一种OFDM中继系统的有限反馈预编码方法

周冬跃 胡斌杰



一种OFDM中继系统的有限反馈预编码方法

周冬跃*①②胡斌杰①

①(华南理工大学电子与信息学院 广州 510640)②(广东工业大学物理与光电工程学院 广州 510006)

基于正交频分复用的放大转发协作中继系统，为了减少系统误比特率、增加信道容量和增强实用性，该文提出一种实用的源节点预编码和中继节点预编码的联合优化有限比特反馈的预编码方法。利用3节点构成的两个下行链路，实现两跳协作通信方式；采用SVD分解和QR(orthogonal triangular)分解相结合设计预编码，其中源节点预编码每帧只要一个；优选量化码本，把预编码矩阵量化后反馈到发射端。仿真结果表明，该方案能提高平均和速率、降低误码率和改善中断概率特性，且反馈比特数较少具有更好的实用价值。

无线通信；放大转发中继；两跳；预编码；正交频分复用；有限反馈

1 引言

综合以上文献特点，本文提出协作中继系统的预编码方案：在文献[8, 9]基础上加入S-D通道，提高了系统速率；并且利用文献[10]QR分解，重新进行量化预编码设计，改善了误码特性。本文方案具有几个特点：信号处理充分利用了S-R-D通道和S-D直接通道，对源节点预编码和中继节点预编码进行新的优化设计，对反馈量化预编码联合优化，在不考虑各子载波的功率优化分配的情况下，系统的子载波信道和速率(sum-rate)较高、误码率较低，且反馈比特较少具有实际应用价值。

2 系统模型

在源节点处，经过预编码后对应的输入和输出信号为

用离散傅里叶变换来实现OFDM过程：

3 预编码设计及特性分析

3.1 系统预编码设计

为了便于探讨，把式(6)中的信道矩阵写成

经过预编码处理后，则

对式(13)中的部分因子进行QR分解：

QR分解后，等效信道矩阵的表达式为

式(17)中，定义

3.2 OFDM的 和速率及中断概率分析

在独立同分布(i.i.d)高斯信道的情况，文献[10]和文献[15]给出阶近似概率密度函数为

可达到的子载波平均和速率为(文献[10])：

阶子载波平均和速率为

在求解中断概率前，首先求解累计分布函数(Cumulative Distribution Function, CDF)为[15]

4 预编码有限比特反馈方法及比特量分析

4.1 预编码量化反馈方法

4.2 反馈比特量分析

对于文中算法，在源节点，由于每个OFDM帧内的不同子载波预编码相同，即只要反馈1个矩阵，比特数是，在中继节点，每个子载波对应不同的预编码，反馈比特数等于，合计反馈比特数等于(+1)；对于文献[8]，文献[9]和文献[10]算法，在源节点和中继节点，OFDM帧内的不同子载波预编码各不相同，因此每帧总的的反馈比特数等于(2)，该比特数约等于文中算法的2倍。

5 仿真结果与分析

在PMI宽度=3情况下，对比本文算法与文献[10]算法、文献[9]算法、文献[8]算法的比特误码率仿真情况如图2所示。由图可知，在较低信噪比区本文算法与文献[10]算法性能相当，在较高信噪比区本文算法的误码特性明显优于文献[10]的情况。并且优于文献[9]算法和文献[8]算法达0.5 dB以上。

6 结束语

本文提出了一种应用于下行通路OFDM的3节点中继协作预编码算法，中继链路采用两跳放大转发的非再生中继方法，文中方案具有从源节点到目的节点的直接通路，方案对源节点和中继节点两个预编码矩阵进行了高效设计，减少了预编码矩阵数量，量化过程采用更好的正交码本进而对预编码联合量化优化。方案具有子载波平均和速率更大、误码率较低和预编码反馈比特量较少等优点。

图1 子载波平均和速率

图2 比特误码率对比特性

图3 不同码本长度的中断概率对比

[1] Fan Y and Thompson J. MIMO configurations for relay channels: theory and practice[J]., 2007, 6(5): 1774-1786.

[2] 陈前斌, 蒋广健, 唐伦, 等. 有限反馈中继系统基于业务速率的跨层调度算法[J]. 电子与信息学报, 2012, 34(1): 26-32.

Chen Qian-bin, Jiang Guang-jian, Tang Lun,.. A novel method of feedback reducing and cross-layer scheduling based on traffic rate for relay system[J].&, 2012, 34(1): 26-32.

