曾 捷，謝 寧，王 暉

(深圳大學(xué)信息工程學(xué)院，中國 深圳 518060)

多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)可以極大地提升無線信道的容量，提高頻譜利用率. 但由于移動(dòng)終端受到體積和硬件復(fù)雜度等多方面的限制，多天線技術(shù)在某些應(yīng)用中比較難實(shí)現(xiàn). 而協(xié)作分集技術(shù)是解決此問題的有效方法之一，它通過中繼節(jié)點(diǎn)間的相互協(xié)作構(gòu)成一個(gè)虛擬的MIMO，能夠顯著地提高中繼網(wǎng)絡(luò)的容量和可靠性，從而使得中繼協(xié)作技術(shù)得到越來越廣泛地關(guān)注[1].

為了充分發(fā)揮協(xié)作分集的優(yōu)勢，協(xié)作通信方案開始采用分布式空時(shí)編碼(DSTC，distributed space-time code)[2]. 從Laneman提出DSTC以來[3]，許多學(xué)者針對不同場景中的分布式空時(shí)編碼展開了相關(guān)研究[4-8]. 文獻(xiàn)[6]提出了放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)中基于廣義ABBA(GABBA, generalized ABBA)碼[9]的DSTC，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)全速率全分集，可以極大地改善系統(tǒng)性能. 本文針對文獻(xiàn)[6]沒有充分利用傳輸過程中的信道狀態(tài)信息的問題，提出了一種基于GABBA的DSTC改進(jìn)方案. 在該方案中，一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)反饋信息對該支路原發(fā)送信號進(jìn)行預(yù)處理，減小了信道間的干擾，從而提高了系統(tǒng)的可靠性. 理論分析與仿真結(jié)果表明，在不同調(diào)制方式下，與文獻(xiàn)[6]中DSTC方案相比，本文方案只需要以一個(gè)比特的反饋量為代價(jià)，就能使系統(tǒng)的誤比特率性能獲得較大的增益.

1 系統(tǒng)模型

圖1 本文方案的系統(tǒng)模型

與文獻(xiàn)[6]的方案類似，本文方案的系統(tǒng)模型如圖1所示，該系統(tǒng)包含一個(gè)源節(jié)點(diǎn)S，4個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)(R1,R2,R3,R4)以及一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)D，所有節(jié)點(diǎn)都配備單天線且中繼節(jié)點(diǎn)采用放大轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸模式，假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)可以獲得統(tǒng)計(jì)CSI，目的節(jié)點(diǎn)D已知所有信道的CSI.

(1)

其中，vr是4×1的噪聲向量，P1是源節(jié)點(diǎn)的平均發(fā)射功率，fr表示源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)Rr的信道衰落系數(shù).

第2步，各中繼節(jié)點(diǎn)同時(shí)向目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送信號. 與文獻(xiàn)[6]不同，本文所提方案在第2步中，中繼節(jié)點(diǎn)R4將原發(fā)送信號乘以預(yù)處理參數(shù)b后再發(fā)送. 因此，所提方案中第r個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號可表示為

(2)

(3)

其中，w是4×1的噪聲向量，gr(r=1,…,4)表示中繼節(jié)點(diǎn)Rr到目的節(jié)點(diǎn)D的信道衰落系數(shù)，xr為第r個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號.

2 改進(jìn)方案

2.1 系統(tǒng)分析

本文選定GABBA碼作為分布式空時(shí)編碼的編碼方案，因此可以確定式(2)中的交換矩陣Ar和Br. 將式(1)代入式(2)可得第r個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號

(4)

再將式(4)代入式(3)，則目的節(jié)點(diǎn)接收信號可表示為

(5)

式(5)中y的向量形式為

y=[y1y2y3y4]T.

(6)

式(5)中w0為噪聲向量，h為等效信道向量，S為GABBA矩陣，它們的表達(dá)式如(7)～(9)式所示：

(7)

h=[h1h2h3h4]Τ=[f1g1f2g2f3*g3f4*g4b]Τ，

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式(11)可以寫成G=U+V，U是信道增益矩陣，V是干擾矩陣.

與完全正交的編碼方案相比，這里的干擾矩陣會帶來系統(tǒng)性能的下降[10]. 為了提升該系統(tǒng)的性能，則要求G的取值要盡可能接近U，也就是說，要讓W(xué)的絕對值盡可能的小[11].

2.2 改進(jìn)方法及實(shí)現(xiàn)

由式(12)可知W的絕對值可表示為

(13)

(14)

文獻(xiàn)[6]方案中信道間干擾參數(shù)的絕對值為|W0|=|k+l|. 對式(14)進(jìn)行分析可知，若C(H) > 0，所提方案和文獻(xiàn)[6]的干擾參數(shù)絕對值分別為|W|=||k|-|l|| ，|W0|=|k|+|l|，顯然有|W0|>|W|；若C(H)≤0，|W|=|W0|，即兩種方案的干擾參數(shù)絕對值相等. 在實(shí)際中繼網(wǎng)絡(luò)中，完成一項(xiàng)業(yè)務(wù)傳輸需要很多次上述傳輸過程，又因?yàn)閭鬏斶^程中所有信道都是滿足相互獨(dú)立的準(zhǔn)靜態(tài)瑞利信道，于是C(H)>0和C(H)≤0出現(xiàn)的概率很接近. 因此在整個(gè)業(yè)務(wù)傳輸過程中，顯然有|W0|>|W|，表明本文方案能夠顯著減小信道間干擾參數(shù)的絕對值，從而減小其對中繼網(wǎng)絡(luò)性能的影響.

此外，本文所提的改進(jìn)方案同樣適用于目的節(jié)點(diǎn)為多天線的情形，只是計(jì)算C(H)的方法稍有變化，其表達(dá)式如下

(15)

其中，M為目的節(jié)點(diǎn)的天線數(shù)，gjr(j=1,…,M,r=1,…,4)表示中繼節(jié)點(diǎn)Rr到目的節(jié)點(diǎn)D第j根天線的信道衰落系數(shù).

3 仿真結(jié)果及分析

圖2 不同調(diào)制方式下兩種傳輸方案的誤比特率比較

圖2是在放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)中采用文獻(xiàn)[6]和本文方案的誤碼率性能的仿真結(jié)果，信號調(diào)制方式采用BPSK，QPSK和8PSK，假定所有的信道衰落系數(shù)和噪聲都相互獨(dú)立且服從均值為0方差為1的復(fù)高斯分布，反饋信息不存在誤差，譯碼方案采用最大似然譯碼.

由圖2可以看出，本文方案與文獻(xiàn)[6]相比，1)當(dāng)誤碼率為10-4，調(diào)制方式采用BPSK，增益為1.8 dB；調(diào)制方式采用QPSK時(shí)，其增益為1.6 dB；調(diào)制方式采用8PSK時(shí)，其增益為1.5 dB；2)當(dāng)誤碼率為10-5時(shí)，調(diào)制分別采用BPSK、QPSK和8PSK時(shí)，其增益分別為2.4 dB、2.2 dB和1.9 dB．因此可以得出，本文所提方案的可靠性顯著優(yōu)于文獻(xiàn)[6]，同時(shí)隨著信噪比的增大，該方案對系統(tǒng)誤碼率性能的提升越顯著.

4 結(jié)束語

在放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)中，本文利用了CSI，提出了一種基于GABBA形式的DSTC改進(jìn)方案. 通過理論分析和仿真結(jié)果可知，只需要反饋一個(gè)比特就能減小信道間的干擾，從而顯著地提高了系統(tǒng)的可靠性. 同時(shí)，該方案也適用于多個(gè)接收天線的場景.

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