（通信与信息系统专业论文）差分空时频码与协作通信系统中m进制正交信号的性能研究.pdf

杭州电子科技人学硕十学位论文 摘要 当信道变化较快时，准确估计信道状态信息( c s i ) 难以实现，差分空频码( d s f c ) 和差分酉空时频( d u s t f ) 码均无需c s i ，与相干检测相比，采用差分检测时会有3 d b 的性 能恶化。采用多符号差分检测( m s d d ) 能够缩小差分检测与相干检测之问的性能差距。与 瑞利分布相比，n a k a g 锄i 分布更接近实验数据，并具有很大的灵活性。因此，本文研究采用 m s d d 改善频率选择性n a l ( a g 锄i 衰落信道上d s f c 和d u s t f 编码多输入多输出( m i m 0 ) 一正交频分复用( o f d m ) 系统的误码性能。 m 进制正交信号可以广泛应用于功率受限的无线通信系统中。通过共享移动终端的天 线，协作分集能够提高信息传输的可靠性，降低多径衰落的不利影响。因此，本文研究平坦 n a k a g 锄i 衰落信道上采用最大比合并( m r c ) 和相干m 进制f 交信号调制的解码前传( d f ) 协作通信系统的误码性能。 第一章介绍了差分空频( d s f ) 码、差分空时频( d s t f ) 码和衰落信道上m 进制正交 信号性能分析的研究现状，概述了协作通信的几种常用系统模型和协议。 第二章研究了频率选择性n a l ( a g a m i 衰落信道上采用m s d d 的d s f c 编码 m i m o o f d m 系统的误码性能，采用等间隔子载波分组d s f c 编码方案，推导了d s f c 的 m s d d 译码算法表达式。仿真结果表明，采用m s d d 能够改善d s f c 编码m i m 0 一o f d m 系 统的误码性能。 第三章研究了频率选择性n a l ( a g 锄i 衰落信道上采用m s d d 的d u s t f 编码 m i m 0 一o f d m 系统的误码性能，分析推导了不同d u s t f 码的m s d d 译码算法。仿真结果表 明，d u s t f 编码m i m 0 o f d m 系统的误码性能会随着信道衰落参数的增大或观测窗口长度 的增加而改善。 第四章推导了平坦n a l ( a g a m i 衰落信道上采用m r c 和相干m 进制正交信号调制的d f 单 中继协作系统、双跳单中继协作系统和中继选择协作系统的平均误符号率( s e r ) 和误比特 率( b e r ) 的精确表达式。数值计算结果表明，增加中继和目的节点的接收天线数或采用增 大m 的正交信号进行调制，均可改善d f 协作通信系统的误码性能。 第五章为本文结论。 关键词：多输入多输出系统，f 交频分复用，差分空频码，差分酉空时频码，多符号差分检 测，m 进制正交信号，协作通信 杭州电子科技人学硕十学位论文 a b s t r a c t w h e nt h ec h a n n e lc h a n g e sr a p i d l y ，i ti sd i m c u l tt oe s t i m a t ec h a n n e ls t a t ei n f o n a t i o n ( c s i ) a c c u r a t e l y d i 日e r e n t i a l s p a c e - f r e q u e n c yg r o u p c o d e s ( d s f c ) a n dd i f r e r e n t i a l u n i t a r y s p a c e t i m e n e q u e n c y ( d u s t f ) c o d e sd on o tr e q u i r ec s i c o m p a r e dw i t hc o h e r e n td e t e c t i o n ，t h e a p p l i c a t i o no fd i f 五引? e n t i a ld e t e c t i o nl o s e s3 d bp e r 矗) 】r i n a n c e m u l t i p l e s y m b o ld i f r e r e n t i a ld e t e c t i o n ( m s d d ) c a nn a l l r o wt h ep e r f o 肿a n c eg a p sb e t w e e nd i h e r e n t i a ld e t e c t i o na n dc o h e r e n td e t e c t i o n c o m p a r e dw i t ht h er a y l e i g hd i s t r i b u t i o n ，n a k a g a m id i s t r i b u t i o ni st h eb e t t e 卜n td i s t r i b u t i o nf o r o b t