基于Alamouti码的差分空时协同分集方案研究.docVIP

基于Alamouti码的差分空时协同分集方案研究 一、引言 无线信号在传输过程中要遭受到不同类型衰落的影响，使得到达接收端的信号时断时续，甚至中断。为此，各种抗衰落手段和技术不断涌现并应用于实际系统。协同通信技术[1-2]就是近年来提出的一项利用单天线实现虚拟MIMO原理的新兴抗衰落技术，在提高信息传输质量和容量方面具有很大的优势。但是，传统的协同通信都是基于相干检测的，系统中的接收端需要已知所有子信道的状态信息，这将极大地增加系统实现的复杂度，特别是在快衰落等信道环境中协同通信系统中的实时信道估计有可能根本无法实现。差分协同通信可看作是差分相位键控（DPSK）[3]在协同通信中的推广，通过采用差分调制或编码的方法，可有效避免相干系统中所必须的信道估计，从而提高系统的可实现性。因此，为提高系统的抗衰落能力和可实现性，开展不需要已知信道状态信息的差分协同通信方面的研究具有重要的现实意义。 目前，国内外对差分协同通信的研究主要集中于两方面：无空时编码的差分调制[4-7]和有空时编码的差分调制，其中有空时编码的又可分为两大类：基于空时分组码的[8-12]和基于酉空时调制码的[13-14]。空时分组码中的Alamouti码[15]具有比较成熟的差分编译码方法，而且译码复杂度也非常低[16]，目前多数基于空时分组码的差分协同通信研究都是基于该码字的。只是不同的文献从协同用户的选择、工作方式、时隙设置及信号调制方式等不同方面出发，分别提出了各自的系统方案，但每种方案都有其各自的适用性。尽管采用了各自不同的设计方法，但每种方案最终都使接收端获得了Alamouti码的信号形式，进而利用Alamouti码特有的差分译码方法来进行信号检测，从而实现无需已知信道状态信息的信号接收。 本课题研究也针对Alamouti码开展，结合文献中已有的研究成果和存在的问题，针对卫星移动通信的系统结构提出了一种适用于卫星移动通信的、基于Alamouti码的差分空时协同分集方案，并针对卫星移动通信的不同信道衰落环境对所提方案进行了性能仿真和分析。 二、一些基础知识 （一） 协同通信 由于设备大小、硬件和功耗等的限制，具有优异抗衰落能力的MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术在许多场合和系统中并不能得到实用，如大多数的手持终端等。正是鉴于MIMO技术在实际应用中面临的这种困境，协同通信的概念应运而生。协同通信是通过单天线用户终端相互作为中继、共享天线，产生类似于多天线发送的虚拟环境，能有效实现多天线分集。协同通信的基本概念最早由A. Sendonaris等人[1]于1998年提出，2003年又进行了详细的阐述。用户终端之间进行协同通信的原理框图如图1所示[2]，用户信号一方面可以直接到达接收端，另一方面可以通过另一用户中继后再到达接收端，在接收基站形成分集接收信号。协同通信的基本方法主要有三种[4]：放大前传（Amplify-and-Forward）法、译码前传（Decode-and-Forward）法和编码协同（Coded Cooperation）法。其中，放大前传法由Laneman等人提出，是最简单的协同通信方法。每一个用户接收到一个包含噪声的信号，该用户放大并重传这个信号。基站接收到的是发送信号经过两个独立衰落信道的衰落样本，可以获得分集增益。该方法在转发信号的同时也转发了噪声，会带来一定的性能损失，但在技术实现上比较简单。译码前传法最早由Sendonaris等人提出，可认为是对协同通信的较早研究。该方法中协同用户试图检测并重传其接收到的信息，存在差错传播问题。编码协同法则是将信道编码和信号协同传输相结合，协同用户对接收信号进行译码处理后再重新编码发送，可看作是译码前传的一种特例。 图1 协同通信的原理框图 作为一种分布式的虚拟多天线传输技术，协同通信融合了分集技术与中继传输技术的优势。研究表明，在不增加天线数量的基础上，协同通信可在传统通信网络中实现并获得多天线与多跳传输的性能增益，从而提高系统的传输性能，具有优异的抗衰落能力，已被普遍认为是民用和军用通信中一种极具应用前景的新兴抗衰落技术，可望用在蜂窝移动通信、无线局域网、Ad Hoc网络、无线传感器网络等系统中，也可用在野战网、舰队编制通信、航空无线电等军用通信网络中。 （二） Alamouti空时分组码及其差分检测 Alamouti于1998年提出了一种用于无线通信、基于两个天线的发射分集方案，在接收端运用线性处理，该方案就可以进行最大似然检测，具有较低的译码复杂度。该方案通常被称为Alamouti空时分组码[15]，被认为是空时分组码中的典型代表。 图2 Alamouti空时分组码的编码调制原理框图 Alamouti空时分组码的编码调制原理框图如图2所示。信源