基于Alamouti 碼的OFDM 協(xié)作系統(tǒng)中繼選擇算法

唐建春,劉思艷,崔 苗

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

0 引言

無線中繼技術(shù)是近年來通信領(lǐng)域研究的熱點之一。 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)點能優(yōu)化通信系統(tǒng)的性能。 目前,中繼節(jié)點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信道信息的機(jī)會中繼選擇。 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)點選擇是根據(jù)系統(tǒng)中各個節(jié)點的位置分布情況來進(jìn)行。 根據(jù)地理位置信息方法比較適合于各個節(jié)點位置相對固定或信道狀態(tài)變化較緩慢的情況。

針對自組網(wǎng)分布式特點,文獻(xiàn)[6]提出一種分布式基于瞬時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),通過目的節(jié)點的有限反饋,既實現(xiàn)中繼的選擇,又實現(xiàn)自動重傳。 針對多個中繼節(jié)點選擇的研究,文獻(xiàn)[9]提出一種基于輸出門限的準(zhǔn)則來選擇多中繼。 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)來降低節(jié)點的平均傳輸能耗。 中繼節(jié)點的選擇基于瞬時信道增益且由目的節(jié)點完成。 該方法降低了平均傳輸功率,但目的節(jié)點仍需要反饋的信息很大,且中繼節(jié)點處理復(fù)雜度提高,中繼節(jié)點之間的不同步增加了目的節(jié)點的接收復(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 基于單個子載波的中繼選擇方式,目的節(jié)點可以為源節(jié)點每一個子載波上的信息選擇最好的中繼參與協(xié)作;② 基于單個OFDM 符號的中繼選擇方式,目的節(jié)點為源節(jié)點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)作無線傳輸系統(tǒng),如圖1 所示,由一個源節(jié)點、多個中繼節(jié)點和一個目標(biāo)節(jié)點組成。 每個節(jié)點配置單個天線,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)點與目的節(jié)點進(jìn)行通信,其通信鏈路為源節(jié)點至目的節(jié)點鏈路,通常也稱為直達(dá)鏈路(Direct Link,DL)。 在源節(jié)點和目的節(jié)點周圍存在多個中繼節(jié)點,用于協(xié)作傳輸。 直達(dá)鏈路的信道狀態(tài)較好時,源節(jié)點與目的節(jié)點可以通過直達(dá)鏈路實現(xiàn)通信,無需中繼節(jié)點協(xié)作;直達(dá)鏈路的信道狀態(tài)較差時,中繼節(jié)點可參與協(xié)作,向目的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來自源節(jié)點的信息,實現(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 碼合并后的信號可以表示為：

最大似然檢測可在每個合并后的信號上獨立進(jìn)行,因而以最低的檢測復(fù)雜度獲得最優(yōu)的檢測性能。

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)點接收到的數(shù)據(jù)序列中第k 和k + 1 個OFDM 頻域信號可表示為：

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

在第n 個子載波上,合并后的頻域信號分別為：

可以看出,第n 個子載波上,合并后的頻域接收信號的接收信噪比為：

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)是從多個中繼中選擇一個并使得對應(yīng)的ΔAF1最大。在該模式下,ΔAF1取決于源節(jié)點至目的節(jié)點的信道信息;在歸一化信道能量假設(shè)下,滿足= 1和?1,因此：

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

2.2 無直達(dá)鏈路下的AF 雙中繼選擇的判決量

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

同理可以計算出,第n 個子載波上,合并后的頻域接收信號,所有子載波上的信噪比和為：

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

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

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)點接收到的數(shù)據(jù)序列中第k 和k + 1 個OFDM 頻域信號可表示為：

可得第n 個子載波上,合并后的頻域接收信號所有子載波上的信噪比和為：

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

2.4 無直達(dá)鏈路下的DF 雙中繼選擇的判決量

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

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

為了簡化中繼選擇流程,每個中繼節(jié)點根據(jù)自身鏈路的信道信息計算如下判決量：

3 算法性能的仿真驗證

在無傳輸損耗(表示不考慮中繼系統(tǒng)各節(jié)點之間的相對位置及相對距離)和假設(shè)信道的平均功率為1 的情況下,通過蒙特卡羅仿真說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 時無直接鏈路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,基于OFDM 的Alamouti 編碼可在每個子載波上單獨實現(xiàn)。 當(dāng)多個中繼中選擇2 個進(jìn)行Alamouti 編碼時,實際中較難為每個子載波選擇不同的中繼進(jìn)行Alamouti 編碼,而采用以一個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,中繼選擇所帶來的分集增益并不明顯,如圖3 所示。

圖2 多徑數(shù)目=1 時無直接鏈路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 時無直接鏈路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 為考慮傳輸損耗時本文提出的中繼選擇算法對系統(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)的多中繼選擇帶來明顯增益,即隨著中繼候選節(jié)點越多,利用本文所提最佳節(jié)點選擇算法,系統(tǒng)性能更好,可適用在傳輸損耗的系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

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)。