a i n i n ge x p e r i m e n t a 】d a t aw i t hg r e a tv a r j a b i l j t y t h e r e f o r e ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ee 1 1 r o r p e r f b n n a n c e o fd s f ca n dd u s t fc o d e dm u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ( m i m 0 ) - o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) s y s t e m sw i t hm s d di nf r e q u e n c y - s e l e c t i v en a k a g a m i f a d i n gc h a n n e l s m a 叫o n h o g o n a ls i g n a 】i n g sc a nb ew i d e l ya p p l i e dt op o w e r - l i m i t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s b ys h a r i n gt h ea n t e n n a so fm o b i l et e n n i n a l s ，c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yc a ni m p r o v et h e t r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t yo fi n f o r m a t i o n ，a n dc o m b a tt h ea d v e r s ei m p a c t so fm u l t i p a t hf a d i n g t h e r e f o r e ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ee 1 1 r o rp e r f o 肌a n c eo fd e c o d e - a n d f o r 、v a r d ( d f ) c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw j t hm a x i m a lr a t i oc o m b i n i n g ( m r c ) a n dc o h e r e n tm - a d ，o n h o g o n a 】 s i g n a l i n gm o d u l a t i o ni nn a tn a k a g 锄if a d i n gc h a n n e l s c h a p t e r1p r e s e n t sab r i e fr e v i e wo fd i h r e n t i a ls p a c e f r e q u e n c y ( d s f ) c o d i n g ，d i h e r e n t i a l s p a c e t i m e f r e q u e n c y ( d s t f ) c o d i n g ，t h ep e r f o 舯a n c ea n a l y s i so fm a r yo i r t h o g o n a ls i g n a l i n gi n f a d j n gc h a n n e j s ，a n ds e v e r a lc o m m o ns y s t e mm o d e l sa n dp r o t o c o l so fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n c h a p t e r2i n v e s t i g a t e st h ee 1 1 r o rp e r f b r m a n c eo fd s f cc o d e dm l m 0 0 f d ms y s t e mi n f 琵q u e n c y s e l e c t i v en a k a g a m if a d i n gc h a n n e l s ，u s e se q u i s p a c e ds u b c a i 五e rg r o u p i n gd s f cc o d e d s c h e m e ，a n dd e r i v e st h ee x p r e s s i o nf o rm s d dd e c o d i n ga l g o r i t h mo fd s f c s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ee 