協(xié)作通信中一種高性能空時二維RAKE接收算法

李東武，裴昌幸，何先燈，孟云亮

(西安電子科技大學ISN國家重點實驗室，西安 710071)

協(xié)作通信中一種高性能空時二維RAKE接收算法

李東武，裴昌幸，何先燈，孟云亮

(西安電子科技大學ISN國家重點實驗室，西安 710071)

將空時二維 RAKE接收機理引入異步協(xié)作通信系統(tǒng)，提出了一種高性能 RAKE接收算法．首先利用該接收機對發(fā)送信息進行粗估計，并判決獲得估計結(jié)果，給出發(fā)射信號的各條多徑分量；然后將多徑分量依次從接收信號中抵消，以消除所接收信號中由多徑衰落產(chǎn)生的符號間干擾，從而獲得所期望的直達路徑分量．對直達路徑分量按照空時分組碼的合并譯碼準則進行空時合并，獲得空間分集增益．在此基礎上通過判決反饋、循環(huán)迭代進一步降低誤碼率．仿真結(jié)果表明，當信噪比高于5,dB后，新算法可顯著提高傳統(tǒng)空時RAKE接收機的性能．

空時RAKE；符號間干擾；分集合并；循環(huán)迭代

空間分集技術(shù)由于具有良好的抗衰落性能，近年來在無線通信領域內(nèi)得到了廣泛的關(guān)注．在早期的算法研究中，空間分集增益需要在發(fā)射機和接收機安裝多個天線，即通過多輸入多輸出(multiple-input multiple-output，MIMO)系統(tǒng)獲得．然而在實際的收發(fā)信機中，尤其是移動通信的小型手持終端中，常因受到體積、功率以及電磁干擾等的限制，很難安裝多個天線[1-3]．

協(xié)作通信系統(tǒng)無需終端安裝多個天線即可獲取空間分集增益，最早由 Sendonaris提出，協(xié)作通信起源于中繼通信，其基本思想是通過多用戶之間共享天線和其他網(wǎng)絡資源的形式構(gòu)成一個虛擬的多天線陣列，并通過分布式處理產(chǎn)生協(xié)作來獲得空間分集增益．該技術(shù)一經(jīng)提出，就吸引了世界各國學者的關(guān)注，各種不同的協(xié)作傳輸協(xié)議或機制紛紛出現(xiàn)，傳統(tǒng)的端到端通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)也逐步演進到協(xié)作通信系統(tǒng)中．目前，協(xié)作通信技術(shù)已成為無線通信領域最熱點的研究課題之一，其模型有兩中繼協(xié)作模型和多中繼協(xié)作模型，源節(jié)點發(fā)出的每組數(shù)據(jù)由中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，所以可以獲得協(xié)作分集增益[4]．協(xié)作分集通過不同終端的天線提供，各終端的發(fā)送信號到達接收機很難實現(xiàn)精確同步，各終端的定時誤差以及各終端到接收機距離的不同是造成同步困難的原因，因此協(xié)作通信是一個典型的異步傳輸系統(tǒng)．傳統(tǒng)的 MIMO系統(tǒng)由于多個天線安裝在同一個收、發(fā)信機，各天線的信號同步到達接收機，這樣就造成將傳統(tǒng)端到端的通信技術(shù)應用于協(xié)作通信系統(tǒng)時，必須針對異步系統(tǒng)進行修正，這個問題對協(xié)作通信技術(shù)的發(fā)展提出了挑戰(zhàn)．

