第38卷第2期中國海洋大學(xué)學(xué)報38(2):331~3342008年3PERIODICAL OF OCEAN UNIVERSITY OF CHINAMar,,2008時間選擇性衰落信道下的差分空時多普勒編碼蔚娜12,趙犁豐3,楊莘元(1.哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001;2.中國電波傳播研究所,山東青島266107;3.中國海洋大學(xué)電子工程系,山東青島266100)摘要:對于差分編碼的系統(tǒng),接收端可利用差分編碼自身的結(jié)構(gòu)來進行解調(diào),無需知道信道狀態(tài)信息。因此基于時間選擇性衰落信道的基擴展模型,提出一種新型的應(yīng)用于時間選擇性衰落信道下多輸入多輸出系統(tǒng)的差分空時多普勒(DsTD)編碼方案,由該方案組成的系統(tǒng)可以配備任意數(shù)目的發(fā)送和接收天線。該DSTD系統(tǒng)發(fā)送端由頻譜編碼器、差分編碼器和OFDM調(diào)制器串聯(lián)組成,能提供最大空間多普勒分集增益和顯著的編碼增益。差分編碼器中酉結(jié)構(gòu)的引入可以實現(xiàn)線性空時分離的最大似然檢測,降低了譯碼的復(fù)雜度。仿真分析表明與已有差分系統(tǒng)相比,文中所提出的差分編碼方案可以獲得更高的分集增益。關(guān)鍵調(diào):差分調(diào)制;時間選擇性衰落;最大空間多普勒分集;空時編碼;正交頻分復(fù)用中圖法分類號;TN911文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1672-5174(2008)02331-05為了提高無線通信的可靠性和有效性,新的理論符號說明:大寫粗體表示矩陣(例如:X),[x]m,表示和技術(shù)不斷涌現(xiàn)。其中,多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)X的第(m+1,n+1)個元素;小寫粗體表示列向量就是近年來在無線移動通信研究中的1個熱點,尤其(x),[x]m表示x的第(m+1)個元素;IN表示NxN是基于多天線傳輸?shù)目諘r碼,在接收端進行適當(dāng)?shù)男艈挝痪仃?1N表示元素全為1的N×1向量;0表示元號處理就可以獲得分集增益和編碼增益,提高了信道素全為0的N×1向量;(·)表示轉(zhuǎn)置;(·)表示共容量12l但是絕大多數(shù)的空時碼方案都是假設(shè)在接軛;(,)表示共軛轉(zhuǎn)置;Rel,表示求實部dagx表收端能夠準(zhǔn)確獲得信道狀態(tài)信息(CSI),并且在足夠長示以x為對角線元素,其它元素為0的矩陣;⑧表示的時間內(nèi)信道保持不變,這在實際的快衰落信道中是 Kronecker乘積。很難滿足的。如果在發(fā)送端采用差分編碼系統(tǒng),在接收端進行1信道模型譯碼時就無需知道CSI,基于此,產(chǎn)生了差分空時編碼(DSTC)。單差分空時分組編碼(SDST)方案(3能夠本文采用基擴展模型19來模擬時間選擇性衰落信在沒有CSI的情況下進行譯碼,但當(dāng)信道存在頻率偏道設(shè)n為每個分組塊中符號序列索引,N為1個分組移,為快衰落信道時,性能會下降。單天線雙差分編碼塊中包含的符號數(shù)分組塊索引用k表示,則得到時變方案56在譯碼時可以降低對頻率偏移的敏感度,而結(jié)信道的離散表達(dá)式為:合了單天線雙差分編碼技術(shù)和空時編碼技術(shù)的雙差分hmp)(AN+n)=∑h"(k)(1)空時分組編碼(DDST)方案,即使對于每發(fā)送1個編碼符號信道就變化的時間選擇性衰落信道,在接收端其中,p=1,…,N2為發(fā)送天線,=1,…N為接收同樣可以獲得較高的分集增益和編碼增益天線,Q=2「∫mxNT1,fm為最大多普勒頻移,T,為但是文獻[7]的DT方案也只是利用了空間分符號周期,呦=2nx(q-Q/2)/N,n=0,…N-1集,而文獻[8]提出的單天線系統(tǒng)下的塊差分編碼方則接收端第υ個天線在第kN+n個時刻收到的信案,可以獲得多普勒分集增益。據(jù)此,本文提出了應(yīng)用號為于時間選擇性衰落信道下多輸入多輸出系統(tǒng)的差分空r(o)(kN +n)=時多普勒編碼方案,該方案除了利用空間分集還利用U(O(N+ n)(o,)(kN+n)+了時變信道下的多普勒分集,能夠獲得更大的分集增o)(kN+n)益以塊為單位,寫成矢量的形式為:·基金項目:國防基金(51401040703CB0102);“十一五”預(yù)研項目(11001060404)資助收稿日期:200706-18;修訂日期:20070925作者簡介蔚娜(1981-),女博上。 E-mail: lenghanbingxue@sin.cm中國海洋大學(xué)學(xué)報2008年r(o)(k)=e EDo.p(k)yp(k)+5 o)(k)得到y(tǒng)=(INw⑧D∥")x)+η)((2)其中,y)=(IN⑧Fp)(IM⑧Rq)g其中,r(k)=[r{)(kN),…,r(劃N+N-1)];n)=(L⑧F)(IN⑧Rc){,yp)(k)為發(fā)送向量:[vP)(kN),…,v)(kN+N1)]r;yo)(k)與r)(k)有相同的結(jié)構(gòu)其元素是獨立同(IN⑧Ta)(IN⑧F)x,分布的均值為0,方差每維為05的復(fù)高斯隨機變量;信道矩陣D")(k)=dg.[h(u,)(N…“,hP= pP/(P+Q)2.2差分編譯碼(kN+N-1)]};p是接收端信噪比。