协作通信中一种高性能空时二维RAKE接收算法

李东武，裴昌幸，何先灯，孟云亮

(西安电子科技大学ISN国家重点实验室，西安 710071)

协作通信中一种高性能空时二维RAKE接收算法

李东武，裴昌幸，何先灯，孟云亮

(西安电子科技大学ISN国家重点实验室，西安 710071)

将空时二维 RAKE接收机理引入异步协作通信系统，提出了一种高性能 RAKE接收算法．首先利用该接收机对发送信息进行粗估计，并判决获得估计结果，给出发射信号的各条多径分量；然后将多径分量依次从接收信号中抵消，以消除所接收信号中由多径衰落产生的符号间干扰，从而获得所期望的直达路径分量．对直达路径分量按照空时分组码的合并译码准则进行空时合并，获得空间分集增益．在此基础上通过判决反馈、循环迭代进一步降低误码率．仿真结果表明，当信噪比高于5,dB后，新算法可显著提高传统空时RAKE接收机的性能．

空时RAKE；符号间干扰；分集合并；循环迭代

空间分集技术由于具有良好的抗衰落性能，近年来在无线通信领域内得到了广泛的关注．在早期的算法研究中，空间分集增益需要在发射机和接收机安装多个天线，即通过多输入多输出(multiple-input multiple-output，MIMO)系统获得．然而在实际的收发信机中，尤其是移动通信的小型手持终端中，常因受到体积、功率以及电磁干扰等的限制，很难安装多个天线[1-3]．

协作通信系统无需终端安装多个天线即可获取空间分集增益，最早由 Sendonaris提出，协作通信起源于中继通信，其基本思想是通过多用户之间共享天线和其他网络资源的形式构成一个虚拟的多天线阵列，并通过分布式处理产生协作来获得空间分集增益．该技术一经提出，就吸引了世界各国学者的关注，各种不同的协作传输协议或机制纷纷出现，传统的端到端通信系统中的关键技术也逐步演进到协作通信系统中．目前，协作通信技术已成为无线通信领域最热点的研究课题之一，其模型有两中继协作模型和多中继协作模型，源节点发出的每组数据由中继节点转发，所以可以获得协作分集增益[4]．协作分集通过不同终端的天线提供，各终端的发送信号到达接收机很难实现精确同步，各终端的定时误差以及各终端到接收机距离的不同是造成同步困难的原因，因此协作通信是一个典型的异步传输系统．传统的 MIMO系统由于多个天线安装在同一个收、发信机，各天线的信号同步到达接收机，这样就造成将传统端到端的通信技术应用于协作通信系统时，必须针对异步系统进行修正，这个问题对协作通信技术的发展提出了挑战．

RAKE接收机[5-6]最早在采用扩频技术的单天线系统中应用，RAKE接收机的每个支路相关器对应于多径衰落信道的一个能量较强的路径，然后，对所有相关支路的输出进行分集合并即可获取多径分集增益．在 RAKE接收机基础上发展起来的空时二维RAKE接收机可以获取空间分集与多径分集增益，在MIMO系统中展开了广泛的研究．Bottomley等[7]最早对单天线系统的 RAKE接收机性能进行了研究，提出了抗干扰性能容限；Grant等[8]在MIMO系统中研究了空时二维 RAKE接收机的性能容限，提出应用范围更加广泛的 G-RAKE模型；文献[9]提出了对选择的信道支路进行快速跟踪算法，可降低信道时变对接收机的影响，该算法显著提高了 RAKE接收机对实际信道的适应能力，但是与传统RAKE相同，该算法仍无法分辨超出PN周期的大延迟多径支路．为进一步降低信道估计过程中的复杂度，文献[10-12]提出了离散时间 RAKE接收机(C-DTR)，该结构显著降低了计算复杂度；文献[13-14]将 C-DTR结构推广到更多数目的天线或采用相关矩阵对 RAKE各支路进行加权以提高其鲁棒性．

