卫星通信中基于扩频技术的异步差分空时协同编码研究

0254-6124/2015/35(5)-63107Chin.J. Space Sci.空间科学学报Zhang Jianwu, Zhang Qianhua. Asynchronous differential space-time block codes based on spreading techniques over satellitecommunication(in Chinese). Chin. J. Space Sci., 2015, 35(5): 634-640, doi: 10.11728/cjss201505634卫星通信中基于扩频技术的异步差分空时协同编码研究章坚武1章谦骅121(杭州电子科技大学通信工程学院杭州310018)2(中国联合通信有限公司杭州分公司杭州310013)摘要卫星通信系统中经过不同信道的中继信号强度存在显著差异,存在同步误差且时延差动态变化,严重影响了误码性能。传统方案一般通过引入差分编码解决卫星通信接收端的动态信道估计问题.本文通过扩频系统中的正交码区分来自不同中继卫星的信号,借助扩频码表提取各路信号后进行空时解码从仿真结果可知,差分空时编码与扩频技术相结合能获得更好的误码率性能,很好地解决了随机时延差问题,使接收端无须对信道参数进行估计,从而大幅降低其复杂度关键词卫星通信,异步协同通信,分布式差分空时编码,扩频中图分类号V413,0TN927Asynchronous Differential Space-time Block CodesBased on Spreading Techniques overSatellite CommunicationZHANG Jianwu ZHANG Qianhua1(School of Telecommunication Engineering, Hangzhou Dianzi Universitg, Hangzhou 310018)(China Unicom Hangzhou Branch, Hangzhou 310013)Abstract In satellite cooperative communication system, delay errors caused by different delaybetween different channels with large scale relays brings loss of BER. Traditional solutions generallyuse differential codes to estimate channel parameters dynamically in the receiving end of a satellitecommunication system. In this paper, orthogonal codes in spread spectrum technique systems areused to distinguish signals from different relay satellites. In this paper, spread spectrum codes tableis used to extract signals from different relay satellites, then to carry out a space-time decoding. Ascan be seen in simulation results, differential space-time blocks codes with spreading has a better*国家自然科学基金项目资助(61102066)2014-0928收到原稿,20150415收到修定稿E-mail:121080014@hdu.edu.cn章坚武等:卫星通信中基于扩频技术的异步差分空时协同編码研究BER than the one without spreading. It solves the problem of random delay, so that the recend of the channel should not to estimate channel parameter. The complexity of the receiving endis significantly reducedKey words Satellite communication, Asynchronous cooperative communication, Distributeddifferential space-time codes, Spreading spectrum0引言接收端分离并重组信号,减小延时误差带来的异步效应仿真结果表明,在异步协同通信中,使用扩频技空时编码可在时域和空域中对源信号的多个副术的空时编码相比于原始差分空时编码的误码性能本信号进行不同维度的编码构造,配合多天线系统,提升了3dB可支持高速率无线传输.