)增大,译码复杂度都会增加因此为了减小译码复杂X=TX=LIN,0x(N-N)」X度,采用分组的方法3假设P=N(Q+1),则进一步把d,m分成N个NP×1子块ym(m=0,…,N),则:组d,m(g),(g=0,…,N-1),d,m(g)映射成为=∑(D}”)x2,…,x1m+CD码s,m(g),则:xn(g)=D:(g)Cn(g)==/:(Dx.)Th()+n)x(1(g)…xg)1.m(g)其中,Dx=LINp0Px-N)D,h(v)=[h1)r,…,hpN)TT,h,)是D胃对角线上的元素组成的列向量。其中,[xm(g)]=[xm]+系由(9)式得到:D。=D:DCn(13)3仿真分析这里,Dc∑A,⑧D,m+B,⑧D仿真中假设每个符号块发送N=48个符号,每对则结合式(12)、(13)可以推出:天线之间的信道有(Q+1)=3个复指数基,并且信道(14)的基扩展模型参数是独立同分布的均值为0,方差为其中wm)=ηm-Dηm1,本文假sm取自模为常/(Q+1)的复高斯随机变址。采用本文提出的方法对数且能址归一化的星座A,所以D是酉阵,不难得2发1收(2副发送天线1副接收天线)以及2发2收的到wm)的元素是独立同分布的均值为0,每维方差为1系统分别进行了仿真,并与文献[8]的结果进行比较。的高斯随机变量。图2、图3分别对应R=1、R=2,由图中误比待率曲线对于N个接收天线,有:yn=[ym),…,ym)的斜率可以看出,文献[8]的方案所获得的分集增益同理有:ym=(囟D)ym1+wn(15)(即:(Q+1))是3,本文2发1收系统和2发2收系统获得分集增益(即:NN,(Q+1))分别是6和12,可见wn与yn有相同结构。本文提出的差分编码方案较文献[8]获得了更高的分令:x1,m=gm1集增益,不仅获得时间选择性衰落信道提供的多普勒{[∑[a,⑧D…,[an⑧D!]×x+分集,还同时获得了多副收发天线提供的空间分集。∑[b⑧D"1],…∑[b,D}]}其中,a.n,b,n为N×1列向址,分别对应A,B10在文献图8]Dn(n= dingY21(n)},ym1(n)是P×1列向量,一本文N=2N=1并且:ym)1=[ym)1(0),…,y)1(N4-1)]T。从而,,m= arg max S, m∈ AR Rel z:),51,mThe proposed algorithm Na2, N=2152025信噪比 Signal noise ratio/ei=0,…,N-1;m=1,…,Na2.3频谱编译码图2R=1时各系统性能比较如图1所示,取自星座的信息符号流d分成Fig 2 Performance comparison with R=1NN个P×1子块d,m(i=0,…1;m=1,Na),每个子块分别映射成为P×1为维LCD码12)s,m,接收端只要将差分译码得到的3,n逆映射中国海洋大学学报2008年[2] Tarokh V, Jafarkhani H, Calderbank A R. Space-time block codefrom orthogonal designs [J]. IEEE Trans Inform Theory, 1999, 45(7):1456-1467.[3]Hochwald B M, Sweldens W. Differential unitary space-time modula-[]. IEEE Trans On Communications, 2000, 48( 12):2041[4]Information Theory, 2000, 46(7): 2567-2578|△-文献图[5] FGini, Giannakis G B. Generalized differential encoding一本文N=2N=1signal processing perspective [J]. IEEE Trans On Signal PnThe proposed algorithm N=2 N 1D1998,46(11):2967-2974proposed algorithm N-2.N-2[6] Pent M. Doubly differential PSK scheme in the presence of Dopplershift[C]. France: Digital Communications in Avionics, AGARD信噪比 Signal noise ratio/dBProe,1978,43:I-43.II[7] Liu, Z, Giannakis G B, Hughes B L. Double differential space-time图3R=2时各系统性能比较block coding for time- selective fading channels [J]. IEEE Trans OnFig 3 Performance comparison with R=2Communications,2001,49(9):1529-1539[8] Ma X, Giannakis G B, Bing Lu. Block differential encoding for rapid4结语ly fading channels [J]. IEEE Trans On Communications, 2004, 52(3):416425本文提出了时间选择性衰落信道下任意收发天线[9Max. Giannakis G B. Maximum-Diversity transmissions over time.数的差分空时多普勒(DSTD)编译码系统。在差分编Selective Wireless Channels [C]. USA: Proc of Wireless Communica-码中引入基于分组正交设计的酉结构可以使最大似然tions and Networking Conf, Orlando, FL, 2002[10] Golub G H, Loan C F van. Matrix computations [M]. Maryland码在时间和空间上分离,并且頻谱编码中LCD码的Johns Hopkins Univ Press, 3rd Edition, 1996引入可以降低译码的复杂度。