RAKE接收機[5-6]最早在采用擴頻技術(shù)的單天線系統(tǒng)中應用，RAKE接收機的每個支路相關(guān)器對應于多徑衰落信道的一個能量較強的路徑，然后，對所有相關(guān)支路的輸出進行分集合并即可獲取多徑分集增益．在 RAKE接收機基礎上發(fā)展起來的空時二維RAKE接收機可以獲取空間分集與多徑分集增益，在MIMO系統(tǒng)中展開了廣泛的研究．Bottomley等[7]最早對單天線系統(tǒng)的 RAKE接收機性能進行了研究，提出了抗干擾性能容限；Grant等[8]在MIMO系統(tǒng)中研究了空時二維 RAKE接收機的性能容限，提出應用范圍更加廣泛的 G-RAKE模型；文獻[9]提出了對選擇的信道支路進行快速跟蹤算法，可降低信道時變對接收機的影響，該算法顯著提高了 RAKE接收機對實際信道的適應能力，但是與傳統(tǒng)RAKE相同，該算法仍無法分辨超出PN周期的大延遲多徑支路．為進一步降低信道估計過程中的復雜度，文獻[10-12]提出了離散時間 RAKE接收機(C-DTR)，該結(jié)構(gòu)顯著降低了計算復雜度；文獻[13-14]將 C-DTR結(jié)構(gòu)推廣到更多數(shù)目的天線或采用相關(guān)矩陣對 RAKE各支路進行加權(quán)以提高其魯棒性．

目前研究二維 RAKE接收機的算法大多集中在提高其應用性或者降低計算復雜度等方面[15]，而且已有算法都需要保證信道的多經(jīng)延遲不超過碼元周期，即PN碼周期．當信道的多徑延遲比較大，且符號的多徑分量延遲到其他碼元周期時，傳統(tǒng)的空時二維RAKE接收機便無法實現(xiàn)該大延遲多徑分量的獲取與分集合并，從而落入其他碼元周期的多徑分量便會造成符號間干擾(ISI)，對接收機性能造成很大的影響．此外，傳統(tǒng)的 RAKE接收機與空時二維 RAKE接收機一般只能在同步系統(tǒng)工作，在一定程度上對該算法的發(fā)展產(chǎn)生局限性．目前鮮有空時二維 RAKE算法能直接應用于多徑延遲超過碼元周期的異步協(xié)作通信系統(tǒng)，大多徑延遲產(chǎn)生的符號間干擾很難處理．

筆者在多徑延遲超過碼元周期的萊斯衰落信道條件下，研究兩中繼異步協(xié)作通信系統(tǒng)的空時二維RAKE算法．首先，利用傳統(tǒng)的空時RAKE接收機粗估計出發(fā)送信息；然后在此基礎上引入判決反饋機制，利用判決估計結(jié)果估計每個發(fā)射信號的各條多徑分量并抵消，獲得接收信號中的直達路徑分量；最后對直達路徑進行空時合并獲得空間分集增益．新算法從判決反饋到分集合并的處理過程可通過循環(huán)的方式進行，即多級干擾抵消——分集合并的多級反饋結(jié)構(gòu)．該算法可有效消除接收信號中的符號間干擾，適用于異步協(xié)作通信系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明新算法可顯著提高傳統(tǒng)空時二維RAKE接收機的性能．

1 空時二維RAKE接收機模型

式中：?與 ()nδ 分別為卷積運算與 Dirac函數(shù)；Q為擴頻增益；cT為碼片周期；PNql+為PN碼的第q l+個(1 q Q≤ ≤ )碼片，是 PN碼循環(huán)右移l個比特；()nυ為加性高斯白噪聲(additive white Gaussian noise， AWGN)；hij( n)為從第i個發(fā)射天線到第j個接收天線所經(jīng)歷的多徑衰落信道的信道沖激響應(channel impulse response，CIR)；L為 CIR的長度，即多徑延遲；ikd為第i個發(fā)射天線發(fā)出的第k個碼元符號．空時二維 RAKE接收機的處理框圖[6]如圖1所示．

圖 1中接收機有兩個接收天線，為了表示方便，這里假設發(fā)射機只有一個發(fā)射天線，即一發(fā)二收的MIMO系統(tǒng)(M=1,N=2)．接收機接收到信號后，在每個天線處分別進行PN碼相關(guān)積分以及RAKE多徑合并，可得

圖1 空時二維RAKE接收機處理框圖Fig.1 Block diagram of space-time 2D RAKE receiver

在此基礎上，空時二維 RAKE進一步完成對所有天線的RAKE合并結(jié)果進行空間合并．實際上，分集合并的完成需要按照空時分組碼(space-time block coding，STBC)譯碼矩陣完成，這同時需要發(fā)射機進行STBC編碼，本文采用最基本的STBC空時編譯碼算法，限于篇幅，對 STBC的編、譯碼準則不做過多陳述．對式(2)的輸出ky值解調(diào)判決，即可得到對發(fā)送符號kd的估計．

