萊斯衰落信道下協(xié)作通信的分集接收算法

萊斯衰落信道下協(xié)作通信的分集接收算法*

李東武裴昌幸

(西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710071)

摘要：針對協(xié)作通信系統(tǒng)提出一種新型分集接收算法.首先在中繼節(jié)點(diǎn)對發(fā)送信號做空時(shí)分組編碼處理，當(dāng)接收機(jī)接收到信號后進(jìn)行快速傅里葉變換，再進(jìn)行空時(shí)與頻域的聯(lián)合均衡運(yùn)算，最后變換到時(shí)域硬判決，從而得到發(fā)送信號的估計(jì)結(jié)果.通過采用判決反饋與干擾抵消等聯(lián)合處理方法，可獲得中繼的協(xié)作分集增益，降低了均衡過程的信噪比損失，提高了協(xié)作通信的傳輸質(zhì)量.仿真結(jié)果表明，當(dāng)信噪比為12dB時(shí)，所提接收算法可將傳統(tǒng)算法的誤碼率數(shù)量級從10-2降低到10-3.

關(guān)鍵詞：空時(shí)分組碼；傅里葉變換；頻域均衡；協(xié)作通信；分集增益

中圖分類號：TN929

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2015.03.013

文章編號：1000-565X(2015)03-0090-08

收稿日期：2014-05-19

基金項(xiàng)目：* 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (61340035)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014J4100246)

作者簡介：周雄(1988-)，男，博士生，主要從事Femtocell研究. E-mail: zhouxiongbupt@gmail.com

空間分集接收技術(shù)能在不提高硬件成本的條件下，顯著提高無線通信的傳輸速率與傳輸?shù)目煽啃?，近年來在無線通信學(xué)術(shù)領(lǐng)域內(nèi)受到了廣泛的關(guān)注.早期的算法研究中，空間分集增益的獲取需要通過發(fā)射機(jī)或者接收機(jī)安裝多個(gè)天線，即通過構(gòu)建多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)來獲得.但是，在實(shí)際收發(fā)信機(jī)中，尤其是小型的移動(dòng)通信手持終端，由于常常受到功率、體積以及電磁干擾等限制，很難安裝多天線[1-2].

協(xié)作通信[3]無需收、發(fā)端安裝多個(gè)天線即可獲取分集增益，起源于中繼通信，由Sendonaris等[4]提出，其思想是通過多用戶共享天線與其他網(wǎng)絡(luò)資源構(gòu)成一個(gè)虛擬多天線系統(tǒng)，然后通過分布式處理來獲得空間分集增益.該技術(shù)一經(jīng)提出，就受到全世界學(xué)者的廣泛關(guān)注，各種不同的協(xié)作傳輸機(jī)制紛紛出現(xiàn)，傳統(tǒng)端到端通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)也逐步演進(jìn)到協(xié)作通信系統(tǒng).常見的中繼協(xié)議有放大—轉(zhuǎn)發(fā)、譯碼—轉(zhuǎn)發(fā)、壓縮—轉(zhuǎn)發(fā)以及編碼—轉(zhuǎn)發(fā)等多種形式[5].

單載波頻域均衡(SC-FDE)技術(shù)[6-7]具有非常好的抗頻率選擇性衰落的能力以及低的運(yùn)算復(fù)雜度，而且單載波信號的峰均功率比很低，很適合高速的數(shù)據(jù)傳輸.在MIMO系統(tǒng)中Alamouti提出空時(shí)分組碼(STBC)，能利用多個(gè)天線的發(fā)射分集增益來提高傳輸性能，接收機(jī)只需線性復(fù)雜度的處理即可實(shí)現(xiàn)最大似然譯碼，在安裝兩個(gè)發(fā)射天線、一個(gè)接收天線的MIMO系統(tǒng)中，STBC可以滿速率實(shí)現(xiàn)發(fā)射分集[8].與STBC相結(jié)合的SC-FDE算法(STBC-SC-FDE)[9]可以兼具STBC的空間分集增益以及SC-FDE的低運(yùn)算復(fù)雜度，在頻率選擇性衰落信道下可以取得良好的性能.在STBC-SC-FDE基礎(chǔ)之上，文獻(xiàn)[10]提出多用戶聯(lián)合空時(shí)檢測算法，文獻(xiàn)[11]提出時(shí)變的頻率選擇性衰落信道的信道估計(jì)，也有國內(nèi)外其他專家學(xué)者研究自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)[12-13].Wang等[14]將STBC塊傳輸技術(shù)應(yīng)用于協(xié)作通信，提出了一種能夠提供協(xié)作分集的傳輸系統(tǒng).文獻(xiàn)[15]在采用頻分多址的協(xié)作通信系統(tǒng)中采用這種傳輸方案；文獻(xiàn)[16]在協(xié)作基站中采用自適應(yīng)頻域均衡；Wu等[17]提出了利用STBC-SC-FDE實(shí)現(xiàn)多中繼的波束成形技術(shù)；發(fā)射—接收機(jī)聯(lián)合的頻域均衡以及發(fā)射機(jī)功率分配的實(shí)現(xiàn)方式均在文獻(xiàn)[18]中提出.此外，還有文獻(xiàn)研究在判決—轉(zhuǎn)發(fā)模式的多用戶的協(xié)作中繼系統(tǒng)中應(yīng)用STBC-SC-FDE[19]傳輸體制，同時(shí)還有針對該系統(tǒng)的中繼選擇問題的探討[20].

