[论文解读] A Non-Orthogonal Distributed Space-Time Coded Protocol Part I: Signal Model and Design Criteria

G. Susinder Rajan, B. Sundar Rajan|ArXiv.org|Oct 29, 2006

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出了一种广义非正交放大转发（GNAF）协作分集协议，可在减少延迟并提升编码增益的前提下实现分布式空时编码。通过允许中继节点发送接收符号及其共轭的线性组合，GNAF仅用 R 次信道使用即可实现 R+1 的全分集阶数，优于以往协议的误码率性能，并且即使在单天线接收端情况下也能保持非指数级球面译码复杂度。

ABSTRACT

In this two-part series of papers, a generalized non-orthogonal amplify and forward (GNAF) protocol which generalizes several known cooperative diversity protocols is proposed. Transmission in the GNAF protocol comprises of two phases - the broadcast phase and the cooperation phase. In the broadcast phase, the source broadcasts its information to the relays as well as the destination. In the cooperation phase, the source and the relays together transmit a space-time code in a distributed fashion. The GNAF protocol relaxes the constraints imposed by the protocol of Jing and Hassibi on the code structure. In Part-I of this paper, a code design criteria is obtained and it is shown that the GNAF protocol is delay efficient and coding gain efficient as well. Moreover GNAF protocol enables the use of sphere decoders at the destination with a non-exponential Maximum likelihood (ML) decoding complexity. In Part-II, several low decoding complexity code constructions are studied and a lower bound on the Diversity-Multiplexing Gain tradeoff of the GNAF protocol is obtained.

研究动机与目标

• 开发一种广义放大转发协议，统一并改进现有的协作分集方案。
• 通过最小化协作阶段的信道使用次数，减少协作传输的延迟。
• 基于对两两误码概率（PEP）的分析，建立一种实现全分集的码设计准则。
• 证明即使在单天线接收端情况下，球面译码复杂度仍保持非指数级。
• 证明在 GNAF 协议下，平方复数正交设计可实现全分集，而无需进行符号加倍。

提出的方法

• 提出一种两阶段 GNAF 协议：广播阶段（T1 次使用）和协作阶段（T2 次使用），其中源节点与中继节点联合发送分布式空时码。
• 中继节点使用中继矩阵对 (Ai, Bi) 发送其接收符号及其共轭的复线性组合。
• 推导出信号模型，其中接收端从源节点和中继节点接收信号，形成复合信道矩阵 S 和有效信道 H。
• 基于 PEP 分析建立码设计准则，证明在 T2 = R 时可实现全分集 R+1。
• 证明任何平方复数正交设计在 GNAF 下均可实现全分集，无需像以往协议那样加倍符号数量。
• 分析译码复杂度，并证明平均球面译码复杂度无论中继数量或码结构如何，均保持非指数级。

实验结果

研究问题

• RQ1 广义非正交放大转发协议是否能以少于现有协议的信道使用次数实现全分集？
• RQ2 GNAF 协议是否允许在不进行符号加倍的情况下，使用平方复数正交设计实现全分集？
• RQ3 功率分配与中继矩阵设计对编码增益和误码性能有何影响？
• RQ4 即使在单天线接收端情况下，GNAF 是否仍能保持球面译码复杂度为非指数级？
• RQ5 与 Jing 和 Hassibi 协议相比，GNAF 在分集增益和误码率性能方面表现如何？

主要发现

• GNAF 协议在协作阶段仅使用 R 次信道使用即可实现 R+1 的分集阶数，优于以往需要 R+1 次使用的协议。
• 任何平方复数正交设计在 GNAF 中使用时均可实现全分集，无需像早期方案那样加倍符号数量。
• 对于任意 GNAF-DSTC，平均球面译码复杂度均保持非指数级，即使在单天线接收端情况下亦然。
• 仿真结果表明，GNAF-II 在符号误码率和码字误码率方面均优于 Jing 和 Hassibi 协议，且误码衰减更快。
• 在高信噪比下，通过优化矩阵 A0 和功率分配因子 π1, π2, π3 可使编码增益最大化，且 |M| 所示增益高于以往协议。
• 在低信噪比下，设计准则更倾向于最大化 Tr(M′)，且由于源传输被充分利用，GNAF-I 的性能优于 GNAF-III 和 Jing-Hassibi。