仿真结果表明在没有[1! Tirkkonen O. Hottinen A. Square-matrix embeddable space-timeCSI的情况下,系统可以同时获得空间和多普勒分集block codes for complex signal constellations [J]. IEEE Trans增益以及显著的编码增益Theory,2002,48(2):384-395[12] Li Hongbin. Differential space-time modulation ower frequencyselec参考文献tive channels[J]. IEEE Trans On Signal Processing, 2005, 53(6):22282242[1] Tarokh v, Seshadri N. Calderbank AR. Space-time codes for high [13] Liu Z, GiannakisG B. Block differentially encoded OFDM withdata rate wireless communicatiomaximum multipath diversity [J]. IEEE Trans Wireless Commun.struction [J]. IEEE Trans Inform Theory, 1998, 44(3): 744-7652003,2(5):420-4(下转302页)中国海洋大学学报2008年Distribution of Branchiostoma belcheri and Amphiura vadicola in Relation toBottom Grain Size in Dafangji Waters, MaomingLU Huo-Sheng, SHEn Chun-Yan, FENG BoCollege of Fisheries, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524006, ChiAbstract: Distribution of Branchiostoma belcheri and Amphiura uadicola is analyzed based on marine biolog-ical surveys conducted in Dafangji waters, Maoming during august 2003 to May 2004. both branchiostomabelcheri and Amphiura uadicola distribute in clusters. Their inter-species relationship proves to be positive inspatial distribution, and they do not compete strongly. branchiostoma belcheri is mainly distributed in sandwith median diameter (Md,)from 0.4 to 2.2 and its density is large for Mdo ranging from 0. 5 to 1.5 andsmall in the remaining intervals of Mdo. It is greater than 100 ind/m where the granularity of 0.36-0. 78mmgroup is greater than 50 percent and less than 50 ind/m otherwise. Amphiura uadicola is mainly distributedsand with Mdo ranging from 0.2 to 0. 8. Its density is dramatically greater where the granularity in 0. 360 78 mm group lies from 60 to 80 percent than where the granularity of the same group if from 10 to 50 per-Key words: Branchiostoma belcheri; Amphiura vadicola the median diameter Inter-species relationship责任编辑于卫上接334页)Differential Space-Time-Doppler Coding over Time-Selective ChannelsWEI Na. 2, ZHAO Li-Feng, YANG Shen-Y(1. College of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering UnHarbin 150001, China; 2China Research Institute of Radiowave Propagation, Qingdao 266107, China; 3. Department of Electronics and EngineeringOcean University of China, Qingdao 266100, China)Abstract: Differential encoding is known to simplify receiver implementation because it by-passes chanel estimation. Relying on a basis expansion model for time-selective channels, we derive a new differential space-time-doppler modulation scheme for systems that are equipped with an arbitrary number oftransmit and receive antennas and operate in time-selective channels. The proposed dStd modulator con-sists of a concatenating spectral encoder differential encoder and OFDM modulator that offer full spatio-doppler diversity and significant coding gain. A unitary structure is imposed on the differential encoder toadmit linear, decoupled maximum likelihood ML)detection in space and time. Simulation results showthat the proposed! dStd codes achieve higher diversity gain in time-selective channels than some existingdifferential schemesKey words: differential modulation; time-selective fading: maximum spatio-doppler diversity; space-time coding: OFDM责任编辑陈呈超