上述算法都是在空時(shí)合并后通過頻域均衡器來消除頻率選擇性衰落，只能獲得部分的分集增益，而后期提出的自適應(yīng)處理也只能使得該算法便于實(shí)際應(yīng)用，而無法改進(jìn)其檢測性能，因此，所有算法的檢測性能相比文獻(xiàn)[9]都沒有明顯的改進(jìn).文中利用STBC-SC-FDE的檢測結(jié)果與信道沖激響應(yīng)(CIR)重構(gòu)各條路徑的多徑信號并從接收信號抵消，獲得并保留接收信號中的視距(LOS)分量，將信道的頻率選擇性衰落轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)平坦衰落，即消除了多徑衰落的干擾，然后，對LOS分量進(jìn)行STBC的空時(shí)合并后判決，可明顯改善系統(tǒng)的整體性能.

1協(xié)作系統(tǒng)模型

文中研究了兩個(gè)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)得到了廣泛的研究[2]，系統(tǒng)模型如圖1所示.

圖1　兩中繼協(xié)作通信系統(tǒng)模型 Fig.1　Cooperative communication system with two relays

系統(tǒng)由源節(jié)點(diǎn)(S)、兩個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)(Ra和Rb)與目的節(jié)點(diǎn)D構(gòu)成，此系統(tǒng)被稱之為“鉆石”型架構(gòu)，其他協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)都由此演變而來.由于衰落的影響，源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的直射路徑不存在，但是源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)S到中繼節(jié)點(diǎn)Ra和Rb的信道衰落系數(shù)分別是hsa與hsb，而從中繼節(jié)點(diǎn)Ra和Rb到目的節(jié)點(diǎn)D的信道衰落系數(shù)分別為had與hbd，所以，從源節(jié)點(diǎn)分別經(jīng)歷兩個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的等效信道衰落系數(shù)為：

(1)

式中β表示歸一化功率系數(shù).同理可知，當(dāng)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(gè)元素組成的CIR向量，分別記為hsa(n)與hsb(n)、had(n)與hbd(n)，此時(shí)等效的源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的CIR可通過下式的卷積運(yùn)算得到：

(2)

若CIRhsa(n)的長度為Msa，had(n)的長度為Mad，則經(jīng)過卷積運(yùn)算后可得到等效CIRha(n)的長度為Ma=Msa+Mad-1，這就是說，協(xié)作通信在提供協(xié)作分集增益的同時(shí)，也會(huì)增加等效多徑信道沖激響應(yīng)的長度.

2協(xié)作通信系統(tǒng)中基于STBC-SC-FDE的分集傳輸2.1結(jié)合SC-FDE的STBC算法

(3)

(4)

式中，υ(j)表示第j個(gè)數(shù)據(jù)塊時(shí)的噪聲向量，H(j)i為第j個(gè)數(shù)據(jù)塊時(shí)第i(i=1,2)個(gè)發(fā)射天線到接收天線的信道傳輸特性矩陣.對y(j)進(jìn)行傅里葉變換(FFT)可得到

(5)

(6)

其中(·)*表示復(fù)共軛轉(zhuǎn)置.式(6)兩邊同乘以Λ*可得到

(7)

(8)

式中，SNR表示接收信號的信噪比.將均衡器的輸出變換到時(shí)域并判決，即可得到對發(fā)送信號的估計(jì).該算法在式(7)所示的空時(shí)合并過程中會(huì)得到空間分集的增益，而經(jīng)過均衡器的處理后會(huì)損失信噪比，實(shí)際上，STBC-SC-FDE算法只能獲得部分的分集增益.

