多中繼無線協作網絡基于雙塊導頻的信道估計

劉亞楠，王　丹，楊松領，李丹丹

(河南科技大學 信息工程學院，河南 洛陽 471023)

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多中繼無線協作網絡基于雙塊導頻的信道估計

劉亞楠，王丹，楊松領，李丹丹

(河南科技大學 信息工程學院，河南 洛陽 471023)

在頻率選擇性衰落信道下的AF多中繼無線協作網絡中，由于傳統的信道估計方法只能估計級聯信道的CSI，結合單載波頻域均衡技術，提出了一種基于雙塊導頻的分段式頻域信道估計方法。雙塊導頻分別由源節點和中繼節點做短序列重復變換移位(ShortSequenceRepeatTransformationShift，SSRTS)處理得到，在目的節點結合最小二乘和加窗(LeastSquaresWindowing，LSW)算法估計出S-R-D信道和R-D信道的CSI，再計算得到S-R信道的CSI。仿真結果表明，該方法可以有效地估計分段信道，提高了信道估計精度，減少了信道訓練時隙。

多中繼；協作通信；單載波頻域均衡；雙塊導頻；信道估計

協作通信技術因其能夠獲得空間分集增益，增加網絡覆圍，提高系統數據傳輸性能等優點，已經成為無線通信領域最具發展前景的研究熱點之一[1]。協作通信技術與OFDM技術的結合，能有效地提高系統性能，但OFDM系統中存在峰均比過高和對頻偏敏感的缺點[2]。單載波頻域均衡技術克服了OFDM技術的缺點，能在低復雜度下實現頻域均衡、抗頻率選擇性衰落和消除符號間干擾(ISI)。

協作通信網絡有單中繼和多中繼之分，中繼協作方式有放大轉發(Amplify-and-Forward，AF)方式和解碼轉發(Decode-and-Forward，DF)方式。DF方式需要中繼將接收到的信號先解碼再編碼，最后轉發編碼后的信號到目的端，對中繼節點的要求較高。AF方式只需要中繼節點簡單地把從源端接收到的信號放大后發送給目的節點，因其簡單且易于實現而更加受到關注?；谛诺罓顟B信息(ChannelStateInformation，CSI)的中繼選擇和信號檢測等都需要在訓練階段精確有效地估計信道。文獻[3-4]給出了在MIMO系統中使用SC-FDE技術的信道估計方法，文獻[4]的方法可以有效地避免天線間信號干擾和獲得精確的信道估計。文獻[5-7]針對平坦瑞利衰落信道下的AF協作通信系統提出了基于導頻的LS和LMMSE信道估計方法。為了實現空間分集，文獻[5-6]在多中繼網絡中引入了空時編碼技術。文獻[7]提出了一種分段信道的訓練及估計方法，可以獲得精確的信道估計，但會消耗大量的信道訓練時間。在頻率選擇性衰落環境下，文獻[8]提出了基于導頻時分復用的信道估計方法，但訓練時隙會隨著中繼個數的增加線性增加。文獻[9]提出了基于導頻頻分復用的信道估計方法，但當中繼個數增加時信道估計精度也會降低。

鑒于上述情況，本文在AF多中繼無線協作網絡中研究分段信道估計方法。由源節點和中繼節點分別把通過短序列重復變換移位(SSRTS)處理的訓練序列插入到第一塊導頻和第二塊導頻的位置，使得各中繼節點可以同時向目的節點發送信號，避免了中繼間導頻在目的節點的干擾。在目的節點做頻域上的LS估計，并通過加窗處理提高頻域信道估計精度。仿真結果表明，本文提出的方法不僅能有效地獲得分段信道的CSI，而且減少了訓練時隙開銷。

1　系統模型

圖1　多中繼無線協作網絡模型

階段1，源節點廣播發送信號xs，中繼節點Ri接收到的信號表示為

(1)

階段2,中繼節點Ri將接收到的信號放大轉發到目的節點，目的節點接收到的信號表示為

(2)

放大系數采用固定增益方案，中繼節點的發送功率為Pr，即

(3)

