一种1 2 4分布式空时编码异步协作方案

传输与接收RANSMITTING RECEIVING【本文献倌息】陈建青,葛利嘉郑鹤,等,一种1×2×4分布式空时编码异步协作方案[].电视技术,2013,37(9)种1×2×4分布式空时编码异步协作方案陈建青,葛利嘉,郑鹤,双涛(重庆通信学院应急通信重庆市重点实验室,重庆40005【摘要】协作分集技术可以有效提高移动通信系统的容量和可靠性。针对时间异步的协作通信系统提出一种基于分布式Alamouti STBC的1×2x4异步协作方案。对这种方案进行理论分析和算法推导,并且重新定义了中继节点归一化后的发射信号幅度。仿真结果表明,该方案的误比特率性能具有明显优势,能在时间异步的协作通信系统中很好地发挥多天线接收性能。【关键词】异步协作;多天线;正交频分复用;分布式 Alamouti空时编码【中图分类号】TN92【文献标志码】A1 x2 4 Distributed STBC Asynchronous Cooperative SchemeCHEN Jianqing, GE Lijia, ZHENG He, SHUANG Taochongging Key Laboratory of Emergency Communication, Chongging CommuAbstract] The cooperative diversity technique can efficiently improve coverage and reliability of mobile communication systems. In this paper, a 1x2 x4 time asynchronous cooperative scheme based on distributed Alamouti STBC is proposed. The theory analysis and algorithm derivation of the schemeare provided. In addition, the normalized range of transmitting signal at relay nodes is redefined. The simulation results demonstrate that the proposedscheme has better bit error rate( BER)performance and realizes multiple antennas receiving perforin time asynchronotion systemI Key words] asynchronous cooperative; multiple antennas; OFDM; distributed Alamouti space time block coding在无线通信系统中,多输入多输出( Multiple Input文献[l-14]从时域的角度提出了几种不需要时间同步Multiple Output,MMo)技术能有效克服信道衰落提高的DsTC。文献[15-17]从频域的角度应用OFDM技术信道容量和频谱利用率。协作分集( Cooperative Diversi-来克服时间异步和避免符号间干扰(nter- Symbol Interfer-y)技术2-3则利用中继信道,通过分布式传输和信号处ence,sn)。其中,文献[2-13]采用了经典的分布式时理,构成虚拟MMO系统。1998年, Sendonaris等首次提间反转空时块码( Distributed Time Reversal Space-Time出了协作分集的概念,之后又研究了协作分集技术在 CD- Block Codes,D-TR-SIBC)来克服时间异步,然而当协作MA系统中的具体应用4; Laneman等进一步归纳了协节点数量较多时,受限于码字矩阵的正交性传输速率会作分集的基本策略给出了中断概率性能6;后来Lane变得很低。文献[15-21]将更为简单的 Alamouti STBCman和 Barbarossa等又将分布式空时编码( Distribu应用到协作节点,不仅保证了传输速率,而且实现了全分Space- Time Coding,Dsr)引人协作分集技术1。这些集( full diversity)其中,文献[15]采用1×2×1的模型,文献都假设系统中的协作节点是精确同步的。然而,实际即发射和接收均为单天线,而中继为2根天线(每个中继系统中协作节点通常不规则地分散在不同地点,各自的晶节点是单天线,共有两个节点参与中继),只需要对中继振也不同,很难实现时间和频率的精确同步。而异步传输信号进行简单构造,就能保证分布式 Alamouti STBC在异会使正交DST℃码字结构受到破坏,严重影响系统性能。步情况下也能满足正交性要求。该方案实现简便,性能优近年来,基于DSIC异步的协作技术引起了广泛研良,受到广泛重视究0-m。文献[10对近几年单向传输(one-way)和双向为了进一步提高异步协作的性能,同时也考虑到系传输(two-way)协作通信中时间异步( time asynchronous)统的可实现性,本文将文献[5]的1×2×1模型扩展为目和频率异步( frequency asynchronous)的解决方案进行了的节点配置4根天线的1×2x4模型,并且重新定义了中综述指出时间异步和频率异步都可以用时域和频域的方继节点归一化后的发射信号幅度,对中继节点的编码进行法加以克服;针对单向传输协作通信中时间异步的问题。