基于Alamouti 碼的OFDM 協作系統中繼選擇算法

唐建春,劉思艷,崔 苗

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

0 引言

無線中繼技術是近年來通信領域研究的熱點之一。 系統基本結構由源、中繼和目標構成,該技術能擴大無線系統的高速率覆蓋范圍并取得協作分集增益[1-2]。 中繼傳輸策略有放大轉發和解碼轉發2 種。

合理選擇協作系統中繼節點能優化通信系統的性能。 目前,中繼節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會中繼選擇。 文獻[3]提出基于地理位置信息的中繼選擇算法,用于自組織網絡和無線傳感器網絡的多跳傳輸系統。 文獻[4]提出一種基于平均信噪比準則的簡單中繼選擇方式,用于解碼轉發(Decode and Forward,DF)系統,中繼的選擇取決于其與目的節點之間的平均信噪比的大小。 文獻[5]提出基于平均信噪比的多跳傳輸系統的中繼選擇方式。 上述3 種中繼節點選擇是根據系統中各個節點的位置分布情況來進行。 根據地理位置信息方法比較適合于各個節點位置相對固定或信道狀態變化較緩慢的情況。

針對自組網分布式特點,文獻[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[7]提出以最大化網絡存活時間為目標的中繼選擇方式,降低了分布式網絡中控制信息數量。 文獻[8]引入混合ARQ 反饋機制到解碼轉發中繼協作系統,通過目的節點的有限反饋,既實現中繼的選擇,又實現自動重傳。 針對多個中繼節點選擇的研究,文獻[9]提出一種基于輸出門限的準則來選擇多中繼。 文獻[10]提出當更多的中繼參與協作,結合波束成型多天線技術來降低節點的平均傳輸能耗。 中繼節點的選擇基于瞬時信道增益且由目的節點完成。 該方法降低了平均傳輸功率,但目的節點仍需要反饋的信息很大,且中繼節點處理復雜度提高,中繼節點之間的不同步增加了目的節點的接收復雜度。

在多徑信道衰落下的中繼選擇研究上,文獻[11]提出多徑信道下基于OFDM 的中繼協作方式,用于蜂窩網絡上行系統。 針對放大轉發(Amplify and Forward,AF)方式,文獻[12]以Pairwise Error Probability 為準則,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,目的節點可以為源節點每一個子載波上的信息選擇最好的中繼參與協作;② 基于單個OFDM 符號的中繼選擇方式,目的節點為源節點的所有子載波分配最好的中繼參與協作。

1 系統模型

系統屬于多中繼協作無線傳輸系統,如圖1 所示,由一個源節點、多個中繼節點和一個目標節點組成。 每個節點配置單個天線,均采用帶循環前綴的正交頻分復用(CP-OFDM)的多載波調制/解調方式。

圖1 多中繼協作通信系統Fig.1 Multi-relay cooperative communication system

此外,系統中源節點與目的節點進行通信,其通信鏈路為源節點至目的節點鏈路,通常也稱為直達鏈路(Direct Link,DL)。 在源節點和目的節點周圍存在多個中繼節點,用于協作傳輸。 直達鏈路的信道狀態較好時,源節點與目的節點可以通過直達鏈路實現通信,無需中繼節點協作;直達鏈路的信道狀態較差時,中繼節點可參與協作,向目的節點轉發來自源節點的信息,實現空間分集增益,提高通信質量。 該系統采用AF 和DF 兩種常用的中繼協作方式。

本系統采用的編碼矩陣為：

相應的,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行,因而以最低的檢測復雜度獲得最優的檢測性能。

2 基于Alamouti 的放大/解碼轉發中繼選擇的判決量選取

2.1 存在直達鏈路下的AF 單中繼選擇的判決量

在存在直達鏈路下的AF 單中繼協作傳輸模式下,目的節點接收到的數據序列中第k 和k + 1 個OFDM 頻域信號可表示為：

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

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

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

2.2 無直達鏈路下的AF 雙中繼選擇的判決量

在AF 單中繼協作傳輸模式下且無直達鏈路時,目的節點接收到的數據序列中第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 存在直達鏈路下的DF 單中繼選擇的判決量

在存在直達鏈路下的DF 單中繼協作傳輸模式下,目的節點接收到的數據序列中第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 無直達鏈路下的DF 雙中繼選擇的判決量

無直達鏈路的DF 雙中繼協作傳輸模式下,目的節點接收到的數據序列中第k 和k + 1 個OFDM頻域信號可表示為：

根據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,每個中繼節點根據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各節點之間的相對位置及相對距離)和假設信道的平均功率為1 的情況下,通過蒙特卡羅仿真說明本文所提算法性能。 具體仿真參數如表1 所示。

表1 仿真參數Tab.1 Simulation parameters

圖2 和圖3 分別描述多徑數目為1 和4 時無直接鏈路AF 雙中繼協作系統的中繼選擇性能,可以看出候選中繼節點數目越多,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中繼協作系統在不同多徑衰落下的協作分集增益的影響。 由于Alamouti 編碼是在于平坦信道環境下提出,而當其用于多徑衰落信道環境下時,基于OFDM 的Alamouti 編碼可在每個子載波上單獨實現。 當多個中繼中選擇2 個進行Alamouti 編碼時,實際中較難為每個子載波選擇不同的中繼進行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 多徑數目=1 時無直接鏈路AF 雙中繼協作系統的中繼選擇性能Fig.2 Relay selection performance of AF two relays cooperative system(multi-path = 1)

圖3 多徑數目=4 時無直接鏈路AF 雙中繼協作系統的中繼選擇性能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中繼協作系統的多中繼選擇帶來明顯增益,即隨著中繼候選節點越多,利用本文所提最佳節點選擇算法,系統性能更好,可適用在傳輸損耗的系統。

4 結束語

本文提出了在Alamouti 碼的OFDM 協作系統中基于判決量的最佳中繼選擇算法。 通過嚴格的數學建模、理論分析和仿真證明該算法可適用在中繼系統中。 中繼候選節點越多,系統性能越好,可適用在有傳輸損耗的中繼協作通信系統。