基于自適應量化信道信息的機會中繼選擇研究

摘 要:針對協(xié)同蜂窩網(wǎng)中基于發(fā)送量化信道狀態(tài)信息的中繼選擇方案下，目的節(jié)點需要不停地獲取所有中繼處第一跳的信道信息而引起的系統(tǒng)開銷問題，提出了一種基于自適應量化信道狀態(tài)信息的機會中繼選擇方案。新方案下，僅在第一跳的瞬時信道條件高于預先設置的門限值時，各候選中繼發(fā)送量化后的信道信息比特。仿真結(jié)果表明，改進方案在對系統(tǒng)性能影響不大的同時可以獲得較高的比特利用率。同時，隨著候選中繼數(shù)從3增加至5時，中繼點處設置的發(fā)送門限值可相應從0.267 1提升至0.575 6，這表明新方案具有較好的魯棒性。

關(guān)鍵詞:協(xié)同分集; 虛擬天線陣列; 量化信道狀態(tài)信息; 機會中繼選擇; 比特利用率

中圖分類號:TP393.03

文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2010)02-0646-03

doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2010.02.067

Opportunistic relay selection scheme based on adaptively

quantized channel state information

LI Yan， TANG Lun， CHEN Qian-bin

(Key Laboratory of Mobile Communication Technology， Chongqing University of Posts Telecommunications， Chongqing 400065， China)

Abstract:In order to deal with the system overhead problem induced by transmit quantized bits of the first hop channel state information for destination to obtain global channel state information， this paper proposed the relay selection scheme based on adaptively transmitting the quantization bits of instantaneous channel state information. In the improved scheme， the candidate relayed transmit the quantized bits of the first hop channel state information only when the instantaneous channel condition was better than the threshold which was set in advance. Simulation result shows that the new scheme can improve the bit utilize efficiency and at the same time has little influence on the bit error rate of the system. Moreover， as the number of candidate relays increases from three to five， the appropriate threshold ranges from 0.267 1 to 0.575 6， this result shows that the improved scheme has robustness performance.

Key words:cooperative diversity; virtual antenna arrays; quantization of channel state information; opportunistic relay selection; bit utilize efficiency

0 引言

協(xié)同分集是一種通過共享不同用戶的天線實現(xiàn)空間分集的新的分集技術(shù)，它可以有效對抗多徑衰落，提高信道容量。依據(jù)所依據(jù)的信道信息類型，協(xié)同分集中的中繼選擇策略大致可分為兩類，即基于平均信道狀態(tài)信息(如距離、路徑損耗、平均信噪比)的中繼選擇策略和基于瞬時信道狀態(tài)信息的中繼選擇策略。前者通常借助于GPS系統(tǒng)實現(xiàn)，較適用于靜態(tài)網(wǎng)絡或低速移動網(wǎng)絡，后者則較適用于動態(tài)網(wǎng)絡。

機會中繼[1]是一種基于瞬時信道狀態(tài)信息的中繼選擇方案，該方案下在每一個數(shù)據(jù)塊的傳輸過程中，僅選擇瞬時無線信道最佳的中繼參與協(xié)同。由于它可獲得與復雜的空時編碼協(xié)同分集協(xié)議相同的分集復用增益而得到廣泛研究。文獻[2]從最小化協(xié)同分集系統(tǒng)誤符號率的角度出發(fā)，給出修改了的調(diào)和平均中繼選擇準則，但這種準則的實際實現(xiàn)將大大增加中繼選擇的計算復雜度。文獻[3]從信號的相干接收角度，分別推導了放大前傳(AF)和譯碼前傳(DF)兩種模式下的最優(yōu)中繼選擇準則，但此最優(yōu)準則的實際實現(xiàn)也將增加中繼節(jié)點處的信道估計次數(shù)。

