趙雅琴, 李書營, 米雪龍, 李元元, 吳芝路

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001;

2. 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心, 北京 100076)

?

基于STBC技術(shù)的DCSK通信系統(tǒng)性能分析

趙雅琴1, 李書營1, 米雪龍1, 李元元2, 吳芝路1

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001;

2. 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心, 北京 100076)

摘要：差分混沌相移鍵控(differential chaos shift keying,DCSK)技術(shù)具有較好的抗噪聲性能以及較低的檢測復(fù)雜度,但是其傳輸速率比較低。為了提高其傳輸速率,提出了一種基于空時(shí)塊碼(space time block code,STBC)技術(shù)的DCSK通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了不同混沌信號之間具有較好的互相關(guān)性的特點(diǎn),采用解碼復(fù)雜度低的非相干解調(diào)技術(shù),具有良好的抗噪聲性能、不需要信道狀態(tài)信息的優(yōu)點(diǎn)。推導(dǎo)了在多徑瑞利信道中STBC-DCSK系統(tǒng)的誤碼率性能。大量的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提出的STBC-DCSK系統(tǒng)在損失了微小的系統(tǒng)誤碼率性能的情況下,進(jìn)一步提高了傳輸速率。

關(guān)鍵詞：混沌通信; 差分混沌相移鍵控; 空時(shí)塊碼; 信道狀態(tài)信息

0引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對無線終端的數(shù)據(jù)速率的要求越來越高。為了提高系統(tǒng)傳輸速率,系統(tǒng)的傳輸天線數(shù)量在逐步的增加。比如蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正在考慮將大規(guī)模多輸入多輸出(multiple input and multiple output, MIMO)作為下一代通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。同樣的,對于混沌通信系統(tǒng),也需要提高其傳輸速率。差分混沌相移鍵控(differential chaos shift keying, DCSK)作為一種混沌調(diào)制技術(shù),具有較好的抗噪聲性能和簡單的接收端解碼復(fù)雜度等優(yōu)點(diǎn)[2]。DCSK作為一種擴(kuò)頻通信系統(tǒng),可以通過增加傳輸天線數(shù)量來提高其系統(tǒng)速率。

由于DCSK不同于以往的調(diào)制方式,之前很多文獻(xiàn)都局限于單輸入單輸出(single input and single output, SISO)信道情況下[3-6]。最近幾年,一些學(xué)者研究了DCSK以及FM-DCSK(frequency-modulated DCSK)在MIMO系統(tǒng)[7-10]和單輸入多輸出(single input and multiple output, SIMO)系統(tǒng)中的應(yīng)用[11-14]。

文獻(xiàn)[7]研究了混沌通信系統(tǒng)中采用MIMO的有效性問題。將經(jīng)典的2×2 Alamouti空時(shí)塊碼與DCSK進(jìn)行結(jié)合。作者通過仿真分析了MIMO-DCSK系統(tǒng)的性能。針對同樣的系統(tǒng),在文獻(xiàn)[8]中給出了理論上的誤碼率的分析過程。然而,在接收端需要知道完美的信道狀態(tài)信息(channel state information, CSI)。文獻(xiàn)[9]中提出了兩種算法,都是將混沌通信技術(shù)與MIMO相結(jié)合。這兩種方法無論是在接收端還是在發(fā)送端都不需要知道信道狀態(tài)信息CSI。文獻(xiàn)[10]分析了多接入MIMO中繼協(xié)作分集系統(tǒng)中DCSK方法的誤碼率性能。推導(dǎo)了在Nakagami衰落信道中誤碼率表達(dá)式的封閉解。為了提高傳輸速率,在發(fā)送端將Walsh碼與DCSK或者FM-DCSK結(jié)合起來,在接收端采用廣義的最大似然解碼算法[11-12]。文獻(xiàn)[15]充分考慮到不同的混沌信號具有良好的互相關(guān)特性,在超寬帶應(yīng)用背景下設(shè)計(jì)了一種“模擬”的STBC-DCSK算法。并且給出了在兩個(gè)發(fā)射天線和3個(gè)發(fā)射天線情況下的STBC編碼原理結(jié)構(gòu)圖?；谠揝TBC結(jié)構(gòu)的算法在k(k=4, 6) 個(gè)信息比特持續(xù)時(shí)隙內(nèi)(令T表示一個(gè)信息比特持續(xù)時(shí)隙)可以傳輸k個(gè)信息比特,即可以達(dá)到的速率為1。這種結(jié)構(gòu)的核心思想是在每一個(gè)發(fā)射天線上要發(fā)送所有信息比特的信息,在不同的信息比特持續(xù)時(shí)間內(nèi)只能發(fā)送不同的信息比特的參考序列或者信息序列,且對于特定的兩個(gè)不同的T/2時(shí)隙接收到的信號相乘最多只能解碼到一個(gè)信息比特。然而,這種STBC碼字結(jié)構(gòu)限定了可以達(dá)到的最大速率只能為1,并且這種STBC碼字結(jié)構(gòu)難以設(shè)計(jì)出四天線系統(tǒng)。

