王 珂，劉 偉，雷 菁

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 通信工程系，湖南 長(zhǎng)沙 420000）

一種改進(jìn)的分布式Alamouti碼協(xié)同分集方案*

王 珂，劉 偉，雷 菁

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 通信工程系，湖南 長(zhǎng)沙 420000）

針對(duì)基于Alamouti碼的單中繼協(xié)同通信系統(tǒng)中傳輸速率較低和資源利用不充分的問(wèn)題，提出一種改進(jìn)的分布式Alamouti碼協(xié)同分集方案。在傳統(tǒng)方案利用轉(zhuǎn)發(fā)階段兩路信號(hào)最大比合并接收的基礎(chǔ)上，該方案存儲(chǔ)并利用廣播階段源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)，將三路信號(hào)進(jìn)行最大比合并接收，從而提高了分集增益。仿真結(jié)果表明，在Rayleigh衰落信道下，與現(xiàn)有的Alamouti碼協(xié)同分集方案相比，該方案所需信噪比可以大幅降低。

多輸入多輸出；協(xié)同；分布式空時(shí)碼；最大比合并

0 引 言

多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術(shù)是新型的高性能無(wú)線(xiàn)傳播技術(shù)。它能夠有效提高無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，且不占用額外帶寬，因此越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

但隨著移動(dòng)通信設(shè)備的小型化，終端上很難安裝多個(gè)天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)MIMO。為解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員提出了協(xié)同分集技術(shù)[1]。它的基本思想是與自己在通信中的伙伴合作，構(gòu)成一個(gè)虛擬的多天線(xiàn)系統(tǒng)，從而為MIMO技術(shù)的實(shí)用提供了一個(gè)新的思路。在實(shí)際應(yīng)用中，協(xié)同通信中的AF或DF轉(zhuǎn)發(fā)策略，經(jīng)常結(jié)合分布式空時(shí)編碼技術(shù)來(lái)獲得協(xié)同分集[2-3]。目前，協(xié)同通信系統(tǒng)中研究最多的空時(shí)碼是Alamouti 碼[4-5]。它是一種適用于兩發(fā)一收MIMO系統(tǒng)的空時(shí)碼，在單向和雙向傳輸網(wǎng)絡(luò)中均可使用[6]。

在單中繼Alamouti碼協(xié)同通信系統(tǒng)中，已有的研究通常將傳輸過(guò)程分為兩個(gè)階段[7]：第一階段源節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)廣播信號(hào)；第二階段發(fā)送端與中繼節(jié)點(diǎn)同時(shí)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)，接收端接收信號(hào)并進(jìn)行合并處理。這種方式下，接收端最終合并時(shí)只利用了第二階段的兩路信號(hào)。實(shí)際上，廣播階段目的節(jié)點(diǎn)同樣會(huì)收到源節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，而沒(méi)有得到充分利用。針對(duì)這一問(wèn)題，本文給出一種改進(jìn)的分布式Alamouti碼協(xié)同分集方案。方案中目的節(jié)點(diǎn)在第一階段收到并緩存源節(jié)點(diǎn)廣播的信號(hào)，再結(jié)合第二階段收到的源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)，將三路信號(hào)進(jìn)行最大比合并與最大似然判決，以獲得更高的分集增益。與文獻(xiàn)[7]的結(jié)果相比，該方案的傳輸性能有明顯提高。

本文其他部分安排如下：第二節(jié)給出系統(tǒng)模型，主要是將Alamouti碼應(yīng)用于協(xié)同傳輸?shù)南到y(tǒng)模型；改進(jìn)的Alamouti碼傳輸方案將在第三節(jié)給出；第四節(jié)給出仿真結(jié)果及復(fù)雜度分析；第五節(jié)為結(jié)論。

1 系統(tǒng)模型

Alamouti碼最初是為具有兩根發(fā)射天線(xiàn)的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，即兩發(fā)一收或者多收的MIMO系統(tǒng)。而協(xié)同分集技術(shù)，即依靠系統(tǒng)中協(xié)同終端共同傳輸信息構(gòu)成的虛擬MIMO系統(tǒng)中，也可以使用Alamouti碼提高性能。

如圖1所示，該策略的模型是一種典型的單中繼協(xié)同通信模型。

該系統(tǒng)由3個(gè)節(jié)點(diǎn)組成：一個(gè)信源S，一個(gè)中繼R和一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)D。假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)均能正確估計(jì)信道狀態(tài)信息，各節(jié)點(diǎn)理想同步。

Alamouti空時(shí)編碼的傳輸矩陣：

式中ε0為信源的發(fā)射功率，h為信源到中繼的信道衰落系數(shù)，ni為高斯白噪聲。

同時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)在第一階段中收到的信號(hào)進(jìn)行處理，采用AF模式或DF模式。假設(shè)處理后的信號(hào)為[ys1ys2]：

