差分空時(shí)編碼系統中的多共道用戶(hù)應用

2005年12月西安電子科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第32卷第6期JOURNAL OF XIDIAN UNIVERSITYVol 32 No 6差分空時(shí)編碼系統中的多共道用戶(hù)應用劉勤,楊家瑋,李建東西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)與關(guān)鍵技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室信息科學(xué)研究所寬帶無(wú)線(xiàn)通信實(shí)驗室陜西西安710071)摘要:通過(guò)分析和推導指岀在多用戶(hù)差分空時(shí)分組編碼系統中發(fā)射端的多個(gè)共道用戶(hù)采用同步編碼和同步分組傳輸時(shí)接收端無(wú)法在未知信道狀態(tài)信息的情況下進(jìn)行差分解碼的結論.為了能夠保持原有編碼的差分解碼的特性提出了一種新型的多用戶(hù)交錯結構利用多個(gè)共道用戶(hù)所發(fā)射的數據在時(shí)間上的不同時(shí)延彼此交錯形成傳輸的非同步.此時(shí)的接收端可通過(guò)輾轉迭代計算獲得等效的無(wú)共道干擾傳輸結果并通過(guò)差分計箅進(jìn)行解碼處理.具有這種交錯結構的系統能夠在信道未知的情況下支持多個(gè)用戶(hù)的同時(shí)傳輸并且在接收端能夠實(shí)現正確的解碼工作關(guān)鍵詞:差分空時(shí)分組編碼共道用戶(hù)洨錯結構中圖分類(lèi)號TN915.04文獻標識碼:文章編號: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在空時(shí)編碼概念被提出之后,它就作為一種有效的抗衰落措施得到研究者的關(guān)注.同時(shí)人們也提出了數種不需要在接收端進(jìn)行信道估計來(lái)獲得信道信息就能夠進(jìn)行解碼的差分空時(shí)編碼例如基于正交設計的分組差分空時(shí)編碼2]基于群碼的差分空時(shí)調制3和酉空時(shí)差分編碼4]應用空時(shí)編碼技術(shù)可獲得良好的分集增益和編碼增益3而采用干擾抵消技術(shù)后的空時(shí)編碼系統能夠支持多個(gè)共道用戶(hù)同時(shí)進(jìn)行通信在系統的容量和用戶(hù)的信息傳輸速率上系統能夠得到較大的提高671多用戶(hù)差分空時(shí)編碼系統分析根據文獻2]中的差分空時(shí)編碼模型分析存在多個(gè)同步共道用戶(hù)的系統接收和解碼情況.收稿日期200505-16基金項目國家自然科學(xué)基金和微軟亞洲研究院聯(lián)合資助項目(60372048)高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師教學(xué)科研獎勵計劃 TRAPOYT)國家自然科學(xué)基金重大項目60496316)教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項目(104171)國家863″計劃重大課題20014A123031第6期劉勤等差分空時(shí)編碼系統中的多共道用戶(hù)應用假設各個(gè)用戶(hù)都有兩個(gè)發(fā)射天線(xiàn)將發(fā)送端的編碼和調制關(guān)系用矩陣形式進(jìn)行表示令X1和X表示相鄰的兩個(gè)分組的發(fā)射信號矩陣K表示根據輸入比特信息確定的系數向量KK2)所對應的系數矩陣那么可得到KK=KX(1)x2+2x2+1-K2K1當發(fā)射端有同步的兩個(gè)共道用戶(hù)時(shí)假設兩個(gè)用戶(hù)都采用相同的差分空時(shí)分組編碼并且兩個(gè)用戶(hù)產(chǎn)生的發(fā)射信號矩陣同步按照多用戶(hù)空時(shí)分組編碼系統的接收準則在接收端使用兩個(gè)接收天線(xiàn)進(jìn)行接收.