基于部分協作檢測的MIMO中繼系統

馬羅文，楊瑞娟，李 征

(空軍預警學院，武漢 430019)

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基于部分協作檢測的MIMO中繼系統

馬羅文，楊瑞娟，李 征

(空軍預警學院，武漢 430019)

為了降低多輸入多輸出(MIMO)中繼傳輸系統中中繼節點進行信號處理和轉發的運算復雜度，提升系統整體性能，在全檢測轉發(FDF)技術的基礎之上，提出了一種基于樹的遍歷的部分協作檢測(CPD)算法，采用本算法的中繼節點只轉發部分信噪比較高的信息流，不僅降低了中繼轉發的負擔同時還去除了一些經歷了深度衰落的信號。仿真結果顯示，和國外同類典型研究相比較，中繼節點的負擔大大降低,同時傳輸系統的性能有了明顯提升。

多輸入多輸出；中繼傳輸；全檢測轉發；球檢測

0 引 言

隨著通信技術的不斷發展，將多輸入多輸出(MIMO)技術和中繼協作技術相結合逐漸成為現階段的研究熱點。在已有的關于MIMO中繼系統的研究中，這些系統大多采用基于球解碼的信道檢測算法，因為該算法可以很好地降低系統的復雜度[1-5]。

在MIMO中繼系統中，中繼節點一般都為具有多天線的普通用戶，當這些中繼節點處于空閑時間時，就可以使用自己冗余的運算能力來改善整個信道網絡的通信狀況。但這樣的中繼協作方式會占用大量自身的信道資源和運算能力。而在實際情況中中繼節點的天線數目和發射功率都是有限的，而在球檢測算法中通常采用的全檢測轉發的中繼模式往往要占用大量的信道資源，尤其是在采用一些要求最優化結果的信道估計算法時，這種資源的占用就會使中繼自身的信號傳輸和處理受到影響。所以要降低中繼節點運算法則的復雜度，就需要對信道檢測算法在中繼節點和目的節點進行合理的分配，使得中繼節點在可以承受的負擔之下進一步改善信道的質量。

提出了一種基于MIMO中繼信道的部分協作探測算法(CPD)。這種算法改變了以往在球檢測算法中中繼節點需要對接收的每一條信息流進行檢測的方式，而采用樹遍歷的方式只對部分信息流進行檢測和轉發，這就大大減少了中繼節點的負擔。根據仿真結果顯示，采用CPD算法后，中繼節點的負擔有了明顯下降，在同等條件下，系統誤碼率性能明顯提升。

1 系統模型

本文采用兩跳三節點的中繼傳輸模型,如圖1所示，分別采用S代表源節點，R代表中繼節點,D代表目的節點，它們各自的天線數目分別是Ms、Mr和Md，同時在各節點之間采用半雙工的傳輸模式。

圖1 兩跳三節點系統模型

在第1個時隙，源節點S將需要傳輸的信號發送到目的節點D和中繼節點R，第2個時隙中繼節點R使用不多于ef個中繼天線(ef≤Mr)對接收到的信息進行轉發，其中ef為轉發系數，它和第2個時隙中繼節點實際使用的天線數目一致。由此可見，對于ef數值的選取是決定系統復雜度和可靠性的關鍵。

同時中繼節點和目的節點在第1個時隙接收到的信號表達式為：

yr=Hsrxs+nr

(1)

(2)

而在第2個時隙時，中繼節點只利用了部分中繼天線進行轉發，因此目的節點接收到的信號表達式為：

(3)

(4)

(5)

(6)

本文中假設系統源節點S和中繼節點R的總功率之和為P，其中中繼節點功率為(1-u)P，目的節點的功率為uP，u為功率分配比，它是0～1之間的常數，α為路徑損失指數，取值在2～6，則式(4)～(6)可以表示為：

(7)

(8)

(9)

2 部分協作檢測算法

2.1 中繼節點的部分球檢測

首先是在中繼節點采用部分球檢測的算法，具體來講就是：對信道矩陣進行QR矩陣分解，然后從第Ms層開始遍歷樹，到第j層結束(1≤i≤Ms)，對于傳統全檢測轉發算法，j取值為1，也就意味著中繼節點要遍歷所有層；而對于部分協作檢測算法，j的取值與轉發系數ef相一致，這樣就可以降低遍歷次數從而降低中繼的運算量。圖2是采用十六進制正交調幅(16QAM)調制且轉發系數ef=2時的樹遍歷模型。

圖2 采用16QAM調制模式且ef=2時的遍歷模型

進一步，假設Ci為第i層中一個點的運算量，則有：

(10)

式中：E{Di}為第i層遍歷點數的期望，它的表達式為：

(11)

結合式(10)和式(11)可以看出，當i越小時，Ci的值越大，也就是樹底部節點的遍歷運算量要大于數頂部的節點。因此本文采用的部分球檢測算法不僅減少了遍歷的個數，同時選擇運算量最小的節點進行檢測，然后選擇出部分信息流將其轉發給目的節點。

2.2 目的節點的部分球檢測算法

(12)

