异步卫星协同通信系统中的双采样差分空时编码方案

章坚武，屠贺嘉琦

（杭州电子科技大学，浙江 杭州 310018）

异步卫星协同通信系统中的双采样差分空时编码方案

章坚武，屠贺嘉琦

（杭州电子科技大学，浙江 杭州 310018）

针对双卫星中继协作通信系统中存在非符号周期整数倍的时延差问题，提出了一种双采样的差分空时正交频分复用（D-OFDM2）方案。所提方案在卫星信道条件未知的情况下，基于具有时延容忍的D-OFDM编码，在接收端构造了一种双采样方法。该方法在以符号速率采样的同时，对当前主瓣大于相邻旁瓣的区间内增加一次采样，并将两次采样结果等增益合并。仿真结果表明，在系统时延差为非符号周期整数倍的情况下，该方法较单采样方法能获得更高的接收信噪比，同时改善了系统误码性能。

卫星通信；异步协同通信；分布式差分空时编码；双采样

1 引言

作为空地一体化系统[1]的重要构成部分，卫星通信指利用人造卫星作为中继站，为地面水、陆、空域中无线电通信站提供通信[2]。由于信号经卫星信道传输后会产生多径衰落[3]，为此可将多颗卫星作为相互协作的中继节点，组成虚拟分布式多输入多输出（multiple-input multiple-output，MIMO）系统，以达到分集的效果来对抗多径衰落。在低地球轨道（low earth orbit，LEO）卫星移动通信系统中，LEO卫星作为中继转发信号时可使用空时编码[4,5]，其中分布式空时编码（distributed space-time coding，DSTC）[6,7]通过各中继相互协作对信号进行组合、转发处理，使信号到达接收端时能形成空时分组码（space-time block code，STBC）的形式，从而使系统在不牺牲额外带宽下得到分集增益和编码增益。然而采用DSTC编码时，接收端需要拥有瞬时信道状态信息（channel-state information，CSI）以实现对信号的相干检测，难度较大。为此参考文献[8]提出了一种差分分布式空时编码（differential distributed space-time coding，D-DSTC）方法，使接收端在不明确 CSI时即可进行非相干解码。另外，由于中继网络分布式特点，使转发信号在接收端产生时延差而导致符号间干扰（inter-symbol-interference，ISI）。参考文献[9]在时域中设计了一种具备较好的时延容忍度的螺纹代数空时编码，但其时间复杂度较大。参考文献[10,11]设计了一种有限时延容忍的时域交错反转码，可在保证满分集的情况下将解码过程分解为多个独立的子过程来降低解码复杂度。参考文献[12]为避免信道估计设计了一种基于扩频的差分空时编码。在频域方面，参考文献[13-15]采用一种正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）的方法来抵抗两中继网络中产生的同步误差，该方法可在保持编码正交的同时将时域的偏移转为频域的相位偏移。以上方法均针对时延差为符号周期整数倍的情况，当考虑时延差小数部分时，接收端对异步信号采样的位置会较其峰值发生偏移，从而使系统对有用信号的采样值减小并叠加进对旁瓣的采样值。针对中继网络中由小数部分时延差带来的ISI，参考文献[16]对采用相干 DSTC编码的双向中继网络采用了一种过采样方案，参考文献[17]将其进行扩展，提出了一种多中继情况下将差分DSTC与OFDM技术相结合的D-OFDM方法，但参考文献[16,17]方案仅适用于瑞利衰落信道下的小范围陆地中继传输。另外参考文献[18]给出了异步情况下采用差分DSTC编码的中继网络采用放大转发及解码转发时的系统性能比较，并优化了发射端和中继间的功率分配。根据以上情况，本文针对卫星协作通信下的异步问题设计了一种适用于在卫星衰落信道传输的双采样差分正交频分复用（dual-sampling differential orthogonal frequency division multiplexing，D-OFDM2）方案。该方案采用具有时延容忍的 D-OFDM 编码，并构造了一种双采样方案，使接收端对信号采样时始终能保持在当前符号主瓣大于其他符号旁瓣的区间内有两个不同采样点，将所得两采样结果进行等增益合并后，能使系统的平均接收信噪比增加，进一步减小系统异步带来的影响。

2 系统模型

考虑由一个发射端S，两颗中继卫星R1、R2及一个接收端 D组成的分布式卫星协作通信系统，如图1所示，系统中节点均为单天线结构，传输模式选择半双工。系统传输信号分为两个阶段：第一阶段，S对信号进行D-OFDM编码并将其广播至R1、R2；第二阶段，R1、R2分别对接收到的信号进行空时编码处理并采用放大转发（amplify-and-forward，AF）协议转发信号至 D。假设信号传输过程中收发两端不存在直射信号，信道为服从莱斯分布的准静态信道，各信道间互不相关，且每条信道均由L路独立的多径组成。两阶段中的各路多径信道系数分别由pi,l、qi,l表示，其中，i=1,2表示中继卫星编号，l=1,…, L。由于多径效应及各卫星相对收发两端位置的不同，造成两路信号经传输后达接收端时存在时延差υ，系统因此变为异步系统。