依據(jù)中繼選擇的實現(xiàn)方式，協(xié)同分集中的中繼選擇可分為集中式與分布式中繼選擇策略。文獻[4，5]對蜂窩網(wǎng)中的機會中繼進行了研究。文獻[5]中所提出的中繼選擇方案通過分布式定時器的設置，機會地選出最佳中繼，這種方法僅利用了各潛在中繼至基站的信道信息，并不是最優(yōu)的中繼選擇方案。將分布式的基于定時器的機會中繼選擇方案應用于協(xié)同蜂窩網(wǎng)主要存在以下幾個問題:

a)在RTS和CTS分組傳輸過程中，所有可選中繼節(jié)點必須保持在監(jiān)聽模式，這將導致中繼節(jié)點處巨大的功率損耗。

b)隨著潛在的參與競爭的中繼個數(shù)(空閑用戶數(shù))的增多，中繼選擇的碰撞概率也隨之增加。

c)此方案需在各個用戶處設置定時器，這將增加中繼節(jié)點的處理復雜度，且分布式的控制方式不利于對在每次傳輸過程中對參與競爭的中繼節(jié)點數(shù)進行控制。

文獻[6]對集中控制實體處的信道狀態(tài)信息為不同類型的情況進行了理論分析并指出，即使在僅已知兩跳中一跳的部分或量化信道狀態(tài)信息和另一跳的完整信道狀態(tài)信息的情況下，仍然可以獲得與完全已知兩跳信道狀態(tài)信息相當?shù)男阅堋?/p>

文獻[7～9]均對基于發(fā)送量化信道信息的中繼選擇方案進行了研究。其中文獻[7]中各候選中繼發(fā)送的量化信息為第一跳的瑞麗衰落幅度的量化比特;文獻[8]中中繼發(fā)送的量化信息為第一跳的信道增益和相位信息的量化比特;文獻[9]中中繼發(fā)送的量化信息為第一跳的有效信道增益的量化比特。研究表明，文獻[9]中在各中繼發(fā)送量化比特數(shù)為4時，就可以獲得比較理想的系統(tǒng)性能。因此，本文在文獻[9]的基礎(chǔ)上研究協(xié)同蜂窩網(wǎng)中基于發(fā)送量化信道狀態(tài)信息的中繼選擇方案。針對其引起的系統(tǒng)開銷問題，提出一種基于自適應發(fā)送量化信道狀態(tài)信息的中繼選擇方案。其中自適應是指在各候選中繼處設置發(fā)送量化比特的門限值，若高于高門限值，則量化并發(fā)送量化后的比特信息，若低于該門限值，則不對估計到的第一跳信道信息量化。仿真結(jié)果表明，在門限值設置合適的情況下，新方案在對系統(tǒng)誤比特率影響不大的同時，可提高系統(tǒng)比特利用率。

1 系統(tǒng)模型

筆者考慮蜂窩網(wǎng)中的上行鏈路，如圖1所示，源節(jié)點MS通過潛在可選中繼ri，i∈[1，M]組成的虛擬天線陣列與目的節(jié)點D(基站BS)進行通信。

假設衰落環(huán)境為頻率平坦衰落，信道增益hsri、hsd、hrid為零均值，方差分別為σ2si、σ2sd、σ2id的獨立圓對稱復高斯隨機變量，則其幅度|hsri|、|hsd|、|hrid|服從瑞利分布，且|hsri|2、|hsd|2、|hrid|2服從參數(shù)為1/σ2si、1/σ2sd、1/σ2id的指數(shù)分布。

基于機會中繼選擇的協(xié)同傳輸協(xié)議具體過程如圖2所示。

time slot 1Ss1R1，D

time slot 2Ss2R1，D

time slot 3R1s1，R1^D

time slot 4R1-s2，R1^D

圖2 基于機會中繼選擇的傳輸協(xié)議

其中R1為傳輸某個數(shù)據(jù)分組時的被選最佳機會中繼。

第一和第二時隙為廣播階段，源節(jié)點分別發(fā)送s1和s2。在第一和第二時隙中繼R1和BS接收到的信號為

rR1，1=hsr1，1s1=ηsr1，1 rR1，2=hsr1，2s2+ηsr1，2

rD，1=hsd，1s1+ηsd，1rD，2=hsd，2s2+ηsd，2(1)

其中:rri，j是被選擇的第i個中繼在第j信號間隔接收到的信號， hsri，j是第j信號間隔源與被選第i個中繼間的平坦衰落信道系數(shù)，hsd，i是源與目的節(jié)點間的平坦衰落信道系數(shù)，ηsri，j是第j信號間隔第i個被選中繼處的噪聲，ηsd，j是第j信號間隔目的節(jié)點處接收信號的噪聲。假設信道模型為準靜態(tài)，即在一幀內(nèi)是不變的，而幀與幀之間的變化相互獨立，則有hsri，1=hsri，2，hsd，1=hsd，2=hsd，3=hsd，4=hsd。

