基于双选衰落信道的差分空时协作技术

第37卷第6期应用科技vol.37.N.62010年6月月 AppliedScienceandJun.2010doi:10.3969/jisn.1009-671X.2010.06.009基于双选衰落信道的差分空时协作技术雷霆,谢红,解武(哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150001)要:协作分集技术解决了MMo技术在移动终端受天线制约的问题.由于无线通信环境的特殊性和复杂性,对信道估计十分困难因此引入了不需要信道佔计的差分空时编码,并在时间选择性衰落信道和频率选择性衰落信道的基础上研究了时间-频率双选择性衰落信道模型,在更接近实际信道环境的基础上将差分空时编码和协作分集技术相融合,理论研究和仿真结果均表明系统性能在信道容量、误比特率等方面均得到了提高关键词:双选择性衰落信道;协作分集;编码协作模式;差分空时编码中图分类号:TN929.5文献标识码:A文章编号:1009-671X(2010)04-0031-05Differential space-time coding cooperative diversity in doubly-selectivefading channelLEI Ting, XIE Hong, XIE WuCollege of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)Abstract: Cooperative diversity technology solves the problem that MIMO system is restricted by antennas in themovable termination. Due to the particularity and complexity of wireless communication, it is very difficult to esti-mate the channel, therefore the differential space-time coding which doesn t need the channel estimation is intro-duced, and the time-frequency doubly-selective fading channel model on the basis of time selective fading channelcooperative diversity techniques, the simulation analysis about the systems BER and the system capacity is made eand frequency selectivechannel is also established, then combining the differential space-time codingthe basis of more actual channel environmentKeywords: doubly-selective fading channel; cooperative diversity; coded cooperation; differential space-time cod-无线通信是当今世界比较活跃的科研领域之问题, Sendonaris等人提出了一种新的空域分集技术一,新一代无线通信系统的关键技术—MMO技协作分集由于协作分集中的合作伙伴共享彼术,在提高无线通信系统容量及频谱利用率上具有此的天线,从而构成了虚拟的MIMo多天线系统,从巨大潜力.MIMo技术实质上是为系统提供空间复这个意义上讲协作分集为MIMO多天线技术走向用增益和空间分集增益,空间复用技术可以大大提实用提供了一条新的途径.另外,将空时编码技术和高信道容量,而空间分集则可以提高信道的可靠性,协作分集技术结合起来构成的空时编码协作在快衰降低信道误码率.落信道情况下,可以获得完全分集增益,并且不会牺虽然MIMO多天线技术具有明显的优势,并已牲上行信道质量相对较好的用户的性能所以,研究逐渐被新一代无线通信系统所采纳,但是仍然存在MMO系统的空时编码技术和协作分集技术具有十问题由于移动终端对体积、质量和功耗要求苛刻,分重要的意义现有的大部分关于协作分集和空时所以现有的多天线都设置在基站端,实际可获得的编码的研究都集中在单一的频率或时间选择性衰落信道容量比理想值大打折扣,使得MMO技术在实信道环境下,而文章主要研究时间频率双选择性衰际应用中步履维艰为了解决MIMO技术广泛应用落信道下的空时协作分集系统的性能收稿日期:200911409作者简介:雷霆(1983-),女,硕士研究生,主要研究方向:通信信息与信息系统,E-mail:beiting9830625@yahoo..om.cn32应用科技第37卷信道模型2.1协作分集概述协作分集基本思想可以追溯到 Cover和Gaml无线通信环境的复杂性导致建立数学模型十分关于中继信道的信息论特性的研究,他们的研究得困难,成为无线通信领域发展的绊脚石,制约着各种出了几种特殊情况下的中继信道容量和一般情况下关键技术的研究发展和实际应用.如何建立更加贴的信道容量界,奠定了中继通信的基础理论,促进了近实际环境的信道模型成为十分重要的研究课题.协同通信的发展.