一种新的两用户协作分集方案及其性能研究

第30卷第7期电子与信息学报Vol.30No.72008年7月JournalofElectronics&InformationTechnologyJul..2008一种新的两用户协作分集方案及其性能研究邹玉龙①郑宝玉①赵贤敬②①(南京邮电大学信号处理与传输研究院南京210003)②(中国移动(深圳)有限公司深圳518048)摘要：该文提出了一种基于信道编码和分布式空时分组码级联下的两用户协作分集方案，并且在准静态的瑞利衰落信道下对此方案的系统容量，中断概率以及误比特率进行了理论推导和系统仿真，分别给出了解析表达式和数值结果。通过将信道编码和空时码引入到协作分集中，系统容量得到显著改善，同时中断概率也明显降低。在协作用户间信道存在噪声的情况下，对卷积码与分布式空时分组码级联下的发射方案进行了性能分析和仿真。仿真结果表明：即使协作用户间的信道存在噪声，该文所提方案在各方面都优于传统协作分集，系统容量明显增大，中断概率及误比特率大大降低。关键词：分布式空时分组码；协作分集；卷积码；中断概率中图分类号：TN92文献标识码：A文章编号：1009-5896(2008)07-1557-05ANovelTwo-UserCooperativeDiversitySchemeandPerformanceAnalysisZouYu-long①ZhengBao-yu①ZhaoXian-jing②①(InstituteofSignalProcessingandTransmission,NanjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nanjing210003,China)②(ChinaMobile(Shenzhen)Limited,Shenzhen518048,China)Abstract:Anoveltwo-usercooperativediversityschemebasedonconcatenatedchannelcodeanddistributedspace-timeblockcodeisproposedinthispaper,andthecloseformexpressionandnumericalresultsofchannelcapacity,outageprobabilityandbiterrorrateforthequasi-staticrayleighfadingchannelsarealsopresentedbytheoreticalderivationandsystemsimulation.Throughintegratingwithchannelcodingandspace-timecoding,systemcapacityhasbeengreatlyenlarged,andtheoutageprobabilityisdistinctlyreducedalso.Theperformanceanalysisandsimulationforthetransmittedscheme,whichisbasedonconcatenatedconvolutioncodeanddistributedspace-timeblockcodeundertheinteruserchannelisnoisy,iscarriedoutexhaustively.Numericalresultsshowthat,eventhoughtheinteruserchannelisnoisy,theproposedschemeinthispaperisbetterthantraditionalcooperativediversityineveryrespect,suchasthechannelcapacityraisedobviously,outageprobabilityandbiterrorratedecreasedgreatly.Keywords:Distributedspace-timeblockcode;Cooperativediversity;Convolutioncode;Outageprobability1引言随着日益增长的多媒体业务，大容量和高速率的移动通信系统越来越受到人们的关注，但是由于移动信道具有的多径衰落和多普勒频移等特性严重阻碍了信道容量的增加和服务质量的改善，因此如何有效地对抗移动信道中的多径衰落一直都是广大研究工作者的热点问题。近年来提出的多输入多输出(MIMO)[1−3]天线技术，通过在接收端和发射端同时安置多个天线，形成MIMO信道结构，从而充分利用了空间资源，大幅度提高了信道容量。尽管传统多天线传输具有明显的优势，并已逐渐被新一代无线通信系统的主流协议所2006-11-29收到，2007-06-11改回国家自然科学基金(60372107)和江苏省高校自然科学重大基础研究项目(06KJA51001)资助课题采纳，但仍然存在问题。具体地讲，现有的多天线都设置在基站端，而移动终端则很难安置多天线。这主要有两方面的原因：一方面，移动终端对体积、质量和功耗的要求远比基站苛刻得多；另一方面，理想的MIMO多天线系统要求相邻天线之间的距离远大于载波波长，并且多个收发天线之间的传输信道必须是独立的，而移动终端由于体积的限制，根本无法做到这一点。为了克服这个问题，Sendonaris，Erkip和Aazhang[4,5]等人提出了一种新的空间分集技术——协作分集，即通过使网络中各单天线用户共享彼此天线，形成虚拟的多天线阵列来实现发射或接收分集，从而有效地抵抗多径衰落以提高网络性能，并且最早研究了网络容量和中断概率等协作分集系统的性能。接着，Laneman，Tse和Wornell[6]则深入研究了分集的实现策略，提出了固定中继、选择中继和增量中继31558电子与信息学报第30卷种协作策略。此后，Babarossa[7]又研究了Tarokh[8,9]空时分组码在协作分集中应用，并且也对系统的中断概率进行了一定分析。