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基于译码转发中继信道的对角正交设计极化空时分组码

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第４０卷第１期　２０１０年１月　东南大学学报（自然科学版）　

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＯＵＴＨＥＡＳＴ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｖｏ１．４０　ＮＯ．１　Ｊａｎ．２０１０　

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—０５０５．２０１０．０１．００１　

基于译码转发中继信道的　

对角正交设计极化空时分组码　

李正权　沈连丰　

（　东南大学移动通信国家重点实验室，南京２１００９６）　（　扬州大学信息工程学院，扬州２２５００９）　

摘要：构建了基于译码转发中继信道的对角正交设计极化空时分组码（ＳＴＰＢＣ），该种码可以通　

过极化天线进行满码率发射和接收．然后设计了码率为１、发射天线数为２和４的码字矩阵，最　

后与传统对角正交、传统准正交和极化准正交这３种无中继空时分组码（ＳＴＢＣ）分别进行了仿　

真对比．结果表明：２个发射天线和１个接收天线情况下，当ＢＥＲ＝１０Ｉ３时，ＢＰＳＫ调制下ＳＴＰＢＣ　

的性能比无中继传统对角正交情况有３．５　ｄＢ的增益，ＱＰＳＫ调制下有３　ｄＢ的增益；４个发射天　

线和１个接收天线情况下，当ＢＥＲ＝１０　Ｉ３时，ＢＰＳＫ调制下比上述３种情况分别有６．０，２．７和　

一１．５　ｄＢ的增益，ＱＰＳＫ调制下分别有５．５，２．５和一２．５　ｄＢ的增益；与无中继极化准正交ＳＴＢＣ　

相比，在ＳＮＲ较低的情况下所提分组码具有较好的性能．　

关键词：对角正交设计；极化空时分组码；最大似然译码；误码率　

中图分类号：ＴＮ９１１　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—０５０５（２０１０）０１－０００１－０５　

Ｄｉａｇｏｎａｌ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ｓｐａｃｅ　ｔｉｍｅ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｂｌｏｃｋ　ｃｏｄｅｓ　

ｆｏｒ　ｄｅｃｏｄｅ—ａｎｄ－ｆｏｒｗａｒｄ　ｒｅｌａｙ　ｃｈａｎｎｅｌ　

Ｌｉ　Ｚｈｅｎｇｑｕａｎ　＿　Ｓｈｅｎ　Ｌｉａｎｆｅｎｇ　

（‘Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｍｏｂｉｌｅ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００９６，Ｃｈｉｎａ）　（　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ　２２５００９，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｅｗ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｄｉａｇｏｎａｌ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ｓｐａｃｅ　ｔｉｍｅ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｂｌｏｃｋ　ｃｏｄｅｓ（ｓ￣Ｂｃ）　ｆｏｒ　ｄｅｃｏｄｅ．ａｎｄ—ｆｏｒｗａｒｄ　ｒｅｌａｙ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｉｓ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．Ｔｈｅｓｅ　ｃｏｄｅｓ　Ｃａｎ　ｔｒａｎｓｍｉｔ　ａｎｄ　ｒｅｃｅｉｖｅ　ｗｉｔｈ　ｆｕＵ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｄｕａｌ—ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　ａｎｔｅｎｎａｓ．Ｔｈｅ　Ｓ　ＰＢＣ　ｗｉｔｈ　ｔｗｏ　ａｎｄ　ｆｏｕｒ　ｔｒａｎｓｍｉｔ　ａｎｔｅｎｎａｓ　ａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｆｉｒｓｔｌｙ．Ｔｈｅｎ　ｉｔ　ｉｓ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｐａｃｅ　ｔｉｍｅ　ｂｌｏｃｋ　ｃｏｄｅｓ（ＳＴＢＣ）ｗｉｔｈｏｕｔ　ｒｅｌａｙ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｄｉａｇｏｎａｌ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ，ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｑｕａｓｉ—ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　ｑｕａｓｉ－　ｏｒｔｈｏｇｏｎａ１．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　Ｓ１］ＰＢＣ　Ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｇａｉｎ　ｏｆ　３．５　ｄＢ／３　ｄＢ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｍ　

ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｄｉａｇｏｎａｌ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ａｔ　ｔｈｅ　ｇｉｖｅｎ　ｏｆ　ＢＥＲ（ｂｉｔ　ｅｒｒｏｒ　ｒａｔｅ）１０　ｆｌｏｒ　ＢＰＳＫ／ＱＰＳＫ（ｂｉｎａｒｙ　ｐｈａｓｅ　ｓｈｉｆｔ　ｋｅｙｉｎｇ／ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ　ｐｈａｓｅ　ｓｈｉｆｔ　ｋｅｙｉｎｇ）ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｔｒａｎｓｍｉｔ　ａｎｔｅｎｎａｓ　ａｎｄ　ｏｎｅ　ｒｅ—　