[3] Parkvall S, Furuskar A, and Dahlman E. Evolution of LTE toward IMT-advanced[J]., 2011, 49(2): 84-91.

[4] Sheu J P, Kao C C, Yang S R,.. A resource allocation scheme for Scalable video multicast in WiMAX relay networks[J]., 2013, 12(1): 90-104.

[5] 黄博, 方旭明, 陈煜. OFDMA 中继网络变时域节能资源分配策略[J]. 电子与信息学报, 2013, 35(5): 1023-1030.

Huang Bo, Fang Xu-ming, and Chen Yu. Variable time-domain energy saving resource allocation for OFDMA relay networks[J].&, 2013, 35(5): 1023-1030.

[6] Qiao D, Gursoy M C, and Velipasalar S. Effective capacity of two-hop wireless communication systems[J]., 2013, 59(2): 873-885.

[7] Tang X and Hua Y. Optimal design of non-regenerative MIMO wireless relays[J]., 2007, 6(4): 1398-1407.

[8] Wang H, Ghogho M, Cheng W,..A limited feedback joint precoding for dual hop MIMO amplify-and-forward relay systems[J]., 2013, 62(8): 4125-4130.

[9] Huang Y, Yang L, Bengtsson M,. A limited feedback joint precoding for amplify-and-forward relaying[J]., 2010, 58(3): 1347-1357.

[10] Kim K J, Fan Y, Iltis R A,.. A reduced feedback precoder for MIMO-OFDM cooperative diversity systems[J]., 2012, 61(2): 584-596.

[11] Shi Y, Zhang Z, and Qiu L. Joint source/relay precoding designs in MIMO two-way AF relay systems with MMSE-SIC receiver[C]. IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), Shanghai, China, 2013: 2733-2738.

[12] Millar A P, Weiss S, and Stewart R W. THP transceiver design for MIMO relaying with direct link and partial CSI[J]., 2013, 17(6): 1204-1207.

[13] Mukai S, Ono F, Ochiai H,.. Adaptive one-way and two-way relaying for MIMO relay networks[C]. IEEE International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications (WPMC), Taipei, China, 2012: 286-290.

[14] Jaafar W, Ajib W, and Haccoun D. Adaptive relaying scheme for cognitive radio networks[J]., 2013, 7(11): 1151-1162.

[15] Proakis J G. Digital Communications[M]. New York: McGraw-Hill, 2007: 259-420.

[16] Love D J. Grassmannian subspace packing[OL]. http://dynamo.ecn.purdue.edu/∼djlove/grass.html, 2009. 5.

[17] Zhou S and Li B. BER criterion and codebook construction for finite-rate precoded spatial multiplexing with linear receivers[J]., 2006, 54(5): 1653-1665.

周冬跃： 男，1974年生，博士生，研究方向为无线通信信号处理技术.

胡斌杰： 男，1960年生，教授，博士生导师，研究方向为无线通信及相关射频理论与技术.

A Limited Feedback Precoder Method for OFDM Relay Systems

Zhou Dong-yue①②Hu Bin-jie①

①(,,510640,)②(,,510006,)

Based on OFDM amplify-and-forward cooperative relay system, in order to reduce the transmission bit error rate, while increasing the channel capacity and improving the usability, the paper presents a practical limited bits feedback precoding method where the source node precoder and the relay node precoder are jointly optimized. Through the use of the two downlink with three nodes, the two-hop cooperative communications are achieved, and the precoding matrices are designed using both orthogonal triangular (QR) decomposition and Singular Value Decomposition (SVD), in which the source node precoder contains only one precoding matrix per OFDM frame. By choosing a better codebook, the quantization precoders are feedbacked to the transmitter. The simulation results indicate that the proposed method is able to improve the system average sum-rate, reduce the error rate and improve the performance of outage probability, indicating a chance of better usability as result of fewer bits.

Wireless communication; Amplify-and-forward relaying; Two hop; Precoding; Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM); Limited feedback

TN929.5

A

1009-5896(2014)05-1196-06

10.3724/SP.J.1146.2013.01421

周冬跃 zhoudongyue@126.com

2013-09-17收到，2013-12-16改回

NSFC-广东省联合基金(U1035002)，澳港关键领域重点突破招标项目(2011A011305001, 2011A011302001)和广东高校产学研基地及科技成果转化重大项目(CGZHZD1102)资助课题