2　信道估計

2.1導頻設計

本文采用雙塊狀導頻信道估計方案，如圖2所示。在每個塊前加上長度為P的循環前綴CP(Cyclic Prefix)可以消除塊間干擾，令P≥L。在階段1，源節點在第1塊導頻位置插入用于訓練S-R-D級聯鏈路的塊1，第2個導頻塊為空。在階段2，各個中繼節點在第2塊導頻位置插入用于訓練R-D鏈路的塊2。為獲得更好的信道估計性能，訓練序列使用Chu序列[4]。

圖2　雙塊導頻設計方案

為了消除各中繼節點轉發的信號在目的節點的干擾，本文參照文獻[4]中的MIMO-SCFDE系統中避免多天線間干擾的導頻設計方案，使用短序列重復變換移位(SSRTS)導頻設計方案。SSRTS的過程如下：

(4)

2.2信道估計算法

目的節點合并從各中繼節點接收到的信號，塊1受S-R-D級聯信道的影響，塊2受R-D信道的影響。本文使用的SSRTS導頻設計方案可以消除用于訓練S-R-D信道和R-D信道的導頻符號在目的節點的干擾。目的節點利用塊1估計N條S-R-D信道的CSI，利用塊2估計N條R-D信道的CSI，最后計算出N條S-R信道的CSI，從而實現了分段信道估計。

本文參照文獻[4]中使用單塊導頻消除多天線干擾的LSW信道估計方法，提出了可用于本系統的基于雙塊導頻的SSRTS-LSW分段信道估計方法。信道估計過程如下：

1)使用LS算法估計N條S-R-D信道和N條R-D信道的頻域信道衰落系數。

2)將LS信道估計值乘以N，恢復每條信道頻域上為零的信道能量。

3)通過IFFT變換將頻域信道估計值轉換到時域并進行加窗處理，只保留T/N個有效的時域信道衰落系數。

4)通過FFT變換將時域信道估計值轉換至頻域。

第i條S-R-D信道位置t上的LS頻域信道估計值為

(5)

第i條R-D信道位置t上的LS頻域信道估計值為

(6)

經過步驟2)、3)、4)后得到第i條S-R-D信道和第i條R-D信道的估計值分別為

(7)

(8)

(9)

λi=N*F*W*F-1

(10)

式中：N為中繼個數；F是T×T維的傅里葉變換矩陣；W是T×T維的矩形窗矩陣；W的前T/N位為1。

(11)

3　仿真與性能分析

3.1仿真條件

通過蒙特卡洛仿真模型驗證本文的信道估計方法在多中繼AF協作通信網絡中的有效性。信道模型采用COST.207TU模型[9]。假設塊長T為256，CP長度P為32，采樣周期Ts=2×10-7s。依據空間發送分集的功率分配原則，令Ps=Pr=Pt/2，中繼節點和目的節點的噪聲均是服從均值為零，方差Ni=N0=1的復高斯隨機變量，則信噪比SNR=Pt/N0=Pt。假設各中繼節點理想同步，使用BPSK數據調制方式，采用信道估計均方誤差(MSE)與誤比特率(BER)作為評估系統性能的指標。

3.2仿真結果與分析

圖3和圖4是中繼個數分別為2和4時使用不同信道估計方法估計S-R-D信道的MSE性能比較?？梢钥闯?，隨著中繼個數的增加，SSRTS-LSW方法和文獻[8]、文獻[9]估計方法的MSE都在增加。文獻[8]中的導頻時分復用LS估計方法和文獻[9]中將LS算法、Spline插值結合的導頻頻分復用估計方法的MSE性能很接近。本文提出的SSRTS-LSW方法與這兩種方法相比，具有更高的信道估計精度，與文獻[8]相比，SSRTS-LSW方法可以減少大量信道訓練時隙。文獻[8]和文獻[9]只能估計級聯S-R-D信道，而本文的方法可以估計獨立的S-R信道和R-D信道。圖5和圖6是中繼個數分別為2和4時使用SSRTS-LSW方法估計獨立的S-R信道和R-D信道的MSE性能比較，可以看出，本文提出的方法更適用于較高信噪比的情況。

