基于瞬時信道狀態信息估計的能量緩存傳輸協議

隋 緣

（天津師范大學 電子與通信工程學院，天津 300384）

0 引 言

分集技術與中繼傳輸技術融合形成的協作通信技術可以在不增加硬件成本的基礎上得到相應的分集增益，并提高傳輸效率，改善邊緣用戶通信質量，抵抗多徑衰落[1]。網絡中的每個中繼節點可以利用無線通信的廣播特性，相互協作進行信息傳輸[2]。傳統的協作通信是基于時分多址接入的，發送時隙，源節點發送信息給中繼節點，中繼節點接收，接收時隙，中繼節點發送接收的信號到目的節點，目的節點接收該信號[3]。但中繼處的接收和發送過程必須是連續的，任意一條傳輸鏈路發生中斷，信息都無法成功傳輸，因而傳統的協作通信不能充分發揮中繼節點的優勢[4]。為了進一步改善該系統，有學者開發出緩存輔助中繼系統，其原理是在中繼節點處增加了緩存器用于儲存接收到的數據信息，中繼處接收到信號之后不必立即進行轉發[5]。筆者基于此提出了基于瞬時信道狀態信息進行鏈路選擇的無線傳輸方法，通過信道估計來選擇鏈路方案，有效降低了系統的誤碼率，且更加符合真實通信應用環境[6]。

1 緩存輔助中繼的協作分集方案

Islam T和Schober R提出了一種基于緩存輔助中繼的協作分集方案，采用比特交織編碼調制和正交頻分復用的組合，實現鏈路選擇協議[7]。整個系統的信道模型如表1所示。

表1 系統鏈路選擇方案

假設在時隙t選擇S→R鏈路進行傳輸，則將在第k個子載波上從S接收的R信號建模為：

式中，PS代表源節點處每個子載波的傳輸功率；NSR[k]代表均值為N0的復加性高斯白噪聲；HtSR[k]代表t時刻的第k個子載波的S→R鏈路的信道增益。

為了解碼由S發送的比特，R計算符號標簽中第i位的BICM比特度量為：

如果在時隙q＞t時，鏈路R→D被選擇傳輸，那么目的節點D從中繼節點R接收到的第k個子載波可以被表示成：

式中，PR代表中繼節點R處每個子載波的平均傳輸功率；NRD[k]代表均值為N0的復高斯白噪聲；代表R→D信道的頻率響應。

從鏈路選擇方案可以看出，案例1和案例2在緩存區為空或滿的情況下并沒有依據鏈路質量來選擇鏈路，會導致強制性傳輸，這種方法的缺點是會降低系統的誤碼率。同時，該技術假設信道狀態是已知的，沒有進行信道估計，并不適合實際的通信場景。

2 瞬時信道狀態信息估計的能量緩存傳輸協議

2.1 源-中繼-目的雙跳中繼系統模型

在中繼節點處配備能量緩存器來儲存收集的能量，一部分用于解碼信息，另一部分用于發送剩余的信息到目的端，如圖1所示。

圖1 源-中繼-目的雙跳中繼系統模型

雙跳中繼系統模型中的信號源1將中繼節點接收到源節點發送的DCSK調制信號2通過信號源與中繼節點之間的鏈路3發送至功率分割器6。雙跳中繼系統模型中的信號源和中繼節點之間的高斯白噪聲信號5經過噪聲的路徑4，通過信號源與中繼節點之間的鏈路3發送至功率分割器6。功率分割器6將中繼節點接收的信號分割成兩部分，其中一部分能量收集器接收到的信號7通過中繼節點與能量收集器之間的路徑8發送至包含能量存儲器12的能量收集器11；另一部分信息接收器接收到的信號9通過中繼節點與信息接收器之間的路徑10發送至包含數據存儲器/數據包緩沖區14的信號接收器13，能量收集器11能量緩存區存儲的接收能量對信號接收器13信息緩存區存儲的信息信號進行解碼，解碼后的信息信號通過中繼端到目的節點的鏈路15傳送至目的節點17，中繼端到目的節點之間的噪聲信號通過噪聲路徑16傳送至目的節點18。

2.2 源-中繼-目的雙跳中繼系統模型中信號傳輸格式

信號源和中繼節點之間的高斯白噪聲信號5為S→R鏈路的噪聲，通過信號源與中繼節點之間的鏈路3傳輸至功率分割器6的中繼節點處，在中繼節點處接收到的信號YR(i)為：

式中，PS代表發送端的傳輸功率；YS(i)代表源節點發送的DCSK調制信號；XS(i)代表中繼節點接收到的混沌信號；hSr(i)代表S→R鏈路的信道衰落系數。

中繼處接收到信號后會進行功率分割，接收到的信號被分成兩部分，一部分被轉化成收集的能量，另一部分存儲在信息接收器中等待信號傳輸。收集的能量和部分信號分別臨時存儲在與它們相對應的能量接收器和信息接收器中。其中，收集到的能量一部分用于恢復出接收到的信號，另一部分等待信道質量良好時發送對應的信息到信號接收器13的目的節點。目的節點處接收到的信號YD(i)為：

