協(xié)作通信中一種分布式酉空時(shí)碼

馮 艷，李正權(quán)，2，林 貞

(1．中國(guó)計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)院，浙江杭州310018;2．東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210096)

近年來(lái)，隨著無(wú)線通信3G業(yè)務(wù)的快速應(yīng)用與發(fā)展，人們對(duì)超高數(shù)據(jù)傳輸速度的4G越來(lái)越關(guān)注，如何能夠在高傳輸速度下保證數(shù)據(jù)的可靠性也得到相應(yīng)的關(guān)注。國(guó)內(nèi)三大電信運(yùn)營(yíng)商于2013年12月4日正式獲得了工信部發(fā)放的4G牌照，4G正式商用就在眼前。文獻(xiàn)［1－2］中都提到了MIMO信道，采用多元天線陣列模型，運(yùn)用時(shí)域和空域分集來(lái)提高系統(tǒng)容量，從而改善無(wú)線鏈路的可靠性。MIMO通信系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各類通信系統(tǒng)模型中，包括在近些年研究的LTE系統(tǒng)。但是在現(xiàn)實(shí)復(fù)雜的通信環(huán)境中，有時(shí)兩節(jié)點(diǎn)之間不具備直接通信的條件，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的通信必須依靠多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)多次的轉(zhuǎn)發(fā)才能夠?qū)崿F(xiàn)，這就是文獻(xiàn)［3］提出的多跳協(xié)作通信系統(tǒng)。文獻(xiàn)［4］又將分布式空時(shí)碼應(yīng)用在多跳協(xié)作通信模型中，提出了多跳Alamouti放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作方案，該方案至少包括3個(gè)時(shí)隙，其性能優(yōu)于兩跳協(xié)作方案，但傳輸中的編碼過(guò)于簡(jiǎn)單，可靠性還有待提高。

在無(wú)線通信系統(tǒng)中有相干和非相干兩種通信方式，與之對(duì)應(yīng)的相干空時(shí)碼已經(jīng)進(jìn)入了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而非相干空時(shí)碼目前仍處于研究階段，它與相干空時(shí)碼不同的是可以根據(jù)碼字的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行解調(diào)，不需要發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，也不必進(jìn)行信道統(tǒng)計(jì)，延遲較小，在未來(lái)的高速移動(dòng)通信中能夠得到應(yīng)用。因?yàn)樵诟咚偻ㄐ胖邢到y(tǒng)的信道狀態(tài)信息是不可估計(jì)的，而且還會(huì)增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。非相干空時(shí)碼可分為差分空時(shí)碼和非差分空時(shí)碼。文獻(xiàn)［5］最早提出了一種非相干酉空時(shí)的編碼設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并得到逼近容量限的非相干碼字具有酉空時(shí)的結(jié)構(gòu)。具體的調(diào)制技術(shù)在文獻(xiàn)［6］中得到了具體說(shuō)明。文獻(xiàn)［7］介紹了一種基于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的酉空時(shí)碼字，因?yàn)槠洳恍柚佬诺佬畔?，所以該設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和性能分析與人們熟知的最大歐氏距離有所不同，最后是通過(guò)多元天線陣列來(lái)驗(yàn)證性能狀況。文獻(xiàn)［8］提出了一種基于三角函數(shù)的酉空時(shí)星座圖，分析得出其譯碼復(fù)雜度相對(duì)較低。文獻(xiàn)［9］介紹了一種基于正交設(shè)計(jì)的酉空時(shí)系統(tǒng)，通過(guò)分析成對(duì)差錯(cuò)來(lái)提高編碼增益，提高系統(tǒng)性能。以上幾種傳統(tǒng)的酉空時(shí)編碼都是針對(duì)MIMO系統(tǒng)提出的，為了使多跳協(xié)作通信系統(tǒng)能夠發(fā)揮最優(yōu)性能，并保證通信質(zhì)量，本文將結(jié)合以上3種傳統(tǒng)的酉空時(shí)星座設(shè)計(jì)一種適合多跳協(xié)作通信的分布式酉空時(shí)編碼。

1 通信系統(tǒng)模型

假設(shè)無(wú)線通信系統(tǒng)模型如圖1所示，該模型是一個(gè)簡(jiǎn)易的多源兩跳分布式空時(shí)碼系統(tǒng)，共有M+N+1個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中M個(gè)源節(jié)點(diǎn)，記為Si，i=1，2，…，M，N個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，分別記為Rj，j=1，2，…，N，1個(gè)目的節(jié)點(diǎn)D。源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D之間沒(méi)有直傳鏈路。將源節(jié)點(diǎn)Si到中繼節(jié)點(diǎn)Rj信道系數(shù)表示為fij，中繼節(jié)點(diǎn)Rj到目的節(jié)點(diǎn)D的信道系數(shù)表示為hjD。假設(shè)該信道是平坦瑞利信道，所有的節(jié)點(diǎn)都是半雙工的，在符號(hào)級(jí)都是同步的，信道系數(shù)fij和hjD是相互獨(dú)立的，且服從均值為0、方差為1的高斯分布。