ｃｅｉｖｅ　ａｎｔｅｎｎａ．Ｉｎ　ｓａｍｅ　ｃａｓｅ　ｅｘｃ印ｔ　ｆｏｒ　ｆｏｕｒ　ｔｒａｎｓｍｉｔ　ａｎｔｅｎｎａｓ　ｉｎｓｔｅａｄ　ｏｆ　ｔｗｏ，ｔｈｅ　ｇａｉｎ　ｉｓ　６．０　ｄＢ／５．５　ｄＢ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｄｉａｇｏｎａｌ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ，２．７　ｄＢ／２．５　ｄＢ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｑｕａｓｉ．ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ａｎｄ　

一１．５　ｄＢ／一２．５　ｄＢ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　ｑｕａｓｉ—ｏｒｔｈｏｇｏｎａ１．ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．１ｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＳＴＰＢＣ　ｉｓ　ａｌＳＯ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　ｑｕａｓｉ—ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ＳＴＢＣ　ｉｎ　ｌｏｗ　ＳＮＲ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｉａｇｏｎａｌ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｄｅｓｉｇｎ；ｓｐａｃｅ　ｔｉｍｅ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｂｌｏｃｋ　ｃｏｄｅｓ（ｓＴＰＢＣ）；ｍａｘｉｍｕｍ　ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ　ｄｅｃｏｄｉｎｇ；ｂｉｔ　ｅｒｒｏｒ　ｒａｔｅ　

收稿日期：２００９－０７－２３．作者简介：李正权（１９７６一），男，博士，副教授；沈连丰（联系人），男，教授，博士生导师，ｌ￣ｈｅｎ＠ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃａ．　基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３计划）资助项目（２００７ＣＢ３１０６０６）、国家自然科学基金资助项目（６０９０２０１１）、中国博士后科学基　金特别资助项目（２００９０２５０１）、江苏省自然科学基金资助项目（ＢＫ２００９４７６）、中国博士后科学基金资助项目（２００８０４４１０１６）、东　南大学移动通信国家重点实验室自主研究资助项目（２００９Ａ０８）．　引文格式：李正权，沈连丰．基于译码转发中继信道的对角正交设计极化空时分组码［Ｊ］．东南大学学报：自然科学版，２０１０，４０（１）：１—５．　『ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—０５０５．２０１０．０１．００１］