為了提高系統(tǒng)傳輸速率,本文提出一種新的STBC-DCSK算法結(jié)構(gòu),在7個(gè)DCSK符號周期內(nèi)可以傳輸8個(gè)DCSK符號。因此,可以達(dá)到的速率為8/7。此外,分析了在多徑瑞利信道下的誤碼率性能。最后,仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果以及已經(jīng)存在的方法進(jìn)行了對比,驗(yàn)證了理論分析的正確性以及算法的有效性。

1STBC-DCSK算法

文獻(xiàn)[15]提出了一種“模擬”STBC-DCSK算法,該算法在發(fā)送端配置2個(gè)或者3個(gè)發(fā)送天線,可以達(dá)到的速率為1。在接收端不需要知道任何的信道狀態(tài)信息CSI,也不需要射頻延時(shí)電路,具有較低的解碼復(fù)雜度。在傳輸速率要求越來越高的今天,要想獲得更高的和速率，一方面需要增加發(fā)送天線的數(shù)量；一方面需要設(shè)計(jì)一種較好的STBC碼字結(jié)構(gòu)。然而,按照文獻(xiàn)[15]的思路無論是設(shè)計(jì)具有更高的傳輸速率的STBC碼字結(jié)構(gòu),還是采用更多的發(fā)射天線數(shù)量,都很難實(shí)現(xiàn)。因此,本文從另一個(gè)角度出發(fā),設(shè)計(jì)了一種新的STBC-DCSK算法,該算法增加了發(fā)送天線數(shù)量,進(jìn)一步提高了傳輸速率。在發(fā)送端,將4個(gè)發(fā)送天線分為兩組,每一組包含2個(gè)天線。這種結(jié)構(gòu)可以看作是一種特殊形式的兩用戶STBC碼字結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情形,類似的思想可以參考文獻(xiàn)[16]。

1.1發(fā)送端

令bi∈{-1,1}表示要發(fā)送的第i個(gè)信息比特。首先,將待發(fā)送數(shù)據(jù)b串并轉(zhuǎn)換為每行有8個(gè)比特的并行結(jié)構(gòu)。然后,對每一個(gè)信息比特進(jìn)行DCSK調(diào)制。令Ri=[xi(1),xi(2),…,xi(β)],Di=biRi分別表示第i個(gè)信息比特混沌參考信號部分和混沌信息載波信號部分,其中,β表示混沌參考信號的長度。接下來,將經(jīng)過DCSK調(diào)制好的信號放入STBC編碼器中進(jìn)行編碼。最后,通過分組的天線進(jìn)行發(fā)送。STBC-DCSK發(fā)送端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　STBC-DCSK發(fā)送端結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到不同的發(fā)送天線經(jīng)歷不同的信道損失,并且每一個(gè)信息比特經(jīng)過DCSK調(diào)制后包含參考信號部分(Ri) 和信息載波部分 (Di)。因此,為了降低傳輸天線之間的干擾并獲得天線分集增益,在STBC編碼的過程中要將同一個(gè)比特的兩部分分配到同一個(gè)發(fā)送天線上。本文提出了一種有效地STBC-DCSK碼字結(jié)構(gòu),如表1所示。