目前研究二维 RAKE接收机的算法大多集中在提高其应用性或者降低计算复杂度等方面[15]，而且已有算法都需要保证信道的多经延迟不超过码元周期，即PN码周期．当信道的多径延迟比较大，且符号的多径分量延迟到其他码元周期时，传统的空时二维RAKE接收机便无法实现该大延迟多径分量的获取与分集合并，从而落入其他码元周期的多径分量便会造成符号间干扰(ISI)，对接收机性能造成很大的影响．此外，传统的 RAKE接收机与空时二维 RAKE接收机一般只能在同步系统工作，在一定程度上对该算法的发展产生局限性．目前鲜有空时二维 RAKE算法能直接应用于多径延迟超过码元周期的异步协作通信系统，大多径延迟产生的符号间干扰很难处理．

笔者在多径延迟超过码元周期的莱斯衰落信道条件下，研究两中继异步协作通信系统的空时二维RAKE算法．首先，利用传统的空时RAKE接收机粗估计出发送信息；然后在此基础上引入判决反馈机制，利用判决估计结果估计每个发射信号的各条多径分量并抵消，获得接收信号中的直达路径分量；最后对直达路径进行空时合并获得空间分集增益．新算法从判决反馈到分集合并的处理过程可通过循环的方式进行，即多级干扰抵消——分集合并的多级反馈结构．该算法可有效消除接收信号中的符号间干扰，适用于异步协作通信系统，仿真结果表明新算法可显著提高传统空时二维RAKE接收机的性能．

1 空时二维RAKE接收机模型

式中：⊗与 ()nδ 分别为卷积运算与 Dirac函数；Q为扩频增益；cT为码片周期；PNql+为PN码的第q l+个(1 q Q≤ ≤ )码片，是 PN码循环右移l个比特；()nυ为加性高斯白噪声(additive white Gaussian noise， AWGN)；hij( n)为从第i个发射天线到第j个接收天线所经历的多径衰落信道的信道冲激响应(channel impulse response，CIR)；L为 CIR的长度，即多径延迟；ikd为第i个发射天线发出的第k个码元符号．空时二维 RAKE接收机的处理框图[6]如图1所示．

图 1中接收机有两个接收天线，为了表示方便，这里假设发射机只有一个发射天线，即一发二收的MIMO系统(M=1,N=2)．接收机接收到信号后，在每个天线处分别进行PN码相关积分以及RAKE多径合并，可得

图1 空时二维RAKE接收机处理框图Fig.1 Block diagram of space-time 2D RAKE receiver

在此基础上，空时二维 RAKE进一步完成对所有天线的RAKE合并结果进行空间合并．实际上，分集合并的完成需要按照空时分组码(space-time block coding，STBC)译码矩阵完成，这同时需要发射机进行STBC编码，本文采用最基本的STBC空时编译码算法，限于篇幅，对 STBC的编、译码准则不做过多陈述．对式(2)的输出ky值解调判决，即可得到对发送符号kd的估计．

2 协作通信系统模型

本文研究的是两个中继的协作通信系统，两中继系统作为一种协作通信的基本结构得到了广泛研究[4]，系统模型如图2所示

图2 两中继协作通信系统模型Fig.2 Two relay cooperative communication system model

系统由1个源节点(S)、2个中继节点(Ra和Rb)与目的节点 D构成，此系统被称之为“钻石”型架构，其他的协作通信网络架构均由此演变而来．

由于衰落的影响，源节点与目的节点之间的直射路径不存在，但是源节点与中继节点、中继节点与目的节点之间的信道则可以存在直射路径．在瑞利平坦衰落条件下，从源节点 S到中继节点 Ra、Rb的信道衰落系数分别是hsa与hsb，而从中继节点Ra和Rb到目的节点 D的信道衰落系数分别为 had与 hbd，所以，从源节点分别经历2个中继节点到达目的节点的等效信道衰落系数为

式中β表示归一化功率系数．同理可知，当信道为莱斯多径衰落情况下，hsa与 hsb、had与 hbd分别为含有多个元素的 CIR 向量，标记为sa()h n与sb()h n、ad()h n与bd()h n，此时等效的源节点到目的节点的CIR可通过卷积运算得到，即

