放大转发异步协作通信系统中的差分空时频传输方案

第43卷第6期西安交通大学学报Vol 43 No62009年6月JOURNAL OF XI'AN JIAOTONG UNIVERSITYJun.2009放大转发异步协作通信系统中的差分空时频传输方案高贞贞,朱世华,徐静(西安交通大学电子与信息工程学院,710049,西安)摘要:针对频率选择性信道下的异步协作分集系统中信道估计复杂度高及中继传输异步问题,提出了一种采用放大转发协议的异步差分空时频编码传输方案( ADSTE).该方案首先在源节点对数据符号进行满分集旋转、 Cayley变换及正交频分复用(OFDM)调制,然后在中继节点将接收符号放大转发,构造了一种分布式差分空时频编码,在目的节点未知信道状态信息、中继节点非完全同步的情况下, ADSTF方案能够同时获得空间分集和多径分集.与采用差分正交空时分组码的OFDM传输方案相比, ADSTF方案能够获得更高的分集.仿真结果表明,与采用BPSK调制的DOSTBC-OFDM方案相比, ADSTF方案仅以0.25b/(s·Hz)的速率损失为代价,就能在误比特率为10ˉ3时获得3dB的信噪比增益关键词:差分空时频编码; Cayley变换;多径分集中图分类号;TN929.5文献标志码:A文章编号:0253987X(2009)06-006205Differential Space-Time-Frequency Transmission for Amplify-and-ForwardAsynchronous Cooperative communicationsGAO Zhenzhen, ZHU Shihua, XU Jing(School of Electronics and Information Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi an 710049, ChinaAbstract: Focusing on asynchronous cooperative communication systems over frequency-selectivefading channels, a distributed differential space-time-frequency(ADSTF) coding scheme is pro-posed by using the amplify-and-forward protocol. By applying full diversity rotation, Cayleytransformation and OFDM modulation at the source node and then amplifying and forwarding thereceived signal at the relays, a AdStF code is constructed. The proposed scheme can achieveboth spatial and multi-path diversities without either perfect synchronization at the relays or anyinstantaneous channel state information at the destination node. Compared with the differentialOSTBC OFDM transmission, the adstf transmission scheme can obtain higher transmit diver-sity. Simulation results show that the AdStf scheme outperforms the differential OSTBOOFDM scheme with BPSK modulation by 3 db at bit-error-rate of 10-3 with only a rate loss of0.25b/(s·Hz)Keywords: differential space-time-frequency coding: Cayley transformation; multi-path diversity近年来协作分集作为一种新的分集技术得到系统的更加复杂5.文献[5]研究了接收端未知信道了快速发展12.目前已有的协作传输方案大多假设状态信息的协作传输方案设计,但它是以同步传输接收端已知完整信道状态信息34,然而信道估计通为前提条件实际上协作分集是通过不同终端上的常很复杂协作传输又包括广播和中继2个阶段,使天线来提供的,而每个终端都有自己的本地振荡器得协作分集系统所面临的信道估计比传统MMO所以需要很大的系统开销以消除中继间的同步问收稿日期:2008-10-20.作者简介:高贞贞(1982-),女,博士生;朱世华(联系人),男教授博士生导师基金项目国家自然科学基金资助项目(60372055);教育部高等学校博土学科点专项科研基金资助项日(200306989027)第6期高贞贞,等:放大转发异步协作通信系统中的差分空时频传输方案题.