甘立記，王 丹

(河南科技大學(xué)a.電氣工程學(xué)院；b.河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

基于預(yù)編碼的AF多中繼協(xié)作通信信道估計(jì)方法

甘立記a，王 丹b

(河南科技大學(xué)a.電氣工程學(xué)院；b.河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

針對(duì)瑞利平坦衰落信道下AF多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)，提出了一種基于預(yù)編碼的分段式信道估計(jì)方法。該方法分兩個(gè)階段對(duì)S-R和R-D兩個(gè)鏈路的信道狀態(tài)信息進(jìn)行估計(jì)，利用在中繼端進(jìn)行預(yù)編碼，使中繼節(jié)點(diǎn)可同時(shí)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送訓(xùn)練序列。仿真結(jié)果表明，提出的方法可有效地估計(jì)出兩段鏈路的信道狀態(tài)信息，減小了訓(xùn)練時(shí)隙的開支，縮短了信道估計(jì)時(shí)間。

信道估計(jì)；預(yù)編碼；多中繼；LMMSE

近年來，協(xié)作中繼技術(shù)作為無線通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，獲得了廣泛的研究，它能有效獲取無線信道內(nèi)在的空間分集，提高通信系統(tǒng)的信息容量，改善通信質(zhì)量[1-3]。根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式的不同，協(xié)作方案主要分為放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify-and-Forward，AF)，譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode-and-Forward，DF)等[4]，由于AF方案只需要中繼節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)發(fā)經(jīng)線性處理過的信號(hào)而不需要解碼，復(fù)雜度較低且易于實(shí)現(xiàn)，因此更加受到人們關(guān)注。

在中繼選擇、信號(hào)的相干檢測(cè)等方面，都需要獲得準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息(Channel State Information，CSI)。信道估計(jì)的方法主要包括盲估計(jì)與非盲估計(jì)。非盲估計(jì)利用訓(xùn)練序列或?qū)ьl進(jìn)行信道估計(jì)，方法簡(jiǎn)單，估計(jì)性能好，因此得到了廣泛研究。文獻(xiàn)[5]給出了一種平坦衰落信道下單中繼放大轉(zhuǎn)發(fā)的信道估計(jì)方法。文獻(xiàn)[6-9]針對(duì)平坦衰落信道下多中繼放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)同通信系統(tǒng)提出了基于訓(xùn)練序列的最小二乘(LS)和線性最小均方誤差(LMMSE)信道估計(jì)算法以及最優(yōu)訓(xùn)練序列，為了獲得系統(tǒng)分集，文獻(xiàn)[7-8]引入了中繼預(yù)編碼。以上文獻(xiàn)都是針對(duì)源節(jié)點(diǎn)經(jīng)中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的級(jí)聯(lián)信道進(jìn)行估計(jì)的，不能估計(jì)出各節(jié)點(diǎn)之間的信道狀態(tài)信息。文獻(xiàn)[9]提出了一種分段估計(jì)的方法，但這種方法需要占用大量的訓(xùn)練時(shí)隙，并且隨著中繼個(gè)數(shù)的增加，需要的訓(xùn)練時(shí)隙也成線性增加，增加了系統(tǒng)訓(xùn)練時(shí)隙的開銷。

本文針對(duì)AF多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)討論了信道分段估計(jì)問題，提出了在中繼節(jié)點(diǎn)同時(shí)向目的端發(fā)送訓(xùn)練序列的方法，為了保證中繼間訓(xùn)練序列不發(fā)生混疊，利用中繼端預(yù)編碼使不同中繼的訓(xùn)練序列相互正交。仿真結(jié)果表明，該方法和文獻(xiàn)[9]相比，減小了訓(xùn)練時(shí)隙的開支，縮短了系統(tǒng)的訓(xùn)練時(shí)間。

1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型采用文獻(xiàn)[9]給出的兩跳多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)模型，如圖1所示，整個(gè)中繼網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)源節(jié)點(diǎn)S，M(M≥2)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)R1，R2，…，RM，一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)D。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都只配有一根能收能發(fā)的天線，但是不能同時(shí)進(jìn)行收發(fā)，源節(jié)點(diǎn)

圖1 多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)模型

數(shù)據(jù)傳輸?shù)谝浑A段，源節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送數(shù)據(jù)x，第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)可以表示為

(1)

數(shù)據(jù)傳輸?shù)诙A段，源節(jié)點(diǎn)將收到的數(shù)據(jù)處理后發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)，定義PR,i表示中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，則目的節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)可以表示為

(2)

式中：nd為目的節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)是的復(fù)高斯加性白噪聲，nd∈CN(0,N0I)；εi為中繼放大系數(shù)，本文采用固定增益方案，即