与Laneman等工作时间上几乎同时进行的是Hunter和Nosratinia[10−12]提出的编码协作(codedcooperation)研究，即将信道编码技术应用到协作分集中。但是，所有这些工作并没有将信道编码和空时编码结合起来，使其一起应用到协作分集当中，本文将信道编码和空时码一并引入到协作分集中，并且在瑞利衰落信道下分析了系统容量，中断概率以及误比特率等性能。2新的两用户协作分集方案2.1系统模型考虑仅有两个单天线发射用户(U1和U2)和一个单天线目的接收终端(d)的无线通信系统，并且两个协作用户可以同时进行收发信号，如图1所示。为了便于叙述，不妨定义U1和U2在第k帧的待发字符向量分别为1111[(1)(2)()]sssN=S，及2222[(1)(2)()]sssN=S，具体的时隙分配见图2。图1协作分集系统模型图2假设所有时间和频率是严格同步和准确，因此U1和U2在奇数时隙接收到的信号可以表示为12121122121221(21)(21)(21)(21)(21)(21)(21)(21)rihisinirihisini−=−−+−⎫⎪⎬−=−−+−⎪⎭(1)其中12(21)hi−，21(21)hi−分别表示奇数时隙U1到U2和U2到U1的信道衰落。12(21)ni−，21(21)ni−表示U2和U1接收到的零均值，单边功率谱密度为0N的复高斯型噪声。与此同时，目的端接收到的信号为1122()()()()()()ddddrihisihisini=++(2)式中1()dhi，2()dhi分别表示用户1和用户2到接收天线d之间的复衰落信道增益模型，其幅度服从瑞利分布，相位服从在区间[0,2]π上的均匀分布。在此，对本文所采用的信道模型做如下说明：(1)所有信道均利用Jakes[13]模型进行建模，并且信道增益在时间上的相关系数0(2)dsJfTρπ=，其中df为最大多普勒频移，sT则表示一个符号周期。(2)假设接收端接收到的加性噪声干扰项均服从零均值，单边功率谱密度为N0的复高斯分布。(3)不同发射天线到接收天线之间的信道在空间上相互独立。(4)假设信道属于对称信道且是准静态的，即在连续的两个符号周期内信道衰落不变。(5)假设发射端和接收端已知信道状态信息(CSI)，以便进行检测。2.2发射机方案与Viterbi接收机图3中，Tx/Rx就是指能够同时进行收发信号的用户天线，DSTBC表示分布式空时分组编码器。图4中的ML-ST解调器指的是基于最大似然空时检测的信号解调设备，主要用来实现分布式空时译码。下面将简单介绍方案的具体实现过程，不妨设用户i信道编码器的第k帧输出码流经星座调制器输出的字符向量为[(1)(2)(/2)]iiiibbbN=B。其中，向量元素()ibl定义为2(),0,1,,1kjMisblEekMπ==−(3)图3基于信道编码和空时编码级联的发射机框图图4基于ML-ST检测的维特比译码接收机框图此处，1j=−，sE表示信号的发射功率。根据Alamouti提出的22×空时编码矩阵，在奇数21i−时隙，U1和U2以广播的形式分别发射1()ib和2()ib，即11(21)()sibi−=及22(21)()sibi−=，故目的端的接收信号,doR可表示为,1,1,2,2,,doodoododo=++RSHSHN(4)式中,doN表示目的端的均值为零，单边功率谱为0N的复高斯型噪声向量，且,(1,2)idoi=H定义如下，,(1)0000(3)00000000(1)idididoidhhhN⎛⎞⎜⎟⎜⎟=⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟−⎝⎠%H(5)同时，U1和U2接收到的信号分别表示为21,2,21,21,12,1,12,12,,oooooooo=+=+RSHNRSHN(6)第7期邹玉龙等：一种新的两用户协作分集方案及其性能研究1559这里，21,12,,ooHH类似式(5)定义，表示协作用户间信道在奇数时刻的信道增益。U1和U2通过相干检测得到对方在奇数时隙的发送信号1ˆ(21)si−和2ˆ(21)si−，然后再分别在偶数时隙内转发给目的端，即*12ˆ(2)(21)sisi=−−及*11ˆ(2)(21)sisi=−。因此，在偶数时隙内目的端的接收信号为ll**2,1,,1,2,,oodededede=−++RSHSHN(7)其中,(1,2)idei=H表示在偶数时隙协作用户到目的端的信道增益。为了进一步分析协作用户间解码差错情况对系统性能的影响，不妨将协作用户i的解码结果表示为,,,ˆioioio=SSθ(8)显然，当且仅当,ioθ等于单位阵时表示解码正确，其他均表示解码错误。将式(8)代入式(7)中，得到**.1,1,2,2,2,1,,deoodeoodede=−+RSθHSθHN(9)联合式(4)和式(9)，同时定义接收信号矩阵为()H,,ddode=*RRR，编码字符矩阵()H1,2,ooo=SSS，得到ddod=+RHSN(10)根据信道矩阵dH的正交性，将dH的正交阵左乘接收信号矩阵dR，同时假设协同用户间解码完全正确，以及信道增益在连续两个符号周期内不变，则由式(10)可以进一步得到221121**12()(21)(2)()(21)(21)(2)(2)ddddddbihihibihinihini⎡⎤=−+⎣⎦+−−+(11)3系统代价及性能分析3.1协作分集系统的实现复杂度对于传统协作分集系统，接收机只需对空时分组码进行最大似然译码，同时空时分组码保留了接收端的线性处理为基础的非常简单的最大似然解码算法，因而目的接收端的解码复杂度与参加协作的用户数目N成正比，其译码的时间复杂度和空间复杂度分别为Time()(),Space()()NONNONN==+(12)由于新的协作分集系统的接收机使用了Viterbi算法进行信号的最大似然检测，并且Viterbi译码的过程是在树状图或网格图中选择一条路径，计算出各支路与接收到的信息序列的距离，并从中选出距离最小的一条支路作为