表1　STBC-DCSK編碼結(jié)構(gòu)原理圖

表1中,ym,k表示在第m個(gè)發(fā)送天線上發(fā)送的第k個(gè)信息比特周期內(nèi)的信號,其中m∈{1,2,…,4}, k∈{1,2,…,7}。可以看出在7個(gè)信息比特周期內(nèi)發(fā)送了8個(gè)信息符號,因此可以達(dá)到的速率為8/7。與文獻(xiàn)[15]中的STBC-DCSK編碼結(jié)構(gòu)不同,本文提出的STBC-DCSK編碼結(jié)構(gòu)將4個(gè)發(fā)送天線進(jìn)行了分組,第一組天線用來發(fā)送前4個(gè)信息比特,第二組天線用來發(fā)送后面4個(gè)信息比特。不失一般性,這種類似于兩用戶干擾信道下的特殊的STBC結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)展到六天線情況。本文提出的算法與文獻(xiàn)[15]的算法不同之處為:①傳輸速率由1提升至8/7; ②本文采用的混沌序列為歸一化的序列,而文獻(xiàn)[15]采用的是“模擬”的混沌序列; ③本文將發(fā)送天線由2個(gè)或者3個(gè)增加到4個(gè)。

1.2信道模型

本文考慮兩徑瑞利準(zhǔn)靜態(tài)塊衰落信道[17]。令ξ表示零均值N0/2方差的高斯白噪聲,αm,1和αm,2表示第m(m=1,2,…,4)個(gè)發(fā)射天線與接收用戶之間的兩徑瑞利信道增益,它們是滿足瑞利分布的隨機(jī)變量。假設(shè)它們在一個(gè)STBC符號結(jié)構(gòu)的傳輸時(shí)間內(nèi)保持不變。根據(jù)兩徑的平均增益不同,本文主要考慮以下3種情況。

情形 1兩徑有相等的平均增益

(1)

情形 2第一徑的平均增益比第二徑的平均增益大3dB

(2)

情形 3第一徑的平均增益比第二徑的平均增益大10dB

(3)

1.3接收端

對于任意k∈(1,2,…,7),則在第k個(gè)信息比特持續(xù)的周期內(nèi),接收到的信號rk可以表示為

(4)

式中,τm,1和τm,2分別表示第m個(gè)發(fā)送天線發(fā)送到用戶的一徑和二徑信道延時(shí)。為了后續(xù)表達(dá)方便,令rk,1和rk,2分別表示接收到的信號rk的前一半和后一半,即rk=[rk,1rk,2]。

根據(jù)混沌特性和表1設(shè)計(jì)的特殊結(jié)構(gòu),對于任意的i∈(1,2,…,8),令ci為第i個(gè)解調(diào)器的輸出,則有

(5)

將式(5)得到的信息比特進(jìn)行判決,即可得到接收到的信息比特的判決結(jié)果為

(6)

通過式(5)、式(6)與文獻(xiàn)[15]中的式(3)~式(5)對比可以看出,對于任意一比特接收信息,在接收端的復(fù)雜度關(guān)系為:本文提出的算法復(fù)雜度與文獻(xiàn)[15]中的兩天線情況相同,比文獻(xiàn)[15]中的三天線復(fù)雜度要低。

2誤碼率性能分析

在本小節(jié)中,將利用高斯近似(Gaussianapproximation,GA)方法推導(dǎo)STBC-DCSK系統(tǒng)在兩徑瑞利信道(two-rayRayleighchannel)下的誤碼率性能。當(dāng)擴(kuò)頻因子比較大時(shí),高斯近似方法是一種有效且簡單的用來推導(dǎo)系統(tǒng)的誤碼率性能的方法[18]。通過表1和式(4)、式(5)可以看出,不同比特的誤碼率性能不同。因此,需要逐比特計(jì)算其誤碼率性能。這一點(diǎn)與文獻(xiàn)[15]不同,文獻(xiàn)[15]中采用的STBC結(jié)構(gòu)使得每一個(gè)比特的誤碼率相同。

考慮到不為了表達(dá)方便,令ξR,k和ξD,k分別表示第k個(gè)接收比特持續(xù)時(shí)間內(nèi)的噪聲矢量的前一半和后一半。為了后續(xù)表達(dá)方便,不妨令U和V表示兩個(gè)不同的混沌序列,序列的長度為β。對于不同的混沌序列,其互相關(guān)值與擴(kuò)頻因子2β有關(guān),圖2給出了平均互相關(guān)值與半擴(kuò)頻因子β之間的變化關(guān)系。可以看出,當(dāng)β比較小的時(shí)候,互相關(guān)值比較大,而隨著β不斷變大,其互相關(guān)值也在逐漸變小。當(dāng)擴(kuò)頻因子2β足夠大時(shí),不同混沌序列的相關(guān)性可以表示為

(7)

