章堅武，屠賀嘉琦

（杭州電子科技大學，浙江 杭州 310018）

異步衛(wèi)星協(xié)同通信系統(tǒng)中的雙采樣差分空時編碼方案

章堅武，屠賀嘉琦

（杭州電子科技大學，浙江 杭州 310018）

針對雙衛(wèi)星中繼協(xié)作通信系統(tǒng)中存在非符號周期整數(shù)倍的時延差問題，提出了一種雙采樣的差分空時正交頻分復用（D-OFDM2）方案。所提方案在衛(wèi)星信道條件未知的情況下，基于具有時延容忍的D-OFDM編碼，在接收端構(gòu)造了一種雙采樣方法。該方法在以符號速率采樣的同時，對當前主瓣大于相鄰旁瓣的區(qū)間內(nèi)增加一次采樣，并將兩次采樣結(jié)果等增益合并。仿真結(jié)果表明，在系統(tǒng)時延差為非符號周期整數(shù)倍的情況下，該方法較單采樣方法能獲得更高的接收信噪比，同時改善了系統(tǒng)誤碼性能。

衛(wèi)星通信；異步協(xié)同通信；分布式差分空時編碼；雙采樣

1 引言

作為空地一體化系統(tǒng)[1]的重要構(gòu)成部分，衛(wèi)星通信指利用人造衛(wèi)星作為中繼站，為地面水、陸、空域中無線電通信站提供通信[2]。由于信號經(jīng)衛(wèi)星信道傳輸后會產(chǎn)生多徑衰落[3]，為此可將多顆衛(wèi)星作為相互協(xié)作的中繼節(jié)點，組成虛擬分布式多輸入多輸出（multiple-input multiple-output，MIMO）系統(tǒng)，以達到分集的效果來對抗多徑衰落。在低地球軌道（low earth orbit，LEO）衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，LEO衛(wèi)星作為中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號時可使用空時編碼[4,5]，其中分布式空時編碼（distributed space-time coding，DSTC）[6,7]通過各中繼相互協(xié)作對信號進行組合、轉(zhuǎn)發(fā)處理，使信號到達接收端時能形成空時分組碼（space-time block code，STBC）的形式，從而使系統(tǒng)在不犧牲額外帶寬下得到分集增益和編碼增益。然而采用DSTC編碼時，接收端需要擁有瞬時信道狀態(tài)信息（channel-state information，CSI）以實現(xiàn)對信號的相干檢測，難度較大。為此參考文獻[8]提出了一種差分分布式空時編碼（differential distributed space-time coding，D-DSTC）方法，使接收端在不明確 CSI時即可進行非相干解碼。另外，由于中繼網(wǎng)絡分布式特點，使轉(zhuǎn)發(fā)信號在接收端產(chǎn)生時延差而導致符號間干擾（inter-symbol-interference，ISI）。參考文獻[9]在時域中設計了一種具備較好的時延容忍度的螺紋代數(shù)空時編碼，但其時間復雜度較大。參考文獻[10,11]設計了一種有限時延容忍的時域交錯反轉(zhuǎn)碼，可在保證滿分集的情況下將解碼過程分解為多個獨立的子過程來降低解碼復雜度。參考文獻[12]為避免信道估計設計了一種基于擴頻的差分空時編碼。在頻域方面，參考文獻[13-15]采用一種正交頻分復用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）的方法來抵抗兩中繼網(wǎng)絡中產(chǎn)生的同步誤差，該方法可在保持編碼正交的同時將時域的偏移轉(zhuǎn)為頻域的相位偏移。以上方法均針對時延差為符號周期整數(shù)倍的情況，當考慮時延差小數(shù)部分時，接收端對異步信號采樣的位置會較其峰值發(fā)生偏移，從而使系統(tǒng)對有用信號的采樣值減小并疊加進對旁瓣的采樣值。針對中繼網(wǎng)絡中由小數(shù)部分時延差帶來的ISI，參考文獻[16]對采用相干 DSTC編碼的雙向中繼網(wǎng)絡采用了一種過采樣方案，參考文獻[17]將其進行擴展，提出了一種多中繼情況下將差分DSTC與OFDM技術相結(jié)合的D-OFDM方法，但參考文獻[16,17]方案僅適用于瑞利衰落信道下的小范圍陸地中繼傳輸。另外參考文獻[18]給出了異步情況下采用差分DSTC編碼的中繼網(wǎng)絡采用放大轉(zhuǎn)發(fā)及解碼轉(zhuǎn)發(fā)時的系統(tǒng)性能比較，并優(yōu)化了發(fā)射端和中繼間的功率分配。根據(jù)以上情況，本文針對衛(wèi)星協(xié)作通信下的異步問題設計了一種適用于在衛(wèi)星衰落信道傳輸?shù)碾p采樣差分正交頻分復用（dual-sampling differential orthogonal frequency division multiplexing，D-OFDM2）方案。該方案采用具有時延容忍的 D-OFDM 編碼，并構(gòu)造了一種雙采樣方案，使接收端對信號采樣時始終能保持在當前符號主瓣大于其他符號旁瓣的區(qū)間內(nèi)有兩個不同采樣點，將所得兩采樣結(jié)果進行等增益合并后，能使系統(tǒng)的平均接收信噪比增加，進一步減小系統(tǒng)異步帶來的影響。