文献[6-7]虽然考虑了协作通信的异步特性,节点的异步问题要求CP长度Le>max(L1,L2+但是要求目的节点必须知道完整的信道状态信息,max(r1,r2)).在阶段2,中继节点只对接收数据进并且需要中继节点进行复杂的译码操作行简单操作后放大转发因为CP足够长,因此仍然本文为频率选择性信道下的异步协作通信系统能保持各个子载波之间的正交性把时间上的不确设计了一种放大转发分布式差分空时频编码(AD定性时延转化成频域的相移频域信道可写成H。STF)方案 ADSTF方案通过在源节点对数据符号=F1h,HRD= F2i hrD,i=1,2,其中F1=分组降低了编解码的复杂度,同时通过满分集旋[0M,∫DM,…,門],F2转、 Cayley变换及OFDM调制构造了满分集的差[∫+「,…,∫向)是傅里叶变换矩分空时频码.理论分析和仿真结果表明,本文方案能阵,∫=[1,eN,…,e点-1N丁,N是子载波够同时获得空间分集和多径分集个数,T为一个OFDM符号持续时间1系统模型在第n次协作传输的阶段1,源节点将处理后的2个OFDM符号先后发送出去,发射功率为P1设协作通信系统中每个节点只有一个天线,且则2个中继节点接收到的信号频域表达式为不能同时进行收发源节点S和目的节点D之间没有直接传播路径.n、r2是中继节点R1、R2的定时y?= PiHsR.+误差且均为符号的整数倍每次协作通信过程包括广播阶段(阶段1)和中继阶段(阶段2),中继阶段y=P1"x"·Hs3,+w采用放大转发协议,系统模型如图1所示y2)=Pl/ s(m). Hs.+w22式中:x”、x2”分别是2个OFDM符号的频域表示w),i=1,2,j=1,2是0均值方差di=1的复高斯白噪声在阶段2,R1、R2按照表1对接收信号进行处理,并将处理后的OFDM符号向目的节点转发,发送功率为P2,为了表述简洁,在目的节点将接收信图1异步协作通信系统模型号用=(1+11点D0)归一化这样不会影响接收信噪比),接收频域信号为在第n次传输中,源节点S到中继节点R1、Ry=y2(x·H1-x·H2)及R1、R2到目的节点D的信道冲激响应分(3)y=y12(x2·H1+x·H2)则为()8锅(D0(一的()和h()式中,71+P+P2b(Dh3(D)o(r-pm(D),=1,2,其中L1、L2分别是H:H2=H2D·2;等效噪声w"、w是0均到中继、中继到D的信道多径个数,”()、值、方差吗=1的复高斯白噪声U(D)分别表示S到R1、R2的第l径时延,A"(D)、p(1)分别表示R1、R2到D的第l径时延h(l)、表1中继节点的处理h(1)分别表示S到R及R到D的第l径信道衰中继第1个符号间隔第2个符号间隔落系数均服从0均值方差、分别为∞12、022.的复高节点发送的中继信号发送的中继信号斯分布假设各节点之间的信道及信道中的各径是不相关的,且相邻2次传输信道保持不变,可以忽略R(p+1)P(PB1)堆信道上标,定义信道系数向量[h,(1),h(2)…h,(L1)R2hrD=[hRD(1),hRD(2),",hRD(L2)]T在阶段1,S对符号处理并发送,为了克服中继西安交通大学学报第43卷2分布式差分空时频码的构造且x"(6)≈x(k)-x2(k)x2)(k;)x1(m(k)其中x”(k,),x”(k,)分别表示式(3)中发送符号向假设在第n次传输中,源节点有3N个待发送量x"),x”的第k个符号,其他N-1组待发送符信息符号s",它们都取自幅度调制(PAM的星座,号可按相同过程构造S={±1,士3,…,±(2-1)},K是每个符号的比由前述构造过程可见,在整个传输过程中,发射特数为了降低编解码的复杂度,将3N长的信息3N个信息符号共用了4个OFDM符号周期因此符号分成6=下组其中是复杂度分集因子为本文方案的速率为3/4b(s·H),而现有文献的整数第g组符号表示为sx)=[s"(3(g-1)r+传输速率一般为1/2b/(s·H2).对于所提的差分1),s”(3(g-1)r+2),…,sm)(3gP],g=1,2,…,空时频码的译码,可以直接采用文献[9中给出的线e由于这N组信息符号是相互独立的因此,下文性ML译码中只考虑第g组符号的编码构造当中继个数M>2时,可采用分簇的方法直将第g组符号分成3组并进行满分集旋转接将本文方案应用到多中继系统,即把所有中继分zgn}=以Mi=1,2,3(4)成两簇,第1簇作为R1,第2簇作为R2,每簇进行相式中:u如=[sm(3(g-1)r+(i-1)r+1),同操作因而简单易行s"(3-1)+(i-1)+P),=1,2,3M是rx3成对错误概率及分集增益的分析r的满分集旋转矩阵.令c=x如,c=xkzx3,并构造如下等效码字下面分析前节构造码字的成对错误概率及分集C(1)增益因为Yx=V"X""H2+Wx”=vYk"C(r)V"wx-"+w",w"是酉矩阵,所以噪声项其c(i)=/c2:()(i=1,2,…,vW-")与W”具有相同方差,这样等效噪声2"(i)-cg(v"KW""+W”的方差就加倍了.