但对于功率、尺寸受限的通信终端,很难引入多天线系统因此,可以采用多个1系统模型中继相互协作,构成虚拟多天线系统,即协同通信协同通信一直是卫星通信领域的研充热点.分本文采用的通信系统模型为双中继卫星协同通布式协同通信研究了空时编码2,但未考虑不同中信模型国4,如图1所示,其中S是发送端,D是接继信道的延时.文献和囤研究了卫星通信中的收端空时协同编码应用,采用放大前传( Amplitude For-卫星和收发端形成的几何形状如果不满足椭圆ward,AF)和解码前传( Decode forward,DF)两种不形,则接收端接收到的信号会产生时延差.而卫星轨同的协同方式,结果验证了在卫星通信中应用空时协道上满足椭圆条件的位置是比较苛刻的发送端发送同编码的可行性异步协同通信需考虑信道间的时延出的信号经过不同卫星转发后,到达接收端将生成码差带来的定时误差,使得空时编码的正交性被破坏,元定时误差接收端码元时延差如图2所示影响系统误码性能.文献间6研究了在较小时延假设天线Tx1发送数据到卫星R1时延为T,天下具有延时容忍度的空时编码,提高了频谱利用率,线T2发送数据到卫星R2的时延为Tu+u(为增加了系统容量文献7采用OFDM对抗频率选两路上行信道的时延差);卫星R1转发信号到D的择性信道,但由于需要引入循环前缀,使得该方案只适合时延差较小情况.扩频通信具有抗干扰能力强抗多径等特点S.文献9将信息经过差分处理后扩频,中继解扩后扩频,使得系统复杂度过高.文献[10研究了在 Nakagami衰落信道下将扩频技术引入空时编码,对已知和未知信道均进行了仿真,性能优良但未应用于异步空时通信系统.文献1证明双发单收空时系统中采用差分编码对比相干检测性能提升了3dB.文献12】在星间存在链路时进行协同差分空时编码研究,证明协同通信更适用于卫星通信图1协同通信模型文献[13]构造了差分空时编码,信源扩频后,码片占Fig 1 Cooperative communication model用的时间变小,可以用于对抗时间选择性衰落,但仅code element 1 code element 2 code element 3适用于时延差小于一个码元长度的异步通信T本文应用差分空时编码使得接收端无须获取动态变化的信道参数,即可完成解码.同时,将各中继信号当做不同用户,将正交扩频码引入有时延差的异图2接收端码元定时误差效果步协同通信系统,对各信道信号采用不同的扩频码Fig 2 Renderings of timing error in receiver636Chin.J. Space Sci.空间科学学报2015,35(5)时延是Ta,卫星R2转发信号到D的时延为Ta+7a线等技术将信号传输到不同的中继;第二阶段,中继(7a为两路下行信道的时延差),则发送端发送的信号将接收到的信号进行放大前传(AF)到目标端.系统到达接收端的时延差为Tu+ra的接收部分如图4所示本文对空时信号进行正交扩频处理,在接收端对假设信道是多径信道,服从莱斯信道模型,主径接收到的来自不同中继的异步信号进行提取分离,将和多径信道参数幅度由莱斯信道系数决定.发送端分离出的异步信号处理成同步状态,即帧对齐后再进发射天线具有指向性;中继和接收端不具有多天线行空时解码.系统的发送部分如图3所示只有单根天线,并且对接收到的信号透明转发;接收图3假设地面发送端对卫星的位置具有可知性,端对来自不同中继的信号分离处理与Rake接收机各天线发送具有指向性,即发送端天线1发送信号到的原理类似,解调后的基带信号通过相关器,相关性中继1,天线2发送信号到中继2(为了减小发射端最大即为所需信号,具体如图5所示的发射功率)与传统的协同通信各阶段发送信号不相关器1~n和相关器n+1~2n相差一定时同,第一阶段,发送端不广播信号,而是通过智能天延进行相关性计算,并乘以相应系数;对经过中继1spreading sequence)一7xsourceadulationdifferential7spreading sequence 2图3发送端信号空时编码和扩频Fig 3 Space-time coding and spreading in transmitter图4接收端信号解扩和空时解码Fig 4 De-spreading and二二二二二二二二二二二二二二二二二nBn图5接收端信号解扩处理Fig 5 De-spreading in receiver章坚武等:卫星通信中基于扩频技术的异步差分空时协冏編码硏究637和中继2转发的信号在信道中产生的多径信号合并系数进行检测即可解码信号处理差分空时解码系统的接收端不需要明确信道系数即可将信号解码.