不失一般性,本差分編碼器取N個NP×1向量s0,…,sN-1作為文只考慮1個分組塊,因此為了表述方便,下文中的分輸入(Na=(N/N4-1),合理設(shè)置使N/N為大于1組塊索引k略去不寫。的整數(shù)),首先把s(i=0,…,N,-1)分成N個P又已知循環(huán)矩陣可以被IFFT矩陣對角化),因1維子塊s,m(m=1,…,N),令Cm是這些向量通過此DP)可以寫成以下形式:以下復(fù)正交設(shè)計得到的矩陣:D(A)=FNHU,P)FE(3)其中,H(",P)是1個N×N循環(huán)矩陣,其第一列為[hS),…h(huán)",…,hgn),…,h出]r;FN為N點8F-圓87a□F歸一化FFT矩陣,[FN]nn√°2m”/N。1由(3)式可知,在發(fā)送端和接收端分別進行FFTF和IFFT變換,可以把時間選擇性衰落信道轉(zhuǎn)換成頻率選擇性衰落信道,所以:F了一[R一L8∑Hp)la(p)+;()(4)圖1基帶DSTD系統(tǒng)Fig 1 Baseband DSTD system其中,g)=F,)=F(),p)=FAw)N-12系統(tǒng)模型∑[A1⑧5,m+B1⑧sm](7)圖1是DSTD系統(tǒng)收發(fā)端的框圖發(fā)送端由3部分A,B,是NxN4實矩陣M在本文中的值遵循式組成:頻諧編碼器,差分編碼器和OFDM調(diào)制;接收端(8),且N=N,包括與發(fā)送端3部分對應(yīng)的逆過程。N2,若N4=2,4,8,2.1OFDM調(diào)制與解調(diào)若對于頻率選擇性衰落信道,引入OFDM結(jié)構(gòu),這樣8,若N1=5,6,7可以解決塊間干擾,并且可以以塊為單位進行譯碼,還可以把經(jīng)過在發(fā)送端加入和接收端去掉循環(huán)前綴而變?nèi)0=I⑧IP,則:成循環(huán)矩陣的信道矩陣對角化,因此差分編譯碼器之x82…x只間的信道等效為X= D(I⑧F)(Iw⑧R)Hp)I⑧ToTNt. m(I6②F)=I⑧D!(p(S)其中,其中TcaP=[T1,IP,T2],(1)T1=[0a2)x(P-a/2),lo2],D,(a)= diagix(,Rap= [Opx(Q/),IP,OPx(Q/)]從而得到在N4個天線上發(fā)送的碼字矩陣為:D{n)=dag{[Hp(0),…,H(,p)(P-1)]X=[x(),x(Hr(np)(p)=∑h(q-Q/2)p/P其中,2期娜,等:時間選擇性衰落倩道下的差分空時多普勒編碼333xp)=[x.3,…,x)1.0,…,x.,…,x8),N]T為a,m即可完成譯碼。因為在實際的系統(tǒng)中有N個發(fā)送天線,所以實際發(fā)送又假設(shè)星座符號集況中每個信息符號包含 Bits,的碼字矩陣為:則經(jīng)過LCD映射之后,|<|=2則隨著R或者P的由(6)式把第個天線上的接收矢量分為(M,(11)增大,譯碼復(fù)雜度都會增加因此為了減小譯碼復(fù)雜X=TX=LIN,0x(N-N)」X度,采用分組的方法3假設(shè)P=N(Q+1),則進一步把d,m分成N個NP×1子塊ym(m=0,…,N),則:組d,m(g),(g=0,…,N-1),d,m(g)映射成為=∑(D}”)x2,…,x1m+CD碼s,m(g),則:xn(g)=D:(g)Cn(g)==/:(Dx.)Th()+n)x(1(g)…xg)1.m(g)其中,Dx=LINp0Px-N)D,h(v)=[h1)r,…,hpN)TT,h,)是D胃對角線上的元素組成的列向量。其中,[xm(g)]=[xm]+系由(9)式得到:D。=D:DCn(13)3仿真分析這里,Dc∑A,⑧D,m+B,⑧D仿真中假設(shè)每個符號塊發(fā)送N=48個符號,每對則結(jié)合式(12)、(13)可以推出:天線之間的信道有(Q+1)=3個復(fù)指數(shù)基,并且信道(14)的基擴展模型參數(shù)是獨立同分布的均值為0,方差為其中wm)=ηm-Dηm1,本文假sm取自模為常/(Q+1)的復(fù)高斯隨機變址。采用本文提出的方法對數(shù)且能址歸一化的星座A,所以D是酉陣,不難得2發(fā)1收(2副發(fā)送天線1副接收天線)以及2發(fā)2收的到wm)的元素是獨立同分布的均值為0,每維方差為1系統(tǒng)分別進行了仿真,并與文獻[8]的結(jié)果進行比較。的高斯隨機變量。圖2、圖3分別對應(yīng)R=1、R=2,由圖中誤比待率曲線對于N個接收天線,有:yn=[ym),…,ym)的斜率可以看出,文獻[8]的方案所獲得的分集增益同理有:ym=(囟D)ym1+wn(15)(即:(Q+1))是3,本文2發(fā)1收系統(tǒng)和2發(fā)2收系統(tǒng)獲得分集增益(即:NN,(Q+1))分別是6和12,可見wn與yn有相同結(jié)構(gòu)。本文提出的差分編碼方案較文獻[8]獲得了更高的分令:x1,m=gm1集增益,不僅獲得時間選擇性衰落信道提供的多普勒{(diào)[∑[a,⑧D…,[an⑧D!]×x+分集,還同時獲得了多副收發(fā)天線提供的空間分集?！芠b⑧D"1],…∑[b,D}]}其中,a.n,b,n為N×1列向址,分別對應(yīng)A,B10在文獻圖8]Dn(n= dingY21(n)},ym1(n)是P×1列向量,一本文N=2N=1并且:ym)1=[ym)1(0),…,y)1(N4-1)]T。