同時根據上式可以得到中繼部分轉發的信道矩陣和目的節點接收到的信號：

(13)

(14)

目的節點利用上式就可以得到接收信號，然后將信號通過球檢測器進行信道估計和補償，最后送給信道進行解碼，圖3為2個不同時隙的系統信號流程。

圖3 兩個時隙的系統流程

3 誤碼率仿真

本文的仿真模型是基于一個兩跳三中繼的通信模型，源節點S、中繼節點R和目的節點D都處于一條直線上，于是有dsd=dsr+drd=1。根據式(7)～(9),將全檢測轉發(FDF)的功率分配比設為μPDF={0.05，0.1，0.15，0.2，0.25,…，0.9，0.95}；部分協作檢測(CPD)的功率分配比設為μCPD。

(15)

同時系統參數如表1所示。

圖4中仿真系統的中繼位于dsr=0.2的位置，全檢測轉發(FDF)模式的功率分配比為0.6，部分協作檢測的功率分配比分別為0.7,0.8,0.9。

表1 系統設計參數

圖4 4×4天線MIMO系統誤碼率情況

從圖4中可以發現，隨著轉發系數的增大，系統遍歷的層數增加，誤碼率結果就越接近采用全檢測轉發(FDF)的系統模型。但需要注意的一點是，目的節點與源節點的距離遠遠大于目的節點和中繼節點的距離，這就使得S-R鏈路的信噪比高于S-D鏈路，對于系統誤碼率有一定影響。

同樣還是采用16QAM進行調制，發射天線和接收天線數目均為4，以誤碼率達到10-4為基準，選擇不同的功率分配比和發射功率，可以得到圖5。從圖5可以發現，系統最優的功率分配比在0.6左右。

圖5 誤碼率為10-4時功率分配比與總功率的關系

在大規模的無線中繼網絡中，中繼節點往往都是多個的，這就需要考慮中繼節點的數目對誤碼率影響情況，因此本文與文獻[6]提出的算法進行對比，討論了在不同中繼節點數目下的誤碼率變化，并利用仿真將誤碼率進行對比，得到圖6和圖7。

圖6 文獻[6]中系統在不同中繼數目的誤碼率

圖7 本文系統在不同中繼數目的誤碼率

文獻[6]是采用正交相移鍵控(QPSK)調制2×2的MIMO中繼系統，對比圖5和圖6可以看出，系統在采用部分協作檢測算法時有5～10 dB的增益，這說明在同等條件下本文提出的系統誤碼率更低，系統的可用性更高。

4 結束語

從本文的仿真可以發現，部分協作檢測算法可以大幅度減少MIMO中繼通信系統的復雜度，這是因為傳統的全檢測轉發(FDF)算法會遍歷樹中的每一個節點。而本系統只用遍歷部分節點就可以完成檢測，不僅減少了遍歷點的個數，同時優先遍歷的是計算量較小的點,這都進一步提升了系統性能。而且在實際應用中，可以根據用戶終端功率尺寸的實際來選擇恰當的轉發系數ef，使得系統的可靠性和有效性達到最優。

[1] VITERBO E,BOUTROS J.A universal lattice decoder for fading channels[J].IEEE Transactions on Information on Theory,1999,45(5):1639-1642.

[2] GUO Z,NILSSON P.Algorithm and implementation of the K-best sphere decoding for MIMO detection[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2006,24(3):491-503.[3] BURG A,BORGMANN M,WENK M,et al.VLSI implementation of MIMO detection using the sphere decoding algorithm[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2005,40(7):1566-1577.

[4] LI M,BOUGARD B,XU W,et al.Optimizing near-ML MIMO detector for SDR baseband on parallel programmable architectures[C]//Design,Automation and Test in Europe,2008:444-449.

[5] ANTIKAINEN J,SALMELA P,SILVN O,et al.Application-specific instruction set processor implementation of list sphere detector[J].EURASIP Journal on Embedded Systems,2007,2007(1):943-947.

[6] HESKETH T,CLARKE P,LAMARE R C,et al.Joint maximum likelihood detection and power allocation in cooperative MIMO relay systems[C]//Smart Antennas (WSA),2012 International ITG Workshop on IEEE,2012:325-331.

MIMO Relay System Based on Cooperative Partial Detection

MA Luo-wen，YANG Rui-juan，LI Zheng

(Air Force Early Warning Academy,Wuhan 430019,China)

In order to reduce the operation complexity of signal processing and forwarding for relay nodes in the multi-input multi-output (MIMO) relay transmission system and improve the overall system performance,this paper proposes a cooperative partial detection(CPD) algorithm based on full detect-and-forward(FDF) technique,and the CPD is based on tree traversal.The relay nodes of the algorithm only forward part of the data streams with higher signal to noise ratio,which not only reduces the load of the relaying,but also eliminates the deeply fading signals.The simulation results show that the algorithm can reduce the relay node burden significantly as well as improve the transmission system performance compared with the similar foreign research.

multi-input multi-output;relay transmission;full detect-and-forward;sphere detection

2016-03-02

TN925

A

CN32-1413(2016)03-0063-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.016