差分空时编码系统中的多共道用户应用

2005年12月西安电子科技大学学报(自然科学版)第32卷第6期JOURNAL OF XIDIAN UNIVERSITYVol 32 No 6差分空时编码系统中的多共道用户应用刘勤,杨家玮,李建东西安电子科技大学综合业务网与关键技术国家重点实验室信息科学研究所宽带无线通信实验室陕西西安710071)摘要:通过分析和推导指岀在多用户差分空时分组编码系统中发射端的多个共道用户采用同步编码和同步分组传输时接收端无法在未知信道状态信息的情况下进行差分解码的结论.为了能够保持原有编码的差分解码的特性提出了一种新型的多用户交错结构利用多个共道用户所发射的数据在时间上的不同时延彼此交错形成传输的非同步.此时的接收端可通过辗转迭代计算获得等效的无共道干扰传输结果并通过差分计箅进行解码处理.具有这种交错结构的系统能够在信道未知的情况下支持多个用户的同时传输并且在接收端能够实现正确的解码工作关键词:差分空时分组编码共道用户洨错结构中图分类号TN915.04文献标识码:文章编号:001-24002005)6084804The differential space-time block coding system withmultiple co-channel usersLIU Qin, YANG Jia-wei, Ll Jian-dongState Key Lab. of Integrated Service Networks& Broadband Wireless Communications LabInformation Science Inst., Xidian Univ., Xi'an 710071, ChinaAbstract: After discussing the multi-user differential space-time block coding system, and analyzing therealizability of differential decoding method we can draw the conclusion that the receiver can not decode theinformation of various users while the channel is unknown if multiple co-channel users in the system aresynchronous. To solve this problem a new kind of offset system structure is presented. The multiple co-channelusers transmit signals nonsynchronously with different offset delays and the receiver can iteratively subtract toget the equivalent nil-interference result, which can be disposed of with the differential method. While themulti-user system is constructed accordint to the new offset structure, the receiver can easily cancel theinterference and decode the signal even if the channel state information is unknownKey Words: differential space-time block coding multiple co-channel users affset construct在空时编码概念被提出之后,它就作为一种有效的抗衰落措施得到研究者的关注.同时人们也提出了数种不需要在接收端进行信道估计来获得信道信息就能够进行解码的差分空时编码例如基于正交设计的分组差分空时编码2]基于群码的差分空时调制3和酉空时差分编码4]应用空时编码技术可获得良好的分集增益和编码增益3而采用干扰抵消技术后的空时编码系统能够支持多个共道用户同时进行通信在系统的容量和用户的信息传输速率上系统能够得到较大的提高671多用户差分空时编码系统分析根据文献2]中的差分空时编码模型分析存在多个同步共道用户的系统接收和解码情况.收稿日期200505-16基金项目国家自然科学基金和微软亚洲研究院联合资助项目(60372048)高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划 TRAPOYT)国家自然科学基金重大项目60496316)教育部科学技术研究重点项目(104171)国家863″计划重大课题20014A123031第6期刘勤等差分空时编码系统中的多共道用户应用假设各个用户都有两个发射天线将发送端的编码和调制关系用矩阵形式进行表示令X1和X表示相邻的两个分组的发射信号矩阵K表示根据输入比特信息确定的系数向量KK2)所对应的系数矩阵那么可得到KK=KX(1)x2+2x2+1-K2K1当发射端有同步的两个共道用户时假设两个用户都采用相同的差分空时分组编码并且两个用户产生的发射信号矩阵同步按照多用户空时分组编码系统的接收准则在接收端使用两个接收天线进行接收.