1 1 1 0 rp e r f o 瑚a n c eo fd s f cc o d e dm i m 0 一o f d ms y s t e mc a nb ei m p m v e db y a p p l y i n gm s d d c h a p t e r3i n v e s t i g a t e st h ee m ) rp e r f o r m a n c eo fd u s t fc o d e dm i m o 一0 f d ms y s t e mi n f e q u e n c y s e l e c t i v en a k a g a m if a d i n gc h a n n e l s ，a n a l y z e sa n dd e “v e sm s d dd e c o d i n ga l g o “t h m s o fd m 电r e n td u s t fc o d e s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ee r m rp e r f o n n a n c eo fd u s t fc o d e d m i m 0 一o f d ms y s t e mc a nb ei m p r o v e db yi n c r e a s i n gt h ec h a n n e lf a d i n gp a r a m e t e r so re x t e n d i n g t h eo b s e r v a t i o ni n t e r v a l c h a p t e r4d e r i v e st h ee x a c tc l o s e d f o r n le x p r e s s i o n sf o rt h ea v e r a g es y m b o le r r o rr a t e ( s e r ) a n db i te r r o rr a t e ( b e r ) o fc o h e r e n tm a r yo n h o g o n a js 迢n a l i n gf o rd fs j n 9 1 er e l a yc o o p e r a t e 杭州电子科技人学硕十学位论文 s y s t e m ，d u a l - h o ps i n g l er e l a yc o o p e r a t i v es y s t e m ，a n dr e l a ys e l e c t i o nc o o p e r a t i v es y s t e mw i t hm r c i nn a tn a k a g a m if a d i n gc h a n n e l s t h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ee r r o rp e r f o m l a n c eo fd f c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sc a nb ei m p m v e db yi n c r e a s i n gt h en u m b e ro ft h er e c e i v i n g a n t e n n a sa tt h er e l a yn o d ea n dt h ed e s t i n a t i o nn o d eo rt h ed i m e n s i o n so fm a go n h o g o n a l s i g n a h n g c h 印t e r56 n i s h e st h ep a p e rw i t hc o n c l u d i n gr e m a r l ( s k e y w o r d s ：m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e o u t p u ts y s t e m s ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ， d i i k r e n t i a ls p a c e - f r e q u e n c yg r o u pc o d e s ， d i a 、e r e n t i a lu n i t a r ys p a c e t i m e 一行e q u e n c y c o d e s ，m u l t i p l e - s y m b o ld i 虢r e n t i a ld e t e c t i o n ，m a r yo r t h o g o n a ls i g n a l i n g ，c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n 杭州电子科技人学硕十学位论文 第l 章绪论 对于快衰落信道，准确估计信道状态信息( c s i ) 难以实现，差分空频码( d s f c ) 和 差分酉空时频( d u s t f ) 编码均无需估计c s i ，但采用差分检测时，相对于相干检测时有3 d b 的性能恶化。