被選中繼R1分別對符號s1和s2進行譯碼，檢測到的符號為

s1，R1∧=hsr1，1rR1，1=|hsr1，1|2s1+hsr1ηsr1，1

s2，R1∧=hsr1，2rR1，2=|hsr1，2|2s2+hsr1，2ηsr1，2

(2)

其中:sj，Rk∧是第k個被選中繼檢測到的第j個符號。

第三和四時隙為協(xié)同階段，被選中繼R1發(fā)送空時分組碼對，其傳輸矩陣為

C1=s1，R1∧

-s2，R1∧

(3)

在協(xié)同階段，目的端接收到的信號為

rD，3=hr1d，3s1，R1∧+ηd，3

rD，4=hr1d，4s2，R1∧+ηd，4

(4)

由于信道的準靜態(tài)衰落特性，hr1d，3=hr1d，4=hrd，最后，目的端通過線性處理對s1和s2進行估計得到

s1，D∧=|hsd|2s1+|hr1d|2s1，R1∧+η1∧

s2，D∧=|hsd|2s2+|hr1d|2s2，R2∧+η2∧

(5)

其中:η1∧=hr1dηd，3+hsdηsd，1，η2∧=hr1dηd，4+hsdηsd，2。

2 基于自適應量化信道信息的機會中繼選擇方案

在協(xié)同蜂窩網(wǎng)中，由于協(xié)同中繼節(jié)點的信道時刻不停地變化，這個時刻某個節(jié)點是最佳協(xié)同中繼節(jié)點，下個時刻就未必是。目的節(jié)點需要不停地獲得所有中繼節(jié)點的信道信息，從而引起系統(tǒng)的開銷比較大。理論上，傳輸模擬信道狀態(tài)信息需發(fā)送無限位數(shù)比特。但在實際實現(xiàn)中，僅需使用一個帶有限位比特的控制信道。文獻[8]中，每個中繼需發(fā)送8 bit(包含信道增益和相位信息)。

本文研究中繼發(fā)送量化的有效信道增益|hsr|2的情況，并提出基于設置門限的自適應量化中繼選擇方案。所提出的基于自適應量化信道狀態(tài)信息的中繼選擇過程如下:

首先，在協(xié)同系統(tǒng)建立時，通過控制信令的交互，為某個特定MS服務的候選中繼簇已由半靜態(tài)配置方式選定。

候選中繼依據(jù)源發(fā)送的信道探測參考信號，對源至自身的信道進行估計，并將估計到的信道狀態(tài)信息|hsr|2與給定的發(fā)送門限進行比較，只有當估計的|hsr|2高于設定的門限時，才允許中繼站對|hsr|2進行量化并發(fā)送量化后的CSI信息比特，低于該閾值則不發(fā)送。圖3為設置發(fā)送門限值為T1時的示意圖。

采用N位比特量化時，對應的量化級別為T={T1，…，Tmax-1}。其中max=2N。設隨機變量|hsr|2(瑞利衰落的幅度的平方)的概率密度函數(shù)為p(x)，Q={Q1，…，Qmax}分別是發(fā)送不同比特信息時，目的端默認的量化值，則它們滿足以下條件:

∫T10p(x)=∫T2T1p(x)=…=∫+∞Tmax-1p(x)=12N

∫Q10p(x)=∫Q2T1p(x)=…=∫QmaxTmax-1p(x)=12N+1(6)

目的端(基站)可獲得完整的中繼至目的信道信息|hrid|2。最后基站依據(jù)接收到的各中繼發(fā)送的量化比特以及各中繼至自身的信道狀態(tài)信息，利用中繼選擇準則選出最佳機會中繼，并將決定用比特數(shù)反饋給各被選中繼。

這里采用的中繼選擇準則為

maximin|hsri|2，|hrid|2(7)

3 性能仿真與分析

各候選中繼對源至中繼的信道信息采用不同位數(shù)的比特進行非均勻量化的具體情況可參考文獻[9]。這里主要對采用4 bit進行量化時，在中繼處設置不同的發(fā)送量化門限的情況進行對比。

