蔡融文，孫恩昌，張延華

(北京工業(yè)大學(xué) 電子信息與控制工程學(xué)院，北京 100124)

0 引 言

第三代移動(dòng)通信伙伴計(jì)劃(3GPP)成立于1998年12 月，是一個(gè)有合作協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化組織。隨著移動(dòng)通信的快速發(fā)展，為了滿足新型業(yè)務(wù)需求，3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織在2004 年底啟動(dòng)了長期演進(jìn)(LTE)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。整個(gè)LTE 系統(tǒng)由核心網(wǎng)﹑基站和用戶設(shè)備三部分組成。其下行傳輸方案采用傳統(tǒng)的正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)［1］。上行鏈路采用帶循環(huán)前綴(CP)的單載波頻分多址(SC-FDMA)［2］。

協(xié)作通信作為未來無線通信提高頻譜效率的關(guān)鍵技術(shù)之一，近年來受到廣泛關(guān)注。其核心思想為:在多用戶通信環(huán)境中，各鄰近節(jié)點(diǎn)之間按照一定方式共享彼此的天線進(jìn)行協(xié)作發(fā)送，從而產(chǎn)生一種類似多天線發(fā)送的虛擬環(huán)境，獲得空間分集增益，提高系統(tǒng)的傳輸性能。協(xié)作通信的思想可以追溯到20世紀(jì)70 年代，基本的三節(jié)點(diǎn)(源節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn))通信模型首次被提出。21 世紀(jì)初，Laneman 提出并分析了協(xié)作中繼系統(tǒng)的四種常用協(xié)議，包括放大轉(zhuǎn)發(fā)﹑譯碼轉(zhuǎn)發(fā)﹑選擇性中繼和增量中繼等［3］。Sendonaris 等人提出了用戶協(xié)作分集的概念，給出了兩用戶互為協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)模型及其性能分析［4］。當(dāng)協(xié)作中繼系統(tǒng)存在多個(gè)可用的中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，如何選擇節(jié)點(diǎn)來提高傳輸?shù)目煽啃允欠浅Ｖ匾摹４蠖鄶?shù)中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法可以分為兩類，一類是基于瞬時(shí)信道狀態(tài)信息［5］等，另外一類是基于地理位置［6］、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或傳播路徑損耗信息。

1 LTE 上行協(xié)作傳輸系統(tǒng)模型

1.1 上行鏈路直接傳輸方案

SC-FDMA 成為LTE 物理層上行傳輸技術(shù)之一，其原因主要在于它可以有效降低峰值平均功率比［7］，從而有效地降低用戶終端功率消耗，避免使用昂貴的線性功率放大器，降低了手機(jī)成本。此外還具有良好的抗多徑衰落性能﹑高的頻譜利用效率、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低﹑靈活的帶寬配置等優(yōu)點(diǎn)。SCFDMA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，發(fā)射端的輸入數(shù)據(jù)塊包含N 個(gè)復(fù)數(shù)調(diào)制符號(hào)，經(jīng)過N 點(diǎn)DFT 轉(zhuǎn)化成N個(gè)頻域符號(hào)，之后經(jīng)過子載波映射實(shí)現(xiàn)頻域擴(kuò)展。然后通過M 點(diǎn)IDFT 變換到時(shí)域，經(jīng)過這樣的處理得到時(shí)域的單載波串行數(shù)據(jù)。在接收端，完成互逆的操作，并且在頻域完成均衡處理。發(fā)送端經(jīng)過IDFT 后的時(shí)域信號(hào)還要進(jìn)行加循環(huán)前綴(CP)的處理，這樣可以消除由于多徑傳播引起的符號(hào)塊間干擾。加窗的作用是通過脈沖整形濾波來削減帶外輻射，一般采用升余弦濾波器。在接收端，信號(hào)經(jīng)過DFT 轉(zhuǎn)換到頻域后進(jìn)行子載波分離。由于SC-FDMA 是單載波傳輸方式，信號(hào)受到多徑影響會(huì)產(chǎn)生碼間干擾，需要接收端在頻域進(jìn)行均衡處理。IDFT將均衡后的信號(hào)轉(zhuǎn)換到時(shí)域后進(jìn)行檢測(cè)和星座解調(diào)，最終得到信息數(shù)據(jù)。