以Y”"为F显然C"是个 Hermitian矩阵,因此通过 Cayley条件的成对错误概率(PEFP)的 Chernoff界为变换可由C得到酉矩阵v=(I+C)1(IxC)设织"是任意不同于的信息符号,二者vwy")≤cp(d(vin, v(m)经过式(4)的满分集旋转,不难证明旋转后的符号构成的码字Cm和C满足|der(cn-Cn)≠0,即C"是满分集的根据文献[9]中引理3可知v"也式中d(v",v")=Y""CYx",C=(w"一是满分集的v)"(v-V).在中或高信噪比的假设下有相应地将差分传输的第g个待发送符号块表示为X,则目的节点接收到的第g组符号表示为Yx=XD,,那么d(v",V")=hYx)=XH4+Wx”,其中Y=[y"(k1),y"(k),xm-cXk-1Hk,代人式(5),根据附录A的推导,y"(kr),y2”(kr),H=y[H1(k),H2(k1),可得当lgy<1,最终的PEP上界为P≤H()],B1()于,W"=[w9(4),(),Gy2-(曾),其中Lm=mn(L…,L),G=W(),购(体待发送符号块X由下式(a3)-.因此本文方案获得的分集为2m迭代产生v"X1)n≥1(L,L)(1-1g)还依赖于系统总功率的大小2rx2r n0当n≥1时当y足够大(p11)时,本文方案能同时获得Xm(k1)空间分集和多径分集,且所能获得的多径分集受限于源到中继、中继到目的节点多径个数的较小者,即X(kr)2min(Li, Li)高贞贞等:放大转发异步协作通信系统中的差分空时频传输方案654仿真实验与结果--F=1仿真中假设子载波数N=64,中继个数M=2,延时r、z2服从均匀分布且在[0,3]中随机选取,多径信道具有功率延迟谱[1/2,1/2],两径位置为[011],CP长度取为16,信息符号取自S={±1}.设PI系统总功率为P功率分配为P1P,P:=M当P=2时,不同多径个数对系统性能的影响P,g2/dB如图2所示假设中继到目的节点的多径个数L2=2源到中继的多径个数为L1从图2中可以看出图3不同r取值对系统性能的影响当L1=2时的分集阶数比L1=1的大,并且所获得的分集阶数受限于两段路径中较小的多径个数,与在误比特率小于102时,本文方案的优势是明显本文的理论分析相吻合.交换L1、L2的值会产生的采用BPSK的差分 OSTBC在误比特率较高的相同的实验结果时候比本文方案的性能要好,但是当误比特率小于10-3时,本文方案的性能更优,并有更高的比特M=2,L11,L22速率-+ M-2, L1"Lr"2BPSK-OFDM, 0.5 b/(sHz)OFDM,1.0b/(3H2)ADSTE10P,-a2/dB图2不同多径个数对系统性能的彩响P,,/dB假定L1=L2=2,r取不同值时对系统性能的图42种方案的比较影响如图3所示从图3中可以明显看出r=2时的分集阶数比r=1时的大,这是因为在信噪比很高5结束语时,F=2保证了能够获得的最大分集2min(L1,L2)=4,而r=1只能获得2r=2阶分集.事实上,r的本文为频率选择性信道下的异步协作通信系统提出了一种新的差分空时频传输方案( ADSTE),并取值是分集和复杂度的折中.当r取值太小,不能获得最大分集阶数,但是具有较低的译码复杂度.当对 ADSTF方案的性能进行了理论分析. ADSTF方案采用简单的中继操作,不需要中继节点完全同步,r的值很大时能够保证最大分集阶数但ML译码省去了目的节点复杂的信道估计能够同时获得空复杂度随r增大而指数增长由附录分析可知取r间分集和多径分集,所获得的多径分集由源到中继、min(L1,L2)能够在保证分集阶数的前提下获得中继到目的节点多径个数的较小者决定.相比于其最低的译码复杂度他协作传输方案, ADSTF方案还能获得更高的符将采用差分 OSTBC的OFDM传输方案号传输速率,( DOSTBC-OFDM)与本文方案进行了比较,结果见图4从图4可以看到,本文方案有更大的分集因参考文献:为差分 OSTBC的OFDM不能获得多径分集虽然[1] LANEMANJN, TSEDNO, WORNELL G W.Co本文方案比采用QPSK的差分 OSTBC的比特速率operative diversity in wireless networks: effective pro低了0.25b/(s·Hz),但具有较好的性能,特别是tocols and outage behavior [J]. IEEE Trans Inf Theo-66西安交通大学学报第43卷ry,2004,50(12):30623080[6] LI Yabo, XIA Xianggen. A family of distributed[2]殷勤业张莹,丁乐,等协作分集:一种新的空域分集space-time trellis codes with asynchronous cooperative技术[].西安交通大学学报,2005,39(8):551-557diversity [J]. IEEE Trans Commun, 2007, 55(4)YIN Qinye ZHANG Ying, DING Le, et al. Cooperation diversity: a new spatial diversity technique [J]. [7] LI Yabo, ZHANG Wei, XIA Xianggen. 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