假设接收到的信号用(r21-1,r2,2差分空时编码r2+1,72+2)表示,则SIsO系统中,M进制码字c1;,C2,……,c1,…,cMA=(r2-1,r21),B=(r2+1,r2+2),(i∈{1,2,…,M})经差分编码后的信号x1,x2;…C=(r2(10)x1,……,xM(∈{1,2,…,M}满足以下关系利用码字正交性,两个判决统计量可由下式给出(1)a1=B·AH(11)空时差分编码的结构如图6所示,其中a1,a2为差B(12)分空时编码的两个系数空时差分编码将连续多个信号作为输入,输出多根据最大似然(ML)译码算法可以独立地将两个信号,这里取中继数为2,而前一次发送的连续两个线性差分编码系数译出,参照差分编码系数映射帧信号决定了后续需要发送的信号12.即表,采用非相干译码技术进行解码(2+1,22=a212+1-ax-1.(2)3扩频空时编码其中,*为共轭符号.由式(2)可推算出源信号经过差分编码后还需经过空时编码才能a1=x2+121-1+x2+2x2(3)进行发送假设发送端空时编码结构是 Alamouti编a2=-2i+12i+T2i+221-1(4)码前后帧信号进行过差分编码如下以QPSK为例,有x2-1=x21=e07/4/V2SN,则可得各路差分信号x2={N+1,SN+2,……,s2N]i2r(c2x+1+0.5)/4(s10≤i≤2N)∈ cDQ).(13)x2+2=e22+2+0)/4/√2(7)假设扩频码长为L,则有将式(6)和式(7)带入式(2)和式(3),可以得出c=(c1,c2,…,CL),(1≤i≤K,i∈z+).(14)a1=e02xc2+1/)+e012x2+/4/2,(8)式中K为参与协同通信的中继个数中继接收到的信号为a2={ea+1)/4l+e2(2+2+2)/41/2.(9)r1=√1h11oc1+√p1h12·m20c2+m1从式(8)和式(9)可以看出,差分编码系数与倍(15)源有一对一的映射关系,因此接收端只要对差分编码p1aoC+x2+1,x2+differential1h22·(x1)oc2+n2(16)式中,表示矢量相乘符号。为 Kronecker乘积h图6差分空时编码结构为发送端到第j中继第讠帧的信道系数,p1为发送端Fig 6 Differential space-time coding structure到中继的发射功率中继对接收到的信号进行放大Chin.J. Space Sci.空间科学学报2015,35(5)后转发到接收端,假设放大系数为A,定义为当扩频序列满足以下条件时,系统误码率将降低Vp1+1(17)条件1不同扩频序列之间保持正交;式中p2为中继功率分配因子,满足文献(2]中功率条件2扩频序列均值为0或极小值最优功率分配P2=Rn2=P/2,其中R为中继数,P满足条件1,不同扩频码的正交性将不同帧信号为系统总功率.则接收端接收到的信号可表示为的干扰当作噪声处理,从而减小或消除干扰的影响;满足条件2,经扩频处理后的噪声对信号的影响将减z1=Ar1+m3=Mha1·h11m1°c1+弱甚至消除.理论上扩频码足够长,噪声就会完全消Mhd·h12·c2oc2+除,但是实际上无法实现扩频序列的选择可以有多x2=2+n=Mnh21(8)种只要满足选取的两个条件即可使用Mhd1·m1+n3,4仿真结果与分析Ahd h22(ai)oC2+ Ahd2'n2+ n4(19)假设信道特性遵循莱斯分布,莱斯因子为6~10令Mha1·h11=h1,Mh(信道直视路径功率较大),调制方式为BPSK,协作中继数量为2或3.本章将改进的空时协同编码与传ha21=ha3,Mhd2·h22=h4,Mha1·71+n3=u1,Mhan2+n4=02,式中ha是中继i到接收端的统的空时协同编码在异步传输环境中进行性能比较信道系数,则接收端接收到的信号可以表示为同时比较了不同扩频码的异步空时协同编码图7为空时编码在异步传输情况下的误码性能z1=h1·m1oc1+h2·m2oc+1,(20)分析.假设将一个码元分成16个等间隔的小时隙,图中的Td为时延差,即小时隙个数,T。为码元长度z2=ha3(-2)c1+hi+m(2)从仿真结果可以看出,随着时延差的增大,传统空时接收信号首先进行解扩,即编码的误码性能逐渐降低,而且降低程度有所增加.当时延差超过1/2个码元长度时,系统几乎不可用r1=∑(cx)假设莱斯信道系数为10(卫星通信中较好的传输环境),扩频码长16,信源调制方式BPSK,中继n2=∑(c1z)(23)数2,3,传统空时编码中加入扩频处理图8为基于直扩序列的异步空时协同编码与传统的空时协同编W1,W2定义为W1=c2(h1·1oc1)2+c2(h103W2=c2ha3(--2)ocn]+ch4·(x1)oc2]1dill(25)-Tait 3/8 Ts由式(20)~(25)可得Tr1/27Tdirr 5/8 Tsr1=h1x1+h2x2+r2=ha(-2)+h4·(a1)+2.(27)图7异步传输对传统空时协同编码对误码性能的影响接收端对解扩后的信号进行空时差分解码或ML解Fg7 Effects of SER performance of the traditional码后即可获得源信号.space-time with asynchronous communication章坚武等:卫星通信中基于扩技术的异步差分空时协同编码研究639码与分集系统误码性能比较,横坐标SNR表示每一同延差下的误码性能仿真.