基于Alamouti 码的OFDM 协作系统中继选择算法

唐建春,刘思艳,崔 苗

(1.中国电子科技集团公司第七研究所,广东 广州 510310; 2.中国人民解放军75841 部队,云南 昆明650000)

0 引言

无线中继技术是近年来通信领域研究的热点之一。 系统基本结构由源、中继和目标构成,该技术能扩大无线系统的高速率覆盖范围并取得协作分集增益[1-2]。 中继传输策略有放大转发和解码转发2 种。

合理选择协作系统中继节点能优化通信系统的性能。 目前,中继节点选择的研究包括基于地理位置信息/平均信噪比的中继选择和基于瞬时信道信息的机会中继选择。 文献[3]提出基于地理位置信息的中继选择算法,用于自组织网络和无线传感器网络的多跳传输系统。 文献[4]提出一种基于平均信噪比准则的简单中继选择方式,用于解码转发(Decode and Forward,DF)系统,中继的选择取决于其与目的节点之间的平均信噪比的大小。 文献[5]提出基于平均信噪比的多跳传输系统的中继选择方式。 上述3 种中继节点选择是根据系统中各个节点的位置分布情况来进行。 根据地理位置信息方法比较适合于各个节点位置相对固定或信道状态变化较缓慢的情况。

针对自组网分布式特点,文献[6]提出一种分布式基于瞬时信道信息的中继选择算法。 文献[7]提出以最大化网络存活时间为目标的中继选择方式,降低了分布式网络中控制信息数量。 文献[8]引入混合ARQ 反馈机制到解码转发中继协作系统,通过目的节点的有限反馈,既实现中继的选择,又实现自动重传。 针对多个中继节点选择的研究,文献[9]提出一种基于输出门限的准则来选择多中继。 文献[10]提出当更多的中继参与协作,结合波束成型多天线技术来降低节点的平均传输能耗。 中继节点的选择基于瞬时信道增益且由目的节点完成。 该方法降低了平均传输功率,但目的节点仍需要反馈的信息很大,且中继节点处理复杂度提高,中继节点之间的不同步增加了目的节点的接收复杂度。

在多径信道衰落下的中继选择研究上,文献[11]提出多径信道下基于OFDM 的中继协作方式,用于蜂窝网络上行系统。 针对放大转发(Amplify and Forward,AF)方式,文献[12]以Pairwise Error Probability 为准则,提出2 种中继选择方式：① 基于单个子载波的中继选择方式,目的节点可以为源节点每一个子载波上的信息选择最好的中继参与协作;② 基于单个OFDM 符号的中继选择方式,目的节点为源节点的所有子载波分配最好的中继参与协作。

1 系统模型

系统属于多中继协作无线传输系统,如图1 所示,由一个源节点、多个中继节点和一个目标节点组成。 每个节点配置单个天线,均采用带循环前缀的正交频分复用(CP-OFDM)的多载波调制/解调方式。

图1 多中继协作通信系统Fig.1 Multi-relay cooperative communication system

此外,系统中源节点与目的节点进行通信,其通信链路为源节点至目的节点链路,通常也称为直达链路(Direct Link,DL)。 在源节点和目的节点周围存在多个中继节点,用于协作传输。 直达链路的信道状态较好时,源节点与目的节点可以通过直达链路实现通信,无需中继节点协作;直达链路的信道状态较差时,中继节点可参与协作,向目的节点转发来自源节点的信息,实现空间分集增益,提高通信质量。 该系统采用AF 和DF 两种常用的中继协作方式。

本系统采用的编码矩阵为：

相应的,在接收端Alamouti 码合并后的信号可以表示为：

最大似然检测可在每个合并后的信号上独立进行,因而以最低的检测复杂度获得最优的检测性能。

2 基于Alamouti 的放大/解码转发中继选择的判决量选取

2.1 存在直达链路下的AF 单中继选择的判决量

在存在直达链路下的AF 单中继协作传输模式下,目的节点接收到的数据序列中第k 和k + 1 个OFDM 频域信号可表示为：

其 中, Hsr∗d= Hrd(Hsr)∗= [()∗,…,(),=- Hrd()∗,=+Hrd·()∗。 根据Alamouti 译码方式,接收信号以如下方式进行合并：