從而,,m= arg max S, m∈ AR Rel z:),51,mThe proposed algorithm Na2, N=2152025信噪比 Signal noise ratio/ei=0,…,N-1;m=1,…,Na2.3頻譜編譯碼圖2R=1時各系統(tǒng)性能比較如圖1所示,取自星座的信息符號流d分成Fig 2 Performance comparison with R=1NN個P×1子塊d,m(i=0,…1;m=1,Na),每個子塊分別映射成為P×1為維LCD碼12)s,m,接收端只要將差分譯碼得到的3,n逆映射中國海洋大學(xué)學(xué)報2008年[2] Tarokh V, Jafarkhani H, Calderbank A R. Space-time block codefrom orthogonal designs [J]. IEEE Trans Inform Theory, 1999, 45(7):1456-1467.[3]Hochwald B M, Sweldens W. Differential unitary space-time modula-[]. IEEE Trans On Communications, 2000, 48( 12):2041[4]Information Theory, 2000, 46(7): 2567-2578|△-文獻圖[5] FGini, Giannakis G B. Generalized differential encoding一本文N=2N=1signal processing perspective [J]. IEEE Trans On Signal PnThe proposed algorithm N=2 N 1D1998,46(11):2967-2974proposed algorithm N-2.N-2[6] Pent M. Doubly differential PSK scheme in the presence of Dopplershift[C]. France: Digital Communications in Avionics, AGARD信噪比 Signal noise ratio/dBProe,1978,43:I-43.II[7] Liu, Z, Giannakis G B, Hughes B L. Double differential space-time圖3R=2時各系統(tǒng)性能比較block coding for time- selective fading channels [J]. IEEE Trans OnFig 3 Performance comparison with R=2Communications,2001,49(9):1529-1539[8] Ma X, Giannakis G B, Bing Lu. Block differential encoding for rapid4結(jié)語ly fading channels [J]. IEEE Trans On Communications, 2004, 52(3):416425本文提出了時間選擇性衰落信道下任意收發(fā)天線[9Max. Giannakis G B. Maximum-Diversity transmissions over time.數(shù)的差分空時多普勒(DSTD)編譯碼系統(tǒng)。在差分編Selective Wireless Channels [C]. USA: Proc of Wireless Communica-碼中引入基于分組正交設(shè)計的酉結(jié)構(gòu)可以使最大似然tions and Networking Conf, Orlando, FL, 2002[10] Golub G H, Loan C F van. Matrix computations [M]. Maryland碼在時間和空間上分離,并且頻譜編碼中LCD碼的Johns Hopkins Univ Press, 3rd Edition, 1996引入可以降低譯碼的復(fù)雜度。仿真結(jié)果表明在沒有[1! Tirkkonen O. Hottinen A. Square-matrix embeddable space-timeCSI的情況下,系統(tǒng)可以同時獲得空間和多普勒分集block codes for complex signal constellations [J]. IEEE Trans增益以及顯著的編碼增益Theory,2002,48(2):384-395[12] Li Hongbin. Differential space-time modulation ower frequencyselec參考文獻tive channels[J]. IEEE Trans On Signal Processing, 2005, 53(6):22282242[1] Tarokh v, Seshadri N. Calderbank AR. Space-time codes for high [13] Liu Z, GiannakisG B. Block differentially encoded OFDM withdata rate wireless communicatiomaximum multipath diversity [J]. IEEE Trans Wireless Commun.struction [J]. IEEE Trans Inform Theory, 1998, 44(3): 744-7652003,2(5):420-4(下轉(zhuǎn)302頁)中國海洋大學(xué)學(xué)報2008年Distribution of Branchiostoma belcheri and Amphiura vadicola in Relation toBottom Grain Size in Dafangji Waters, MaomingLU Huo-Sheng, SHEn Chun-Yan, FENG BoCollege of