放大转发中继网络中一种改进的分布式空时编码

曾 捷，谢 宁，王 晖

(深圳大学信息工程学院，中国 深圳 518060)

多输入多输出(MIMO)技术可以极大地提升无线信道的容量，提高频谱利用率. 但由于移动终端受到体积和硬件复杂度等多方面的限制，多天线技术在某些应用中比较难实现. 而协作分集技术是解决此问题的有效方法之一，它通过中继节点间的相互协作构成一个虚拟的MIMO，能够显著地提高中继网络的容量和可靠性，从而使得中继协作技术得到越来越广泛地关注[1].

为了充分发挥协作分集的优势，协作通信方案开始采用分布式空时编码(DSTC，distributed space-time code)[2]. 从Laneman提出DSTC以来[3]，许多学者针对不同场景中的分布式空时编码展开了相关研究[4-8]. 文献[6]提出了放大转发中继网络中基于广义ABBA(GABBA, generalized ABBA)码[9]的DSTC，该方案能够实现全速率全分集，可以极大地改善系统性能. 本文针对文献[6]没有充分利用传输过程中的信道状态信息的问题，提出了一种基于GABBA的DSTC改进方案. 在该方案中，一个中继节点根据反馈信息对该支路原发送信号进行预处理，减小了信道间的干扰，从而提高了系统的可靠性. 理论分析与仿真结果表明，在不同调制方式下，与文献[6]中DSTC方案相比，本文方案只需要以一个比特的反馈量为代价，就能使系统的误比特率性能获得较大的增益.

1 系统模型

图1 本文方案的系统模型

与文献[6]的方案类似，本文方案的系统模型如图1所示，该系统包含一个源节点S，4个中继节点(R1,R2,R3,R4)以及一个目的节点D，所有节点都配备单天线且中继节点采用放大转发的传输模式，假设中继节点可以获得统计CSI，目的节点D已知所有信道的CSI.

(1)

其中，vr是4×1的噪声向量，P1是源节点的平均发射功率，fr表示源节点到中继节点Rr的信道衰落系数.

第2步，各中继节点同时向目的节点D发送信号. 与文献[6]不同，本文所提方案在第2步中，中继节点R4将原发送信号乘以预处理参数b后再发送. 因此，所提方案中第r个中继节点的发送信号可表示为

(2)

(3)

其中，w是4×1的噪声向量，gr(r=1,…,4)表示中继节点Rr到目的节点D的信道衰落系数，xr为第r个中继节点的发送信号.

2 改进方案

2.1 系统分析

本文选定GABBA码作为分布式空时编码的编码方案，因此可以确定式(2)中的交换矩阵Ar和Br. 将式(1)代入式(2)可得第r个中继节点的发送信号

(4)

再将式(4)代入式(3)，则目的节点接收信号可表示为

(5)

式(5)中y的向量形式为

y=[y1y2y3y4]T.

(6)

式(5)中w0为噪声向量，h为等效信道向量，S为GABBA矩阵，它们的表达式如(7)～(9)式所示：

(7)

h=[h1h2h3h4]Τ=[f1g1f2g2f3*g3f4*g4b]Τ，

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式(11)可以写成G=U+V，U是信道增益矩阵，V是干扰矩阵.

与完全正交的编码方案相比，这里的干扰矩阵会带来系统性能的下降[10]. 为了提升该系统的性能，则要求G的取值要尽可能接近U，也就是说，要让W的绝对值尽可能的小[11].

2.2 改进方法及实现

由式(12)可知W的绝对值可表示为

(13)

(14)

文献[6]方案中信道间干扰参数的绝对值为|W0|=|k+l|. 对式(14)进行分析可知，若C(H) > 0，所提方案和文献[6]的干扰参数绝对值分别为|W|=||k|-|l|| ，|W0|=|k|+|l|，显然有|W0|>|W|；若C(H)≤0，|W|=|W0|，即两种方案的干扰参数绝对值相等. 在实际中继网络中，完成一项业务传输需要很多次上述传输过程，又因为传输过程中所有信道都是满足相互独立的准静态瑞利信道，于是C(H)>0和C(H)≤0出现的概率很接近. 因此在整个业务传输过程中，显然有|W0|>|W|，表明本文方案能够显著减小信道间干扰参数的绝对值，从而减小其对中继网络性能的影响.

此外，本文所提的改进方案同样适用于目的节点为多天线的情形，只是计算C(H)的方法稍有变化，其表达式如下

(15)

其中，M为目的节点的天线数，gjr(j=1,…,M,r=1,…,4)表示中继节点Rr到目的节点D第j根天线的信道衰落系数.

3 仿真结果及分析

图2 不同调制方式下两种传输方案的误比特率比较

图2是在放大转发中继网络中采用文献[6]和本文方案的误码率性能的仿真结果，信号调制方式采用BPSK，QPSK和8PSK，假定所有的信道衰落系数和噪声都相互独立且服从均值为0方差为1的复高斯分布，反馈信息不存在误差，译码方案采用最大似然译码.

由图2可以看出，本文方案与文献[6]相比，1)当误码率为10-4，调制方式采用BPSK，增益为1.8 dB；调制方式采用QPSK时，其增益为1.6 dB；调制方式采用8PSK时，其增益为1.5 dB；2)当误码率为10-5时，调制分别采用BPSK、QPSK和8PSK时，其增益分别为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显著优于文献[6]，同时随着信噪比的增大，该方案对系统误码率性能的提升越显著.

4 结束语

在放大转发中继网络中，本文利用了CSI，提出了一种基于GABBA形式的DSTC改进方案. 通过理论分析和仿真结果可知，只需要反馈一个比特就能减小信道间的干扰，从而显著地提高了系统的可靠性. 同时，该方案也适用于多个接收天线的场景.

参考文献：

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[10] YU Y, KEROUEDAN S, YUAN J H. Transmit antenna shuffling for quasi-orthogonal space-time block codes with linear receivers[J]. IEEE Comm Lett,2006,10(8)：596-598.

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