唐建春,劉思艷,崔 苗

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所,廣東 廣州 510310; 2.中國(guó)人民解放軍75841 部隊(duì),云南 昆明650000)

0 引言

無(wú)線中繼技術(shù)是近年來(lái)通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)由源、中繼和目標(biāo)構(gòu)成,該技術(shù)能擴(kuò)大無(wú)線系統(tǒng)的高速率覆蓋范圍并取得協(xié)作分集增益[1-2]。 中繼傳輸策略有放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)2 種。

合理選擇協(xié)作系統(tǒng)中繼節(jié)點(diǎn)能優(yōu)化通信系統(tǒng)的性能。 目前,中繼節(jié)點(diǎn)選擇的研究包括基于地理位置信息/平均信噪比的中繼選擇和基于瞬時(shí)信道信息的機(jī)會(huì)中繼選擇。 文獻(xiàn)[3]提出基于地理位置信息的中繼選擇算法,用于自組織網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多跳傳輸系統(tǒng)。 文獻(xiàn)[4]提出一種基于平均信噪比準(zhǔn)則的簡(jiǎn)單中繼選擇方式,用于解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode and Forward,DF)系統(tǒng),中繼的選擇取決于其與目的節(jié)點(diǎn)之間的平均信噪比的大小。 文獻(xiàn)[5]提出基于平均信噪比的多跳傳輸系統(tǒng)的中繼選擇方式。 上述3 種中繼節(jié)點(diǎn)選擇是根據(jù)系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置分布情況來(lái)進(jìn)行。 根據(jù)地理位置信息方法比較適合于各個(gè)節(jié)點(diǎn)位置相對(duì)固定或信道狀態(tài)變化較緩慢的情況。

針對(duì)自組網(wǎng)分布式特點(diǎn),文獻(xiàn)[6]提出一種分布式基于瞬時(shí)信道信息的中繼選擇算法。 文獻(xiàn)[7]提出以最大化網(wǎng)絡(luò)存活時(shí)間為目標(biāo)的中繼選擇方式,降低了分布式網(wǎng)絡(luò)中控制信息數(shù)量。 文獻(xiàn)[8]引入混合ARQ 反饋機(jī)制到解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)作系統(tǒng),通過(guò)目的節(jié)點(diǎn)的有限反饋,既實(shí)現(xiàn)中繼的選擇,又實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重傳。 針對(duì)多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)選擇的研究,文獻(xiàn)[9]提出一種基于輸出門限的準(zhǔn)則來(lái)選擇多中繼。 文獻(xiàn)[10]提出當(dāng)更多的中繼參與協(xié)作,結(jié)合波束成型多天線技術(shù)來(lái)降低節(jié)點(diǎn)的平均傳輸能耗。 中繼節(jié)點(diǎn)的選擇基于瞬時(shí)信道增益且由目的節(jié)點(diǎn)完成。 該方法降低了平均傳輸功率,但目的節(jié)點(diǎn)仍需要反饋的信息很大,且中繼節(jié)點(diǎn)處理復(fù)雜度提高,中繼節(jié)點(diǎn)之間的不同步增加了目的節(jié)點(diǎn)的接收復(fù)雜度。

在多徑信道衰落下的中繼選擇研究上,文獻(xiàn)[11]提出多徑信道下基于OFDM 的中繼協(xié)作方式,用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)上行系統(tǒng)。 針對(duì)放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify and Forward,AF)方式,文獻(xiàn)[12]以Pairwise Error Probability 為準(zhǔn)則,提出2 種中繼選擇方式：① 基于單個(gè)子載波的中繼選擇方式,目的節(jié)點(diǎn)可以為源節(jié)點(diǎn)每一個(gè)子載波上的信息選擇最好的中繼參與協(xié)作;② 基于單個(gè)OFDM 符號(hào)的中繼選擇方式,目的節(jié)點(diǎn)為源節(jié)點(diǎn)的所有子載波分配最好的中繼參與協(xié)作。