2 協(xié)作通信系統(tǒng)模型

本文研究的是兩個中繼的協(xié)作通信系統(tǒng)，兩中繼系統(tǒng)作為一種協(xié)作通信的基本結(jié)構(gòu)得到了廣泛研究[4]，系統(tǒng)模型如圖2所示

圖2 兩中繼協(xié)作通信系統(tǒng)模型Fig.2 Two relay cooperative communication system model

系統(tǒng)由1個源節(jié)點(S)、2個中繼節(jié)點(Ra和Rb)與目的節(jié)點 D構(gòu)成，此系統(tǒng)被稱之為“鉆石”型架構(gòu)，其他的協(xié)作通信網(wǎng)絡架構(gòu)均由此演變而來．

由于衰落的影響，源節(jié)點與目的節(jié)點之間的直射路徑不存在，但是源節(jié)點與中繼節(jié)點、中繼節(jié)點與目的節(jié)點之間的信道則可以存在直射路徑．在瑞利平坦衰落條件下，從源節(jié)點 S到中繼節(jié)點 Ra、Rb的信道衰落系數(shù)分別是hsa與hsb，而從中繼節(jié)點Ra和Rb到目的節(jié)點 D的信道衰落系數(shù)分別為 had與 hbd，所以，從源節(jié)點分別經(jīng)歷2個中繼節(jié)點到達目的節(jié)點的等效信道衰落系數(shù)為

式中β表示歸一化功率系數(shù)．同理可知，當信道為萊斯多徑衰落情況下，hsa與 hsb、had與 hbd分別為含有多個元素的 CIR 向量，標記為sa()h n與sb()h n、ad()h n與bd()h n，此時等效的源節(jié)點到目的節(jié)點的CIR可通過卷積運算得到，即

若 CIRsa()h n、ad()h n的長度分別為saL 、adL ，則經(jīng)過卷積運算后可得到等效 CIRa()h n的長度為，也就是說，協(xié)作通信在提供協(xié)作分集增益的同時，也會顯著增加等效多徑信道沖激響應的長度．此外，從中繼節(jié)點 Ra和 Rb轉(zhuǎn)發(fā)的信號很可能不同步到達目的節(jié)點，通過圖2也印證了協(xié)作通信為異步通信系統(tǒng)．

3 協(xié)作通信系統(tǒng)中的空時二維RAKE新技術(shù)

3.1 協(xié)作通信的空時二維RAKE接收

將空時二維 RAKE接收機理引入?yún)f(xié)作通信系統(tǒng)，針對圖2所示的兩中繼模型，其接收信號為

式中：ciTΔ 為經(jīng)過中繼i(i=a，b)到達目的節(jié)點的信號支路的延遲時間；iL為經(jīng)過兩個中繼的等效 CIR的長度．由此可得到空時二維 RAKE接收機的輸出信號為

式(8)表示的仍是傳統(tǒng)二維 RAKE技術(shù)的直接應用．在協(xié)作通信中，由于等效CIR的長度相當于兩段CIR的長度之和，因此多徑時延比較大，有可能超過碼元周期，也就是擴頻增益，即iL Q＞ ，在這種情況下如果完全收集多徑分量，則會產(chǎn)生符號間干擾(ISI)，此時式(8)可表示為

3.2 本文所提新算法

圖3為新算法的接收機處理流程．

如圖3所示，接收信號首先經(jīng)過空時二維RAKE處理，解調(diào)判決后可以得到發(fā)送信號的初始解調(diào)結(jié)果，利用該初始值結(jié)合等效 CIR構(gòu)造各多徑分量；然后引入干擾抵消機制，將構(gòu)造的多徑分量從接收信號中抵消，保留最強分量；本文考慮萊斯衰落場景，因而此處干擾抵消的結(jié)果中只保留直射路徑(LOS)分量，此時干擾抵消將信道的頻率選擇性衰落變?yōu)槿鹄教顾ヂ?，這樣傳統(tǒng)的協(xié)作通信系統(tǒng)接收機即可完成分集合并．