　２　东南大学学报（自然科学版）　第４０卷　

文献［１］提出基于坐标交织正交设计的空时　

分组码（ｓｐａｃｅ　ｔｉｍｅ　ｂｌｏｃｋ　ｃｏｄｅｓ，ＳＴＢＣ）并设计了码　

率为１、发射天线数为２和４的码字矩阵．文献［２］　研究ＯＦＤＭ系统中能够提供满空域分集和多路分　

集的坐标交织正交ＳＴＢＣ，在２个发射天线的情况　

下对成对错误概率进行了分析．文献［３］分析了无　线中继网络中基于坐标交织的同步和异步协作分　

集方案并提出了低复杂度的迭代检测算法．文献　

［４］对无线中继网络中源节点和目标节点具有１　

个天线而中继节点具有２个天线的情况，研究了基　

于坐标交织分布式ＳＴＢＣ，并分析了成对错误概率　

Ｃｈｅｍｏｆｆ界．文献［５］提出信道具有退偶特性的坐　

标交织正交ＳＴＢＣ，并对该种码的译码、性能和最　

佳信号设计进行了研究．文献［６］在无线中继网络　

中提出了分布式交织随机空时码，在多个协作的源　

节点之间采用放大前传、译码前传、差分译码前传　

等中继技术．文献［７］研究了坐标交织空时编码系　

统的误码率一致界，该一致界是码频谱间距、信号　

星座和空时编码映射方式的函数．文献［８］介绍了　四元素正交设计理论，并设计出了一些满足正交设　

计的极化空时分组码（ｓｐａｃｅ　ｔｉｍｅ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｂｌｏｃｋ　

ｃｏｄｅｓ，ＳＴＰＢＣ），该种分组码可以通过极化天线进　

行发射和接收．文献［９］简单构建坐标交织对角正　

交设计的ＳＴＰＢＣ．　

上述文献只采用中继或极化方式来改善性能，　

如果中继和极化方式相结合，则可以更好地改善系　统误码率性能，并提高分集增益．本文构建了基于　

译码转发中继信道的对角正交设计ＳＴＰＢＣ，采用　

极化天线进行发射和接收，且码率为１，并与无中　

继传统对角正交ＳＴＢＣ、无中继传统准正交ＳＴＢＣ　

及文献［１Ｏ］提出的ＳＴＰＢＣ进行了仿真比较．　

１　信道模型　

考虑一个具有Ⅳ个发射天线和１个接收天线　

的移动通信系统，中继端具有１个接收天线和Ⅳ　

个发射天线，发射天线在　个时隙内发射Ｊｖ个信　

号，定义码率为Ⅳ／　，传播示意图见图１．假设发射　

天线到中继端以及中继端到接收天线之问的信道　

图１系统协作示意图　为平坦瑞利衰落信道．假设发射端发射的码字矩阵　

为Ｔ×Ｎ维　，中继端接收天线接收到的信号向　

量为　

ｒ１＝Ｘ１ｈ１十ｎ１　（１）　

式中，ｈ　＝｛Ｏｌ　，ＯＺ：，…，Ｏｔ　｝　为发射端与中继端　

之间的信道衰落向量，为独立同分布复高斯随机变　

量，其均值为０，方差为Ⅳ０／２；，ｌ　＝｛ｎ　，ｎ２，…，ｎ　｝　’　

为零均值加性复高斯噪声向量．中继端接收天线接　

收到的信号译码后的统计判决信号重新编码成对　

角正交空时分组码字．假设中继端发射天线发射的　

码字矩阵为　，则接收端接收到的信号为　

，２＝Ｘ２ｈ２＋ｎ２　（２）　

式中，ｈ：＝｛　，　：，…，　｝　为发射端与中继端之　

间的信道衰落向量，为独立同分布复高斯随机变　

量，其均值为０，方差为Ⅳ０／２；，ｌ：＝｛ｍ　，ｍ　，…，　

ｍ　｝　为零均值加性复高斯噪声向量．　

２　对角正交设计ＳＴＰＢＣ　

定义对角正交ＳＴＰＢＣ：大小为Ⅳ，码率为Ｋ／Ｔ，　

变量为Ｘ　（ｋ＝１，２，…，Ｋ）的一个极化对角正交设　

计是一个Ｔ×Ｎ矩阵Ｘ（ｘ　，　，…，　），有　

，…　）＝　：］　（３）　

式中，Ａ＝ｉＸ（　ｌ，…，　２）＋　（　＋１，…，　），Ｂ　

＝ｉＸ（　２＋１，…，　）＋ｊｘ　（　１，…，　２），Ｘ（ｘｌ，…，　

）和Ｘ（　＋ｌ，…，　）是大小为Ｎ／２、码率为　

Ｋ／Ｔ的广义复数正交设计矩阵；ｉ表示极化天线水　

平极化方向；　表示极化天线垂直极化方向．　

根据文献［１１—１２］，一个满码率、满分集的复　

ＳＴＢＣ为　

（　，　）：『　１　：１　（４）　Ｌ

—Ｘ２　１　Ｊ　对码率为１，发射天线数Ｎ＝２，４的极化对角　

正交设计（此时Ｎ＝　）：　

１）当Ｎ＝２时　

Ｘ（Ｘ　一，ＸＫ／２）＝　１，　（ＸＫ／２＋ｌ，…，　）＝Ｘ２　

（５）　

根据式（５）可以得到　

ｃ　，　ｚ　＝【　．二＝　】　ｃ６　

式（６）可以等价表示为　

：『　－　０　ｏ　１　（７）　

Ｌ　０　０　２　ｊ　

或者等价表示为

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空时频分组码的设计和GLRT解码算法

空时频分组码的设计和GLRT解码算法

空时频分组码的设计和GLRT解码算法

宋高俊;周正中

【期刊名称】《系统工程与电子技术》

【年(卷),期】2006(28)3

【摘 要】基于多输入多输出(MIMO)天线和正交频分多路复用(OFDM),提出了空时频分组编码方法,发射端的编码和接收端的解码都不需要信道状态信息(CSI).利用广义似然比检验(GLRT)解码算法,导出了成对符号错误概率(PEP)上限和码的设计准则.分析表明,在频率选择性MIMO信道中,这种码能充分利用空间分集和频率分集,而且只有较低的编解码复杂性.仿真结果证实,在频率选择性MIMO信道中,提出的非相干空时频码相对空时分组码性能有很大提高.