所以，第二階段目的節(jié)點(diǎn)接收到來(lái)自中繼的信號(hào)[y3y4]是：

于是，第二階段兩個(gè)時(shí)隙中目的節(jié)點(diǎn)接收到的兩路信號(hào)可以合并表示為：

最大比合并處理后，可得：

式中，有：

隨后，使用最大似然判決，便可得到估計(jì)信號(hào)并計(jì)算出誤碼率。

2 改進(jìn)的Alamouti碼協(xié)同傳輸方案

從文獻(xiàn)[7]的協(xié)同策略可以看出，一般在使用Alamouti碼時(shí)，接收端要處理的信號(hào)都是在第二階段從源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男盘?hào)，之后進(jìn)行最大比合并并進(jìn)行譯碼。但是，從整個(gè)傳輸過(guò)程來(lái)看，第一階段當(dāng)源節(jié)點(diǎn)將信號(hào)傳輸給中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，一般會(huì)采取廣播形式，目的節(jié)點(diǎn)同樣會(huì)收到該信號(hào)，并且不會(huì)增加源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率。因此，可以在目的節(jié)點(diǎn)最后進(jìn)行合并時(shí)，將第一階段收到的信號(hào)同時(shí)進(jìn)行合并，以進(jìn)一步提高性能。

2.1 改進(jìn)的分布式Alamouti碼AF協(xié)同方案

如圖1所示，系統(tǒng)傳輸模型與普通的Alamouti碼協(xié)同傳輸模型相同。

同時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)為：

式中，g2表示第二階段源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的信道衰落系數(shù)。同時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)處理第一階段收到的信號(hào)，采用AF模式。中繼放大信號(hào)，放大因子為：

假設(shè)處理后的信號(hào)為[ys1ys2]：

那么第二階段目的節(jié)點(diǎn)接收到來(lái)自中繼的信號(hào)[y5y6]是：

則第二階段兩個(gè)時(shí)隙中目的節(jié)點(diǎn)接收的兩路信號(hào)可以合并表示為：

第二階段和之前的分析過(guò)程一樣，那么如果不考慮第一階段的信號(hào)，目的節(jié)點(diǎn)對(duì)信號(hào)合并并處理后為：

當(dāng)考慮第一階段的信號(hào)后，由于第一階段目的節(jié)點(diǎn)收到的原信號(hào)是，多先將其與第二階段來(lái)自發(fā)送端的信號(hào)進(jìn)行合并，為：

同理，合并且處理后，得到：

接下來(lái)，將兩次合并后的式子相加，便可得到利用三路信號(hào)所得到的估計(jì)：

2.2 改進(jìn)的分布式Alamouti碼DF協(xié)同方案

當(dāng)采用DF模式時(shí)，系統(tǒng)模型與AF模式相同，第一階段的傳輸過(guò)程也與AF模式相同。第二階段，中繼對(duì)信號(hào)解調(diào)與解碼后再進(jìn)行CRC校驗(yàn)。若數(shù)據(jù)正確，則中繼對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制﹑編碼后轉(zhuǎn)發(fā)；若不正確，則中繼不做任何操作，即：

那么，第二階段目的節(jié)點(diǎn)接收到來(lái)自中繼的信號(hào)[y5y6]為：

于是，第二階段2個(gè)時(shí)隙中目的節(jié)點(diǎn)接收的信號(hào)可以表示為：

最后，由于噪聲項(xiàng)隨機(jī)，所以目的節(jié)點(diǎn)按照與AF模式相同的方法處理三路信號(hào)后，得到信號(hào)的

估計(jì)值與AF 模式的表達(dá)式相同：

3 仿真結(jié)果及復(fù)雜度分析

從上文的分析可以看出，該方案是文獻(xiàn)[7]所提協(xié)同傳輸方案的改進(jìn)，因此在仿真上與文獻(xiàn)[7]所提出的方案進(jìn)行比較，分別采用AF與DF傳輸方式。信道為Rayleigh衰落信道。

圖2為在AF模式下，改進(jìn)后的傳輸方式與之前的性能進(jìn)行比較。可以看出，改進(jìn)后的方案會(huì)明顯降低誤碼率。在誤碼率為10-4時(shí)，所需的信噪比降低了約10 dB。此外，新方案誤碼率曲線(xiàn)下降的斜率明顯大于原方案，說(shuō)明分集增益得到了提高。

圖2 Alamouti碼AF協(xié)同通信系統(tǒng)性能比較

圖3表示采用改進(jìn)后的Alamouti碼DF模式與普通DF模式的性能比較，仿真條件與AF模式相同。

圖3 Alamouti碼DF協(xié)同通信系統(tǒng)性能比較

可以看出，改進(jìn)方案在中繼采用DF的模式下，同樣能帶來(lái)性能增益。在誤碼率為10-4時(shí)，信噪比降低了11 dB。同樣，由BER曲線(xiàn)下降斜率可知，新方案獲得了更高的分集增益。

綜合普通的采用最大比合并接收模式的AF﹑DF傳輸模式，可以得到如表1﹑表2所示的相關(guān)結(jié)論。

表1 AF模式總結(jié)