設定信道在任意兩個(gè)相鄰的分組時(shí)段內不發(fā)生變化洴并且用H1和H2表示用戶(hù)a到兩個(gè)接收天線(xiàn)的信道矩陣G1和G2為用戶(hù)b到兩個(gè)接收天線(xiàn)的信道矩陣設兩個(gè)用戶(hù)發(fā)送的信號矩陣為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,分別為t分組時(shí)刻兩個(gè)用戶(hù)的參數矩陣N為第i個(gè)接收天線(xiàn)上第t分組時(shí)刻的接收噪聲矩陣對于接收端來(lái)說(shuō)已知是各個(gè)接收信號矩陣R11R2=1R1,和R2以及上一分組時(shí)段的發(fā)送信號X和Y_1,其他的信道矩陣和參數矩陣是未知的噪聲矩陣暫不考慮.那么可形成如下的矩陣方程組RX-H,+Y-GR2:1=X-:H2+Y-1CR1=K。X-1H1+K,Y-1GRKXH,+K這樣就需要分析在上述的已知條件下能否通過(guò)運算從矩陣方程組中解得需要的參數矩陣K。和K對式6)的方程組進(jìn)行如下計算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陣都存在它們的逆矩陣.兩式乘以不同的逆矩陣并相減可得R1,H1-R2,H2=K(R11-1H1-R21-1H2)同樣的方法也可得到:R,G1-R2G2=K(R11-1G1-R21-1G2)從式9廂和式10)河看到由于所求的系數矩陣K和K和信道信息矩陣H1H2G1和G2有關(guān)在僅知曉接收信號矩陣R,R3,R1和R,而無(wú)法得到信道信息矩陣的情況下無(wú)法獲得明確和惟一的系數矩陣結果.這點(diǎn)也可利用賦予信道信息矩陣不同值時(shí)獲得的系數矩陣結果不同反證得到.從而也就說(shuō)明對于具有兩個(gè)共道用戶(hù)的差分空時(shí)分組編碼系統如果兩用戶(hù)采用同步的編碼傳輸方式在不確定信道信息的條件下接收端無(wú)法進(jìn)行正確的解碼和判決工作.當系統具有的共道用戶(hù)數為(L≥2)時(shí)采用同樣的方法也可容易證明在多個(gè)用戶(hù)采用同步編碼并且信道未知的情況下無(wú)法進(jìn)行正確的干擾抵消和解碼工作.這也就是表明在不知道明確的信道信息(包括不采用信道估計技術(shù)獲得信道信息)時(shí)無(wú)法利用差分空時(shí)分組編碼進(jìn)行多共道用戶(hù)下的解碼2交錯結構的多用戶(hù)差分空時(shí)編碼系統在上面的分析中沒(méi)定了多個(gè)共道用戶(hù)為同步編碼即具有嚴格的碼元同步和組同步.在這種情況下討論的結果是無(wú)法在信道信息未知的情況下進(jìn)行解碼.當多個(gè)共道用戶(hù)的不具有編碼同步關(guān)系時(shí)多個(gè)共道用戶(hù)間就存在一定的時(shí)差此時(shí)就形成一種交錯的差分空時(shí)編碼結構那么在這種情況下的多用戶(hù)差分空時(shí)分組編碼系統的情況又如何呢?圖1給岀了設計的這種非同步的多用戶(hù)交錯差分空時(shí)編碼系統結構框圖.圖中各個(gè)用戶(hù)在發(fā)射端都具有一個(gè)延遲模塊設用戶(hù)i的延遲量為a1,規定延遲量具有以下特征a;=(l1)a(11)850西安電子科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第32卷用廣0分組編碼延遲用戶(hù)Lx#→圖1多用戶(hù)交錯差分空時(shí)編碼系統結構)(x,石)(x3,x,)(x,寫(xiě))(x)(x,))(x,x)u囫圖2多用戶(hù)交錯差分空時(shí)編碼系統的數據格式在圖2中的各個(gè)用戶(hù)在進(jìn)行各自的差分空時(shí)分組編碼之后對不同的用戶(hù)依次進(jìn)行時(shí)間軸上的延遲形成交錯格式.在最初發(fā)送第1分組可以是一幀的起始)時(shí)延遲的部分用0補足(圖中陰影部分)這樣在接收端進(jìn)行接收時(shí)需要以L(fǎng)問(wèn)碼元速率進(jìn)行接收信號的采樣采樣的間隔也即是α灬·從接收端的接收信號可看到此時(shí)多個(gè)共道用戶(hù)發(fā)送的信號相互干擾并且混疊在一起.為了進(jìn)行各個(gè)用戶(hù)的解碼工作接收端必須進(jìn)行必要的干擾抵消處理在干擾抵消處理中如下計算等效接收信號r(12)ru +rch-Ix= Tu-TuKi-1)+rck-Iy k>Ik為奇數,可容易地得到結果為r4=xxk+ i)hp n(13)k為偶數等效接收信號π中k表示碼元時(shí)間/表示相應的碼元時(shí)段內的采樣點(diǎn)號.