圖1 SC-FDMA 系統(tǒng)模型框圖

1.2 協(xié)作傳輸系統(tǒng)模型

選定一個(gè)移動(dòng)終端作為發(fā)射端，它與基站的距離為R，所選區(qū)域如圖2 所示，是以R 為半徑的圓形區(qū)域。在某一時(shí)間段內(nèi)，可能僅有部分移動(dòng)終端有通信需求，因而區(qū)域中其他的移動(dòng)終端處于空閑狀態(tài)。這些空閑的移動(dòng)終端可以作為候選的中繼節(jié)點(diǎn)，設(shè)有K(K =10)個(gè)中繼隨機(jī)分布在這個(gè)圓形區(qū)域內(nèi)。

圖2 LTE 協(xié)作網(wǎng)絡(luò)布局

協(xié)作傳輸?shù)倪^程分為兩個(gè)階段［8］，如圖3 所示。階段1，源節(jié)點(diǎn)向基站和中繼發(fā)送自己的信息?；竞椭欣^接收到的信息分別為ys，d和ys，r，可以寫為

式中，P0是源的發(fā)送功率;x 是發(fā)送的信息符號(hào);ns，d和ns，r是加性噪聲，為零均值且方差為N0的復(fù)高斯隨機(jī)變量。hs，d和hs，r分別是源節(jié)點(diǎn)到基站和源節(jié)點(diǎn)到中繼的信道系數(shù)。

圖3 單中繼協(xié)作通信模型

對(duì)于放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，中繼在階段2 將接收到的信號(hào)放大并以發(fā)送功率Pr轉(zhuǎn)發(fā)給基站?；驹陔A段2 接收到的信號(hào)為

式中，hr，d是中繼到目的的信道系數(shù);噪聲nr，d是零均值且方差為N0的復(fù)高斯隨機(jī)變量。

對(duì)于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，在階段2 如果中繼能夠譯碼正確，則以發(fā)送功率P2將譯碼符號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給目的端，否則中繼不發(fā)或保持空閑。此時(shí)基站在階段2接收到的信號(hào)為

2 路徑損耗選擇算法及改進(jìn)

首先，給出路徑損耗模型的數(shù)學(xué)表示，利用Okumura-Hata 傳播模型模擬城市宏蜂窩(Urban macrocell)，系統(tǒng)熱噪聲用q 表示

其中W 為傳輸帶寬，且W =10 MHz。假設(shè)傳輸總功率為P_direct(W)，歸一化P_direct=1(W)，將傳輸功率單位轉(zhuǎn)化為dBm

則源到基站之間的最大路徑損耗PLmax為

根據(jù)不同的SNR 可以確定移動(dòng)終端和目的節(jié)點(diǎn)之間的距離R。

傳統(tǒng)的基于路徑損耗的三種中繼選擇方案，分別為總路徑損耗最小(MTP，minimum total pathloss)方案、最大路徑損耗最小(LMP，least maximum pathloss)方案和第二跳路徑損耗最小(MRP，minimum relaying hop pathloss)方案。

設(shè)沿第n 條路徑的源到中繼節(jié)點(diǎn)(第一跳)的路徑損耗為PLn1，中繼節(jié)點(diǎn)到基站(第二跳)的路徑損耗為PLn2，其中n∈K。

rs是所選擇的路徑，則基于路徑損耗的三種中繼選擇方案如下。

(1)Minimum Total Pathloss(MTP)方案

(2)Least Maximum Pathloss (LMP)方案

(3)Minimum Relaying Hop Pathloss (MRP)方案

V.Streng［10］等人已研究出，相比MTP 和MRP方案，在LMP 方案下，系統(tǒng)性能最佳。

基于最大路徑損耗最小(LMP)方案的三條可能路徑，如圖4 所示。箭頭上的數(shù)值代表該段路徑損耗值。由圖知路徑I、II、III 兩跳之中最大值分別為50 dB、85 dB、75 dB，顯然路徑I 的最大值最小，因此通過式(8)得出，路徑I 為最佳路徑。

圖4 基于最大路徑損耗最小方案的中繼選擇

然而，傳統(tǒng)的LMP 算法有著明顯的不足，針對(duì)圖4 中最佳路徑I 來進(jìn)行分析。增加兩條新的可能路徑IV(PLn1=30 dB，PLn2=50 dB)，V(PLn1=50 dB，PLn2=40 dB)，如圖5 所示。