【总页数】4页(P363-365,388)

【作 者】宋高俊;周正中

【作者单位】南昌航空工业学院电子工程系,江西,南昌,330063;电子科技大学信息与通信工程学院,四川,成都,610054

【正文语种】中 文

【中图分类】TN914

【相关文献】

1.叠加空时分组码空间调制方案设计 [J], 张德民;王与凡;查凡超;周佳

2.基于正交空时分组码的酉空时码设计 [J], 郭永亮;朱世华;张国梅

3.完美空时分组码及其高性能解码算法 [J], 胡军锋;杨远;张海林 4.一种准正交空时分组码的单符号解码算法 [J], 钱叶旺

5.多接收天线下空时分组码解码算法的研究 [J], 张朝柱;李大鹏;赵春晖

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一种基于正交空时块编码的单天线AF中继方案

一种基于正交空时块编码的单天线AF中继方案

一种基于正交空时块编码的单天线AF中继方案

李川;刘伟

【摘 要】A simple amplify-and-forward (AF) relaying scheme based on

Orthogonal Space-Time-Codes (OSTBC) is proposed, which applies to the

scenario where only one single antenna at the relay and an arbitrary

number of antennas at the destination. Also, the analytical performance of

the proposed scheme is investigated in the context of Rayleigh fading

channels. Specifically, the probability density function (pdf) of the received

SNR is characterized and the symbol error rate (SER) of different

modulation schemes is derived. Simulation confirms the validity of analytic

results.%提出了一种基于正交空时块编码的放大转发中继方案,该方案适用于中继节点配置单天线、目的节点配置任意数目天线的中继系统.并且对所提方案在瑞利衰落信道下进行了性能分析,推导了该方案接收信号信噪比的概率密度函数,以及不同调制方式下的误符号率.仿真结果验证了性能分析理论结果的正确性.

【期刊名称】《西安电子科技大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2013(040)002

【总页数】6页(P117-122)

【关键词】多输入多输出;正交空时分组码;中继;放大转发;性能分析

一种改进的广义正交空时分组码

一种改进的广义正交空时分组码

一种改进的广义正交空时分组码

田心记;倪水平;宋成;赵伟

【摘 要】广义正交空时分组码由多个相同的正交空时分组码组成,然而该编码的设计未能考虑到每个正交空时分组码的各支路对应的信道衰落系数,因而其性能还有提升的空间,针对此问题,提出了一种改进的广义正交空时分组码,将部分正交空时分组码的各支路信号分别旋转适当的角度.这些角度由接收端以最大化等效信道增益为目标而设计,因此,增大了系统的等效信道增益,提高了系统的性能.理论分析及仿真表明,该方法只需增加很少的反馈量就能显著提高系统的性能,且极大地降低了接收端计算反馈信息的复杂度.%The extending orthogonal space-time block code

is constituted by the identical orthogonal space-time block code (OSTBC).

However, the channel fading coefficient of each branch of each OSTBC is

not taken into consideration, and the performance of the extending

orthogonal space-time block code can be improved further. For this

problem, an improved extending orthogonal space-time block code is

proposed, in which a proper rotation is set at each signal of branches of

some OSTBCs. Since the rotation angles are designed to maximize the

effective channel gain, the effective channel gain is increased and the

一种准正交空时分组码的理论分析和仿真实现

一种准正交空时分组码的理论分析和仿真实现

一种准正交空时分组码的理论分析和仿真实现

孟凤琴;赵光;孙鑫

【摘 要】提出一种改进的准正交空时分组编码方案,根据准正交设计准则,在不增加译码复杂度前提下,设计出一个更好的编码.最后通过软件仿真,表明这种编码方法的误比特率无论在低信噪比或高信噪比条件下都优于传统的TBH和Jafarkhani编码.

【期刊名称】《广东通信技术》

【年(卷),期】2010(030)012

【总页数】4页(P63-66)

【关键词】TBH;Jafarkhani;准正交;星座旋转

【作 者】孟凤琴;赵光;孙鑫

【作者单位】

【正文语种】中 文

0 引言

空时编码技术采用发射分集，将空间分集、频率分集及时间分集有机结合起来，具有较好的频谱利用率和功率有效性，在未来移动通信领域中是一种具有巨大发展前景的技术。空时分组码、空时格型码和分层空时码是三种典型的空时编码，其中空时分组码在编码由于实现简单以及兼容性好等特性使其得到了比较广泛的应用。空时分组码在编码中引入了正交设计理论，可以分为实正交设计、复正交设计和准正交设计。现有的准正交空时分组编码TBH和Jafarkhani方法的设计都是基于Alamouti模式，本文在此基础上改进编码子模块，设计出一个更好的编码方案。与现有的准正交空时分组码相比，分集增益和译码复杂度并未改变，却获得了一定的编码增益，但是达不到全分集增益。如果在编码过程中加入星座图旋转,可以实现全分集，系统性能进一步得到提高。

1 改进准正交空时分组编码的理论分析

假设通信系统采用4个发射天线1个接收天线，准静态、Rayleigh平坦衰落信道。

1.1 传统准正交编码

现有的准正交空时分组码包TBH和Jafarkhani，两种编译码情况如表1所示：

表1 TBH和Jafarkhani编码小结?

1.2 改进的准正交空时分组码

具体的编码矩阵表示(如式1)为

其中G是T×K矩阵，T表示时隙数，K表示发射天线数，分别由矩阵A和B的元素旋转180°得到。