在第n 个子载波上,合并后的频域信号分别为：

可以看出,第n 个子载波上,合并后的频域接收信号的接收信噪比为：

所有子载波上的信噪比和为：

由式(9)可以看出,该模式下中继选择的目标是从多个中继中选择一个并使得对应的ΔAF1最大。在该模式下,ΔAF1取决于源节点至目的节点的信道信息;在归一化信道能量假设下,满足= 1和≪1,因此：

为了简化中继选择流程,每个中继节点m 只需根据自身链路的信道信息计算出如下判决量：

2.2 无直达链路下的AF 双中继选择的判决量

在AF 单中继协作传输模式下且无直达链路时,目的节点接收到的数据序列中第k 和k + 1 个OFDM 频域信号可表示为：

同理可以计算出,第n 个子载波上,合并后的频域接收信号,所有子载波上的信噪比和为：

由式(13)可以看出,ΔAF2取决于2 个中继链路的信道信息,这需要中继节点知道全部中继链路的信道信息,这是不切实际的。 在归一化信道能量的假设下,满足=1 和≪1,ΔAF2可化简为：

因此,为了简化中继选择流程,每个中继节点m只需基于自身链路的信道信息计算如下判决量：

2.3 存在直达链路下的DF 单中继选择的判决量

在存在直达链路下的DF 单中继协作传输模式下,目的节点接收到的数据序列中第k 和k + 1 个OFDM 频域信号可表示为：

可得第n 个子载波上,合并后的频域接收信号所有子载波上的信噪比和为：

为了简化中继选择流程,每个中继节点m 只需基于自身链路的信道信息计算如下判决量：

2.4 无直达链路下的DF 双中继选择的判决量

无直达链路的DF 双中继协作传输模式下,目的节点接收到的数据序列中第k 和k + 1 个OFDM频域信号可表示为：

根据Alamouti 译码方式,可以计算出第n 个子载波上,合并后的频域接收信号所有子载波上的信噪比和为：

为了简化中继选择流程,每个中继节点根据自身链路的信道信息计算如下判决量：

3 算法性能的仿真验证

在无传输损耗(表示不考虑中继系统各节点之间的相对位置及相对距离)和假设信道的平均功率为1 的情况下,通过蒙特卡罗仿真说明本文所提算法性能。 具体仿真参数如表1 所示。

表1 仿真参数Tab.1 Simulation parameters

图2 和图3 分别描述多径数目为1 和4 时无直接链路AF 双中继协作系统的中继选择性能,可以看出候选中继节点数目越多,因而中继选择的分集增益的影响越明显。

首先分析中继选择算法对基于Alamouti 的OFDM中继协作系统在不同多径衰落下的协作分集增益的影响。 由于Alamouti 编码是在于平坦信道环境下提出,而当其用于多径衰落信道环境下时,基于OFDM 的Alamouti 编码可在每个子载波上单独实现。 当多个中继中选择2 个进行Alamouti 编码时,实际中较难为每个子载波选择不同的中继进行Alamouti 编码,而采用以一个OFDM(全部子载波)为单位的中继选择,因此在多径信道径数逐渐增加(大于1)的情况下,中继选择所带来的分集增益并不明显,如图3 所示。

图2 多径数目=1 时无直接链路AF 双中继协作系统的中继选择性能Fig.2 Relay selection performance of AF two relays cooperative system(multi-path = 1)

图3 多径数目=4 时无直接链路AF 双中继协作系统的中继选择性能Fig.3 Relay selection performance of AF two relays cooperative system (multi-path = 4)

图4 为考虑传输损耗时本文提出的中继选择算法对系统传输性能的影响。

图4 有传输损耗的中继选择性能Fig.4 Relay selection performance of transmission loss

这时传输损耗和信道的平均能量在0. 5 ～4. 5之间均匀分布。 可以看出基于Alamouti 的OFDM中继协作系统的多中继选择带来明显增益,即随着中继候选节点越多,利用本文所提最佳节点选择算法,系统性能更好,可适用在传输损耗的系统。

4 结束语

本文提出了在Alamouti 码的OFDM 协作系统中基于判决量的最佳中继选择算法。 通过严格的数学建模、理论分析和仿真证明该算法可适用在中继系统中。 中继候选节点越多,系统性能越好,可适用在有传输损耗的中继协作通信系统。