(3)

2 訓(xùn)練序列和訓(xùn)練方案設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[9]提出的信道估計(jì)方法利用不同的時(shí)間間隙進(jìn)行信道估計(jì)，方法簡(jiǎn)單，但是需要浪費(fèi)大量的時(shí)間間隙，且隨著中繼個(gè)數(shù)的增加而線性增加，因此，本節(jié)提出一種基于預(yù)編碼的信道估計(jì)方法，在第一階段，中繼節(jié)點(diǎn)同時(shí)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送經(jīng)過預(yù)編碼的訓(xùn)練序列，在第二階段，源節(jié)點(diǎn)同時(shí)向所有中繼節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送訓(xùn)練序列，然后各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)將收到的訓(xùn)練序列進(jìn)行預(yù)編碼、功率放大處理后，同時(shí)將處理好的訓(xùn)練序列發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)。信道估計(jì)分兩個(gè)階段，先后對(duì)R→D鏈路和S→R鏈路的CSI進(jìn)行估計(jì)。

1)第一階段

在第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)采用預(yù)編碼矩陣Pi∈CM×M，這里Pi=diag{pi}滿足互相正交，即

(4)

為了方便，設(shè)所有中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率相同且均為PR，則目的節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)可以表示為

2)第二階段

估計(jì)S→R鏈路的CSI。首先，源節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)廣播訓(xùn)練序列，中繼節(jié)點(diǎn)將收到的訓(xùn)練序列處理后放大前傳至目的節(jié)點(diǎn)，不失一般性的，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的訓(xùn)練序列為單位符號(hào)，則中繼節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)可以表示為

(6)

式中：ni∈CN(0,NR)為中繼節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)時(shí)的復(fù)高斯加性白噪聲，這里為了方便，假設(shè)所有中繼具有相同的噪聲方差NR。

第i個(gè)中繼發(fā)送的預(yù)編碼后的信號(hào)可以表示為

qi=εiriPiz

(7)

各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)將預(yù)編碼后的信號(hào)經(jīng)R→D鏈路同時(shí)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送，則目的節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)可以表示為

αCh+βCNg+nd

(8)

3 信道估計(jì)算法

首先估計(jì)g=[g1g2…gM]T，由式(5)，利用LMMSE信道估計(jì)方法，得到

(9)

RΔg=diag{[MSE(g1)MSE(g2) …MSE(gM)]}=

(10)

式中：MSE(gi)表示gi(i=1，2，…，M)的估計(jì)均方誤差。

為了估計(jì)S→R鏈路的CSI，設(shè)f=[f1f2…fM]T，則式(8)可以寫成

(11)

注意到，w和f是相互獨(dú)立的。

根據(jù)LMMSE信道估計(jì)方法可得

(12)

式中：Cfy2表示f和y2的互相關(guān)函數(shù)，Cy2y2表示y2的自相關(guān)函數(shù)，則有

(13)

αCRfΔgCHαH+βCRnΔgCHβH+N0I

(14)

將式(13)和式(14)代入式(12)，考慮到E{F}=E{y2}=0，可得到

αCRfΔgCHαH+βCRnΔgCHβH+N0I)-1y2

(15)

4 仿真與性能分析

4.1 仿真條件

4.2 仿真結(jié)果與分析

圖2給出了不同中繼個(gè)數(shù)，利用不同方法進(jìn)行信道估計(jì)所需要的時(shí)隙數(shù)的比較。從圖中可以看出，當(dāng)中繼個(gè)數(shù)為16時(shí)，文獻(xiàn)[9]的方法和文獻(xiàn)[7]的方法需要的時(shí)隙分別為48個(gè)和32個(gè)，這是由于文獻(xiàn)[9]方法依次對(duì)每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)鏈路分階段進(jìn)行估計(jì)，每次估計(jì)需要3個(gè)時(shí)隙，因此估計(jì)整個(gè)中繼網(wǎng)絡(luò)需要3×M個(gè)時(shí)隙，而文獻(xiàn)[7]只估計(jì)級(jí)聯(lián)信道，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的訓(xùn)練符號(hào)長(zhǎng)度等于中繼個(gè)數(shù)，傳輸一個(gè)符號(hào)需要2個(gè)時(shí)隙，因此需要2×M個(gè)時(shí)隙。本文提出的基于預(yù)編碼的信道估計(jì)方法，各中繼節(jié)點(diǎn)可同時(shí)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送訓(xùn)練序列，通過預(yù)編碼將不同中繼的訓(xùn)練序列正交，因此，只需要3個(gè)時(shí)間間隙，且時(shí)間間隙的個(gè)數(shù)不隨中繼個(gè)數(shù)的增加而增加。