表2 DF模式總結(jié)

從表1﹑表2中可以看出：它們的傳輸效率相同，由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)均采用半雙工方式，故它們的發(fā)射效率均為每時(shí)隙1/2個(gè)符號(hào)；性能方面，總體來(lái)說(shuō)，DF模式在誤碼率相同時(shí)，信噪比要低于AF模式，基于Alamouti碼的協(xié)同策略在性能上要比普通協(xié)同策略更好，而改進(jìn)后的Alamouti碼在性能上有了進(jìn)一步提升。但需明白，使用Alamouti碼傳輸方案后，接收設(shè)備的復(fù)雜度更高，接收端要依靠更復(fù)雜的算法合并處理信號(hào)。在使用改進(jìn)后的Alamouti碼傳輸方案時(shí)，接收端需要存儲(chǔ)第一階段接收的信號(hào)，且最后要將三路信號(hào)進(jìn)行合并處理，再進(jìn)行判決，一定程度上增加了接收端處理信號(hào)的難度。但是，對(duì)于復(fù)雜度，改進(jìn)后的分布式空時(shí)碼仍采用正交碼的形式，所以整體上它們的復(fù)雜度都不高，與信號(hào)個(gè)數(shù)與調(diào)制階數(shù)成線(xiàn)性關(guān)系，是工程上可接受的。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文給出了一種適用于單中繼協(xié)同傳輸系統(tǒng)中采用Alamouti碼傳輸?shù)母倪M(jìn)方案。本質(zhì)上，該方案在第二階段接收來(lái)自源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)信息的基礎(chǔ)上，利用第一階段源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播時(shí)發(fā)射的信號(hào)，將三路信號(hào)合并接收，從而提高分集增益。仿真結(jié)果表明，利用改進(jìn)的Alamouti碼傳輸方案，可以大幅提高傳輸性能，且其復(fù)雜度沒(méi)有明顯提高，在工程上實(shí)用性較大。

[1] AlamoutiS M.A Simple Transmit Diversity Technique for W ireless Communications[J].Selec t A reas Commun.,1998,16(10):1451-1458.

[2] Jing Y,HassibiB.Distributed Space-time Coding in W ireless Relay Networks[J].IEEE Trans. W ireless Commun.,2006,5(12):3524-3536.

[3] Laneman JN,W ornellG W.Distribu ted Spacetime-coded Protocolsfor Exp loiting Cooperative Diversity in Wireless Networks[J].IEEETrans. Inform. Theory,2003,49(10):2415-2425.

[4] Antony Vielmon,Ye (Geoffrey) Li,John R. Barry.Performance of Alamouti Transmit Diversity Over Time-Varying Rayleigh-Fading Channels[J].Wireless Commun ications,2004,3(03):1369-1373.

[5] M inChu l Ju,Hyoung-Kyu Song,Il-Min Kim.Exact BER Analysis of Distributed Alamouti’s Code for Cooperative Diversity Networks[J].IEEE Transactions On Communications,2009,57(08):2380-2390.

[6] 魏寧.協(xié)同分集技術(shù)及其在無(wú)線(xiàn)通信中的應(yīng)用研究[D].成都:電子科技大學(xué),2006.

WEI Ning.Research on Cooperative Diversity Technology and Its Application in W ireless Communication[D]. Chengdu:University of Elec tronic Science and technology,2006.

[7] 林威.無(wú)線(xiàn)通信中協(xié)同分集的性能分析與編碼技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2009.

LIN Wei.Performance Analysis and Coding Technology of Cooperative Diversity in Wireless Communication[D]. Chengdu:University of Elec tronic Science and technology,2009.

An Improved Scheme of Cooperative Diversity based on Distributed Alamouti Codes

WANG Ke, LIU Wei, LEI Jing

(Dept. of Communication Engineering, Academy of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha Hunan 420000, China)

Aiming at the problem of low transmission rate and inadequate resource utilization for single relay cooperative communication system based on distributed Alamouti codes, an improved scheme of cooperative diversity based on distributed Alamouti codes is proposed. Based on the traditional scheme, in which the receiving terminal uses two signals from transmit phase and makes the maximal-ratio combining, the improved scheme stores and uses the signal sent by source node in broadcast phase, implements maximalratio combining and receiving of the three signals, thus improving the diversity gain. Simulation results indicate that under the Rayleigh fading channel, the required signal-to-noise ratio can be greatly reduced in the improved scheme as compared with that in the existing cooperative diversity scheme based on Alamouti codes.

MIMO; cooperate; distributed space-time code; maximal-ratio combining

TN914

A

1002-0802(2016)-11-1419-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.11.001

王 珂（1992—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樽越M織網(wǎng)絡(luò)﹑協(xié)同通信；

劉 偉（1979—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)镸IMO無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)；

雷 菁（1968—），女，博士，教授，主要研究方向?yàn)橥ㄐ艂鬏斉c編碼技術(shù)。

2016-07-11；

2016-10-24 Received date:2016-07-11;Revised date:2016-10-24