若 CIRsa()h n、ad()h n的长度分别为saL 、adL ，则经过卷积运算后可得到等效 CIRa()h n的长度为，也就是说，协作通信在提供协作分集增益的同时，也会显著增加等效多径信道冲激响应的长度．此外，从中继节点 Ra和 Rb转发的信号很可能不同步到达目的节点，通过图2也印证了协作通信为异步通信系统．

3 协作通信系统中的空时二维RAKE新技术

3.1 协作通信的空时二维RAKE接收

将空时二维 RAKE接收机理引入协作通信系统，针对图2所示的两中继模型，其接收信号为

式中：ciTΔ 为经过中继i(i=a，b)到达目的节点的信号支路的延迟时间；iL为经过两个中继的等效 CIR的长度．由此可得到空时二维 RAKE接收机的输出信号为

式(8)表示的仍是传统二维 RAKE技术的直接应用．在协作通信中，由于等效CIR的长度相当于两段CIR的长度之和，因此多径时延比较大，有可能超过码元周期，也就是扩频增益，即iL Q＞ ，在这种情况下如果完全收集多径分量，则会产生符号间干扰(ISI)，此时式(8)可表示为

3.2 本文所提新算法

图3为新算法的接收机处理流程．

如图3所示，接收信号首先经过空时二维RAKE处理，解调判决后可以得到发送信号的初始解调结果，利用该初始值结合等效 CIR构造各多径分量；然后引入干扰抵消机制，将构造的多径分量从接收信号中抵消，保留最强分量；本文考虑莱斯衰落场景，因而此处干扰抵消的结果中只保留直射路径(LOS)分量，此时干扰抵消将信道的频率选择性衰落变为瑞利平坦衰落，这样传统的协作通信系统接收机即可完成分集合并．

图3 新算法的接收机框图Fig.3 Receiver′s block diagram of new algorithm

最后，将协作通信系统中的STBC分集合并技术应用于LOS()r n，由式(8)可得

3.3 新算法性能分析

假设初始检测无误差，该假设在实际中无法达到，但有大量的判决反馈类算法仍然基于此进行性能分析，得到的结果可作为该算法的理想性能界[16-17].此时式(12)变为

由式(13)可见，新算法的输出信号中只含有带检测符号kd的信息，ISI已经完全消除．系数表明该算法能够获取两个中继转发带来的协作分集增益．

该结论是在假设空时二维 RAKE算法无检测误差的情况下得到，而在实际检测过程中，这个假设不能保证成立，所以新算法只能将信道由频率选择性衰落转变成准平坦衰落．但是，新算法仍然可以明显消除接收信号中的 ISI，下一节在实际的莱斯衰落协作通信信道条件下对新算法的性能进行了仿真验证．

新算法可以通过多级反馈结构显著降低系统的误码率特性，该过程增加了接收机的计算复杂度，但是，从多径分量的重构到干扰抵消以及分集合并的完成，整个过程均基于线性化的处理，而且主要通过加减运算完成，因此新算法所增加的计算量并不高．此外，笔者在仿真过程中发现，所提算法在三级迭代的情况下即可有效收敛．如果考虑实际接收机的FPGA实现，综合检测性能与计算复杂度的折中考虑，可以采用三级检测结构，在不过多占用系统资源的前提下尽可能提高检测性能．

4 计算机仿真与分析

为了验证本文所提算法的性能，选择了3条莱斯多径衰落信道进行性能Monte Carlo仿真．信道1具有 6条路径，各路径的归一化功率分别为 0、-15、-3、-10、-7和-15,dB，各路径相对于主径的延迟分别为 0、10,Tc、65,Tc、80,Tc、130,Tc与 160,Tc，信道莱斯因子为0.6,dB．信道2具有9条路径，各路径的归一化功率分别为0、-15、-4、-16、-16、-8、-16、-15和-19,dB，各路径相对于主径的延迟分别为 0、10,Tc、65,Tc、80,Tc、115,Tc、130,Tc、160,Tc、195,Tc与 230,Tc，信道莱斯因子为 1.5,dB．信道 3具有 11条路径，各路径的归一化功率分别为 0、-12、-3、-14、-15、-7、-16、-10、-17、-21和-24，各路径相对于主径的延迟分别为 0、10,Tc、65,Tc、80,Tc、115,Tc、130,Tc、160,Tc、195,Tc、210,Tc、225,Tc与 240,Tc，信道莱斯因子为 0,dB．3条信道的衰落特性都十分明显．