圖5 最大路徑損耗最小方案下的三條可能路徑

這三條路徑的最大路損均是50 dB，此時(shí)，傳統(tǒng)的LMP 算法無法再選取出最佳的中繼節(jié)點(diǎn)。

傳統(tǒng)最大路徑損耗最小算法的缺點(diǎn)就是:如果網(wǎng)絡(luò)中閑散候選用戶比較多，在同一時(shí)刻，可能存在多條路徑同時(shí)滿足兩段路損的最大值最小;其次，一次協(xié)作傳輸過程中PLn1和PLn2共同影響著傳輸質(zhì)量，在有多條路徑滿足LMP 的情況下，有的中繼第二跳路損太大，而有的中繼總路損太大。如果中繼與源節(jié)點(diǎn)距離太小，會(huì)降低中繼對(duì)信號(hào)路損的補(bǔ)償作用，基站在對(duì)應(yīng)路徑的接收信號(hào)信噪比較低;如果總路損太大，勢(shì)必影響協(xié)作通信增益的提升。

就圖5 中三條路徑而言，一方面，對(duì)比路徑V，路徑I 和IV 有著最小的總路損;另一方面，對(duì)比路徑VI，路徑I 有著第二跳路損最小。很明顯，路徑I對(duì)應(yīng)的中繼是最佳中繼節(jié)點(diǎn)，在滿足LMP 條件下，它的總路損最小，而且PLn2最小。

為了解決傳統(tǒng)LMP 算法的不足，并且從候選節(jié)點(diǎn)中選出最佳中繼，提出了一種改進(jìn)的LMP 算法，如式(10)所示。改進(jìn)的LMP 算法不僅考慮到了整個(gè)鏈路的總路損還考慮到了第二跳路損。

改進(jìn)后的算法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，首先，當(dāng)很多路徑同時(shí)滿足最大路損最小時(shí)，可以從中選擇出總路徑最小的那個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)。其次，在既滿足最大路損最小又滿足總路徑最小時(shí)，可以選出第二跳路損最小的那個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)。很好地解決了傳統(tǒng)LMP 算法的不足。

為了公平比較協(xié)作傳輸與直接傳輸?shù)南到y(tǒng)性能，對(duì)協(xié)作傳輸過程中，源端與中繼端的總功率也進(jìn)行歸一化。

式中，GSNR表示信噪比增益;P_cooperative 表示協(xié)作傳輸鏈路的總功率。如果P_cooperative 超過1 W，則為了比較的公平性，源端和中繼端的發(fā)射功率按同比例下降

3 算法仿真結(jié)果及分析

在這一小節(jié)，將對(duì)LTE 上行鏈路進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)無中繼節(jié)點(diǎn)的直接傳輸，并在此基礎(chǔ)上引入中繼節(jié)點(diǎn)、通過基于傳統(tǒng)及改進(jìn)的路徑損耗中繼選擇算法選取最優(yōu)節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)協(xié)作傳輸。并從兩個(gè)部分對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析。首先給出上述算法基于系統(tǒng)誤碼率的仿真分析，如圖6 所示;然后給出用戶消耗功率情況的仿真分析，如圖7 所示。

在圖1 系統(tǒng)模型下，假設(shè)基站所在位置的坐標(biāo)為(0，0)，則源節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為(－R，0);那么中繼節(jié)點(diǎn)的位置可由矩陣A 表示A =［x1x2…xn…x10;y1y2…yn…y10］。在一次協(xié)作通信信息過程中，源和中繼節(jié)點(diǎn)保持位置不變。計(jì)算出PLn1和PLn2分別為

系統(tǒng)仿真參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

為了公平地比較這三種傳輸方案，將用戶消耗總功率進(jìn)行歸一化。圖6 的仿真結(jié)果表明，在中繼節(jié)點(diǎn)的幫助下，系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃悦黠@提高。單中繼上行鏈路協(xié)作傳輸?shù)南到y(tǒng)誤碼率性能顯著優(yōu)于直接傳輸，當(dāng)BER 在10－2附近時(shí)，協(xié)作傳輸可以實(shí)現(xiàn)6 dB 的SNR 增益。相比傳統(tǒng)LMP 算法，改進(jìn)的LMP 算法的誤碼率性能進(jìn)一步提高。在高信噪比的情況下，改進(jìn)算法的優(yōu)勢(shì)更明顯。例如，系統(tǒng)誤碼率保持在10－3的情況下，改進(jìn)LMP 算法比傳統(tǒng)LMP算法多可獲得2.5 dB 的SNR 增益。