式中，hrd(i)代表R→D鏈路的信道衰落系數；nd(i)代表服從獨立復高斯白噪聲的信號；PEH為中繼處從接收信號中收集的功率。PEH表達式為：

式中，k為能量收集器的能量轉換效率因子，取值范圍為0＜k＜1；g代表功率分割率。

在中繼處進行功率分割后，能量收集器11中的能量和信號接收器13中存儲的信息便呈一一對應的關系，即在中繼處將解調信號發送到目的節點時，發送信號所耗費的功率就是從該信號中收集到的。在信息傳輸過程中采用先進先出原則，即先存儲在緩存區的信號會被先發送到目的端，之后的信號也是按照這樣的傳輸方式依次發送。能量接收器11中接收到的信號格式YE(i)為：

信息接收器13接收到的調制信號YI(i)為：

式中，nI(i)代表均值為0，方差為δ2I的復高斯白噪聲。整個信息傳輸過程中，采用解碼轉發（Deecode and Forward，DF）的方式，即源節點先調制發送信號，中繼節點處接收到信號后將一部分信號轉化成能量，然后解碼信息，之后在中繼節點需要發送信息到目的節點時，中繼處再重新調制信號并發送到目的端。其中，在向目的節點發送調制信號時，需要先判斷當前中繼節點至目的節點的傳輸鏈路狀態是否適合傳輸信號，當判定出第二傳輸鏈路的瞬時信噪比大于第一傳輸鏈路的瞬時信噪比時，則可以開始解碼信息信號，以便進行下一步的傳輸。

2.3 鏈路選擇協議

提出鏈路選擇協議可以分成兩種情況，如表2所示。

表2 信道質量與緩存區的變化關系

表2中，X代表鏈路傳輸中斷，N為能量緩存區和數據緩存區的存儲上限，δSR為第一傳輸鏈路的瞬時信噪比，δRD為第二傳輸鏈路的瞬時信噪比，Si為第i個時隙緩存區中的數據量大小。

一種情況是經過信道估計后，如果S→R鏈路狀況更佳，根據緩存區的兩種狀態來進行信息傳輸。如果當前數據存儲器/數據包緩沖區14為非滿的狀態，選擇S→R鏈路傳輸，緩存區的數據量增加一個數據包；如果當前數據信息占滿了數據存儲器/數據包緩沖區14，則不會進行鏈路選擇，而是等待下一個時隙。此外，系統采用最小二乘信道估計法，即先進行傳統的插入導頻，再通過最小二乘法獲得信道信息。

另一種情況是經過信道估計之后，如果R→D鏈路質量更好，也根據緩存區的狀態來進行信息傳輸。如果當前數據存儲器/數據包緩沖區14沒有數據信息，則不會進行鏈路選擇，而是等待下一個時隙，如果當前數據存儲器/數據包緩沖區14為非空的狀態，則選擇R→D鏈路傳輸，此時緩存區的數據量減少一個數據包。

2.4 實施流程

基于瞬時信道狀態信息估計的能量緩存傳輸協議流程如圖2所示。

圖2 基于瞬時信道狀態信息估計的能量緩存傳輸協議流程

具體流程包括9個步驟。

步驟一，分別獲取源節點至中繼節點的第一傳輸鏈路和目的節點至中繼節點的第二傳輸鏈路的信道質量；

步驟二，判斷第一傳輸鏈路是否大于第二傳輸鏈路的瞬時信噪比且數據緩沖區為非滿的狀態，若是則執行步驟三，若否則中斷傳輸；

步驟三，功率分割器6中的中繼節點接收源節點發送的調制信號，調制信號為信號源1發送的DCSK調制信號2和信號源和中繼節點之間的高斯白噪聲信號；

步驟四，對調制信號進行功率分割，得到接收能量和信息信號；

步驟五，將接收的能量和信息信號分別存入能量收集器11中能量緩存區和信號接收器13中的信息緩存區；

步驟六，實時獲取第一傳輸鏈路和第二傳輸鏈路的瞬時信噪比；

步驟七，判斷第二傳輸鏈路的瞬時信噪比大于第一傳輸鏈路的瞬時信噪比，若是則執行步驟八，若不是則執行步驟六；

步驟八，利用能量收集器11能量緩存區存儲的接收能量對信號接收器13信息緩存區存儲的信息信號進行解碼，得到解碼后的信息信號；

步驟九，利用通過能量收集器11能量緩存區存儲的接收能量進行解碼后得到的剩余能量，將解碼后的信息信號發送至目的節點17。

基于瞬時信道狀態信息估計的能量緩存傳輸協議具有更優的誤碼率性能，增加3 dB以上的增益，同時也更符合各種環境復雜的通信場景。

3 結 論

緩存輔助中繼的協作分集方案會降低系統的誤碼率，且其假設信道狀態是已知的，沒有進行信道估計，不適合實際的通信場景。基于瞬時信道狀態信息進行鏈路選擇的無線信號傳輸方法，通過信道估計來進行鏈路選擇方案，既能提高系統的誤碼率增加3 dB以上的增益，又能符合真實通信應用場景。