了改进。通过算法的理论推导和性能仿真表明该方案能基金项目国家自然科学基金项目(61271251);重庆市科技攻关计划项目(CSTC,2011AB204;重庆市科委重点实验室专项;重庆邮电大学移动通信技术重点实验室开放研究基金项目视重传输与接收RANSMITTING RECEIVINGted,m浮inri在时间异步的协作通信系统中更好地发挥多天线接收的组符号X2进行N点的IDT调制,对第2组符号x进性能优势。行N点的FT调制然后给调制后的符号加上循环前缀异步协作中继方案CP。假设CP的长度为l,每组OFDM符号的长度变为L=N+laol的要求是不小于源节点到中继节点的最本文提出的系统模型如图1所示。假设系统工作在大相对时延( relative timing error),即l≥T。为讨论方半双工模式,信道状态信息( Channel State Information,便,将构造完成的一帧发射符号记为[x1,X2]。源节点CS)对接收端已知,各个节点间的信道均为独立同分布的一个发射周期分为2个时刻第1时刻发送X,第2的瑞利平坦衰落信道。时刻发送X2。,Z1.2中继节点构造对于中继节点R(i=1,2),接收到的2组连续的中继节点OFDM符号可以表示为(2),Y12,22Ya= X,hsR,+va(1)2(DYa x,hsR +va(2)Xr式中:va,"a分别表示中继节点R2接收到第12组符号时的噪声。hsr, s(: ),-y:'中继节点采用分布式通常源节点Z3amout STBC[22AD这种方式需要精确的时间同步。然而,上面1.1节的源播阶段节点构造和下文采用的时间反转处理,使得分布式中继节点Alamouti STBC的异步应用成为可能。D文献[15]中假设噪声的方差为1,而且没有考虑源多址阶段节点到中继节点的功率损耗,为了更具一般性,本文对其进行了改进,具体编码方案如表1所示。目的节点表1中继节点处的分布式 Alamouti STBC图1系统模型中继节点第1时刻第2时刻图1中,S表示源节点,R1和R2表示2个中继节点,Yu(Y12)D~D4分别表示目的节点的4根天线。X(j=1,2)表示RBY aR(Y2)源节点处按时间先后连续发射的两组符号,Y表示第i个表1中(·)代表求复数共轭;(·)代表信号的时间中继节点的第j组接收符号,乙表示目的节点第根天线反转( time- revers)例如,《(xn)4么-n),n=的第j组接收符号。hm和8m0分别为源节点到中继节点中0,1,…,D-1,(F(L)YO)。a=继节点到目的节点的信道衰落系数,统计独立且服从零均IiHsN值、单位方差的循环对称复高斯分布。v,分别表示第iB分别表示中继节点R1,R2归一化个中继节点和目的节点接收第j组符号时的信道噪声,统计No独立且服从均值为0、方差为M的循环对称复高斯分布。后的发送信号幅度以保证中继节点以P2的功率发送数信号传输经历两个阶段:广播阶段源节点以广播的形式将据到目的节点。其中,P1,P2分别为源节点和中继节信号发送到中继节点;多址阶段,中继节点组成分布式协作点的发送功率,N为噪声v,va的方差。另外,值得注多天线发射端将信号发送到配置多天线的目的节点。意的是,中继节点R2中的两组OFDM符号进行了位置互1.1源节点构造换,这说明中继节点R2在收到Y2后,还要继续等待在接在源节点信息比特首先被调制为复数符号x然后把收到Y2后,再进行构造和发送。N个复数符号用OEDM调制到N个子载波中。源节点中的13目的节点构造第i组OFDM符号可以表示为X=[x1(1),x(2)…,目的节点接收天线D4,讠=1,2,3,4,在第1时刻和x(N],用X和xn两组符号构成一帧数据。对第1第2时刻接收到的两组符号分别表示为传输与接收RANSMITTING RECEIVING电独idre Engineeringzn= allaRD+B(-Y2)gRD∫'+wa(3)式(8)可以得到从源节点到目的节点第i根天线za=ag(Y1)gD+R(Yn)gDf'+w2(4)整个收发过程的矩阵表达式为式中:f=[1,em,…,em)]是时延函数在频z i lr+n域的表达式;wa,wa分别表示D1接收到2组符号时式中;z,∈C表示目的节点第i根天线接收到的信号向的噪声。量;L2∈C表示从源节点到目的节点第i根天线的信道当D接收到信号以后,首先要去掉OFDM符号的矩阵;x∈C表示源节点发送的信号向量;n2∈C2表CP。对于第1组OFDM符号,直接去掉CP即可。而第2示目的节点第讠根天线接收到的复加性高斯白噪声向量。组OFDM符号在中继节点中进行时间反转,(Y(n))▲同样可以得到整个系统信号模型的矩阵表达式为Y(L-n),n=0,1,…,L-1。所以,为了还原时间反转Lr +n(10)后的信号在去掉CP后还要将长度为N的OFDM符号末式中:z=[z1z2z3z∈C表示目的节点所有天线端的l位移到该符号的前端。接着将2组OFDM符号接收到的信号向量;L=[L1L2L2L4]∈C表示源节点进行N点的FT调制。上文提到,由于时延的原因,目的节点接收到来自中继节点R2的信号将会比来自中继节点到目的节点的信道矩阵;n=[n1n2n2n,]∈C表示B的符号晚时延r。不过由于l>r,所以OFDM的子目的节点接收到的复加性高斯白噪声向量。目的节点可载波仍然能够正交。这样一来各天线可以得到完整的以采用最大似然检测算法进行检测帧数据[Zn,za2],讠=1,2,3,4。