圖2 不同估計(jì)方法下所需要的時(shí)隙數(shù)比較

圖3和圖4分別給出了R→D鏈路在不同中繼個(gè)數(shù)時(shí)的MSE性能比較和S→R鏈路在不同中繼個(gè)數(shù)時(shí)的MSE性能比較。因?yàn)槲墨I(xiàn)[7]不能分段估計(jì)信道的CSI，所以只對(duì)提出方法和文獻(xiàn)[9]方法進(jìn)行了比較。從圖3和圖4可以看出，本文提出的方法比文獻(xiàn)[9]提出的方法具有更高的MSE，且隨著中繼節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，MSE隨之增大，這是因?yàn)殡S著中繼個(gè)數(shù)M的增加，中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的功率減小，因此降低了系統(tǒng)的估計(jì)性能。由于S→R鏈路的信道狀態(tài)信息是在R→D鏈路估計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行估計(jì)的，本身存在一定的誤差，因此導(dǎo)致了S→R鏈路的信道估計(jì)誤差要比R→D鏈路估計(jì)的誤差大，所以，圖3和圖4相比，圖4的MSE比圖3的要大。雖然從圖5和圖6可以看出，提出方法比文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[7]有更高的MSE和BER，但是提出方法不僅能有效估計(jì)出分段信道的CSI，而且能大量節(jié)約訓(xùn)練時(shí)隙的開支?？梢钥闯?，本文提出的信道估計(jì)方法更適用于高信噪比的情況。

圖3 R→D鏈路在不同中繼個(gè)數(shù)時(shí)的MSE性能比較

圖4 S→R鏈路在不同中繼個(gè)數(shù)時(shí)的MSE性能比較

圖5 不同估計(jì)方法的MSE性能比較(M=4)

圖6 不同估計(jì)方法的BER性能比較(M=4)

圖7給出了不同μ的總MSE性能比較，其中，中繼個(gè)數(shù)為2，SNR=15 dB。這里假設(shè)所有的中繼節(jié)點(diǎn)在同一位置，即各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)具有相同的μ值。從圖中可以看出，當(dāng)μ值較小時(shí)，總MSE顯著增大，μ值越大，即中繼節(jié)點(diǎn)離目的節(jié)點(diǎn)距離越短，MSE越小。因此，本文提出的信道估計(jì)方法更適合于中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)距離接近的中繼網(wǎng)絡(luò)。

圖7 不同中繼位置時(shí)MSE性能比較(SNR=15 dB，M=2)

5 總結(jié)

本文研究了瑞利平坦衰落信道下AF多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)的信道估計(jì)方法，提出了一種在目的端獲得S-R和R-D兩段鏈路的信道估計(jì)方法。該算法利用在中繼端進(jìn)行預(yù)編碼，以便中繼節(jié)點(diǎn)可同時(shí)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送訓(xùn)練序列，大大減小了訓(xùn)練時(shí)隙的開支。仿真結(jié)果表明，本文提出的方法可有效地估計(jì)出兩段鏈路的信道狀態(tài)信息，縮短了信道估計(jì)時(shí)間。

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甘立記(1990— )，碩士生，主研無線協(xié)作通信系統(tǒng)信號(hào)分析與處理；

王 丹(1979— )，女，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主研通信信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)檢測(cè)技術(shù)和多學(xué)科協(xié)同仿真與建模。

責(zé)任編輯：任健男

Channel Estimation Method Based on Precoding for Multi-relay Amplify-and-Forward Cooperative Communication System

GAN Lijia, WANG Danb

(a.ElectricEngineeringCollege;b.InformationEngineeringCollege,HenanUniversityofScienceandTechnology,HenanLuoyang471023,China)

A disintegrated channel estimation method based on precoding is proposed for multi-relay Amplify-and-Forward(AF) cooperative communication over flat-fading channel. This method estimates the Channel State Information(CSI) of the S-R links and R-D links by two stages. The precoding in the relay nodes for that they can transmit the training sequence to the destination node simultaneously. Simulation results show that the proposed method in this test can effectively estimate the channel state information of the two section link, with less the training time slot and less channel estimation time.

channel estimation; precoding; muti-relay; LMMSE

【本文獻(xiàn)信息】甘立記，王丹.基于預(yù)編碼的AF多中繼協(xié)作通信信道估計(jì)方法[J].電視技術(shù),2015，39(13).

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61101167)；河南科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(09001409)；河南科技大學(xué)“青年學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人”項(xiàng)目(2014)；河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(112102210431)

TN911.7

A

10.16280/j.videoe.2015.13.029

2014-12-21