Fisheries, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524006, ChiAbstract: Distribution of Branchiostoma belcheri and Amphiura uadicola is analyzed based on marine biolog-ical surveys conducted in Dafangji waters, Maoming during august 2003 to May 2004. both branchiostomabelcheri and Amphiura uadicola distribute in clusters. Their inter-species relationship proves to be positive inspatial distribution, and they do not compete strongly. branchiostoma belcheri is mainly distributed in sandwith median diameter (Md,)from 0.4 to 2.2 and its density is large for Mdo ranging from 0. 5 to 1.5 andsmall in the remaining intervals of Mdo. It is greater than 100 ind/m where the granularity of 0.36-0. 78mmgroup is greater than 50 percent and less than 50 ind/m otherwise. Amphiura uadicola is mainly distributedsand with Mdo ranging from 0.2 to 0. 8. Its density is dramatically greater where the granularity in 0. 360 78 mm group lies from 60 to 80 percent than where the granularity of the same group if from 10 to 50 per-Key words: Branchiostoma belcheri; Amphiura vadicola the median diameter Inter-species relationship責(zé)任編輯于衛(wèi)上接334頁)Differential Space-Time-Doppler Coding over Time-Selective ChannelsWEI Na. 2, ZHAO Li-Feng, YANG Shen-Y(1. College of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering UnHarbin 150001, China; 2China Research Institute of Radiowave Propagation, Qingdao 266107, China; 3. Department of Electronics and EngineeringOcean University of China, Qingdao 266100, China)Abstract: Differential encoding is known to simplify receiver implementation because it by-passes chanel estimation. Relying on a basis expansion model for time-selective channels, we derive a new differential space-time-doppler modulation scheme for systems that are equipped with an arbitrary number oftransmit and receive antennas and operate in time-selective channels. The proposed dStd modulator con-sists of a concatenating spectral encoder differential encoder and OFDM modulator that offer full spatio-doppler diversity and significant coding gain. A unitary structure is imposed on the differential encoder toadmit linear, decoupled maximum likelihood ML)detection in space and time. Simulation results showthat the proposed! dStd codes achieve higher diversity gain in time-selective channels than some existingdifferential schemesKey words: differential modulation; time-selective fading: maximum spatio-doppler diversity; space-time coding: OFDM責(zé)任編輯陳呈超