2 系統(tǒng)模型

考慮由一個發(fā)射端S，兩顆中繼衛(wèi)星R1、R2及一個接收端 D組成的分布式衛(wèi)星協(xié)作通信系統(tǒng)，如圖1所示，系統(tǒng)中節(jié)點均為單天線結(jié)構(gòu)，傳輸模式選擇半雙工。系統(tǒng)傳輸信號分為兩個階段：第一階段，S對信號進行D-OFDM編碼并將其廣播至R1、R2；第二階段，R1、R2分別對接收到的信號進行空時編碼處理并采用放大轉(zhuǎn)發(fā)（amplify-and-forward，AF）協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)信號至 D。假設信號傳輸過程中收發(fā)兩端不存在直射信號，信道為服從萊斯分布的準靜態(tài)信道，各信道間互不相關，且每條信道均由L路獨立的多徑組成。兩階段中的各路多徑信道系數(shù)分別由pi,l、qi,l表示，其中，i=1,2表示中繼衛(wèi)星編號，l=1,…, L。由于多徑效應及各衛(wèi)星相對收發(fā)兩端位置的不同，造成兩路信號經(jīng)傳輸后達接收端時存在時延差υ，系統(tǒng)因此變?yōu)楫惒较到y(tǒng)。

圖1 兩中繼衛(wèi)星協(xié)同通信系統(tǒng)模型

2.1 發(fā)射端編碼

發(fā)射端對將要發(fā)送的信息進行編碼，如圖 2所示。

其中， n= 0,… ,N ? 1，(·)?表示共軛轉(zhuǎn)置。

然后，對第k個酉空時矩陣 X [n](k)矩陣進行差分編碼：

再將編碼后的信號進行OFDM處理：

其中， m= 0,… ,N ?1為OFDM中的第m個子載波。

隨后，為信號添加循環(huán)前綴并進行并串轉(zhuǎn)換，經(jīng)脈沖整形后，在連續(xù)的兩個OFDM時隙內(nèi)依次將廣播發(fā)送至中繼，其中，r =1,2表示當前為第r個時隙，的第r行向量。

2.2 中繼端處理

中繼端接收到廣播信號后，對其進行如圖 3所示的預處理。

處理后信號可表示為：

其中，P0為發(fā)射端的符號發(fā)射功率，R為中繼衛(wèi)星個數(shù)，為第一階段信道的離散沖擊響應，為發(fā)射端到中繼引入的加性高斯白噪聲。

對處理后的信號進行空時編碼，見表1。

表1 中繼對信號的處理

圖2 發(fā)射端編碼過程

圖3 中繼端信號預處理過程

各中繼分別為信號添加循環(huán)前綴并進行并串轉(zhuǎn)換，經(jīng)脈沖整形后在連續(xù)兩個OFDM時隙內(nèi)將信號Vi,r發(fā)送到接收端。

2.3 接收端解調(diào)

信號到達接收端后，進行中繼端相同的預處理：

到接收端引入的加性高斯白噪聲。

然后，對處理后信號進行OFDM解調(diào)：

隨后在信道狀態(tài)信息未知的情況下即可進行最大似然譯碼，恢復出原始信號。

3 雙采樣改進方案

由于分布式中繼網(wǎng)絡的特點造成經(jīng)不同中繼轉(zhuǎn)發(fā)的信號到達接收端會存在時延差。假設以R1轉(zhuǎn)發(fā)的信號到達接收端的時刻為準，則經(jīng)R2轉(zhuǎn)發(fā)的信號到達接收端產(chǎn)生的時延差可表示為：

其中，Ts表示一個符號周期，d為整數(shù)，0≤τ＜Ts為時延差的小數(shù)部分。

當υ的整數(shù)部分存在時，表示兩路信號到達接收端有d個符號的相對偏移，對此可通過改變OFDM循環(huán)前綴長度，在不影響編碼正交性的前提下將時域的偏移轉(zhuǎn)化為頻域的相移[12]，但該方法僅適用于τ=0的情況。當τ≠0時，系統(tǒng)采樣點位置較符號峰值位置產(chǎn)生錯位，導致采樣后引入相鄰符號的旁瓣干擾，為此本文提出了一種雙采樣方案。該方案通過在一個符號周期內(nèi)設置兩個

