多符号差分空时编码协作技术的研究

I多符号差分空时编码协作技术的研究专业：通信工程专业学生：指导教师：摘要:为了克服多输入多输出（MIMO）技术在实际应用中所遇到的困难，本文提出将Alamouti空时编码技术与放大协作技术相结合的方案。并且将重点放在差分空时编码与AF协作通信相结合，搭建单跳单中继协作通信模型，对所提出的方案进行仿真验证，并分别与传统的空时编码技术和协作分集技术进行比较。关键词:多输入多输出技术；空时编码；协作技术；多符号差分检测。中图分类号：TN911ResearchonCooperationTechnologyforMulti-symbolDifferentialSpace-timecodeAbstract:Inordertoovercometheproblemswhichmultiple-inputmultiple-output(MIMO)technologyhasintheactualapplication,thispaperputtheemphasisonthecombinationofdifferentialspace-timecodeandAFcooperationcommunication.Inordertovalidatetheabovesystem,wedevelopsimulationsystemwhichisproposedforonehopsinglerelaycooperationcommunicationmodel,comparingwiththetraditionalspace-timecodetechnologyandcooperationdiversitytechnology,respectively.Keywords:MIMO;space-timecoding;CooperationTechnology;MSDDClassification:TN91111引言通常，MIMO技术[1]利用时域和空域联合编码，可获得分集增益和编码增益。首先，为避免信道估计带来的成本，可将差分调制引入MIMO技术，得到无需信道估计的差分空时编码。其次，在实际无线通信过程中，由于体积、重量等的限制，终端很难配置多根天线。所以协作分集技术应运而生，这种技术利用无线通信的广播特性，各协作节点共享彼此天线和其它资源，构成虚拟MIMO系统，获得更高分集增益。对于差分编码技术,一般采用差分检测进行信号的恢复。然而传统单符号差分检测与相关检测存在3dB的性能差距。一般情况下，我们采用多符号最大似然检测（MSDD—ML）[2]缩短差距，但这种算法复杂度随着调制星座点数和天线数增加呈指数增加，所以我们提出多符号差分球形译码（MSDSD）[3-8]减小复杂度。仿真结果表明，MSDSD能很大程度上减小ML检测的复杂度，且接近ML检测的性能。差分空时编码协作技术能够极大程度上改善系统性能，在未来无线通信中将获得越来越重要的应用。2基于Alamouti空时编码协作通信的信道模型放大模型只需要对经过协作点的通信信息进行单纯的放大处理，因此它对协作点的设备以及性能要求比较低，极易实现，所以在目前的通信系统中使用的范围比较广泛。本章就是采用放大转发的协作方式，将其与两发一收的空时编码方式结合，研究通信系统的性能。Alamouti空时分组发需要两根发射天线。而在经典的S-D-R(Source-Relay-Destination)模型下，源节点配置多根天线以实现空间分集是有可能的，（例如在蜂窝网的下行链路，基站有条件实现多根天线的配置）而在源节点与目的节点之间使用一个协作点以实现在信道条件差的时候对通信系统性能的改善。其模型如图2.1所示：SRDhSR1hSR2hRDhSD1hSD2图2.1基于Alamouti空时编码单中继AF协作通信模型在该模型中，源节点具有双发射天线，中继节点和目的节点均为单天线节点，各节点之间的信道参数如上图所示，系统采用Alamouti空时分组编码方案，传输矩阵为：2*12*21ssSss………………………………………..(2.1)传输方案如下所示：表2.1基于Alamouti空时编码单中继AF协作通信传输方案节点时隙源节点S中继节点R目的节点DT1S1和S2ListionListionT2-S2*和S1*ListionListionT3_GRD*yR1GRD*yR2T4_ListionListion源节点的两根发射天线——天线1和天线2按照式（2.1）发射矩阵发送信号：第一个时隙天线1发送在S1，天线2发送S2；第二个时隙天线1和天线2分别发送-S2*和S1*。此时，R和D都只保持接收状态。紧接着的两个时隙，S不再发送信号，中继节点接收信息完毕，对第一、第二时隙接收到的信号放大GRD倍后分别在第三、第四时隙进行转发，其中，210PGgPN………………………………….（2.2）其值主要由S与R之间的衰落系数以及噪声功率决定。此时目的节点D既接收完来自S的信号，也接收完来自目的节点D的信号，并且按照某种结合方式进行合并。这里我们采用最简单的等增益合并方式。假设信道为准静态瑞利衰落信道，则每个信道状态至少在连续的两个时隙内是保持不变的。3差分空时编码与非相干检测差分技术的引用能够很好地避免信道估计带来的成本损失。本节主要将差分空时编码技术与非相干检测技术引用到上节介绍的编码协作模型中，整体框图如图3.1所示：信息源Alamouti空时编码器调制器源节点发射接收端检测接收目的节点接收解调差分编码放大转发协作多符号差分检测图3.1基于Alamouti差分空时编码协作通信流程图33.1差分编码以及发射过程根据上面提到的基于Alamouti空时编码单中继AF协作通信模型，进行公示推导。首先，将经过Alamouti空时编码器的符号进行差分编码。编码方式为：tttVSS1……….