圖3 新算法的接收機框圖Fig.3 Receiver′s block diagram of new algorithm

最后，將協(xié)作通信系統(tǒng)中的STBC分集合并技術(shù)應用于LOS()r n，由式(8)可得

3.3 新算法性能分析

假設初始檢測無誤差，該假設在實際中無法達到，但有大量的判決反饋類算法仍然基于此進行性能分析，得到的結(jié)果可作為該算法的理想性能界[16-17].此時式(12)變?yōu)?/p>

由式(13)可見，新算法的輸出信號中只含有帶檢測符號kd的信息，ISI已經(jīng)完全消除．系數(shù)表明該算法能夠獲取兩個中繼轉(zhuǎn)發(fā)帶來的協(xié)作分集增益．

該結(jié)論是在假設空時二維 RAKE算法無檢測誤差的情況下得到，而在實際檢測過程中，這個假設不能保證成立，所以新算法只能將信道由頻率選擇性衰落轉(zhuǎn)變成準平坦衰落．但是，新算法仍然可以明顯消除接收信號中的 ISI，下一節(jié)在實際的萊斯衰落協(xié)作通信信道條件下對新算法的性能進行了仿真驗證．

新算法可以通過多級反饋結(jié)構(gòu)顯著降低系統(tǒng)的誤碼率特性，該過程增加了接收機的計算復雜度，但是，從多徑分量的重構(gòu)到干擾抵消以及分集合并的完成，整個過程均基于線性化的處理，而且主要通過加減運算完成，因此新算法所增加的計算量并不高．此外，筆者在仿真過程中發(fā)現(xiàn)，所提算法在三級迭代的情況下即可有效收斂．如果考慮實際接收機的FPGA實現(xiàn)，綜合檢測性能與計算復雜度的折中考慮，可以采用三級檢測結(jié)構(gòu)，在不過多占用系統(tǒng)資源的前提下盡可能提高檢測性能．

4 計算機仿真與分析

為了驗證本文所提算法的性能，選擇了3條萊斯多徑衰落信道進行性能Monte Carlo仿真．信道1具有 6條路徑，各路徑的歸一化功率分別為 0、-15、-3、-10、-7和-15,dB，各路徑相對于主徑的延遲分別為 0、10,Tc、65,Tc、80,Tc、130,Tc與 160,Tc，信道萊斯因子為0.6,dB．信道2具有9條路徑，各路徑的歸一化功率分別為0、-15、-4、-16、-16、-8、-16、-15和-19,dB，各路徑相對于主徑的延遲分別為 0、10,Tc、65,Tc、80,Tc、115,Tc、130,Tc、160,Tc、195,Tc與 230,Tc，信道萊斯因子為 1.5,dB．信道 3具有 11條路徑，各路徑的歸一化功率分別為 0、-12、-3、-14、-15、-7、-16、-10、-17、-21和-24，各路徑相對于主徑的延遲分別為 0、10,Tc、65,Tc、80,Tc、115,Tc、130,Tc、160,Tc、195,Tc、210,Tc、225,Tc與 240,Tc，信道萊斯因子為 0,dB．3條信道的衰落特性都十分明顯．

信號采用QPSK調(diào)制，擴頻碼采用m序列，長度為 63，兩個中繼之間異步時間達到 5,Tc，因此多徑延遲最大可達到 4個碼元周期．信道服從慢衰落特性，即在一段數(shù)據(jù)塊內(nèi)不發(fā)生明顯變化，在不同的數(shù)據(jù)塊之間則有變化，即塊衰落．此外，仿真假設信道特性在接收機已知，性能仿真結(jié)果如圖4所示．