圖1 多源兩跳分布式空時(shí)碼系統(tǒng)模型

信號(hào)信息在信道中的傳輸過(guò)程可分為2部分。在第1部分，源節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)把調(diào)制好的信號(hào)信息發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)，其中第j個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)處接收到的信號(hào)信息可以表示為

式中:S=［s1，s2，…，si］表示源節(jié)點(diǎn)處發(fā)送的信號(hào)碼字矩陣，si為列向量;sij表示源節(jié)點(diǎn)每根天線所要發(fā)送的元素。

中繼節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)信息可以表示為

在第2部分，中繼節(jié)點(diǎn)將從源節(jié)點(diǎn)處接收到的信號(hào)信息經(jīng)過(guò)線性處理后再發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)。目的節(jié)點(diǎn)D接收到的信號(hào)信息可以表示為

式中:Gj=［f1jhjDf2jhjD…fmjhjD］T為中繼等效信道。

在發(fā)送信號(hào)為S時(shí)，接收信號(hào)一般具有條件概率密度為

所以，在信道衰落因子未知的情況下，目的節(jié)點(diǎn)采用最大似然譯碼為

式中:tr代表矩陣的跡;Λ=IT+SSH。

化簡(jiǎn)式(5)可以得出一般酉空時(shí)譯碼公式為

由式(6)可以看出，酉空時(shí)編碼在譯碼時(shí)不需要知道任何信道信息。

2 酉空時(shí)碼的設(shè)計(jì)及譯碼

2.1 酉空時(shí)碼

本文根據(jù)文獻(xiàn)［10］中提到的非相干酉空時(shí)調(diào)制解調(diào)算法設(shè)計(jì)，提出了一種基于三角函數(shù)酉空時(shí)星座的多源協(xié)作通信編碼方案，給出了編碼信號(hào)矩陣結(jié)構(gòu)，信號(hào)發(fā)送過(guò)程以及低復(fù)雜度的譯碼算法。為了使得編碼矩陣能夠?qū)崿F(xiàn)滿分集，從文獻(xiàn)［11］知需滿足T≥2m，m為發(fā)射天線數(shù)目。本文所取的矩陣滿足T=2m，即編碼矩陣是2m×m維矩陣。

酉空時(shí)矩陣應(yīng)具有的結(jié)構(gòu)如下所示:ΦHlΦl=Im，0≤l≤L－1，其中L是星座矩陣集合的個(gè)數(shù)，Im是m×m的單位矩陣?？紤]到對(duì)酉空時(shí)矩陣的結(jié)構(gòu)要求是各列相互正交，受到三角函數(shù)sin2α+cos2α=1關(guān)系上的啟發(fā)，可以利用sinα和cosα充當(dāng)矩陣元素構(gòu)造2m×m維的酉空時(shí)星座圖，本文設(shè)計(jì)的基于三角函數(shù)的2m×m酉空時(shí)星座圖有如下結(jié)構(gòu)

式中:l=0，1，…，L－1;Sl為星座圖中第l+1個(gè)星座圖矩陣。Sm=sin(πl(wèi)/L)·Im和Cm=cos(πl(wèi)/L)·Im均是m×m的對(duì)角矩陣，對(duì)角元素分別為sin(πl(wèi)/L)和cos(πl(wèi)/L)。

可以看出式(7)滿足SHlSl=S2m+C2m=sin2(πl(wèi)/L)·+cos2(πl(wèi)/L)·I2m=Im，式(7)的矩陣為基于三角函數(shù)的酉空時(shí)調(diào)制矩陣。

那么，在中繼處有接收到的信號(hào)矩陣可表示為Y=［Am×nBm×n］T。

在目的節(jié)點(diǎn)處，也就是接收終端，系統(tǒng)模型中設(shè)計(jì)只有1根接收天線，那么可以將接收矩陣Y寫成

式中:Φs和Φc均為m×1的矩陣。

2.2 譯碼及復(fù)雜度分析

式(6)描述的是一般酉空時(shí)調(diào)制的最大似然解調(diào)算法，由于本文提到的星座圖結(jié)構(gòu)特殊，所以其ML解調(diào)算法得到簡(jiǎn)化。

假設(shè)發(fā)射的信號(hào)矩陣是Sl，Y是相應(yīng)的接收矩陣，一般酉空時(shí)調(diào)制的最大似然解調(diào)算法的推導(dǎo)過(guò)程為

式中:p(Y| Sl)是在發(fā)生Sl的情況下接收矩陣是Y的條件概率。將式(7)、(8)代入式(9)中可以得到該最大似然解調(diào)算法推導(dǎo)過(guò)程為