2.2新算法的干擾抵消策略

新算法的接收機(jī)如圖2所示，對于經(jīng)過中繼轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)的接收信號，首先通過頻域空時(shí)的聯(lián)合處理得到初始解，然后進(jìn)行干擾抵消消除多徑造成的影響，再進(jìn)行第2次空時(shí)合并并判決輸出.

圖2　新算法的接收機(jī)框圖 Fig.2　Block diagram of new reception algorithm

(9)

(10)

(11)

對比式(4)的帶有多徑干擾的接收信號y(j)與式(11)經(jīng)過干擾抵消后的主徑信號分量φ(j)，顯然式(4)表明發(fā)射信號經(jīng)過了頻率選擇性衰落信道，而式(11)表明發(fā)射信號經(jīng)過了平坦衰落信道，因此新算法可將發(fā)射節(jié)點(diǎn)經(jīng)中繼轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的整體等效信道的頻率選擇性衰落轉(zhuǎn)變?yōu)槠教顾ヂ洌撕髮κ?11)的主徑分量采用STBC合并譯碼算法按下式處理：

(12)

(13)

(14)

對ξx1(k)和ξx2(k)分別解調(diào)判決，即可得到發(fā)送信號的最終解調(diào)結(jié)果.

2.3復(fù)雜度分析

文中所提算法是在傳統(tǒng)空時(shí)頻域均衡聯(lián)合處理的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完成，因此新算法的計(jì)算復(fù)雜度有所增加.原算法的計(jì)算量主要體現(xiàn)在接收信號的FFT、傅里葉反變換(IFFT)以及頻域均衡，而新算法所增加的計(jì)算量則主要體現(xiàn)在信號重構(gòu)、干擾抵消以及空時(shí)合并這3個(gè)環(huán)節(jié)，由于式(10)所示的干擾抵消只需要加減法運(yùn)算，相比乘法可忽略不計(jì)，新算法與原算法的乘法運(yùn)算量比較如表1所示.

新算法與原算法的總運(yùn)算量比值為

表1算法計(jì)算量對比Table1Comparisonofcalculationamountofalgorithms

運(yùn)算FFT與IFFT頻域均衡信號重構(gòu)干擾抵消空時(shí)合并總乘法運(yùn)算量原算法NlgNN000NlgN+N新算法NlgNNN(L-1)0NNlgN+N(L+1)

(15)

2.4性能分析

式(13)給出的是新算法在假設(shè)理想的情況下得到的近似情況，該近似解可認(rèn)為是新算法所能達(dá)到的理論性能下界，在此理想情況下，最終合并信號的信噪比為

(16)

其中，‖‖2表示二范數(shù)，對式(16)化簡可得到

(17)

式中σ2為噪聲的方差，而式(8)所表達(dá)的空時(shí)與頻域均衡處理后，輸出信號的信噪比[9-10]為

(18)

對比式(17)與式(18)不難看出，新算法在理論情況下可以取得明顯高于空時(shí)聯(lián)合均衡的信噪比輸出，從而可以取得更加良好的檢測性能.但是，該結(jié)論是在假設(shè)初始檢測即STBC-SC-FDE檢測算法無誤差的情況下得到的，而實(shí)際檢測過程中無法保證這個(gè)假設(shè)成立.因此新算法只能將信道的頻率選擇性衰落轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)平坦衰落，此時(shí)仍然可以明顯改善發(fā)射信號的符號間干擾現(xiàn)象，下一節(jié)在實(shí)際無線通信信道條件下仿真驗(yàn)證了該算法的性能.

3仿真結(jié)果與分析

對文中算法的實(shí)際檢測性能在兩中繼協(xié)作通信萊斯衰落信道下進(jìn)行了Monte Carlo仿真試驗(yàn)，仿真中選擇的萊斯衰落信道共有5條傳輸路徑，各路徑的延遲分別為0、1、3、5和9個(gè)符號周期，其中0延遲的路徑為萊斯信道的主徑分量，其余為多徑分量；萊斯信道1中，各路徑的歸一化功率分別取0、-4、-6、-9和-10dB；萊斯信道2中，各路徑的的歸一化功率分別取0、-6、-9、-11和-15dB.兩個(gè)萊斯衰落信道的參數(shù)如表2所示.信號采用QPSK調(diào)制，符號速率為1MB，數(shù)據(jù)塊長度為1024b，CIR的長度為10個(gè)符號，因此采用10個(gè)符號長度的CP來消除數(shù)據(jù)塊間干擾.