從式(7)中可以看出,當(dāng)擴(kuò)頻因子足夠大時(shí),任意兩個(gè)不同的混沌序列的互相關(guān)性非常小,本文中近似為零。根據(jù)文獻(xiàn)[19]可知混沌序列和噪聲序列是相互獨(dú)立的,因此有

(8)

圖2　不同混沌序列的互相關(guān)與β的關(guān)系

E(UV)=0,

(9)

(10)

根據(jù)式(4)和式(5)可以得到接收信號d11為

(11)

其中,A、B分別為

(12)

(13)

因此,d11的均值可以表示為E(d11)=E(A)+E(B)+E(C),其中

(14)

(15)

d11的方差可以表示為

Var(d11)=Var(A)+Var(B)+Var(C)+

2Cov(A,B)+2Cov(B,C)+2Cov(A,C)

(16)

(17)

(18)

(19)

Cov(A,B)=Cov(B,C)=Cov(A,C)=0

(20)

因此,可以得到接收信號d11的均值和方差分別為

(21)

(22)

類似的方法,可以得到接收信號d12的均值和方差分別為

(23)

(24)

此外,d11和d12的協(xié)方差可以表示為

Cov(d1,d2)=E[d1d2]-E[d1]E[d2]=

(25)

綜合式(10)以及式(21)~式(25),可以得到c1的誤碼率為

(26)

式中,Λ1,1,Λ1,2可以表示為

(27)

(28)

γb表示當(dāng)前符號的信噪比,在四發(fā)送天線單接收天線的兩徑瑞利衰落信道下,γb為

(29)

(30)

類似的,可以得到其余碼元的誤碼率,對于任意的i∈{2,3,4},ci的誤碼率為

(31)

對于任意的i∈{5,6,7,8},ci的誤碼率為

(32)

對于任意的i∈{2,…,8},式(31)和式(32)中的Λi,1和Λi,2依次為

(33)

(34)

(35)

(36)

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

(42)

(43)

(44)

(45)

結(jié)合式(26)和式(30)~式(32),可以得到在兩徑瑞利信道下的誤碼率為

(46)

特殊情況下,對于任意的m∈{1,…,4},令αm,1=1,αm,2=0,τm=0,則兩徑瑞利信道退化為高斯白噪聲信道,相應(yīng)的誤碼率可以表示為

(47)

式中,對于任意的i∈{2,…,8},Γi,1和Γi,2的值如表2所示。

表2　AWGN信道中誤碼率參數(shù)

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本節(jié)中首先給出STBC-DCSK在加性高斯白噪聲(additive white Gaussian noise,AWGN)信道下的性能以及分析,然后給出在兩徑瑞利信道下的性能及分析。最后比較了在單徑瑞利信道下幾種方法的誤碼率性能。

3.1仿真實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建

在發(fā)送端配置4個(gè)發(fā)送天線,每兩個(gè)天線分為一組,在接收端只有單天線。發(fā)送信號按照圖1和表1的結(jié)構(gòu)經(jīng)過DCSK調(diào)制和STBC編碼,然后映射到對應(yīng)的發(fā)送天線中進(jìn)行發(fā)射。本文考慮的信道分別為AWGN信道、兩徑Rayleigh信道和單徑Rayleigh信道。在接收端依據(jù)式(4)和式(5)進(jìn)行解碼。為了表達(dá)方便,在仿真圖中采用“1ant”、“2ant”、“3ant”和“4ant”分別表示DCSK算法、文獻(xiàn)[15]中的兩天線“模擬”STBC-DCSK算法、文獻(xiàn)[15]中的三天線“模擬”STBC-DCSK算法以及本文提出的具有4個(gè)發(fā)射天線的STBC-DCSK算法。并且在分析的過程中分別簡稱為“DCSK”算法、兩天線算法、三天線算法以及四天線算法。

3.2AWGN信道下仿真結(jié)果及分析

在本小節(jié)中將分別給出提出的四天線STBC-DCSK算法在AWGN信道下的信噪比Eb/N0與誤碼率、半擴(kuò)頻因子β與誤碼率的性能曲線圖。圖3給出了四天線算法在AWGN信道下的誤碼率性能曲線(依據(jù)式(47)和表2得到)。仿真時(shí),采用的半擴(kuò)頻因子β=256。