将式(1)(2)带入式(3)x= arg min z-Lx4),可以得到信号从源节点到目的节点第i根天线整个式中:表示发端采取的星座调制中所有发送符号的星过程的表达式为座集合。Za =[dFt(IdFt(X,))ahsR gR1.4功率分配DFT(-(DFT(X2))")of Bh R, gRD.+目前常用的功率分配方式有两种,一种是平均分配+N2°fBgR](5)源节点和中继节点的功率;另一种是源节点占总功率的1/2,其余中继节点平均分配剩下的1/2功率。文献[15Z2 =[DFT((DFT(X2)))ahsR.R D采用了第2种功率分配方式,本文继续沿用这种方法。DFT(((IDFT(X1))))°∫ BhsR gRI+PI=JP,=P(12)∫Bg]式中表示 Hadamard0乘积;N为高斯白噪声v的DFr式中:J表示中继节点的个数;P表示整个方案的总发送功率变换。考虑到(DFT(X)=IDFT(x),(IDFT(X))=2性能仿真DFT(X), DFT(S(DFT(X)))=IDFT((DFT(X)),eh本节通过 MATLAB仿真,对提出方案的性能进行仿式(5)和式(6)可以构成k(1≤k≤N)个子载波上的Alamouti空时编码结构为真分析。具体仿真参数如表2所示。表2系统仿真参数Za(k)1(k)-x(k)数文献[5]中参数值本文方案中参数值Z2(k)Lx2(k)*(k)ILfBhSR, RD子载波个数NNI(k)agR D,+N2(h)fiBBRD, +wa(k)循环前缀(CP)长度N,2(k)ag D,+N2(k)fiBBRD, +wa(k)/(7)时延r0-15之间的随机数0-63之间的随机数式中:f=exp-2π(k-1)r/N}。帧数对式(7)进行等价变换可得调制方式BPSKBPSK/QPSK/16QAMZa(k)1[ahsa,81R, D -fiBhsR grp1[ *,(k)噪声功率N。Z: (k)I Lf1BhSR. BRLD: ahsi图2给出了目的节点配置不同接收天线数目时的误(MM(k)agRD,+ N2(h)fiBBRD比特率(BER)性能仿真曲线。从表2中可以看出,本文将(Na(og+N2(M)·+n()/(8)OPDM调制的子载波数增加到26个因此可以容忍的时延最大可以达到63,并且考虑了源节点采用QPSK和传输与接收咖视RANSMITTING& RECEIVING16QAM调制的情况。从图2中可以看出:目的节点配置用的应急通信系统。本文对这种方案进行了理论分析和算的接收天线越多其BER性能也越好。当信噪比为25dB法推导采用时间反转,对中继节点编码进行了改进重新时,本方案的BER性能已接近106。而且随着信噪比的定义了中继节点归一化后的发射信号幅度,最后对目的节增加,多天线接收的性能优势也更为明显。当BER=102点配置不同天线数目时的误比特率性能进行仿真分析,结时,1×2×1方案和1×2×4方案的性能大约差8dB,当果表明该方案的误比特率性能具有明显优势,能在时间异BER=10“时两种方案的性能差距达到了12dB,充分证步的协作通信系统中很好地发挥多天线接收性能。明了本方案能够在时间异步的情况下,实现多天线接收性能。图3给出了本方案分别采用BPSK,QPSK,16QAM调参考文献:制时的误符号率(SER)性能仿真曲线。性能从高到低依[1] TELATAR E. Capacity of multi- antenna Gaussian channels[]. Europe-次为BPK,QPSK,QFSK,16QAM,性能相差越2~3dB。an Trans. Telecommunicaitons, 1999, 10(6): 585-595因为在信号平均功率相同的条件下,相邻星座点之间的最[2] COVER T, GAMAL A E. Capacity theorems for the relay channel [J]IEEE Trans. Information Theory, 1979, 25(5): 572-58小距离越大,抗噪声干扰能力越强误判的可能性也越小。[3] NICHOLAS J N, WORNELL G W, TSE DNC. An efficient protocol forrealizing cooperative diversity in wireless networks[ C]//Proc. IEEE In-temational Symposium on Information Theor. [S. 1.]: IEEE Press2001:294[4]SENDONARIS A, ERKIP E, AAZHANG B. Increasing uplink capacityvia user cooperation diversity[ C]//Proc. IEEE Intemational Symposiumon Information Theory. Cambridge, MA: IEEE Press, 1998: 156.