圖4(a)所示為采用信道1得到的誤碼率(BER)-信噪比(SNR)特性曲線．從圖 4(a)中可見，信噪比低于 4,dB時，新算法稍差于傳統(tǒng)的二維 RAKE接收機，這是由于在干擾抵消過程中，本來的噪聲背景就比較強，干擾抵消基于初始檢測實現(xiàn)，而初始檢測的誤碼率很高，因而新算法反而會引入更多的干擾進來．當信噪比高于 5,dB后，新算法由于消除了接收信號中的 ISI，性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)二維 RAKE接收機；當信噪比為12,dB時，傳統(tǒng)空時二維RAKE接收機的誤碼率曲線在 1×10-2以上出現(xiàn)“平臺”效應，無法進一步降低，而新算法1級反饋結(jié)構(gòu)可將誤碼率平臺降低到 7×10-3左右，而隨著檢測級數(shù)的增加，性能提高非常明顯，2級反饋結(jié)構(gòu)即可將誤碼率平臺降低到 2×10-3，而 3級反饋結(jié)構(gòu)可以將誤碼率平臺降低到1×10-4以下，性能提高非常明顯．

圖 4(b)為采用信道 2得到的誤碼率特性曲線，此時信噪比低于 4,dB時，新算法仍稍差于傳統(tǒng)的空時二維 RAKE接收機，當信噪比高于 5,dB后，新算法可明顯提高檢測性能．當信噪比為 12,dB時，傳統(tǒng)空時二維RAKE接收機的誤碼率高于1×10-2，而新算法1級反饋結(jié)構(gòu)可將誤碼率降低到5×10-3左右，3級反饋結(jié)構(gòu)可將誤碼率平臺降低到10-4數(shù)量級，性能提高非常明顯．

圖4(c)為采用信道3得到的誤碼率特性曲線，該信道由于萊斯因子最小，且多徑數(shù)目眾多，因此特性最為惡劣．此時，新算法隨著信噪比的提高仍可明顯提高傳統(tǒng)的空時二維 RAKE接收機的檢測性能．當信噪比為12,dB時，傳統(tǒng)空時二維RAKE接收機的誤碼率高于1×10-2，而新算法 1級反饋結(jié)構(gòu)可將誤碼率降至8×10-3左右，3級反饋結(jié)構(gòu)可以將誤碼率平臺降低到4×10-4數(shù)量級，性能提高也很顯著．

圖4 誤碼率特性曲線比較Fig.4 Comparison of feature curves of BER

5 結(jié) 語

本文將空時二維 RAKE技術(shù)引入?yún)f(xié)作通信中，并針對協(xié)作通信的異步傳輸、多徑延遲大等特點，結(jié)合干擾抵消機制改進了空時二維 RAKE接收機的性能．新算法消除了接收信號中的符號間干擾，顯著降低了原系統(tǒng)存在的誤碼率“平臺”效應，使得 RAKE接收機在協(xié)作通信中成為可應用的技術(shù)．

［1］ 謝顯中，雷維嘉. 移動通信中的空時信號處理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

Xie Xianzhong，Lei Weijia. Space-Time Signal Processing for Mobile Communication [M]. Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2008(in Chinese).

［2］ 由 磊，雷建軍. 認知無線視覺傳感網(wǎng)絡機會傳輸?shù)姆植际娇鐚觾?yōu)化[J]. 天津大學學報：自然科學與工程技術(shù)版，2013，46(10)：910-916.

You Lei，Lei Jianjun. Distributed cross-layer optimization for opportunistic transmission in cognitive wireless visual sensor networks [J]. Journal of Tianjin University：Science and Technology，2013，46(10)：910-916(in Chinese).

［3］ 楊 挺，張倩倩，閻彥含，等. 物聯(lián)網(wǎng)無線通信傳輸層動態(tài)通道保障機制[J]. 天津大學學報，2012，45(9)：779-784.

Yang Ting，Zhang Qianqian，Yan Yanhan，et al. Dynamic transmission channel guarantee mechanism in wireless internet of things[J]. Journal of Tianjin University，2012，45(9)：779-784(in Chinese).

［4］ Nazari B. Jamalipour A. Cooperative communication with asymmetric channel state information：A contract theoretic modeling approach[J]. China Communications，2013，10(1)：31-43.