圖3　STBC-DCSK在AWGN信道下逐比特性能

從圖3可以看出,隨著信噪比的增大,誤碼率減小,系統(tǒng)性能越來越好。四天線算法的所有碼元中,c3擁有最好的性能,c7擁有最差的性能。這是因?yàn)閏3碼元來自于其他天線的干擾最小,而c7碼元來自于其他天線的干擾最大。對比四天線算法與兩天線算法,雖然本文采用了4個(gè)發(fā)射天線,但是,每兩個(gè)天線為一組,兩組分別傳輸不同的信息。所以,兩天線算法具有類似的結(jié)構(gòu)。結(jié)合圖3以及表1可以看出,每一個(gè)STBC時(shí)隙塊中的8比特信息具有不同的誤碼率,雖然在式(7)中假設(shè)不同的混沌序列的互相關(guān)為零,但是結(jié)合圖2可知,當(dāng)β=256時(shí),其互相關(guān)不為零,所以,來自其他天線的干擾在一定程度上還是會影響到系統(tǒng)的誤碼率性能。

圖4給出了兩天線算法、三天線算法與四天線算法在不同信噪比Eb/N0下,誤碼率BER與半擴(kuò)頻因子β的關(guān)系(四天線算法根據(jù)式(47)和表2得到)。

圖4　STBC-DCSK 算法β與BER關(guān)系

從圖4中可以看出,本文提出的四天線算法在每一個(gè)STBC時(shí)隙塊中,性能最好的c3碼元始終具有最好的性能,當(dāng)β比較小時(shí),四天線的平均誤碼率性能比兩天線算法要差一些,而比三天線算法的要好一些；當(dāng)β比較大時(shí),四天線算法性能要比三天線算法好,與兩天線算法性能基本上相差不大。這也進(jìn)一步驗(yàn)證了圖3的仿真結(jié)果。四天線算法的平均誤碼率與兩天線算法的相比,總體具有相差不大的性能,主要是因?yàn)榫哂蓄愃频腟TBC結(jié)構(gòu),而四天線算法每一比特具有不同的性能。所以,當(dāng)不同擴(kuò)頻序列的互相關(guān)隨著β變化時(shí),每一比特的性能也會有所變化,總體上的平均性能就會表現(xiàn)出比兩天線算法好或者差的情況。

圖5給出了四天線算法在AWGN信道下,對于不同的半擴(kuò)頻因子β,理論推導(dǎo)和實(shí)際仿真結(jié)果的誤碼率BER與信噪比Eb/N0的關(guān)系,其中,“Sim”表示利用蒙特卡羅仿真方法在Matlab中仿真實(shí)現(xiàn),“Theory”表示通過公式得到,本文后續(xù)的結(jié)果中,所有的BER曲線都是一個(gè)STBC時(shí)隙塊中所有比特的平均誤碼率BER。

從圖5中可以看出,四天線STBC-DCSK算法的仿真結(jié)果與理論結(jié)果吻合較好?？梢钥闯鲭S著半擴(kuò)頻因子β變大,仿真結(jié)果與理論結(jié)果的吻合度越來越高,這主要是因?yàn)殡S著半擴(kuò)頻因子β變大,不同混沌序列之間的互相關(guān)逐漸變小,對系統(tǒng)造成的影響也在逐步縮小。

圖6給出了三天線算法和四天線算法在AWGN信道下,對于不同的半擴(kuò)頻因子β,誤碼率BER與信噪比Eb/N0的關(guān)系(利用蒙特卡羅仿真方法在Matlab中仿真實(shí)現(xiàn))。

圖6　STBC-DCSK信噪比Eb/N0與BER關(guān)系

從圖6中可以看出,四天線算法性能始終比三天線算法的性能要好。這是因?yàn)樗奶炀€算法來自其他天線的干擾比三天線算法的要小。對于四天線算法,隨著β的增大,性能在逐漸變差，這也與圖4給出的結(jié)論相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)的正確性。

3.3兩徑Rayleigh信道下仿真結(jié)果及分析

在兩徑Rayleigh信道中,分別考慮了式(1)~式(3)中的3種多徑信道模型,其中,“Sim0 dB”、“Sim3 dB”以及“Sim10 dB”分別表示兩徑的平均增益相同、相差3 dB及相差10 dB。對于每一種多徑信道,其延時(shí)均為 (0,2), (1,4), (0,3), (2,5)。圖7給出了3種多徑信道模型針對不同半擴(kuò)頻因子β,誤碼率BER與信噪比Eb/N0的關(guān)系曲線(利用蒙特卡羅仿真方法在Matlab中仿真實(shí)現(xiàn))。

