[论文解读] High-Rate, Distributed Training-Embedded Complex Orthogonal Designs for Relay Networks

J. Harshan, B. Sundar Rajan+1 more|ArXiv.org|Aug 1, 2009

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 14被引用 5

一句话总结

本文提出了一种高码率、训练嵌入式的单符号最大似然可解码分布式空时块编码（DSTBCs），适用于采用复正交设计（CODs）的两跳放大-转发中继网络。通过将训练符号直接嵌入码结构中，该方法在保持全分集增益的同时，相比以往的SSD DSTBCs实现了更高的频谱效率；非方阵训练嵌入式CODs（TE-CODs）在K < 10个中继的情况下码率超过1/3，并在1.5 bpcu频谱效率下相比现有方案获得0.5 dB的误比特率（BER）增益。

ABSTRACT

Distributed Space-Time Block Codes (DSTBCs) from Complex Orthogonal Designs (CODs) (both square and non-square CODs other than the Alamouti design) are known to lose their single-symbol ML decodable (SSD) property when used in two-hop wireless relay networks using amplify and forward protocol. For such a network, in this paper, a new class of high rate, training-embedded (TE) SSD DSTBCs are constructed from TE-CODs. The proposed codes include the training symbols in the structure of the code which is shown to be the key point to obtain high rate as well as the SSD property. TE-CODs are shown to offer full-diversity for arbitrary complex constellations. Non-square TE-CODs are shown to provide higher rates (in symbols per channel use) compared to the known SSD DSTBCs for relay networks with number of relays less than $10.$

研究动机与目标

• 解决在两跳中继网络中非-Alamouti分布式空时码导致的单符号最大似然可解码（SSD）性能损失问题。
• 设计高码率、SSD DSTBCs，在计算码率时考虑训练开销，同时保持低复杂度的最大似然译码。
• 在中继端具备信道相位信息的前提下，利用复正交设计（CODs）实现分布式中继网络中的全分集传输。
• 通过在码结构中嵌入训练符号，提升现有SSD DSTBCs的频谱效率。

提出的方法

• 通过将COD中所有零元素替换为常量训练符号，构建训练嵌入式复正交设计（TE-CODs）。
• 在中继端已知其源-中继信道相位的前提下，将所得TE-CODs用作放大-转发两跳中继网络中的分布式STBCs。
• 在码矩阵中嵌入训练符号，使中继节点无需额外训练序列即可估计其信道相位。
• 通过保留正交结构，即使在嵌入训练符号后，仍可在接收端实现单符号最大似然译码。
• 在计算频谱效率（每信道使用符号数）时，将训练开销计入总信道使用次数。
• 在第二阶段通过叠加训练符号与数据符号的方式在接收端进行信道估计，避免中继向接收端单独发送训练序列。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在复正交设计中嵌入训练符号，以在分布式中继网络中保持单符号最大似然可解码性？
• RQ2 与将训练视为独立开销的方案相比，将训练嵌入码结构中是否能实现更高的频谱效率？
• RQ3 TE-CODs是否能在中继端具备相位信息的中继网络中，对任意复调制星座图实现全分集增益？
• RQ4 在计算码率时计入训练开销，非方阵TE-CODs生成的TE-DSTBCs码率与现有SSD DSTBCs相比如何？
• RQ5 在相同频谱效率下，所提TE-DSTBCs相比以往SSD DSTBCs在误比特率（BER）性能上是否有增益？

主要发现

• 对于中继数K < 10的网络，非方阵TE-CODs的频谱效率高于1/3，即使计入训练开销，仍超过现有SSD DSTBCs的码率。
• 在K=4个中继时，所提TE-DSTBC在1.5 bpcu频谱效率下相比文献[7]的方案获得0.5 dB信噪比增益。
• 所提方法在保持单符号最大似然可解码性的同时，对任意复调制星座图（包括QAM）均能实现全分集增益。
• 在码结构中嵌入训练符号是同时实现高码率与SSD特性的关键。
• 所提方案避免了中继向接收端单独发送训练序列，相比以往需要此类训练的方案，整体频谱效率更高。
• 仿真结果证实，所提TE-DSTBC在QAM调制星座图下仍保持单复符号最大似然可解码性，支持低复杂度译码。