從圖7 無協(xié)作SC-FDMA 和單中繼協(xié)作SC-FDMA 傳輸方案過程中，用戶消耗功率的具體情況可以看出，協(xié)作傳輸過程中源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)消耗的總功率小于直接傳輸過程中源節(jié)點(diǎn)用戶消耗的功率。結(jié)合圖6，得到的結(jié)論，協(xié)作傳輸系統(tǒng)的誤碼率明顯低于直接鏈路傳輸。綜合以上兩點(diǎn)可以說明，協(xié)作通信在降低了系統(tǒng)誤碼率的同時(shí)，節(jié)約了功率的使用。也就是說，協(xié)作通信可以提高用戶的待機(jī)時(shí)間和功率效率。相比傳統(tǒng)LMP 算法，改進(jìn)后的LMP 算法結(jié)合功率比例調(diào)配在信噪比為15 dB 的時(shí)候，可以節(jié)省將近0.2 W 的功率消耗。綜上所述，無論是在系統(tǒng)誤碼率性能還是在系統(tǒng)消耗功率情況下，所提算法均優(yōu)于傳統(tǒng)LMP 算法。

4 結(jié) 語

在Matlab 環(huán)境下，對(duì)LTE 上行鏈路進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)了無中繼節(jié)點(diǎn)的直接傳輸。接著引入中繼節(jié)點(diǎn)并通過傳統(tǒng)LMP 算法選取最優(yōu)中繼完成協(xié)作傳輸。相比直接傳輸，協(xié)作通信明顯提高系統(tǒng)性能。然后對(duì)傳統(tǒng)LMP 算法進(jìn)行改進(jìn)，并結(jié)合功率分配，提出了一種新的選擇方案。改進(jìn)后的LMP 算法無論是從系統(tǒng)誤碼率還是用戶消耗功率都得到了明顯改善。

［1］MD MASUD RANA，JINSANG KIM，WON-KYUNG CHO.Low Complexity Downlink Channel Estimation for LTE Systems［C］. in Proc. 12th Intenational Conference on Advanced Commun. Technologyon，2010:1198-1202.

［2］ CHAO ZHANG，ZHAOCHENG WANG. Frequency Domain Decision Feedback Equalization for Uplink SC-FDMA［J］.IEEE Transactions on Broadcastig，2010，56(2):253-257.

［3］LANEMAN J NICHOLAS，TSE D N C，WORNELL G W.Cooperative Diversity in Wireless Networks:Efficient Protocols and Outage Behavior［J］. IEEE Transactions on Information Theory，2004，50 (12):3062-3080.

［4］ ANDREW SENDONARIS，ERKIP E，AAZHANG B. User Cooperation Diversity［J］. IEEE Transactions on Communications，2003，51(11):1927-1948.

［5］季彥呈. 無線中繼系統(tǒng)中的協(xié)作傳輸和資源分配研究［D］. 西安:西安電子科技大學(xué)，2011.

［6］陳碧蓉，張靜，董建萍.利用地理位置的中繼選擇及功率分配［J］. 上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，40(3):249-253.

［7］SEUNG HEE HAN，JAE HONG LEE.An Overview of Peak-To-Average Power Ratio Reduction Techniques for Multicarrier Transmission［J］. IEEE Wireless Communications Magazine，2005，12(2):56-65.

［8］K J RAY LIU，AHMED K SADEK.Cooperative Communications and Networking［M］. New York:Cambridge University Press，2009.

［9］郭冬梅. 無線通信中分集合并技術(shù)的研究［D］. 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2010.

［10］SRENG V，YANIKOMEROGLU H，F(xiàn)ALCONER D D.Relayer Selection Strategies in Cellular Networks with Peerto-Peer Relaying［C］.IEEE Vehicular Technology Conference 2003:1949-1953.