信号采用QPSK调制，扩频码采用m序列，长度为 63，两个中继之间异步时间达到 5,Tc，因此多径延迟最大可达到 4个码元周期．信道服从慢衰落特性，即在一段数据块内不发生明显变化，在不同的数据块之间则有变化，即块衰落．此外，仿真假设信道特性在接收机已知，性能仿真结果如图4所示．

图4(a)所示为采用信道1得到的误码率(BER)-信噪比(SNR)特性曲线．从图 4(a)中可见，信噪比低于 4,dB时，新算法稍差于传统的二维 RAKE接收机，这是由于在干扰抵消过程中，本来的噪声背景就比较强，干扰抵消基于初始检测实现，而初始检测的误码率很高，因而新算法反而会引入更多的干扰进来．当信噪比高于 5,dB后，新算法由于消除了接收信号中的 ISI，性能明显优于传统二维 RAKE接收机；当信噪比为12,dB时，传统空时二维RAKE接收机的误码率曲线在 1×10-2以上出现“平台”效应，无法进一步降低，而新算法1级反馈结构可将误码率平台降低到 7×10-3左右，而随着检测级数的增加，性能提高非常明显，2级反馈结构即可将误码率平台降低到 2×10-3，而 3级反馈结构可以将误码率平台降低到1×10-4以下，性能提高非常明显．

图 4(b)为采用信道 2得到的误码率特性曲线，此时信噪比低于 4,dB时，新算法仍稍差于传统的空时二维 RAKE接收机，当信噪比高于 5,dB后，新算法可明显提高检测性能．当信噪比为 12,dB时，传统空时二维RAKE接收机的误码率高于1×10-2，而新算法1级反馈结构可将误码率降低到5×10-3左右，3级反馈结构可将误码率平台降低到10-4数量级，性能提高非常明显．

图4(c)为采用信道3得到的误码率特性曲线，该信道由于莱斯因子最小，且多径数目众多，因此特性最为恶劣．此时，新算法随着信噪比的提高仍可明显提高传统的空时二维 RAKE接收机的检测性能．当信噪比为12,dB时，传统空时二维RAKE接收机的误码率高于1×10-2，而新算法 1级反馈结构可将误码率降至8×10-3左右，3级反馈结构可以将误码率平台降低到4×10-4数量级，性能提高也很显著．

图4 误码率特性曲线比较Fig.4 Comparison of feature curves of BER

5 结 语

本文将空时二维 RAKE技术引入协作通信中，并针对协作通信的异步传输、多径延迟大等特点，结合干扰抵消机制改进了空时二维 RAKE接收机的性能．新算法消除了接收信号中的符号间干扰，显著降低了原系统存在的误码率“平台”效应，使得 RAKE接收机在协作通信中成为可应用的技术．

［1］ 谢显中，雷维嘉. 移动通信中的空时信号处理[M].北京：电子工业出版社，2008.

Xie Xianzhong，Lei Weijia. Space-Time Signal Processing for Mobile Communication [M]. Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2008(in Chinese).

［2］ 由 磊，雷建军. 认知无线视觉传感网络机会传输的分布式跨层优化[J]. 天津大学学报：自然科学与工程技术版，2013，46(10)：910-916.

You Lei，Lei Jianjun. Distributed cross-layer optimization for opportunistic transmission in cognitive wireless visual sensor networks [J]. Journal of Tianjin University：Science and Technology，2013，46(10)：910-916(in Chinese).

［3］ 杨 挺，张倩倩，阎彦含，等. 物联网无线通信传输层动态通道保障机制[J]. 天津大学学报，2012，45(9)：779-784.

Yang Ting，Zhang Qianqian，Yan Yanhan，et al. Dynamic transmission channel guarantee mechanism in wireless internet of things[J]. Journal of Tianjin University，2012，45(9)：779-784(in Chinese).

［4］ Nazari B. Jamalipour A. Cooperative communication with asymmetric channel state information：A contract theoretic modeling approach[J]. China Communications，2013，10(1)：31-43.