图1 两中继卫星协同通信系统模型

2.1 发射端编码

发射端对将要发送的信息进行编码，如图 2所示。

其中， n= 0,… ,N − 1，(·)∗表示共轭转置。

然后，对第k个酉空时矩阵 X [n](k)矩阵进行差分编码：

再将编码后的信号进行OFDM处理：

其中， m= 0,… ,N −1为OFDM中的第m个子载波。

随后，为信号添加循环前缀并进行并串转换，经脉冲整形后，在连续的两个OFDM时隙内依次将广播发送至中继，其中，r =1,2表示当前为第r个时隙，的第r行向量。

2.2 中继端处理

中继端接收到广播信号后，对其进行如图 3所示的预处理。

处理后信号可表示为：

其中，P0为发射端的符号发射功率，R为中继卫星个数，为第一阶段信道的离散冲击响应，为发射端到中继引入的加性高斯白噪声。

对处理后的信号进行空时编码，见表1。

表1 中继对信号的处理

图2 发射端编码过程

图3 中继端信号预处理过程

各中继分别为信号添加循环前缀并进行并串转换，经脉冲整形后在连续两个OFDM时隙内将信号Vi,r发送到接收端。

2.3 接收端解调

信号到达接收端后，进行中继端相同的预处理：

到接收端引入的加性高斯白噪声。

然后，对处理后信号进行OFDM解调：

随后在信道状态信息未知的情况下即可进行最大似然译码，恢复出原始信号。

3 双采样改进方案

由于分布式中继网络的特点造成经不同中继转发的信号到达接收端会存在时延差。假设以R1转发的信号到达接收端的时刻为准，则经R2转发的信号到达接收端产生的时延差可表示为：

其中，Ts表示一个符号周期，d为整数，0≤τ＜Ts为时延差的小数部分。

当υ的整数部分存在时，表示两路信号到达接收端有d个符号的相对偏移，对此可通过改变OFDM循环前缀长度，在不影响编码正交性的前提下将时域的偏移转化为频域的相移[12]，但该方法仅适用于τ=0的情况。当τ≠0时，系统采样点位置较符号峰值位置产生错位，导致采样后引入相邻符号的旁瓣干扰，为此本文提出了一种双采样方案。该方案通过在一个符号周期内设置两个

图4 改进的接收端采样器设计

图5 改进后采样示意

本文采用升余弦滤波器：

则采样点1、2处的采样值分别为：

接着，将两采样值进行等增益合并：

然后，对合并后的信号进行OFDM解调：

将式（12）代入式（13）中，得到离散时域接收信号：

则接收端信号可表示为：

[17]可知，由两中继构成的分布式协作通信系统的信号传输过程的整体表达式为：

结合系统第一阶段的离散频域信道系数：

系统等效信道系数可表示为：

经系统传输后引入的等效加性高斯噪声为：

对于给定的 qi,l，系统等效噪声其中：

当iτ固定时，对平均接收信噪比γ求导：

4 性能仿真

仿真中假设信道服从莱斯分布，莱斯因子为10，将 L条多径进行功率归一化处理，即载频选取铱星系统用户链路频段，信源调制方式采用 QPSK，子载波数N=64，升余弦滚降系数β=0.9，旁瓣数Lmf=1，假设系统总功率为 P，发射端和中继端的符号发射功率选取选取最优功率分配记单采样方案为 D-OFDM1，所提双采样方案为D-OFDM2。

图6 平均接收信噪比随子载波数的变化情况

图7 不同时延差下的系统误码性能

图 7所示为不同τ情况下，采用 D-OFDM1及D-OFDM2方法得到的系统误码性能曲线。从图7中可以看出，随着系统信噪比的增加，两种方案的误码率均减小，在τ(τ≠0)相等的情况下，D-OFDM2的误码率均低于D-OFDM1，且随着τ的增加，系统的误码率差异进一步增大。当τ=0.5Ts时，二者差异达到了最大，在误码率为10−4情况下，所提方法较原方法有4 dB的性能增益。且由于τ=0.3Ts相比于τ=0.5Ts，系统能获得更高的平均接收信噪比，故τ=0.3Ts较τ=0.5Ts能获得更低的系统误码率，但二者差异很小，近似相等。因此得出结论，所提D-OFDM2方案能够提高系统的误码性能，且几乎不受小数部分时延差大小的影响。

图8展示了当时延差τ=0.3Ts的情况下，不同旁瓣数Lmf对D-OFDM2系统误码性能的影响。可以看出，当旁瓣数增加时，系统误码性能差异并不明显。当系统误码率为 10−4时，Lmf=4较Lmf=1只有0.5 dB的性能损失，说明异步系统误码性能受第一旁瓣影响较大，受其余旁瓣影响十分有限，因此本文在仿真中选取Lmf=1。

图8 不同旁瓣数下的系统误码性能

5 结束语

由于分布式特点，卫星协作通信系统中的接收端存在时延差不可避免。本文在频率选择性信道下设计了一种基于差分 DSTC-OFDM 编码的双采样方案。所提方案中接收端通过双采样，成功提高了接收端的平均接收信噪比，消除了因小数部分时延差存在对系统误码性带来的影响。理论及仿真结果表明，改进的D-OFDM2方案在系统小数部分时延差存在时，能够较好地提高误码性能。

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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

国家自然科学基金资助项目（No.61471152）；浙江省自然科学基金资助项目（No.LZ14F010003）

章坚武（1961−），男，杭州电子科技大学通信工程学院教授、博士生导师，主要研究方向为移动通信系统、多媒体通信技术、网络安全等。

屠贺嘉琦（1992−），男，杭州电子科技大学通信工程学院硕士生，主要研究方向为移动通信系统。