圖7　不同路徑增益的STBC-DCSK系統(tǒng)性能

從圖7中可以看出,兩徑的平均增益相差越大,系統(tǒng)的性能也越差,結(jié)果與文獻(xiàn)[17]的結(jié)果一致,進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的算法的正確性。在后續(xù)的兩徑系統(tǒng)仿真中,如果沒有特殊說明均表示兩徑具有相同的增益。

圖8給出了理論推導(dǎo)和實(shí)際仿真結(jié)果的誤碼率BER與信噪比Eb/N0的關(guān)系。其中,“Sim”表示利用蒙特卡羅仿真方法在Matlab中仿真實(shí)現(xiàn),“Theory”表示通過式(46)得到。

圖8　不同β時(shí)STBC-DCSK的性能

從圖8中可以看出,當(dāng)信噪比Eb/N0小于20 dB時(shí),仿真結(jié)果與理論曲線吻合較好;當(dāng)信噪比Eb/N0大于20 dB時(shí),仿真結(jié)果與理論曲線并不重合,β越大兩者越接近?？紤]到系統(tǒng)的干擾主要來源于噪聲以及不同天線的混沌序列之間的互相關(guān)干擾。在理論推導(dǎo)中,假設(shè)不同的混沌序列之間完全不相關(guān),然而在實(shí)際過程中,兩個(gè)不同的混沌序列具有一定的相關(guān)性,并且隨著β的增大,混沌序列的相關(guān)性越來越弱。此外,在信噪比大的時(shí)候,理論曲線與仿真曲線相差比較大。主要是因?yàn)?對于固定的β來說,混沌序列間的相關(guān)性是恒定量。在Eb/N0較小時(shí),噪聲干擾占據(jù)主要因素。當(dāng)Eb/N0較大時(shí),噪聲減小,混沌序列間的互相關(guān)干擾占據(jù)主要因素。因此當(dāng)信噪比足夠大時(shí),噪聲干擾趨近于零,而混沌序列間的互相關(guān)干擾基本上沒有變化,仿真曲線貼近于一個(gè)極限值,誤碼率不隨信噪比Eb/N0的增加而下降。

圖9描述了4種不同算法對不同的半擴(kuò)頻因子β,誤碼率BER與信噪比Eb/N0的關(guān)系(利用蒙特卡羅仿真方法在Matlab中仿真實(shí)現(xiàn))。

圖9　不同STBC-DCSK算法在不同β下的性能

從圖9中可以看出,無論β為多少,DCSK算法性能最差,三天線算法性能最好,四天線算法與兩天線算法具有相近的性能。如果只考慮STBC結(jié)構(gòu),本文提出的四天線算法應(yīng)該與兩天線算法具有相似的性能。然而,本文提出的四天線算法在一個(gè)STBC時(shí)隙內(nèi)部分比特信息來自其余傳輸天線的干擾要比兩天線算法的要大。所以,平均誤碼率在β較小時(shí)要比兩天線算法略差。然而,本文提出的算法卻實(shí)現(xiàn)了在7個(gè)時(shí)隙內(nèi)傳遞了8個(gè)信息比特,犧牲了部分系統(tǒng)性能換來高速率。

圖10描述了誤碼率BER與半擴(kuò)頻因子β的關(guān)系(通過式(46)得到),可以看出兩徑Rayleigh信道下的理論結(jié)果與圖4中的AWGN信道下的理論結(jié)果具有相同的趨勢。都是隨著β的增大,誤碼率BER先減小后增大,這是因?yàn)棣滦r(shí),對誤碼率影響的主要因素是來自于不同天線之間的混沌序列的互相干擾,在β較大時(shí),影響誤碼率的因素主要來自于信道的噪聲。

圖10　STBC-DCSK算法Rayleigh信道下β與BER關(guān)系

3.4單徑Rayleigh信道下仿真結(jié)果及分析

圖11給出給出了3種不同算法在單徑瑞利信道下的誤碼率BER與信噪比的關(guān)系(利用蒙特卡羅仿真方法在Matlab中仿真實(shí)現(xiàn))。

圖11　STBC-DCSK在單徑瑞利信道下性能曲線

從圖11中可以看出,四天線算法性能要優(yōu)于DCSK算法,要比兩天線算法差一些。主要是因?yàn)楸疚奶岢龅乃奶炀€算法在7個(gè)時(shí)隙內(nèi)傳遞了8個(gè)信息比特,通過犧牲部分系統(tǒng)性能換來高速率,引入了更多的天線間干擾,也因此四天線算法受到混沌序列的互相關(guān)干擾影響更加嚴(yán)重。因此,單徑信道中兩天線的算法比四天線的算法性能好一些。此外單天線DCSK系統(tǒng)沒有STBC帶來的增益,性能也就沒有其余兩者好。