圖3　S-R-D信道在不同估計方法下的總體MSE性能比較

圖4　S-R-D信道在不同估計方法下的平均MSE性能比較

圖5　中繼個數不同時總體MSE性能比較

圖6　中繼個數不同時平均MSE性能比較

圖7　中繼個數不同時使用ZF均衡的BER性能比較

圖8　中繼個數不同時使用MMSE均衡的BER性能比較

圖7和圖8比較了中繼個數分別為2和4時不同估計方法下使用ZF均衡和MMSE均衡的BER性能?？梢钥闯?，與文獻[8]和文獻[9]相比，SSRTS-LSW方法的BER性能更好，且中繼個數增加時，分集增益提高，BER性能越好。從圖7和圖8可以看出，MMSE均衡優于ZF均衡，因為MMSE均衡的均衡系數中加入了信噪比修正項。

4　總結

本文在多中繼放大轉發協作通信網絡中提出了一種在目的節點估計S-R信道和R-D信道的方法。本文的方法利用由源節點和中繼節點發送的經過SSRTS處理的雙塊導頻，使得目的節點能區分并估計各條S-R-D信道和R-D信道，再計算得到S-R信道的CSI。理論分析和仿真結果表明，本文提出的方法可以獲得較高的信道估計精度，且降低了訓練時隙開銷，具有較高的實用性。

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[9]俞曉帆，趙春明.基于多中繼導頻頻分復用的協同通信系統信道估計算法[J].信號處理，2010，26(4)：588-595.

劉亞楠(1989— )，女，碩士生，主研協作通信系統信道估計技術；

王丹(1979— )，女，博士，副教授，碩士生導師，主要研究方向為通信信號處理、計算機檢測技術和多學科協同仿真與建模；

楊松領(1994— )，本科生，主研無線通信與信號處理；

李丹丹(1989— )，女，碩士生，主研協作通信系統中繼選擇技術。

責任編輯：許盈

Channelestimationmethodbasedondouble-blockpilots-assistedformulti-relaywirelesscooperativenetworks

LIUYanan，WANGDan，YANGSongling，LIDandan

(Information Engineering College, Henan University of Science and Technology, Henan Luoyang 471023, China)

ThetraditionalchannelestimationmethodscanonlyestimatetheChannelStateInformation(CSI)ofcascadechannelsforAmplify-and-Forward(AF)multi-relaywirelesscooperativenetworksoverfrequency-selectivefadingchannel.Adouble-blockpilots-assisteddisintegratedfrequencydomainchannelestimationmethodisproposedcombiningwiththeSingleCarrierFrequencyDomainEqualization(SC-FDE)technology.Thedouble-blockpilotsobtainedfrommakingaShortSequenceRepeatTransformationShift(SSRTS)processbothinthesourceandtherelaynodes,respectively.ThismethodestimatestheCSIoftheS-R-DandR-DchannelsthroughcombiningLeastSquaresandWindowing(LSW)algorithmsinthedestinationnode,andcalculatestheCSIofS-Rchannels.Thesimulationresultsshowthatthismethodcaneffectivelyestimatethechannelsofthetwosectionlink,withhighaccuracyandlesschannelestimationtime.

muti-relay;cooperativecommunication;singlecarrierfrequencydomainequalization;double-blockpilots;channelestimation

TN925

ADOI：10.16280/j.videoe.2016.07.021

國家自然科學基金項目(61101167)；河南科技大學博士科研啟動基金項目(09001409)；河南科技大學“青年學術技術帶頭人”項目(2014)；河南省科技攻關計劃項目(112102210431)；河南省基礎與前沿技術研究計劃項目(142300410343)；大學生研究訓練計劃(SRTP)項目(2015039)

2015-12-08

文獻引用格式：劉亞楠，王丹，楊松領，等. 多中繼無線協作網絡基于雙塊導頻的信道估計[J].電視技術，2016，40(7)：94-98.

LIUYN，WANGD，YANGSL，etal.Channelestimationmethodbasedondouble-blockpilots-assistedformulti-relaywirelesscooperativenetworks[J].Videoengineering，2016，40(7)：94-98.