圖4 改進的接收端采樣器設計

圖5 改進后采樣示意

本文采用升余弦濾波器：

則采樣點1、2處的采樣值分別為：

接著，將兩采樣值進行等增益合并：

然后，對合并后的信號進行OFDM解調(diào)：

將式（12）代入式（13）中，得到離散時域接收信號：

則接收端信號可表示為：

[17]可知，由兩中繼構(gòu)成的分布式協(xié)作通信系統(tǒng)的信號傳輸過程的整體表達式為：

結(jié)合系統(tǒng)第一階段的離散頻域信道系數(shù)：

系統(tǒng)等效信道系數(shù)可表示為：

經(jīng)系統(tǒng)傳輸后引入的等效加性高斯噪聲為：

對于給定的 qi,l，系統(tǒng)等效噪聲其中：

當iτ固定時，對平均接收信噪比γ求導：

4 性能仿真

仿真中假設信道服從萊斯分布，萊斯因子為10，將 L條多徑進行功率歸一化處理，即載頻選取銥星系統(tǒng)用戶鏈路頻段，信源調(diào)制方式采用 QPSK，子載波數(shù)N=64，升余弦滾降系數(shù)β=0.9，旁瓣數(shù)Lmf=1，假設系統(tǒng)總功率為 P，發(fā)射端和中繼端的符號發(fā)射功率選取選取最優(yōu)功率分配記單采樣方案為 D-OFDM1，所提雙采樣方案為D-OFDM2。

圖6 平均接收信噪比隨子載波數(shù)的變化情況

圖7 不同時延差下的系統(tǒng)誤碼性能

圖 7所示為不同τ情況下，采用 D-OFDM1及D-OFDM2方法得到的系統(tǒng)誤碼性能曲線。從圖7中可以看出，隨著系統(tǒng)信噪比的增加，兩種方案的誤碼率均減小，在τ(τ≠0)相等的情況下，D-OFDM2的誤碼率均低于D-OFDM1，且隨著τ的增加，系統(tǒng)的誤碼率差異進一步增大。當τ=0.5Ts時，二者差異達到了最大，在誤碼率為10?4情況下，所提方法較原方法有4 dB的性能增益。且由于τ=0.3Ts相比于τ=0.5Ts，系統(tǒng)能獲得更高的平均接收信噪比，故τ=0.3Ts較τ=0.5Ts能獲得更低的系統(tǒng)誤碼率，但二者差異很小，近似相等。因此得出結(jié)論，所提D-OFDM2方案能夠提高系統(tǒng)的誤碼性能，且?guī)缀醪皇苄?shù)部分時延差大小的影響。

圖8展示了當時延差τ=0.3Ts的情況下，不同旁瓣數(shù)Lmf對D-OFDM2系統(tǒng)誤碼性能的影響?？梢钥闯觯斉园陻?shù)增加時，系統(tǒng)誤碼性能差異并不明顯。當系統(tǒng)誤碼率為 10?4時，Lmf=4較Lmf=1只有0.5 dB的性能損失，說明異步系統(tǒng)誤碼性能受第一旁瓣影響較大，受其余旁瓣影響十分有限，因此本文在仿真中選取Lmf=1。

圖8 不同旁瓣數(shù)下的系統(tǒng)誤碼性能

5 結(jié)束語

由于分布式特點，衛(wèi)星協(xié)作通信系統(tǒng)中的接收端存在時延差不可避免。本文在頻率選擇性信道下設計了一種基于差分 DSTC-OFDM 編碼的雙采樣方案。所提方案中接收端通過雙采樣，成功提高了接收端的平均接收信噪比，消除了因小數(shù)部分時延差存在對系統(tǒng)誤碼性帶來的影響。理論及仿真結(jié)果表明，改進的D-OFDM2方案在系統(tǒng)小數(shù)部分時延差存在時，能夠較好地提高誤碼性能。

參考文獻：

[1] 李鳳華, 殷麗華, 吳巍, 等. 天地一體化信息網(wǎng)絡安全保障技術研究進展及發(fā)展趨勢[J]. 通信學報, 2016, 37(11):156-168.LI F H, YIN L H, WU W, et al. Research status and development trends of security assurance for space-ground integration information network[J]. Journal on Communications, 2016,37(11): 156-168.

[2] 易克初, 李怡, 孫晨華, 等. 衛(wèi)星通信的近期發(fā)展與前景展望[J]. 通信學報, 2015, 36(6): 157-172.YI K C, LI Y, SUN C H, et al. Recent development and its prospect of satellite communications[J]. Journal on Communications, 2015, 36(6): 157-172.

[3] 李斗, 項海格. LEO/MEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展展望[J]. 電信科學, 2003, 19(2): 48-51.LI D, XIANG H G. The Development of LEO/MEO Satellite Communication Systems[J]. Telecommunications Science, 2003,19(2): 48-51.