为了缩小差分检测与相干检测之间的性能差距，本文研究采用多符号差分检测 ( m s d d ) 改善频率选择性n a l ( a g 锄i 衰落信道上d s f c 和d u s t f 编码多输入多输出 ( m i m 0 ) f 交频分复用( o f d m ) 系统的误码性能。 协作通信系统通过共享移动终端的天线，来获得分集增益，抵抗多径衰落，提高信息传 输的可靠性。m 进制f 交信号( 包括f 交信号、双正交信号和超正交信号) 可以广泛应用于 功率受限的无线通信系统中，因而受到了广泛关注。本文研究平坦n a k a g a m i 衰落信道上采用 最大比合并( m r c ) 和m 进制正交信号调制的解码前传( d f ) 协作通信系统的误码性能， 目前尚未见有研究报道。 下面介绍差分空频( d s f ) 码、差分空时频( d s t f ) 码和衰落信道上m 进制f 交信号 性能分析的研究现状，概述协作通信的几种常用系统模型和协议，引出本文的主要工作。 1 1 差分空频编码 m i m o 和o f d m 两种技术的联合使用能够有效对抗多径衰落、提高传输可靠性和频谱效 率【lj 。为了在m i m o 一0 f d m 系统中获得频率分集，文献 2 】根据信道长度特征对各发射天线 上的输入数据进行分组编码，提出了一种d s f 编码方案，该方案町获得比差分空时码更大的 分集增益。文献 3 】提出了时域同步( t d s ) o f d m 系统中的一种d s f 发射分集实现方案， 该方案在时域进行差分编码，在频域进行空频( s f ) 编码，可获得分集增益。文献【4 】提出了 m i m o o f d m 系统中的一种差分空频分组码( d s f b c ) 编码方案，推导了一种应用在两根 或四根发射天线情况的线性译码算法。文献【5 】研究了时变频率选择性瑞利衰落信道上采用不 同子载波分组方法的d s f 调制方案的误码性能，仿真结果表明，采用单符号子载波分组 ( s s s g ) 时d s f 凋制方案的误码性能比采用多符号子载波分组( m s s g ) 时要好。 文献f 6 1 提出了m i m 0 o f d m 系统中的一种新的差分空频网格编码( d s f t c ) 方案，仿 真结果表明，该方案町获得比d s f b c 更高的编码增益，并可实现满速率满分集，但实现复杂 度高。文献 7 】通过采用恒模单载波传输，提出了m i m o 频率选择性衰落信道上的一种单载波 单分组d s f b c 方案。文献f 8 】结合酉准j f 交网格编码和差分调制，构造了可获得满速率满分 集的差分准化交空频网格编码( d q o s f t c s ) 。 文献f 6 1 - 8 1 r 吖内d s f 码可获得满分集，还可从以卜两个方而改进，以改善d s f 编码系统 的误码性能：是d s f 码的编码方式，如文献 9 h 1 4 】；二：是d s f 码的译码方式，如文献 杭州电子科技人学硕+ 学位论文 【1 5 j 一【l 7 j 。 文献9 1 利用差分酉空时码【1 8 】的编码方法和狄克斯拉算法，提出了一种可获得满分集的 d s f 编码方案，该方案要求d s f 码字矩阵中的非零元素为恒模调制符号。文献 1 0 通过增大 d s f 码字的最小乘积距离，提出了一种具有线性星座预编码的d s f 编码方案，仿真结果表明， 该方案可获得比文献 9 】更好的误码性能。在差分酉空时调制技术的基础上，文献 1 1 通过采 用级联低密度校验码，提出了一种新的差分酉空频( d u s f ) 调制方案，该方案可充分利用 频率分集资源，获得良好的误比特率( b e r ) 性能。文献【1 2 】提出了采用d u s f 调制的多天线 数字声音广播( d a b ) 系统，仿真结果表明，该系统的误码性能远优于具有循环延迟分集的 多天线d a b 系统。 文献【1 3 】提出了m i m o o f d m 系统中的一种d s f c 编码方案，d s f c 与d u s f 码的编码 原理相同，但它的起始矩阵不局限于单位矩阵。文献 1 4 】研究了频率选择性瑞利衰落信道上 m i m o 0 f d m 系统中的d s f c 的编码设计结构，仿真结果表明，在高信噪比( s n r ) 处，d s f c 的编码矩阵为非酉矩阵时系统的误码性能比编码矩阵为酉矩阵时要好。 文献【1 5 利用子载波之问的相关性，提出了d u s f 调制m i m o o f d m 系统中的一种非相 干序列检测算法，该算法可以有效改善系统的误码性能。文献 1 6 提出了单分组d u s f 调制系 统中的一种多符号差分堆栈算法( m s d s a ) ，与传统单符号差分检测算法相比，m s d s a 可使 系统获得更好的误码性能。