[论文解读] Distributed Space Time Codes with Low Decoding Complexity for Asynchronous Relay Networks

G. Susinder Rajan, B. Sundar Rajan|ArXiv.org|Sep 18, 2007

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 10被引用 3

一句话总结

本文提出了一种用于异步中继网络的分布式空时编码方案，通过利用OFDM和结构化空时码，在保持低译码复杂度的同时实现了全协作分集。该方案将Li-Xia方案扩展至支持任意数量中继，采用四组可译码码，并集成差分编码，使接收端无需信道或同步知识即可实现良好性能。

ABSTRACT

Recently Li and Xia have proposed a transmission scheme for wireless relay networks based on the Alamouti space time code and orthogonal frequency division multiplexing to combat the effect of timing errors at the relay nodes. This transmission scheme is amazingly simple and achieves a diversity order of two for any number of relays. Motivated by its simplicity, this scheme is extended to a more general transmission scheme that can achieve full cooperative diversity for any number of relays. The conditions on the distributed space time code (DSTC) structure that admit its application in the proposed transmission scheme are identified and it is pointed out that the recently proposed full diversity four group decodable DSTCs from precoded co-ordinate interleaved orthogonal designs and extended Clifford algebras satisfy these conditions. It is then shown how differential encoding at the source can be combined with the proposed transmission scheme to arrive at a new transmission scheme that can achieve full cooperative diversity in asynchronous wireless relay networks with no channel information and also no timing error knowledge at the destination node. Finally, four group decodable distributed differential space time codes applicable in this new transmission scheme for power of two number of relays are also provided.

研究动机与目标

• 解决异步中继网络中定时偏移导致传统协作分集方案性能下降的问题。
• 设计一种传输方案，即使在中继异步工作的情况下，也能实现任意数量中继的全协作分集。
• 通过结构化空时码设计实现单符号译码，降低最大似然译码复杂度。
• 通过差分编码实现无需在接收端获取信道状态信息和定时误差知识的鲁棒性能。
• 将现有同步分布式STC设计扩展至异步网络，同时保持全分集增益和低译码复杂度。

提出的方法

• 通过在源端应用OFDM，并在中继节点采用时间反转/共轭操作，改进Li-Xia传输方案以缓解定时偏移影响。
• 设计一种通用传输框架，其中中继处理矩阵的选择使得接收端的有效信道形成具有单符号可译码特性的结构化空时码。
• 利用来自预编码坐标交错正交设计和扩展的克莱夫福德代数的四组可译码分布式空时码，这些码满足中继处理下的所需不变性条件。
• 在源端集成差分编码，使用酉码字矩阵，以消除对接收端信道状态信息的需求。
• 将文献[7]中的四组可译码分布式差分STC应用于所提方案，确保其适用于2的整数次幂的中继数量。
• 确保中继处理矩阵与码字矩阵可交换或反交换，以保持码结构并实现低复杂度译码。

实验结果

研究问题

• RQ1 分布式空时编码方案是否能在异步中继网络中实现全协作分集增益，同时保持低译码复杂度？
• RQ2 分布式空时码需满足何种结构条件，才能与所提出的传输方案兼容？
• RQ3 差分编码能否与所提方案有效结合，以消除对接收端信道状态信息和定时误差知识的需求？
• RQ4 现有的四组可译码分布式STC是否适用于所提出的异步传输框架？
• RQ5 在编码增益和SNR方面，信道知识与差分传输之间的性能权衡如何？

主要发现

• 所提传输方案在任意数量中继的异步网络中均能实现全协作分集增益，克服了基于聚类方案的分集限制。
• 来自[4,5,6]的四组可译码分布式STC满足所需的不变性条件，可直接应用于所提方案，实现低译码复杂度。
• 差分编码与所提方案的集成使得在无需信道状态信息和定时偏移知识的情况下，仍能实现全分集性能。
• 仿真结果表明，由于信号集变化和差分编码带来的速率损失，差分方案性能比相干方案约差5 dB。
• 该方案需要较大的相干间隔，并因循环前缀引入速率损失，但通过增大FFT点数N可将两者最小化。
• 所提框架可扩展至频偏场景，但此问题仍为未来工作的开放问题。