1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)屬于多中繼協(xié)作無(wú)線傳輸系統(tǒng),如圖1 所示,由一個(gè)源節(jié)點(diǎn)、多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成。 每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置單個(gè)天線,均采用帶循環(huán)前綴的正交頻分復(fù)用(CP-OFDM)的多載波調(diào)制/解調(diào)方式。

圖1 多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)Fig.1 Multi-relay cooperative communication system

此外,系統(tǒng)中源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,其通信鏈路為源節(jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)鏈路,通常也稱為直達(dá)鏈路(Direct Link,DL)。 在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)周圍存在多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn),用于協(xié)作傳輸。 直達(dá)鏈路的信道狀態(tài)較好時(shí),源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)直達(dá)鏈路實(shí)現(xiàn)通信,無(wú)需中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作;直達(dá)鏈路的信道狀態(tài)較差時(shí),中繼節(jié)點(diǎn)可參與協(xié)作,向目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的信息,實(shí)現(xiàn)空間分集增益,提高通信質(zhì)量。 該系統(tǒng)采用AF 和DF 兩種常用的中繼協(xié)作方式。

本系統(tǒng)采用的編碼矩陣為：

相應(yīng)的,在接收端Alamouti 碼合并后的信號(hào)可以表示為：

最大似然檢測(cè)可在每個(gè)合并后的信號(hào)上獨(dú)立進(jìn)行,因而以最低的檢測(cè)復(fù)雜度獲得最優(yōu)的檢測(cè)性能。

2 基于Alamouti 的放大/解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼選擇的判決量選取

2.1 存在直達(dá)鏈路下的AF 單中繼選擇的判決量

在存在直達(dá)鏈路下的AF 單中繼協(xié)作傳輸模式下,目的節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)序列中第k 和k + 1 個(gè)OFDM 頻域信號(hào)可表示為：

其 中, Hsr?d= Hrd(Hsr)?= [()?,…,(),=- Hrd()?,=+Hrd·()?。 根據(jù)Alamouti 譯碼方式,接收信號(hào)以如下方式進(jìn)行合并：

在第n 個(gè)子載波上,合并后的頻域信號(hào)分別為：

可以看出,第n 個(gè)子載波上,合并后的頻域接收信號(hào)的接收信噪比為：

所有子載波上的信噪比和為：

由式(9)可以看出,該模式下中繼選擇的目標(biāo)是從多個(gè)中繼中選擇一個(gè)并使得對(duì)應(yīng)的ΔAF1最大。在該模式下,ΔAF1取決于源節(jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)的信道信息;在歸一化信道能量假設(shè)下,滿足= 1和?1,因此：

為了簡(jiǎn)化中繼選擇流程,每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)m 只需根據(jù)自身鏈路的信道信息計(jì)算出如下判決量：

2.2 無(wú)直達(dá)鏈路下的AF 雙中繼選擇的判決量

在AF 單中繼協(xié)作傳輸模式下且無(wú)直達(dá)鏈路時(shí),目的節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)序列中第k 和k + 1 個(gè)OFDM 頻域信號(hào)可表示為：

同理可以計(jì)算出,第n 個(gè)子載波上,合并后的頻域接收信號(hào),所有子載波上的信噪比和為：

由式(13)可以看出,ΔAF2取決于2 個(gè)中繼鏈路的信道信息,這需要中繼節(jié)點(diǎn)知道全部中繼鏈路的信道信息,這是不切實(shí)際的。 在歸一化信道能量的假設(shè)下,滿足=1 和?1,ΔAF2可化簡(jiǎn)為：

因此,為了簡(jiǎn)化中繼選擇流程,每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)m只需基于自身鏈路的信道信息計(jì)算如下判決量：

2.3 存在直達(dá)鏈路下的DF 單中繼選擇的判決量

在存在直達(dá)鏈路下的DF 單中繼協(xié)作傳輸模式下,目的節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)序列中第k 和k + 1 個(gè)OFDM 頻域信號(hào)可表示為：