文献【1 7 推导了空间相关衰落信道上采用2 d m s d d 算法的d s f 调制m i m o o f d m 系统的平均误符号率( s e r ) 的一个近似解析表达式。 与瑞利分布相比，n a k a g a m i 分向与实验数据更接近。d s f c 无需估计c s i 。同相干检测 相比，采用差分检测时会有3 d b 的性能恶化。m s d d 算法能够有效改善差分编码系统的误码 性能，缩小差分检测与相干检测之间的性能差距。本文研究频率选择性n a k a g a m i 衰落信道上 采用m s d d 算法的d s f c 编码m i m 0 一o f d m 系统的误码性能。 1 2 差分空时频编码 d s t f 编码能够充分利用m i m o 0 f d m 系统中的空问、时问和频率资源，与d s f 编码 相比，d s 吓编码可获得更高甚至满分集增益。 为了获得最大分集增益，文献【1 9 利用子载波分组和交换群星座，提出了m i m 0 o f d m 系统中的一种d u s t f 编码方案，推导了可获得最大编码增益的d u s t f 码设计准则。文献 2 0 研究了频率选择性瑞利衰落信道 ：采用块对角( b d ) d s t f 编码的m i m o o f d m 系统的误 码性能，提出了利用重复编码和重排的两种b d 码的设汁方法。文献 2 l 】利用改进的非对角编 码，提出了基于新的重排技术的b dd s t f 编码。文献 2 2 提出了一种采用算术编码的d s t f 调 制方案，并推导了该调制方案的平均b e r 表达式。文献 2 3 】提f f 了一一种放大转发分御式d s t f 编码( a d s t f ) 方案，该方案稚! 源节点处对数折 符号进行分组，在中继= 肖点处对接收符号进 行放大转发，可同时获得多径分集和窄问分集。 一 杭州电子科技人学硕十学位论文 文献【2 4 提出了一种两根发射天线d s t f 调制方案，该方案采用一个线性星座预编码的谱 编码器和一个基于酉结构设计的差分编码器，可获得满分集。文献【2 5 】通过采用酉对角和b d 编码，提出了频率选择性瑞利衰落信道上的一种d s t f 编码方案，该方案可获得最大分集增 益。文献 2 6 】提出了一种差分空频时三维链接编码方案，在未知c s i 的条件下，该方案能够获 得满空间、频率分集和编码增益。文献 2 7 】通过利用线性星座预编码和最佳子载波分组方法， 提出了m i m 0 一o f d m 系统中的一种四根发射天线b dd s t f 编码方案，该方案可获得满速率 满分集。文献 2 8 通过划分星座图，提出了一种d s t f 码字的快速译码算法，该算法的性能接 近最大似然( m l ) 译码算法，但其译码复杂度比传统m l 译码算法大大降低。 文献【2 9 充分利用子载波传输信息，提出了一种改进的d s t f 编码方案，该方案在可获得 与d s f 编码0 f d m 系统相近的性能的条件下，提高了系统的频谱利用率。文献【3 0 】研究了 m i m o 多波段o f d m 超宽带系统中的酉差分空时频编码( d s t f c s ) 的误码性能，仿真结果 表明，采用d s t f c s 码可提高系统的频谱效率。 文献 2 4 】- 【2 8 】的d s t f 可获得满分集，文献 2 9 - 3 0 】的d s t f 可提高频谱效率，还可从以 下两个方面改进，以改善d s t f 编码系统的误码性能：一是d s t f 码的编码方式，如文献【3 1 】 和f 3 2 1 ；二是d s t f 码的译码方式，如文献 3 3 。 文献3 1 1 提出了一种速率嵌入双向d s t f 编码方案，仿真结果表明，与传统的d s t f 编码 方案相比，该方案能够获得更好的误码性能和更高的发射速率。文献【3 2 】引入正交空时码， 提出了一种具有循环延迟分集的实现复杂度低的d s t f 编码新方案，仿真结果表明，该方案 可获得较高的分集增益，并能改善整个m i m 0 0 f d m 系统的误码性能。 文献f 3 3 1 研究了频率选择性瑞利衰落信道上采用m s d d 的d u s t f 编码m i m o o f d m 系统的误码性能，仿真结果表明，采用m s d d 算法可以有效弥补传统差分检测带来的性能损 失。本文研究频率选择性n a k a g a m i 衰落信道上采用m s d d 的d u s t f 编码m i m o o f d m 系 统的误码性能，分析不同的编码方法和推导m s d d 译码算法，并与采用m l 译码时的误码性 能进行比较。 1 3m 进制正交信号性能分析的研究现状 分析衰落信道上m 迸制正交信号( 包括i f 交信号、双正交信号和超f 交信号) 的性能是 当自仃无线通信的一个研究热点。 文献3 4 1 推导了单输入单输出( s i s 0 ) 信道上相干解调m 进制f 交信号的平均s e r 的近 似表达式。文献 3 5 】推导了s i s o 信道上相干m 进制诈交等概等能量信号的差错率的两个上限 表达式。