[4] 蔣涉權(quán), 王晶, 彭超. MIMO系統(tǒng)中空時編碼性能仿真和分析[J]. 電信科學, 2015, 31(2): 29-35.JIANG S Q, WANG J, PENG C. Simulation and analysis on performance of space-time coding in MIMO[J]. Telecommunications Science, 2015, 31(2): 29-35.

[5] 李娟, 邱曉紅. 分層空時編碼及應用研究[J]. 電信科學, 2011,27(4): 91-95.LI J, QIU X H. Research on layered space-time coding technology[J]. Telecommunications Science, 2011, 27(4): 91-95.

[6] JING Y, HASSIBI B. Distributed space-time coding in wireless relay networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,2007, 5(12): 3524-3536.

[7] ANGHEL P A, KAVEH M. On the performance of distributed space-time coding systems with one and two non-regenerative relays[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,2006, 5(3): 682-692.

[8] JING Y, JAFARKHANI H. Distributed differential space-time coding for wireless relay networks[J]. IEEE Transactions on Communications, 2008, 56(7): 1092-1100.

[9] DAMEN M O, HAMMONS A R. Delay-tolerant distributed-TAST codes for cooperative diversity[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2007, 53(10): 3755-3773.

[10] LIU Y, ZHANG W, CHING P C. Full-diversity distributed space-time codes with an efficient ML decoder for asynchronous cooperative communications[C]//IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, May 26-31, 2013, Vancouver, BC, Canada. New Jersey: IEEE Press, 2013: 5011-5015.

[11] LIU Y, ZHANG W, CHING P C. Time-reversal space-time codes in asynchronous two-way relay networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2016, 15(3):1729-1741.

[12] 章堅武, 章謙驊. 衛(wèi)星通信中基于擴頻技術的異步差分空時協(xié)同編碼研究[J]. 空間科學學報, 2015, 35(5): 634-640.ZHANG J W, ZHANG Q H. Asynchronous differential space-time block codes based on spreading techniques over satellite communication[J]. Chinese Journal of Space Science,2015, 35(5): 634-640.

[13] LI Z, XIA X G. An Alamouti coded OFDM transmission for cooperative systems robust to both timing errors and frequency offsets[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,2008, 7(5): 1839-1844.

[14] RAJAN G S, RAJAN B S. OFDM based distributed space time coding for asynchronous relay networks[C]//IEEE International Conference on Communications, May 19-23, 2008, Beijing,China. New Jersey: IEEE Press, 2008: 1118-1122.

[15] LEE Y, KANG S G, CHONG D, et al. An alamouti coding scheme for asynchronous cooperative communication systems over frequency selective fading channels[J]. 2011, 4(4): 1-5.

[16] BARGHI S, JAFARKHANI H. Exploiting asynchronous amplify-and-forward relays to enhance the performance of IEEE 802.11 networks[J]. IEEE/ACM Transactions on Networking,2015, 23(2): 479-490.

[17] AVENDI M R, JAFARKHANI H. Differential distributed space-time coding with imperfect synchronization in frequency-selective channels[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2015, 14(4): 1811-1822.

[18] XU W, WANG Q, LIN M. Distributed space-time coding scheme with differential detection and power allocation for cooperative relay network[J]. Telecommunication Systems, 2017:1-15.

Dual-sample differential space-time coding scheme in asynchronous satellite cooperative communication system

ZHANG Jianwu, TU Hejiaqi
Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China

Focusing on asynchronization in relay communication system over satellite fading channels, a dual-sampling differential space-time orthogonal frequency division multiplex（D-OFDM2）coding scheme was proposed. The proposed scheme constructed a dual-sampling method at the receiver based on the D-OFDM coding with delay tolerance when the satellite channel condition was unknown. The method added another sample to the current main lobe interval and equal gain merge the two sampling results. Comparing with the traditional scheme when the fractional delay is present, the D-OFDM2 scheme can obtain higher signal-to-noise ratio than single sampling method, and improves the system error performance.

satellite communication, asynchronous cooperative communication, distributed differential space-time coding, dual-sampling

s: The National Natural Science Foundation of China(No.61471152), Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China (No.LZ14F010003)

TN927

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017309

2017?08?21；

2017?11?10

國家自然科學基金資助項目（No.61471152）；浙江省自然科學基金資助項目（No.LZ14F010003）

章堅武（1961?），男，杭州電子科技大學通信工程學院教授、博士生導師，主要研究方向為移動通信系統(tǒng)、多媒體通信技術、網(wǎng)絡安全等。

屠賀嘉琦（1992?），男，杭州電子科技大學通信工程學院碩士生，主要研究方向為移動通信系統(tǒng)。