设定信道在任意两个相邻的分组时段內不发生变化洴并且用H1和H2表示用户a到两个接收天线的信道矩阵G1和G2为用户b到两个接收天线的信道矩阵设两个用户发送的信号矩阵为X和Y.那么就有R11=X-1H1+Y1G1+N1:-1(2)R2A1=X-1H2+Y-1G2+N2-1(3R=X,H,+YG+N=kXh,+k, G+NRY, G2+N2=K X- H2+K其中K。和K,分别为t分组时刻两个用户的参数矩阵N为第i个接收天线上第t分组时刻的接收噪声矩阵对于接收端来说已知是各个接收信号矩阵R11R2=1R1,和R2以及上一分组时段的发送信号X和Y_1,其他的信道矩阵和参数矩阵是未知的噪声矩阵暂不考虑.那么可形成如下的矩阵方程组RX-H,+Y-GR2:1=X-:H2+Y-1CR1=K。X-1H1+K,Y-1GRKXH,+K这样就需要分析在上述的已知条件下能否通过运算从矩阵方程组中解得需要的参数矩阵K。和K对式6)的方程组进行如下计算K,,, Ru=KXH-k,x-H(7)R2;-K,R21=K,X(-1H2-k,X1-1H2由于信道的不相干特性信道矩阵都存在它们的逆矩阵.两式乘以不同的逆矩阵并相减可得R1,H1-R2,H2=K(R11-1H1-R21-1H2)同样的方法也可得到:R,G1-R2G2=K(R11-1G1-R21-1G2)从式9厢和式10)河看到由于所求的系数矩阵K和K和信道信息矩阵H1H2G1和G2有关在仅知晓接收信号矩阵R,R3,R1和R,而无法得到信道信息矩阵的情况下无法获得明确和惟一的系数矩阵结果.这点也可利用赋予信道信息矩阵不同值时获得的系数矩阵结果不同反证得到.从而也就说明对于具有两个共道用户的差分空时分组编码系统如果两用户采用同步的编码传输方式在不确定信道信息的条件下接收端无法进行正确的解码和判决工作.当系统具有的共道用户数为(L≥2)时采用同样的方法也可容易证明在多个用户采用同步编码并且信道未知的情况下无法进行正确的干扰抵消和解码工作.这也就是表明在不知道明确的信道信息(包括不采用信道估计技术获得信道信息)时无法利用差分空时分组编码进行多共道用户下的解码2交错结构的多用户差分空时编码系统在上面的分析中没定了多个共道用户为同步编码即具有严格的码元同步和组同步.在这种情况下討论的结果是无法在信道信息未知的情况下进行解码.当多个共道用户的不具有编码同步关系时多个共道用户间就存在一定的时差此时就形成一种交错的差分空时编码结构那么在这种情况下的多用户差分空时分组编码系统的情况又如何呢?图1给岀了设计的这种非同步的多用户交错差分空时编码系统结构框图.图中各个用户在发射端都具有一个延迟模块设用户i的延迟量为a1,规定延迟量具有以下特征a;=(l1)a(11)850西安电子科技大学学报(自然科学版)第32卷用广0分组编码延迟用户Lx#→图1多用户交错差分空时编码系统结构)(x,石)(x3,x,)(x,写)(x)(x,))(x,x)u囫图2多用户交错差分空时编码系统的数据格式在图2中的各个用户在进行各自的差分空时分组编码之后对不同的用户依次进行时间轴上的延迟形成交错格式.在最初发送第1分组可以是一帧的起始)时延迟的部分用0补足(图中阴影部分)这样在接收端进行接收时需要以L问码元速率进行接收信号的采样采样的间隔也即是α灬·从接收端的接收信号可看到此时多个共道用户发送的信号相互干扰并且混叠在一起.为了进行各个用户的解码工作接收端必须进行必要的干扰抵消处理在干扰抵消处理中如下计算等效接收信号r(12)ru +rch-Ix= Tu-TuKi-1)+rck-Iy k>Ik为奇数,可容易地得到结果为r4=xxk+ i)hp n(13)k为偶数等效接收信号π中k表示码元时间/表示相应的码元时段内的采样点号.查看它们的物理意义可发现采样点也代表了第l个用户.那么也就可发现经过处理后的等效接收信号r相当于无干扰情况下针对第l个用户第k个码元时间的接收信号.因此針对式(13)进行变换固定第l个用户可得到相邻的几个码元时段内的等效接收信号可表示为r(an-Iy =xx2t-1)hn +xx2)hn +n((14)r(2y =-xk2n hn +xk2n-1hn+n(2x(15)r(2u+iy = x(2u+1)hn+xxi+2,hn n(2r+Iyh=2t+1;(16)hph=2t+2(17由于系统中的各个共道用户都是独立采用差分空时分组编码形成各自的发射信号那么利用得到的这4个等式就能进行差分空时分组编码的解码工作获得第l个用户的差分系数并进行反映射以荻得对应的信息比特组.通过以上分析將接收端的处理过程进行归纳可看到此时的处理分为4步进行.第1步接收端进行L倍码元速率的采样.