基于部分协作检测的MIMO中继系统

马罗文，杨瑞娟，李 征

(空军预警学院，武汉 430019)



基于部分协作检测的MIMO中继系统

马罗文，杨瑞娟，李 征

(空军预警学院，武汉 430019)

为了降低多输入多输出(MIMO)中继传输系统中中继节点进行信号处理和转发的运算复杂度，提升系统整体性能，在全检测转发(FDF)技术的基础之上，提出了一种基于树的遍历的部分协作检测(CPD)算法，采用本算法的中继节点只转发部分信噪比较高的信息流，不仅降低了中继转发的负担同时还去除了一些经历了深度衰落的信号。仿真结果显示，和国外同类典型研究相比较，中继节点的负担大大降低,同时传输系统的性能有了明显提升。

多输入多输出；中继传输；全检测转发；球检测

0 引 言

随着通信技术的不断发展，将多输入多输出(MIMO)技术和中继协作技术相结合逐渐成为现阶段的研究热点。在已有的关于MIMO中继系统的研究中，这些系统大多采用基于球解码的信道检测算法，因为该算法可以很好地降低系统的复杂度[1-5]。

在MIMO中继系统中，中继节点一般都为具有多天线的普通用户，当这些中继节点处于空闲时间时，就可以使用自己冗余的运算能力来改善整个信道网络的通信状况。但这样的中继协作方式会占用大量自身的信道资源和运算能力。而在实际情况中中继节点的天线数目和发射功率都是有限的，而在球检测算法中通常采用的全检测转发的中继模式往往要占用大量的信道资源，尤其是在采用一些要求最优化结果的信道估计算法时，这种资源的占用就会使中继自身的信号传输和处理受到影响。所以要降低中继节点运算法则的复杂度，就需要对信道检测算法在中继节点和目的节点进行合理的分配，使得中继节点在可以承受的负担之下进一步改善信道的质量。

提出了一种基于MIMO中继信道的部分协作探测算法(CPD)。这种算法改变了以往在球检测算法中中继节点需要对接收的每一条信息流进行检测的方式，而采用树遍历的方式只对部分信息流进行检测和转发，这就大大减少了中继节点的负担。根据仿真结果显示，采用CPD算法后，中继节点的负担有了明显下降，在同等条件下，系统误码率性能明显提升。

1 系统模型

本文采用两跳三节点的中继传输模型,如图1所示，分别采用S代表源节点，R代表中继节点,D代表目的节点，它们各自的天线数目分别是Ms、Mr和Md，同时在各节点之间采用半双工的传输模式。

图1 两跳三节点系统模型

在第1个时隙，源节点S将需要传输的信号发送到目的节点D和中继节点R，第2个时隙中继节点R使用不多于ef个中继天线(ef≤Mr)对接收到的信息进行转发，其中ef为转发系数，它和第2个时隙中继节点实际使用的天线数目一致。由此可见，对于ef数值的选取是决定系统复杂度和可靠性的关键。

同时中继节点和目的节点在第1个时隙接收到的信号表达式为：

yr=Hsrxs+nr

(1)

(2)

而在第2个时隙时，中继节点只利用了部分中继天线进行转发，因此目的节点接收到的信号表达式为：

(3)

(4)

(5)

(6)

本文中假设系统源节点S和中继节点R的总功率之和为P，其中中继节点功率为(1-u)P，目的节点的功率为uP，u为功率分配比，它是0～1之间的常数，α为路径损失指数，取值在2～6，则式(4)～(6)可以表示为：

(7)

(8)

(9)

2 部分协作检测算法

2.1 中继节点的部分球检测

首先是在中继节点采用部分球检测的算法，具体来讲就是：对信道矩阵进行QR矩阵分解，然后从第Ms层开始遍历树，到第j层结束(1≤i≤Ms)，对于传统全检测转发算法，j取值为1，也就意味着中继节点要遍历所有层；而对于部分协作检测算法，j的取值与转发系数ef相一致，这样就可以降低遍历次数从而降低中继的运算量。图2是采用十六进制正交调幅(16QAM)调制且转发系数ef=2时的树遍历模型。

图2 采用16QAM调制模式且ef=2时的遍历模型

进一步，假设Ci为第i层中一个点的运算量，则有：

(10)

式中：E{Di}为第i层遍历点数的期望，它的表达式为：

(11)

结合式(10)和式(11)可以看出，当i越小时，Ci的值越大，也就是树底部节点的遍历运算量要大于数顶部的节点。因此本文采用的部分球检测算法不仅减少了遍历的个数，同时选择运算量最小的节点进行检测，然后选择出部分信息流将其转发给目的节点。

2.2 目的节点的部分球检测算法

(12)

同时根据上式可以得到中继部分转发的信道矩阵和目的节点接收到的信号：

(13)

