相关瑞利信道下差分空时检测协同分集方案

第24卷第2期信号处理Vol 24. No. 22008年4月SIGNAL PROCESSINGApr. 2008相关瑞利信道下差分空时检测协同分集方案赵贤敬郑宝玉(南京邮电大学信号与信息处理研究所214#,南京210003)要:本文提出了一种采用分布式差分空时分组编码和检测的协同分集方案,在不需要信道状态信息(CS1)的情况下可以实现满分集和全速率发射,并推导了相关瑞利信道下该方案误码率(BER)性能上限的解析表达式。传统的差分空时分组编码对整个码块进行差分,而协同分集下的任何一个协同用户进行差分编码时都不知道整个码块的信息。本文所提出的差分BPSK调制方案,通过将两协同用户的信息分别被调制到相互正交的实轴和虚轴上,从而将码块的联合差分转化为各用户独立差分。分析了在协同用户间不同的信道状态信息(CS)和协同用户到接收用户不同的CS情况下本文所提出发射方案的性能。仿真结果表明本文所提出的方案获得了明显的分集增益,同时也较好的吻合了理论分析的结果。关键词:协同分集;分布式空时编码;差分空时分组编码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了固定中继( Fixed Relaying)、选择中继( Selection Relaying)1引言和增量中继( Increment Relaying)三种协同策略。 Babaross协同分集( cooperative diversity)技术通过使网络中各单进一步研究了空时编码在协同分集中应用。与 Laneman等天线用户共享彼此天线形成虚拟的多天线阵列来实现发射工作时间上同时进行的是 Hunter和 nosratinia)提是出的编码或接收分集,可以有效地抵抗多径衰落并提高网络性能3),协同( coded cooperation)研究其将信道编码技术应用到协同为MMo技术的实用化提供了一条可行的方法。协同分集分集中,如 turbo码。起源于中继信道的研究但是它们又不完全相同。 Sendon-所有以上工作都是基于接收端或发射端能够通过信道ans,Eip和 aazhang'"最早研究了协同分集与网络容量和中估计获得CS然后进行相干检测的假设。在实际中,这就意断概率( outage probability)等系统性能的关系,其研究前提是味着协同用户和接收用户必须进行信道估计。当系统存在基于发射端已知CS1,有点类似波束形成( beamforming)。多个协同用户发射时由于每对用户都需要进行信道估计,lateran,Trwe和 Women深人研究了分集的实现策略提出这就使得系统变得非常复杂。因此,设计一种接收端不需要收稿日期:2006年9月14日;修回日期:无基金项目:国家自然基金资助项目(60372107信号处理第24卷估计CS的系统更切合实际。差分调制和检测技术不需要信简单起见,阶相关系数省略下标即p=p。(A2)所有信道状态信息,在不便于进行信道估计的场合得到了广泛应道在空间上都是相互独立的即用户i到用户j的所有衰减因用。在高斯白噪声信道和不相关的瑞利平坦衰落信道下,差子h都是相互独立的,且所有用户到接收用户的衰减因子分二进制相位调制( DBPSK)的误码性能比相干检测差3dB·。对于时间相关的瑞利衰落信道在高信噪比区域存在{“是独立同分布的,即n=P,P=P=1。协同用误码平台4。H.Vedk描述了独立瑞利衰落信道和户间的信道是对称信道,即2和也是独立同分布的随机相关瑞利衰落信道的区别并给出了相关瑞利衰落信道下变量因此,p2=p1,P=P。(A3)发射端和接收端都未FSK调制的近似误码性能。后来PYKm给出了频率非知信道信息。(A)信道为时变信道但是在连续的几个符选择性相关瑞利信道下MDK的误比特率的解析表达式。号周期内信道衰落变化很小。(A5)U和U2等功率发射,对于空时调制,VTah和 H Jafarkhani提出了一种且E,=1。此外说明,本文中的标量变量用斜体字符表示,向实现协同差分的差分检测方案。不久. L. Hughe提出了量或矩阵变量用加粗的斜体字符表示。一种用于多天线发射的基于组码的通用差分调制方法。接22差分空时调制着CGao和 AM Haimovich给出了独立的块衰落瑞利信道下采用差分检测的MDK空时分组码的误码性能分析。但用户1和用户2在t时隙的BPSK信号为:是,时间相关瑞利信道下MPSK差分空时编码的BER的性能b={-1,1,i=1,2分析仍有待于继续研究空时差分分组码第一列递归定义如下:对于协同通信,G.Wang,Y. Zhang和M.G.Amin1提出了分布式差分空时分组编码方案来实现协同分集。P.Tarasak和HMin研究了两用户协同系统的差分实现同时(Ss)=(时)(1)0S2给出了不同差分检测方法的误帧率。这两种差分方案都获得了满分集但是两种方案都没能获得满速率发射。另外,其中,j=√-1。类似的第二列Tarasak和G.Wang的工作都是基于不相关的瑞利信道上进行的,而实际的信道多是时间相关的,可用Jake信道建模,本文将继续研究时间相关瑞利衰落信道下分布式差分空($)=()时编码协同分集的方案和相关性能。