可得第n 個(gè)子載波上,合并后的頻域接收信號(hào)所有子載波上的信噪比和為：

為了簡(jiǎn)化中繼選擇流程,每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)m 只需基于自身鏈路的信道信息計(jì)算如下判決量：

2.4 無(wú)直達(dá)鏈路下的DF 雙中繼選擇的判決量

無(wú)直達(dá)鏈路的DF 雙中繼協(xié)作傳輸模式下,目的節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)序列中第k 和k + 1 個(gè)OFDM頻域信號(hào)可表示為：

根據(jù)Alamouti 譯碼方式,可以計(jì)算出第n 個(gè)子載波上,合并后的頻域接收信號(hào)所有子載波上的信噪比和為：

為了簡(jiǎn)化中繼選擇流程,每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身鏈路的信道信息計(jì)算如下判決量：

3 算法性能的仿真驗(yàn)證

在無(wú)傳輸損耗(表示不考慮中繼系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)位置及相對(duì)距離)和假設(shè)信道的平均功率為1 的情況下,通過(guò)蒙特卡羅仿真說(shuō)明本文所提算法性能。 具體仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

圖2 和圖3 分別描述多徑數(shù)目為1 和4 時(shí)無(wú)直接鏈路AF 雙中繼協(xié)作系統(tǒng)的中繼選擇性能,可以看出候選中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多,因而中繼選擇的分集增益的影響越明顯。

首先分析中繼選擇算法對(duì)基于Alamouti 的OFDM中繼協(xié)作系統(tǒng)在不同多徑衰落下的協(xié)作分集增益的影響。 由于Alamouti 編碼是在于平坦信道環(huán)境下提出,而當(dāng)其用于多徑衰落信道環(huán)境下時(shí),基于OFDM 的Alamouti 編碼可在每個(gè)子載波上單獨(dú)實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)多個(gè)中繼中選擇2 個(gè)進(jìn)行Alamouti 編碼時(shí),實(shí)際中較難為每個(gè)子載波選擇不同的中繼進(jìn)行Alamouti 編碼,而采用以一個(gè)OFDM(全部子載波)為單位的中繼選擇,因此在多徑信道徑數(shù)逐漸增加(大于1)的情況下,中繼選擇所帶來(lái)的分集增益并不明顯,如圖3 所示。

圖2 多徑數(shù)目=1 時(shí)無(wú)直接鏈路AF 雙中繼協(xié)作系統(tǒng)的中繼選擇性能Fig.2 Relay selection performance of AF two relays cooperative system(multi-path = 1)

圖3 多徑數(shù)目=4 時(shí)無(wú)直接鏈路AF 雙中繼協(xié)作系統(tǒng)的中繼選擇性能Fig.3 Relay selection performance of AF two relays cooperative system (multi-path = 4)

圖4 為考慮傳輸損耗時(shí)本文提出的中繼選擇算法對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響。

圖4 有傳輸損耗的中繼選擇性能Fig.4 Relay selection performance of transmission loss

這時(shí)傳輸損耗和信道的平均能量在0. 5 ～4. 5之間均勻分布。 可以看出基于Alamouti 的OFDM中繼協(xié)作系統(tǒng)的多中繼選擇帶來(lái)明顯增益,即隨著中繼候選節(jié)點(diǎn)越多,利用本文所提最佳節(jié)點(diǎn)選擇算法,系統(tǒng)性能更好,可適用在傳輸損耗的系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了在Alamouti 碼的OFDM 協(xié)作系統(tǒng)中基于判決量的最佳中繼選擇算法。 通過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)建模、理論分析和仿真證明該算法可適用在中繼系統(tǒng)中。 中繼候選節(jié)點(diǎn)越多,系統(tǒng)性能越好,可適用在有傳輸損耗的中繼協(xié)作通信系統(tǒng)。