……...............................................（3.1）Vt代表当前时刻经过经过Alamouti空时编码器编码的空时矩阵，St代表经过差分后t时刻要发射的编码矩阵。假如为BPSK调制，则：2/12/12/12/10S为初始矩阵，不携带任何的数据信息。差分编码之后，码字分别从两个天线上发送出去。例如当t=1时，设差分后的矩阵为*12*21101ssssVSS，则发射过程如下：第一、第二时隙，中继节点R接收到的来自源节点S的信号分别为：111221SRSRSRRyhshsn…………..……………..（3.2）212212**SRSRSRRyhshsn………………….…（3.3）与此同时，R接收来自S的信息为：111221SDSDSDDyhshsn…………….…….（3.4）212212**SDSDSDDyhshsn………………..…（3.5）第三和第四时隙，源节点S停止发送信息，R将接收到的信息进行放大后，转发给目的节点D。此时目的节点D在两个时隙接收到来自R的信息为：113RDRDRDSRDyhGyn……………….（3.6）224RDRDRDSRDyhGyn……………………..（3.7）则目的节点D在前四个时隙接收到的总的信息量分别为第一时隙和第三时隙合并、第二时隙和第四时隙合并。这里我们采用最简单的等比增益合并方式，整理得：111122213()()combSDRDRDSRSRRDRDSRRDRDRDyhGhhshGhhsGhnn（3.8）211222124()*()*combSDRDRDSRSRRDRDSRRDRDRDyhGhhshGhhsGhnn（3.9）令：111SDRDRDSRHhGhh…………………….（3.10）222SRRDRDSRHhGhh…………………...（3.11）4113RDRDRDnGhnn………………………...（3.12）224RDRDRDnGhnn..……………………….（3.13）则合并信号可以表示为：111221combyHsHsn……………………..（3.14）212212**combyHsHsn…………………….（3.15）由此可以看出以上两式可以形成Alamouti发射分集标准形式。3.2非相干检测技术使用差分编码就可以使用非相干检测技术来减少信道估计带来的成本损失。这节主要介绍应用于差分编码的非相干检测技术。根据文献[2]推导出的最大似然多符号差分检测的判决式：21111,...,^||]1[)][(]1[||minarg1FtltimNiNilSSMLtiRmVtlRSNtt……………（3.16）这里Rt和V[m]均代表单符号。经过证明，此公式同样适用于空时矩阵，即此时Rt和V[m]均为矩阵形式。其中，Rt由接收到的合并信号组成。由公式可以看出，差分检测并不需要知道信道信息。为了更好说明Rt矩阵形式，以单符号为例。当N=1时，公式（3.16）化简为：2,...,^||][]1[]1[||minarg1FSSMLtRtVtRSNtt……………………….（3.17）此为单符号差分检测。其中，若2123222[]combtcombtcombtcombtyyRtyy，则：2121222[1]combtcombtcombtcombtyyRtyy（2t）…….........……………（3.18）当t=1时，120[1]0combcombyRy。V[t+1]对应的调制星座，通过逆映射，便可得到调制之前的二进制比特流。4仿真性能图4.1编码协作技术性能仿真为了说明编码协作技术对系统的性能改善，文中使用在已知信道信息情况下编码与协作的仿真。通过仿真结果，验证了该协作系统的性能。如图4.1和图4.2所示。仿真均建立在慢5衰落的瑞利信道上，总帧数为120，000，并且假设已知信道信息。仿真目的主要为了验证通过编码技术与放大协作技术相结合后，性能的改善。0246810121416182010-610-510-410-310-210-1100P/N0（dB)放大转发理论值AlamoutiBPSK(2TX1RX)AFwithcode0246810121416182010-410-310-210-1SNR(dB)ber放大转发理论值AlamoutiQPSK(2TX1RX)AFwithcode图4.1BPSK调制在AF协议和空图4.2QPSK调制在AF协议和空时编码协议不同方式误码率仿真图时编码协议不同方式误码率仿真图图中给出了用BPSK和QPSK两种不同调制方式下，直接进行放大处理、只经过标准Alamouti编码处理和放大与编码相结合三中情况下的误比特曲线。由仿真图可以看出，无论在哪种调制方式下，在大信噪比的情况下，采用AF协作通信模型的性能要明显好于只放大或者只编码的情况。这里需要指出的是，在低信噪比，例如5dB以前，AF协作方式的性能和标准的Alamouti编码方式相比，没有明显优越性，甚至误码率会高。这是因为AF协作的中继节点到目的节点的放大因子GRD取值由式（2.2）所决定。当信噪比较低时，GRD的取值会比较小，主要放大了噪声。反而使放大后有用信息的功率相对总功率降低，噪声功率相对较高，造成误码率值反而升高。这在编程仿真过程中通过观察GRD在不同信噪比情况下的取值，体现的很明显。这就反映出单纯放大协作的一个弊端，因此需要其他技术进行改善。4.2多符号差分检测技术的仿真前面已经指出，信道信息不一定都能够很好的获得，且单符号差分检测与相干检测相比，存在较大的性能损失。而多符号差分检测在一定程度上可以改善其信噪比损失。本节主要对差分检测性能仿真做出分析。图4.3和图4.4主要是针对于相干检测和单符号差分检测性能比较。由仿真结果可以看出，不论是BPSK还是QPSK调制，在误码率为10-3时，单符号差分检测的性能都将近低于相干检测3dB。