查看它們的物理意義可發(fā)現采樣點(diǎn)也代表了第l個(gè)用戶(hù).那么也就可發(fā)現經(jīng)過(guò)處理后的等效接收信號r相當于無(wú)干擾情況下針對第l個(gè)用戶(hù)第k個(gè)碼元時(shí)間的接收信號.因此針對式(13)進(jìn)行變換固定第l個(gè)用戶(hù)可得到相鄰的幾個(gè)碼元時(shí)段內的等效接收信號可表示為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由于系統中的各個(gè)共道用戶(hù)都是獨立采用差分空時(shí)分組編碼形成各自的發(fā)射信號那么利用得到的這4個(gè)等式就能進(jìn)行差分空時(shí)分組編碼的解碼工作獲得第l個(gè)用戶(hù)的差分系數并進(jìn)行反映射以荻得對應的信息比特組.通過(guò)以上分析將接收端的處理過(guò)程進(jìn)行歸納可看到此時(shí)的處理分為4步進(jìn)行.第1步接收端進(jìn)行L倍碼元速率的采樣.第2步將各個(gè)采樣點(diǎn)得到的接收信號相鄰點(diǎn)之間進(jìn)行兩兩相減得到結果r這一步即是干擾的抵消操作第3步將得到的無(wú)干擾等效接收信號帶入兩兩相減之后的結果ry中生成新的等效接收信號κ*)y第4步整理同一用戶(hù)的等效無(wú)干擾接收信號并按照差分空時(shí)分組編碼系統的解碼方法進(jìn)行解碼和反映射工作.第6期劉勤等差分空時(shí)編碼系統中的多共道用戶(hù)應用在接收端的干擾抵消計算中由于是相鄰采樣點(diǎn)信號兩兩相減因此可得到形成旳等效噪聲均值仍為0但是功率譜為2N在帶入計算中由于將已經(jīng)獲得的無(wú)干擾等效接收信號帶入兩兩相減之后的差信號,從而獲得新的無(wú)干擾等效接收信號那么此時(shí)等效噪聲na的功率譜會(huì )不停疊加這也就意味系統解碼性能將越來(lái)越差.因此在這種結構設計中經(jīng)過(guò)一段時(shí)間系統的發(fā)射端01就需要進(jìn)行復位然后重新進(jìn)行傳輸.0.013仿真結果與性能分析對單用戶(hù)差分空時(shí)分組編碼系統和兩共道用戶(hù)情況下1E-4一 ne User交錯結構差分空時(shí)編碼系統進(jìn)行仿真采用的調制方式為er FraiLeBISK信道為平坦瑞利衰落信道空時(shí)分組編碼方式為差- Two User FramLe分 Alamouti編碼.仿真結果如圖3所示.圖中分別給出了單1E-5用戶(hù)差分空時(shí)分組編碼系統的性能曲線(xiàn)以及在幀長(cháng)為20SNR/dB碼元、100碼元和200碼元情況下兩共道用戶(hù)交錯結構差分空時(shí)分組編碼系統的誤碼性能曲線(xiàn).從這些曲線(xiàn)的比較中圖3單用戶(hù)和兩用戶(hù)差分空時(shí)分組可看到采用交錯結構進(jìn)行差分空時(shí)分組編碼多共道用戶(hù)編碼系統性能比較傳輸是一種可行的方案.在幀長(cháng)設置較短時(shí)系統的誤碼性能和單用戶(hù)系統的誤碼性能相比未有明顯的下降.當設置的幀長(cháng)較大時(shí)由于接收端處理過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲累加效應多用戶(hù)系統性能將會(huì )有所下降.4結束語(yǔ)面向具有多個(gè)共道用戶(hù)的差分空時(shí)分組編碼系統作以研究對于具有分組同步和碼元同步的多共道用戶(hù)差分空時(shí)分組編碼系統文中證明了接收端無(wú)法在不知曉信道信息(包括不利用信道估計算法)的情況下利用差分空時(shí)分組編碼的差分特性進(jìn)行解碼.因此為了實(shí)現差分空時(shí)分組編碼條件下多個(gè)共道用戶(hù)的通信要求提出了一種非同步的交錯結構當多個(gè)共道的差分空時(shí)分組編碼用戶(hù)按照文中給出的特定的時(shí)延交錯關(guān)系進(jìn)行傳輸時(shí)接收端能夠利用用戶(hù)間的交錯間隔進(jìn)行干擾抵消并且能在未知信道的情況下利用編碼具有的差分關(guān)系進(jìn)行正確的解碼工作.參考文獻:1 J Alamouti S M. 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