4結(jié)論

本文提出了一種基于STBC的DCSK算法,在微小的系統(tǒng)性能犧牲的情況下,可以有效地提高系統(tǒng)傳輸速率。該算法保持了DCSK算法接收系統(tǒng)復(fù)雜度低、不需要任何信道狀態(tài)信息、不需要延時(shí)電路等優(yōu)點(diǎn),也展示出了STBC的一些優(yōu)點(diǎn)。在算法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中充分考慮了DCSK結(jié)構(gòu)特性以及混沌序列具有良好的互相關(guān)特性,延續(xù)了“模擬”STBC-DCSK算法的優(yōu)點(diǎn)。推導(dǎo)了多徑瑞利信道下系統(tǒng)誤碼率性能,完成了在AWGN信道、兩徑瑞利信道以及單徑瑞利信道下的蒙特卡羅仿真工作。同時(shí)，也與已有的“模擬”STBC-DCSK算法和DCSK算法進(jìn)行了對比。大量的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了算法的有效性。

本文的主要貢獻(xiàn)包括:首先,提出了一種STBC-DCSK算法,該算法進(jìn)一步提高了系統(tǒng)傳輸速率,在發(fā)送端有4個(gè)發(fā)送天線。利用這種結(jié)構(gòu)理念可以擴(kuò)展到六天線系統(tǒng)(可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的和速率)。其次,分析了兩徑瑞利信道下的系統(tǒng)的誤碼率性能。最后,做了大量的仿真對比實(shí)驗(yàn)。對比了在AWGN信道、兩徑瑞利信道以及單徑瑞利信道下提出的算法與已有的算法的誤碼率性能。大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文所提出的算法,相對于現(xiàn)有的算法,在犧牲了微小的系統(tǒng)誤碼率性能的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的傳輸速率。

參考文獻(xiàn)：

[1] Jungnickel V, Manolakis K, Zirwas W, et al. The role of small cells, coordinated multipoint, and massive MIMO in 5G[J].IEEECommunicationsMagazine，2014, 52(5): 44-51.

[2] Tam W, Lau F, Tse C, et al. Exact analytical bit error rates for multiple access chaos-based communication systems[J].IEEETrans.onCircuitsandSystemsII:ExpressBriefs, 2004, 51(9): 473-481.

[3] Chen P, Wang L, Chen G. DDCSK-walsh coding: a reliable chaotic modulation-based transmission technique[J].IEEETrans.onCircuitsandSystemsII:ExpressBriefs, 2012, 59(2): 128-132.

[4] Kaddoum G, Gagnon F. Design of a high-data-rate differential chaos-shift keying system[J].IEEETrans.onCircuitsandSystemsII:ExpressBriefs, 2012, 59(7): 448-452.

[5] Yang H, Jiang G. High-efficiency differential chaos shift keying scheme for chaos-based non-coherent communication[J].IEEETrans.onCircuitsandSystemsII:ExpressBriefs,2012,59(5):312-316.

[6] Yang H, Jiang G. Reference-modulated DCSK: a novel chaotic communication scheme[J].IEEETrans.onCircuitsandSystemsII:ExpressBriefs, 2013, 60(4): 232-236.

[7] Ma H, Kan H. Space-time coding and processing with differential chaos shift keying scheme[C]∥Proc.oftheIEEEInternationalConferenceonCommunication,2009:1-5.

[8] Kaddoum G, Vu M, Gagnon F. Performance analysis of differential chaotic shift keying communications in MIMO systems[C]∥Proc.oftheIEEEInternationalSymposiumonCircuitsandSystems,2011:1580-1583.

[9] Wang S, Wang X. M-DCSK-based chaotic communications in MIMO multipath channels with no channel state information[J].IEEETrans.onCircuitsandSystemsII:ExpressBriefs, 2010, 57(12): 1001-1005.