[5] SENDONARIS A, ERKIP E, AAZHANG B. User cooperative diversity-partnalysis[ J]. IEEE Trans. Communications, 2003, 51(11): 1927-1948.10[6] NICHOLAS J N, WORNELL G W. Cooperative diversity in510152025SNR/dBworks: efficient protocols and outage behavior[J ]. IEEE Trans. Informa图2目的节点配置不同天线数目时的BER曲线[7] NICHOLAS J N, WORNELL G W. Distributed space-time coded proto-cols for exploiting cooperative diversity in wireless networks[J]. IEEETrans. Information Theory, 2003, 49(10): 2415-2425[8] BABAROSSA S, PESCOSOLIDO E, LUDOVICI D, et al. Cooperativereless networks based on distributed space time coding[ C]//Proc.In-102Workshop on Wireless Ad-Hoc Networks. [S 1 ]: IEEEPres,2004:30-34[9] ANGHEL P A, KAVEH M. On the diversity of cooperative system[C]//Proc. IEEE Intermational Conference on Acoustics, Speech and SignalProcessing. [S1.: IEEE Press, 2004: 577-580[10 WANG H M, XIA X G. Asynchronous cooperative communication sys-tems: a survey on signal designs[J]. SCIENCE CHINA Information图3采用不同调制方式时的SER曲线[11] WEI S, GOECKEL D, VALENTI M. Asynchronous cooperative diversity[J]. IEEE Trans. Wireless Communications, 2006(5): 1547-15573小结[12]L X. Space-time coded multi-transmission among distributed transmit-本文针对时间异步的协作通信系统,提出了一种基于ers without perfect synchronization[J]. IEEE Signal Process Letters2004(11):948951分布式 Alamouti STBC I的1×2x4异步协作方案。该方案[3MEY, HUA Y B, SWAMI A,td. Combating synchronization er的源节点和中继节点都是单天线,而目的节点配置4根天ative relays[ C ]//Proc. IEEE Intemational Conference on A线。这种模型具有实际应用意义,例如,源节点和中继节点coustics, Speech and Signal Processing. [S. 1.]: IEEE Press, 2005都可以是单兵背负通信节点,而具有4根天线的目的节点369-372.可以作为车载终端,从而构成一个能在复杂地理环境下应(下转第179页)传输与接收电獯重RANSMITTING RECEIVINGid。, ngineering到了有效的抑制,而且使各子载波具备了更高的相[5]刘晨王森章直接数字频率合成器的设计及FGA实现[J.微电位精度,因此最佳相位的多载波QAM输出信号在载噪子学与计算机,2004(5):63-65比带外抑制比调制误差度等所有测试指标上都得到61 WANG C-C(,:HHC, R. A ROM-less direct digital frequency了明显的改善。synthesizer by using trigonometric quadruple angle formula[ C]//Proc.9th Intemational Conference on Electronics, Circuits and Systems. [S.表2两种多载波QAM的测试指标1.]: IEEE Press,2002:65-68调制方式噪比如带外抑比调误差度细[7] ASHRAFI A, PAN Z, ADHAMI R, et al. A novel ROM-less direct digitalfrequency synthesizer based on Chebyshev polynomial interpolation[C]//传统多载波QAM41.54.0Proc. 36th Southeastem Symposium on System Theory. [S.l. ] IEEE最佳相位多载波QAM57.345.136.3Press,2004:393-397[8]赵民建袁梦涛李式巨,等.全数字多星座图、可变符号率QAM调制器[J].电路与系统学报,2001(1):1-6参考文献[9]包莉娜梁坚,易志强,等.DVB-C映射电路的设计[门].电子技术[】陈勇商彬.ⅢPQAM设备关键技术的研究[冂]电视技术,2083200(8):335(1):122-124[10]王国正,赵利.