仿真中采用的信號調(diào)制方式為QPSK調(diào)制，源至中繼的平均信噪比取20 dB，各候選中繼至目的節(jié)點的平均信噪比在0～24 dB內(nèi)變化。中繼處具有完備的源至中繼的信道狀態(tài)信息，目的節(jié)點處具有各候選中繼至目的節(jié)點的完備信道狀態(tài)信息，但僅有關(guān)于源至中繼的量化信道狀態(tài)信息。

圖4、5分別給出了協(xié)同中繼簇中含3和5個候選中繼，且機會地選擇一個最佳機會中繼協(xié)同時，不同設置門限值對系統(tǒng)誤比特率的影響。為簡化比特利用率的計算，這里門限值的選擇依據(jù)式(6)，分別取為0.267 1、0.575 6、0.940 2和1.386 6。

從圖5中可看出，在低信噪比0～6 dB內(nèi)，系統(tǒng)的誤比特率不受所設置的發(fā)送門限值影響，這是因為中繼至目的節(jié)點的平均信噪比對系統(tǒng)性能產(chǎn)生了瓶頸效應。在中繼至目的節(jié)點的平均信噪比大于6 dB后，隨著所設門限值的增高，系統(tǒng)的誤比特率增加，這是因為隨著所設門限值的增加，發(fā)送量化比特的中繼個數(shù)減少。

對比圖4和5可看出，候選中繼數(shù)為3個時，在中繼節(jié)點處設置不同的發(fā)送門限對系統(tǒng)的誤比特率影響較明顯。其中，門限值取0.267 1時，系統(tǒng)性能與不設置發(fā)送門限時較接近。候選中繼數(shù)為5個時，門限值取0.267 1～0.575 6時，系統(tǒng)性能接近不設置發(fā)送門限時的系統(tǒng)性能。

在候選中繼處沒有設置發(fā)送門限時，每傳輸M比特信息給目的節(jié)點，每個中繼節(jié)點都將瞬時信道信息量化為δ位比特后前饋給目的節(jié)點，目的節(jié)點作出決定后反饋「log2 N比特用于選擇中繼，那么，總的比特利用率可依據(jù)下式計算:

MM+Nδ+「log2N(8)

在候選中繼處設置發(fā)送門限后，每傳輸M比特信息給目的節(jié)點，候選中繼中實際發(fā)送量化比特給目的節(jié)點的中繼個數(shù)的期望值與所設置門限的關(guān)系可表示為

E(N)=N#8226;∫+∞th_holdp(x)N+(N-1)#8226;CN-1N∫+∞th_holdp(x)N-1

∫th_hold0p(x)+…+1#8226;C1N∫+∞th_holdp(x)∫th_hold0p(x)N-1

(9)

其中:p(x)為隨機變量|hsr|2(瑞利衰落幅度的平方)的概率密度函數(shù)，th_hold為中繼處設定發(fā)送量化比特的門限值。

假定一個數(shù)據(jù)傳輸分組為128 bit。圖6為協(xié)同中繼簇中含5個候選中繼，設置不同的發(fā)送門限值時，比特利用率隨候選中繼發(fā)送量化比特位數(shù)的變化情況。顯然，隨著設置門限值的提高，比特利用率相應增加。不設置門限值的情況下，再用3、4 bit量化時，比特利用率分別為0.882 8和0.853 3。在發(fā)送門限值等于0.267 1時，相應比特利用率分別增加為0.894 3和0.867 8;發(fā)送門限值等于0.575 6時，相應比特利用率分別增加為0.906 2和0.882 8;發(fā)送門限值等于0.940 2時，相應比特利用率分別增加為0.918 4和0.898 2。

4 結(jié)束語

針對集中控制的機會中繼選擇方案下，目的節(jié)點需要不斷獲取所有中繼的量化信道狀態(tài)信息而引起的系統(tǒng)開銷問題，提出了一種基于自適應量化信道狀態(tài)下的機會中繼選擇方案。新方案下，各候選中繼將其估計到的第一跳的信道信息與預先設定的門限值比較，只有在高于該門限時才允許其發(fā)送量化比特。對新方案的仿真研究表明，在門限值設置為0.267 1～0.575 6時，系統(tǒng)的比特利用率提高的同時，對系統(tǒng)誤比特率性能影響不大。特別是候選中繼數(shù)較多時，所設置的發(fā)送量化比特門限值可相應增高，這說明改進方案具有較好的魯棒性。

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