第2步将各个采样点得到的接收信号相邻点之间进行两两相减得到结果r这一步即是干扰的抵消操作第3步将得到的无干扰等效接收信号带入两两相减之后的结果ry中生成新的等效接收信号κ*)y第4步整理同一用户的等效无干扰接收信号并按照差分空时分组编码系统的解码方法进行解码和反映射工作.第6期刘勤等差分空时编码系统中的多共道用户应用在接收端的干扰抵消计算中由于是相邻采样点信号两两相减因此可得到形成旳等效噪声均值仍为0但是功率谱为2N在带入计算中由于将已经获得的无干扰等效接收信号带入两两相減之后的差信号,从而获得新的无干扰等效接收信号那么此时等效噪声na的功率谱会不停叠加这也就意味系统解码性能将越来越差.因此在这种结构设计中经过一段时间系统的发射端01就需要进行复位然后重新进行传输.0.013仿真结果与性能分析对单用户差分空时分组编码系统和两共道用户情况下1E-4一 ne User交错结构差分空时编码系统进行仿真采用的调制方式为er FraiLeBISK信道为平坦瑞利衰落信道空时分组编码方式为差- Two User FramLe分 Alamouti编码.仿真结果如图3所示.图中分别给出了单1E-5用户差分空时分组编码系统的性能曲线以及在帧长为20SNR/dB码元、100码元和200码元情况下两共道用户交错结构差分空时分组编码系统的误码性能曲线.从这些曲线的比较中图3单用户和两用户差分空时分组可看到采用交错结构进行差分空时分组编码多共道用户编码系统性能比较传输是一种可行的方案.在帧长设置较短时系统的误码性能和单用户系统的误码性能相比未有明显的下降.当设置的帧长较大时由于接收端处理过程中产生的噪声累加效应多用户系统性能将会有所下降.4结束语面向具有多个共道用户的差分空时分组编码系统作以研究对于具有分组同步和码元同步的多共道用户差分空时分组编码系统文中证明了接收端无法在不知晓信道信息(包括不利用信道估计算法)的情况下利用差分空时分组编码的差分特性进行解码.因此为了实现差分空时分组编码条件下多个共道用户的通信要求提出了一种非同步的交错结构当多个共道的差分空时分组编码用户按照文中给出的特定的时延交错关系进行传输时接收端能够利用用户间的交错间隔进行干扰抵消并且能在未知信道的情况下利用编码具有的差分关系进行正确的解码工作.参考文献:1 J Alamouti S M. A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications[ J ] IEEE Journal on Select Areas inCommunications,1998,6(8):1451-1458[2] Tarokh V, Jafarkhani H. A Differential Detection Scheme for Transmit diversity[J]. iEEe Journal on Select Areas inCommunications 2000, 186): 1 169-1 174[3] Hughes B L. Differential Space-time Modulation[ J ] IEEE Trans on Inform Theory 2000, 46(7): 2567-25784 Hichwald B M, Marzetta T L. Unitary Space-time Modulation for Multiple-antenna Communications in Rayleigh Flat Fading J ]IEEE Trans on Inform Theory 2000, 46(2): 543-564[5 J Tarokh V, Naguib A, Seshadri N, et al. Space-time Codes for High Data Rate Wireless Communication Performance Criteria inthe Presence of Channel Estimation Errors Mobility and Multiple Paths[ J ] IEEE Trans on Communications 1999, 47(2)6] Naguib A F, Seshadri N, Calderbank A R. Applications of Space-time Block Codes and Interference Suppression for Highopacity and High Data Rate Wireless Systems[ A ] Conference Record of the Thirty-Second Asilomar Conference on SignalSystems Computers: Vol 2[ C ] Los Alamitos: IEEE Comp Soc, 1998. 1803-1810[7 Naguib A F, Seshadd N, Caldobank R. Space-time Coding and Signal Processing for High Data Rate Wireless Communications