［5］ Suzuki Y，Kudoh E，Ogose S. DS-CDMA RAKE receiver with time-window control loop(TWCL)in multipath fading environment [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology，2000，49(1)：167-172.

［6］ Ramos J，Zoltowski M D，Liu Hui. A low-complexity space-time RAKE receiver for DS-CDMA communications [J]. IEEE Signal Processing Letters，1997，4(9)：262-265.

［7］ Bottomley G E，Ottosson T，Wang Y E. A generalized RAKE receiver for interference suppression [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2000，18(8)：1536-1545.

［8］ Grant S J，Molnar K J，Bottomley G E. Generalized RAKE receivers for MIMO systems[C]// IEEE 58th Vehicular Technology Conference. USA，2003，1：424-428.

［9］ Boujemaa H，Siala M. Rake receivers for direct se-quence spread spectrum systems[J]. Annals of Telecomm，2001，56：291-305.

［10］ Boujemaa H，F(xiàn)ratu O，Siala M，et al. On the performance of a discrete time RAKE[C]// The 11th IEEE International Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications. London，UK，2000，2：949-953.

［11］ Boujemaa H. BER performance analysis of the discrete time and the continuous time Rake receivers for the UMTS downlink [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications，2006，5(4)：900-909.

［12］ Baykas T，Siala M，Yongacoglu A. MIMO decorrelating discrete-time RAKE receiver[C]// IEEE 61st Vehicular Technology Conference. Canada，2005，2：1235-1239.

［13］ Bottomley G E，Cozzo C. Rake reception with channel estimation error [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology，2006，55(6)：1923-1926.

［14］ Senaratne D，Tellambura C. Spatial multipath resolution for MIMO systems [J]. IEEE Wireless Communications Letters，2012，1(1)：10-13.

［15］ Foo S E，Beach M A，Karlsson P，et al. Spatiotemporal investigation of UTRA FDD channels[C]// Third International Conference on 3G Mobile Communication Technologies. London，UK，2002：175-179.

［16］ Wang Qiucai，Yuan Chaowei，Zhang Jinbo，et al. Frequency domain DFE for single-carrier STBC block transmission [J]. IEEE Communications Letters，2013，17(6)：1108-1111.

［17］ Deng Lianjun，Kawamura T，Taoka H，et al. Comparative study of open-loop transmit diversity schemes with four antennas in DFT-precoded OFDMA using turbo FDE and iterative channel estimation[C]//IEEE International Conference on Communi-cation Systems (ICCS). Singapore，2012：513-518.

（責任編輯：趙艷靜）

A Space-Time Two Dimensional RAKE Receiving Algorithm in Asynchronous Cooperative Communications System with High Performance

Li Dongwu，Pei Changxing，He Xiandeng，Meng Yunliang
(State Key Laboratory of Integrated Services Networks，Xidian University，Xi’an 710071，China)

Space-time two dimensional RAKE receiver was introduced into the asynchronous and cooperative communication system，and a high-performance RAKE receiving algorithm was proposed. In this algorithm，the transmitting signals were estimated roughly by traditional space-time RAKE receiver，and each multipath component of transmitted signal was also estimated with decision feedback technology. Then，the multipath components were eliminated from the received signal，so the inter symbol interference of received signal was removed and the strongest path component was obtained correspondingly. Furthermore，the stronger paths were combined according to the decoding standards of space-time block code in order to obtain space diversity gain. The decision feedback architecture was investigated in which a new algorithm was performed iteratively in order to reduce the bit error rate. Simulation results show that performance of traditional RAKE receiver can be improved greatly when SNR is higher than 5,dB.

space-time RAKE；inter symbol interference；diversity combine；cyclic iteration

TN929

：A

：0493-2137(2014)09-0778-07

10.11784/tdxbz201308071

2013-08-29；

2014-01-23.

國家自然科學基金資助項目(61072067，61372076)；高等學校學科創(chuàng)新引智計劃資助項目(B08038)；國家重點實驗室專項基金資助項目(ISN1001004).

李東武（1981— ），男，博士研究生，dongwuli@163.com.

裴昌幸，chxpei@xidian.edu.cn.

時間：2014-03-07.

http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201308071.html.