[论文解读] Multi-group ML Decodable Collocated and Distributed Space Time Block Codes

G. Susinder Rajan, B. Sundar Rajan|ArXiv.org|Dec 14, 2007

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 42被引用 12

一句话总结

该论文提出了一种基于扩展 Clifford 代数的新型代数框架，用于为共址和分布式 MIMO 系统设计多组最大似然（ML）可解码的空时块码（STBC）。该方法在传输速率与 ML 解码复杂度之间实现了最优权衡，构建了四组可解码的分布式 STBC，并将一种基于 OFDM 的传输方案扩展至异步中继网络，无需接收端具备信道或同步信息，即可实现完全协作分集，且在低信噪比区域下差分检测的性能损失最高可达 8 dB。

ABSTRACT

In this paper, collocated and distributed space-time block codes (DSTBCs) which admit multi-group maximum likelihood (ML) decoding are studied. First the collocated case is considered and the problem of constructing space-time block codes (STBCs) which optimally tradeoff rate and ML decoding complexity is posed. Recently, sufficient conditions for multi-group ML decodability have been provided in the literature and codes meeting these sufficient conditions were called Clifford Unitary Weight (CUW) STBCs. An algebraic framework based on extended Clifford algebras is proposed to study CUW STBCs and using this framework, the optimal tradeoff between rate and ML decoding complexity of CUW STBCs is obtained for few specific cases. Code constructions meeting this tradeoff optimally are also provided. The paper then focuses on multi-group ML decodable DSTBCs for application in synchronous wireless relay networks and three constructions of four-group ML decodable DSTBCs are provided. Finally, the OFDM based Alamouti space-time coded scheme proposed by Li-Xia for a 2 relay asynchronous relay network is extended to a more general transmission scheme that can achieve full asynchronous cooperative diversity for arbitrary number of relays. 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. Four-group decodable DSTBCs applicable in the proposed OFDM based transmission scheme are also given.

研究动机与目标

• 解决 MIMO 系统中全分集空时块码（STBC）在传输速率与 ML 解码复杂度之间的权衡问题。
• 基于扩展 Clifford 代数开发一种代数框架，用于构建具有最优速率-复杂度权衡的 Clifford 单位权（CUW）STBC。
• 为同步和异步无线中继网络设计四组 ML 可解码的分布式 STBC（DSTBC）。
• 将基于 OFDM 的传输方案扩展，以在无接收端信道或定时信息的异步中继网络中实现全协作分集。
• 在源端集成差分编码，以在非理想同步和无信道状态信息（CSI）条件下实现全分集。

提出的方法

• 利用扩展 Clifford 代数开发一种代数框架，用于表征和构建满足多组 ML 可解性充分条件的 Clifford 单位权（CUW）STBC。
• 利用该代数结构，推导出在特定情况（如 4 和 8 个发射天线）下 CUW STBC 的最优速率-ML 解码复杂度权衡。
• 针对同步中继网络中的 Jing-Hassibi 放大转发协议，提出三种新的四组 ML 可解码 DSTBC 构造方法。
• 将基于 OFDM 的 Alamouti 方案扩展为一种通用传输协议，支持任意数量中继，即使存在定时误差也能实现全协作分集。
• 在源端引入差分编码，并采用改进的信号集以支持缩放单位权码字，从而在无信道状态信息或定时误差知识的异步网络中实现全分集。
• 在 OFDM 系统中对每个子载波采用相干与差分检测，性能在具备信道知识和非相干接收两种场景下进行评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于多组可解码的 STBC，特别是 Clifford 单位权（CUW）STBC 类，其在传输速率与 ML 解码复杂度之间的最优权衡是什么？
• RQ2 如何构建分布式空时块码（DSTBC），以实现在中继网络中四组 ML 解码的同时保持全分集？
• RQ3 能否将基于 OFDM 的传输方案推广，以在存在定时误差且无信道状态信息的异步中继网络中实现全协作分集？
• RQ4 如何将差分编码与分布式 STBC 结合，以在无定时或 CSI 知识的异步中继网络中实现全分集？
• RQ5 与相干检测相比，在异步协作网络中使用差分检测和改进信号集的性能损失是多少？

主要发现

• 所提出的基于扩展 Clifford 代数的代数框架，可在特定情况（如 4 和 8 个发射天线）下推导出 CUW STBC 的最优速率-ML 解码复杂度权衡。
• 本文构造了显式的 CUW STBC，实现了速率与 ML 解码复杂度之间的最优权衡，提供了一套系统化的码设计方法。
• 构建了三类新型四组 ML 可解码 DSTBC，可在分布式中继网络中实现高效 ML 解码并降低复杂度。
• 扩展后的基于 OFDM 的传输方案在存在定时误差的异步中继网络中实现了全协作分集，即使接收端对信道状态或中继定时偏移一无所知。
• 仿真结果表明，与相干检测相比，差分检测方案在 1 bpcu 和 2 bpcu 速率下分别造成约 5 dB 和 8 dB 的性能退化，主要由于噪声增加和信号集变化。
• 所提出的方案结合差分编码与改进信号集，可在异步网络中实现全协作分集，表现出对缺乏 CSI 和定时同步的强鲁棒性。