在此基础上 Sendonaris等人提文章首先研究双选衰落信道模型,然后在此基础上出了协作分集,现有的研究结果表明,在平衰落环境研究适用于该信道模型的差分空时协作分集技术.下,协作分集可以扩大系统容量提高网络服务质设h(t;r)表示包含发送和接收滤波器以及时量,改善系统性能下面以2用户为例介绍协作分集变信道的基带等效时间连续的信道冲激响应,H(;的基本原理T)是其傅立叶变换同时定义最大时延扩展rm、最U1和U2为蜂窝系统中的2个独立用户,假设大多普勒频移/,对于lr1>rm,>U。1,满足他们是协作伙伴,U1在向基站传送自己的信息的同HG;r)1≈0.考虑一个包含N个符号的第k个符时还要把从U2接收到的信息也发送给基站同样号块,T,为符号间隔,根据参考文献[1]得出MIMo的道理,U2也要接收U1的一部分信息并转发给基系统中时间频率双选择性基带等效时间离散衰落信站这样在用户U和基站之间就产生了2条独立道模型为的衰落路径:一条是U1与基站之间的直接传输路径;另一条是U1、U2与基站间的间接传输路径引h(n;)=“(k),根据不同的信号处理方式可将协作分集分为3[1,N,];p∈[1,N]种模式:编码协作(C)模式、前向放大(AF)模式中:L=「rm/T1,Q=2「∫mNT,1·假设信道为欠式和前向解码(DF)模式0,在文中主要研究CC扩展信道,即时延一多普勒扩展因子2/mT=<1的方案.CC方案是将协作分集思想与信道编码相结信道实际上,大多数电离层、对流层散射信道以及合,通过2条独立的衰落信道来发送每个用户码字其他无线信道均为欠扩展信道的不同部分.其基本思想是每个用户都将增加的冗图1给出了双选择性衰落信道的冲激响应,仿余信息发送给其伙伴,通过正确解码伙伴的信息,真所用的系统参数为:载波频率∫=900MHz,符号之后重新编码并发送出去,来同时获得分集和编码周期T=0.5ms,接收机最大移动速度v=增益.当它们之间的信道非常恶劣时,该机制自动恢96km/h,不难得到最大多普勒频移为厂m=80H,复到非协同模式由于编码协同的良好性能且不需符号块的符号数N取50,共有4条路径延时分别要知道用户间的信道信息,还可以利用空时编码的为0、1、4.5、5.5研究成果,所以是目前备受关注的焦点延为2.2编码协作模式的工作原理时延为图2是编码协作模式的方框图第帧发送Nbit暂4第2帧发送Nbi时延为55时延为用第帧发送Nhit第2帧发送Mbit时间/s径数图2编码协作模式方框图图1双选择性衰落信道的冲激响应2空时协作分集原理用户把信源数据分成若干个数据块,每一个数据块都相应的增加一个循环冗余校验码,假设每一个数据块包含K比特信息(包括循环冗余校验码比第6期雷霆,等:基于双选衰落信道的差分空时协作技术特信息),然后块与码率为R的纠错码进行编码,每B=[b4(1),…,b(i),…,b(N2)],(k=1,2),一个数据块就有N=K/R比特的信息2个协同用N为发送符号数户都将含有N比特码字的数据发送周期分为2个则接收信号为阶段称每一阶段为一帧在第1帧中,2个用户分R1,=S1.H1.a+N2.;别发送1个码率为R1的码字(R1>R),该码字含有。H21N比特的信息(N=K/R)2个用户都接收其协作式中:H12和H2。为信道信息伙伴的数据信息并尝试对其进行正确的译码,假如假设U1和U2具有相同的信道信息,在2i-1译码正确(由循环冗余校验码决定),在第二帧中,时刻,U1得到从U2传输过来的信息S2(2i-1)的估用户将计算并发送其协作伙伴的第2部分N个比计值S(2-1),同理U2得到从U传输过来的信特的信息;否则用户将在第2帧发送自己的第2部分的N2个比特信息这样每个用户在每个周期都息51(2i-1)的估计值S2(2i-1).根据差分编码原是发送N个比特(N=N+N2)信息,每一个用户仅理,U1和U2在偶数时间2i发送-S2(2i-1)和在自己的多径信道中传播-8S(2i-1).所以,传输符号变量S,和S2被定义为S=-S23差分编码与协作分集融合算法(2)3.1编码方案根据式(1)、(2)有B2在研究编码协作分集原理的基础上,将差分空时编码应用在该系统中.一般空时分组码的实现都依赖于信道估计然而由于实际信道环境的复杂性则接收信号为R1。=-S2.H12.。+N2,;导致了信道估计误差,从而造成系统性能下降,给通信带来严重问题.为了克服这个问题,并结合编码协r2 si huls N2同分集系统不需知道用户间的信道信息的特点,在3.2译码方案此引人差分空时分组码.图4为该系统发射端框差分译码器框图如图4所示ML译码器s1(2i-1)叫道编时“画{圈的[51(2i)图4差分译码器框图b3()州天检测滤波器s2(2i-1)在接收端令接收信号图3差分空时协作分集系统发射模R4=(R4。R,)2,发射信号文章主要研究发射天线和接收天线数均为2的情况结合差分编码原理和协作分集原理该系统根噪声据Aamo矩阵,2用户U1和U2经则接收信号可以表示为R=HS。+N过信道编码和星座调制后的信号b1(i)和b2(i)在差分空时编码后在奇数时间2-1被定义为{4通过判决统计计算和最大似然译码,得到b,(i)= arg min I b,(i)-b,(i)Ii(2i-1)=b4(i)}2,即传输符号变量S1和S2在奇数时间被定义为b,(i)=arg min I b2()-b2(i)IS,。=B1;S2,。