放大轉發中繼網絡中一種改進的分布式空時編碼

曾 捷，謝 寧，王 暉

(深圳大學信息工程學院，中國 深圳 518060)

多輸入多輸出(MIMO)技術可以極大地提升無線信道的容量，提高頻譜利用率. 但由于移動終端受到體積和硬件復雜度等多方面的限制，多天線技術在某些應用中比較難實現. 而協作分集技術是解決此問題的有效方法之一，它通過中繼節點間的相互協作構成一個虛擬的MIMO，能夠顯著地提高中繼網絡的容量和可靠性，從而使得中繼協作技術得到越來越廣泛地關注[1].

為了充分發揮協作分集的優勢，協作通信方案開始采用分布式空時編碼(DSTC，distributed space-time code)[2]. 從Laneman提出DSTC以來[3]，許多學者針對不同場景中的分布式空時編碼展開了相關研究[4-8]. 文獻[6]提出了放大轉發中繼網絡中基于廣義ABBA(GABBA, generalized ABBA)碼[9]的DSTC，該方案能夠實現全速率全分集，可以極大地改善系統性能. 本文針對文獻[6]沒有充分利用傳輸過程中的信道狀態信息的問題，提出了一種基于GABBA的DSTC改進方案. 在該方案中，一個中繼節點根據反饋信息對該支路原發送信號進行預處理，減小了信道間的干擾，從而提高了系統的可靠性. 理論分析與仿真結果表明，在不同調制方式下，與文獻[6]中DSTC方案相比，本文方案只需要以一個比特的反饋量為代價，就能使系統的誤比特率性能獲得較大的增益.

1 系統模型

圖1 本文方案的系統模型

與文獻[6]的方案類似，本文方案的系統模型如圖1所示，該系統包含一個源節點S，4個中繼節點(R1,R2,R3,R4)以及一個目的節點D，所有節點都配備單天線且中繼節點采用放大轉發的傳輸模式，假設中繼節點可以獲得統計CSI，目的節點D已知所有信道的CSI.

(1)

其中，vr是4×1的噪聲向量，P1是源節點的平均發射功率，fr表示源節點到中繼節點Rr的信道衰落系數.

第2步，各中繼節點同時向目的節點D發送信號. 與文獻[6]不同，本文所提方案在第2步中，中繼節點R4將原發送信號乘以預處理參數b后再發送. 因此，所提方案中第r個中繼節點的發送信號可表示為

(2)

(3)

其中，w是4×1的噪聲向量，gr(r=1,…,4)表示中繼節點Rr到目的節點D的信道衰落系數，xr為第r個中繼節點的發送信號.

2 改進方案

2.1 系統分析

本文選定GABBA碼作為分布式空時編碼的編碼方案，因此可以確定式(2)中的交換矩陣Ar和Br. 將式(1)代入式(2)可得第r個中繼節點的發送信號

(4)

再將式(4)代入式(3)，則目的節點接收信號可表示為

(5)

式(5)中y的向量形式為

y=[y1y2y3y4]T.

(6)

式(5)中w0為噪聲向量，h為等效信道向量，S為GABBA矩陣，它們的表達式如(7)～(9)式所示：

(7)

h=[h1h2h3h4]Τ=[f1g1f2g2f3*g3f4*g4b]Τ，

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式(11)可以寫成G=U+V，U是信道增益矩陣，V是干擾矩陣.

與完全正交的編碼方案相比，這里的干擾矩陣會帶來系統性能的下降[10]. 為了提升該系統的性能，則要求G的取值要盡可能接近U，也就是說，要讓W的絕對值盡可能的小[11].

2.2 改進方法及實現

由式(12)可知W的絕對值可表示為

(13)

(14)

文獻[6]方案中信道間干擾參數的絕對值為|W0|=|k+l|. 對式(14)進行分析可知，若C(H) > 0，所提方案和文獻[6]的干擾參數絕對值分別為|W|=||k|-|l|| ，|W0|=|k|+|l|，顯然有|W0|>|W|；若C(H)≤0，|W|=|W0|，即兩種方案的干擾參數絕對值相等. 在實際中繼網絡中，完成一項業務傳輸需要很多次上述傳輸過程，又因為傳輸過程中所有信道都是滿足相互獨立的準靜態瑞利信道，于是C(H)>0和C(H)≤0出現的概率很接近. 因此在整個業務傳輸過程中，顯然有|W0|>|W|，表明本文方案能夠顯著減小信道間干擾參數的絕對值，從而減小其對中繼網絡性能的影響.

此外，本文所提的改進方案同樣適用于目的節點為多天線的情形，只是計算C(H)的方法稍有變化，其表達式如下

(15)

其中，M為目的節點的天線數，gjr(j=1,…,M,r=1,…,4)表示中繼節點Rr到目的節點D第j根天線的信道衰落系數.

3 仿真結果及分析

圖2 不同調制方式下兩種傳輸方案的誤比特率比較

圖2是在放大轉發中繼網絡中采用文獻[6]和本文方案的誤碼率性能的仿真結果，信號調制方式采用BPSK，QPSK和8PSK，假定所有的信道衰落系數和噪聲都相互獨立且服從均值為0方差為1的復高斯分布，反饋信息不存在誤差，譯碼方案采用最大似然譯碼.

由圖2可以看出，本文方案與文獻[6]相比，1)當誤碼率為10-4，調制方式采用BPSK，增益為1.8 dB；調制方式采用QPSK時，其增益為1.6 dB；調制方式采用8PSK時，其增益為1.5 dB；2)當誤碼率為10-5時，調制分別采用BPSK、QPSK和8PSK時，其增益分別為2.4 dB、2.2 dB和1.9 dB．因此可以得出，本文所提方案的可靠性顯著優于文獻[6]，同時隨著信噪比的增大，該方案對系統誤碼率性能的提升越顯著.

4 結束語

在放大轉發中繼網絡中，本文利用了CSI，提出了一種基于GABBA形式的DSTC改進方案. 通過理論分析和仿真結果可知，只需要反饋一個比特就能減小信道間的干擾，從而顯著地提高了系統的可靠性. 同時，該方案也適用于多個接收天線的場景.

參考文獻：

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