一种星座可变的自适应QAM调制方案[J].电视技[2] VANKKA J, KOSUNEN M, SANCHIS I, et al. A multicarrier QAM mod术,2012,36(9):92-95ator[J]. IEEE Circuits and Systems, 2000, 47(1): 1-10[3]王利众,费元春郭德淳等.用DDS技术设计HDV选台电路[]电视技术,2003,27(3)57-75作者简介:4]李海松张奇荣权海洋.DDs的相位截断及相应的杂散信号分析何健标(1981—),博士,主研数字视频通信和数字信号处理;[J].微电子学与计算机,2006(2):141-143向潞璐(198-),女,学士,主研数字信号处理责任编辑:薛京收稿日期:2012-06-27(上接第163页)[14] SHANG Y, XIA X G. Shift full rank matrices and applications in space- [21] LIU L, ZHANG H, LU X, et al. a differential Alamouti coding schemetime trellis codes for relay networks with asynchronous cooperative diver-for OFDM based asynchronous cooperative systems[C]//Proc. IEEEsity[J]. IEEE Trans. Information Theory, 2006, 52(7): 3153-3167.3rd Intermational Conference on Communication Software and Networks[15] LI Zheng, XIA Xianggen. A simple Alamouti space-time transmission[S.L.]: IEEE Press,2011:51-56scheme for asynchronous cooperative systems[ J]. IEEE Signal Process. [22] ALAMOUTI S M. A simple transmit diversity technique for wirelessing Letters,2007,14(11):804807communications[J]. IEEE Joumal on Selected Areas in Communica-[16] RAJAN G S, RAJAN SS. OFDM based distributed space time codingtions,1998,16(8):1451-1458for asynchronous relay networks[c]/Phoc. IEEE Intermational Confer-[23]吴军,吴小波,刘田等. Alamouti空时分组码的 MATLAB仿真与ence on Communications. Beijing: EEE Press, 2008: 1118-1122FPGA实现[J].电视技术,2012,36(17):73-75[17] LI Z, XIA X G, LEE M H. A simple orthogonal space-time coding schemefor asynchronous cooperative systems for frequency selective fading chan-nels[J]. IEEE Trans. Communications, 2010, 58(8): 2219-2m4作者简介:[18 RAJAN G S, RAJAN SS. Multi-group Ml decodable collocated and陈建膏(1988—),硕士生,主研MIMO检测技术、异步协作中继distributed space time block codes[ J]. IEEE Trans. Information Theo- #**;ry,2010,56(7):322l-3246葛利髙(1957—),教授博士后,主研MIMO通僧系统、CDMA智[19]ⅡZ,ⅪAXG. An Alamouti coded OFDM transmission for cooperative能天线系统、超宽带通僧系统;systems robust to both timing errors and frequency offsets[J]. IEEI郑鹤(1982—),硕士,讲师,主研高效数字调制解调技术及实现方法[20] LEE Y, KANG S G, CHONG D, et al. An Alamouti coding scheme for双涛(1979—),硕士,主研超宽带无线通信、现代通信技术与系asynchronous cooperative communication systems over frequency selec统、智能天线、MMO技术等。tive fading channels[C]//Poe. The Third Intermational Conference on责任编辑:薛京收稿日期:2012-1-01merging Network Intelligence. [S.l. ] IEEE Press, 2011: 20-24