=B2(1)式中:C1和C2为经过信道编码的符号集式中:第37卷比特率是指码元在传输系统中被传错的概率,其定4仿真结果及分析义是为4.1信道容量PM (y,/h)Q(√h随着用户数量的逐渐增多,信道容量越来越成为大家研究MIMo系统相关技术所关注的问题信Q(道容量是指信道所支持的最大的无误码的数据传输速率,则输出端的信噪比可由下组式子表示:y,sin (T/M)Sm=[h14(2i-1)12+h24(2i)12]2E,o2n=[h4(2i-1)12+lh24(2i)12]2N,=[h14(2i-1)|2+h2(2i)12]2y假设最短序列距离为dn,错误路径的码重为d,则接收序列的码重为(d+1)/2≤d,≤d.所以可能发生错令h14(2i-1)12+h2(2i)|2=h/2,有误的概率可以表示为y。=hy,/2.P(4)=F/d1(3)式中:h与H关系表示为hd(1)0PM由公式(3)表示,式中:y,=15dB.采用8FSK调0bu(3)制,得到仿真结果如图6所示HLn(k=1,2)0hu(N-1)则该系统的信道容量为xh)=28(1+y)=2lg{l+h式中:y,=5dB,得到仿真结果如图5所示Theory analingal-selectiye& cooperate I叫主类cooperate SdB图6系统误比特率仿真图从图中不难看出,同样是采用差分空时协作分集技术,由于信道环境更接近于实际情况,双选择性衰落信道的误码率较单选择性衰落信道的误码率有所下降,但是都远远好于没有采用差分空时协作分图5信道容量仿真图集技术的系统从图中可以看到在相同信噪比的情况下采用5结束语差分空时编码协作分集技术可以显著提高信道容量虽然文中主要研究的双选择性衰落信道的信道容量研究了时间-频率双选择性衰落信道模型,提出略差于单选择性衰落信道但是较没有应用差分空时了差分空时编码和协作分集技术的融合编译码方案协作分集技术的系统而言,系统容量有所提高在更加复杂的信道环境下使系统性能在信道容4.2误比特率分析量、误码率等方面得到了提高,通过进行仿真分析进步验证了理论研究的正确性随着用户对无线数据传输的速率和质量的要求不断提高,研究通信系统的误比特率越来越重要.误(下转第39页)第6期李文兴,等:光伏电池最大功率点跟踪研究化需要重新跟踪以上2点可以从图34中分析得应用[M].北京:科学出版社,2005到由图8(b)、(c)中可以看出,在第1段与第2段,[2]雷元超,陈春根沈俊等光伏电源最大功率点跟踪控第2与第3段的交界处,也即环境发生变化的瞬间,制方法研究[门].电工电能新技术,2004,3(23):7680.都可以发现系统功率保持一个采样周期不变,这与3]闽江威光伏发电系统的最大功率点跟踪控制技术研究改进后的算法吻合.综上所述,本方案可以实现快[D]武汉:华中科技大学,2006速、稳定的跟踪[4]孔娟.太阳能光伏发电系统的研究[D].青岛:青岛大学,20065结束语[5]陈桂兰,孙晓李然光伏发电系统最大功率点跟踪控制[J].电子技术应用,2001,8:3335提出固定电压法和导纳增量法相结合的思路来6] TAFTICHT T, AGBOSSOU K, DOUMBIA M L,etal.An进行最大功率点跟踪,并在此基础上进行适应环境roved maximum power point tracking method for phot性的改进方案利用固定电压法迅速跟踪到近似最voltaic systems[J]. Renewable Energy, 2008, 33: 1508大功率点,再利用导纳增量法进行精确跟踪此方案1516既减少了跟踪的时间损耗,又降低了跟踪的振荡损[7] AHMEDN A, MIYATAKE M. A novel maximum power耗同时,引入的环境变化判断因子避免了电压崩溃pplications under partihaded insolation conditions[ J]. Electric Power Systems现象,提高了跟踪的稳定度,Research,2008,78:777-784参考文献:[8]龚菲,太阳能光伏路灯系统中MP控制器的研究与设计[D].杭州:浙江大学,2007[]赵争鸣,刘建政,孙晓瑛袁立,等.太阳能光伏发电及其(上接第34页参考文献:[1] WANG Z, GIANNAKIS G B. Wireless multicarrier commu- [6] SENDONARIS A, ERKIP E, AAZHANG B. User coopera-nications:Where Fourier meets Shannon[J]. IEEEon diversity-Part I system description [J]. IEEE TransProcessing Mag, 2000(5): 29-48Commun,2003,sl(11):1927-1938[2]彭木根,王文博协同无线通信原理与应用[M].北京:[7]谢显中,雷维嘉.移动通信中的空时信号处理[M].北机械工业出版,2008京:电子工业出版社,2008[3]殷勤业,张莹.协作分集:一种新的空域分集技术[8]郭希蕊,杜鹏.无线通信中的空时协作分集[.通信[J].西安交通大学学报,2005(6):552技术,2007,12:108-109[4] HUNTER T E, Code Cooperation: a new frame for user coop- [9] ZoU Yulong, ZHENGBaoyu, ZHU Xianglin. A new cooper-eration in wireless networks [D]. 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