[10] Fang Y, Xu J, Wang L, et al. Performance of MIMO relay DCSK-CD systems over Nakagami fading channels[J].IEEETrans.onCircuitsandSystemsⅠ,RegularPapers, 2013, 60(3): 757-767.

[11] Wang L, Zhang C, Chen G. Performance of an SIMO FM-DCSK communication system[J].IEEETrans.onCircuitsandSystemsII:ExpressBriefs, 2008, 55(5):457-461.

[12] Wang L, Min X, Chen G. Performance of SIMO FM-DCSK UWB system based on chaotic pulse cluster signals[J].IEEETrans.onCircuitsandSystemsⅠ,RegularPapers,2011,58(9):2259-2268.

[13] You N, Yi B, Wang S. Theoretical noise performance of SIMO-DCSK communication schemes[C]∥Proc.oftheIEEEInternationalSymposiumonWirelessTechnology&Applications, 2013: 134-137.

[14] Huang T, Wang L, Xu W, et al. An adaptive retransmission scheme of SIMO FM-DCSK UWB system[C]∥Proc.oftheIEEEInternationalSymposiumonCommunicationTechnologies,2013: 128-132.

[15] Chen P, Wang L, Lau F. One analog STBC-DCSK transmission scheme not requiring channel state information[J].IEEETrans.onCircuitsandSystemsI：RegularPapers,2013,60(4):1027-1037.

[16] Shi L, Zhang W, Xia X. On designs of full diversity space-time block codes for two-user MIMO interference channels[J].IEEETrans.onWirelessCommunications, 2012, 11(11): 4184-4191.

[17] Xia Y, Tse C, Lau F. Performance of differential chaos-shift-keying digital communication systems over a multipath fading channel with delay spread[J].IEEETrans.onCircuitsandSystemsII:ExpressBriefs，2004, 51(12): 680-684.

[18] Sushchik M, Tsimring L, Volkovskii A. Performance analysis of correlation-based communication schemes utilizing chaos[J].IEEETrans.onCircuitsandSystemsI：Fundam.TheoryApplication,2000,47(12):1684-1691.

[19] Lau F, Tse C.Chaos-baseddigitalcommunicationsytems[M]. New York: Springer-Verlag, 2003.

趙雅琴(1976-),女,教授,博士,主要研究方向?yàn)榛煦缤ㄐ拧⒐馔ㄐ?、無線通信。

E-mail:yaqinzhao@hit.edu.cn

李書營(1984-),男,博士研究生,主要研究方向?yàn)榛煦缤ㄐ?、MIMO、OFDM無線通信。

E-mail:hitlishuying@gmail.com

米雪龍(1993-),男,主要研究方向?yàn)榛煦缤ㄐ拧?/p>

E-mail:mixuelong1993@163.com

李元元(1983-),男,工程師,主要研究方向?yàn)闊o線通信、信號特征提取與識別。

E-mail:lyyycbx@163.com

吳芝路(1961-),男,教授,博士,主要研究方向?yàn)榛煦缤ㄐ?、無線通信與光通信。

E-mail:wuzhilu@hit.edu.cn

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20150910.1050.004.html

Performance analyze for STBC-based DCSK communication system

ZHAO Ya-qin1, LI Shu-ying1, MI Xue-long1, LI Yuan-yuan2, WU Zhi-lu1

(1.SchoolofElectronicsandInformationEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China;

2.R&DCentre,ChinaAcademyofLaunchVehicleTechnology,Beijing100076,China)

Abstract:Differential chaos shift keying (DCSK) has lots of advantages, such as anti-noise and low detection complexity, but it has a low transmission rate. In order to increase the transmission rate, a novel DCSK communication system based on the space time block code (STBC) technology is proposed. The proposed STBC-DCSK system, which makes good use of the cross-correlation property of chaos sequences, has the advantages of the DCSK system and does not require any channel state information. Moreover, the STBC-DCSK system increases the transmission rate and has lower detection complexity. The theoretical bit error rate (BER) performance is derived under multi-path Rayleigh fading channels. Numerous simulation results show that the proposed scheme enhances the transmission rate with a small BER performance sacrifice.

Keywords:chaos communication; differential chaos shift keying (DCSK); space time block code (STBC); channel state information

作者簡介：

中圖分類號：TN 929.533

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.01.25

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(61102085)資助課題

收稿日期：2015-02-07；修回日期：2015-05-10；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2015-09-10。