在不同的时延差下,扩频根天线上的信噪比.1TR(单中继单接收机)情况码的引入没有造成大的误码性能损失,说明扩频技术下,对码元进行扩频处理后,性能得到很大的提升,S-能对抗时延差带来的空时编码误码性能下降.图中NR为10-3时,BER提升6dB;采用空时分组编码,时延差为码元长度的整数倍,但即使是非整数倍的时2T1R情况下,扩频处理后,空时系统在SNR为10-3延差也同样适用,也同样能减小误码性能的损失时,BER提升5dB;采用空时分组编码,3TR情况假设多径为3条,时延差为20个码元长度以内下,扩频处理后,SNR为10-4时,BER提升1dB.发的随机非整数.传统空时编码和差分空时编码在有送端分集系统,每根天线发送能量进行归一化处理,无扩频的情况下的误码性能仿真如图11所示可以即人为降低单根天线上的信噪比,为了使2TIR空时看出,差分编码确实比非差分编码性能较差,有3dB系统和1T2R分集系统具有相同的误比特性能.当误码损失,而经过扩频之后的差分编码比没有扩频的每根天线上的信噪比相同时,空时系统表现为较好的差分编码性能上有所提高.说明扩频码的引入能为误比特性能.可以看出,在空时编码中应用扩频处理,系统带来误码性能.差分空时编码在扩频处理后比可以提高系统的误码性能没有扩频处理的编码具有4dB信噪比提高.图9为基于 Walsh序列和正余弦序列的改进的异步空时编码的误码性能比较.可以看出,在扩频长度都是16的情况下,基于 Walsh序列的空时编码具有较好的误码性能.尽管两种扩频码都能克服异步环境带来的影响,但在10-4误比特率下, Walsh序Walsh: delay列有2dB信噪比优势,原因是正余弦序列不能保证Walsh: delay 10完全正交.扩频的使用,在时延差为10个码元长度delay 10的情况下与没有时延差相比,误码性能并没有下降10F-.-STBC+Cos: delay oCOS: delay 0STBC+COS: delay 10所以,尽管 Walsh编码码具有较好的正交性能,但正PCOS: delay 10弦序列也能对抗时延差引起的定时误差,只是性能没SNR/dB有 Walsh码好;在大时延差情况下,码元扩频处理后图9基于 Walsh序列和正余弦序列的改进的异步空时减小了时延差引起的误码性能降低程度协同编码误码性能比较图10为基于 Walsh序列的空时协同编码在不Fig 9 Difference of BER between asynchronousspace-time coding with Walsh and cosine sequence10-110STBC+DSSS. 3TIR10-4DSSS. IT3RSTBC. 3TIRdelay 1010-5delay 20)STBC+DSSS. 2TIRDSSS. IT2R- delay 30一STBC.2T1RIT2R→ delay50SNR/dSNR/ dB图8基于直扩序列的空时编码与传统空时编码图10基于直扩序列改进的空时协同编码在不同时延差误码性能的比较下的误码性能仿真Fig 8 Difference of SER between space-time codingFig 10 BER of space-time coding with spreadingwith spreading and traditional space-time codingsequence in different time delays640Chin.J. Space Sci.空间科学学报2015,35(5)张更新,蒋丽凤,等.卫星空时协同策略研究J数字通信世界2012,7(1):55-57)4 Chang Jishi, Chen Wenjing, Ma Dongtang. Analysis ofcooperative communication strategy in satellite communi-10cation system[J. Mod. Elec. Tech,, 2010, 33(23 ) 63In Chinese(昌纪师,成文婿,马东堂.卫星通信系统的协同通信策略研究问].现代电子技术,2010,33(23):6366)[5 Mei Y, Hua Y, Swami A, et aL. Combating synchro-differential codingnization errors in cooperative relays[C)//IEEE Inter-differential coding spread spectrum 4space-time codingnational Conference on Acoustics, Speech, and Signalspace-time coding spread spectrum 4Processing. 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