文献f 3 6 和文献 3 7 】研究了平坦瑞利衰落信道上相干m ( = 3 ，4 ) 进制j 1 三交信号和m ( = 6 ，8 ) 进制双i f f j 交信号的i f 均s e r 的精确表达式。文献 3 8 】利用高斯q 函数和它的平方之问的关系， 推导了平坦瑞利衰落信道上相二干二m 进制正交信号的平均s e r 的新的j 二限表达式。文献【3 9 推 导了相二fm 进制正交信号在n a k a g a m i 衰落信道上的平均s e r 的近似表达式。文献 4 0 】推导了 杭州电子科技人学硕+ 学位论文 离散无记忆信道上采用m l 检测的相干m 进制正交信号的平均s e r 的精确表达式。 文献【4 1 推导了独立同分布( i i d ) 瑞利衰落信道上采用分集合并的相干m ( = 3 ，4 ) 进制正 交信号和m ( = 6 ，8 ) 进制双正交信号的平均s e r 的解析表达式。文献 4 2 】推导了i i d n a k a g a m i 衰落信道上采用m r c 分集接收的相干m 进制f 交双f 交超正交信号的平均s e r 和b e r 的 精确解析表达式，并证明与m 进制f 交信号相比，2 m 进制双f 交信号的误码性能更好。文 献 4 3 】研究了独立莱斯慢衰落信道上相干二进制和非相干m 进制正交信号的误码性能。文献 4 4 推导了独立莱斯慢衰落信道上m 进制f 交信号的非相干接收机和相干接收机的平均 b e r 的计算公式。当s n r 趋于无穷大时，文献 4 5 研究了独立莱斯衰落信道上采用m r c 和 等增益合并分集接收的相干和非相干m 进制正交信号的近似性能。文献【4 6 】推导了独立莱斯 衰落信道上采用m r c 的相干m 进制正交双f 交超f 交信号的平均b e r 和s e r 的精确表达 式。文献 4 7 推导了独立莱斯衰落信道上采用m r c 的相干m 进制正交信号的平均b e r 的一 个新的级数表达式，该式不包含任何积分。文献 4 8 推导了采用分集接收的相干m 进制正交 信号的平均s e r 的一个简单的近似闭合表达式，该式不仅适用于任意独立衰落信道，还适用 于任意相关衰落信道。 文献【4 9 推导了i i d 瑞利衰落信道上相干三进制f 交信号调制m i m om r c 系统的平均 s e r 的精确和近似闭合表达式。文献 5 0 推导了i i d 瑞利衰落信道上相干m 进制正交双正交 信号调制m i m om r c 系统的平均b e r 的精确闭合表达式，给出了m 进制正交信号调制 m i m om r c 系统的平均b e r 的近似闭合表达式。 1 4 协作通信的常用系统模型和协议 实际的无线通信系统中，由于受到某些实际因素的限制，如价格和硬件条件等，m i m o 技术的应用难以实现，由此引入了协作通信技术。 最初，文献 5 1 分析了如图1 1 所示的包含源节点s 、中继节点r 和目的节点d 的三节 点协作通信系统，研究了中继信道的容量定理。与非协作无线通信系统相比，三节点协作通 信系统的误码性能更好。文献 5 2 最早提出了协作通信的概念，其基本思想是在多用户的环 境中，多个单天线用户之问进行协作，相互辅助传输，获得分集增益，改善自身的传输性能。 研究结果表明：协作通信技术可以扩大通信的覆盖范围，提高信息传输的可靠性【5 3 1 。 中继节点 源：侮点 图1 1 二1 ，点协作通信系统模l ! 目的节点 杭州电子科技人学硕十学位论文 在实际的通信过程中，受距离和发送功率的限制，经常使用多跳中继协作通信系统，如 图1 2 所示，该系统能够在保持低消耗功率的前提下，扩展通信的覆盖范围。文献 5 4 】研究了 在多跳中继协作通信系统中的一个退化高斯中继信道的容量，推导了可使输出s n r 最大化的 最佳功率分配方案。当图1 2 所示的系统中的中继数目为l 时，该模型表示双跳单中继协作 通信系统1 5 川，与非协作无线通信系统相比，双跳单中继协作通信系统的信号可靠性更高，无 线覆盖率也更大。 中继节点l中继节点n 源节点( 三 书( 三) _ 书目的节点 图1 2 多跳中继协作通信系统模型 为了更有效的抵抗多径衰落，提高协作通信系统传输的可靠性，可增加中继节点数目， 得到多中继协作通信系统，如图1 3 所示，多中继协作技术能够显著提高协作通信系统的灵 活性，使协作网络获得更高的分集增益。文献 5 6 推导了如图1 3 所示的多中继协作通信系统 中高斯信道容量的上限和下限，并证明当中继数目非常大时，该容量的上限会与下限重合。 巾继节点1 源节点目的节点 图1 3 多中继协作通信系统模型 在图1 1 1 3 所示的协作通信系统中，中继节点对接收到的信号处理协议不同，系统的性 能就不同。处理协议可分为三类：放大前传( a f ) 、d f 和编码协作( c c ) ，其他处理协议 均是在这三种协议的基础上改进得来的。a f 是指中继节点直接对接收到的信号进行线性放大 并转发，d f 是指中继节点先对接收到的信号进行解调和译码，再采用与源节点相同的编码和 调制方式i 订传信号到目的节点【5 7 】。