S基于上文的分析本文提出了一种采用分布式差分空时其中分组编码和检测的协同分集方案在不需要信道状态信息情其中{上为协同用户对{4.,的估计值因此空时差况下可以实现满分集和全速率发射。在不考虑协同用户间分发射矩阵为误码的情况下推导出了该方案在时间相关瑞利衰落信道下误码率的解析表达式。在不同的协同用户间信道和不同的So -So协同用户到接收用户间信道下分析了本文所提出的发射方S(3)案的性能。数值结果表明本文所提出的方案获得了明显的分集增益同时也非常吻合理论分析结果。如果协同用户能完全正确解码即{=6.则式2差分协同分集方案(3)退化为2x2的 Alamouti空时编码矩阵2.】系统模型表1协同发射分集的差分方案考虑两个单天线用户(U1和U2)和一个单天线接收用户d的无线通信系统,并2t用户2t+1且每个用户可以同时收od发,任何用户之间的信道U2=U1mm)都假设为准静态瑞利平坦衰落如图1所示。图1中,h表示t时图1协同分集信道模型隙用户i到用户j间信道表l给出了协同发射的差分方案具体发射过程如下整个协的衰减因子,为复高斯随机变量。关于信道,本文做了如下同过程可划分为两个时隙即2时隙和2+1时隙。在2时假设:(A1)文中所有信道模型均为时间相关的Jake’信道。隙,Ul和U2以广播的形式分别发射信号S和S2。其中,S即E(码码)=p=P(2mB2m),其中BT是归一化的多和S是b和b由式(1)差分得到的结果。在接收用户d普勒频移,()表示零阶第一类贝塞尔函数P表示衰落端接收信号可表示为的平均功率,p=J(2πB7)表示l阶相关系数,=0,1,…,=lS+础S+吃(4)第2期相关瑞利信道下差分空时检测协同分集方案其中n表示接收用户d端的高斯噪声,U和U2同时接收+(,S1,+::吃+:1吗-2:4)到的信号可表示为:2=h2S+n2 r4=hS:+n2(5)D2=8:(42-4h)+S:(42-424)此处咄和吗分别表示Ul和U2端的高斯噪声。由于U1和根据假设(A4),进一步考虑=h,,l=,及p=1。容U2都未知信道状态信息,通过如下差分检测,U1和U2分别易得到得到:32=2201,2 =r,a=RR1=(P+|4P)(S-,Pb+21Pb)因此可进行如下判决if Re()>0因此,b、b的估计值b和b可分别有如下得到if Re(y2)0(13)if Img(2)>01 if Re ya)0这样,U1和U2都得到了对方发送的信息,然后通过式1 if Img(y2)<0(2)进行差分编码。在2+1时隙,U和U2以广播的形式发这样差分检测过程基本完成。射信号-S和S。则在接收用户接收信号,为:3差分检测方案的误码性能分析r2,a-h4S:2+础2S至此差分空时编码和发射初步完成。考虑时间相关信道并将y表示成如下形式下面我们将研究协同用户间解码无误码时的情况即x+xF2.3差分空时检测(15)S2=S2且S=S,此时的性能也就是协同差分方案误码性能(16)的上界。则接收矩阵R1可表示为:Y=λ++κ’,H"=++k2此处,R=()=($h, h2-l2(吗呢)=,起(10)=422|S.Pb+2192Pb根据最大似然检测原理,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点=8n:+S"吗,+S$:2n,+S=+ll+Ill其中,业'表示Hmin操作,并且l,I和Ⅲl分别表示期望22-2s信号项,噪声项及干扰项,即:I=心l2S;S;:+l"础2SS1+4h22S S: 1+h2h242 S SⅡ=(4S2++S吃,一S)186信号处理第24卷这里的x表示和U和U2发射符号有关的项,可以视两维表2H与高斯分布拟合的均方误差均方星座图下幅度为·些的单符号对的定虚部义与λ类似。在21小节的假设下,X1和2均为零均值独立同分0.0157布的复高斯随机变量。由于Y1和Y2的表达式中含0.0159v,l4asAs,因此需要进一步的分析其随机特性其中0.946570.01730.01660.79484001910.0184从表中可以看出随着p的增大,H与高斯分布拟合的均方误差也显然,叫2,4为信道时域响应(总,42,2,22的墨逐渐减小。但当p较统一写法)的函数,则Y也为h的函数。h包络和相位的联大(p>0.99784),尤其合概率密度函数为是p>0.9946时,H基本上可认为是高斯p(r1,n2,B1,62)==(2mp)(-p)152153354455过程。对于Y有类似的结果。x3+3-20m(-8-虚部的累计分布函数与高斯分布比较此外,由于后文所涉及信道的ρ均大于其中,r1,n2分别为h的某两个时刻的幅值,B1,2分别对应的0.9978,因此H1和Y2可看成复高斯随机变量。又由附录1,Y和Y2不相关所以复高斯变量H1和H2满足相互独立的条相位。m(的)=点,p出,μ=(),脚=(耳,丙),件。再由附录2得到,共2=(x1,x)。x,x3,x的定义参见文献[17]。E(H)=E(y22)=2+4N+2(1-P2)(18)则y实部的累计分布函数可表示为其中N表示噪声功率。所以,(X1,H1)与(X2,H)为不相关FRecr:,(y)=Pr( Re(r )