［5］ Suzuki Y，Kudoh E，Ogose S. DS-CDMA RAKE receiver with time-window control loop(TWCL)in multipath fading environment [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology，2000，49(1)：167-172.

［6］ Ramos J，Zoltowski M D，Liu Hui. A low-complexity space-time RAKE receiver for DS-CDMA communications [J]. IEEE Signal Processing Letters，1997，4(9)：262-265.

［7］ Bottomley G E，Ottosson T，Wang Y E. A generalized RAKE receiver for interference suppression [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2000，18(8)：1536-1545.

［8］ Grant S J，Molnar K J，Bottomley G E. Generalized RAKE receivers for MIMO systems[C]// IEEE 58th Vehicular Technology Conference. USA，2003，1：424-428.

［9］ Boujemaa H，Siala M. Rake receivers for direct se-quence spread spectrum systems[J]. Annals of Telecomm，2001，56：291-305.

［10］ Boujemaa H，Fratu O，Siala M，et al. On the performance of a discrete time RAKE[C]// The 11th IEEE International Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications. London，UK，2000，2：949-953.

［11］ Boujemaa H. BER performance analysis of the discrete time and the continuous time Rake receivers for the UMTS downlink [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications，2006，5(4)：900-909.

［12］ Baykas T，Siala M，Yongacoglu A. MIMO decorrelating discrete-time RAKE receiver[C]// IEEE 61st Vehicular Technology Conference. Canada，2005，2：1235-1239.

［13］ Bottomley G E，Cozzo C. Rake reception with channel estimation error [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology，2006，55(6)：1923-1926.

［14］ Senaratne D，Tellambura C. Spatial multipath resolution for MIMO systems [J]. IEEE Wireless Communications Letters，2012，1(1)：10-13.

［15］ Foo S E，Beach M A，Karlsson P，et al. Spatiotemporal investigation of UTRA FDD channels[C]// Third International Conference on 3G Mobile Communication Technologies. London，UK，2002：175-179.

［16］ Wang Qiucai，Yuan Chaowei，Zhang Jinbo，et al. Frequency domain DFE for single-carrier STBC block transmission [J]. IEEE Communications Letters，2013，17(6)：1108-1111.

［17］ Deng Lianjun，Kawamura T，Taoka H，et al. Comparative study of open-loop transmit diversity schemes with four antennas in DFT-precoded OFDMA using turbo FDE and iterative channel estimation[C]//IEEE International Conference on Communi-cation Systems (ICCS). Singapore，2012：513-518.

（责任编辑：赵艳静）

A Space-Time Two Dimensional RAKE Receiving Algorithm in Asynchronous Cooperative Communications System with High Performance

Li Dongwu，Pei Changxing，He Xiandeng，Meng Yunliang
(State Key Laboratory of Integrated Services Networks，Xidian University，Xi’an 710071，China)

Space-time two dimensional RAKE receiver was introduced into the asynchronous and cooperative communication system，and a high-performance RAKE receiving algorithm was proposed. In this algorithm，the transmitting signals were estimated roughly by traditional space-time RAKE receiver，and each multipath component of transmitted signal was also estimated with decision feedback technology. Then，the multipath components were eliminated from the received signal，so the inter symbol interference of received signal was removed and the strongest path component was obtained correspondingly. Furthermore，the stronger paths were combined according to the decoding standards of space-time block code in order to obtain space diversity gain. The decision feedback architecture was investigated in which a new algorithm was performed iteratively in order to reduce the bit error rate. Simulation results show that performance of traditional RAKE receiver can be improved greatly when SNR is higher than 5,dB.

space-time RAKE；inter symbol interference；diversity combine；cyclic iteration

TN929

：A

：0493-2137(2014)09-0778-07

10.11784/tdxbz201308071

2013-08-29；

2014-01-23.

国家自然科学基金资助项目(61072067，61372076)；高等学校学科创新引智计划资助项目(B08038)；国家重点实验室专项基金资助项目(ISN1001004).

李东武（1981— ），男，博士研究生，dongwuli@163.com.

裴昌幸，chxpei@xidian.edu.cn.

时间：2014-03-07.

http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201308071.html.