c c 协议的基本思想是将协作分集和信道编码相结合，用 户通过其协作用户发送增加的冗余信息，当协作用户问的信道环境比较恶劣时，自动恢复到 非协作模式【5 8 】。在这三种协作协议中，c c 协议实现的复杂度最高，a f 协议在放大信号的同 时也放大了噪声，d f 协议在信号转发时没有放火噪声，避免了噪声的累积，因此，d f 协议 占有定优势。 f 1i ，j 已有很多文献对d f 阱作通信系统进行了研究，这些方案均是基于频潜有限的无线通 信系统。文献f 5 9 1 分析了瑞利衰落信道上d fj 节点协作通信系统的s e r 性能，推导了采用m 进制州移键控( m p s k ) 和m 进制i ：交幅度调制( m q a m ) 的系统的平均s e r 的闭合表达 杭州电子科技人学硕十学位论文 式和两个上限表达式。文献【6 0 推导了瑞利衰落信道上m p s k 和m q a m 调制下的采用d f 或 a f 协议的三节点协作通信系统的平均s e r 的闭合表达式和一个上限表达式。文献【6 1 研究了 独立不同分布瑞利衰落信道上d f 多中继协作系统的b e r 性能，推导了采用m 进制脉冲幅度 调制( m p a m ) 、m q a m 和s k 调制的系统的平均b e r 的精确闭合表达式。 文献【6 2 推导了n a k a g a m i 平坦衰落信道上d f 单中继协作通信系统的差错率的一个闭合 表达式，该式只适用于采用m p s k 调制的协作系统。文献 6 3 】分析了n a k a g a m i 衰落信道上d f 三节点协作通信系统的s e r 性能，推导了m p s k 和m q a m 的平均s e r 的精确表达式和s n r 较大时的平均s e r 的近似表达式。文献 6 4 分析了n a k a g 锄i 衰落信道上d f 多中继协作通信 系统的s e r 性能，推导了m q a m 信号的平均s e r 的精确表达式和s n r 较大时平均s e r 的 近似表达式。文献 6 5 分析了n a l ( a g a m i 衰落信道上d f 多中继协作通信系统的s e r 性能，推 导了m p s k 和m q a m 的平均s e r 的精确表达式。 m 进制正交信号可以广泛应用在功率受限的无线通信系统中。针对功率受限的m 进制正 交信号调制d f 协作通信系统，尚未见有研究报道。因此，本文研究平坦n a k a g 锄i 衰落信道 上采用m r c 和m 进制正交信号调制的d f 单中继协作系统、双跳单中继协作系统和中继选择 协作系统的误码性能。 1 5 论文的主要工作 本文主要研究n a k a g a m i 衰落信道上采用d s f c 和d u s t f 编码的m i m o o f d m 系统和 采用m r c 和m 进制正交信号调制的d f 协作通信系统的误码性能。本文结构安排如下： 第二章研究频率选择性n a k a 2 a m i 衰落信道上采用m s d d 的d s f c 编码m i m o o f d m 系统的误码性能，推导d s f c 的m s d d 译码算法表达式，并给出仿真结果。 第三章研究频率选择性n a k a g 锄i 衰落信道上采用m s d d 的d u s t f 编码m i m o o f d m 系统的误码性能，分析推导不同d u s t f 码的m s d d 译码算法，并给出仿真结果。 第四章推导平坦n a k a g a m i 衰落信道上采用m r c 和m 进制f 交信号调制的d f 单中继协 作系统、双跳单中继协作系统和中继选择协作系统的平均s e r 和b e r 的精确表达式，并给出 数值计算结果。 第五章为本文结论。 6 杭州电子科技人学硕+ 学位论文 第2 章m i m 0 0 f d m 衰落信道上d s f c 的性能研究 m s d d 通过增加观测窗口的长度，可以缩小传统差分检测和相干检测之间的性能差距， 有效改善差分编码系统的误码性能。d s f c 能够充分利用空问和频率资源，适用于不易获得 c s l 的高速移动环境。本章介绍频率选择性n a k a g a m i 衰落信道上d s f c 编码m i m 0 o f d m 系统模型，研究d s f c 的m s d d 译码算法，并给出计算机仿真结果。 2 1 系统模型 考虑具有嘞根发射天线、，2 r 根接收天线和。个子载波的d s f c 编码m i m o o f d m 系 统，如图2 1 所示。假定： ( 1 ) 每对收发天线之问均具有上个独立的不同延时路径，并具有相同的功率延迟谱( p d p ) 。 在时问f 时，从第f 根发射天线到第，根接收天线的信道脉冲响应均可建模为 纠 肛) = 口，( f 妙( r 一乃) ( 2 1 ) 式中，r ，表示第，径的时延，口，( ，) = l 口，( 驯p 。只- ( 2 = 一1 ) 表示第，个抽头系数，为相 互统计独立的复随机变量，相位谚，) 服从【o ，2 万) 之问的均匀分布。