誤碼特性仿真結(jié)果如圖3所示，仿真參數(shù)是采用表2中萊斯衰落信道1的參數(shù).圖中“空間頻域聯(lián)合處理”表示接收信號直接進(jìn)行空時(shí)合并與頻域均衡的聯(lián)合信號處理后的檢測結(jié)果，該處理方式存在背景噪聲放大的問題，因此誤碼率比較高；同時(shí)，該算法又消除了符號間干擾，因此性能比“無處理”的直接判決方式性能明顯更優(yōu).但是，由于所選擇的協(xié)作中繼傳輸信道條件比較惡劣，均衡過程帶來比較大的信噪比劣化.“空間頻域聯(lián)合處理-干擾抵消”是文中新算法，從仿真得到的誤碼率曲線比較可以看到，信噪比低于5dB時(shí)新算法性能稍有不如原算法，這是因?yàn)楦蓴_抵消基于初始解完成，而信噪比低時(shí)初始解的誤碼率比較高，因此干擾抵消過程反而帶來了初始檢測誤差傳播的影響.當(dāng)信噪比高于5dB后，新算法可以取得比空間頻域處理算法更優(yōu)的性能，當(dāng)信噪比為12dB時(shí)，新算法的誤碼率在10-3以下，相對于原算法的10-2，改進(jìn)很明顯.

表2萊斯衰落信道參數(shù)
Table 2Coefficients of the Ricean fading channels

萊斯衰落信道各路徑延遲(符號周期)各路徑衰減/dB10,1,3,5,90,-4,-6,-9,-1020,1,3,5,90,-6,-9,-11,-15

圖3　萊斯衰落信道1的誤碼率特性曲線比較 Fig.3　Comparison of feature curves of bit error rate in Ricean fading channel 1

圖4為新算法在萊斯衰落信道2的條件下的仿真結(jié)果，為比較新算法的檢測性能，這里對文獻(xiàn)[18]的算法同時(shí)進(jìn)行了仿真對比.從圖中可見，新算法仍然可以明顯改善系統(tǒng)的檢測性能，而文獻(xiàn)[18]的算法性能雖然與傳統(tǒng)的空時(shí)頻域聯(lián)合處理技術(shù)相比明顯提高，但是仍然不如文中所提新算法.

圖4　萊斯衰落信道2中的誤碼率特性曲線比較 Fig.4　Comparison of feature curves of bit error rate in Ricean fading channel 2

4結(jié)語

文中將空時(shí)頻域聯(lián)合均衡技術(shù)引入?yún)f(xié)作通信系統(tǒng)中，并且基于干擾抵消技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，提出一種新型分集合并算法.該算法的目標(biāo)是消除接收信號中的多徑干擾，然后再進(jìn)行空間合并，可有效提高系統(tǒng)的傳輸性能.新算法在提高檢測性能的同時(shí)，也需付出額外的計(jì)算量開銷，只是所增加的計(jì)算復(fù)雜度隨著數(shù)據(jù)塊的長度呈線性增加，并不會(huì)顯著提高整體計(jì)算量.

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Diversity Reception Algorithm for Cooperative Communications in

Ricean Fading Channels

LiDong-wuPeiChang-xing

(State Key Laboratory of Integrated Services Networks, Xidian University, Xi’an 710071, Shaanxi, China)

Abstract:Proposed in this paper is a new diversity receiving algorithm for cooperative communication systems. Firstly, space-time block coding is carried out by relay nodes to acquire a transmission signal. Secondly, spatial and frequency domain equalization is executed to the received signal by means of fast Fourier transform (FFT) at the receiver. Then, the transmitted signal is estimated by hard decisions after inverse FFT operations. In this algorithm, a new scheme combining decision feedback and interference cancellation is adopted to acquire cooperative diversity gain of the relay and to reduce the signal-to-noise ratio (SNR) loss in the process of equalization. Thus, transmission quality of cooperative communications is improved. Simulated results show that the proposed algorithm decreases the magnitude of bit error rate from original 10-2 to 10-3 when SNR is 12dB.

Key words: space-time block code; Fourier transform; frequency domain equalization; cooperative communication; diversity gain

Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China(NSFC)(61340035)

?通信作者： 馮穗力(1955-)，男，教授，主要從事通信網(wǎng)絡(luò)研究.E-mail: fengsl@scut.edu.cn