(14)

目的节点利用上式就可以得到接收信号，然后将信号通过球检测器进行信道估计和补偿，最后送给信道进行解码，图3为2个不同时隙的系统信号流程。

图3 两个时隙的系统流程

3 误码率仿真

本文的仿真模型是基于一个两跳三中继的通信模型，源节点S、中继节点R和目的节点D都处于一条直线上，于是有dsd=dsr+drd=1。根据式(7)～(9),将全检测转发(FDF)的功率分配比设为μPDF={0.05，0.1，0.15，0.2，0.25,…，0.9，0.95}；部分协作检测(CPD)的功率分配比设为μCPD。

(15)

同时系统参数如表1所示。

图4中仿真系统的中继位于dsr=0.2的位置，全检测转发(FDF)模式的功率分配比为0.6，部分协作检测的功率分配比分别为0.7,0.8,0.9。

表1 系统设计参数

图4 4×4天线MIMO系统误码率情况

从图4中可以发现，随着转发系数的增大，系统遍历的层数增加，误码率结果就越接近采用全检测转发(FDF)的系统模型。但需要注意的一点是，目的节点与源节点的距离远远大于目的节点和中继节点的距离，这就使得S-R链路的信噪比高于S-D链路，对于系统误码率有一定影响。

同样还是采用16QAM进行调制，发射天线和接收天线数目均为4，以误码率达到10-4为基准，选择不同的功率分配比和发射功率，可以得到图5。从图5可以发现，系统最优的功率分配比在0.6左右。

图5 误码率为10-4时功率分配比与总功率的关系

在大规模的无线中继网络中，中继节点往往都是多个的，这就需要考虑中继节点的数目对误码率影响情况，因此本文与文献[6]提出的算法进行对比，讨论了在不同中继节点数目下的误码率变化，并利用仿真将误码率进行对比，得到图6和图7。

图6 文献[6]中系统在不同中继数目的误码率

图7 本文系统在不同中继数目的误码率

文献[6]是采用正交相移键控(QPSK)调制2×2的MIMO中继系统，对比图5和图6可以看出，系统在采用部分协作检测算法时有5～10 dB的增益，这说明在同等条件下本文提出的系统误码率更低，系统的可用性更高。

4 结束语

从本文的仿真可以发现，部分协作检测算法可以大幅度减少MIMO中继通信系统的复杂度，这是因为传统的全检测转发(FDF)算法会遍历树中的每一个节点。而本系统只用遍历部分节点就可以完成检测，不仅减少了遍历点的个数，同时优先遍历的是计算量较小的点,这都进一步提升了系统性能。而且在实际应用中，可以根据用户终端功率尺寸的实际来选择恰当的转发系数ef，使得系统的可靠性和有效性达到最优。

[1] VITERBO E,BOUTROS J.A universal lattice decoder for fading channels[J].IEEE Transactions on Information on Theory,1999,45(5):1639-1642.

[2] GUO Z,NILSSON P.Algorithm and implementation of the K-best sphere decoding for MIMO detection[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2006,24(3):491-503.[3] BURG A,BORGMANN M,WENK M,et al.VLSI implementation of MIMO detection using the sphere decoding algorithm[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2005,40(7):1566-1577.

[4] LI M,BOUGARD B,XU W,et al.Optimizing near-ML MIMO detector for SDR baseband on parallel programmable architectures[C]//Design,Automation and Test in Europe,2008:444-449.

[5] ANTIKAINEN J,SALMELA P,SILVN O,et al.Application-specific instruction set processor implementation of list sphere detector[J].EURASIP Journal on Embedded Systems,2007,2007(1):943-947.

[6] HESKETH T,CLARKE P,LAMARE R C,et al.Joint maximum likelihood detection and power allocation in cooperative MIMO relay systems[C]//Smart Antennas (WSA),2012 International ITG Workshop on IEEE,2012:325-331.

MIMO Relay System Based on Cooperative Partial Detection

MA Luo-wen，YANG Rui-juan，LI Zheng

(Air Force Early Warning Academy,Wuhan 430019,China)

In order to reduce the operation complexity of signal processing and forwarding for relay nodes in the multi-input multi-output (MIMO) relay transmission system and improve the overall system performance,this paper proposes a cooperative partial detection(CPD) algorithm based on full detect-and-forward(FDF) technique,and the CPD is based on tree traversal.The relay nodes of the algorithm only forward part of the data streams with higher signal to noise ratio,which not only reduces the load of the relaying,but also eliminates the deeply fading signals.The simulation results show that the algorithm can reduce the relay node burden significantly as well as improve the transmission system performance compared with the similar foreign research.

multi-input multi-output;relay transmission;full detect-and-forward;sphere detection

2016-03-02

TN925

A

CN32-1413(2016)03-0063-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.016