幅值l 口( 驯服从信道衰 落参数为朋、平均功率为q = l 三的n a k a g a m i 分布，其概率密度函数( p d f ) 为6 6 】 厶，( 耻高睦j ，j 弘_ l p ，j 一，聊圭，哥 o ( 2 2 ) 式中，r ( ) 为g a m m a 函数，朋反映n a l ( a g a m i 信道的衰落程度。当朋= 1 时， 瑞利分布。信道的频域响应为 一l u ( ”) = ( 啪旬，创 ，= o n a k a g a m i 衰落为 ( 2 3 ) 式叶l ，厂= 1 瓦表示子载波间隔，瓦表示o f d m 符号周期。 ( 2 ) m i m o 信道在每个o f d m 符号期间内保持不变，在不同o f d m 符号之间可以独立变 j 出im p s k - 一， 一翟座 f 1 调制 gd s f c 叫编码 。j 防十州 v vl 婴一卜。j 卜l 一一瞬hf h l ：謦巾! _ 幽2 1d s f c 编码m i m o o f d m 系统模7 弘 ， _：”，串眯啦凋 一 艄黜 一g 陀码s 宝译 杭州电子科技人学硕十学位论文 化； ( 3 ) 循环前缀( c p ) 长度大于信道的最大多径延迟扩展； ( 4 ) 发射端和接收端都无c s i ，发射端已知信道的p d p 。 在发射端，输入二进制随机序列经过串并转换、m p s k 星座调制映射，得到酉矩阵序列 g ，再进行d s f c 编码，编码矩阵为 c = q ( o ) q ( 1 ) c l ( c 一1 ) c 2 ( o ) c 2 ( 1 ) c 2 ( ( 一1 ) ( 2 4 ) 式中，c ，( 胛) 表示第f 根发射天线在第 个子载波上发射的符号。编码器输出长度为。的嘞个 并行数据流：c ，c ：，c 。，其中，c ，= 【c ，( 0 ) ，c ，( 1 ) ，c ，( c 一1 ) r ，( ) r 表示转置。c ， 经过快速傅早叶反变换( i f f t ) 和添加c p 后，从刀，根发射天线上发射出去。 接收端经过移去c p 和进行快速傅旱叶变换( f f t ) 后，第，根接收天线在第门个子载波 上的接收信号可表示为 y 肋) = p 胛，c 如) 研肋) + w 肋) ( 2 5 ) ，= i 式中，p 表示每根接收天线上的平均s n r 。w ，( 门) 表示第，根接收天线在第，2 个子载波上的复 加性高斯白噪声( a w g n ) ，假定其服从c ( o ，1 ) 分布，且不同接收天线或子载波上的噪声 相百独立。 2 2d s f c 编码 本文采用等问隔子载波分组的d s f c 编码方案，将，个子载波分为p 组，每个子载波组 有9 个子载波，即 c = q p( 2 6 ) 采用文献 1 3 中的d s f c 编码方案，q = 4 、，? ，= 2 时，对应第七个子载波分组的d s f c 编 码映射如图2 2 所示。 根接收天线在第门个子载波上的接收信号矢量可表示为 y 。= p 7h ( 门) c 。+ w ，( 2 7 ) 式中， y 。= k ( 门) y ：( 门) 儿。( 门) 】7 一，= p 。( 门) c ! ( 刀) “，( 门) 】， h o ) = h 0 )h ：。( ，z ) h m ( 门) h u ( 聆)日：o ) h m ：( 门) ；。! h ，。0 ) h ：，。如) 嘶。0 ) w ，2( 2 8 ) m，一。卅吖： )a：、 0 0 ；o 1 ，一 “ w w 阱 杭州电子科技人学硕十学位论文 o f d m 子载波 ： 七 p + 2 j p + 3 尸+ ： p 2 p 3 p ， 0 f d m 符号块 0 f d m 子载波 ：1 。1 r - 一一一i 一一一一r _ 足l! c 2 ( 七) ! l 一j 。一二二二j + 刮 “尸州： i 一? ：一 + 尼l!c ：( 2 j p + 七) ! 卜一十一一 + 尼lic ：( 3 p + 七) ； 一一一一j 一一一一一一一i 一 ：l ： i l l 一 f 0 f d m 符号块 发射天线1 发射天线2 图2 2q = 4 、，7 ，= 2 时的d s f c 的编码映射 式中，c 。表示嘞根发射天线在第胛个子载波上发射的门，1 阶信号矩阵。h ( 门) 表示在第门个子 载波上的胛，阶信道矩阵。w ，表示门凡根接收天线在第，2 个子载波上的1 阶噪声矩阵。 用o = c 。，c ：，c m 表示含有m 个矩阵的差分空频块码集合，其中，每一个c 廊表示 托，根发射天线在q 个子载波上发射的q ，? ，阶编码矩阵，历= 1 ，2 ，m 。第七个子载波分组 的编码矩阵c 。0 ( 尼= 1 ，2 ，p ) 的具体结构为 e = 【c n 一，c ( 川矿+ 女】r = c l ( 尼)c 2 ( 尼) c 。( 尼) c l ( p + 尼) c 2 ( p + 尼) c 。，( 尸+ 七) c l ( ( q 一1 ) p + 尼) c 2 ( ( q 一1 ) 尸+ 尼) c 。( ( q 一1 ) 尸+ 尼) ( 2 功 根据文献 13 】中的式( 1 7 ) ，此时d s f c 编码m i m o o f d m 系统的编码速率为 月= ( 古一寿) ，。g ：m b i 子载波