故要尋找使式(11)取最大值的l∈［0，…，L－1］，即

所以，式(13)可以理解為尋找l∈［0，…，L－1］使得下式函數(shù)取得最大值

觀察式(14)可以看出，要使函數(shù)f(l)取得最大值，只需 cos(φ －2πl(wèi)/L)=1，即l=φL/2π，所以該譯碼算法只需要知道l的值就能確定發(fā)送的信號(hào)信息。并且由于本文碼字的特殊性，只需知道編碼矩陣中的某一個(gè)元素，就能確定剩下的2m－1個(gè)元素。計(jì)算l的值只需要確定式(14)中的φ，該過(guò)程最多需進(jìn)行3m次乘法，3m次加減法、1次除法和1次反三角函數(shù)。而將此碼字采用一般最大似然方法進(jìn)行譯碼，需要進(jìn)行4m2+2m次乘法和4m2－m－1加法。

正交設(shè)計(jì)酉空時(shí)［9－10］、系統(tǒng)設(shè)計(jì)酉空時(shí)［7］和循環(huán)酉群碼［12］都是幾種比較典型的編碼算法，文獻(xiàn)中都分別介紹了各自低譯碼復(fù)雜度的算法。將它們做適當(dāng)?shù)淖兓?，與本文模型相一致，最后得出的譯碼計(jì)算次數(shù)如表1所示，其中，文獻(xiàn)［10］中設(shè)計(jì)的正交設(shè)計(jì)酉空時(shí)碼只有在k=2時(shí)采用快速譯碼算法，其余均采用最大似然譯碼。所以此處就將其劃分在最大似然一類中。

表1 譯碼方法計(jì)算復(fù)雜度對(duì)比

從表1中可以看出，本文采用的譯碼算法的譯碼計(jì)算復(fù)雜度是最低的。

3 仿真

本文提出的碼字是基于準(zhǔn)靜態(tài)瑞利衰落信道設(shè)計(jì)的多源兩跳分布式酉空時(shí)碼，利用MATLAB工具對(duì)其進(jìn)行性能仿真。通信系統(tǒng)仿真模型中設(shè)計(jì)有9個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中4個(gè)源節(jié)點(diǎn)、4個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和1個(gè)目的節(jié)點(diǎn)，均為單根天線，并且源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有直傳鏈路。在仿真過(guò)程中，發(fā)射天線與接收天線之間的衰落都是相互獨(dú)立的，信道中的噪聲為加性高斯白噪聲，信道狀態(tài)變化時(shí)間間隔T在仿真中設(shè)為8，即仿真信道環(huán)境在T內(nèi)保持近似不變，L=4，在目的節(jié)點(diǎn)處把誤碼率作為衡量指標(biāo)。

將本文中的基于三角函數(shù)酉空時(shí)碼分別與正交設(shè)計(jì)酉空時(shí)［9］、系統(tǒng)設(shè)計(jì)酉空時(shí)［7］和循環(huán)酉群碼［12］相對(duì)比，性能結(jié)果對(duì)比圖如圖2所示。仿真結(jié)果顯示，正交設(shè)計(jì)酉空時(shí)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)酉空時(shí)和循環(huán)酉群碼在誤碼率為10－4左右時(shí)分別比本文碼字性能好4 dB，3 dB和1 dB。本文的碼字誤碼率相對(duì)較高，可能是由于其碼字的特殊性，只需要譯出矩陣中的一個(gè)符號(hào)，就能確定整個(gè)編碼矩陣，關(guān)聯(lián)性較大，若譯錯(cuò)會(huì)使誤碼率增大。但是相比于譯碼復(fù)雜度，本文的譯碼算法從表1中也可以看出比其他3種都要簡(jiǎn)單很多，具有很大的優(yōu)勢(shì)。

圖2 相同通信模型下不同酉星座的性能對(duì)比圖

接著，將本文的碼字采用不同的方法進(jìn)行譯碼仿真，主要是將其與最大似然算法相比較，從圖3的結(jié)果中可以看出，兩種譯碼方法的性能幾乎一致，但是本文譯碼方法的計(jì)算復(fù)雜度會(huì)低很多，尤其當(dāng)中繼天線增加時(shí)，最大似然譯碼復(fù)雜度將以倍數(shù)增長(zhǎng)。

圖3 基于三角函數(shù)酉空時(shí)的兩種譯碼算法復(fù)雜度性能對(duì)比圖

4 結(jié)論

本文將基于三角函數(shù)酉星座的空時(shí)碼與協(xié)作通信相結(jié)合，提出了一種基于三角函數(shù)酉星座的多源兩跳分布式酉空時(shí)碼，并將其與3種典型的酉空時(shí)碼相對(duì)比。結(jié)果顯示，正交設(shè)計(jì)酉空時(shí)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)酉空時(shí)和循環(huán)酉群碼比本文碼字性能要好一些。但是相比于譯碼復(fù)雜度，本文的譯碼算法比其他3種都要簡(jiǎn)單很多，具有很大的優(yōu)勢(shì)。而且從仿真結(jié)果看，此碼字采用最大似然譯碼和低譯碼復(fù)雜度算法性能上差不多，但是計(jì)算復(fù)雜度上兩者相差較大。所以，本文的酉空時(shí)碼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于構(gòu)造，并且具有較低的譯碼復(fù)雜度。今后要做的工作就是優(yōu)化矩陣結(jié)構(gòu)，提高碼字的性能。

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